城市污水处理厂污泥中含有大量可降解和难降解的有机物、重金属(Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Hg、Cd等)和盐类,以及少量病原微生物和寄生虫卵等^[1],这些物质会通过大气、地下水、地表水等途径重新回到环境中,危害环境安全。同时,污泥中含有丰富的营养物质(有机质、N、P等)以及可被植物有效利用的矿质元素等,具有较高的农用价值^[2]。污泥也是一种能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进植物生长的潜在资源^[3]。污泥农用在国外已有较长历史,其肥效甚至胜过农家肥^[4]。近年来,我国对污泥农用的研究显示,污泥通过与一些调理剂和膨胀剂混合,利用微生物分解有机物产生的热量,杀灭病原微生物,稳定易腐化的腐殖物质,能变成一种既安全又有利于存储、运输和使用的肥料^[5]。由于污泥堆肥并不能去除重金属,且农田施用过量的污泥会使部分营养成分不能被植物充分利用,随水淋失而对环境构成潜在危害^{[6, 7]}。李淑芹等^[4]研究发现,在污泥堆肥的施用量范围内,随着其施入量的增加,土壤中重金属Cu、Zn、Cd、Pb含量及大豆不同器官中Cu、Zn、Cd的含量均会逐渐增加,但土壤和大豆籽粒中Cu、Zn、Cd、Pb均未超过国家相关标准。刘强等^[6]研究发现,控制污泥堆肥的施用比例,并不会导致NO3-N和重金属对地下水造成不良影响。

虽然许多学者在污泥堆肥农用方面做了大量研究,但目前施用污泥堆肥对青椒的影响鲜有报道。本文通过盆栽试验,分析施用不同量的污泥堆肥对土壤及青椒各器官中重金属积累的影响以及土壤-青椒间重金属的迁移和富集行为,为污水厂污泥堆肥农用提供相关参数。

试验所用土壤为陕西省咸阳市杨凌区农田土。污泥堆肥为西安市第五污水处理厂的脱水污泥混合一定比例的烟沫和牛粪经过40 d堆肥制成。污泥堆肥中有机质、总养分以及各重金属含量均符合我国《农业行业标准NY 525-2012有机肥料》的相关规定,两者理化性质如表 1所示。试验用青椒种子,从杨凌华星绿色种苗有限公司购得。

表 1 供试土壤和污泥堆肥的基本性质 Table 1 Basic properties of soil and sludge compost used

表选项

采用盆栽方式,按照污泥堆肥与农田土质量比0:100(CK)、1:99(1%)、5:95(5%)、10:90(10%)、20:80(20%)、40:60(40%)、80:20(80%)、100:0(100%)设8个处理组,将污泥堆肥与农田土充分混合后,装于口径为25 cm塑料盆中,每个实验组混合土重均为3 kg,每个组设置3个平行处理,每盆播种15颗子粒饱的青椒种子,等幼苗长成三叶一心时定苗,每盆留3株幼苗。试验在西北农林科技大学温室大棚进行,控制温度在10~35℃,含水量保持在60%水平,常规管理。

收获时取各实验组基质土、根际土和青椒植株整株样品。根际土采用抖土法,将粘在根系上的土用毛刷刷下,收集风干,研细过100目筛,装袋标记。将青椒植株处理干净,并分离根、茎、叶、果实,分别称重后放入105℃的鼓风干燥箱中杀青30 min,经80℃烘干至恒重,再次按不同部位称重,粉碎过100目筛,装袋标记。将采集的基质土经风干后用四分法取适量,研细过100目筛,装袋标记。分别测定基质土、根际土以及青椒根、茎、叶和果实中的重金属含量。

土壤和污泥堆肥pH采用电位法测定;TN采用半微量凯氏法测定;TK采用常压消解-火焰光度法;有机质采用重铬酸钾氧化法;土壤和污泥堆肥采用王水-高氯酸常压消解处理,用原子吸收分光光度法测定^[8];青椒各器官的重金属用浓硝酸-高氯酸常压消解处理,用原子吸收分光光度法测定^[9]; TP采用NaOH熔融-钼锑抗分光光度法^[10]。

本文用Excel软件对不同实验组的基质土、根际土、青椒各器官重金属含量以及青椒株高与根长等数据进行计算整理,采用SPSS软件对其进行显著性分析,并用Origin 8.0进行图形绘制。

施用污泥堆肥的同时污泥堆肥中的重金属元素也随之进入土壤,且随施用量的增加,污泥堆肥中含量较高的重金属元素会在土壤中呈显著增加趋势,不同实验组基质土中重金属含量见表 2。

表 2 不同实验组对基质土重金属含量的影响 Table 2 Effects of different rates of sewage sludge compost on heavy metal concentrations in soil

表选项

基质土壤重金属含量(表 2)表明,除重金属Ni含量低于CK(无果实)处理外,基质土中各实验组重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd含量均高于CK处理。各实验组Cu含量分别是CK处理含量的1.05倍、1.40倍、1.43倍、1.79倍、2.07倍、2.66倍和2.88倍,除5%与10%处理差异不显著外,其余实验组间均差异显著;Zn含量分别是CK处理含量的1.01倍、1.09倍、1.21倍、1.68倍、1.74倍、3.16倍和3.94倍,即不同实验组间差异显著;Pb含量分别是CK处理含量的1.00倍、1.03倍、1.09倍、1.22倍、1.36倍、1.62倍和1.84倍,除CK处理、1%和5%处理间以及5%和10%处理间差异不显著外,其余各实验组呈差异显著;Cr含量分别是CK处理的1.18倍、1.29倍、1.51倍、1.58倍、1.63倍、1.65倍和1.70倍,除40%与80%处理间差异不显著外,其余各实验组均差异显著;Cd含量分别是CK处理的1.20倍、1.45倍、2.10倍、2.60倍、2.70倍、6.15倍和6.45倍,100%与80%处理间、60%与40%处理间以及1%与CK处理间差异不显著,但其相互间差异显著。与上述重金属不同,Ni随着污泥堆肥量的增加,其含量在基质土中呈下降趋势,与CK处理相比分别下降8.08%、10.74%、10.94%、11.44%、21.77%、27.36%和56.93%,除5%、10%与20%实验组差异不显著外,其余均差异显著。

污泥堆肥农田利用会导致土壤重金属含量增加,是影响污泥堆肥农用的因素之一。Cu、Zn、Pb、Cr、Cd等重金属均随污泥堆肥施用量的增加,其在土壤中含量呈显著增加趋势,重金属Ni由于污泥堆肥中含量小于农田土中Ni含量,因此其在土壤中的含量随污泥堆肥施用量的增加呈减少趋势。本实验结果显示,在使青椒正常生长的污泥堆肥施用量范围内,基质土中各重金属含量均低于我国土壤环境质量二级标准(GB 15618-1995)^[11],除重金属Cd外,其余指标可达到一级标准,能满足我国二级标准适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤限制值的要求。因此,污泥堆肥短期内可以安全地进行农田施用。

盆栽青椒的根际土重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd的含量与基质土含量变化趋势相似,均为随污泥堆肥施用量的增加,根际土中重金属含量增加,不同实验组对根际土重金属含量的影响如图 1所示。重金属Cu、Zn、Cr、Cd在根际土中的含量均高于基质土含量,不同实验组重金属富集的程度不一样:根际土Cu含量比基质土含量分别高出4.82%、10.75%、13.72%、24.99%、45.92%、49.10%,Zn含量分别高出6.07%、7.74%、13.18%、15.56%、31.94%、58.36%,可以看出随基质土重金属浓度升高,根际土Cu、Zn的富集程度有增长趋势;Cd的增长无明显趋势,分别高出基质土含量的54.80%、39.83%、44.69%、2.60%、53.46%、112.39%;Ni在根际土中含量与基质土Ni浓度无明显关系,Ni含量基本维持在(30.80±0.95)mg·kg^-1的范围内。

图 1 污泥堆肥不同梯度处理对根际土重金属含量的影响 Figure 1 Effects of different rates of sewage sludge compost on heavy metal concentrations in rhizospheric soil

图选项

于瑞莲等^[12]研究发现,小白菜根系分泌的多种有机物对根际土中重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni等起到螯合固定和积累作用,同时也限制它们向植物体内输送。由上述结果可知,青椒的根系可能同样分泌具有螯合固定和积累重金属作用的物质,促使Cu、Zn、Cr、Cd从基质土中向青椒根部土壤迁移,从而使其在根际土中的含量高于基质土中的含量,并使Ni在根际土中维持一个相对稳定的浓度,而Pb在基质土-根际土迁移系统中较为稳定。

如图 2所示,随污泥堆肥施用量的增加,青椒的株高和根长均出现先增后减的趋势,各实验组的株高分别高出CK处理223.85%、426.38%、342.20%、276.15%和143.12%,根长分别高出CK处理132.64%、195.25%、215.43%、189.32%和129.97%,说明污泥堆肥能有效促进青椒生长,但施用量过多时会影响生长。

图 2 施用污泥堆肥对青椒株高与根长的影响 Figure 2 Effects of sewage sludge compost application on plant height and root-length of green pepper

图选项

青椒的根、茎、叶、果实以及整个植株的干重见图 3,青椒的根、茎、叶、果实的干重均出现随污泥堆肥施用量增加而先增后减的趋势。CK处理未施用污泥堆肥,由于其土壤本身养分缺乏,青椒总干重最低,且无果实形成,其余各处理梯度青椒总干重分别是CK处理的14.46倍、118.76倍、107.58倍、81.02倍和59.08倍,污泥堆肥促进植物生长明显,5%处理最明显。各梯度处理的果实干重的大小顺序为5%>10%>20%>40%>1%>CK(无果实)。这表明,5%的污泥堆肥是青椒的理想施用量。

图 3 施用污泥堆肥对青椒器官干重的影响 Figure 3 Effects of sewage sludge compost rates on dry weight of green pepper

图选项

施用污泥堆肥处理的青椒各器官重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd含量均高于CK处理,重金属Ni含量均低于CK处理。由图 4可知:青椒各器官中Cu、Zn含量的大小顺序是叶>根>果实>茎;Pb含量的大小顺序是根>叶>茎>果实;Cr、Ni含量的大小顺序是根>茎>叶>果实。

图 4 施用污泥堆肥对青椒各器官重金属含量的影响 Figure 4 Effects of sewage sludge compost on heavy metal concentrations in green pepper

图选项

对于青椒根部,各梯度处理的Cu含量分别高出CK处理22.98%、24.87%、45.58%、47.07%和91.60%;Zn含量分别高出CK处理2.06%、50.39%、83.11%、81.34%、142.14%;Pb含量分别高出CK处理7.69%、12.51%、14.72%、25.59%、32.49%;Cr含量分别高出CK处理17.25%、48.85%、106.03%、29.16%、36.10%;Cd含量分别高出CK处理30.21%、96.18%、338.43%、521.03%、903.44%;Ni含量则分别低于CK处理9.99%、23.27%、53.62%、66.27%、67.57%。根部重金属Cu、Zn、Pb、Cd的含量随污泥堆肥的施用量增加呈显著增加趋势,Ni呈显著减少趋势,Cr含量的趋势为先增后减,施用量为10%时含量达到最大值13.40 mg·kg^-1。

对于青椒茎部,各梯度处理Cu、Zn、Cr与CK处理相比无明显变化趋势,而各梯度处理Pb含量分别高出CK处理6.34%、9.37%、12.47%、14.63%、15.98%,Cd含量分别高出CK处理8.19%、6.68%、64.51%、87.71%、98.06%,Pb、Cd均呈显著增长,Ni含量低于CK处理25.53%、28.17%、45.36%、54.94%、61.18%,呈显著减少。

对于青椒叶部,各梯度处理Cu、Zn、Pb含量均高于CK处理,无明显变化趋势;Cr与CK处理相比,变化差异不显著;Cd含量分别高出CK处理36.13%、85.88%、111.39%、153.74%、167.90%,呈显著性增长;Ni含量分别低于CK处理28.47%、32.98%、26.19%、25.51%、13.59%。

对于青椒果实,本实验测定值为果实干样重金属含量,通过青椒鲜重与烘干后重量的比例关系,计算出各实验组青椒的重金属含量,如图 5所示。根据我国食品安全标准(GB 2762-2012)食品中污染物限量^[13],新鲜蔬菜重金属Pb的限量是0.1 mg·kg^-1,重金属Cd的限量是0.05 mg·kg^-1,重金属Cr的限量是0.5 mg·kg^-1。各实验组青椒果实的Cr均未超标,分别低于国家标准92.22%、60.90%、30.62%、21.04%和19.94%;对于Pb除1%和5%两个处理未超标外,其余分别超过国家标准24.70%、36.70%和33.90%;对于Cd除40%处理超标26.01%外,其余处理均低于国家标准的35.00%、31.40%、16.60%和9.20%。

图 5 青椒果实鲜样重金属含量和限值 Figure 5 Content of heavy metals in fresh green pepper fruit and their limits based on the national standards

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植物对不同的重金属元素均有富集的能力,可以用重金属富集系数(富集系数=植物体内某种重金属含量/根区土壤中该种重金属含量^[14])来讨论重金属元素在植物不同器官的富集能力。富集系数可反映重金属元素富集程度和迁移能力大小,其值愈大表明作物愈易从土壤中吸收该元素,即该元素的迁移性愈强^[15]。

如图 6所示,在青椒根部,Cu的富集系数大于Zn、Pb、Cr、Ni,随污泥堆肥施用量的增加,Zn、Pb、Cr的富集程度变化不大,但Cd的富集程度显著增加,Ni的富集程度缓慢减少;在青椒茎部,Cd的富集系数最大,Cu均随污泥堆肥施用量的增加有减少的趋势,Zn、Pb、Cr、Ni受污泥堆肥施用量的影响较小;在青椒叶部,重金属元素富集系数的大小顺序是Cd>Cu>Zn>Pb>Cr>Ni,其中Cu、Cd、Zn、Pb的富集系数均在5%处理达到峰值,Cr、Ni的富集程度受污泥堆肥施用量的影响较小;对青椒果实,重金属富集系数的大小顺序是Cd>Cu>Zn>Cr。可见Cd、Cu、Cr的富集系数随污泥堆肥施用量的增加出现递减趋势,Zn无明显的变化趋势,Pb、Ni富集程度较为稳定且富集系数小于Cd、Cu、Zn。随着污泥堆肥施用量的增加,有毒有害物质对青椒生长的抑制现象越来越明显,影响青椒根部分泌络合物以及重金属向植株体内转移所需载体的产生,从而导致一些重金属在青椒各器官的富集程度与污泥施用量无明显相关性关系。

图 6 青椒各器官的重金属富集能力 Figure 6 Enrichment of heavy metals in various tissues of green pepper

图选项

综上所述,重金属可以在青椒植株内富集,不同重金属在青椒不同器官的富集程度不一样。重金属Cd极易被青椒果实富集,进入食物链,危害人类健康。因此使用污泥堆肥时,须严格控制施用量,避免重金属在青椒植株内富集对人体造成危害。

施用污泥堆肥能增加土壤肥力和改良土壤结构,同时污泥堆肥中也含有抑制植株生长的物质,如有机酸、可溶性盐分、重金属等^[16],但过多施用污泥堆肥会对植物生长产生不利影响。在污泥堆肥施用量为1%~5%的范围内,青椒植株总干重随施用量的增加而增加。当污泥堆肥施用量达到10%时,青椒植株的总干重呈减少趋势,由于其中含有重金属,施入土壤会造成重金属含量升高,会对植株生长及植物器官的重金属积累产生影响。

随污泥堆肥施用量的增加,其中所含高于土壤含量的重金属元素Cu、Zn、Pb、Cr、Cd使土壤的含量呈显著增加趋势,低于土壤含量的重金属Ni呈现显著减少趋势。种植青椒后,发现青椒根际土中重金属含量高于基质土含量,由于青椒根系能分泌具有螯合固定和积累重金属作用的物质,促使重金属Cu、Zn、Cr、Cd向青椒根际土迁移,且在试验的重金属浓度范围内,根际土中重金属的含量不断增加,使其高于基质土中重金属含量。这与于瑞莲等^[12]关于重金属迁转的研究一致。

在基质土-根际土-青椒根、茎、叶以及果实的重金属迁移体系中,青椒植株的重金属含量<基质土重金属含量<根际土重金属含量,是由于植株根系在促进根际土螯合固定和积累重金属的同时,也限制重金属向植株体内的输送。李淑芹等^[4]、陈曦等^[17]对大豆、小麦器官重金属积累影响研究表明,不同重金属元素在不同植物器官的分布规律不同。青椒各器官Cu、Zn含量的大小顺序是叶>根>茎>果实,Pb含量的大小顺序是根>叶>茎>果实,Cr、Ni含量的大小顺序是根>茎>叶>果实。重金属Cd极易被青椒富集,且其富集程度高于Pb、Cr,青椒果实中的含量在40%处理时已超过国家食品安全标准的限值;虽然Pb的富集程度小,但其在土壤中的含量超过5%处理基质土中含量时,就会导致果实中重金属Pb超标。因此,在施用污泥堆肥农田利用的时候,应严格控制污泥堆肥的施用量,以防农作物富集其中重金属进入食物链,对人体造成危害。

本研究表明,5%的污泥堆肥施用量是种植青椒的最佳施用量。在此施用量下,青椒植株的总干重与果实的干重均达到最大值,在充分利用污泥堆肥中营养物质的前提下,基质土中的重金属含量低于我国土壤环境质量(GB 15618-1995)的二级标准,果实的重金属含量也符合我国食品安全国家标准。

(1)适量施用污泥堆肥能增加青椒产量。本试验中果实干重的大小顺序为5%>10%>20%>40%>1%>CK(无果实)。5%的污泥堆肥施用量处理的青椒产量(干重)最大,为0.84 g·株^-1,基质土中重金属Cu 、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni的含量分别为:33.77、79.25、14.04、31.05、0.33、30.51 mg·kg^-1,满足我国土壤环境质量(GB 15618-1995)的二级标准。

(2)青椒各器官中重金属的分布规律是:Cu、Zn含量依次为叶>根>茎>果实;Pb含量依次为根>叶>茎>果实;Cr、Ni含量依次为根>茎>叶>果实。5%的污泥堆肥果实中重金属Pb、Cr、Cd的含量分别为:0.09、0.20、0.03 mg·kg^-1,均符合我国食品安全标准的相关限值。

(3)青椒各器官中Cd的富集系数最大,可见重金属Cd极易被青椒富集进入食物链,危害人类健康。因此,使用污泥堆肥时,须严格控制施用量,避免重金属在青椒植株内大量富集引发对人体的危害。

(4)综合考虑,对青椒施用污泥堆肥的最佳用量为5%,短期内可以安全地进行农田利用,不会造成土壤重金属污染及青椒果实重金属超标现象。