董曉全 ，王雨瀅，何利梅，曾曙才，吳道銘

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣東 廣州 510642)

我國城市污水污泥量急劇增加，嚴(yán)重威脅城市生態(tài)環(huán)境安全，如何合理處置污泥引起廣泛關(guān)注[1]。傳統(tǒng)污泥處置方式(如填埋、倒海和焚燒)受場地限制、浪費(fèi)資源、污染環(huán)境且花費(fèi)大量的處置費(fèi)用，已經(jīng)無法滿足生態(tài)文明建設(shè)要求[2]。相比之下，污泥資源化土地利用尤其是污泥林地或園林利用被認(rèn)為是污泥合理處置的重要方式[3]。污泥富含有機(jī)質(zhì)、N 和P 等營養(yǎng)成分，合理施用后可明顯提高土壤肥力并促進(jìn)植物生長[4]。然而，污泥成分非常復(fù)雜，并含有重金屬等有害物質(zhì)[5]。因此，污泥的安全土地利用及其對植物生長的影響值得關(guān)注。當(dāng)前大部分的研究主要關(guān)注污泥施用對植物地上部生長及重金屬吸收的影響，較少關(guān)注污泥施用對植物根系的影響[6-7]。

根系直接生長在土壤中，對土壤環(huán)境變化反應(yīng)較地上部敏感[8]。土壤環(huán)境變化直接影響根系的形態(tài)構(gòu)型[9-11]。研究表明重金屬脅迫下，植物根系粗根比例增加，細(xì)根比例降低，根比表面積減少[12]。污泥施用一定程度上改變土壤環(huán)境，并且提高土壤重金屬含量[13]。然而，污泥施用引起的土壤環(huán)境變化對植物根系生長產(chǎn)生的影響效果并不是很清楚。

污泥林地或園林施用具有多種方式[14]，表施與混施最為常見。相比之下，污泥表施減少了污泥成分對根系的直接接觸，而污泥混施更容易接觸植物根系并對土壤理化性質(zhì)影響更明顯。鵝掌藤Scheffleraarboricola是常見的淺根型常綠園林植物，被廣泛運(yùn)用于我國華南地區(qū)園林建設(shè)中。在前期試驗(yàn)中，我們分別分析了混施0%、1 0%、3 0%、5 0%、75%和100%(w)污泥對鵝掌藤生長影響，發(fā)現(xiàn)混施10%對其地上部生長有一定促進(jìn)作用，而混施≥30%的污泥對其地上部有一定抑制作用。然而，污泥施用對鵝掌藤根系生長有何影響并不清楚。分析污泥施用對鵝掌藤根系生長的影響，對其他淺根型的灌草園林植物均有一定啟發(fā)作用。通過原位根箱試驗(yàn)，本文對比分析表施和混施10%(w)污泥對鵝掌藤根系生長的影響，并結(jié)合土壤pH 和電導(dǎo)率動態(tài)變化和根系重金屬吸收變化，探討污泥施用影響根系生長的原因，以期加深對污泥施用影響植物根系生長的理解，并為污泥在園林的安全利用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤為赤紅壤，取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樹木園，風(fēng)干、過1 cm 篩備用。試驗(yàn)污泥為90 d 自然堆肥處理污泥，由廣州市新塘市政污水處理廠提供，風(fēng)干過1 cm 篩備用。試驗(yàn)植物鵝掌藤，購自廣州芳村苗木批發(fā)市場(扦插苗，苗高約20 cm)。試驗(yàn)原位觀察根箱由活動式支撐架、可拆解玻璃根箱和遮光保溫膜組成[15]。根箱高、寬和厚分別為0.6 m ×0.3 m × 0.1 m。土壤及堆肥污泥的基本性質(zhì)見表1。

表1 土壤及堆肥污泥的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of soil and composted sludge

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)設(shè)置不施污泥(No SS)、表施污泥(Surface SS)和混施污泥(Mixed SS)3 個處理。對于不施污泥和表施污泥處理，將赤紅壤裝入根箱，并澆透水，讓土壤自然下陷填實(shí)根箱，裝土深度為50 cm。將鵝掌藤幼苗移栽至根箱(每個根箱種植1 棵幼苗)。每個根箱為獨(dú)立重復(fù)，每處理3 個重復(fù)。覆蓋遮光保溫膜。按土壤質(zhì)量的10%在土壤表面施用污泥堆肥，記為表施污泥處理。對于混施污泥處理，先按土壤質(zhì)量的10%加入污泥堆肥并與土壤充分混勻，按上面方法裝入根箱，移栽鵝掌藤。各處理均每3天澆1 次水，根據(jù)天氣情況每次澆水量為300～500 mL，各處理澆水量一致，確保植物正常生長。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 根系生長動態(tài)分析 于種植后60、120 和240 d，打開遮光保溫膜，利用大畫幅便攜掃描儀(Avision SN900ST，森鳥電子科技有限公司，中國)采集根箱正面根系生長圖像，然后借助根系分析軟件WinRHIZO(WinRHIZO Pro 2017，Regent Instruments Canada Inc.，加拿大)分污泥層和0～20、20～40 cm 土壤層分析根系根長、根表面積及根體積[16]。日均增長量(R)計算公式：R=(Xb-Xa)/(b-a)，其中，a和b分別為第a和b天，Xa和Xb分別為第a和第b天的某根系指標(biāo)平均值。

1.3.2 土壤pH 和電導(dǎo)率原位動態(tài)測定 于種植后60、120 和240 d，于根箱背面固定位置(分別位于土層10 和30 cm 處)，利用插土式pH 計和電導(dǎo)率計，原位、動態(tài)測定土壤pH 和電導(dǎo)率(σ)。

1.3.3 根系形態(tài)、干質(zhì)量及相關(guān)指標(biāo)測定 于種植后240 d，打開根箱，按污泥層和0～20 、20～40 cm 土壤層收集植物根系。根系分別用自來水和去離子水洗干凈后，用紙巾吸干水分，通過掃描和借助根系分析軟件WinRHIZO 分析不同層次的實(shí)際根長和根表面積。然后將根系放置鼓風(fēng)烘箱，105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒質(zhì)量，用天平稱干質(zhì)量，并計算以下指標(biāo)：比根長(cm·g-1)=總根長/根干質(zhì)量；根組織密度(g·cm-3)=根干質(zhì)量/根體積；根密度(cm·cm-3)=總根長/土壤體積，污泥層、0～20cm、20～40 cm 層的土壤體積分別為3 000、6 000、6 000 cm3。

1.3.4 植物重金屬含量測定 植物樣品烘干稱質(zhì)量后，分離地上與地下部分，粉碎，并過60 目篩備用。稱取樣品0.5 g 于微波消解罐中，加入5 mL 硝酸，按照120 ℃～160 ℃～180 ℃的微波消解程序及操作步驟消解試樣[17]。消解液冷卻后，定容至25 mL。消解液利用原子吸收火焰光度計測定Cd、Cu、Zn 和Ni 含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用多元統(tǒng)計分析軟件SPSS 24.0(International Business Machines Corp，美國)進(jìn)行單因素方差分析和多重比較，采用Duncan’s 法對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。利用Graphpad prism7.0 (GraphPad Software，美國)進(jìn)行根長與土壤pH、電導(dǎo)率(σ)以及根系重金屬含量的線性回歸擬合，然后用R 軟件(ggplot2 繪圖包)與Origin 軟件進(jìn)行作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，平均值為3 個獨(dú)立根箱獲取數(shù)據(jù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 總根長動態(tài)變化

表施污泥處理0～20 cm 土層總根長顯著高于不施污泥處理，種植后60、120 和240 d 時表施污泥處理0～20 cm 土層總根長分別是不施污泥處理的3.72、2.06 和1.44 倍；混施污泥處理各土層總根長低于不施污泥處理，特別是種植后120 d 的20～40 cm 土層和240 d 各土層混施污泥處理總根長顯著低于不施污泥處理，分別是同一時間同一土層不施污泥處理的64.09%、67.25%和54.69%(圖1A)。鵝掌藤總根長動態(tài)變化結(jié)果顯示，在0～20 cm土層，與60 d相比，120 d 時的不同處理根長都顯著增加，而與120 d 相比，240 d 時只有0～20 cm 土層不施污泥處理的總根長顯著增加。隨時間變化，不同處理的總根長日均增長量呈現(xiàn)下降趨勢。120 d 時不同處理根長日均增長量為1.18～4.08 cm·d-1，而240 d 時降為0.05～1.29 cm·d-1。變化最明顯的是0～20 cm 土層混施污泥處理，60、120 和240 d 時根長日均增長量分別是3.15、1.18 和0.05 cm·d-1，呈下降趨勢；并且120 和240 d 時混施污泥處理根長日均增長量均低于同一時間不施和表施污泥處理。

圖1 原位掃描鵝掌藤總根長、根表面積和根體積變化Fig.1 Changes of total root length,root surface area and root volume in Schefflera arboricola by in-situ scanning

2.2 根表面積動態(tài)變化

與不施污泥處理相比，表施污泥處理各土層根表面積增加，尤其是60 和120 d 時0～20 cm 土層根表面積顯著高于不施污泥處理，分別是不施污泥處理的2.10 和2.02 倍；混施污泥處理120 d 時20～40 cm 土層和240 d 時混施污泥處理各土層根表面積顯著低于不施污泥處理，分別是不施污泥處理的62.65%、58.48% 和44.91%(圖1B)。鵝掌藤根表面積動態(tài)變化顯示，不同處理各土層根表面積均增加，在0～20 cm 土層，與60 d 時相比，120 d 時表施污泥處理根表面積顯著增加，與120 d 時相比，240 d 時不施污泥處理根表面積顯著增加。隨時間變化，日均增長量呈現(xiàn)下降趨勢，120 d 時不同處理20～40 cm 土層的根表面積日均增長量為0.10～0.17 cm2·d-1，而240 d 時降為0.01～0.06 cm2·d-1。變化最明顯的是混施污泥處理0～20 cm 土層，60、120 和240 d 時的日均增長量分別為0.14、0.02 和0.00 cm2·d-1，并且120 和240 d 時均低于同一時間不施和表施污泥處理。

2.3 根體積動態(tài)變化

與不施污泥相比，表施污泥和混施污泥處理各土層根體積增加，特別是120 d 時，表施污泥處理0～20 cm 土層根體積顯著高于不施污泥處理，240 d時，表施和混施污泥處理0～20 cm 土層以及混施污泥處理20～40 cm 土層根體積顯著高于不施污泥處理，分別是相應(yīng)不施污泥處理的3.61、2.35、2.23 和1.40 倍(圖1C)。在0～20 cm 土層，與60 d 時相比，120 d 時表施污泥與混施污泥處理總根體積顯著增加，與120 d 時相比，240 d 時只有混施污泥處理總根體積顯著增加，而表施污泥處理總根體積顯著降低。隨時間變化，不施污泥與混施污泥處理0～20和20～40 cm 土層不同時間根體積日均增長量在0～0.01 cm3·d-1。表施污泥處理0～20 cm 土層根體積日均增長量120 d 時達(dá)到0.02 cm3·d-1，而240 d 時降至0 cm3·d-1以下，表施污泥處理20～40 cm 土層日均增長量120 和240 d 時均在0 cm3·d-1以上。

2.4 根系干質(zhì)量及相關(guān)指標(biāo)

種植240 d 后，分土層將鵝掌藤的根系全部挖出，清洗、掃描分析和烘干稱質(zhì)量后，獲得最終的鵝掌藤根系干質(zhì)量及相關(guān)指標(biāo)(表2)。與不施污泥相比，混施污泥各土層總根長、根體積、根密度均顯著下降，混施處理的0～20 和20～40 cm 土層根干質(zhì)量分別為不施污泥的69.16%和57.95%，總根長分別為不施污泥的66.37%和51.51%；與不施污泥相比，表施污泥處理0～20 cm土層的總根長、根體積和根密度均顯著上升，表施污泥處理0～20 和20～40 cm 土層根干質(zhì)量分別為不施污泥的130.38%和135.76%，總根長分別為不施污泥的115.43%和98.66%。最大的總根長、根體積和根密度均出現(xiàn)在表施污泥的0～20 cm土層，最大根干質(zhì)量和根組織密度出現(xiàn)在表施污泥的污泥層。

表2 收獲后根系干質(zhì)量及相關(guān)指標(biāo)1)Table 2 Root dry weight and other indexes after harvest

2.5 原位測定土壤pH 和電導(dǎo)率動態(tài)變化

隨著鵝掌藤種植時間延長，不同處理土壤pH 均呈現(xiàn)上升趨勢(圖2)。種植120 d 前，混施污泥處理的土壤pH 均顯著高于其他處理。表施污泥10 cm 土層處的pH 在種植120 d 時顯著高于不施污泥處理，在種植240 d 時與混施污泥差異不顯著(各土層土壤pH 為7.5～8.1，呈弱堿性)，2 種施污泥處理的土壤pH 均顯著高于不施污泥處理(各土層pH 為6.3～6.6，呈弱酸性)。

圖2 原位測定土壤pH 和電導(dǎo)率(σ)變化Fig.2 Changes of soil pH and electrical conductivity (σ) by in-situ measurement

與不施污泥處理相比，表施和混施污泥土壤電導(dǎo)率升高，特別是混施污泥處理，不同時間土壤電導(dǎo)率均顯著高于表施和不施污泥處理；混施污泥10 cm 處土壤電導(dǎo)率為1.22～2.17 mS·cm-1，30 cm 處為2.62～2.89 mS·cm-1，是同時間不施污泥處理的14.11～43.67 倍。隨時間延長，混施污泥10 cm 處土壤電導(dǎo)率逐漸下降，而30 cm 處土壤電導(dǎo)率逐漸上升；兩者在60 d 后差異顯著。

2.6 原位測定土壤pH 和電導(dǎo)率與原位掃描根長的線性回歸分析

分土層原位分析土壤pH 和電導(dǎo)率變化與鵝掌藤根長的相關(guān)性，結(jié)果顯示，在0～20 cm 土層，不施污泥和表施污泥的土壤pH 與根長呈極顯著正相關(guān)，決定系數(shù)(R2)分別為0.710 5 和0.696 1(圖3)。在20～40 cm 土層，不同處理的土壤pH 和根長相關(guān)性不顯著。不同處理的不同土層土壤的電導(dǎo)率與鵝掌藤根長相關(guān)性也不顯著(圖4)。

圖3 原位測定土壤pH 和原位掃描總根長線性回歸擬合Fig.3 Linearization regression analysis between in-situ measured soil pH and in-situ scanned total root length

圖4 原位測定土壤電導(dǎo)率和原位掃描總根長線性回歸擬合Fig.4 Linearization regression analysis between in-situ measured soil electrical conductivity value and in-situ scanned total root length

2.7 植株根系重金屬含量

表施和混施污泥處理的各土層根系Cd、Zn、Cu 和Ni 含量較不施污泥有所增加，特別是混施污泥處理，混施污泥處理各土層根系Cd、Zn、Cu 和Ni 含量顯著高于不施和表施污泥處理；0～20 cm 土層中混施污泥處理根系Cd、Zn、Cu 和Ni 含量分別為不施污泥的11.70、4.02、3.04 和5.35 倍，20～40 cm土層根系Cd、Zn、Cu 和Ni 含量分別為不施污泥的6.63、3.57、2.32 和6.64 倍(表3)。表施污泥處理的污泥層根系Zn、Cu 和Ni 含量顯著高于0～20 和20～40 cm 土層，特別是Ni 含量，分別是0～20 和20～40 cm 土層的6.56 和6.38 倍。

表3 鵝掌藤根系重金屬含量1)Table 3 Heavy metal contents in root of Schefflera arboricola

2.8 根系重金屬含量與根長的回歸分析

通過擬合回歸分析了收獲時鵝掌藤根系重金屬含量和整個土層總根長的關(guān)系，結(jié)果顯示，鵝掌藤總根長與根系Cd、Zn、Cu、Ni 含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)(圖5)，且其相關(guān)性線性回歸擬合效果均較好，尤其是與Zn、Cu、Ni 的線性擬合效果更好，R2均大于0.8。

圖5 根系重金屬含量和總根長線性回歸擬合Fig.5 Linearization regression analysis between root heavy metal contents and total root length

3 討論與結(jié)論

3.1 污泥施用方式對鵝掌藤根系生長的影響

污泥土地利用可以改善土壤肥力[18]，促進(jìn)植物生長[19]，但不合理施用污泥將抑制植物生長并導(dǎo)致土壤污染[20-21]。污泥的安全土地利用引起了廣泛關(guān)注。以往的研究主要關(guān)注污泥施用對植物地上部的影響，普遍認(rèn)為污泥施用量低于30%(w)均有利于植物生長[22]。本文分析了污泥表施和混施對鵝掌藤根系生長的影響，研究發(fā)現(xiàn)與不施污泥相比，混施10%(w) 污泥顯著抑制鵝掌藤根系生長，表施10%(w) 污泥對鵝掌藤不同深度根系作用效果不同。與不施污泥相比，混施污泥處理各土層的根長和根表面積顯著降低(0～20 cm土層120 d 除外)，日均增長量逐漸減少；與不施污泥相比，表施污泥處理0～20 cm 土層的根長、根表面積(240 d 除外)和根體積顯著增長，而20～40 cm 土層變化不明顯。種植240 d 后，最大的總根長、根體積和根密度均出現(xiàn)在表施污泥的0～20 cm 土層，最大根干質(zhì)量和根組織密度出現(xiàn)在表施污泥的污泥層；與不施污泥相比，混施污泥各土層總根長、根體積、根密度均顯著下降。根系是植物物質(zhì)吸收和運(yùn)輸?shù)闹匾鞴?，也是植物直接接觸土壤并對土壤環(huán)境變化作出最早響應(yīng)的器官[23]。植物根系形態(tài)隨外界條件發(fā)生變化，該變化直接影響植物對環(huán)境脅迫的適應(yīng)性能[20,24]。污泥混施過程中污泥所含物質(zhì)可以直接釋放到土壤中，直接改變了土壤理化性質(zhì)[25]，并且根系也可以直接接觸到污泥。不同的是，在污泥表施處理中，主要是污泥中可溶性物質(zhì)隨著土壤水遷移到各層土壤中，且由于土壤自身的過濾作用，隨著土壤層次加深，污泥的影響也逐漸減弱[26]。另外，在土壤中生長的根系也較少直接接觸到施用在土壤表面的污泥。因此，我們推測在混施處理中，污泥中有害物質(zhì)可以長期直接作用于根系并抑制其生長；而表施處理中，根系不但避免直接接觸污泥有害物質(zhì)，還獲取由污泥釋放的養(yǎng)分，進(jìn)而生長加快。

3.2 污泥施用方式對土壤pH、電導(dǎo)率及鵝掌藤根系重金屬含量的影響

前人研究發(fā)現(xiàn)高濃度的鹽和重金屬顯著抑制植物根生長，導(dǎo)致植物根長、根表面積、根體積等顯著降低；適當(dāng)濃度的鹽和重金屬則促進(jìn)根生長[27-29]。陳方圓等[29]發(fā)現(xiàn)隨著土壤鹽濃度的增加，植物的地上與地下部生長受到抑制，當(dāng)土壤鹽濃度達(dá)到50 mmol·L-1時能夠顯著抑制植物的生長。He 等[27]發(fā)現(xiàn)0.1 μmol·L-1的Cd 能夠促進(jìn)植物根系生長，當(dāng)濃度達(dá)到5 μmol·L-1時顯著抑制根系的生長。土壤pH 影響元素的有效性，進(jìn)而影響植物的生長[30]。當(dāng)土壤呈酸性時，土壤Cd 的活性受植物根際效應(yīng)影響顯著，Cd 以富里酸結(jié)合態(tài)存在于根際；而土壤呈中性和堿性時，Cd 主要被土壤中三水鋁礦吸附和形成碳酸鹽沉淀[31]。另外，土壤電導(dǎo)率主要表征土壤溶液中可溶性鹽濃度，當(dāng)土壤電導(dǎo)率高于2 mS·cm-1時，大部分植物的根系細(xì)胞內(nèi)外離子平衡和水肥吸收受到不利影響[32]。污泥是一種堿性有機(jī)物料，并含有一定量的重金屬和豐富的可溶性鹽分；施用污泥影響土壤pH，提高土壤重金屬含量，增加土壤可溶性鹽分并提高土壤電導(dǎo)率[33]。本文進(jìn)一步分析不同土壤層pH 和電導(dǎo)率的時間動態(tài)變化以及根系重金屬含量，并擬合這些指標(biāo)與根長的相關(guān)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管污泥施用提高了土壤電導(dǎo)率，但與其他植物不同，土壤電導(dǎo)率時間動態(tài)變化與鵝掌藤根長時間動態(tài)變化的相關(guān)性不顯著。這可能與鵝掌藤細(xì)胞汁液中Na+、K+和Ca2+濃度相對較高，對土壤鹽分和水分變化不敏感有關(guān)[34]。有趣的是，鵝掌藤根長均與根系Cd、Zn、Cu 和Ni 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，且在0～20 cm土層，不施污泥和表施污泥的土壤pH 與根長呈極顯著正相關(guān)。混施污泥顯著增加各土層鵝掌藤根系Cd、Zn、Cu 和Ni 含量。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)這些重金屬含量超過一定閾值時，將造成細(xì)胞膜損壞及膜質(zhì)氧化[35-36]，進(jìn)而抑制植物根系生長。不同的是，鵝掌藤在表施污泥處理中吸收的重金屬較少，尚未達(dá)到毒害濃度，故沒有抑制根系生長。相反，表施污泥一定程度上提高了0～20 cm土層pH，并帶來一定量有效養(yǎng)分，進(jìn)而促進(jìn)根系生長。盡管污泥混施也提高了土壤pH 和土壤養(yǎng)分，但由于重金屬的抑制作用更突出，故表現(xiàn)出抑制根系生長。此外，不同污泥施用方式可能對根系代謝、微生物組成和功能等微生態(tài)環(huán)境的影響也不同，這些根際微生物環(huán)境變化是否也影響根系的生長有待進(jìn)一步的研究。另外，隨著種植時間延長，不施污泥處理的土壤pH 也一定程度升高，這是否與鵝掌藤根系吸收致酸離子H+和Al3+有關(guān)，仍需深入研究。

3.3 結(jié)論

不同污泥施用方式對鵝掌藤根系生長影響不同?；焓┪勰嘁欢ǔ潭纫种聘瞪L；在處理240 d，各土層總根長、根體積、根密度均顯著低于不施污泥處理。表施污泥促進(jìn)0～20 cm 土層根系生長，根干質(zhì)量、總根長、根體積、根組織密度和根密度均一定程度提高。混施污泥顯著提高土壤pH、電導(dǎo)率和根系重金屬含量，表施污泥一定程度提高土壤pH 和電導(dǎo)率。在0～20 cm 土層表施污泥的土壤pH與根長呈極顯著正相關(guān)。鵝掌藤根長均與根系Cd、Zn、Cu、Ni 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。表施10%(w)污泥提高0～20 cm 土層土壤pH，并有效促進(jìn)了鵝掌藤根系生長；混施10%(w)污泥導(dǎo)致鵝掌藤根系重金屬含量增加，進(jìn)而抑制根系生長。