彭 藝，姜 睿，肖祖飛，張北紅，李 鳳

(南昌工程學(xué)院 江西省樟樹繁育與開發(fā)利用工程研究中心，江西 南昌330099)

污泥是污水處理廠污水凈化后產(chǎn)生的固體或流體狀物質(zhì)，含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，可供植物利用，但也含有大量的病原物體、寄生蟲(卵)、重金屬等有害物質(zhì)，會對環(huán)境產(chǎn)生一定的危害[1]。污泥進行有氧或厭氧堆置漚熟能夠有效地殺滅病原物體、寄生蟲(卵)等，但重金屬難以去除，污泥堆肥用于作物的栽培，其重金屬會污染土壤，在作物內(nèi)積累，有可能經(jīng)過食物鏈危害動物和人類的健康，造成嚴重的生態(tài)破壞[2]。污泥堆肥用于園林植物的栽培基質(zhì)，不僅可以避開食物鏈，而且還可減少肥料的施用，重金屬也可以富集到植物體內(nèi)，減少污染，是目前研究的熱點。有研究表明，污泥堆肥與腐殖山基土配比用于羽衣甘藍的栽培基質(zhì)，能夠促進株高、莖粗、冠幅、花幅的生長，污泥堆肥與腐殖山基土的比值為6∶4時最適合羽衣甘藍的生長[3]。污泥堆肥能夠提高早熟禾株高、葉面積、生物量和葉綠素含量等，提高早熟禾葉片凈光合速率、蒸騰速率和水分利用率，與2%、4%、6%和10%的污泥堆肥施用量相比較，施用8%(80 g污泥+920 g土壤)時效果最好[4];污泥施用量過大會對植物生長產(chǎn)生抑制作用[5]。海濱木槿(Hibiscushamabo)屬錦葵科木槿屬植物，樹冠濃密，花大且呈金黃色，花期長，葉子入秋后變紅，是優(yōu)良的觀花觀葉園林植物[6]。海濱木槿耐鹽堿，具有很強的抗風(fēng)能力，能耐-10 ℃低溫和40 ℃高溫，也是優(yōu)良的防風(fēng)護林和綠化的樹種[7]。本文以海濱木槿2年生扦插苗為材料，研究了污泥堆肥對海濱木槿生長及元素吸收的影響，以期為污泥堆肥的利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

污泥取自江西南昌市青山湖污水處理有限公司，其污水來源為城市生活污水。污泥用薄膜覆蓋，進行厭氧堆置漚熟75 d之后風(fēng)干，制備成污泥堆肥，碾碎過3 mm篩待用。紅壤土取自南昌工程學(xué)院園林實訓(xùn)基地，風(fēng)干后碾碎，過3 mm篩待用。污泥堆肥與紅壤土的理化性質(zhì)見表1。海濱木槿為2年生扦插苗，生長健壯，長勢一致。栽培盆選用外口徑29 cm、內(nèi)口徑25 cm、高26 cm的塑料盆。

1.2 試驗設(shè)計

污泥堆肥與紅壤土按不同體積比均勻混合，作為栽培基質(zhì)。本試驗共設(shè)5個處理，分別為對照：紅壤土(無污泥堆肥)、處理1：污泥堆肥∶紅壤土=1∶3、處理2：污泥堆肥∶紅壤土=2∶3、處理3：污泥堆肥∶紅壤土=1∶1、處理4：污泥堆肥∶紅壤土=3∶2，其理化性質(zhì)見表1。每個處理10盆，3次重復(fù)，完全隨機區(qū)組排列。

表1 污泥堆肥、紅壤土及其不同配比的理化性質(zhì)

試驗場地設(shè)置在南昌工程學(xué)院園林實訓(xùn)基地，位于南昌市東部，緊鄰艾溪湖濕地公園和瑤湖森林公園，東經(jīng)115°27′～116°35′、北緯28°09′～29°11′，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候，日照充足，降雨量充沛，年無霜期長、冰凍期短。試驗于2018年5月14日開始，同年9月14日結(jié)束。每盆裝基質(zhì)8 kg，每盆栽苗1株，栽前對每株苗木的株高和地徑進行測定。根據(jù)盆栽水分狀況，進行澆水管理，以保證植物正常生長。

1.3 測定指標(biāo)與方法

2018年8月14日上午9:00～11:30測定光合參數(shù)，每個處理挑選3株具代表性的植株，每株再選出有代表性的當(dāng)年生成熟葉片3片(從枝條頂部開始第5～7片葉片)為待測材料，采用Li-6400XT光合儀測定葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度等參數(shù)，光源為儀器的紅藍光，葉室大小為2 cm×3 cm，光照強度為1000 μmol/m2·s，測定溫度設(shè)為25 ℃，氣源為試驗區(qū)3 m 以外的空氣。同時，每個處理隨機挑取3盆，將植株整體挖出，洗凈，葉片取自從枝條頂部開始第5～8片，根系選取二級側(cè)根，迅速包好放入液氮罐中保存，帶回實驗室采用丙酮浸提法[8, 9]測定葉綠素和類胡蘿卜素含量。

2018年9月14日結(jié)束試驗，將剩下的試驗苗整體挖出，先用自來水沖洗，再用去離子水洗凈晾干，測量樹高、地徑和鮮重；之后將地上部分與地下部分分開，分別測定鮮重；再用根系分析儀WinRHIZO掃描根系，測定單株總根長、根面積、根體積和細根直徑，并在105 ℃下殺青0.5 h，70 ℃下烘至恒量，稱干重。將植物樣品磨碎過0.25 mm篩，用于測定N、P、K、Cu、Zn、Cd 含量。先用濃H2SO4-H2O2消煮植物樣品，獲得待測液，N 含量用堿解擴散法測定，P 含量用鉬銻抗比色法測定，K含量用火焰分光光度計法測定。重金屬Cu、Zn、Cd等的含量 采用干灰化-原子吸收分光光度計法測定。

栽培基質(zhì)各指標(biāo)測定方法如下[10]：pH值采用pH計法(水土比為 2.5∶1)測定；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定;全N、堿解N的含量采用堿解擴散法測定；全P含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定;速效P含量采用HCl和H2SO4溶液浸提-鉬銻抗比色法測定；全K含量采用NaOH熔融-火焰分光光度計法測定;速效K含量采用NH4OAc浸提-火焰分光光度計法測定；重金屬含量采用HF-HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

植物重金屬耐性指數(shù)[11]=重金屬污染基質(zhì)中生長的植物平均生物量/園林土壤(沒有重金屬污染)中生長的植物平均生物量

重金屬富集系數(shù)(BAF)[12]=植物某部位重金屬含量/土壤重金屬含量

轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)[13]=地上部植物中重金屬含量/地下部植物中重金屬含量

所有實驗數(shù)據(jù)先用Excel 2010計算、整理，再用SPSS 19.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan多重比較，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥堆肥對海濱木槿生長的影響

2.1.1 污泥堆肥對海濱木槿株高、地徑和生物量的影響 由表2可知，海濱木槿株高、地徑、地上部分生物量、地下部分生物量和總生物量隨著污泥堆肥使用量的增加而增加。各處理株高、地徑、生物量相較于對照有顯著提高。在所有處理中，處理4的海濱木槿生長最好，株高、地徑分別是對照的1.78、1.66倍，地上部分生物量是對照的6.49倍，地下部分生物量是對照的3.89倍，總生物量是對照的5.6倍。根冠比隨污泥堆肥使用量的增加而降低，與對照相比，處理4的根冠比下降了41%。重金屬耐性指數(shù)也隨污泥堆肥使用量的增加而增加，處理4的耐性指數(shù)是對照的5.60倍。表明污泥堆肥對海濱木槿的生長具有顯著促進作用，其中對地上部分的生長促進作用最顯著，同時海濱木槿對污泥堆肥具有較強的抗性。

表2 污泥堆肥對海濱木槿株高、地徑和生物量的影響

2.1.2 污泥堆肥對海濱木槿根系生長的影響 由表3可知，各處理海濱木槿的總根長、根面積和根體積顯著大于對照組?？偢L以處理4最大，與處理1、處理2和處理3比較，總根長分別增加了25.61%、53.47%和28.68%；總根面積和總根體積各處理間差異不顯著。細根直徑最大的是處理3，其次是處理2，兩者之間差異不顯著，但均顯著高于處理4、處理1和對照組。因此，污泥堆肥對海濱木槿的根系生長具有促進作用。

表3 污泥堆肥對海濱木槿根系生長的影響

2.2 污泥堆肥對海濱木槿色素含量和光合參數(shù)的影響

2.2.1 污泥堆肥對海濱木槿葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響 由表4可知，各處理間海濱木槿葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量差異不顯著，但均顯著高于對照組。與對照組比較，處理1至處理4葉綠素a含量分別增加了49.02%、49.51%、52.83%和44.59%，葉綠素b含量分別增加了87.98%、70.54%、70.54%和60.47%，葉綠素含量分別增加了58.40%、54.57%、57.09%和48.41%。對照組的類胡蘿卜素含量顯著高于各處理，隨污泥堆肥施用量的增加而有所降低。對照組的葉綠素a∶葉綠素b的值約為3∶1，各處理葉綠素a∶葉綠素b的值接近3∶1，各處理與對照組差異不顯著。對照組葉綠素∶類胡蘿卜素的值約為4∶1，而各處理葉綠素與類胡蘿卜素的值約為7～8∶1，是對照組的1.75～2.00倍，顯著高于對照組。表明污泥堆肥促進海濱木槿葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素的合成，降低類胡蘿卜素的合成。

表4 污泥堆肥對海濱木槿葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響 mg/kg

2.2.2 污泥堆肥對海濱木槿光合參數(shù)的影響 由表5可知，海濱木槿葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率隨污泥堆肥使用量的增加而增加，各處理顯著高于對照。處理4海濱木槿葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率顯著高于處理1和處理2，與處理3差異不顯著。與對照相比較，處理4的葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率分別增加了21.82%、45.71%、17.71%和48.68%。因此，海濱木槿最適污泥堆肥量是處理3和處理4中的用量。

表5 不同處理的污泥堆肥對海濱木槿光合參數(shù)的影響

2.3 不同污泥堆肥處理下海濱木槿對N、P和K的吸收

由表6可知，海濱木槿葉片、莖和根中N、P和K的含量隨污泥使用量的增加而增加，各處理顯著高于對照組，各處理間也存在差異。處理4下，葉和莖中N、P含量顯著高于各處理，與處理1、處理2和處理3相比較，葉中N含量分別增加了35.20%、20.24%和14.92%，莖中N含量分別增加了37.06%、15.66%和13.53%；葉中P含量分別增加了46.44%、26.36%和24.55%，莖中P含量分別增加了59.58%、33.01%和24.48%。處理4葉、莖中K含量顯著高于處理1和處理2，葉片中K含量分別增加了36.68%和33.49%，莖中K含量分別增加了27.35%和11.20%;處理4與處理3間葉、莖中K含量差異不顯著。葉中N、P和K的含量最高，其次是莖，根中含量較少。

表6 不同污泥堆肥處理下海濱木槿葉、莖和根對N、P和K的富集 g/kg

2.4 不同污泥堆肥處理下海濱木槿對重金屬的吸收和富集

2.4.1 不同污泥堆肥處理下海濱木槿不同器官對重金屬的吸收 由表7可知，海濱木槿能夠吸收污泥堆肥中的重金屬銅、鋅和鎘，吸收量表現(xiàn)為Zn>Cu>Cd。海濱木槿地上部分和地下部分Cu、Zn和Cd的含量隨污泥使用量的增加而增加，各處理地上部分和地下部分Cu、Zn和Cd的含量顯著高于對照，各處理間也存在差異。處理4的地上部分和地下部分Cu、Zn和Cd含量高于其它處理，與處理1、處理2和處理3相比較，處理4的地上部分Cu含量分別增加了41.97%、23.28%和3.28%，地下部分Cu含量分別增加了30.40%、17.92%和10.92；處理4地上部分Zn含量分別增加了25.41%、18.90%和13.35%，地下部分Zn含量分別增加了35.52%、25.66%和12.93；處理4地上部分Cd含量分別增加了29.55%、27.27%和18.18%，地下部分Cd含量分別增加了40.98%、26.23%和19.67%。海濱木槿地下部分銅和鎘含量顯著高于地上部分，鋅的含量在地上部分和地下部分間差異不顯著。

表7 不同污泥堆肥處理下海濱木槿葉、莖和根對重金屬的吸收 mg/kg

2.4.2 不同污泥堆肥處理下海濱木槿不同器官對重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù) 由表8 可見，污泥堆肥使用量對海濱木槿地上、地下部的重金屬富集系數(shù)均有顯著影響，隨污泥堆肥使用量的增加，海濱木槿地上部分和地下部分Cu、Zn和Cd的富集系數(shù)增大。海濱木槿地下部分對Cu和Cd的富集系數(shù)大于地上部分，地上部分和地下部分對Zn的富集系數(shù)的差異不大。

由表9可知，各處理間Cu、Zn和Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)差異不顯著；在不同污泥堆肥處理中，海濱木槿對Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，轉(zhuǎn)移系數(shù)接近1.0;其次是Cd，轉(zhuǎn)移系數(shù)0.7左右；Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)最小，轉(zhuǎn)移系數(shù)0.4左右。

3 結(jié)論與討論

3.1 污泥堆肥對海濱木槿生長的影響

有研究表明，污泥堆肥的施用能夠顯著促進黃梁木株高、地徑和生物量的增長[14]。當(dāng)污泥堆肥含量達到30%時，油松苗高、地徑和生物量達到最大值；當(dāng)?shù)陀诨蚋哂?0%時均達不到最佳生長效果[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，污泥堆肥顯著促進海濱木槿株高、地徑、生物量和根系的生長，當(dāng)污泥堆肥∶紅壤土為3∶2時，海濱木槿生長最佳。污泥堆肥能夠促進海濱木槿的生長主要與含有豐富的氮、磷、鉀等有關(guān)，試驗中污泥堆肥有機碳、堿解氮、有效磷和有效鉀含量分別為166.14 g/kg、237.88 mg/kg、669.68 mg/kg、475.62 mg/kg，分別是對照的67倍、58倍、74倍和9倍左右。此外，還可能與污泥堆肥能夠改良土壤理化性質(zhì)有關(guān)。有研究表明，連續(xù)在沙質(zhì)潮土地施用污泥堆肥，能顯著提高土壤含水率、有機碳含量、全氮含量和速效養(yǎng)分的含量，污泥堆肥施用量達到30～45 t/hm2，可作為沙質(zhì)潮土的改良材料[16]。

3.2 污泥堆肥對海濱木槿葉片葉綠素含量和光合參數(shù)的影響

植物的生長離不開光合作用，葉綠素與光合作用息息相關(guān)，葉綠素含量和凈光合速率能夠在一定范圍內(nèi)反映植物光合能力的強弱。本研究表明，污泥堆肥的施用能夠顯著促進海濱木槿葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素的合成，海濱木槿葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率也隨污泥使用量的增加而增加。有研究表明，施用污泥堆肥有利于提高楊樹幼苗葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間 CO2摩爾分數(shù)等光合參數(shù)，60 t/hm2的污泥堆肥施用量對各光合參數(shù)最有利[17]。施用污泥堆肥能增加海濱木槿葉片葉綠素含量，促進葉片的光合作用，這與株高、地徑、根系、生物量等生長指標(biāo)吻合。

3.3 污泥堆肥對海濱木槿營養(yǎng)元素吸收的影響

氮、磷和鉀是植物生長必需的重要營養(yǎng)元素，在植物的生長過程中發(fā)揮重要作用。施用污泥堆肥后，海濱木槿根、莖、葉中氮、磷、鉀含量顯著增加，并且隨著污泥堆肥的使用量增加而增加，因此，當(dāng)污泥堆肥∶紅壤土為3∶2時，海濱木槿生長最佳。此外，莖、葉中氮、磷、鉀含量高于根中，根部吸收的N、P、K大部分運輸?shù)角o和葉，主要供地上部分生長，這與根冠比隨污泥堆肥施用量增加而降低的結(jié)果一致。

3.4 污泥堆肥對海濱木槿重金屬元素吸收的影響

污泥堆肥除含有植物生長所需的營養(yǎng)元素外，還含有大量重金屬，對植物的生長產(chǎn)生毒害作用。有研究表明，10%污泥堆肥(質(zhì)量比)會對草莓的生長產(chǎn)生抑制作用，20%污泥堆肥會使草莓死亡，主要是因為重金屬毒害。耐性指數(shù)是植物抗逆性的一個重要指標(biāo)。本試驗中，海濱木槿耐性指數(shù)隨污泥堆肥施用量的增加而增加，施用60%污泥堆肥(污泥堆肥∶紅壤土=3∶2，體積比)，海濱木槿生長最好；基質(zhì)中銅含量達到216.91 mg/kg，鋅含量達到460.81 mg/kg，鎘含量達到0.67 mg/kg，超過了國家土壤環(huán)境二級標(biāo)準，表明海濱木槿對污泥堆肥具有較強適應(yīng)性和抗重金屬能力。

重金屬富集系數(shù)是用來評價植物對土壤重金屬積累能力的一個指標(biāo)，植物的重金屬富集系數(shù)越大，其重金屬積累能力越強。海濱木槿對重金屬Cu、Zn和Cd的富集系數(shù)表現(xiàn)為Cd>Zn>Cu，海濱木槿對Cu的富集系數(shù)在污泥堆肥體積比達到40%時基本不變，對Zn的富集系數(shù)在污泥堆肥體積比達到50%時基本不變，對Cu和Zn的富集系數(shù)均小于1，對Cd的富集系數(shù)在污泥堆肥比例達到60%時達到最大，并且在不同污泥堆肥處理下對Cd的富集系數(shù)都大于1，表明海濱木槿是重金屬Cd富集高效的植物，有望用于Cd污染土壤的修復(fù)。海濱木槿地下部分對Cu和Cd的富集系數(shù)大于地上部分，地上部分和地下部分對Zn的富集系數(shù)差異不大，這與Cu和Cd在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移難易程度有關(guān)，還與植物對Zn的需求量大于Cu和Cd有關(guān)。

轉(zhuǎn)移系數(shù)表示植物將重金屬從根轉(zhuǎn)移到可收割的地上部分的能力。在各污泥堆肥處理間Cu、Zn和Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)差異不顯著，但海濱木槿對重金屬Cu、Zn和Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)有顯著差異，Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，接近1.0；其次是Cd(0.7左右)；Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)最小(0.4左右)。這可能是因為Zn是植物生長必需的微量元素，植物各器官均有需求；Cd為有害元素，被滯留在根部，減輕對地上部分的毒害；Cu雖然是植物生長的必需微量元素，但需求量少，且在植物體內(nèi)較難移動，因而大部分滯留在根部。