4個(gè)楊樹(shù)品種人工林生活污水處理效應(yīng)分析

白保勛，李中香，陳東海，徐婷婷，張新玲，王廣力，李利源

1. 鄭州市農(nóng)林科學(xué)研究所，河南 鄭州 450005；2. 上蔡縣林業(yè)技術(shù)推廣站，河南 駐馬店 463800；3. 鄭州市城市道路綠化管理處，河南 鄭州 450000；4. 項(xiàng)城市城市園林綠化管理處，河南 周口 466200；5. 鄭州萬(wàn)年春園林工程有限公司，河南 鄭州 450000

楊樹(shù)速生，廣泛栽培于中國(guó)各地，中國(guó)楊樹(shù)人工林栽培面積居世界首位（馮燁等，2019；葛曉敏等，2017；謝濤等，2012）。在楊樹(shù)生長(zhǎng)過(guò)程中，尤其是速生期，楊樹(shù)生長(zhǎng)所需養(yǎng)分和水分較多，在短輪伐、連作的經(jīng)營(yíng)模式下，往往導(dǎo)致土壤地力急劇下降，導(dǎo)致其后續(xù)生產(chǎn)力不足（馮燁等，2019）。生活污水含有多種污染物，包括氮、磷等，是一種具有利用價(jià)值的水資源（于婷等，2019；向衡等，2018；郭新亞等，2019），生活污水中氮、磷為植物生長(zhǎng)提供了有利條件。由于楊樹(shù)根系深，小于1 mm的細(xì)根所占比重大，能夠吸收大量污染物和水分，所以被廣泛應(yīng)用于污水植物修復(fù)（Isebrands et al.，2001）。

生活污水中鹽含量較高，而林木生長(zhǎng)對(duì)鹽的反應(yīng)敏感（Westphal et al.，2001），用污水灌溉林地時(shí)，污水中的鈉離子、氯離子等將危害林木（Alados et al.，2001；萬(wàn)瓊等，2019），生長(zhǎng)指標(biāo)可以指示脅迫情況，枝、葉、根生長(zhǎng)量可以作為直接的生長(zhǎng)參數(shù)（Aronsson，2000）。

在污水土地處理的研究中，對(duì)污水處理的工藝流程和參數(shù)、污染物去除途徑等研究較多（王書(shū)文等，2006；陳永杏等，2011），但是對(duì)污水土地處理植物材料篩選及污水處理效益研究較少。本研究旨在了解生活污水林地生態(tài)處理系統(tǒng)中不同楊樹(shù)品種對(duì)生活污水的響應(yīng)，包括各器官生長(zhǎng)量、主要污染物含量與積累量，不同楊樹(shù)品種人工林污水處理效應(yīng)，選擇適宜的楊樹(shù)品種作為污水處理的植物材料與水力負(fù)荷，為生活污水楊樹(shù)林地處理技術(shù)的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)概況

林地生活污水處理試驗(yàn)在鄭州市南 5.5 km處的龍湖鎮(zhèn)進(jìn)行，地理坐標(biāo) 113°42′36″E，34°36′50″N，海拔136 m，地下水位8.59—9.30 m。暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫14.4 ℃，年平均降水量640.9 mm，無(wú)霜期220 d，土壤類(lèi)型為潮土。

試驗(yàn)用生活污水來(lái)自于龍湖大學(xué)城排污口，生活污水中主要污染物按國(guó)標(biāo)（GB 18918—2002）規(guī)定的方法測(cè)定，生活污水中鉀離子含量用火焰光度法測(cè)定。污水 pH 值為 (7.5±0.2)，污水中 BOD5、COD、TN、TP、TK、Na+與 Cl-含量分別為：(42.7±8.6)、(743±161)、(27.5±5.8)、(2.8±0.5)、(96.13±19.22)、(208±16) 與 (629±49) mg·L-1，其中 COD、TN 和 TP含量超過(guò)了國(guó)標(biāo)規(guī)定的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；污水中Hg、Cd、Pb 的平均含量分別為 0.001、0.003、0.014 mg·L-1，均未超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值（國(guó)家環(huán)?？偩值?，2002）。

在當(dāng)?shù)亍辛?001’楊（Populus euramericanacv.‘Zhonglin2001’）、歐美 107楊（Populus euramericanacv.‘74/76’）、I-72楊(Populus euram ericanacv. San Martino‘I-71/58’）、‘中林46’楊（Populus xeuramericana(Dode) Guiner CL.‘zhonglin-46’）4種楊樹(shù)品種栽培面積較大，長(zhǎng)勢(shì)良好，4年生時(shí)均已基本郁閉，即將進(jìn)入速生期，林木生長(zhǎng)需要大量的水分與養(yǎng)分，故本研究選擇 4年生的‘中林2001’楊、歐美107楊、I-72楊與‘中林46’楊樹(shù)人工林進(jìn)行生活污水處理試驗(yàn)。試驗(yàn)地4種品種楊樹(shù)人工林的密度均為2000 plant·hm-2左右，林相整齊，立地條件相近。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為4個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)有1個(gè)楊樹(shù)品種。在各小區(qū)采取隨機(jī)抽樣的方式布設(shè)樣地，試驗(yàn)樣地規(guī)格為20 m×20 m，樣地采取隨機(jī)抽樣的方式布設(shè)，不同品種各設(shè)一個(gè)對(duì)照（0 cm·week-1），5個(gè)處理（3、6、9、12、15 cm·week-1），對(duì)照與每個(gè)處理均重復(fù)3次。為了消除邊緣效應(yīng)及不同處理樣地之間的相互影響，樣地距林緣隔3行楊樹(shù)，相鄰樣地之間設(shè)置3個(gè)隔離行。

采用利用型慢滲方法進(jìn)行污水處理試驗(yàn)，污水處理系統(tǒng)田間配水工程包括沉淀池、田間壟溝等。在樣地周?chē)蛏?0 cm高的水堰，對(duì)試驗(yàn)林地進(jìn)行平整，壟溝呈南北向，沿壟溝供水。污水土地處理的工藝流程為：原污水→污水提升泵→沉淀池→林地輸配水系統(tǒng)→土地-植物-微生物系統(tǒng)凈化→補(bǔ)給地下水（高拯民等，1991）。生活污水處理進(jìn)行了兩年，每年3月15日開(kāi)始，11月15日結(jié)束。在試驗(yàn)期間，如果降水量超過(guò)10 mm，則根據(jù)降水量與雨后天氣（如大風(fēng)）狀況適當(dāng)推遲污水處理時(shí)間，防止林木出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象。

2 材料與方法

2.1 土樣采集與化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

在各處理樣地按“S”形布點(diǎn)，用土壤取樣器采集表層0—20 cm土層的土樣，充分混合后裝入封口塑封袋，按樣地與樣點(diǎn)號(hào)編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室分析，土壤樣品pH值測(cè)定采用電位法，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法，土壤全氮測(cè)定采用開(kāi)氏定氮法，全磷含量采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法，全鉀與鈉離子含量采用火焰光度法（鮑士旦，2000）。

2.2 林木生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

在污水生態(tài)處理試驗(yàn)開(kāi)始前與結(jié)束后，分別測(cè)定各樣地林木的胸徑與樹(shù)高，各樣地按徑階與樹(shù)高分別選擇 3—5株代表株，測(cè)定枝、干、根的生物量，分層采集枝樣品、干、根樣品。把枝、干、根樣品放在干燥箱中，在 70 ℃烘至恒質(zhì)量，然后測(cè)定其干質(zhì)量，根據(jù)試驗(yàn)開(kāi)始前與結(jié)束后林木各器官總鮮質(zhì)量與樣品干鮮質(zhì)量，計(jì)算代表株各器官的生長(zhǎng)量，根據(jù)代表株各器官平均生長(zhǎng)量乘以單位面積楊樹(shù)株數(shù)，得到每公頃楊樹(shù)各器官生長(zhǎng)量。

2.3 林木養(yǎng)分與鈉含量測(cè)定

污水處理試驗(yàn)結(jié)束后，分別在各樣地采集枝、干、根樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室分析，測(cè)定植物樣品中氮、磷、鉀、鈉、鉀含量。氮含量測(cè)定采用奈氏比色法，磷含量測(cè)定采用釩鉬黃比色法，鉀和鈉含量的測(cè)定采用火焰光度法（鮑士旦，2000）。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用 SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著法（LSD）比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，采用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)不同因子間的相關(guān)關(guān)系。

采用Excel軟件，用生活污水處理后各處理?xiàng)顦?shù)各器官生長(zhǎng)量乘以其對(duì)應(yīng)氮、磷、鉀、鈉含量，得到不同處理?xiàng)顦?shù)各器官氮、磷、鉀、鈉積累量。

3 結(jié)果與分析

3.1 污水處理后土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

各處理土壤pH值在8.34—8.40之間，呈堿性，試驗(yàn)用生活污水的pH值呈中性，對(duì)各處理表層土壤pH值影響不大，對(duì)照與各處理之間土壤pH值之間無(wú)顯著差異。生活污水處理增加了林地土壤養(yǎng)分含量，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量隨著水力負(fù)荷的增加而增加，在9 cm·week-1水力負(fù)荷達(dá)到最大值，全鉀含量在6 cm·week-1水力負(fù)荷達(dá)到最大值后，隨著水力負(fù)荷的增加而減少。污水林地處理樣地，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀含量均高于對(duì)照，在對(duì)照與各處理之間差異顯著，土壤全磷含量在對(duì)照與各處理之間差異不顯著。林地處理生活污水增加了土壤鈉離子含量，隨著水力負(fù)荷的增加，土壤鈉離子含量增加，在12 cm·week-1水力負(fù)荷達(dá)到最大值，在 15 cm·week-1水力負(fù)荷下降，與對(duì)照相比，污水處理顯著增加了土壤鈉離子含量（表1）。

3.2 污水處理后楊樹(shù)生長(zhǎng)量的變化

I-72楊枝、干、根生長(zhǎng)量均隨著水力負(fù)荷的增加而增加，在 9 cm·week-1達(dá)到最大值，然后隨著水力負(fù)荷的增加而降低，污水處理的林地，枝、干、根生長(zhǎng)量均高于對(duì)照；歐美107楊與‘中林2001’楊枝、干、根生長(zhǎng)量隨著水力負(fù)荷的增加而增加，地上部分生長(zhǎng)量在 6 cm·week-1達(dá)到最大值，然后隨著水力負(fù)荷增加而降低，枝、干、根生長(zhǎng)量均高于對(duì)照；‘中林46’楊枝、干、根生長(zhǎng)量隨著水力負(fù)荷的增加而降低，枝、干、根生長(zhǎng)量均低于對(duì)照。方差分析結(jié)果表明，同一楊樹(shù)品種在6個(gè)水力負(fù)荷下枝、干、根生長(zhǎng)量之間差異顯著（表2）。

表1 土壤化學(xué)性質(zhì)Table 1 Soil chemical properties

對(duì)4個(gè)楊樹(shù)品種與水力負(fù)荷下楊樹(shù)生長(zhǎng)量進(jìn)行了方差分析，結(jié)果，不同品種楊樹(shù)人工林生長(zhǎng)量有極顯著差異，不同水力負(fù)荷下楊樹(shù)總生長(zhǎng)量有顯著差異（表3）。

表2 楊樹(shù)枝、干、根與總生長(zhǎng)量Table 2 Branch, trunk, root and total growth of poplar plantations

表3 不同品種與水力負(fù)荷總生長(zhǎng)量方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis results of total growth of different varieties and hydraulic loads

3.3 污水處理后氮、磷、鉀、鈉含量的變化

3.3.1 氮、磷、鉀、鈉含量

I-72楊、歐美107楊、‘中林2001’楊、‘中林46’楊枝、干、根中氮、磷、鈉含量隨著水力負(fù)荷增加而增加，在 6—12 cm·week-1達(dá)到最大值，然后隨著水力負(fù)荷增加而下降，以上3種元素含量均高于對(duì)照。4個(gè)楊樹(shù)品種枝、干、根中鉀含量隨著水力負(fù)荷增加而減少，鉀含量均低于對(duì)照。同一楊樹(shù)品種在不同水力負(fù)荷下氮、磷、鈉含量有顯著差異（表4）。

3.3.2 楊樹(shù)平均氮、磷、鉀、鈉含量差異顯著性

對(duì)不同品種與水力負(fù)荷下楊樹(shù)各器官平均氮、磷、鉀、鈉含量分別進(jìn)行了方差分析，結(jié)果表明，不同品種平均鉀含量差異不顯著，不同水力負(fù)荷下平均鉀含量，不同品種與水力負(fù)荷下平均氮含量、磷含量、鈉含量均具有極顯著差異（表5）。

3.3.3 楊樹(shù)各器官不同元素含量相關(guān)性

本次測(cè)定的楊樹(shù)不同器官中主要元素可分為 2類(lèi)，非金屬元素和金屬元素，不同楊樹(shù)品種對(duì)氮與磷非金屬的吸收量呈極顯著、顯著或不顯著正相關(guān)性，表明楊樹(shù)對(duì)非金屬元素的吸收可以同時(shí)進(jìn)行，相互之間沒(méi)有影響；對(duì)同價(jià)鉀、鈉金屬元素的吸收量呈極顯著、顯著或不顯著負(fù)相關(guān)性，由于生活污水處理增加了土壤中鈉離子濃度，表明同價(jià)金屬離子在通過(guò)根系進(jìn)入楊樹(shù)各器官時(shí)互相排斥，楊樹(shù)對(duì)鈉吸收量增加可能導(dǎo)致楊樹(shù)根系對(duì)鉀離子的吸收量降低（表6）。

3.4 氮、磷、鉀、鈉積累量變化

氮、磷、鉀、鈉積累量大小表明了不同楊樹(shù)品種在不同水力負(fù)荷下對(duì)污水中氮、磷、鉀、鈉的吸收能力。隨著水力負(fù)荷增加，I-72楊、歐美107楊、‘中林2001’楊、‘中林46’楊枝、干、根中單位面積平均氮、磷、鉀、鈉積累量增加，在一定水力負(fù)荷達(dá)到最大值后又隨著水力負(fù)荷增加而降低，但是I-72楊、歐美107楊污水處理后單位面積平均鉀積累量低于對(duì)照；‘中林46’楊污水處理后枝單位面積平均氮、磷、鉀積累量，干與根中單位面積平均磷、鉀積累量低于對(duì)照（表7）。楊樹(shù)各器官氮、磷、鉀、鈉積累量主要受楊樹(shù)生長(zhǎng)量與這些元素含量變化相關(guān)，楊樹(shù)生長(zhǎng)越快，這些元素含量越高，其積累量越高，反之則越低。

方差分析結(jié)果表明，不同水力負(fù)荷下楊樹(shù)磷總積累量差異顯著，不同品種楊樹(shù)磷積累量，不同品種與水力負(fù)荷下氮、鉀、鈉總積累量均具有極顯著差異（表8）。

4 討論

4.1 生活污水處理對(duì)楊樹(shù)生長(zhǎng)的影響

適量的生活污水處理增加了 I-72楊、歐美 107楊、‘中林 2001’楊的生長(zhǎng)量，水力負(fù)荷過(guò)大，其生長(zhǎng)量降低，其中‘中林 2001’楊生長(zhǎng)量增加量最大，其次為歐美107楊與I-72楊，不同品種楊樹(shù)人工林生長(zhǎng)量有極顯著差異，不同水力負(fù)荷下楊樹(shù)總生長(zhǎng)量有顯著差異，表明不同楊樹(shù)對(duì)生活污水的響應(yīng)差異明顯，污水處理增加了這些楊樹(shù)品種生長(zhǎng)量。在較低水力負(fù)荷時(shí)，林木各器官中鈉積累量較低，養(yǎng)分含量增加有利于楊樹(shù)生長(zhǎng)。在較大水力負(fù)荷，土壤中的水分與鹽含量較高，抑制了林木生長(zhǎng)。生活污水處理減少了‘中林46’楊樹(shù)人工林生長(zhǎng)量，‘中林46’楊對(duì)鹽含量敏感度較高（Zalesny et al.，2007），鈉離子在各器官中的大量積累可能抑制了其生長(zhǎng)。

4.2 生活污水對(duì)楊樹(shù)生長(zhǎng)的脅迫作用

楊樹(shù)的生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)鹽的反應(yīng)非常敏感（張川紅等，2002），葉面積影響植物光和作用（Zalesny et al.，2007），隨著生活污水水力負(fù)荷增加土壤中較高的鹽含量抑制了楊樹(shù)生長(zhǎng)。在較高水力負(fù)荷時(shí)，歐美107楊、‘中林2001’、I-72楊生長(zhǎng)量降低，生長(zhǎng)量可以指示污水脅迫。研究表明，不同品種平均鉀含量差異不顯著，不同水力負(fù)荷下楊樹(shù)平均鉀含量、不同品種與水力負(fù)荷下楊樹(shù)平均鈉含量均具有極顯著差異。隨著水力負(fù)荷增加，楊樹(shù)對(duì)鈉的吸收量增加，可能抑制了根系對(duì)鉀的吸收，生活污水對(duì)楊樹(shù)生長(zhǎng)的脅迫可能與林木對(duì)鉀的吸收量減少密切相關(guān)。此外，生活污水水力負(fù)荷過(guò)大，楊樹(shù)根系長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，使根系退化，可能導(dǎo)致根系對(duì)養(yǎng)分和污染物的吸收能力降低，從而使林木生長(zhǎng)受到了抑制。

4.3 不同楊樹(shù)品種對(duì)污水的凈化潛力

生活污水處理使3個(gè)楊樹(shù)品種的生長(zhǎng)量增加，林木各器官中氮、磷、鈉的積累量增加，污水中氮、磷與鈉等污染物被林木吸收，可以吸收凈化大量的氮、磷、鈉污染物。污染物積累量是林木從處理系統(tǒng)中吸收的污染物物含量，植物污染物積累量是反映植物凈化潛力的重要指標(biāo)之一，其大小由生長(zhǎng)量和植物體內(nèi)污染物決定（陳永華等，2008）。雖然生活污水林地生態(tài)處理增加了4個(gè)楊樹(shù)品種氮、磷、鈉的積累量，但是‘中林2001’、I-72楊、歐美107楊各器官中的氮、磷、鈉的積累量明顯高于‘中林46’楊，對(duì)污水的凈化能力更強(qiáng)。

表4 不同器官氮、磷、鉀、鈉含量Table 4 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium content of different organs

續(xù)表4 不同器官氮、磷、鉀、鈉含量Continued table 4 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium content of different organs

表5 不同品種與水力負(fù)荷下平均氮、磷、鉀、鈉含量方差分析結(jié)果Table 5 Variance analysis results of mean N, P, K, Na contents in different varieties and hydraulic loads

表6 不同元素含量的相關(guān)性Table 6 Correlation between different elements

4.4 楊樹(shù)林地生活污水處理效應(yīng)

生活污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有促進(jìn)林木生長(zhǎng)的正效應(yīng)，同時(shí)生活污水中鈉離子、氯離子等對(duì)林木生長(zhǎng)具有負(fù)效應(yīng)，深入研究生活污水楊樹(shù)林地處理的正效應(yīng)與負(fù)效應(yīng)，有助于選擇適宜的楊樹(shù)品種與水力負(fù)荷，保障楊樹(shù)林地處理生活污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行，不斷提高楊樹(shù)林地生活污水處理效率。

5 結(jié)論

（1）適當(dāng)?shù)乃ω?fù)荷促進(jìn)了‘中林2001’楊、I-72楊、歐美107楊的生長(zhǎng)，在較大水力負(fù)荷時(shí)，生活污水中較高的鹽含量對(duì)這些楊樹(shù)品種的生長(zhǎng)產(chǎn)生了脅迫作用，導(dǎo)致其生長(zhǎng)量降低。生活污水處理抑制了‘中林46’楊生長(zhǎng)。

（2）生活污水林地處理增加了楊樹(shù)各器官中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與鈉積累量?！辛?001’楊、I-72楊、歐美107楊各器官中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與鈉積累量明顯高于‘中林46’楊，對(duì)污水的凈化潛力更強(qiáng)。

（3）從林木生長(zhǎng)量、污染物含量與積累量變化規(guī)律判斷，‘中林2001’楊人工林處理生活污水處理效應(yīng)最強(qiáng)，其后依次為歐美107楊、I-72楊，‘中林 46’楊污水處理效應(yīng)最差。因此‘中林 2001’楊最適宜作為生活污水處理的植物材料，其次為歐美107楊、I-72楊，‘中林46’楊不宜作為生活污水處理的植物材料，楊樹(shù)人工林生活污水處理的適宜水力負(fù)荷為6—9 cm·week-1。參考文獻(xiàn)：

表7 不同器官氮、磷、鉀、鈉積累量Table 7 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium amassment of different organs

續(xù)表7 不同器官氮、磷、鉀、鈉積累量Continued table 7 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium amassment of different organs

表8 不同品種與水力負(fù)荷氮、磷、鉀鈉總積累量方差分析結(jié)果Table 8 Variance analysis results of mean N, P, K, Na accumulation in different varieties and hydraulic loads

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