城市污泥和污泥堆肥在草坪的利用研究進展

于芳芳，常智慧，韓烈保

（北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所，北京100083）

污泥（sludge）是由污水處理過程中得到的固體有機物質(zhì)，并且可以特別作為肥料通常與其他物質(zhì)配合使用［1］。針對絕大多數(shù)污水污泥具有重新利用價值的這一特點，世界水環(huán)境組織（the Water Environment Federation，WEF）將sludge更名為生物有機固體（biosolids），并進一步將生物有機固體定義為“一種能夠有效利用的富含有機質(zhì)的城市污泥產(chǎn)生物”［2］。隨著城市的發(fā)展，新的污水處理廠不斷建立，將產(chǎn)生大量的污泥。為了保護環(huán)境、利用資源，污泥的處置與利用是一個應(yīng)該引起廣泛重視的問題［3］。污泥在作為植物養(yǎng)分、土壤有機質(zhì)和堿性穩(wěn)定材料，石灰劑的來源方面十分有價值［4］。

資源化利用是污泥發(fā)展的主要方向。對污泥的重利用不僅將污泥直接加入土壤中，還在污泥中加入化肥、動物糞便、秸稈等做成堆肥后使用。國內(nèi)外許多學(xué)者都對污泥的重利用情況進行過大量的研究，包括在糧食作物，蔬菜，經(jīng)濟作物上的農(nóng)業(yè)方面和園林綠地方面的土地利用［5－9］。這對迅速恢復(fù)植被、促進土壤熟化和提高作物產(chǎn)量有巨大作用［10，11］。

開展污泥在草坪上的應(yīng)用，不僅可以促進草坪草的生長，避免施用過多的化肥到土壤，而且不存在食物鏈污染的危險［5］。污泥和污泥堆肥在草坪上的使用，不僅在家庭草坪、公園、公共場所的綠地、體育場、高爾夫球場及足球場，現(xiàn)在也用于草坪基質(zhì)生產(chǎn)［12－15］。污泥及污泥堆肥在草坪上施用大有發(fā)展空間。對污泥及污泥堆肥土地利用的研究在國外已經(jīng)有70多年的歷史，在京津滬等地也有30年左右的歷史［16］，現(xiàn)在國內(nèi)外關(guān)于污泥及污泥堆肥用于草坪的研究報道也很多，筆者對國內(nèi)外污泥在草坪上施用的優(yōu)點和不足，污泥施用對草坪草的生長和質(zhì)量，對土壤、地下水和環(huán)境的影響等方面研究進行總結(jié)。

1 污泥對草坪草生長和質(zhì)量的影響研究

草坪的基本功能是優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，供人們休息娛樂、觀賞運動等。使草坪草健康生長并具有優(yōu)良的質(zhì)量是草坪管理的最終目標，所以污泥及污泥堆肥的施用，基本要求是對草坪草生長有益而無害，國內(nèi)外的研究多集中在這方面，從出苗到成坪后的生長各方面都進行了研究和報道。

1.1 出苗

施用污泥主要影響草坪草的出苗，城市污泥中含有很多對種子發(fā)芽具有抑制和毒害作用的物質(zhì)，對植物幼苗的生長有嚴重抑制作用［17］，一般開始發(fā)芽率較小，后來發(fā)芽率與對照組相近。不同草種間對污泥的敏感性不同，故使用新鮮污泥時，需要控制用量［18，19］。對于苗高影響不大［19］。

葉靜等［18］使用不同比例的污泥和土壤混合基質(zhì)種植高羊茅（Festucaarundinacea）的2個品種和匍匐翦股穎（Agrostisstolonifera）、草地早熟禾（Poapratensis）、馬蹄金（Dichondramicrantha），發(fā)現(xiàn)隨著基質(zhì)中污泥用量的增加，出苗數(shù)逐漸下降，當(dāng)基質(zhì)中污泥用量達到80%以上，出苗較遲，出苗數(shù)明顯減少，苗細弱易倒伏，根系入土難。由此看出，生產(chǎn)應(yīng)用中要控制污泥用量。

1.2 生長

1.2.1 地上生長和品質(zhì) 污泥及污泥堆肥的施用使草坪草獲得了良好的生物效應(yīng)［20］，草坪草的葉綠素增加［17］。隨著施用量的增加，草坪的地上生物量增加。從而加速了草坪的成坪速度，提高了草坪的蓋度和密度［21］，使草坪的質(zhì)地得到顯著的提高。

趙曉莉等［22］通過室內(nèi)盆缽試驗研究了施用城市污泥對多年生黑麥草（Loliumperenne）生長發(fā)育的影響，主要得出以下結(jié)論：隨著污泥施用量的增加，黑麥草的葉綠素a、葉綠素b含量呈現(xiàn)波動變化，在25～30g／kg達到極大值；黑麥草中硝酸還原酶、可溶性糖、可溶性蛋白和抗壞血酸的含量呈先急劇增加然后逐漸減少的趨勢；SOD、MDA、粗纖維和硝酸鹽含量呈先隨污泥含量增大而降低，然后又升高的趨勢。表明施加適量的污泥促進黑麥草的生長，有利于黑麥草品質(zhì)的提高；而施加過量的污泥抑制黑麥草的生長并不利于品質(zhì)的提高。

1989和1990年，在復(fù)墾礦土（dellslow）和未擾動土（pentress）施用污泥，施用量為27.6t／hm2。污泥處理與對照相比，植物生物量增加1.5～2.8倍，二乙基三胺五乙酸（DTPA）浸提Cu、Pb、Zn在土壤上層15cm未發(fā)現(xiàn)顯著差別，組織分析顯示有更多的原蛋白，處理與對照相比，草體Cu、Pb、Zn濃度無差異。此研究結(jié)果使西弗吉尼亞的污泥土地利用指南得到修改，1988－1990年污泥土地利用量倍增，從4 150t增至8 520t［23］。

楊玉榮等［24］利用污泥堆肥作基質(zhì)，使草坪草獲得了良好的生物效應(yīng)，5%～10%堆肥施用范圍內(nèi)，隨著施用量的增加，草坪草的地上生物量和葉片葉綠素含量也增加；草坪的外觀顏色明顯優(yōu)于對照處理，從草坪草生長狀況來看，10%污泥堆肥比例為最佳，這時草坪草的各個生理指標均達到最佳水平。

2003年在上海浦東東外灘的600m2高羊茅草坪上以1.5kg／m2的用量施900kg城市污泥，2周后發(fā)現(xiàn)原已明顯枯黃的高羊茅返綠，冬季草坪可以抗黃化，返青期提早［25］。

1.2.2 地下生物量 污泥施用于土壤中，與植物的根密切接觸，所以對于根的影響最直接也應(yīng)該受到重視。

周志宇等［26］研究污泥對無芒雀麥（Bromusinermis）生育的影響時發(fā)現(xiàn)，連續(xù)3年總根量都增加，1996年總根量比對照高35%～106%。這與李艷霞等［14］在研究黑麥草時所得結(jié)果相類似。

1.3 抗逆性

對于城市污泥的再利用，無論在農(nóng)業(yè)上還是園林綠地，大多數(shù)學(xué)者還是著眼于其中所含有的豐富的有機質(zhì)，全氮和全磷等這些植物生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，但是近幾年來，有學(xué)者開始研究污泥改善草坪草的抗性方面的影響。迄今為止，已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)適量污泥加入草坪基質(zhì)中可以增加草坪抵抗環(huán)境脅迫的能力，例如干旱，寒冷，酷熱、病害等。

利用生物測定方法，Pignalosa等［27］在1994年發(fā)現(xiàn)污泥提取物中的腐殖質(zhì)有類似植物激素的作用。2005年Zhang等［28］運用改良的 Yopp等［29］的“標準燕麥鞘片段反應(yīng)生長”生物測試法［“Avena（oat）Coleoptile Segment Straight Growth Bioassay”］成功地測出了不同來源生物污泥中腐殖酸中吲哚乙酸（indole－3－acetic acid，IAA）含量從0.5到2.4μg／g不等。隨即他們研究了含2.1μg／g IAA污泥的未處理的污泥和含15.4μg／g色氨酸處理的污泥加入到高羊茅土壤中在干旱脅迫復(fù)水循環(huán)下和正常水分下的生理反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)處理過的污泥在水分充足和水分脅迫下都推遲了葉萎蔫，改善了高羊茅草坪質(zhì)量和根生物量，數(shù)據(jù)顯示生物污泥的使用改變了生物激素——IAA和色氨酸的含量，并提高了植物的抗旱性［30］。污泥中的腐殖酸物質(zhì)和IAA可能誘導(dǎo)根部產(chǎn)生IAA或抑制根部吸收IAA，最終處理組葉片的低IAA含量推遲了氣孔關(guān)閉，減輕了干旱脅迫對植物的氧化傷害，2010年王艷等［31］的研究也證實信號分子可以通過調(diào)控抗氧化系統(tǒng)來提高抗性。而2008年又有研究發(fā)現(xiàn)草地早熟禾施用污泥與化肥經(jīng)粉碎混合后造粒風(fēng)干制成的粒狀復(fù)混肥后，其草坪的細胞膜透性減少，抗寒性增加，分析原因是一方面污泥的施入對氮素營養(yǎng)起到了緩釋作用，養(yǎng)分供應(yīng)穩(wěn)定而持久，抗性增加，另一方面，污泥中含有一些生理活性物質(zhì)，隨著污泥用量的增加，其作用逐漸加強，因此抗性增加［32］。

Nelson和Craft［33］1992年發(fā)現(xiàn)，在匍匐翦股穎與一年生早熟禾混播的高爾夫球場上施用堆肥，對于幣斑病的防治可達到與傳統(tǒng)殺菌劑一樣的效果。

關(guān)于污泥可以提高草坪草抗性方面的研究剛剛起步，結(jié)合草坪草對于不良環(huán)境脅迫下的生理響應(yīng)方面的研究結(jié)果，如干旱及旱后復(fù)水的生理響應(yīng)研究［34，35］，污泥提高草坪抗性的機理還有待深層次的研究。

2 污泥對草坪土壤的影響的研究

污泥對草坪土壤的影響研究是多方面進行的，包括對土壤微生物、土壤養(yǎng)分含量、土壤重金屬、土壤物理性質(zhì)。

2.1 土壤理化性狀

污泥可以改良土壤理化性狀。長久以來，草坪基質(zhì)的養(yǎng)分來源，主要依靠化肥和有機肥。污泥的施用增加了土壤養(yǎng)分含量，土壤中的速效養(yǎng)分（如N、P）含量增加［36－42］，特別是土壤的有機質(zhì)含量［20］，污泥堆肥還具有緩釋肥效果［43］。城市污泥作為有機肥施用的有些改土效果是化肥所無法達到的，不同學(xué)者的研究基本上支持這一觀點［8］。

李艷霞等［14］研究污泥堆肥用于黑麥草草坪基質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，污泥堆肥在用量為14和70t／hm2的2種處理下，速效氮含量分別比空白對照土壤提高61.3%和133%，比化肥處理提高23.9%，78.6%，且差異顯著；同時這2個處理的速效磷含量同樣比空白對照土壤提高59.7%，592.3%。這與周志宇等［26］用污泥施用在無芒雀麥人工草地上連續(xù)3年的研究結(jié)果相符合。陳濤等［44］在結(jié)縷草（Zoysiajaponica）草地上以45t／hm2的用量施用污泥，土壤中的有機質(zhì)，速效N，總N，總P分別比對照增加了16%，78%，61%和140%。

污泥的施用也改良了土壤的物理性質(zhì)［47］。污泥或污泥堆肥加入到草坪土壤中，污泥堆肥因本身密度小能增加土壤的孔隙度而顯著減少土壤容重［45，46］，這在草皮生產(chǎn)中有著潛在優(yōu)勢，因為地毯式草皮的出現(xiàn)，促使研究者致力于尋找可以代替部分或全部土壤的輕質(zhì)栽培基質(zhì)［48－50］，將污泥用于草皮生產(chǎn)，可以減少因為隨草皮一并帶走的土壤的損失［51］?？稍黾油寥揽偟目紫度莘e，并改善孔隙大小的分布。減少土壤地面沖刷，減少因徑流引起的植物養(yǎng)分損失?？稍黾油寥赖某炙芰亩岣咄寥浪趾?，還可增加土壤的透水性及防止土壤板結(jié)［38，52－54］?？筛牧纪寥澜Y(jié)構(gòu)，使土壤疏松，給土壤水分和空氣以快速進出的通道。

Epstein等［55］研究了不同污泥堆肥施用量對土壤物理性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)不管是干燥時期還是非干燥時期，污泥堆肥處理過的土壤含水量均高于對照處理，并且隨污泥堆肥施用量的增加，土壤的水分含量和持水量明顯增加。姜應(yīng)和與周莉菊［20］的研究還表明，粘重的土壤施入污泥堆肥后，有利于團粒結(jié)構(gòu)的形成及提高團粒的水穩(wěn)性。

在上海浦東東外灘的試驗同樣驗證了污泥可以改良土壤理化性狀，降低土壤pH值；而且增加了土壤中有機質(zhì)、全氮和全磷含量，促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，使土壤質(zhì)量有質(zhì)的提高［25］。

2.2 土壤微生物

污泥可增加土壤根際微生物的群落，從而增加其生物活性，有利于養(yǎng)分的釋放。有不少研究認為，施用污泥堆肥可控制根的腐爛及抑制一些病原菌［8］。

2005年邵海林等［17］以不同用量腐殖化處理后，污泥處理中細菌、真菌和放線菌都比對照有所增加，且隨施用量的增加，土壤微生物數(shù)量比對照的增加幅度增大，細菌平均增加41.29%，真菌平均增加64.98%，放線菌平均增加41.29%。分析原因可能是腐殖化處理后形成大量腐殖酸，抵抗微生物分解的能力增強。

2.3 土壤重金屬

污泥土地利用，其質(zhì)量和施用量是能否引起土壤重金屬污染的重要因素，污泥在養(yǎng)分含量較高，重金屬元素符合國家標準的情況下，對土壤環(huán)境不會造成重金屬污染［56］。

傅華等［46］在施用污泥對黑麥草草坪綠地土壤理化性質(zhì)和重金屬元素含量的影響中，污泥施用量在4.0～8.0 kg／m2時，連續(xù)2年觀測，發(fā)現(xiàn)0～20cm土層Fe、Cu、Zn的含量有所增加，而重金屬Ni、Cr和Hg與對照無顯著差異，各重金屬元素均未向土壤下層遷移，未對土壤造成污染，此結(jié)果也與周志宇等［56］、傅華等［57］在無芒雀麥草地和苜蓿（Medicagosativa）草地所得的結(jié)果一致。

Skousen和Clinger［23］在西弗吉尼亞的污泥土地利用項目研究中，以2塊酸性礦土、1塊中性未擾動土為對象，來評價污泥施用量對草地生物量、營養(yǎng)狀況以及土壤和植物中的重金屬積累的影響。1986年3月，在Westover的一塊礦區(qū)復(fù)墾土地上施用污泥，干污泥施用量為0，15，31，64t／hm2，每年監(jiān)測一直到1989年。這些施用量是用來作對照的同一地點的中性牧草土地上的3～12倍，隨污泥施用量增加，礦土DTPA浸提Cu、Zn和重金屬濃度也隨污泥施用量的增加而增加。

高定等［58］向土壤中分別施用10%和20%的污泥堆肥，結(jié)果表明，施加污泥堆肥的草坪基質(zhì)中有效態(tài)Cu、Zn、Pb、Cd含量分別為常規(guī)方法（膨化雞糞＋二銨）處理的0.70～1.81、2.80～6.45、0.94～1.51和0.98～1.15倍。與常規(guī)處理相比，除Zn含量顯著增加外，其他元素的含量差別不顯著，證明向草坪基質(zhì)中施加適量的污泥堆肥對草坪基質(zhì)的重金屬含量無顯著影響。

目前我國污泥堆肥農(nóng)用標準已有《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》（GB4284－84），但是標準的許多方面只有簡單的定性描述而缺乏詳細的規(guī)定［59，60］，近幾年國家補充發(fā)布了污泥土地利用標準，從農(nóng)用、園林綠化、土地改良3個方面分別規(guī)定了污泥泥質(zhì)標準，明確指出了不同用途的污泥使用的不同污染物限值，但其對污泥的粒度、孔隙率等性狀未作規(guī)定，重金屬指標和有機污染物指標明顯不足，仍需加大研究。

2.4 土壤病原體

污泥中病原菌、大腸桿菌和蟲卵等病原體直接關(guān)系到污泥利用是否無害化，雖然《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》GB18918－2002對污泥好氧堆肥的糞大腸菌值和蛔蟲卵死亡率有所限制，但對其他可能導(dǎo)致人體危害的病原體卻沒有限制，起不到控制污染的作用。

3 污泥對地下水的影響的研究

污泥中鹽分、重金屬、N、P的流失對地下水存在潛在的威脅，鹽分隨施用量增加而增大，但施用量小于45 t／hm2時硝酸鹽淋失量不會對地下水造成污染，目前，國內(nèi)外對這方面的研究相對缺乏。

張增強和薛澄澤［61］在天津市溫室中研究了污泥堆肥對幾種草坪草生長響應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污泥堆肥施用量小于9kg／m2時，不會造成地下水中NO3－N濃度超標和因地面徑流而污染下游水域。陳濤等［62］在污泥草地利用的初步研究中得出：在污泥符合農(nóng)用標準條件下，以Cd為施污泥肥量的限制因子，在污泥有機肥45t／hm2（干重）以下時，地下水 N、P含量低于地面水Ⅰ、Ⅱ類標準（NO3－N 10mg／kg，P 0.1mg／kg）。

4 草坪草對污泥的凈化研究

草坪對污泥中的有毒有害物質(zhì)有一定的吸收凈化功能，能減少污染物對土壤、地下水的負面效應(yīng)。在城市污泥上種植植物，通過植物的生長及蒸騰作用，對城市污泥的干燥和穩(wěn)定具有一定的效果。污泥中的大腸菌群數(shù)與其含水率一般呈正相關(guān)，種草污泥的大腸桿菌數(shù)也明顯降低。

丘錦榮等［63］測定了海雀稗（Paspalumvaginatum）、普通狗牙根（Cynodondactylon）、雜交狗牙根（Cynodon dactylon×Cynodontransadlensis）、地毯草（Axonopusaffonis）、溝葉結(jié)縷草（Zoysiamatrellia）和鈍葉草（Stenotaphrumsecundatum）這6種暖季型草坪草對污泥的處理效果。與空白污泥對比，種草后，污泥的含水量和體積都有所下降，這與Liu等［64］的研究結(jié)果一致，種植雜交狗牙根的污泥的含水率和體積降低得最多，分別降低了12.2%和35.0%，其次是地毯草，研究發(fā)現(xiàn)種植地毯草的污泥的大腸菌群數(shù)降低得最明顯。

王新等［12］在研究污泥土地利用對草坪草及土壤的影響時發(fā)現(xiàn)，污泥在低施入量時，結(jié)縷草對Cd、Zn及早熟禾（Poaannua）對Pb、Cu具有良好的植物吸收富集能力，隨著污泥施用量的增加結(jié)縷草對Pb吸收富集能力逐漸增加。污泥中含有一定的金屬元素，可以根據(jù)草對重金屬的吸收特性選用不用的草種，對污泥進行凈化。

5 小結(jié)

經(jīng)過無害化處理后的污泥在草坪利用具有能耗低、可回收污泥中養(yǎng)分、避開人類食物鏈、有利于草坪生長等優(yōu)點，而且，將污泥用于草坪上，不僅擴大了污泥的處置范圍，而且對于污泥的凈化也有好處，這方面的研究近幾年也取得了很多新的進展，比如污泥對提高草坪草抗性方面，進一步肯定了污泥在草坪上的利用。但對于一些病原菌、重金屬污染及其他可能的污染問題仍存在爭議，研究尚未得出確切結(jié)論，還有一些已知結(jié)論的機理，比如污泥提高草坪草抗旱性機理也尚未徹底明了，污泥的草地利用研究應(yīng)該繼續(xù)深入，以便為污泥草地利用提供確實的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

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