污泥植物处理后对玉米生长及土壤重金属含量的影响

许田芬,谢方文,丘锦荣,卫泽斌,郭晓方,吴启堂* (.华南农业大学资源环境学院,广东省高校土壤环境与废物资源农业利用重点实验室,广东 广州 5064；.环境保护部华南环境科学研究所,广东 广州 50655)

污泥植物处理后对玉米生长及土壤重金属含量的影响

许田芬1,谢方文1,丘锦荣2,卫泽斌1,郭晓方1,吴启堂1*(1.华南农业大学资源环境学院,广东省高校土壤环境与废物资源农业利用重点实验室,广东 广州 510642；2.环境保护部华南环境科学研究所,广东 广州 510655)

为了探明植物处理后污泥作为肥料施用后对后续作物和土壤的影响,将植物处理后的污泥混于土壤,种植后续作物玉米(Zea mays),测定作物产量以及土壤和作物的重金属含量.结果表明,污泥施用 2a后仍有肥效,其玉米生物量显著大于无污泥的对照处理,且单种植物处理后的污泥肥效要优于无植物或套种处理的污泥.施用污泥后的2a内,4季玉米的茎叶和籽粒Zn、Cd、Cu和Pb含量均符合饲料标准;但第 3季以后玉米籽粒才可作为食用.施用污泥后土壤重金属含量随时间而下降,Zn的年消失率为 32%～35%,Cd为 28%～33%,Cu为18%～30%,Pb为15%～23%;施用污泥的土壤重金属年下降率高于对照和化肥处理.污泥施用于土壤2a后,表层土壤全Zn和全Pb含量与对照处理已无明显差异.

植物处理；污泥农用；重金属；玉米

污泥农用已成为世界上很多国家主要的污泥处置方式[1-2],但污泥农用后往往对土壤、植物和地表(下)水造成重金属污染[3-10].目前关于污泥对后续植物和土壤重金属的影响有不少报道,包括城市污泥和某些特种污泥(如电镀工业污泥等)[11-14],但是长期田间试验研究仍然很少.

很多学者研究将污泥经过一定的处理后来降低其重金属的危害,如利用重金属固定剂、吸附剂、微波照射等都能一定程度上降低施污泥土壤中重金属的移动性[15-18],同时也有研究利用电动技术及加入螯合剂等将污泥重金属去除[19-20].

植物修复成本低且无二次污染,在土地成本较低的城市具有应用和推广的前景.目前,植物修复主要是指植物提取作用[21],即利用超富集植物对重金属的超富集能力清除土壤重金属污染的技术.但仅种植超富集植物时,不能收获农产品,为此相关学者研究将超富集植物和其他作物间套种,在去除重金属的同时,生产符合一定标准的农产品[22-25].因此污泥植物处理具有其他处理方式所没有的优势.但经过植物处理的污泥施用于土壤后对后续作物和土壤的影响如何尚不清楚.本研究主要是在前期对污泥进行了植物处理的基础上[26],将处理后的城市污泥作为肥料和土壤混合后,随着时间的推移,对后续多季作物的生长和土壤重金属元素的影响,以期为植物处理后污泥农用提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤 供试土壤的基本性质和重金属含量见表1.

1.1.2 供试植物 玉米(Zea mays var. yunshi-5):种子购买于云南农科院育种中心,品种为云石5号.

表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Main characteristics of the studied soil

1.2 试验设计

试验在华南农业大学资环学院环境科学与工程系的网室进行,试验用地约 50m2,地势平坦、光照均一,形状为2m×25m的长方形,每小区面积约为2m×1m.本试验设置5个处理4个重复(表2).

表2 试验设计Table 2 Design of experiments

本试验从2007年7月开始,到2009年9月结束,后续作物种植 4季玉米,种植密度均为0.3m× 0.3m.具体种植时间分别为2007年7～10月(第1季),2008年4～7月(第2季),2009年3～6月(第3季),2009年7～9月(第4季).由于2009年6月收获的玉米在生长时已经出现营养不足症状(化肥处理除外),所有处理在第 4季种植前都按化肥处理的化肥施用量施用了等量的复合肥.

1.3 样品分析

1.3.1 土壤样品分析 植物种植前及每次收获后,及时用竹制取土器取0～20cm土壤样品,每小区取5个点组成一混合样品.在室内风干,去除碎石、根茎,过20目尼龙筛,之后再取1/4过100目尼龙筛,置于密封袋保存并登记,备测理化指标.基本理化指标测定参照《土壤农业化学分析法》[27],全量Zn、Cd、Cu、Pb分析测定方法参照相关中华人民共和国国家标准[28-29].施用污泥的土壤与普通土壤一样取样和分析.

土壤样品的重金属分析过程中加入国家标准土壤样品(GSS-4)进行质量控制,4种重金属的回收率均在允许范围内(94%～98%).

1.3.2 植物样品分析 称取每小区玉米棒和茎叶总重后,每小区取3个代表性玉米棒称重,脱粒,称取玉米粒重,分别用自来水和去离子水洗净,吸水纸吸干表面水,测定鲜重.将玉米籽粒样品置于烘箱内105℃杀青20min,然后65℃烘至恒重(约48h),记录干重.然后用粉碎机粉碎过 0.25mm的尼龙网筛,备测重金属.植物重金属含量测定采用干灰化－原子吸收光谱法,具体测定方法参考国家标准方法[30-33].植物样品的重金属分析过程中加入国家标准植物样品(GSV-1)进行质量控制,4种重金属的回收率均在允许范围内(93%～96%).

1.4 数据处理与统计分析

数据用Excel 2003整理、作图及方程拟合,采用SAS 8.1软件对数据进行多重比较.

2 结果与分析

2.1 植物处理后的污泥施用对土壤重金属的影响

2.1.1 土壤重金属全量 不同处理的污泥和土壤混合后,土壤中全锌、全镉、全铜含量显著增加(高于对照或化肥处理)(表3),但是,套种处理的污泥施用后土壤全锌含量与对照处理无显著差异,这是由于套种处理污泥时植物吸收锌量大的缘故[22].污泥的加入未使土壤铅含量显著升高,在26个月之后各处理间全Pb含量仍无显著差异,但均有所降低.在施用污泥 26个月后,各处理全Zn含量不仅降低,且各处理间已经没有显著性差异,这表明 2a后在本实验污泥使用量下污泥Zn含量对表层土壤已没有明显影响.施用26个月后污泥处理全 Cd含量显著降低,但仍明显大于对照和化肥处理.土壤全Cu含量与Cd的情况相似.

2.1.2 土壤重金属随时间的变化率 为了更好地看出不同处理土壤全Zn、全Cd、全Cu和全Pb含量随时间变化规律,将4个不同时期各处理重金属含量除以初始含量得到的比值即为残留率(y),残留率与时间(x)进行回归方程拟合,结果见表 4.,结果表明对照和化肥处理的土壤最优回归方程R2多数小于 0.770 (df=3),且未达到显著性,重金属的降低与时间没有明显的相关性,这可能是由于稳定态重金属的矿化速度很大程度上与有机质含量相关[34-36],而对照处理相比于污泥处理有机质含量要低很多,重金属释放和离开表层土壤不太明显.除了套种污泥处理Pb直线回归方程的R2小于0.770外,其余污泥处理的Zn、Cd、Cu和Pb直线回归方程的R2均大于0.770,且有些大于0.920(达到极显著水平),表明污泥处理土壤重金属残留率与时间有明显的相关性,随时间逐渐降低.各污泥处理土壤全Zn、全Cd、全Cu和全Pb直线回归方程的斜率均大于对照和化肥处理(套种后污泥处理的Pb除外),表明污泥处理土壤的重金属下降速率比对照和化肥处理更快.从直线回归方程可以看出施用污泥后土壤Zn的年消失率为 32%～35%;Cd为 28%～33%;Cu为18%～30%;Pb为15%～23%.污泥处理的土壤重金属的减少速度顺序为:Zn＞Cd＞Cu＞Pb,这可能是由于初始污泥中Zn、Cd、Cu、Pb的DTPA有效态含量比例顺序为:Cd(45.54%)＞Zn(22.11%)＞Cu(12.84%)＞Pb(0.67%),而且Zn又是植物需要量较大的微量元素.在污泥处理的土壤中, Zn、Cd、Cu和 Pb随时间降低最快的均为单种后污泥处理,其次为无植物污泥处理,最慢的为套种后污泥处理.

表4 土壤重金属残留率(y)随时间(x, a)变化的回归方程Table 4 Regressions between the residue rate (y) of heavy metals in soil and the time (x, a)

2.2 城市污泥施用后对后续作物的影响

表5 不同处理玉米茎叶及籽粒生物量(g/plot)Table 5 Biomass of stems-leaves and grains of Zea mays under different treatments (g/plot)

2.2.1 对玉米茎叶和籽粒生物量的影响 在前3季玉米中,相比于对照处理,污泥施用后的2a内玉米茎叶和籽粒都增产,除套种后污泥处理的玉米有时未达到显著性增产外,其余都显著增产;与化肥处理相比,种植第1年(第1季和第2季)无植物污泥处理和单种后污泥处理的玉米茎叶生物量显著提高,第2年(第3季)仅单种后污泥处理玉米茎叶和籽粒生物量显著更高.第4季所有处理均施用化肥后,玉米茎叶及籽粒生物量已无显著差异.这表明从玉米生物量来看,三个混污泥处理在 2a内仍有肥效,即显著优于对照处理,而且较优的处理为单种后污泥处理.具体见表5.

2.2.2 对玉米重金属含量的影响 不同处理污泥施用1a后收获的玉米中(第1季和第2季),各处理玉米籽粒中Cd和Cu的含量符合食品卫生标准,Pb不符合该标准,但符合饲料标准[37],Zn在第1季玉米籽粒中符合食品卫生标准,但第2季有所升高且不符合食品卫生标准,这表明污泥在施用后1a内仍可能使玉米籽粒Zn含量超出食品中污染物限量(Cd≤0.1mg/kg,Cu≤10mg/kg, Pb≤0.2mg/kg, Zn≤50mg/kg)[38](表6).各处理Pb含量无显著性差异,这表明玉米籽粒Pb含量不符合食品卫生标准与污泥使用没有明显相关,这可能与该实验地的初始土壤 Pb有效态比例较大有关(DTPA提取态Pb占总量Pb的17.8%).第3季和第4季(施用后第2年)各处理玉米籽粒中Zn、Cd、Cu和Pb含量符合食品卫生标准(对照处理的Pb含量除外,但与其他处理无显著差异).总的来说,不同处理的污泥施用后,收获的玉米籽粒均符合饲料标准,可作为饲料使用.污泥施用后1年内,种植玉米作为食用仍有一定风险,施用后第 2年玉米籽粒可以考虑食用.

表6 不同处理玉米籽粒Zn、Cd、Cu和Pb含量(mg/kg)Table 6 Concentrations of Zn, Cd ,Cu and Pb in grains of Zea mays under different treatments (mg/kg)

表7 不同处理玉米茎叶Zn、Cd、Cu和Pb含量(mg/kg)Table 7 Concentrations of Zn, Cd ,Cu and Pb in stems-leaves of Zea mays (mg/kg)

从表 7可知,污泥施用后,4季玉米茎叶中Zn、Cd、Cu和Pb含量均符合饲料标准(Cd≤0.5 mg/kg,Pb≤5mg/kg,Zn及Cu尚未颁布限值)[34].不同处理的污泥施用后玉米茎叶Zn、Cd含量显著升高,但第2季及第3季单种后污泥处理的玉米茎叶Cd含量及第4季时套种后污泥处理的玉米茎叶 Zn含量与对照处理无显著差异,这表明植物处理后的污泥施用对玉米茎叶Zn、Cd的影响要小于无植物的污泥处理.在第4季时各处理玉米茎叶Cu和Pb含量已无显著差异.随着时间的推移土壤中Zn、Cd、Cu、Pb含量降低(具体降低规律见表4),但是玉米茎叶中Zn、Cd、Cu含量并没有有规律地降低,这可能受季节和玉米生长状况的影响;只有玉米茎叶 Pb含量基本呈现逐渐降低的趋势,与其他研究者的研究成果一致[39].

3 结论

3.1 污泥农用的后效可维持3季玉米,玉米生物量显著优于对照处理,而与化肥处理相当,且单种东南景天处理的污泥施用后玉米的生物量最大.

3.2 在本试验条件下,施用污泥后种植的玉米其籽粒或茎叶均可作为饲料,但是在停止施用后第3季及以后种植的玉米才可以食用,且套种处理后的污泥其Zn等重金属对玉米的影响小于经单种处理和无植物处理的污泥.

3.3 施用污泥后的土壤Zn的年消失率为32%～35%;Cd为 28%～33%;Cu为 18%～30%;Pb为15%～23%.2年4季玉米后施用污泥的土壤全Zn和全Pb含量与对照处理已无明显差异.

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Maize growth and soil heavy metal changes after application of phyto-treated sewage sludge.

XU Tian-fen1, XIE Fang-wen1, QIU Jin-rong2, WEI Ze-bin1, GUO Xiao-fang1, WU Qi-tang1*(1.Key Laboratory of Soil Environment and Waste Reuse in Agriculture of Guangdong Higher Education Institutes, College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；2.South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510655, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1640～1646

phyto-treatment；sludge application；heavy metals；Zea mays

2011-11-29

广东省科技计划项目(2009B030802016,2010B031800006, 2009A020101005);国家自然科学基金资助项目(41071306)

* 责任作者, 教授, wuqitang@scau.edu.cn

X705

A

1000-6923(2012)09-1640-07

Abatract：In order to study the effect of the application of phyto-treated sewage sludge on heavy metals in soil and maize (Zea mays) growth, experiments in plots with successive maize crops after applying the phyto-treated sludge were conducted with the monitoring of heavy metals in soil and crop. Results showed that the application of sludge to soil was still beneficial to maize during 2 years and the maize biomass with sludge was better than that of control. The treatment with mono-crop treated sludge resulted in the highest yield. Concerning the concentrations of Zn, Cd, Cu and Pb in maize, all harvests of corn and the stem and leaves of maize could be used as animal feeds during 2 years. But only the corn grains of the third harvest and there-after could be conformed to the food standards. The concentrations of heavy metals in soil declined with time, the annual disappearance rates were 32%～35% for Zn, 28%～33% for Cd, 18%～30% for Cu and 15%～23% for Pb, and the disappearance rates were higher for the sludge treated soils than that of control and the chemical fertilizer treated soils. The total concentrations of Zn and Pb in the up-soil layer treated with sludge did not show significant difference with the control after 2 years.

许田芬(1982-),女,安徽东至人,博士后,主要从事污泥资源化利用和重金属治理研究.发表论文4篇.