污泥施用下園林植物生長適應性和重金屬吸收

賴明麗，董曉全，謝姍宴，馮嘉儀，邢鶴嚴，曾曙才，吳道銘

(華南農業大學 林學與風景園林學院, 廣東 廣州 510642)

污泥的科學處置是生態環境建設過程中面臨的重要難題之一。城市污水處理量和污泥產生量日益增加。2020年我國城市污水處理量達5.71 ×1010m3，產生干污泥 (含水率 80%)約 1.16 × 107t[1-2]。已有研究表明，污泥含有豐富的有機質、氮磷鉀養分元素和多種植物生長所需的微量元素，施用污泥可以改善土壤肥力并促進植物生長[3-4]?；诃h境壓力及資源化考慮，污泥綠地利用擁有廣闊的應用前景。污泥綠地利用可以避免污泥中有害物質直接進入食物鏈，同時可以減少園林綠化化肥的使用，緩解市政污泥處置壓力。然而，污泥中的污染物特別是重金屬是限制污泥土地利用的關鍵因素[5-6]。

針對污泥土壤重金屬污染這一問題，Wu等[7]和Chu等[8]研究表明，低比例添加污泥并選擇有較高生物量和較強重金屬富集能力的園林植物可以降低污泥重金屬污染。然而，植物重金屬吸收能力與植物種類有關，并非所有園林植物對重金屬都有較強耐受性，而且同一植物對不同重金屬的吸收水平也不一致[9-11]?；诖?，學者們提出通過混種吸收不同重金屬的園林植物，達到較全面吸收污泥重金屬的目的。但是，混種對植物生長及重金屬的吸收積累可以產生正效應，也可以產生負效應[9]。例如，與單種相比，混種黑麥草Lolium perenne提高了紫花苜蓿Medicago sativa地上部過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性，減輕重金屬脅迫導致的氧化損傷，也提高了植物生物量，并減少了對重金屬Pb的吸收[12]。景天屬Sedum植物與西芹Apium graceolens混種有更高的生物量，同時提高了對重金屬Cd的吸收[13]。相反，與小蓬草Conyza canadensis混種降低了碎米薺Cardamine hirsuta根、莖、全株生物量和Cd的積累[14]?？梢?，混種對植物生長和重金屬吸收的影響因植物而異。作為園林綠化過程中常見的植物種植方式，樹木與地被植物混種是否可以提高植物對污泥施用土壤的適應性和重金屬吸收積累的相關研究報道較少。

合果芋Syngonium podophyllum、鵝掌柴Schefflera odorata和山菅蘭Dianella ensifolia均為常見園林地被植物，有較高的觀賞價值。秋楓Bischofia javanica是華南地區鄉土樹種，廣泛應用于城市綠化。園林樹木和地被植物混種是園林綠化造景中廣泛應用且頗受歡迎的模式。合果芋、鵝掌柴、山菅蘭和秋楓均被報道對污泥有較好的適應性，對重金屬Cu、Zn、Pb和Cd的富集能力和轉移能力較強[7-8,15]。本文通過盆栽試驗研究秋楓分別與3種地被植物混種對污泥施用的生長適應性以及重金屬的吸收積累能力，為篩選混種后對土壤重金屬污染具有修復作用的園林植物及污泥資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物：園林樹木秋楓(記作BJ，苗高約30 cm)；園林地被植物合果芋(SP，苗高約20 cm)、鵝掌柴(SO，苗高約 20 cm)、山菅蘭 (DE，苗高約20 cm)，分別購自廣州市園林局和芳村苗木批發市場。

供試栽培基質：供試土壤為赤紅壤黃心土，采自廣州市郊區，自然風干，含水量約為8%(w)，過1 cm篩后備用。供試污泥為城市污水污泥，由河源市綠由環?？萍加邢薰咎峁?，自然堆置4個月，含水量約為45%(w)，過1 cm篩后備用。兩者按質量比5∶5混合，配制成栽培基質，基本化學性質見表1。

表1 土壤、污泥和栽培基質的化學性質Table 1 The chemical properties of soil, sewage sludge, and cultivation substrate

1.2 試驗設計

試驗以不種植物為對照(CK)，設置7個處理，分別為：秋楓單種(BJ)，山菅蘭單種(DE)，合果芋單種 (SP)，鵝掌柴單種 (SO)，秋楓+山菅蘭混種(BJ+DE)，秋楓+合果芋混種(BJ+SP)，秋楓+鵝掌柴混種(BJ+SO)?？紤]到木本植物和草本植物兩者生長速率和生物量有差異，且多株同一植物種在一起可能產生種間干擾，因此本試驗單種每盆只種植1棵植物，混種每盆種植2棵植物；為確保每株植物獲得相對一致的土壤生長環境，通過調節基質用量來減少試驗背景差異。對照和單種處理采用小塑料盆(規格22 cm × 20 cm)，每盆裝土3 kg?；旆N處理采用大塑料盆(規格27 cm × 25 cm)，每盆裝土6 kg。每盆裝土后，澆透水，放置平衡3周。然后，按照以上處理設置，移栽相應植物。每個處理3個重復，每個重復2盆，一共48盆。植物于溫室大棚內生長6個月(2018年4月—10月)。期間，每2天澆一次水，每次小盆100 mL、大盆200 mL，下滲的水經盆底托盤收集后再倒回盆中。植物生長溫度為25～35 ℃。

1.3 采樣及測定項目

植物樣品收集：將植物帶土從塑料盆中取出，用剪刀于根莖連接處剪開，并將地上部剪成一定長度節段，裝于信封，烘干測定干生物量及重金屬含量。將收集完植株地上部的土球放置于干凈塑料薄膜，輕輕抖開土球，獲取完整根系。然后，進一步抖落土壤，將根系浸泡于自來水，洗凈殘余土壤。3份根系保存于4 ℃冰箱中，用于測定根系生理指標。另3份根系暫時保存于另一干凈自來水中，用于分析根系形態指標。

土壤樣品收集：取出植物根系后，剩下的土壤混勻并攤開，多次采用四分法最終收集約200 g土壤。土壤樣品自然風干后，研磨，過100目尼龍篩，用于土壤重金屬鎘(Cd)、銅(Cu)、鎳(Ni)和鋅(Zn)形態及含量測定。

1.4 測定方法

通過掃描儀獲取根系照片，然后借助根系分析軟件 WinRHIZO(WinRHIZO Pro2017，Regent Instruments Canada Inc.，加拿大)分析掃描圖片，獲取根系總根長、根表面積、總體積等指標，并計算比根長和根組織密度：

植物樣品在105 ℃下殺青30 min，65 ℃下烘至恒質量，用電子天平稱得干生物量；通過干灰化處理后，采用原子吸收火焰光度計測定植物體內的重金屬Cd、Cu、Ni和Zn含量。

取1 g新鮮根尖(0～2 cm)，用5 mL預冷磷酸緩沖液(pH 7.0，50 mmol·L-1)冷凍研磨，獲取粗酶液，用于蛋白質、超氧化物歧化酶(Superoxidase dismutase,SOD, EC1.15.1.1)、過氧化氫酶(Catalase, CAT,EC1.11.1.60)和過氧化物酶(Peroxidase, POD,EC1.11.1.7)活性測定。蛋白質用考馬斯亮藍法測定；改進Giannopolitis等[17]的方法測定SOD活性；改進Aebi[18]的方法測定CAT活性；利用愈創木酚法測定POD活性；方法改進主要體現在將原來方法中針對葉片的反應體系縮小為5 mL的根系反應體系。另取0.5 g根尖，參照Aibibu等[19]，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定根系活力。根據Tessier等[20]提供方法進行土壤重金屬分級測定，利用原子吸收火焰光度計測定土壤鎘、銅、鎳和鋅含量。

1.5 數據處理與分析

采用Excel 2003和SPSS 22.0軟件對數據進行統計分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和獨立樣本t檢驗法比較不同處理間的差異。多重比較采用Duncan’s法。

2 結果與分析

2.1 植物生物量變化

由圖1可以看出，污泥施用對園林植物單種和混種的生物量累積有不同影響。與各自單種相比，秋楓與山菅蘭混種導致秋楓根系干生物量下降了45.91%(P＜0.05)；混種后山菅蘭地上部和根系干生物量分別降低了30.75%和36.62%，其中地上部干生物量顯著減少(P＜0.05)。秋楓與合果芋混種處理中，與秋楓單種相比，混種導致秋楓地上部和根系干生物量分別降低了43.60%和61.98%，差異均達到顯著水平(P＜0.05)；但混種后合果芋地上部和根系干生物量較單種分別提高了81.12%和40.32%，差異均達到顯著水平(P＜0.05)。與鵝掌柴單種相比，混種秋楓處理的鵝掌柴根系干生物量顯著增加，但地上部干生物量顯著降低(P＜0.01)。

圖1 植物地上部和根系生物量Fig. 1 Biomass of plant shoot and root

2.2 植物根系活力和抗氧化酶活性

由圖2可以看出，與單種相比，混種秋楓的山菅蘭根系SOD活性和根系活力分別顯著提高了25.74%(P＜0.05)和 114.62%(P＜0.05)?；旆N合果芋的秋楓根系SOD活性和根系活力較秋楓單種分別顯著下降了 36.39%(P＜0.05)和 70.09%(P＜0.05)；而混種后的合果芋根系CAT活性與單種相比極顯著提高(P＜0.01)。與單種相比，混種鵝掌柴的秋楓根系POD和CAT活性分別增加了154.00%(P＜0.05)和90.48%(P＜0.05)；混種處理的鵝掌柴根系CAT和SOD活性較單種分別增加了178.19%(P＜0.01)和 106.53%(P＜0.01)。

圖2 根系抗氧化酶活性和根系活力Fig. 2 Antioxidative enzyme activity and activity of root

2.3 根系性狀變化

由表2可知，與秋楓混種導致山菅蘭根系單株總根長和總體積較山菅蘭單種分別下降41.23%(P＜0.01)和 56.24%(P＜0.01)。與秋楓混種后，合果芋單株總根長、總表面積和總體積較單種分別增加了24.51%、38.48%和40.54%，其中總體積差異顯著(P＜0.05)?；旆N鵝掌柴的秋楓根系單株總根長、總根表面積和根體積較秋楓單種分別提高了79.44%(P＜0.01)、152.96%(P＜0.01)和 138.38%(P＜0.01)；但混種秋楓后鵝掌柴根系單株總根長和總體積分別下降 51.86%(P＜0.01)和 51.04%(P＜0.05)。與秋楓單種相比，混種鵝掌柴和混種合果芋的秋楓有更大的比根長(P＜0.01)和更低的根組織密度(P＜0.05)。

表2 根系性狀變化1)Table 2 The changes of root characteristics

2.4 植物重金屬含量變化

由圖3可以看出，與各自單種相比，混種后的秋楓和山菅蘭地上部Cd含量分別增加了339.48%(P＜0.05)和 181.85%(P＜0.01)。秋楓與合果芋混種處理中，與各自單種相比，混種后合果芋地上部Cd、Cu和Zn含量分別提高了55.40%、39.64%和29.22%，其中Cu含量差異達到顯著水平(P＜0.05)；混種后秋楓地上部Cd含量提高了179.04%，但地上部Cu含量下降了22.38%，差異均達到顯著水平(P＜0.05)。秋楓與鵝掌柴單種和混種處理的地上部重金屬含量變化沒有顯著差異。

圖3 植物地上部重金屬含量Fig. 3 Contents of heavy metals in shoot

從根系重金屬含量來看(圖4)，與山菅蘭混種后，秋楓根系Cd、Cu、Zn和Ni含量較單種分別提高了222.70%、59.77%、65.18%和58.08%，Cd、Zn和Ni含量差異均達到顯著水平(P＜0.05)；與秋楓混種的山菅蘭根系Cd含量顯著提高了125.11%(P＜0.05)，但根系Cu和 Ni含量顯著減少(P＜0.01)。秋楓與合果芋混種處理中，與各自單種相比，混種后秋楓Cd和Zn含量分別提高了466.66%(P＜0.05)和 54.42%(P＜0.01)，同時，混種的合果芋根系Cd含量提高了48.62%(P＜0.05)，差異均達到顯著水平。與單種相比，混種鵝掌柴后的秋楓根系Cd、Cu、Zn和 Ni含量分別提高了306.38%、47.89%、62.83%和84.44%，差異達到顯著水平(P＜0.01或P＜0.05)；混種秋楓的鵝掌柴根系Cd含量顯著提高了229.89%(P＜0.01)，但鵝掌柴單種根系Cu、Ni含量顯著高于鵝掌柴混種(P＜0.01)。

圖4 植物根系重金屬含量Fig. 4 Contents of heavy metals in root

總體來說，園林植物混種提高了植物地上部和根系重金屬含量。

2.5 植物重金屬積累量

由圖5可以看出，污泥施用下園林植物單種和混種對整株植物的重金屬吸收積累量產生了不同的影響。與各自單種相比，秋楓與山菅蘭混種后兩者Cd積累量分別提高了238.73%和78.22%，差異均達到顯著水平(P＜0.05)。在秋楓與合果芋單種和混種處理中，與各自單種相比，混種后的秋楓Cu和Ni積累量分別下降了58.68%(P＜0.01)和43.43%(P＜0.01)，但是混種后的合果芋整株重金屬Cd、Cu、Zn和Ni積累量分別提高了161.61%、139.77%、78.37%和65.70%，其中Cd、Cu和Zn積累量差異均達到顯著水平(P＜0.05)。不同的是，混種鵝掌柴的秋楓整株重金屬Cd、Zn和Ni積累量分別提高了278.76%、53.68%和71.44%，其中Cd和Ni積累量差異均達到顯著水平(P＜0.01或P＜0.05)，但混種的鵝掌柴重金屬積累量變化沒有顯著差異?？偠灾?，與單種相比，混種山菅蘭、混種鵝掌柴增加了秋楓重金屬Cd、Zn的積累量，混種合果芋減少了秋楓重金屬Cu、Ni的積累量，但顯著增加了合果芋重金屬Cd、Cu和Zn的積累量。

圖5 植物重金屬單株積累量Fig. 5 Heavy metals accumulation in each plant

2.6 植物收獲后土壤重金屬形態變化

為了深入了解土壤重金屬變化，本研究進一步分析土壤重金屬的Tessier分級(圖6)。與不種植物的CK相比，種植園林植物降低了土壤水溶態+交換態的重金屬Cd、Cu、Zn和Ni比例，其中Cd和Zn比例顯著降低(P＜0.05)。與各自單種相比，2種園林植物混種后土壤鐵錳氧化態的重金屬Cd、Zn和Ni比例降低，但殘渣態的Cd、Cu和Ni比例增加，其中秋楓和合果芋混種后土壤鐵錳氧化態的重金屬Cd下降比例最大(為25.09%)，殘渣態Cd增加比例最大(為29.78%)，且差異達到顯著水平(P＜0.05)。上述結果表明，混種處理有效降低了土壤中生物毒性(土壤水溶態+交換態)和潛在生物毒性(鐵錳氧化物結合態)的重金屬比例，增加了低生物毒性(殘渣態)重金屬比例。

圖6 土壤重金屬Tessier分級Fig. 6 Tessier fraction grade of heavy metals in soil

3 討論與結論

3.1 污泥施用條件下園林植物單種和混種的生長適應性

混種有利于維持植物多樣性，是園林綠化建設和生態造林的重要模式。但植物混種對植物生長可能出現抑制或促進的現象[9]。本研究發現，秋楓與3種地被植物混種后，促進了合果芋的生長，但抑制了鵝掌柴和山菅蘭地上部的生長；混種合果芋和混種山菅蘭的秋楓生長也受到抑制。結合混種總體上提高了植物地上部和根系重金屬含量的結果，本文推測這些園林植物單種和混種表現出不同的生長適應性與植物體內重金屬含量變化有關。與Chu等[8]研究結果一致，當秋楓地上部和根系重金屬Cd含量分別增加至0.55和0.85 mg/kg時，植物地上部和根系生物量顯著減少。本試驗中與合果芋混種的秋楓根系重金屬Cd含量提高到2.66 mg/kg，與山菅蘭混種的秋楓地上部Cd含量提高到1.26 mg/kg，重金屬含量遠遠超過其耐受值。重金屬脅迫誘發植物氧化毒害，是抑制植物生長的重要原因。植物通過提高酶促抗氧化系統中SOD、POD及CAT等酶的活性清除植物體活性氧，減輕逆境脅迫對植物的傷害程度[21-23]。但是，植物抵御脅迫的能力有限，過高的重金屬造成細胞膜損壞及膜質過氧化[24-25]，導致根系SOD、CAT酶活性及根系活力下降。本研究推測，與合果芋混種促進秋楓地上部和根系重金屬Cd的吸收，體內重金屬的累積增加，對根系的抗氧化酶系統造成一定壓力，進而抑制了根系的生長和生物量的累積。與Tauqeer等[26]研究結果相似，植物錦繡莧Alternanthera bettzickiana體內SOD、POD和CAT活性隨重金屬Cd和Pb濃度的增加先升后降，當金屬濃度升高至2.0 mmol·L-1時，酶活性降低。而與單種相比，混種秋楓的合果芋根系、地上部干生物量和根系酶活性提高并有更高的重金屬積累量，表現出良好的適應性和重金屬吸收能力，這與王婧等[15]的研究結果一致，合果芋有較強的污泥適應性和耐重金屬能力，其生物量和重金屬耐性指數均隨污泥施用量比例的增加而增加，并在純污泥條件下達到最大值。有趣的是，與單種相比，鵝掌柴與秋楓混種促進了鵝掌柴根系生長，但地上部生長卻受到抑制。雖然與秋楓混種后鵝掌柴根系抗逆性較單種有所提高，但在重金屬脅迫下植物葉片光合作用受到抑制[27]，也會影響植物生物量的積累。此外，植物生長受抑制的原因除了過多重金屬累積產生毒害作用外，混種過程中植物爭奪N、P、K和有機質等養分物質，也會導致競爭能力較弱植物的生物量降低[28]。在競爭中處于劣勢的植物是否受混種植物釋放有毒化感物質的影響也值得關注[29]。

3.2 污泥施用條件下園林植物單種和混種的重金屬累積變化

混種植物有更復雜的根際理化性質，影響植物對重金屬的吸收積累。本研究結果表明，混種對植物重金屬的吸收積累產生正效應?；旆N山菅蘭、混種鵝掌柴均顯著提高了秋楓重金屬Cd和Zn的積累，混種秋楓顯著提高了合果芋地上部對重金屬Cd、Cu和Zn的積累；這與Bian等[30]研究伴礦景天Sedum plumbizincicola和毛竹Phyllostachys pubescens混種對重金屬積累的結果相似。值得注意的是，混種對植物重金屬的吸收積累也可能產生負效應。與合果芋混種的秋楓地上部重金屬Cu的積累量顯著減少，這與梁開明等[31]研究結果相似，水稻Oryza sativa與再力花Thalia dealbata混種后，水稻對重金屬Cd的積累減少。根系生長在植物水分、養分和重金屬吸收中發揮重要作用[32]，總根長、總表面積、總體積和比根長等根系指標與植物獲取土壤資源的能力呈正相關[33]。祁世華等[34]研究發現，在與本地植物佩蘭Eupatorium heterophyllum混種后，入侵植物紫莖澤蘭Eupatorium adenophorum通過維持細根長度、表面積和體積，并增大比根長、降低根的組織密度以獲取更多的土壤資源?；旆N鵝掌柴的秋楓和混種秋楓的合果芋有更優良的根系性狀，表現為更大的總根長、總表面積、根體積和比根長以及更低的根組織密度，這可能是這些植物重金屬累積量較高的重要原因。

3.3 園林植物單種和混種與土壤重金屬形態變化

重金屬Tessier分級的5種形態中，植物可以直接吸收利用水溶態+交換態重金屬；碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態和有機結合態重金屬在一定條件下可以轉化為水溶態+交換態重金屬，進而被植物體吸收；而殘渣態最為穩定，難以被植物利用[35-36]。本研究的土壤重金屬分級結果表明，種植園林植物降低了土壤水溶態+交換態重金屬Cd、Cu、Zn和Ni的比例，一定程度上降低了土壤重金屬的污染風險。與各自單種相比，2種園林植物混種后土壤鐵錳氧化態重金屬Cd、Zn和Ni的比例降低，殘渣態Cd、Cu和Ni的比例增加。結合混種山菅蘭、混種鵝掌柴增加了秋楓重金屬Cd、Zn的積累，混種秋楓提高了合果芋重金屬Cd、Cu、Zn和Ni的積累，本研究推測，混種植物根系活化了重金屬，進而提高重金屬吸收能力。Li等[37]研究發現，超富集植物臺灣南芥Arabis alpina和蠶豆Vicia faba混種根系分泌有機酸含量增加，從而促進了臺灣南芥對重金屬Cd和Pb的積累。此外，根系也會分泌黏膠狀物質與一部分重金屬離子結合，降低了重金屬在土壤中的移動性和生物可利用性。如Marastoni等[38]研究表明，2個不同燕麥品種Avena sativacv.Fronteira 和 cv. Perona通過分泌酚類物質和有機螯合分子絡合重金屬離子，減少了植物對重金屬Cu的吸收，并緩解其對植物的毒害作用。土壤重金屬形態的改變與土壤根際環境中的pH、氧化還原電位、有機質含量和微生物群落結構有關[39-40]。本研究在不同園林植物混種對土壤重金屬形態的影響以及與這些環境因子存在怎樣的關系方面有待更加深入的分析。

3.4 結論

在污泥施用條件下，與秋楓單種相比，混種合果芋顯著降低了秋楓干生物量、根系SOD活性和根系活力；與鵝掌柴混種則顯著提高了秋楓根系總根長、總表面積、根體積、比根長以及根系POD和CAT活性；與秋楓混種的合果芋干生物量、根體積以及根系CAT活性顯著高于合果芋單種?；旆N山菅蘭、混種鵝掌柴均顯著增加了秋楓重金屬Cd、Zn的積累量，混種秋楓顯著提高了合果芋重金屬Cd、Cu和Zn的積累量。秋楓和合果芋混種顯著降低了土壤水溶態+交換態和鐵錳氧化態重金屬Cd的比例，并增加了土壤殘渣態重金屬Cd、Cu和Ni的比例，一定程度上降低了土壤重金屬的污染風險。當前盆栽試驗中，混種改變了土壤重金屬形態和植物根系形態，這是其提高重金屬吸收積累的重要原因，園林樹木與地被植物混種對污泥的適應性和重金屬修復能力需要更長的時間及場地試驗來檢驗。上述結果對選用合適的園林植物并構建合適種植模式以修復城市土壤重金屬污染具有借鑒意義。