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稻壳炭钝化污泥对萝卜种子发芽和幼苗生长的影响

2015-04-17张文妍高常卉吴冠男

江苏农业科学 2015年1期
关键词:污泥幼苗

张文妍 高常卉 吴冠男

摘要:以稻壳炭钝化后的城市污泥为对象,研究对萝卜种子发芽和幼苗生长的影响。结果表明,与单独施加污泥相比,稻壳炭钝化污泥促进了萝卜种子的发芽,减轻了污泥对种子根伸长的抑制,提高了发芽指数;与对照土壤相比,稻壳炭钝化污泥的施用显著促进了萝卜幼苗生物量的提高,增加了幼苗对钾的吸收,且幼苗钾含量与基质中稻壳炭含量呈显著正相关,但对幼苗氮磷含量无显著影响;稻壳炭钝化污泥的施用使萝卜幼苗中Zn、Pb和Cu含量显著上升,而对Cd含量没有显著影响,回归分析结果,萝卜幼苗中的Zn、Pb、Cu含量与基质中污泥含量呈显著正相关,Zn、Pb含量与稻壳炭含量呈显著负相关,表明稻壳炭抑制了萝卜幼苗对污泥中重金属的吸收。

关键词:稻壳炭;污泥;钝化;种子发芽;幼苗

中图分类号: X703;S631.104文献标志码: A文章编号:1002-1302(2015)01-0158-04

收稿日期:2014-02-25

基金项目:江苏高校优势学科建设工程项目(编号:PAPD);南京林业大学科技创新基金(编号:163020090);大学生实践创新训练计划。

作者简介:张文妍(1978—),女,安徽芜湖人,讲师,主要从事生物质炭材料、固废资源化研究。E-mail:627389011@qq.com。城市污泥农用在世界范围内已经比较普遍,2002年,美国城市污泥堆肥及土地利用占其污泥产量的60%,欧洲也有超过40%的污泥用于农业土地[1-2],城市污泥对作物产量、品质促进和对土壤改良效果已经得到公认[3-6]。但污泥中的高浓度盐分、重金属和其他有害物质也可能对植物的生长产生生态毒性,尤其是对于植物种子发芽和幼苗生长[7-8]。

生物炭(biochar)是生物质发电或产能的副产物[9],是生物质在完全或部分缺氧情况下,经热解炭化产生的一类高度芳香化、难熔性的固态物质[10],属于广义概念上的黑碳(black carbon)的一种。近年来,生物炭的农用价值越来越受到关注,生物炭被证明不仅可以改善土壤理化性质、增加土壤肥力、促进作物生长,还可以显著降低土壤中重金属和有毒有害物质的生物有效性[11-13]。生物炭在土壤中极为稳定,可长期将碳固存于土壤,有助于减少温室气体的排放[14-15]。

虽然污泥和生物炭的农用潜力作为近年来的热点已经被广泛研究,但大多报道仅局限于污泥或生物炭单独作用于土壤的效应,两者联合施用于土壤的相关报道较少。事实上,污泥丰富的有机质和氮磷含量正是生物炭所缺乏的,而生物炭发达的空隙结构和所含微量元素可以降低污泥中有害物质的有效性、减少污泥施用中养分淋失,而且生物炭含丰富的钾,可以弥补污泥钾素的缺乏,两者在农学效应和环境效应上优势互补。鉴于此,本研究采用生物炭的一种——稻壳炭作为稳定剂对城市污泥中的重金属和有毒物质进行钝化,然后将钝化后的污泥(稻壳炭钝化污泥)以不同配比施入土壤,通过萝卜种子发芽和幼苗生长试验,研究稻壳炭钝化污泥对植物的生态毒性和生长发育的影响,以期明确污泥和稻壳炭共同用于改良土壤的可行性,为城市污泥的安全农用和生物质气化发电副产物的高效利用提供新途径。

1材料与方法

1.1材料

土壤取自南京林业大学校园内风景区0~15 cm的表层未扰动土壤。该土壤为南京地区的典型黄棕壤,属于粉沙壤土。供试污泥取自南京江心洲污水处理厂,该厂是目前南京市最大的污水处理厂,日污水处理量为64万t,污水主要来源于城市居民的生活污水,经过A/O工艺处理。剩余污泥经离心脱水,含水率约为75%~80%。供试稻壳炭来自于本课题组的“农林生物质同时制取气、炭、液产品”项目的产物之一——生物炭。炭化温度为600~700 ℃。稻壳炭除了具有一般生物炭的特点外,还具有粒径大小适中且均匀、不需要额外粉碎,容易与土壤和污泥掺混的特点。供试土壤、污泥和稻壳炭的基本理化性质见表1。

表1土壤、污泥和稻壳炭的理化性质

理化性质指标土壤污泥稻壳炭pH值6.75±0.037.30±0.129.49±0.14*电导率(mS/cm)0.06±0.011.69±0.030.56±0.04有机质(%)8.18±1.3638.25±1.4556.78±2.88比重(g/cm3)2.51±0.021.95±0.013.59±0.03容重(g/cm3)1.02±0.020.56±0.010.15±0.01阳离子交换量10.11±1.4917.48±1.29(cmol/kg)碱解氮(mg/kg)50.68±6.462 454.00±90.4015.15±5.67有效磷(mg/kg)7.74±2.00271.00±4.52288±2.51速效钾(mg/kg)56.04±2.38223.00±0.551 481.00±54.22Zn(mg/kg)66.93±2.63980.38±108.9173.59±7.49Cd(mg/kg)2.24±0.18Pb(mg/kg)28.83±1.39118.67±2.846.12±1.10Cu(mg/kg)64.91±1.98226.12±37.3515.10±2.38沙粒(%)6.88粉粒(%)77.17黏粒(%)15.95比表面积(m2/g)188.12注:数据为“平均值±标准差”。“*”表示稻壳炭pH值的测定采用1 ∶10的土水比。

供试作物种子为萝卜(Raphanus sativus L.),购于安徽华新种业有限公司。

1.2方法

1.2.1钝化污泥培养脱水污泥取来后,在室温下风干至含水率60%左右并过10目筛,然后分别加入其鲜重的0、5%、10%、20%、40%的稻壳炭,充分混匀后,在室温中用恒重法维持50%~60%的含水率培养35 d,其间每天添加去离子水维持处理组的重量不变,使污泥中重金属和有毒物质充分钝化,成为含稻壳炭0、5%、10%、20%、40%的稻壳炭钝化污泥,简称钝化污泥,分别以B0、B5、B10、B20、B40表示。

1.2.2混合基质配制将钝化污泥(B0、B5、B10、B20、B40)分别按1 ∶1和1 ∶4(钝化污泥、土壤干重比)与土壤均匀混合,分别设1 ∶1B0、1 ∶1B5、1 ∶1B10、1 ∶1B20、1 ∶1B40、1 ∶4B0、1 ∶4B5、1 ∶4B10、1 ∶4B20、1 ∶4B40处理组,另设1组土壤作为对照(CK),试验共设11个处理组。按鲜污泥含水率60%计,稻壳炭和土壤含水率忽略不计,各处理组稻壳炭、污泥和土壤干质量的配比见表2。表2各处理组稻壳炭、污泥和土壤含量

基质基质干质量配比(%)CK1 ∶1B01 ∶1B51 ∶1B101 ∶1B201 ∶1B401 ∶4B01 ∶4B51 ∶4B101 ∶4B201 ∶4B40稻壳炭006101725024710污泥050444033252018161310土壤10050505050508080808080

1.2.3种子发芽和根伸长抑制(1)种子消毒:将种子铺在白纸上,剔除杂质和有缺陷的种子后,放入2%的双氧水中浸泡10 min消毒。再用自来水和去离子水充分冲洗后,将种子放在滤纸上吸干水分。(2)发芽床准备:每个处理组分别准确称取1 g土样,置于内径为15 cm的培养皿中,加入10 mL去离子水,摇匀,再将大小适中的滤纸铺在溶液表面上,使其湿润。(3)发芽试验:选择光鲜饱满的萝卜种子,按每个发芽床25粒,分别置于各发芽床上使之均匀分布,放入培养箱中于(25±0.5) ℃条件下培养,每隔12 h观察1次发芽率,按胚芽长度达到种子的50%为标准,计算发芽率。连续48 h发芽率不再变化,试验停止,测量平均根长(根和芽接点处到最长根尖的长度),每个处理重复3次。

1.2.4幼苗生长采用室内盆栽的方法培育萝卜幼苗。将每个处理组的混合基质装入高13 cm、口径15 cm的塑料花盆中(每盆装填高度约为10 cm),均匀播撒50粒饱满的萝卜种子,生长过程中以去离子水浇灌,苗期生长至10 d取样,洗净晾干后,测各处理组鲜质量(地上和地下部分总和),再置于恒温箱中于70 ℃烘72 h,取出剪碎后测植株氮、磷、钾和重金属含量。

1.3分析与测定

种子发芽和根伸长的各项指标计算公式如下[16-18]:发芽率=(正常发芽种子数/供试种子数)×100%;发芽指数=(处理组发芽率/对照组发芽率)×(处理组根伸长/对照组根伸长)×100%。植株中氮、磷、钾和重金属测定方法参照NY/T 2017—2011《植物中氮、磷、钾的测定》。

1.4数据处理

所有数据用SPSS 21.0处理,方差分析采用One-way ANOVA检验,回归分析采用线性回归,多重比较采用LSD检验。图表处理在Origin75中完成。

2结果与分析

2.1稻壳炭钝化污泥对萝卜种子发芽的影响

不同处理组萝卜种子发芽率、根伸长和发芽指数见表3。所有处理萝卜种子发芽率均高于对照,说明钝化污泥的添加对萝卜种子发芽有促进作用。其中1∶1B20、1∶1B40、1 ∶4B5 处理发芽率显著高于其他组,达70%以上,而1 ∶4B0

表3稻壳炭钝化污泥对萝卜种子发芽相关指数的影响

表中数据为平均值,同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。表4、表6同。

处理发芽率最低,仅57%,与对照组差异不显著。根伸长仅有 1 ∶4B20 处理的根长为32 mm,高于对照,其他处理根长均受到显著抑制,其中1 ∶1B0、1 ∶4B0处理根长最短,只有对照组的61%和68%。

发芽指数包含了土壤对于植物种子发芽率和根伸长抑制的综合结果,可以用来综合评判土壤对种子胚芽的毒性[8]。从表3可以看出,多数处理的发芽指数大于100,说明钝化污泥在多数情况下,对萝卜种子萌发起到促进作用,这主要是钝化污泥对发芽率的促进作用掩盖了其对根伸长的抑制作用。1 ∶4B5 处理发芽指数最高,达到136,表明该处理污泥和稻壳炭的含量对于种子发芽最为适宜。1 ∶1B0、1 ∶4B0处理的发芽指数显著比其他组低,发芽指数分别为73、70。

2.2稻壳炭钝化污泥对萝卜幼苗生长的影响

2.2.1对幼苗生物量的影响由图1可见,不同处理组萝卜幼苗鲜质量均显著大于对照,没有出现抑制情况,不同处理每盆萝卜幼苗鲜质量比对照组的增幅达157%~327%。1 ∶1B40 处理萝卜幼苗鲜质量显著高于其他处理,1 ∶1B0、1 ∶4B40 处理萝卜幼苗鲜质量显著低于其他处理。

2.2.2对幼苗养分含量的影响从表4可以看出,钝化污泥并没有显著提高萝卜幼苗氮含量,不同处理氮含量差异不显

著,与对照差异不显著,仅1 ∶4B0处理氮含量略高。不同处理萝卜幼苗磷含量略高于对照,但差异不显著。不同处理钾含量有显著差异,显著高于对照。为了进一步分析稻壳炭钝化污泥对萝卜幼苗钾含量的影响,将污泥和稻壳炭含量作为因素,与萝卜幼苗钾含量进行线性回归分析,结果(表5)表明,萝卜幼苗钾含量与稻壳炭含量呈显著线性正相关,而污泥含量被排除,即污泥含量与幼苗钾含量无显著相关关系。

表4不同处理萝卜幼苗氮、磷、钾含量比较

处理养分含量(g/kg)氮磷钾CK22.5ab8.83a12.37e1 ∶1B020.7b10.65a47.96cd1 ∶1B522.5ab10.93a60.15c1 ∶1B1018.7b10.96a62.55bc1 ∶1B2022.5ab11.50a66.29bc1 ∶1B4019.6b11.18a86.74a1 ∶4B032.3a10.73a20.93e1 ∶4B526.3ab10.75a34.52d1 ∶4B1024.4ab11.11a42.05d1 ∶4B2021.6ab10.51a59.28c1 ∶4B4019.4b9.16a72.94b

表5污泥/稻壳炭含量与萝卜幼苗钾含量线性回归分析

方程r显著性已排除的变量y=2.405x+33.7260.6840.001污泥含量注:表中y为萝卜幼苗钾含量(g/kg),x为稻壳炭含量(%)。

2.2.3对幼苗重金属含量的影响污泥中含有较多重金属,本试验考察了不同处理萝卜幼苗主要重金属含量,结果见表6。由表6可以看出,不同处理萝卜幼苗Zn含量比对照组显著增加,1 ∶1B0处理Zn含量最高,达134.49 mg/kg,是对照的3倍,表明钝化污泥中的Zn能较容易被植物吸收。随着污泥含量的减少,不同处理萝卜幼苗Zn含量也逐渐降低,1 ∶4B40 处理Zn含量已与对照相差不大。钝化污泥并没有显著增加萝卜幼苗的Cd含量,不同处理间没有显著差异,且Cd含量很低。不同处理萝卜幼苗Pb含量虽然均较低,但处理间有显著差异,钝化污泥含量较多的处理,萝卜幼苗Pb含量显著比对照升高。钝化污泥的施用也使萝卜幼苗中Cu含量显著增加,不同处理中随污泥含量的增加Cu含量有上升的趋势。目前,我国已经取消了食品中Zn和Cu的限量标准,参照澳大利亚新西兰食品标准(2002)中关于Zn和Cu的规定,食品中Zn和Cu的最大限值分别为150 mg/kg和10 mg/kg,本试验中所有处理Zn和Cu含量均达标。我国《食品中污染物限量》(GB 2762—2005)中,对叶类蔬菜Cd和Pb的限值分别为0.2 mg/kg和0.3 mg/kg,试验所有处理也均达标。

表6不同处理萝卜幼苗重金属含量比较

为了进一步分析稻壳炭钝化污泥对于萝卜幼苗重金属含量的影响,将污泥和稻壳炭含量作为因素,与萝卜幼苗重金属含量分别进行线性回归,分析结果见表7。表7污泥/稻壳炭含量与萝卜幼苗重金属含量线性回归分析

重金属方程R2显著性已排除的变量Zny=1.594x1-1.525x2+49.0370.930<0.001Cd污泥含量、稻壳炭含量Pby=0.001x1-0.001x2+0.0140.7890.001Cuy=0.070x1+3.4120.4340.016稻壳炭含量注:表中y为相应萝卜幼苗重金属含量(mg/kg),x1为污泥含量(%),x2为稻壳炭含量(%)。

从表7 可以看出,Zn含量回归方程的显著性小于0.001,相关系数高达0.930,且与污泥、稻壳炭含量均有关系,与污泥含量呈线性正相关,与稻壳炭含量呈线性负相关。Cd含量与污泥和稻壳炭含量均无关。Pb含量的回归公式也有统计意义,显著性达0.001,相关系数达0.789,与污泥含量和稻壳炭含量分别呈线性正相关和负相关。Cu含量的回归方程排除了稻壳炭含量,只与污泥含量呈线性正相关,显著性和相关系数也比Zn和Pb有所下降。

3结论与讨论

为了充分利用城市污泥所含丰富的有机质和氮磷,避免其所含盐分、重金属等有毒物质对植物的生态毒性,本研究用稻壳炭将污泥钝化后农用,通过测定稻壳炭钝化污泥对萝卜种子发芽和幼苗生长的影响,明确了城市污泥和稻壳炭共同施用于土壤的效果。

从发芽率数据来看,钝化污泥促进了萝卜种子的发芽。发芽率较高处理有两个特点:污泥含量适中(污泥在基质中干重比为18%~33%)且含有稻壳炭处理,因一定含量的污泥可以给种子发芽提供充足营养,一定比例稻壳炭可以减轻污泥中的毒性物质对种子的毒害。基质中污泥含量过高,或不含稻壳炭的处理,就会因污泥中有毒物质过高而影响种子发芽[19-20]。从根伸长的数据看,钝化污泥对种子根长有抑制作用,萝卜根伸长比种子发芽率更容易受到有毒物质的影响。因种子发芽过程主要受胚内养分供应影响,即使土壤污染也不会间断胚内养分供应;而根从一开始就完全暴露于土壤中,其生长发育很大程度上受到土壤条件的控制[21],相关研究也发现了发芽率对污染土壤的敏感性不及根伸长[22-24]。从发芽指数来看,不含稻壳炭的1 ∶1B0和1 ∶4B0处理的发芽指数最低,表明没有经稻壳炭钝化的污泥对作物有一定的生态毒性。但经过稻壳炭的钝化,其毒性大为降低,所有含稻壳炭的处理发芽指数均显著上升,甚至出现了发芽指数大于100,体现了稻壳炭对污泥中有毒物质的钝化作用和对种子发芽的促进作用。

钝化污泥显著促进了萝卜幼苗生物量的增加,这一方面是萝卜幼苗在生长的过程中适应了环境,另一方面也是因为钝化污泥所含营养元素,有效促进了萝卜幼苗的生长。1 ∶1B40 处理污泥和稻壳炭的比例合适,既能提供萝卜生长所需的营养元素,又能提供疏松透气的土壤环境,能最大程度促进幼苗生长,所以生物量最高。1 ∶1B0处理污泥含量较高,又没有稻壳炭的钝化,所含有害成分影响了萝卜幼苗正常生长,萝卜幼苗生物量降低,而1 ∶4B40处理污泥含量最少,稻壳炭含量相对较多,可能是营养不足或土壤碳氮比过高导致萝卜幼苗生长受阻。

尽管钝化污泥含有极丰富的碱解氮和有效磷,但萝卜幼苗并没有能从污泥中吸收大量的氮和磷,可能是幼苗时期萝卜对氮磷的吸收有限。但不同处理萝卜幼苗钾含量却差别很大,因为钾是萝卜生长过程中需求最大的矿物质元素,幼苗时期吸收量比其他元素都多[25]。通过线性回归分析,萝卜幼苗钾含量主要是因为处理中的稻壳炭引起,与污泥含量无关,表明稻壳炭所含丰富的钾素可以被萝卜幼苗吸收利用,因稻壳炭添加对于萝卜钾素的吸收有重要意义。

稻壳炭钝化污泥的添加,使萝卜幼苗Zn、Pb和Cu含量显著上升,而对Cd含量没有显著影响。主要是因植物从土壤中吸收的重金属量往往与土壤重金属含量有线性关系[26-27],城市污泥中Zn、Pb和Cu含量相对较高,萝卜幼苗对其吸收量也高,而污泥中Cd含量相对较低,因此萝卜幼苗吸收量也少。经线性回归分析可知,萝卜幼苗Zn、Pb含量与处理组中污泥含量呈显著正相关,与稻壳炭含量呈显著负相关,表明萝卜幼苗中的Zn和Pb来源于污泥,由于稻壳炭存在而显著减少,体现了稻壳炭抑制了植物对重金属的吸收。Cd含量与污泥和稻壳炭含量均无显著关系,可能是处理中Cd含量很少,被植物吸收量也不显著。萝卜幼苗的Cu含量与污泥呈正相关,而与稻壳炭含量无关,说明污泥增加了萝卜苗的Cu含量,但稻壳炭并未能阻止其对Cu的吸收,可能因为Cu也是植物生长所需元素[28],萝卜苗会主动吸收一定量的Cu。参照目前国内外对食品中Zn、Cd、Pb、Cu的规定,本研究中所有处理萝卜幼苗均达标,但萝卜的生长期较长,在后期的生长中萝卜中的重金属是否会继续富集,还有待进一步研究。

稻壳炭钝化污泥能显著促进萝卜种子发芽和幼苗生长,由于稻壳炭的钝化作用,降低了单独污泥施加对作物的生物毒性,降低了作物对重金属的吸收。污泥和稻壳炭优势互补,联合施用于土壤既能为植物提供丰富的营养和合适的土壤环境,又能降低污泥中的毒性物质对植物的生态毒性。

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