城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品對國槐和銀杏生長及氮磷鉀含量的影響

楊英杰 唐 膠 崔 超 賈清棋 孫 昱 彭祚登 彭玉信

（1. 北京城市排水集團有限責任公司，北京 100044；2. 北京林業(yè)大學林學院，北京 100083；3. 北京市黃垡苗圃，北京 102602）

隨著我國社會經(jīng)濟與城市化發(fā)展步伐的加快，城鎮(zhèn)生活污水的排放量日益增多，污泥作為處理污水的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量也隨之增加[1]。污泥是由固體殘渣、懸浮物質(zhì)以及膠狀物質(zhì)等組合成的巨大集合體，其成分復雜，含水率高，不僅含有植物生長發(fā)育所需的多種養(yǎng)分元素、有機物質(zhì)，還含有多種病原菌、寄生蟲卵、重金屬等有機毒物。在國內(nèi)外的發(fā)展進程中，處置污泥的方式多為填埋、焚燒、投海和土地利用等，經(jīng)過長久的實踐發(fā)現(xiàn)，前3種處置方式均會給社會造成較重的環(huán)境壓力和經(jīng)濟負擔，之后逐漸被禁用，而污泥的土地利用則因其可持續(xù)性、資源節(jié)約性等優(yōu)點，越來越受到社會各界的重視[2]。

當前，有關(guān)污泥的土地利用已經(jīng)受到許多科研人員的廣泛關(guān)注。Haraldsen等[3]學者將污泥與碎石、土壤混合為栽培基質(zhì)，用于黑麥草（Lolium perenne）的種植過程，試驗結(jié)果表明，黑麥草在含有污泥的栽培基質(zhì)中的生長狀況要優(yōu)于純土壤；Maehly等[4]在對高羊茅（Festuca arundinacea）的研究中發(fā)現(xiàn)，污泥的施入能夠提高高羊茅的坪觀質(zhì)量、葉片含水量，同時還能夠在缺水環(huán)境下顯著降低其葉片的萎蔫程度，提高抗旱性；華正偉[5]開展了城市污泥的田間施用試驗，結(jié)果表明，隨著污泥施用量的增加，彰武小鉆楊（Populus × xiaozhuanicacv. 'Zangwu'）的 株 高、胸徑、葉面積以及成活率均有不同程度的提高，其幼苗葉綠素含量也呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢；劉洋[6]將污泥與鐵尾礦砂混合后用于樟子松（Pinus sylvestris）苗木的栽培，結(jié)果顯示，污泥的添加顯著地提高了樟子松苗木的生物量、針葉葉綠素含量以及各器官的氮（N）、磷（P）、鉀（K）元素含量。

厭氧消化工藝是處理污泥的傳統(tǒng)方式，在歐洲已有超過100年的歷史，但此種方式產(chǎn)出的污泥產(chǎn)品普遍存在含水率較高、異味嚴重等問題。隨著世界各國對可再生能源以及經(jīng)濟效益的追求，高級厭氧消化技術(shù)已經(jīng)成為近些年來污泥處理領(lǐng)域的新發(fā)展方向。城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品（文中部分地方以“污泥”簡稱）即是采用高級厭氧消化工藝加工制成，相較直接進行厭氧消化的污泥產(chǎn)品而言，具有含水率大大降低、異味大幅減弱的特點，更適宜進行土地的資源化利用[7]。目前，雖然針對污泥施用效果的研究已有許多報道，但其中對高級厭氧消化工藝制得的污泥產(chǎn)品效果的研究卻鮮少。鑒于此，本試驗以城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品為試驗材料，選取國槐（Sophora japonica）和銀杏（Ginkgo biloba）為試驗對象，開展林地試驗探究城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品在不同施用量下對兩樹種生長狀況和養(yǎng)分元素積累量的影響，以期為其在林業(yè)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于北京市大興區(qū)北臧村鎮(zhèn)綠色港灣平原造林地塊（39°39′4.63″N～39°40′48.60″N，116°13′42.15″E～116°14′27.17″E），屬暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫為11.6 ℃，多年平均降水量為556 mm（1990—2009年），其中7—9月份降水量約占全年總降水量的60%～70%。試驗區(qū)設(shè)于永定河中上游沖積平原，土壤為沙質(zhì)壤土，通透性良好，保肥蓄水能力差[8?10]。國槐、銀杏試驗林地土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗林地土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of forest soil in the test forest

1.2 試驗對象與材料

試驗對象為在造林地塊選取的5年生國槐、銀杏人工林，株行間距均為4 m，林木總體長勢良好，管護措施較為一致。

試驗材料為北京城市排水集團高碑店再生水廠提供的城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品，其主要理化性質(zhì)見表2[11]，其中污泥林用限定值參照CJ/T 362—2011《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 林地用泥質(zhì)》[12]，試驗材料的各項理化指標均符合污泥林用限定值。

表2 試驗材料基本性狀理化指標Table 2 Physical and chemical indicators of basic properties of test materials

1.3 試驗設(shè)計

采用完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計，參照CJ/T 362—2011《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 林地用泥質(zhì)》[12]中的相關(guān)規(guī)定，設(shè)置5個城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品林地施用量梯度，依次為15 kg/株（T1）、30 kg/株（T2）、45 kg/株（T3）、60 kg/株（T4）和75 kg/株（T5），以不施污泥為對照（CK），重復3次。在國槐和銀杏林地中各設(shè)置18個試驗小區(qū)，各試驗小區(qū)面積約為240 m2，并在每個小區(qū)內(nèi)選取10株長勢較為一致的林木作為標準木，兩樹種試驗小區(qū)布設(shè)方式如圖1所示（R1、R2、R3分別表示第1、2、3次重復）。于2017年7月，在待測標準木樹基兩側(cè)約60 cm的位置各挖1個深30 cm、寬30 cm的施肥穴，按照不同的施用量將城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品均勻分配施于兩施肥穴，再用原土覆蓋并立即灌溉，具體施用方式如圖2所示。

圖1 國槐和銀杏林地各試驗小區(qū)布設(shè)圖Fig. 1 The layout of the test plots in the S. japonica and G. biloba forest land

圖2 施用城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品的方法示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the method of applying urban sewage sludge products

1.4 測定指標與方法

于2017年7月份（施用城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品前）對試驗區(qū)內(nèi)林木生長指標進行測定，使用胸徑尺測量林木1.3 m高處的胸徑；使用Trupulse 200激光測距儀測量林木樹高；使用皮尺測量林木東—西、南—北2個方向的冠長，分別記為x、y，并按公式（1）計算冠幅投影面積S。于2018年7月份（施用城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品1年后）對林木生長指標進行第2次測定。

于2018年的5— 7月，在國槐和銀杏的各試驗小區(qū)內(nèi)分別選擇3株樣本樹，隨機采集20 g左右無病蟲害的新鮮葉片，均勻混合后裝入信封中帶回實驗室，采用95%乙醇提取法進行葉綠素a、b含量的測定[13]。林木葉片的全氮（N）、全磷（P）、全鉀（K）含量于2018年9月份進行測定，在各試驗小區(qū)內(nèi)分別選擇3株樣本樹采集新鮮葉片，均勻混合裝入信封帶回實驗室，將葉片表面擦拭干凈后放入鼓風干燥箱中，先于105 ℃下殺青20 min，再于60～70 ℃中干燥48 h至恒質(zhì)量，將烘干后的葉片粉碎并過60目篩，密封保存用于N、P、K含量的測定，其中N含量采用全自動凱氏定氮法進行測定[14]，P含量采用鉬銻抗比色法進行測定[15]，K含量采用火焰分光光度計法進行測定[16]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013和SigmaPlot 12.5軟件進行數(shù)據(jù)分析和制圖，采用SPSS 25.0軟件進行單因素方差分析以及0.05水平下的Duncan多重比較[17?18]。圖表中所有測定值均為平均值±標準誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品對林木生長指標的影響

2.1.1 國槐和銀杏樹高年增長量的變化

如圖3所示，在不同污泥施用量下，國槐的樹高年增長量不存在顯著差異，其樹高增量的變化范圍為0.20～0.35 m，除T2處理的樹高增量略小于CK外，其余均高于CK，其中T4處理樹高增量達到最大值，為0.35 m，是CK的1.77倍。對于銀杏來說，不同處理下其樹高年增長量同樣不存在顯著差異，樹高增量變化范圍為0.12～0.25 m，僅T5處理樹高增量高于CK，較CK上升了13.6個百分點。

圖3 不同處理下國槐和銀杏樹高年增長量的變化Fig. 3 Changes of high annual growth of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.1.2 國槐和銀杏胸徑生長的變化

由圖4可知，不同處理國槐的胸徑年增長量變化范圍為0.57～0.80 cm，施入污泥后，胸徑增量均有不同程度的提升，T1、T3、T4處理均顯著高于CK（P<0.05），其中T3處理胸徑增量達到最高水平，為0.80 cm，較CK增幅為40.35%。與未施污泥對照相比，施入污泥后銀杏的胸徑年增量均有所增加，總體呈現(xiàn)隨污泥施用量的增加而增加的變化趨勢，T5處理胸徑年增長率達到最大值，且與CK差異顯著（P<0.05），為0.64 cm，高出CK 52.38%。

圖4 不同處理下國槐和銀杏胸徑年增長量的變化Fig. 4 The annual increase in diameter at breast height of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.1.3 國槐和銀杏冠幅生長的變化

從圖5中可以看出，施入污泥后國槐冠幅投影面積年增長量均有較為明顯的提升，除T5處理與CK差異不顯著外，T1、T2、T3、T4處理均與CK差異顯著（P<0.05），較CK增幅分別為223.64%、241.82%、254.55%和210.91%，其中T3處理冠幅投影面積增量最大，為1.95 cm2。隨著污泥施用量的增加，銀杏冠幅投影面積增量總體呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，其中T1處理增量最大，為2.13 cm2，高出CK 40.13%，但與CK相比并不存在顯著差異。

圖5 不同處理下國槐和銀杏冠幅年增長量的變化Fig. 5 Changes in annual crown growth of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.2 施用城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品對林木葉片葉綠素含量的影響

2.2.1 國槐和銀杏葉片葉綠素a含量的變化

不同污泥施用量下國槐和銀杏葉片葉綠素a含量的變化情況見表3。對于國槐來說，5月份除T1處理外，其他處理葉綠素a含量均高于CK，但與CK相比均差異不顯著；6月份，所有污泥施用處理下的葉綠素a含量均高于CK，T3處理葉綠素a含量最高，為1.90 mg/g，但與CK相比差別不明顯；7月份，不同處理下的葉綠素a變化范圍為1.47～1.87 mg/g，T1、T2、T3、T4、T5處理均與CK差異顯著（P<0.05），其中T4處理葉綠素a含量最高，較CK高出了30.77%。對于銀杏而言，5月份葉綠素a含量變化范圍為0.68～0.91 mg/g，但各施肥處理與CK相比均差異不顯著；6月份，除T2處理較CK略有降低外，其余處理均有所上升，但各處理間并不存在明顯差異；7月份葉綠素a含量在施用污泥后均有明顯提升，T1、T2、T3、T4、T5處理均顯著高于CK（P<0.05），其中T5處理葉綠素a含量為1.59 mg/g，達到最高值，為CK的1.79倍。

表3 不同處理下國槐和銀杏葉片葉綠素a含量的變化Table 3 Changes of chlorophyll a content in leaves of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.2.2 國槐和銀杏葉片葉綠素b含量的變化

如表4所示，對于國槐來說，5月份葉綠素b含量變化范圍為0.74～0.90 mg/g，不同處理間的葉綠素b含量差別不大；施入污泥后，6月份葉綠素b含量均有明顯上升，且葉綠素b含量隨污泥施用量的增加總體呈現(xiàn)上升趨勢，其中T3、T4、T5處理均顯著高于CK（P<0.05），分別較CK增加了47.00%、77.00%、73.00%；增施污泥，7月份葉綠素b含量的總體變化趨勢與6月份基本一致。對于銀杏而言，不同處理下5、6月份葉綠素b含量均無明顯差異，變化范圍分別為0.22～0.31 mg/g和0.39～0.54 mg/g；施 入 污 泥后，7月份的葉綠素b含量均有所增加，T1、T2、T3、T4、T5處理均顯著高于CK（P<0.05），其中T5處理達到最大值，為0.66 mg/g，高出CK 88.57%。

表4 不同處理下國槐和銀杏葉片葉綠素b含量的變化Table 4 Changes of chlorophyll b content in leaves of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.2.3 國槐和銀杏葉片葉綠素a+b含量的變化

由表5可知，不同處理對國槐5月份的葉綠素a+b含量影響不顯著，變化范圍為2.35～2.63 mg/g；隨著污泥施用量的增加，6—7月份葉綠素a+b含量總體呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢，T4、T5處理與CK相比差異最顯著（P<0.05），這與葉綠素b含量的變化趨勢具有一致性。對于銀杏來說，5—6月份的葉綠素a+b含量在不同處理下均不存在顯著差異，其值變化范圍分別為0.89～1.22 mg/g和1.41～1.91 mg/g；7月份，各污泥施用量處理下的葉綠素a+b含量均高于CK，T1、T2、T3、T4、T5處理均與CK存在顯著差異（P<0.05），其值變化范圍為1.24～2.25 mg/g，其中T5處理達到最高水平，高出CK 81.45%。

表5 不同處理下國槐和銀杏葉片葉綠素a+b含量的變化Table 5 Changes of chlorophyll (a+b) content in leaves of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.2.4 國槐和銀杏葉片葉綠素a/b變化

由表6可知，不同處理下的5、6、7月份國槐葉片葉綠素a/b的變化范圍依次為1.93～2.20、1.05～1.87、1.58～2.30，僅6月份存在不同處理間的顯著差異性（P<0.05）。6月份，T3、T4、T5處理國槐葉片葉綠素a/b均顯著低于CK，其中T4處理最低，較 CK 降幅為43.85%。在銀杏葉片葉綠素a/b的動態(tài)變化中，5、6、7月份各處理間均差異不顯著，其值變化范圍依次為2.74～3.11、2.51～2.62、2.35～2.50。

表6 不同處理下國槐和銀杏葉片葉綠素a/b的變化Table 6 Changes of chlorophyll a/b in leaves of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.3 施用城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品對國槐和銀杏葉片氮、磷、鉀含量的影響

國槐、銀杏葉片的N、P、K養(yǎng)分元素含量見圖6。施入污泥后，國槐葉片N、K含量變化范圍分別為18.04～22.81 g/kg和8.00～14.11 g/kg ，對比CK均有一定程度的減小，但并不存在顯著差異；不同處理下葉片P含量差異顯著，其中T1處理P含量最高，為5.91 g/kg，T4處理下葉片P含量最低，僅為2.35 g/kg，顯著低于CK（P<0.05）。在不同污泥施用量下，銀杏葉片的N、P、K含量變化范圍依次為15.94～17.30、3.98～4.63 g/kg和3.00～5.67 g/kg，但不同處理之間差別均不大。

圖6 不同處理下國槐和銀杏葉片氮、磷、鉀含量的變化Fig. 6 Changes of nitrogen, phosphorus, and potassium contents in leaves of S. japonica and G. biloba under different treatments

3 結(jié)論與討論

樹高、胸徑、冠幅作為林木經(jīng)營的重要測量因子，能夠較為直觀地反映林木的生長健康狀況及對立地條件的響應(yīng)情況[19?20]。本研究中，施用城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品1年后，國槐的胸徑、冠幅投影面積年增值均隨污泥施用量的增加，呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，且均在施用量為45 kg/株時取得最大值，在該施用量基礎(chǔ)之上繼續(xù)增施污泥后，國槐林木的各項生長指標反而有所下降。這可能是由于試驗林地土壤多為沙質(zhì)壤土，致使國槐立地中養(yǎng)分儲量不足，城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品中含有多種養(yǎng)分元素與有機物質(zhì)，施入后能夠改善土壤的物理、化學性質(zhì)，提高土壤養(yǎng)分庫水平，間接促進國槐林木的生長；但同時，污泥中還含有部分不利元素，當施用量過大時，會給土壤輸入過量養(yǎng)分、重金屬元素，進而造成對植物生長的抑制[21]，此研究結(jié)果與劉麗娟等[22]、史弋等[23]、王海藝等[24]、煙亞萍等[25]分別對臭椿（Ailanthus altissima）、白菜（Brassica bara）、洋白蠟（Fraxinus pennsylvanica）、楸樹（Catalpa bungei）的研究具有相似性。隨著污泥施用量的增加，銀杏的胸徑年增值呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，當污泥施用量達到75 kg/株時，胸徑年增值達到最大水平且與對照差異顯著，這表明了城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品對銀杏林木的胸徑生長具有明顯的促進作用；而在不同的污泥施用量下，銀杏樹高的變化趨勢與國槐相反，這可能是由于不同樹種對污泥產(chǎn)品的響應(yīng)存在差異性，低施用量下污泥中含有的重金屬元素抑制了銀杏樹高的生長，但增大用量后其中所含養(yǎng)分的促進作用又大于重金屬的抑制作用，因而表現(xiàn)為樹高的增加。

光合作用是植物生長發(fā)育重要的生化過程，能夠為植物的生命活動提供最初的營養(yǎng)物質(zhì)[26?27]。葉綠素作為植物體內(nèi)重要的光合色素，其含量體現(xiàn)了植物吸收、轉(zhuǎn)化光能的能力，可作為評價植物生長發(fā)育狀況的一項重要指標[28]，葉綠素a/b值與葉綠素含量和光合速率負相關(guān)，是影響光合速率的內(nèi)在因素[29]。本研究表明，5月份國槐葉片的葉綠素b、葉綠素a+b含量及葉綠素a/b均變化不明顯，6、7月份的葉綠素b、葉綠素a+b含量分別在污泥施用量為60 kg/株和75 kg/株時較對照顯著提高，這可能是由于在6、7月份，國槐進入速生期，施用城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品能夠為其地上、地下部分的生長提供充足的養(yǎng)分，促進葉片的生長發(fā)育和光合色素的積累，提高葉綠素含量。對于銀杏來說，不同處理間銀杏葉片的葉綠素含量在5、6月份均無明顯差異，當污泥施用量為75 kg/株時，7月份葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量均達到最大值，這可能是由于銀杏的生長代謝速率較國槐緩慢，城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品施入前期對其葉綠素含量的影響不明顯，進入7月份后銀杏生長速度加快，污泥養(yǎng)分對林木的滋養(yǎng)作用逐漸顯露，這與以往學者對銀杏的生長與生理特征的研究結(jié)果相一致[30]。

葉片是植物體內(nèi)進行能量交換的主要器官，也是最為重要的養(yǎng)分貯藏部位，有研究表明，葉片中養(yǎng)分含量的高低不僅能反映植物的營養(yǎng)狀況，還能夠展現(xiàn)土壤營養(yǎng)成分的變化，具有重要的研究意義[31?33]。本研究中，國槐葉片的P含量在城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品施用量超過15 kg/株時，表現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢，這說明低污泥用量對國槐葉片P元素的積累具有一定促進作用，但當污泥施用過剩時則會出現(xiàn)毒害作用，這與鄭小琴等[34]、楊騰等[35]分別對薄殼山核桃（Carya illinoensis）、文冠果（Xanthoceras sorbifolia）的研究結(jié)果具有相似性；國槐葉片的N、K含量在施入污泥后較對照均略有降低，說明城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品的施入可能會對國槐葉片N、K的吸收存在負作用。而對于銀杏來說，施入污泥后其葉片中的N、P、K含量均差別不大，表明城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品對銀杏葉片的養(yǎng)分積累作用不明顯。

本研究重點關(guān)注城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品對國槐和銀杏林木的施用效果，監(jiān)測的樹種范圍還不夠全面，因此研究結(jié)果可能具有一定的局限性。對于本研究中得出的施用污泥后對林木的潛在負作用，需要開展進一步的補充試驗，仔細分析其內(nèi)在作用機理，同時也應(yīng)關(guān)注施用污泥對土壤、地下水以及周邊環(huán)境的影響狀況，綜合評價城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品在林地的施用效果，確定較為合理的施用量及具體的施用方案，以實現(xiàn)物盡其用的目標。

綜上所述，本研究得出如下結(jié)論：1）添加城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品能夠在一定程度上促進國槐、銀杏樹高、胸徑、冠幅的生長，當污泥施用量為45 kg/株時，國槐的胸徑、冠幅投影面積年增長值均達到最大水平，表明污泥的施用對其生長具有明顯的正效應(yīng)；當污泥施用量為75 kg/株時，能夠明顯促進銀杏胸徑的生長；2）隨著城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品施用量的增加，6、7月份的國槐葉片葉綠素含量也隨之增加，當污泥施用量為75 kg/株時增加效果最顯著，此污泥施用量對銀杏葉片葉綠素含量的積累同樣具有積極影響；3）城鎮(zhèn)生活污泥產(chǎn)品的不同施用量對國槐葉片N、K含量的影響不大，但添加污泥后，國槐葉片的P含量均有所下降，可能存在潛在的負作用；不同的污泥施用量對銀杏葉片的N、P、K含量無明顯影響。