河道疏浚底泥添加量对土壤理化性质和大豆苗期生长的影响

杨 丹,范欣柯,梁恩红(.贵阳学院 生物与环境工程学院,贵州 贵阳 55005; .中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550083)

河道疏浚底泥添加量对土壤理化性质和大豆苗期生长的影响

杨 丹1,范欣柯2,梁恩红1
(1.贵阳学院 生物与环境工程学院,贵州 贵阳 550025; 2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550083)

采用盆栽试验研究添加不同比例(风干底泥∶风干土壤分别为0∶1、1∶1、1∶2、1∶3)河道疏浚底泥对土壤理化性质和大豆苗期生长的影响,以期为河道疏浚底泥的农业利用提供科学依据。结果表明,与未添加河道疏浚底泥处理(对照)相比,添加河道疏浚底泥显著提高了土壤养分含量,其中有机质含量增加了24.3%～100.9%,碱解氮含量增加了20.4%～67.4%,速效磷含量增加了183.5%～433.1%,速效钾含量增加了252.4%～665.2%;同时也显著提高了重金属Cu、Pb、Zn、Cd含量,且当河道疏浚底泥与土壤以1∶1混合时,土壤全Cd含量超过土壤环境质量标准二级标准限值。添加河道疏浚底泥总体上显著提高大豆苗期的株高、地上部生物量、叶绿素含量及地上部分C、N、P含量,且上述指标随河道疏浚底泥施用量的增加先增加后降低,当河道疏浚底泥与土壤添加比例为1∶2时最高,此时株高增加2 cm,地上部生物量增加60.6%,叶绿素a和叶绿素b含量分别增加60%和50.9%,地上部分植株C、N、P含量分别增加22.4%、9.0%、5.0%;当河道疏浚底泥与土壤添加比例增加到1∶1时,上述指标下降,且大豆地上部生物量反而略低于对照。综上,添加河道疏浚底泥能促进大豆生长,但添加比例以1∶2为宜,不宜超过1∶1,以避免重金属大量输入可能引起的土壤污染及对植物生长的胁迫。

河道疏浚底泥; 混合基质; 叶绿素; 养分累积;大豆

河道底泥是沉积在水体底部的泥土、砂等基质颗粒物,含有大量碳、氮、磷等养分以及植物生长必需的其他微量元素。但近年来随着社会经济的迅速发展和城镇化进程的加快,大量生活污水和工业废水进入水体,其中携带的污染物,如重金属等便沉积在底泥中,当水环境条件(如pH值、氧化还原电位、微生物活动等)发生变化时,底泥中的污染物可能会释放出来,再次污染水体[1-3]。因此,为改善河流、湖泊等水体水质,许多城市河道进行了大规模的疏浚和清淤工程[4],产生了大量疏浚底泥。

目前,河道疏浚产生的底泥大多被作为固体废物堆放在陆地,占用大量的土地。疏浚出的底泥中除含有丰富的氮、磷、有机质等养分外,还含有重金属等污染物质,若处置不当,在雨水冲刷及淋滤作用下易造成土壤和地下水污染。因此,河道疏浚底泥的处置亦成为一个环保难题。由于底泥养分含量高,底泥农用是其较常见的处置方式[5]。在土壤中合理施用底泥可以改良土壤性质,增加土壤肥力等[6];且合理的施用量对青菜生长具有促进作用[7-8]。Ganet等[9]将西班牙Albufera湖的底泥添加到附近农田种植西红柿和莴苣,结果发现,底泥的施用显著增加了西红柿和莴苣组织中的营养物质含量及莴苣产量,且未在西红柿和莴苣组织中检测到重金属的富集。因此,河道疏浚底泥的合理利用,既能改善土壤性质,又能满足植物生长对土壤养分的需求。国内外对于城市污泥在农业利用中的研究较多[10-14],而对于理化性质与城市污泥相似的河道疏浚底泥在提高土壤肥力和促进植物生长方面的报道非常少,主要集中于河道疏浚底泥对青菜种子的发芽率和出苗率[7]、高山羊茅及白三叶种子的发芽率[8]以及水稻产量[5]的影响等方面,但关于其不同施用比例对土壤理化性质和大豆苗期生长的影响研究尚未见报道。为此,探讨了贵阳市南明河河道疏浚底泥不同添加比例对土壤养分及大豆苗期生长的影响,为河道疏浚底泥的农业利用提供科学依据,同时也为底泥的处置提供合理建议。

1 材料和方法

1.1 材料

在贵阳市龙洞堡片区随机选取3块旱地农田,每块农田均由五点法采集0～20 cm土壤,最终土壤样品由3块农田的样品混合组成。供试底泥为贵阳市南明河水口寺河段河道疏浚底泥。供试植物为大豆中黄13号。供试土壤、底泥的理化性质见表1。

表1 供试土壤和底泥的理化性质

1.2 试验设计

试验在贵阳学院试验温室中进行。首先分别将风干底泥与风干土壤以质量比0∶1(CK)、1∶1(T1)、1∶2(T2)、1∶3(T3)混合均匀,然后装入高20 cm、内径15 cm的塑料花盆中,每盆共装基质3.0 kg,每个处理15个重复,在温室内平衡30 d,然后每个处理随机选取5盆测定混合基质理化性质,其余10盆用于植物生长盆栽试验,每盆播种5粒,待出苗后每盆保留3株苗,出苗后45 d,观测植物生长状况。混合基质平衡及植物生长期间,基质含水量保持在田间持水量的70%。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 混合基质理化性质 混合基质有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量及pH值,土壤全量Cu、Cd、Pb 、Zn含量的测定参照文献[15]。其中,pH值采用电位法测定,有机质含量采用重铬酸钾法测定,碱解氮含量采用碱解扩散法测定,速效磷含量采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定,速效钾含量采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定;土壤全量Cu、Cd、Pb、Zn含量采用硝酸—高氯酸消解—原子吸收分光光度法测定。

1.3.2 生物量 随机选取5盆幼苗样品,每盆选取3株收获植株后用去离子水清洗,分别用直尺测量其最大根长;去根后将植株地上部分置于烘箱中105 ℃左右烘干,用天平测量其干质量。

1.3.3 色素含量 随机选取5盆幼苗样品,每盆选取3株幼苗,叶片剪碎后混合。胡萝卜素含量采用纸层析法测定,叶绿素含量采用丙酮浸提分光光度法测定[16]。

1.3.4 植物样品碳、氮、磷含量 将大豆幼苗地上部分烘干研磨后过0.20 mm筛,用混合酸(硝酸和高氯酸按体积比5∶1混合)消解,然后采用重铬酸钾法测定碳含量,采用凯氏定氮法测定氮含量,采用钒钼黄吸光光度法测定磷含量[15]。

1.4 数据分析

数据经Excel 2010整理后,采用SPSS 19.0进行单因素方差分析和多重比较,采用OriginPro 8.5进行制图。

2 结果与分析

2.1 河道疏浚底泥添加量对土壤理化性质的影响

2.1.1 养分含量 由表2可知,添加河道疏浚底泥对土壤pH值无显著影响,但显著增加土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量,且其含量均随着河道疏浚底泥添加量的增加而显著增加,以T1处理最高,T3处理最低。其中,T1、T2、T3处理有机质含量分别较对照增加100.9%、 61.4%、24.3%,碱解氮含量分别较对照增加67.4%、32.8%、20.4%,速效磷含量分别较对照增加433.1%、204.7%、183.5%,速效钾含量分别较对照增加665.2%、412.2%、252.4%。相关性分析表明,混合基质中养分含量与底泥的添加比例呈显著正相关(P<0.05)。综上,河道疏浚底泥添加比例越高,混合基质中养分含量越高。

表2 不同处理混合基质中的养分含量

注：同列数据后不同小写字母表示不同处理之间的差异显著(P<0.05),下同。

2.1.2 重金属含量 对照土壤中未检测到Cd和Pb,但随着河道疏浚底泥添加量的增加,混合基质中重金属含量显著增加,但T2、T3处理Cu、Pb、Zn、Cd含量均未超出土壤环境质量标准[17]二级标准限值,仅T1处理的全Cd含量超标0.44倍,其他重金属元素也均未超标(表3)。综上,河道疏浚底泥添加比例越高,混合基质中重金属含量越高,且在底泥与土壤以1∶1混合时,全Cd含量超过土壤环境质量标准[17]二级标准限值。

表3 不同处理混合基质中重金属含量及土壤环境质量标准 mg/kg

2.2 河道疏浚底泥添加量对大豆苗期生长的影响

2.2.1 株高、根长 由图1可见,添加河道疏浚底泥增加了大豆苗期最长根长和株高,且株高随着河道疏浚底泥添加比例的增加呈先增加后降低的趋势,以T2处理最高。其中,T1、T2、T3处理大豆苗期株高分别较对照显著增加1.0、2.0、1.5 cm;T1、T2、T3处理大豆苗期最大根长虽然均较对照增加,但差异不显著。

不同小写字母表示同一指标在不同处理之间差异显著(P<0.05),下同图1 不同处理大豆苗期最大根长和株高

2.2.2 地上部生物量 由图2可见,总体上添加河道疏浚底泥会增加大豆苗期地上部生物量,且其随着河道疏浚底泥添加比例的增加先增加后降低,以T2处理最高。其中,T2、T3处理大豆苗期地上部生物量分别较对照显著增加60.6%、33.5%,T1处理较对照略低。

图2 不同处理大豆苗期地上部生物量

2.2.3 叶片色素含量 由图3可知,添加河道疏浚底泥可显著增加大豆苗期叶片叶绿素a和叶绿素b含量,且其均随着河道疏浚底泥添加比例的增加先增加后降低,以T2处理最高;但对胡萝卜素含量影响不显著。其中,T1、T2、T3处理叶片叶绿素a含量分别较对照显著增加149.1%、160.0%、127.4%,叶绿素b含量分别较对照显著增加46.5%、50.9%、42.1%。

2.2.4 地上部分营养元素含量 由表4可知,添加河道疏浚底泥可显著提高大豆地上部分C、N、P含量,且其均随着河道疏浚底泥添加比例的增加先增加后降低,以T2处理最高。与对照相比,T1、T2、T3处理大豆地上部分C含量分别显著增加了16.9%、22.7%、12.9%,N含量分别显著增加了72.6%、79.0%、20.9%,P含量分别显著增加了26.7%、35.3%、24.8%。

图3 不同处理大豆苗期叶片叶绿素和胡萝卜素含量

表4 不同处理大豆地上部分营养元素含量 mg/g

3 结论与讨论

3.1 疏浚底泥添加量对土壤理化性质的影响

一般认为,土壤中速效磷含量大于10 mg/kg时即可满足作物的生长,速效钾含量在100～160 mg/kg时,土壤供钾能力较强,无需再施用钾肥[18]。本试验中对照土壤速效钾含量为80.55 mg/kg,若不向土壤中增施钾肥将造成植物生长供钾不足。由于河道疏浚底泥中有机质、碱解氮、速效磷及速效钾养分含量高于对照土壤,所以添加河道疏浚底泥能够大大提高土壤速效养分含量,这与薄录吉等[5]的研究结果一致;但同时也增加了土壤中全量Cu、Cd、Pb、Zn等重金属的含量。 Ganet等[9]将底泥添加于农田土壤的试验同样发现,底泥的施用增加了土壤重金属含量。底泥与土壤以1∶1混合时,土壤速效磷和速效钾含量远高于植物生长所需的营养水平,且全Cd含量超过土壤环境质量标准[17]二级标准限值,已造成土壤污染,不符合作物生长要求。因此,在施用河道疏浚底泥增加土壤肥效时,在考虑增加土壤养分和微量元素的同时,还应注意重金属的输入可能引起的土壤污染问题。

3.2 疏浚底泥添加量对大豆苗期生长的影响

朱广伟等[19]在将景观水体疏浚底泥进行园林利用的研究中发现,与未施底泥处理相比,施用底泥处理高山羊茅和白三叶生长90 d后,其鲜质量分别增加了3.9倍和2.0倍。祝长龙等[20]的研究结果表明,底泥能提高一串红的长势、生物量以及开花质量。薄吉录等[5]在研究苏南河道疏浚底泥农用对水稻生长的影响中也发现,水稻生物量、株高和产量随着底泥用量的增加而显著增加。本研究中,T2和T3处理使大豆地上部生物量显著高于对照,与上述研究结果[5,19-20]类似。T1处理生物量反而略低于对照,主要原因可能是当底泥与土壤添加比例为1∶2和1∶3时,混合基质肥力已达到大豆生长所需要的水平,继续增加底泥用量所提供的过剩养分对生物量增加无明显效果,且由于底泥用量的增多,使得混合基质中Cu、Zn、Cd、Pb等重金属含量增加,对植物生长产生胁迫[21],反而抑制大豆幼苗的生长发育。何轶飞等[10]的研究表明,施用污泥能提高小青菜产量,但大量施用会增加Cd、Cr等重金属含量;刘善江等[13]对污泥肥效研究发现,施用污泥能提高西红柿产量,但用量过高则导致减产;黄丽荣等[22]在研究城市污泥添加对樟子松幼苗生长的试验中也发现,在幼苗承受范围内,在土壤中添加污泥提高了幼苗的物质积累,使得幼苗鲜质量和干质量都显著增加,但高比例的污泥添加导致土壤重金属污染,反而使植物生物量降低。上述研究结果[10,13,22]与本研究结果类似。

土壤氮素和磷素对植物叶绿素具有重要意义。氮素是叶绿素的主要组成成分之一,氮素充足时,植物能够合成较多的蛋白质,促进细胞的分裂和增长,使得植物叶面积增长较快,从而具有更大的叶面积来进行光合作用;磷能够促进早期根系的形成和生长,在植物体内参与光合作用、呼吸作用等,对叶绿素的形成意义重大。本研究中添加河道疏浚底泥使大豆苗期叶片叶绿素a和叶绿素b含量显著高于对照,但叶绿素a含量在T1、T2处理中差异不显著,可能是由于底泥的添加,增加了土壤中氮、磷及其他养分含量,使大豆在苗期所需的养分含量充足,因此叶绿素含量得到提高;然而,植物生长发育所需的养分有一定限制,并不是养分含量越高,植物生长发育越好,当养分水平达到植物正常生长水平后,多余的养分并不会进一步促进其生长;底泥与土壤的添加比例继续增加到1∶1时,大豆叶片中的叶绿素含量与T2处理中无显著差异,由此推测当植物所需的养分达到一定水平时,继续增加底泥用量所带来的多余养分并不会进一步提高叶片叶绿素含量。另外,随着河道底泥用量的增加,土壤重金属含量也在增加,有研究表明重金属含量会干扰营养元素向植物体的叶部运输,使叶绿素的合成受到影响[23]。

Ganet等[9]发现,添加湖中的底泥使农作物组织中的营养物质含量显著增加,本研究结果也表明添加河道疏浚底泥显著提高了大豆地上部分C、N、P的含量。本研究还发现,当底泥与土壤混合比例达到1∶1时,植株C、N、P含量反而比添加比例为1∶2时有所下降,这可能与重金属胁迫对植物生长的影响有关。根系是植物吸收养分的主要器官,随着底泥添加量的增加,土壤中重金属含量也显著增加,根是重金属累积及伤害的主要部位,根系附近若重金属含量较高,将抑制根系的生长,影响根系活力,进而限制植物对养分的吸收[24],城市污泥在林地土壤上的应用研究也得到类似结果[25-27]。因此,添加河道疏浚底泥能够显著提高大豆苗期地上部分C、N、P的含量,随着添加量的增加,植株体内养分含量也不断增加,但当底泥添加量达到一定比例后,再继续增加底泥的用量,将导致土壤重金属污染,对植物生长造成胁迫,反而使植株养分吸收受到限制。

综上所述,由于河道疏浚底泥的添加,土壤养分得到补充,大豆在苗期所需的养分含量充足,最大根长、株高、生物量、叶绿素含量及地上部分植株体内C、N、P含量得到提高。河道疏浚底泥与土壤混合比在1∶2时,大豆在苗期各项生长指标优于其他处理;底泥与土壤混合比达1∶1时,土壤全Cd含量超过土壤环境质量标准二级标准限值,已造成土壤污染。因此,施用河道疏浚底泥作为提高土壤肥力、促进植物生长的基质,需控制好底泥的添加比例,以避免重金属的输入可能引起的土壤污染及对植物生长的胁迫。

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Effects of Dredged River Sediments Addition Amount on Soil Physico-chemical Properties and Growth of Soybean Seedlings

YANG Dan1,FAN Xinke2,LIANG Enhong1
(1.College of Biological and Environmental Engineering,Guiyang University,Guiyang 550025,China; 2.Guiyang Engineering Corporation Limited of POWERCHINA,Guiyang 550083,China)

A pot experiment was conducted to study the effect of different proportions(0∶1,1∶1,1∶2,1∶3) of dredged river sediment on soil physico-chemical properties and growth of soybean seedlings,so as to provide the basis for agricultural utilization of the dredged river sediment.The results showed that compared with the treatment without dredged river sediment (CK),the addition of dredged river sediment had significantly increased the content of soil nutrients.The organic matter content increased by 24.3%—100.9%,the alkali solution N content increased by 20.4%—67.4%,available P content increased by 183.5%—433.1%,and available K content increased by 252.4%—665.2%,and concentration of soil heavy metals such as Cu,Pb,Zn and Cd were also increased.When the mix proportion of dredged river sediment and soil reached 1∶1,soil Cd content had been more than the secondary standard of environmental quality standards for soils.The addition of dredged river sediment had significantly increased the height,biomass,chlorophyll content in the leaf,content of C,N and P in the above-ground part of soybean seedlings,and these indicators were increased at first and then gradually decreased with the increase of dredged river sediment,reached the highest values when the mix proportion of dredged river sediment and soil was 1∶2,compared with CK the average height of soybean seedlings had significantly increased by 2 cm,the biomass significantly increased by 60.6%,chlorophyll a and b significantly increased by 60% and 50.9% respectively,concentration of C,N and P in the above-ground part significantly increased by 22.4%,9.0% and 5.0% respectively.When the mix proportion of dredged river sediment and soil reached 1∶1,the above indicators started to decrease,the biomass of soybean seedlings was less than the CK.Therefore,the dredged river sediment could improve the growth of soybean,but the additive proportion should better be 1∶2,and not exceed 1∶1,so as to avoid soil pollution caused by heavy-metal input and its stress on plant growth.

dredged river sludge; mixed-substrate; chlorophyll; nutrient accumulation; soybean

2016-02-29

贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2013]2299号)；贵州省科学技术联合基金项目(黔科合LH字[2014]7180号)

杨 丹(1982-)，女，贵州兴义人，副教授，博士，主要从事农业土壤环境质量评价与污染防治研究。 E-mail：yangdansky@163.com

X705;S565.1

A

1004-3268(2016)09-0052-06