2023, Vol. 44
2. 佛山市林业科学研究所, 广东 佛山 528222;
3. 华南农业大学 数学与信息学院, 广东 广州 510642
2. Forestry Science Research Institute of Foshan, Foshan 528222, China;
3. College of Mathematics and Informatics, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
城市污水产生量随城市发展逐年增加，污水处理厂产生的污泥80%以上没有得到合理处置[1]。污泥中含有大量病原菌、重金属、有机污染物等有害物质，如果不对其加以合理处置将会对土壤和地下水造成二次污染[2]；除了有害物质，污泥中还富含有机质、N、P、K等营养物质[3]。如何将污泥经过减量化、稳定化和无害化处理后作为资源利用已成为热点问题。目前，我国污泥的处理方式主要有土地利用、卫生填埋和焚烧处理，其中，园林绿化利用是污泥土地利用的主要方式[4]。将污泥用作园林土壤改良剂，不仅可以解决污泥堆放问题，还可以有效地改善土质、增加土壤肥力并促进植物的生长[5]，为污泥资源化利用提供了更多可能。然而，污泥中富含的重金属是园林绿化利用的关键限制因素[6]，降低污泥重金属风险成为提高污泥资源利用率的有效途径。
生物炭作为一种新型高效廉价的多功能材料，具有含炭量高、孔隙结构丰富、比表面积大等特点，能够有效吸附土壤重金属，在土壤改良和植物生长方面具有重要作用[7]。研究表明在污泥中施用生物炭对重金属具有显著的钝化效果[8]，可以显著降低重金属有效态含量，有助于缓解重金属毒害作用，实现污泥的资源化利用。高山榕Ficus altissima是华南地区乡土树种，在园林绿化中种植历史悠久且面积大，其凋落物产量大，含有许多植物生长所需的营养物质[9]。将高山榕凋落物制备成生物炭，可以有效减轻因堆积或焚烧带来的环境污染问题，将其添加到经污泥改良的园林土壤中，可以降低重金属活性，减少环境污染风险，同时也能增加土壤碳封存、提高土壤肥力[10]。植物修复技术具有成本低、对土壤扰动小且不会造成二次污染等优势，被广泛应用于重金属污染土壤修复[11]。翠芦莉Ruellia simplex是爵床科Acanthaceae单药花属Aphelandra草本植物，具有较高观赏价值，生态适应性强，在园林绿化中应用广泛，具有抗逆性强、生长迅速、耐旱、耐湿、耐轻度盐碱、吸收重金属能力强等特点，是土壤重金属修复的优良材料[12]。本文以高山榕凋落物为原料制作生物炭，采用盆栽试验，使用生物炭和植物对污泥混合土壤进行联合修复,通过向污泥+土壤的混合基质中添加不同量的凋落物生物炭，分析其对翠芦莉生长及重金属吸收积累的影响，以期为园林废弃物利用和污泥资源化处置提供参考。
1 材料与方法 1.1 材料供试土壤采自佛山市林业科学研究所树木园，土壤类型为赤红壤，采集深度20~60 cm，除去枯枝落叶、石块等杂物，置于室内通风处，20 d后风干，过4 mm筛备用。供试污泥取自清远市绿由环保科技有限公司的生活污水污泥，污泥经60 d堆肥处理后，在薄膜上摊开反复翻晒混匀，适当磨碎后过4 mm筛备用。供试土壤和污泥的基本性质见表1。
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表 1 供试基质的基本性质 Table 1 Basic properties of experimental materials |
高山榕落叶凋落物取自佛山市林业科学研究所。将高山榕落叶在80 ˚C的烘箱内烘干12 h，然后放入连续热解装置(BCP-05，辽宁省能源研究所)中制备生物炭。将制备好的凋落物生物炭适当压碎过2 mm筛，充分混匀后备用。凋落物生物炭基本性质：N、C、Cu、Zn、Pb、Cd和Ni的质量分数分别为1.255 0%、66.705 0%、3.480 0%、0.001 4%、0.010 8% 、0.000 4% 和0.024 8% ，C/N为53、C/H为19，阳离子交换量(CEC)21.570 cmol/kg，比表面积2.080 m2/g，总孔容积0.013 cm3/g，平均孔径34.721 nm，pH为12.5。
翠芦莉购于广州市芳村花博园，选择植株健壮、长势良好、高30~40 cm的半年生幼苗用于试验。栽培用盆为高19.5 cm、口径22 cm且底部带孔的塑胶花盆。
1.2 盆栽试验2019年10月至2020年6月，在佛山市林业科学研究所温室大棚进行盆栽试验。污泥和赤红壤按照质量比1∶1混合均匀作为栽培基质，每盆基质3 kg，凋落物生物炭的添加量按质量分数(w)设置4个处理：0(不添加凋落物，CK)、1.5%(F1.5)、3.0%(F3.0)和4.5%(F4.5)。平衡3周，每个处理共9次重复(9盆)，其中3盆用于测定种植前基质理化性质；另外6盆种植植物(每盆种植1株)，并从中选择3盆长势一致的植株用于测定植物生长发育、重金属指标及根系生理指标。植物生长期间定期浇水，保持土壤含水量在田间持水量的70%左右，大棚温度控制在25~30 ℃。
1.3 测定项目与方法种植前和收苗时分别采用米尺和游标卡尺测量植株株高和地径。试验结束后将整株植物挖出带回实验室，自来水冲洗干净根部后，再用去离子水冲洗3遍并置于室内晾干。用双光源扫描仪扫描植物根系，然后用根分析软件WinRHIZO Pro 2005b(Regent Instruments Inc)分析根长、根表面积、根体积等形态指标。将地上部分和根剪断，分别装入信封，放入烘箱105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒质量，用电子天平称根和地上部生物量，用不锈钢粉碎机将植物样品粉碎，密封保存备用。
植物养分和重金属测定：用H2SO4-H2O2消解植物样品获得待测液，植物全氮(N)含量使用凯氏定氮仪测定，全磷(P)含量采用钼锑抗比色法测定，全钾(K)含量用原子吸收分光光度计测定。植物可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝染色法测定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑光化还原法测定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)显色法测定。植物体内重金属元素Cu、Pb、Cd、Ni含量采用HNO3-HClO4(质量比8∶2)消煮−原子吸收分光光度计测定[13]。植物各部位及全株元素累积量、全株元素含量计算公式如下：
各部位元素累积量=各部位生物量×各部位元素含量；
全株元素累积量=根累积量+地上部累积量；
全株元素含量=全株元素累积量/全株生物量。
1.4 数据处理采用 Excel 2008对数据进行整理，利用 Origin 2021软件进行数据处理和作图。采用SPSS 19.0进行统计分析，采用单因素(One-way ANOVA) 和 Duncan’s 法进行方差分析和多重比较。
2 结果与分析 2.1 凋落物生物炭对翠芦莉生长的影响不同生物炭添加量对翠芦莉在污泥+土壤混合基质中的生长有显著影响(表2)。F1.5处理的翠芦莉株高为124.00 cm，较CK增加了16.25%，显著大于CK和其他处理，其他处理间差异不显著。与CK相比，F1.5处理显著促进翠芦莉根部、地上部及全株的生物量增长，增幅分别为136.01%、62.46%和75.88%。翠芦莉根部、地上部及全株生物量随着生物炭添加量的增加显著下降，F4.5处理各指标均显著低于CK，分别比CK下降26.69%、33.60%和32.34%。
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表 2 凋落物生物炭添加量对翠芦莉生长的影响1) Table 2 Effect of litter biochar application on the growth of Ruellia simplex |
F1.5处理的翠芦莉总根长、根表面积、直径和体积均显著大于CK(图1)，分别是CK的1.31、1.80、1.38和2.49倍；F3.0处理的植株总根长、根表面积、直径、体积均与CK无显著差异；F4.5处理的植株根表面积、直径和体积显著低于CK。随着生物炭添加量的增加，翠芦莉的根表面积、直径和体积均呈逐渐下降的趋势。
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图 1 凋落物生物炭添加量对翠芦莉根系形态的影响 Fig. 1 Effect of litter biochar addition on the morphology of Ruellia simplex roots 各图中柱子上方不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s 法) Different lowercase letters on bars of each figure indicated significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s test) |
由图2可知，在不同生物炭添加量处理下，翠芦莉根系可溶性蛋白和MDA含量均随着生物炭添加量增加呈上升趋势，而SOD活性则呈明显下降趋势。F1.5处理的翠芦莉根系可溶性蛋白和MDA含量显著低于CK和其他处理，比CK分别降低26.04%和36.82%，SOD活性显著高于CK和F4.5处理，比CK和F4.5分别提高了148.74%和100.91%。
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图 2 凋落物生物炭添加量对翠芦莉根系生理的影响 Fig. 2 Effect of litter biochar addition on the physiology of Ruellia simplex roots 各图中柱子上方不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s 法) Different lowercase letters on bars of each figure indicated significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s test) |
凋落物生物炭不同程度促进了翠芦莉对N、P、K的吸收(图3)。与CK相比，F1.5处理显著地提高了翠芦莉根部N含量及根部、地上部、全株P含量(分别是CK的2.20、1.91、1.43和1.44倍)，对K含量无显著影响。与CK相比，F3.0、F4.5处理显著地增加了植株根部、地上部和全株K含量，F4.5处理的全株N含量最大。
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图 3 凋落物生物炭添加量对翠芦莉养分含量的影响 Fig. 3 Effect of litter biochar addition on the nutrient content of Ruellia simplex 各图中相同植物部位柱子上方不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s 法) Different lowercase letters on bars of the same plant part in each figure indicated significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s test) |
由图4可知，F1.5处理翠芦莉根部、地上部及全株的N、P、K积累量在所有处理中均为最大值且显著高于CK。F3.0处理显著增加了翠芦莉根部、地上部及全株K积累量，比CK分别提高113.24%、94.14%和95.57%。与CK相比，F4.5处理显著增加地上部和全株K积累量，比CK分别提高30.94%和31.88%，但对植株N、P积累量及根部K积累量无显著影响。
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图 4 凋落物生物炭添加量对翠芦莉单株养分积累量的影响 Fig. 4 Effect of litter biochar addition on the nutrient accumulation per plant of Ruellia simplex 各图中相同植物部位柱子上方不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s 法) Different lowercase letters on bars of the same plant part in each figure indicated significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s test) |
与CK相比，各处理均显著降低了翠芦莉根部Cd、Cu以及地上部Cu的含量(表3)，降幅为34%~52%；显著提高了地上部Pb含量，增幅为196%~293%；根部Pb和地上部Cd含量与CK相比无显著差异。各处理地上部及F3.0和F4.5处理根部Ni含量均显著高于CK，F1.5处理根部Ni含量与CK无显著差异。从全株来看，各处理翠芦莉Cd、Cu含量均小于CK，F3.0处理翠芦莉Cd含量(w为1.16 mg·kg−1)最小，F4.5处理Cu含量(w为17.72 mg·kg−1)最小；各处理翠芦莉Pb、Ni含量均显著大于CK，F1.5处理Pb含量(w为2.65 mg·kg−1)最大，F4.5处理Ni含量(w为15.54 mg·kg−1)最大。
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表 3 凋落物生物炭添加量对翠芦莉植株不同部位重金属含量的影响1) Table 3 Effect of litter biochar addition on heavy metal content in different organ of Ruellia simplex |
由表4可知，F1.5处理翠芦莉根部、地上部及全株Cd积累量均显著大于其他处理，分别是CK的1.54、1.71和1.59倍，F3.0和F4.5处理根部和全株Cd积累量显著低于F1.5和CK。F1.5处理翠芦莉地上部和全株Cu、Pb积累量显著高于其他处理，各处理根部Pb积累量无显著差异。翠芦莉根部、地上部和全株Cd、Cu、Pb累积量均随着生物炭添加量增加而降低。
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表 4 凋落物生物炭添加量对翠芦莉单株不同部位重金属积累量的影响1) Table 4 Effect of litter biochar addition on heavy metal accumulation of different organ per plant of Ruellia simplex |
本试验结果表明，在污泥+赤红壤基质中添加适量(w为1.5%)凋落物生物炭可以显著促进翠芦莉株高和生物量的增长，这与Agbna等[14]关于不同添加量生物炭对番茄Solanum lycopersicum生长影响的研究结果一致。可能是因为生物炭通过改变土壤孔隙度和团聚体结构、调节土壤酸碱度等改善了土壤微环境[15]，从而促进了植物生长。翠芦莉株高及各部分生物量随着施炭量增加呈逐渐降低的趋势，且F4.5处理显著低于CK，呈现低浓度促进高浓度抑制的特点，这与朱自洋等[16]发现添加低浓度(w为1%~5%)生物炭可以显著促进黑麦草Lolium perenne的生长、高浓度(w>15%)的生物炭抑制黑麦草生长的研究结果一致。原因可能与高浓度生物炭对土壤水分和养分的吸附作用过强且与植物产生竞争作用，从而抑制植物根系对养分、水分的吸收有关[17]；此外，施用过量生物炭可能会改变土壤酸碱度、提高土壤碳氮比并对土壤微生物群落产生影响[18]，进而改变植物根系生长条件。
生物炭在改善土壤环境的同时也提高了养分的有效性，进而促进植株对养分的吸收利用。本研究发现，施用生物炭不同程度提高翠芦莉各器官N、P、K的含量，其中，F1.5处理的全株N、K含量显著高于CK。这可能是因为生物炭本身富含较多的可溶性矿质养分并具有较强的吸附力，在增加土壤中速效养分含量的同时减少矿质养分离子的迁移和淋失，从而提高了植物对养分的利用率[19]。翠芦莉全株P含量随着施氮量增加呈现先增加后下降趋势，F1.5处理的翠芦莉植株P含量达到最大，这与孙海妮等[20]研究结果较为吻合。出现这种现象的原因可能是低浓度的生物炭可以通过其表面官能团与土壤Fe和Al氧化物等矿物的P吸附位点之间产生竞争从而降低P的吸附、增加土壤中有效P含量[21]；随着施炭量增大，土壤中C/N增大，引起土壤中有效P的生物固定和化学固定[22]，降低了植物可利用P含量。
3.2 凋落物生物炭添加量对植物根系形态和生理特性的影响根系形态对植物吸收养分的能力起着决定性作用，良好的根系发育可以增大根系与土壤的接触面积，促进植物对养分的吸收，进一步提高地上部光合产物的形成及干物质的积累[23]。有研究表明，生物炭可以增加植物根系总根长、直径和根体积等，根系形态的改善与生物炭具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构有关[24]。在本试验中，F1.5处理的翠芦莉根系形态得到显著改善，随着生物炭添加量增加，翠芦莉的根直径、根体积和根表面积逐渐减小，在高浓度时受到明显抑制，这与唐光木等[25]发现施用过量的生物炭(45.0×103 kg/hm2)抑制棉花Gossypium spp.根系发育的结果一致。说明添加适量的生物炭可以促进植物根系生长，但过量施用则不利于植物根系形态建成。本研究还发现，不同添加量生物炭对翠芦莉的根系形态和植株生长的影响相似，表明生物炭对植株生长的作用与根系形态的变化密切相关。
根系与生物炭之间存在直接或间接的交互作用，生物炭可能会吸附或释放影响根系分泌物的化学信号，从而刺激和干扰根系生理进程，并对植物根系形态和整体生长产生影响[26]。研究表明不同添加量生物炭均可以提高娜塔栎Quercus nuttallii的根系可溶性蛋白含量[27]。本研究结果显示，F1.5处理的翠芦莉根系可溶性蛋白含量显著低于CK，其他处理与CK差异不显著。这可能是由于F1.5处理的植物根系生长最好，造成根系量最大，从而稀释根系中的可溶性蛋白含量。本试验中，翠芦莉根系的SOD活性随生物炭添加量增加呈现下降趋势，这与朱奕豪等[28]关于生物炭添加量对百合Lilium brownii var. viridulum根系生理特性影响的结果一致。原因可能是适量生物炭诱导了保护酶活性的提高，随着生物炭添加量的增加污染物含量增大，过量的活性氧不能有效被清除，当植株内部氧化物积累到一定程度时导致酶活性降低[29]。MDA是植物在逆境下膜脂过氧化的主要产物，其含量越高表示植物受伤害程度越严重[30]。本研究结果显示，F1.5处理的翠芦莉根系MDA含量最小，说明植物在此时根系受到伤害最小，根系抵御不利环境的能力最强。
3.3 凋落物生物炭添加量对植物重金属吸收累积的影响在本试验中，随着生物炭添加量的增加翠芦莉植株Cu、Cd含量均低于CK，表明翠芦莉在生物炭作用下受Cd、Cu的毒害影响逐渐减小，这可能是因为生物炭对重金属具有较强的吸附作用。有研究表明生物炭可以通过吸附固定土壤中的重金属、减小土壤中重金属可交换态比例，从而达到修复土壤、减少植物对重金属吸收的效果[8, 31]。董盼盼等[32]发现芦苇Phragmites australis生长期内添加生物炭加强了对重金属Pb的固定作用。本文添加生物炭后翠芦莉植株Pb、Ni含量均高于CK，说明植物和生物炭之间存在拮抗作用，翠芦莉对Pb、Ni的吸收作用强于生物炭对Pb、Ni的固定作用。王军等[33]研究发现，添加不同比例的污泥生物炭后，黑麦草中的Pb、Ni含量均高于CK，主要是由于土壤中的重金属含量和形态以及土壤理化性质导致的。本研究中F4.5处理翠芦莉植株Ni含量最高(w为15.54 mg·kg−1)，是CK的13.63倍，推测F4.5处理促进翠芦莉对Ni的吸收，但植物生长势最差，从而导致体内Ni含量升高，这对植物生长产生不良影响。本研究中翠芦莉体内Cd、Pb、Cu总积累量均呈现先增加后下降的趋势，这与植株生物量变化相符，说明除了植物重金属含量外，生物量同样影响植株对重金属积累的效果。一般来说，在重金属未对植物产生毒害作用的情况下，生物量越大的植物对重金属的累积作用越强，对基质的修复效果越好[34]。F1.5处理中的生物量和植株Cd、Cu、Pb、Ni的积累量均为所有处理中最大值，且这4种重金属的积累量较CK的增长幅度均最大，显示出该处理下植株未受毒害的同时对污泥具有较好的耐受性，且有较强的重金属吸收积累能力。
3.4 结论在污泥质量分数高达50%的基质中翠芦莉能够正常生长，说明其对污泥适应性较强。施用适量的生物炭(w为1.5%)，能显著改善翠芦莉生长并增加重金属吸收累积，但过高施用量(w为4.5%)会对翠芦莉的生长和根系发育产生抑制作用，进而影响其吸收重金属的能力。因此，在实际利用过程中应合理控制生物炭的施入量才能达到促进植物生长和修复土壤的最佳效果。在本研究中，城市污泥在园林绿化中得到资源化利用，园林凋落物通过制成生物炭既实现了碳封存，施入污泥土壤基质后又改良了基质性质，并促进了植物生长及重金属提取，达到了城市污泥、凋落物资源化利用和污泥重金属修复的目的，是一条城市废物处置的可持续发展路径。
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