污泥堆肥對針茅和車前草生長的影響

郭　浩，彭昌盛，寇長江，張秀喜，趙晗，譚小霞.京科高新（北京）環(huán)境科學研究所，北京0 .中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東青島6600 3.中持（北京）水務運營有限公司，北京009

污泥堆肥對針茅和車前草生長的影響

郭浩1，彭昌盛2，寇長江3*，張秀喜1，趙晗1，譚小霞1
1.京科高新（北京）環(huán)境科學研究所，北京101111 2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東青島266100 3.中持（北京）水務運營有限公司，北京100192

針對城市污水廠污泥堆肥利用問題，選取了北方常見的2種多年生草本植物——針茅（Stipa capillata Linn.）和車前草（Plantago asiatica Linn.），利用盆栽試驗研究了在污泥堆肥混合比例（污泥堆肥與壤質(zhì)黏土質(zhì)量比）分別為0%、5%、10%、15%和20%時，土壤中植物的長勢和對營養(yǎng)元素的利用率。結(jié)果表明，隨著污泥堆肥混合比例的增加，土壤的有機質(zhì)、凱氏氮、總磷濃度和電導率升高，pH呈略微降低趨勢。不同植物所需的最佳污泥堆肥混合比例不同，當混合比例為15%時，針茅的干重最大；混合比例為10%時，車前草的干重最大。SPSS方差分析表明，5%的混合比例對針茅單株干重增長量的影響最為顯著，而20%的混合比例對針茅生長有明顯的抑制作用；10%的混合比例對車前草單株干重增長量的影響最為顯著。植物吸收營養(yǎng)元素的量僅占土壤減少量的小部分，針茅和車前草對污泥堆肥中營養(yǎng)元素的利用率隨著污泥堆肥混合比例的增加而減少?；旌媳壤秊?0%時，針茅對氮和磷的利用率分別為1.76%～6.15%和0.93%～2.57%；車前草對氮和磷的利用率分別為2.52%～9.13%和3.57%～8.98%。

污泥堆肥；混合比例；針茅；車前草；干重；營養(yǎng)元素

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污泥是污水凈化處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，是由多種微生物形成的菌膠團與其吸附的有機物和無機物組成的集合體［1-2］。隨著污水處理率的提高和處理程度的深化，目前我國城市污水處理廠年排放污泥量（干重）約130萬t，且年增長率＞10%。數(shù)量如此巨大的污泥如得不到妥善處置將對環(huán)境造成嚴重的二次污染。堆肥化是在微生物作用下通過高溫發(fā)酵使污泥中的有機物變成腐熟肥料的過程，是污泥資源化利用的有效途徑［3-4］。污泥堆肥含有大量植物所需的營養(yǎng)成分和微量元素，肥效高于一般化肥，可作為有機肥利用［5］。但是，過度施用污泥堆肥存在重金屬污染等問題［6-7］，使用時需要與土壤進行配比混合，應根據(jù)不同施用對象長勢和對營養(yǎng)元素的利用率，研究其與土壤的最佳混合比例，提高污泥堆肥利用效果。近年來，污泥堆肥應用主要集中在草坪草的生長方面，對刈割草的生長影響研究較少［8-11］。針茅（Stipa capillata Linn.）與車前草（Plantago asiatica Linn.）同屬多年生草本植物，廣泛分布于氣候寒冷空氣干燥的北方地區(qū)，針茅是上等的造紙原料，車前草可入藥。通過盆栽試驗考察了不同污泥堆肥混合比例土壤對以上2種植物的生長影響，以期為污泥堆肥的有效利用及相關(guān)研究提供參考。

1　材料和方法

1.1材料

污泥堆肥取自北京市大興區(qū)某城市污水處理剩余污泥堆肥廠，堆肥廠采用高溫好氧污泥堆肥工藝，并在原條垛式好氧堆肥基礎(chǔ)上進行了改進，主要包括污泥微觀混合預調(diào)理、靜態(tài)條堆、柔和通風、氧溫在線監(jiān)測及通風抽風的智能化控制，該工藝具有作業(yè)靈活簡單、發(fā)酵周期短、脫水快、能耗低、臭氣源頭控制等特點［12］。發(fā)酵溫度控制在50～70℃，堆肥時間控制在10～14 d，含水率降至約50%。對污泥堆肥采樣并進行檢測分析，得到其理化性質(zhì)及營養(yǎng)鹽指標結(jié)果：pH為7.56～7.63，含水率為49.84%～55.78%，總有機質(zhì)濃度為（365.8± 12.5）g/kg，銨態(tài)氮濃度為（7.121±0.98）g/kg，有機氮濃度為（15.015±1.121）g/kg，硝態(tài)氮濃度為（0.216±0.098）g/kg，總磷濃度為（7.00±1.12）g/kg。試驗所用針茅和車前草草種購于中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所。

1.2方法

污泥堆肥施用于林地土壤后，當施用量適當時，能較好地促進植物的生長，單株干重增大。不同植物對污泥堆肥的需要量不同，一般會存在最佳的施用范圍。考察了不同污泥堆肥比例土壤對針茅和車前草干重和植物營養(yǎng)元素吸收量的影響。

壤質(zhì)黏土采自北京郊區(qū)某天然林地，在5 m×5 m的空曠區(qū)域內(nèi)隨機選擇10個點位進行采樣，深度為表層以下20～30 cm，每個點位采樣量1 000 g。將土壤樣品干燥、粉碎待用。將污泥堆肥與風干后的壤質(zhì)黏土過10目篩后混合，污泥堆肥混合比例（即污泥堆肥與壤質(zhì)黏土的質(zhì)量比）為0%（空白對照）、5%、10%、15%和20%。土壤理化性質(zhì)及營養(yǎng)鹽指標測定方法參照相關(guān)標準和技術(shù)規(guī)范：pH采用電位法測定［13］；電導率采用電導法測定［14］；有機質(zhì)濃度采用重鉻酸鉀氧化法測定［15］；有機氮濃度采用總氮與無機氮差值法測定［16］；銨態(tài)氮濃度采用蒸餾法測定［17］；總磷濃度采用堿熔-鉬銻抗分光光度法測定［18］。

試驗在南海子溫室參觀棚開展，采用直徑14 cm，高12 cm的花盆于溫室培養(yǎng)針茅和車前草，溫室內(nèi)控制溫度25℃，相對濕度70%。每種植物每個施肥梯度種植2盆，共20盆。待完全出苗后，去除部分幼苗，保證剩余幼苗有足夠的生長空間。分別在第60、100、135和185天將地上部分剪取上部10 cm待測，剪取方法如圖1所示。將收割的植物樣品用清水洗凈晾干，用吸水性好的紙張吸去植物樣品中殘留的水分后，置于天平上，所稱得的質(zhì)量即為植物樣品的單株干重。

圖1　針茅和車前草樣品剪取方法Fig.1Stipa capillata Linn.and Plantago asiatica Linn.cutting method

測定全氮和全磷濃度的樣品采集方法為單株地上部分取樣。把植物鮮樣沖洗晾干稱重，于烘箱中105℃下烘0.5 h，再于60℃烘至植物樣品恒重為止。將烘干的植物樣品用粉碎機粉碎，備用。樣品前處理是為了避免植物發(fā)霉，并減少因植株體內(nèi)酶的催化作用而造成的有機質(zhì)損失。全氮濃度采用H2SO4-H2O2消煮法測定［19］；全磷濃度采用堿熔-鉬銻抗比色法測定［19］。

分別考察污泥堆肥混合比例對土壤指標的影響，及污泥堆肥對植物干重的影響和污泥堆肥對植物營養(yǎng)元素濃度的影響。利用SPSS 17.0軟件對所得數(shù)據(jù)進行方差分析及顯著性檢驗。

2　結(jié)果與分析

2.1不同污泥堆肥混合比例下的土壤指標

測定了不同污泥堆肥混合比例下土壤的理化性質(zhì)及營養(yǎng)鹽指標，結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著污泥堆肥混合比例的增加，土壤的有機質(zhì)、凱氏氮、總磷濃度和電導率升高，由于污泥堆肥的pH略低于土壤，土壤的pH隨著混合比例的升高而呈略微降低趨勢。

表1　各混合比例土壤理化性質(zhì)及營養(yǎng)鹽指標Table 1Soil physicochemical properties and nutrients in different blending ratio

圖2　施用不同混合比例污泥堆肥的針茅在各時段的單株干重Fig.2Stipa capillata Linn.dry weight with different sludge composting blending ratios in each periods of time

2.2污泥堆肥對植物干重的影響

2.2.1污泥堆肥對針茅干重的影響分析

污泥堆肥可以促進植物的生長，為植物提供養(yǎng)分，應用不同污泥堆肥混合比例的土壤培養(yǎng)針茅，植物地上部分單株干重如圖2所示。

由圖2可知，混合污泥堆肥土壤中的針茅干重均高于空白對照組。第60天，混合比例為10%的針茅干重最大，其他3個混合比例的針茅干重相近。第100天，混合比例為15%的針茅干重增長量最大，為1.85 g，較空白對照組的0.53 g提高了249.06%。整個試驗過程中混合比例為15%的針茅干重最大，且第60～100天長勢較為明顯。草本植物生長過程中需要較多的營養(yǎng)元素，污泥堆肥中營養(yǎng)元素的濃度高?；旌媳壤秊?0%，已達到針茅所需要的營養(yǎng)元素量?；旌媳壤^高，針茅的生長變緩。

對相鄰各污泥堆肥混合比例導致的單株干重增長量進行方差齊性檢驗，sig.=0.439＞0.05，滿足條件；P=0.000＜0.05，說明污泥堆肥混合比例對針茅單株干重的影響顯著。經(jīng)S-N-K多重比較，將污泥堆肥混合比例分為3個子集：第一子集包含20%；第二子集包含5%，10%和15%；第三子集包含0%。說明5%的混合比例對針茅單株干重增長量的影響最為顯著，對生長起到很好的促進作用，而20%的混合比例對針茅生長有明顯的抑制作用。

2.2.2污泥堆肥對車前草干重的影響分析

車前草的長勢較快，對養(yǎng)分的需要量較大，不同混合比例土壤上的車前草干重如圖3所示。

圖3　不同污泥堆肥混合比例下車前草在各時段的單株干重Fig.3Plantago asiatica Linn.dry weight with different sludge composting blending ratios in each periods of time

由圖3可以看出，混合污泥堆肥的車前草干重高于空白對照組。污泥堆肥顯著促進車前草的生長?；旌媳壤∮?0%時，車前草的干重隨著混合比例的增加而增加；混合比例為10%～20%時，車前草的干重隨著混合比例的增加而降低。在整個試驗過程中，混合比例為10%的土壤上生長的車前草干重最大?；旌媳壤秊?%，10%，15%和20%的土壤中的車前草干重分別是空白對照組的1.91，2.14，1.76和1.92倍。0～60 d混合污泥堆肥與空白對照組土壤中的車前草干重差值相對較小。60 d后，混合土壤中車前草干重與空白對照組的差值變大，說明混合污泥堆肥能夠明顯促進植物的生長。其中，混合比例為10%時，100～135 d車前草長勢較為明顯；混合比例為15%時，60～100 d車前草長的長勢較為明顯。在一定的混合比例范圍內(nèi)，混合污泥堆肥能夠顯著促進植物的生長，最佳施用比例為10%。

對相鄰各污泥堆肥混合比例導致的單株干重增長量進行方差齊性檢驗，sig.=0.667＞0.05，滿足條件；P=0.000＜0.05，說明污泥堆肥混合比例不同對車前草單株干重的影響顯著。經(jīng)過S-N-K多重比較，結(jié)果將污泥堆肥混合比例分為2個子集：第一子集包含10%和20%；第二子集包含0%和5%。說明5%和10%混合比例下差異最大，10%的混合比例對車前草單株干重增長量的影響最為顯著。

2.3污泥堆肥對植物營養(yǎng)元素吸收量的影響

2.3.1污泥堆肥對針茅氮磷吸收量的影響

不同污泥堆肥混合比例下種植的針茅對營養(yǎng)元素的吸收量不同，其對氮、磷的吸收量如圖4所示，種植針茅前后土壤中氮、磷濃度如表2所示。

圖4　不同混合比例污泥堆肥下針茅各時段體內(nèi)氮、磷吸收量變化Fig.4Nitrogen and Phosphorus absorbtion in Stipa capillata Linn.with different sludge composting blending ratios in each periods of time

表2　種植針茅后各混合比例污泥堆肥土壤的理化性質(zhì)Table 2Soil physicochemical properties with different sludge composting blending ratio after growing Stipa capillata Linn.

由圖4（a）可知，第60天和第100天，針茅的氮吸收量基本上隨污泥堆肥混合比例的提高而升高，第135天植物體內(nèi)的氮吸收量在混合比例為5%和10%時幾乎相等，在混合比例為15%和20%時近似相等，前者的氮吸收量大于后者。第185天時，污泥堆肥土壤與空白對照組土壤中針茅的氮吸收量相近，沒有顯著的差異。污泥堆肥中營養(yǎng)元素濃度高，混合比例越高營養(yǎng)元素量越高，在植物生長的0～100 d，營養(yǎng)元素充足，植物最大限度的吸收營養(yǎng)元素。由于植物對營養(yǎng)元素的吸收以及土壤中營養(yǎng)元素的流失，到185 d時，不同混合比例土壤中可利用的營養(yǎng)元素濃度幾乎相等，空白對照和混合堆肥土壤中可利用的氮元素量相當。

由圖4（b）可知，在試驗的各時段，混合污泥堆肥土壤中的針茅磷吸收量比空白對照組土壤高。第100天時，針茅磷吸收量隨混合比例升高而升高，其他3個階段植物體內(nèi)的磷吸收量與混合比例沒有顯著的相關(guān)關(guān)系?？梢姡勰喽逊孰m然可以增加針茅體內(nèi)的磷吸收量，但影響效果不明顯，尤其當污泥堆肥混合比例＞10%時，針茅體內(nèi)的磷吸收量沒有顯著差異。

從表2可知，種植針茅后，混合土壤比不混合土壤中的養(yǎng)分濃度高，但是與種植針茅前土壤中的養(yǎng)分濃度相比，混合比例越高，營養(yǎng)元素的減少量就越多?；旌媳壤秊?%、10%、15%和20%土壤上生長的針茅對污泥堆肥中氮的利用率分別為6.15%、3.11%、2.62%和1.76%；對磷的利用率分別為2.57%、2.3%、1.5%和0.93%。

2.3.2污泥堆肥對車前草的氮、磷吸收量的影響

為研究車前草對土壤中養(yǎng)分的吸收情況，測定了不同污泥堆肥混合比例下車前草的氮、磷吸收量，結(jié)果如圖5所示。為研究車前草對營養(yǎng)元素的吸收量與土壤減少量之間的關(guān)系，測定了種植車前草前后土壤中總氮和總磷濃度，結(jié)果如表3所示。

圖5　不同混合比例污泥堆肥下車前草各時段體內(nèi)氮、磷吸收量變化Fig.5Nitrogen and Phosphorus absorbtion in Plantago asiatica Linn.with different sludge composting blending ratios in each periods of time

由圖5（a）可知，混合污泥堆肥土壤中車前草的氮吸收量高于不混合土壤，混合污泥堆肥能夠促進車前草對氮的吸收。車前草體內(nèi)的氮吸收量與混合比例無關(guān)。生長初期，車前草體內(nèi)的氮吸收量最高，之后植物體內(nèi)的氮吸收量明顯下降。整個試驗階段不同混合比例土壤中氮的吸收量關(guān)系為10%＞20%＞5%＞15%＞0%。

由圖5（b）可知，試驗的前3個時段，混合污泥堆肥土壤中車前草的磷吸收量高于不混合土壤，混合污泥堆肥促進了植物對磷的吸收。第60天時，混合比例為20%的土壤上生長的車前草磷吸收量最高，第100天時，混合比例為15%的土壤上生長的車前草磷吸收量最高，各時間不同污泥堆肥混合比例對車前草磷吸收量的影響無明顯規(guī)律。第185天時，施加混合比例為15%和20%污泥堆肥的車前草體內(nèi)磷吸收量較不施肥反而更低，由于試驗只截取了地上10 cm的車前草植株樣本，因此過高的污泥堆肥在相對較長的生長周期磷營養(yǎng)從植株上部到根部的流失可能更快。通過和針茅體內(nèi)磷吸收量對比，可見污泥堆肥對植物體內(nèi)磷吸收量的影響無顯著規(guī)律。

由表3可知，種植車前草后，各混合比例土壤中的總氮和總磷濃度仍高于空白對照組土壤，混合比例越高，土壤中的總氮和總磷濃度越高，但不呈線性關(guān)系，說明污泥堆肥肥效緩慢的釋放，且不同混合比例的釋放速率不同，種植車前草前后，混合比例為5%、10%、15%和20%的土壤中總氮減少量的比例分別為83.40%、87.67%、87.44%和87.20%。在溫室的環(huán)境中，濕度和溫度較高，有利于有機氮的礦化作用和硝化作用，頻繁的澆水容易將離子態(tài)的無機氮淋失。車前草吸收的氮元素質(zhì)量占土壤中總氮減少量的比例依次為9.13%、5.09%、2.83%和2.52%，車前草吸收的總氮量只占土壤減少量的小部分。

種植車前草前后，混合比例為5%、10%、15%和20%的土壤中總磷減少比例分別為18.33%、33.42%、24.32%和20.35%。整個試驗階段不同污泥堆肥混合比例下車前草吸收的總磷量表現(xiàn)關(guān)系為10%＞20%＞15%＞5%＞0%?；旌衔勰喽逊释寥郎仙L的車前草吸收的總磷量占土壤總磷的減少比例分別為8.98%、3.88%、3.64%和3.57%，植物吸收的磷只占土壤減少的磷的小部分，大部分會流失掉，混合比例越高，流失的磷的量越大。

表3　種植車前草后各混合比例污泥堆肥土壤的理化性質(zhì)Table 3Soil physicochemical properties with different sludge composting blending ratio after growing Plantago asiatica Linn.

3　討論與結(jié)論

3.1討論

研究表明，將城市污泥進行堆肥處理，可以生成大量的容易被植物和土壤微生物吸收利用的營養(yǎng)物，如腐殖質(zhì)、有效態(tài)氮、磷、鉀化合物等，進而改善土壤的肥力［20-21］。同時，施加污泥堆肥對土壤pH具有調(diào)節(jié)作用［22］，土壤堆肥過程會產(chǎn)生大量的有機酸，造成土壤pH的降低。因此，對于堿性土壤，施用污泥堆肥往往會獲得更好的效果。

當污泥堆肥混合比例為10%時，車前草的干重最大。這是因為生長初期，高的混合比例導致土壤電導率急劇升高，對車前草產(chǎn)生非生物脅迫［23］，抑制了生長。同樣，低混合比例滿足不了車前草的營養(yǎng)需求，高混合比例土壤中營養(yǎng)元素濃度高于低混合比例，可以提供車前草生長的氮磷等營養(yǎng)。到試驗后期高混合比例的車前草長勢較好。據(jù)此，建議對車前草分批施用生物碳土，既規(guī)避了鹽度威脅，也可以滿足車前草生長所需的營養(yǎng)?；旌媳壤秊?5%時，針茅的干重最大，所得到的試驗結(jié)果也是由于上述原因造成的。

試驗結(jié)果表明，植物吸收的營養(yǎng)元素量占混合污泥堆肥土壤減少量的小部分。這是由于試驗測定針茅和車前草中全磷、全氮的樣本只截取了植物的地上部分10 cm，污泥堆肥的營養(yǎng)首先進入根系，因此大部分的營養(yǎng)元素仍滯留在植物根部，通過植物根部輸配到其他器官［24］。從植物學角度而言，植株上部的營養(yǎng)元素濃度遠低于根部。說明試驗還有尚待優(yōu)化之處，還應深入研究植株根部的營養(yǎng)元素利用情況。

3.2結(jié)論

（1）隨著污泥堆肥混合比例的增加，土壤的有機質(zhì)、凱氏氮、總磷濃度和電導率升高，pH呈略微降低的趨勢。

（2）不同植物所需的最佳污泥堆肥混合比例不同，當混合比例為15%時，針茅的干重最大，而混合比例為10%時，車前草的干重最大；SPSS方差分析表明，5%的混合比例對針茅單株干重增長量的影響最為顯著，而20%的混合比例對針茅生長起到明顯的抑制作用；10%的混合比例對車前草單株干重增長量的影響最為顯著。

（3）植物吸收營養(yǎng)元素的量占土壤減少量的小部分，針茅和車前草對污泥堆肥中營養(yǎng)元素的利用率隨著混合比例的增加而減少。混合比例為10%時，針茅對氮磷的利用率分別為1.76%～6.15%和0.93%～2.57%；車前草對氮磷的利用率分別為2.52%～9.13%和3.57%～8.98%。

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Influence of Sewage Sludge Compost on the Growth of Plant Stipa capillata Linn.and Plantago asiatica Linn.

GUO Hao1，PENG Chang-sheng2，KOU Chang-jiang3，ZHANG Xiu-xi1，ZHAO Han1，TAN Xiao-xia1
1.Beijing Institute of High-Tech Environment Science，Beijing 101111，China 2.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China 3.CSD（Beijing）Environmental Protection Development Co.，Beijing 100192，China

On account of sludge compost utilization issue in municipal sewage plant，two types of common perennial herbs in North China Stipa capillata Linn.and Plantago asiatica Linn.were selected，adopting pot experiments to investigate the relations between plant dry weight and nutrient elements utilization rate under sludge compost blending ratio（sludge compost dry weight to soil dry weight）of 0%，5%，10%，15%and 20%，respectively. The results indicate that the soil organic matter，TKN，TP and EC values show increasing trend，and pH shows a slightly decreasing trend with the increase of sludge compost blending ratio.Different plants have different optimum sludge compost blending conditions，with Stipa capillata Linn.and Plantago asiatica Linn.obtaining maximum dry weight under the blending ratio of 15%and 10%，respectively.The SPSS variance analysis indicates that the increment of Stipa capillata Linn.dry weight is obviously related to 5%sludge compost blending ratio and unfavorable with 20%sludge compost blending ratio，while the increment of Plantago asiatica Linn.dry weight isobviously related to 10%sludge compost blending ratio.The nutrient elements absorbed by plants only account for a small part of nutrient elements decrement in soils.The nutrient elements utilization ratio of Stipa capillata Linn. and Plantago asiatica Linn.decreases with the increase of sludge compost blending ratio.With 10%sludge compost blending ratio，the Stipa capillata Linn.nitrogen utilization ratio is 1.76%-6.15%，and the phosphorus utilization ratio is 0.93%-2.57%；the Plantago asiatica Linn.nitrogen utilization ratio is 2.52%-9.13%，and the phosphorus utilization ratio is 3.57%-8.98%.

sludge compost；blending ratio；Stipa capillata Linn.；Plantago asiatica Linn.；dry weight；nutrient elements

X703

1674-991X（2015）02-0136-07doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.02.020

2014-11-03

郭浩（1984—），男，工程師，主要從事水污染控制工程技術(shù)研究，guohao8432@126.com

寇長江（1984—），男，工程師，主要從事污水深度處理與再生利用研究，kchjiang@163.com