城市污泥农用对生菜理化指标和品质的影响.doc

赵晓莉等：城市污泥农用对生菜理化指标和品质的影响 103城市污泥农用对生菜理化指标和品质的影响赵晓莉1，2，朱伟11. 河海大学环境科学与工程学院，江苏 南京 210098；2. 南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京 210044摘要：通过盆栽试验研究了城市污泥农用时对生菜（lactucae）生理特性和品质的影响。实验结果表明，随着污泥施用量的增加，生菜的蒸腾速率呈现明显的上升趋势，当施用量为8 gkg-1时蒸腾速率达到极大值，当施用量大于8 gkg-1时生菜蒸腾速率开始减小。随着污泥施用量的增加，叶绿素a、叶绿素b含量呈现一定的波动变化，基本表现为在施用量为4 gkg-1达到极大值，大于4 gkg-1以后,基本呈降低趋势。随着施用量的增加，生菜中类黄酮，呈现先急剧增加然后逐渐减少的趋势，极大值出现在施用量为6 gkg-1时。品质研究结果表明，可溶性糖的含量呈波动形变化，并且可溶性糖的含量的变化略微滞后于叶绿素含量的变化，极大值在施用量为6 gkg-1时。含水量、可溶性蛋白和抗坏血酸的含量呈现先急剧增加然后逐渐减少的趋势，极大值分别出现在施用量为12 gkg-1、6 gkg-1和8 gkg-1。生菜中硝酸盐的含量随施用量的增加呈现先降低然后逐渐增加的趋势，最佳量为10 gkg-1。说明施加适量的污泥促进生菜的生长，有利于生菜品质的提高；而施加过量的污泥抑制生菜的生长并不利于品质的提高。对于生菜而言，有利于生长和品质提高的最佳施用范围为：610 gkg-1。关键字：城市污泥 土地投放 生菜 生理特性 品质 影响中图分类号：X592 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）01-0099-06污水污泥是城市污水处理厂处理污水过程中的必然产物。污泥中含有许多植物营养元素，如氮、磷、钾、微量的氨基酸等，同时由于污泥中含有大量的有害物质，如重金属、细菌、各种寄生虫卵、大量的病源微生物等，很容易形成“二次污染”，因此污泥处理是污水处理厂重要的工作内容之一1。污水处理厂的污泥主要是初沉池污泥与剩余活性污泥的混合污泥，因此如何安全有效地进行污泥处理和处置，既能降低成本，又不引起二次污染，实现污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化，是目前环境领域急需解决的问题2-4。目前污泥的应用主要表现为城市绿化、荒地复垦，土壤改良等，由于污水厂大多位于郊区，随着污泥量的增多，污泥的就近利用如农田施用成为污泥资源化研究的热点5-6。而且我国是一个农业大国，污泥的土地利用更具有实际意义。然而污泥中含有各种各样污染物质,施用不当会造成农地和作物污染，展开污泥土地合理施用的研究十分必要。本文主要通过室内模拟实验，以生菜（lactucae）为材料，以南京江心洲污水处理厂脱水污泥为代表，对污泥在土地投放过程中污泥的施用量进行研究，并在此基础上提出一些合理的建议，为污泥的农用问题提供一些科学的依据。1 材料与方法1.1 试验土壤与污泥盆栽试验原土采自校外在耕农田,土壤养分和重金属含量均符合我国农业污染控制标准7。污泥采自南京市江心洲市政污水处理厂的脱水污泥，该厂污水主要来源于城市居民生活排放，污泥成分主要为有机质。土壤样品采回后，置于室内通风处风干。在土壤半干时，将大土块用木槌捶碎，风干后备用。污泥采回后在阴凉通风处风干，磨碎，过2 mm筛，用密实袋装好备用。供试土壤8与污泥的性质见表1。表1 供试土壤和污泥的基本组分Table 1 Primary composition of municipal sewage sludge and soil项目pH有机质/%全氮/%全磷/%CuZnPbCdNi（gkg-1）土壤8.21.480.1080.1423.170.116.80.086527.1污泥7.621.31.311.4954259113321.132651.2 供试植物供试生菜种子（意大利全年耐抽苔生菜，lactucae，产地为河北清县），在条件均等的培养钵中培养，当幼苗平均株高约为3 cm时，选择形体基本一致且长势良好的植株进行移栽。移栽时间为2007年4月10日，移栽40 d后进行测定。1.3 试验方案设计盆栽试验，采用直径为15 cm的聚乙烯塑料盆，每盆装土1 kg。每盆污泥施用量分别为2 gkg-1、4 gkg-1、6 gkg-1、8 gkg-1、10 gkg-1、12 gkg-1、14 gkg-1、16 gkg-1、18 gkg-1、20 gkg-1共10个梯度，编号分别为T2、T4、T20，CK组不施加污泥为空白对照。按不同的施用量分别将污泥与土壤充分混合均匀装盆。移栽生菜幼苗，每盆三株，浇水至土壤足够湿润，近似于田间持水量。重复3组，随机排列于北辰楼门前草地上，光照充足。按常规管理，观察记录生长情况。1.4 测定项目及方法1.4.1 生理特性指标的测定（1）蒸腾速率的测定：离体快速称重法9。（2）叶绿素含量的测定：分光光度法9。（3）类黄酮含量的测定：根据Caldwell10测定类黄酮的甲醇提取液的吸收方法。1.4.2 品质指标的测定（1） 含水量的测定：利用水遇热蒸发为水蒸气的原理，可用加热烘干法来测定植物组织中的含水量9。（2）可溶性糖含量测定：用蒽酮比色法测定11。（3）可溶性蛋白含量的测定：用考马斯亮蓝法测定11。（4）抗坏血酸含量的测定：用王慧琴的亚甲基蓝法测定12。： （5）硝酸盐含量的测定：比色法13。2 结果分析2.1 污泥施用量增加对生理特性指标的影响2.1.1 污泥施用量增加对蒸腾速率的影响污泥施用量增加对蒸腾速率的影响结果见图1。污泥施用量(gkg-1)图1 污泥施用量增加对生菜蒸腾速率的影响Fig. 1 The effect of sewage sludge increased on transpiration 蒸腾作用是指水分以水蒸汽的形式，通过植物体而蒸发散失的过程。蒸腾作用可以在温度偏高的情况下有效地降低叶片的温度，同时也是根部吸水的主要动力，有利于植物对水的吸收和输送，也利于溶解于水中的无机盐在植物体内的运输。蒸腾速率是计量蒸腾作用强弱的一项重要指标14。由图1可看出，随着污泥施用量的增加生菜的蒸腾速率明显加快，在施用量为24 gkg-1时蒸腾速率增加最明显，当施用量为8 gkg-1时蒸腾速率达到极大值，生菜水分代谢最旺盛，有利于无机盐在其体内的运输。说明污泥中的N、P、有机质等营养促进生菜的生长。当施用量大于8 gkg-1时生菜蒸腾速率开始减小，大于16 gkg-1时蒸腾速率急剧下降甚至低于对照组，说明施加过量污泥会抑制生菜的生长。其原因可能是污泥中高浓度的重金属离子对生菜的根系产生毒害作用，抑制根系的生长，从而不利于根系对水分的吸收，造成叶片水势降低，当水势降低到阈值以下，气孔关闭，使得蒸腾作用和光合作用都减弱。 2.1.2 污泥施用量增加对叶绿素含量的影响污泥施用量增加对叶绿素含量的影响结果见图2。污泥施用量(gkg-1)图2 污泥施用量增加对生菜叶绿素含量的影响Fig. 2 The effect of sewage sludge increased on the content of chlorophyll in leaves从图2可以看出，随着污泥施用量的增加叶绿素a、叶绿素b含量呈现波动变化，从波动的振幅和波峰波谷的位置可以看出叶绿素a、叶绿素b含量整体呈减小趋势。当施用量为4 gkg-1时叶绿素a、叶绿素b含量迅速增加，而且叶绿素a的增加速度稍大于叶绿素b，表明生菜光合作用明显增强。当施用量大于4 gkg-1时叶绿素a、叶绿素b含量明显下降，施用量为6 gkg-1g时出现极小值。当施用量为10 gkg-1时其含量第二次出现极大值，而第二次出现极小值的施用量为14 gkg-1。当施用量大于14 gkg-1时叶绿素a、叶绿素b含量变化速率较平稳且整体呈下降趋势。叶绿素a含量变化强度大于叶绿素b，说明污泥对叶绿素a的影响较叶绿素b敏感。结合图1分析其原因为：与对照相比，污泥中的大量的N、P、有机质等营养物质促进生菜的生长，使得生菜水分代谢旺盛，有利于光合作用所需的N、P、Fe、Mg等无机盐在其体内的运输，但同时也使大量的重金属离子被吸收利用，重金属离子在生菜体内积累，抑制了植物体内叶绿素酶的合成以及质膜ATP酶等酶促反应酶的活性，影响叶绿素生物合成的过程中的酶促反应，从而抑制根系细胞对其他必需元素的吸收15，使得叶绿素含量第一次出现极小值。而叶绿素的含量第二次出现极大值，其原因可能与生菜抵抗外部环境胁迫的能力有关16，生菜适应高盐度逆境后，通过蒸腾作用及自身细胞的渗透作用表现出抵抗渗透胁迫的能力从而使得叶绿素含量第二次出现极大值，但这种能力只有在一定的胁迫范围内才能出现，当超出某一胁迫范围时，植物就不能再适应胁迫环境，最终导致死亡，这也就是为什么高施用量组生菜新叶泛白的原因，也解释了当施用量大于14 gkg-1时叶绿素a、叶绿素b含量变化速率较平稳且整体呈下降趋势的现象。盐胁迫下植物的光合速率下降，这与蛋白质合成遭破坏，叶绿素分解，叶绿体解体以及缺水引起气孔关闭等一系列活动有关。2.1.3 污泥施用量增加对类黄酮含量的影响污泥施用量增加对类黄酮含量的影响见图3。污泥施用量(gkg-1)图3 污泥施用量增加对生菜类黄酮含量的影响Fig. 3 The effect of sewage sludge increased increased on flavonoid注：类黄酮含量以其在340 nm处的吸收峰值表示由图3可以看出，随着污泥施用量的增加，生菜中类黄酮的含量先急剧增加然后呈逐渐减少的趋势。当污泥的施用量为6 gkg-1时，类黄酮的含量达最大值。结合图1分析可知：蒸腾作用使得可溶性离子大量被生菜吸收后，当吸收速率大于代谢速率时，可溶性离子在其体内不断积累，生菜开始抵抗高盐度环境胁迫。大量的研究证明，植物在高盐度的环境下其叶片表面的类黄酮含量增加，这是植物对高盐度环境的适应和保护措施。由于土壤中有毒有坏物质的增加，生菜为适应胁迫环境而形成自我保护机制，但这种保护机制也只有在一定的胁迫范围内（816 gkg-1）才能维持。当超出某一胁迫范围时，如图3中所示，施用量大16 gkg-1时，超出了生菜的胁迫范围使其趋于死亡，从而造成类黄酮含量急剧下降。类黄酮以黄酮、黄酮醇、黄烷酮的形式，来源于植物中，是植物代谢次生物。在植物的生长过程中发挥显著作用，具有广泛的生物学活性。有学者研究证实15，在高盐度作用下叶片类黄酮含量增加，主要是其体内苯丙氨酸氨解酶（PAL）的活性增强后，促使茶儿酮酶（CHS）活力的提高并增强类黄酮的合成能力。2.2 污泥施用量对品质指标的影响2.2.1 污泥施用量增加对含水量的影响污泥施用量增加对含水量的影响结果见图4。含水量是蔬菜水分状况的重要指标，蔬菜组织含水量不但直接影响蔬菜的生长、气孔状况、光合功能、生物量、而且还间接影响蔬菜的品质。从图4可以看出，随着污泥施用量的增加，生菜含水量整体呈平稳增加然后急剧减小的趋势。当施用量达到12 gkg-1时，生菜的含水量最大为5.79 g，大于12 gkg-1时含水量急剧下降，随着污泥施用量的进一步增加，含水量出现低于对照组的现象。这可能是因为污泥中含有大量的水溶性重金属离子，且随施用量的增加，生菜的根系受到的破坏程度进一步加强，从而根系的吸水能力逐渐下降。大量的研究表明，植物在盐渍逆境下水分状况的变化是比较明显。即植物吸水能力降低、蒸腾量减少，与图1相比当施用量为12 gkg-1时生菜还表现出蒸腾作用较对照组强，但由于蒸腾量大于吸水量，生菜组织含水量降低而发生萎蔫现象，这时生菜细胞的水势、渗透势、机体相对含水量均降低，气孔部分关闭，光合作用强度下降，表现出施用量为12 gkg-1时叶绿素a、叶绿素b含量降低，这与图2基本一致。污泥施用量(gkg-1)图4 污泥施用量增加对生菜含水量的影响Fig. 4 The effect of sewage sludge increased on water content2.2.2 污泥施用量增加对可溶性糖含量的影响污泥施用量增加对可溶性糖含量的影响结果见图5。从图5可知：随着污泥施用量的增加，可溶性糖的含量呈波动性变化。结合图2分析，可溶性糖的含量的变化略微滞后于叶绿素含量的变化，这与叶绿素含量变化对可溶性糖合成的影响有关。当污泥施用量为6 gkg-1、10 gkg-1时可溶性糖含量达到极大值，且前者含糖量稍大于后者。这与适量施用污泥能促进生菜叶绿素含量增加导致光合作用加强有关。但由于蒸腾旺盛生菜大量吸收污泥中的重金属离子，造成叶绿素含量首次出现极小值，从而使可溶性糖的含量下降，当施用量为8 gkg-1时其含量也首次出现极小值，但与对照相比可溶性糖含量有所增加，表现出生菜对可溶性糖的积累，品质有所提高。当施用量大于12 gkg-1时，可溶性糖含量急剧下降，当大于16 gkg-1时可溶性糖含量较对照组低。随着污泥施用量的增加，土壤中无机盐含量增加，过多的无机盐离子造成的盐胁迫对生菜的伤害作用越强，主要表现为植物吸水困难，蒸腾作用降低，叶片气孔开度小，CO2参与光合作用过程受阻，光合作用首要产物可溶性糖含量降低，从而生菜的品质下降。因为CO2经常是光合作用的限制因子，当植物光合作用吸收的CO2量与呼吸作用和光呼吸释放的CO2量达到动态平衡时，CO2的浓度为 CO2的补偿点。CO2的补偿点受水分亏缺等环境因素的影响，在水分亏缺的条件下CO2的补偿点上升，光合作用下降。水分也是光合作用的原料，缺水时气孔开度减小，一方面减少水分的丢失，同时也影响CO2的进入，而使光合作用的原料CO2缺乏光合速率下降。污泥施用量(gkg-1)图6 污泥施用量增加对生菜可溶性蛋白含量的影响Fig. 6 The effect of sewage sludge increased on dissolve protein2.2.3 污泥施用量增加对可溶性蛋白含量的影响污泥施用量增加对可溶性蛋白含量的影响结果见图6。污泥施用量(gkg-1)图5 污泥施用量增加对生菜可溶性糖含量的影响Fig. 5 The effect of sewage sludge increased on dissolve sugar由图6可以看出，随着污泥施用量的增加，生菜中可溶性蛋白含量呈现先增加后减小的趋势。与对照相比，在一定施用量范围内生菜蛋白质含量急剧增加，在2 gkg-1到4 gkg-1g范围内其含量的增速最大。当施用量为6 gkg-1时，生菜中可溶性蛋白含量最大为800.7 gkg-1。因为随着施用量增加，土壤中合成蛋白质的必需元素N含量增加，同时生菜生长所需其它营养元素如Ca、P、K、Mg等也相应增加，这些元素在一定的浓度范围内促进生菜的生长，蒸腾作用旺盛，光合作用加强。此时，虽然有一定量重金属离子被吸收，但还没有超出其对生菜造成毒害效应的阈值。当施用量为gkg-1时，污泥促进生菜生长的效应与抑制生长的毒害效应强度相当，生菜中可溶性蛋白累积量达到极大值。当施用量大于6 gkg-1时可溶性蛋白含量开始减小。因为此时重金属等有毒离子被大量吸收并富积，生菜中的许多组织、器官受到重金属的毒害，体内蛋白质合成酶变性，活性降低，表现出蛋白质的含量降低。随着污泥施用量的进一步增加，土壤中可溶性离子浓度升高引起的盐分胁迫造成生菜吸水困难，甚至引起生菜体内的水分外渗，从而造成机体新陈代谢紊乱。由于外界高浓度的盐分致使生菜遭受水分胁迫和离子的毒害，从而引起生菜细胞原生质膜的透性增加，使细胞内部离子浓度与种类的比例改变，进而抑制大多数蛋白质的合成，促进蛋白质的加速分解，产生氨毒害和代谢失调。2.2.4 污泥施用量增加对抗坏血酸含量的影响污泥施用量增加对抗坏血酸含量的影响结果见图7。污泥施用量(gkg-1)图7 污泥施用量增加对生菜抗坏血酸含量的影响Fig. 7 The effect of sewage sludge increased on ascorbic acid从图7可以看出，适量的施加污泥有利于生菜抗坏血酸的合成，过量施用则出现抑制作用。当施用量为6 gkg-1到8 gkg-1时促进作用最强，施用量为8 gkg-1时生菜抗坏血酸的含量最大为1107.3 gkg-1。当施用量大于8 gkg-1时抗坏血酸的含量开始减小，施用量为10 gkg-1含量急剧下降，说明施用过量污泥抑制生菜的抗坏血酸的合成，且抑制作用异常强烈。这可能是因为污泥中大量的重金属离子对抗坏血酸的合成器官及其酶产生毒害作用。随着污泥增加生菜叶绿素及蛋白质含量降低，而菜叶绿素及蛋白质含量的改变可能抗坏血酸的合成有某种对应关系，从而导致生菜中抗坏血酸含量的降低。2.2.5 污泥施用量增加对硝酸盐含量的影响污泥施用量增加对硝酸盐含量的影响结果见图8。氮素是植物需要量最多的必需营养元素之一。硝态氮是陆生植物的主要氮原，通常以NO3-N形式存在于土壤溶液中。NO3-N进入植物体内后主要储存于叶片的液泡中，并同化成各种有机氮。硝酸盐在植物液泡中的积累对渗透调节具有重要的意义。由图8可以看出，在0到4 gkg-1范围内，生菜体内硝酸盐含量有所上升，但升幅很小。其原因为施加适量的污泥促进生菜生长，此时蒸腾旺盛，光合作用强，机体对氮素的需求量大，氮素主要以硝酸盐的形式被大量吸收，当硝酸盐吸收速率大于还原速率时，净剩的硝酸盐被累积含量有所增加。通常状况下硝酸盐含量在植物体内处于一种动态平衡。在施用量为4 gkg-1到10 gkg-1范围内，生菜的新陈代谢比较旺盛，呼吸作用为硝酸盐的还原提供大量的能量，蒸腾作用帮助运输大量矿质元素，从而使硝酸盐的含量降低。当施用量大于10 gkg-1时，硝酸盐含量又急剧上升。这可能是机体受重金属离子的毒害作用，影响硝酸盐还原酶合成与活性，同时硝酸盐还原产物也能抑制还原酶的活性，环境因素如水分胁迫和盐分胁迫影响硝酸盐诱导硝酸盐还原酶的产生机制。过量施用氮肥是影响蔬菜硝酸盐积累的重要外部因素17，生菜对硝酸盐的积累随污泥施用量的增加而增加。当施用量大于10 gkg-1时硝酸盐的含量急剧上升，施用量大约在20 gkg-1时，生菜中硝酸盐的含量大于我国在食品及饮水中规定的硝酸盐最高限量标准432 gg-1。同时施用过量氮肥造成氮素流失，引起水体富营养化。3 结论本文以生菜为实验材料，研究了城市污泥土地投放对生菜生理特性和品质的影响。得出以下结论：随着污泥施用量的增加,生菜的蒸腾速率明显加快，当施用量为8 gkg-1时蒸腾速率达到极大值。当施用量大于8 gkg-1时生菜蒸腾速率开始减小；叶绿素a、叶绿素b含量呈现波动变化；生菜中类黄酮、含水量、可溶性蛋白和硝酸盐的含量先急剧增加然后逐渐减少的趋势；可溶性糖的含量呈波动形变化，并且可溶性糖的含量的变化略微滞后于叶绿素含量的变化。生菜中硝酸盐的含量随施用量的增加呈现先降低然后逐渐增加的趋势，最佳量为10 gkg-1。表明施加适量的污泥促进生菜的生长，有利于生菜品质的提高；而施加过量的污泥抑制生菜的生长并不利于品质的提高。利用最优化方法，对上述指标中污泥的最佳施用量范围进行综合分析，可以得出污泥的最佳施用量范围为：6 gkg-110 gkg-1。总之，在室内实验中，污泥的施加对生菜的影响是较明显的，当然污泥对作物的影响还与水分，二氧化碳，营养元素，温、湿度，光合作用及杂草和病虫害密切相关。因此，本试验还有待进一步在大田中继续研究。参考文献：污泥施用量(gkg-1)图8 污泥施用量增加对生菜硝酸盐含量的影响Fig. 8 The effect of sewage sludge increased on nitrate1 Mo C H, Wu Q T, Cai Q Y. 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Chlorophyll a and Chlorophyll b with the increase in sludge application had the volatility changes, they reached maximum value in the application of 4 gkg-1, while application of sludge was more than 4 gkg-1, the more application increased, the more the decreasing d