污泥堆肥对针茅和车前草生长的影响

郭　浩，彭昌盛，寇长江，张秀喜，赵晗，谭小霞.京科高新（北京）环境科学研究所，北京0 .中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛6600 3.中持（北京）水务运营有限公司，北京009

污泥堆肥对针茅和车前草生长的影响

郭浩1，彭昌盛2，寇长江3*，张秀喜1，赵晗1，谭小霞1
1.京科高新（北京）环境科学研究所，北京101111 2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100 3.中持（北京）水务运营有限公司，北京100192

针对城市污水厂污泥堆肥利用问题，选取了北方常见的2种多年生草本植物——针茅（Stipa capillata Linn.）和车前草（Plantago asiatica Linn.），利用盆栽试验研究了在污泥堆肥混合比例（污泥堆肥与壤质黏土质量比）分别为0%、5%、10%、15%和20%时，土壤中植物的长势和对营养元素的利用率。结果表明，随着污泥堆肥混合比例的增加，土壤的有机质、凯氏氮、总磷浓度和电导率升高，pH呈略微降低趋势。不同植物所需的最佳污泥堆肥混合比例不同，当混合比例为15%时，针茅的干重最大；混合比例为10%时，车前草的干重最大。SPSS方差分析表明，5%的混合比例对针茅单株干重增长量的影响最为显著，而20%的混合比例对针茅生长有明显的抑制作用；10%的混合比例对车前草单株干重增长量的影响最为显著。植物吸收营养元素的量仅占土壤减少量的小部分，针茅和车前草对污泥堆肥中营养元素的利用率随着污泥堆肥混合比例的增加而减少。混合比例为10%时，针茅对氮和磷的利用率分别为1.76%～6.15%和0.93%～2.57%；车前草对氮和磷的利用率分别为2.52%～9.13%和3.57%～8.98%。

污泥堆肥；混合比例；针茅；车前草；干重；营养元素

郭浩，彭昌盛，寇长江，等.污泥堆肥对针茅和车前草生长的影响［J］.环境工程技术学报，2015，5（2）：136-142.

GUO H，PENG C S，KOU C J，et al.Influence of sewage sludge compost on the growth of plant Stipa capillata Linn.and Plantago asiatica Linn.［J］. Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（2）：136-142.

污泥是污水净化处理过程中产生的副产物，是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体［1-2］。随着污水处理率的提高和处理程度的深化，目前我国城市污水处理厂年排放污泥量（干重）约130万t，且年增长率＞10%。数量如此巨大的污泥如得不到妥善处置将对环境造成严重的二次污染。堆肥化是在微生物作用下通过高温发酵使污泥中的有机物变成腐熟肥料的过程，是污泥资源化利用的有效途径［3-4］。污泥堆肥含有大量植物所需的营养成分和微量元素，肥效高于一般化肥，可作为有机肥利用［5］。但是，过度施用污泥堆肥存在重金属污染等问题［6-7］，使用时需要与土壤进行配比混合，应根据不同施用对象长势和对营养元素的利用率，研究其与土壤的最佳混合比例，提高污泥堆肥利用效果。近年来，污泥堆肥应用主要集中在草坪草的生长方面，对刈割草的生长影响研究较少［8-11］。针茅（Stipa capillata Linn.）与车前草（Plantago asiatica Linn.）同属多年生草本植物，广泛分布于气候寒冷空气干燥的北方地区，针茅是上等的造纸原料，车前草可入药。通过盆栽试验考察了不同污泥堆肥混合比例土壤对以上2种植物的生长影响，以期为污泥堆肥的有效利用及相关研究提供参考。

1　材料和方法

1.1材料

污泥堆肥取自北京市大兴区某城市污水处理剩余污泥堆肥厂，堆肥厂采用高温好氧污泥堆肥工艺，并在原条垛式好氧堆肥基础上进行了改进，主要包括污泥微观混合预调理、静态条堆、柔和通风、氧温在线监测及通风抽风的智能化控制，该工艺具有作业灵活简单、发酵周期短、脱水快、能耗低、臭气源头控制等特点［12］。发酵温度控制在50～70℃，堆肥时间控制在10～14 d，含水率降至约50%。对污泥堆肥采样并进行检测分析，得到其理化性质及营养盐指标结果：pH为7.56～7.63，含水率为49.84%～55.78%，总有机质浓度为（365.8± 12.5）g/kg，铵态氮浓度为（7.121±0.98）g/kg，有机氮浓度为（15.015±1.121）g/kg，硝态氮浓度为（0.216±0.098）g/kg，总磷浓度为（7.00±1.12）g/kg。试验所用针茅和车前草草种购于中国农业科学院植物保护研究所。

1.2方法

污泥堆肥施用于林地土壤后，当施用量适当时，能较好地促进植物的生长，单株干重增大。不同植物对污泥堆肥的需要量不同，一般会存在最佳的施用范围。考察了不同污泥堆肥比例土壤对针茅和车前草干重和植物营养元素吸收量的影响。

壤质黏土采自北京郊区某天然林地，在5 m×5 m的空旷区域内随机选择10个点位进行采样，深度为表层以下20～30 cm，每个点位采样量1 000 g。将土壤样品干燥、粉碎待用。将污泥堆肥与风干后的壤质黏土过10目筛后混合，污泥堆肥混合比例（即污泥堆肥与壤质黏土的质量比）为0%（空白对照）、5%、10%、15%和20%。土壤理化性质及营养盐指标测定方法参照相关标准和技术规范：pH采用电位法测定［13］；电导率采用电导法测定［14］；有机质浓度采用重铬酸钾氧化法测定［15］；有机氮浓度采用总氮与无机氮差值法测定［16］；铵态氮浓度采用蒸馏法测定［17］；总磷浓度采用碱熔-钼锑抗分光光度法测定［18］。

试验在南海子温室参观棚开展，采用直径14 cm，高12 cm的花盆于温室培养针茅和车前草，温室内控制温度25℃，相对湿度70%。每种植物每个施肥梯度种植2盆，共20盆。待完全出苗后，去除部分幼苗，保证剩余幼苗有足够的生长空间。分别在第60、100、135和185天将地上部分剪取上部10 cm待测，剪取方法如图1所示。将收割的植物样品用清水洗净晾干，用吸水性好的纸张吸去植物样品中残留的水分后，置于天平上，所称得的质量即为植物样品的单株干重。

图1　针茅和车前草样品剪取方法Fig.1Stipa capillata Linn.and Plantago asiatica Linn.cutting method

测定全氮和全磷浓度的样品采集方法为单株地上部分取样。把植物鲜样冲洗晾干称重，于烘箱中105℃下烘0.5 h，再于60℃烘至植物样品恒重为止。将烘干的植物样品用粉碎机粉碎，备用。样品前处理是为了避免植物发霉，并减少因植株体内酶的催化作用而造成的有机质损失。全氮浓度采用H2SO4-H2O2消煮法测定［19］；全磷浓度采用碱熔-钼锑抗比色法测定［19］。

分别考察污泥堆肥混合比例对土壤指标的影响，及污泥堆肥对植物干重的影响和污泥堆肥对植物营养元素浓度的影响。利用SPSS 17.0软件对所得数据进行方差分析及显著性检验。

2　结果与分析

2.1不同污泥堆肥混合比例下的土壤指标

测定了不同污泥堆肥混合比例下土壤的理化性质及营养盐指标，结果如表1所示。由表1可知，随着污泥堆肥混合比例的增加，土壤的有机质、凯氏氮、总磷浓度和电导率升高，由于污泥堆肥的pH略低于土壤，土壤的pH随着混合比例的升高而呈略微降低趋势。

表1　各混合比例土壤理化性质及营养盐指标Table 1Soil physicochemical properties and nutrients in different blending ratio

图2　施用不同混合比例污泥堆肥的针茅在各时段的单株干重Fig.2Stipa capillata Linn.dry weight with different sludge composting blending ratios in each periods of time

2.2污泥堆肥对植物干重的影响

2.2.1污泥堆肥对针茅干重的影响分析

污泥堆肥可以促进植物的生长，为植物提供养分，应用不同污泥堆肥混合比例的土壤培养针茅，植物地上部分单株干重如图2所示。

由图2可知，混合污泥堆肥土壤中的针茅干重均高于空白对照组。第60天，混合比例为10%的针茅干重最大，其他3个混合比例的针茅干重相近。第100天，混合比例为15%的针茅干重增长量最大，为1.85 g，较空白对照组的0.53 g提高了249.06%。整个试验过程中混合比例为15%的针茅干重最大，且第60～100天长势较为明显。草本植物生长过程中需要较多的营养元素，污泥堆肥中营养元素的浓度高。混合比例为10%，已达到针茅所需要的营养元素量。混合比例过高，针茅的生长变缓。

对相邻各污泥堆肥混合比例导致的单株干重增长量进行方差齐性检验，sig.=0.439＞0.05，满足条件；P=0.000＜0.05，说明污泥堆肥混合比例对针茅单株干重的影响显著。经S-N-K多重比较，将污泥堆肥混合比例分为3个子集：第一子集包含20%；第二子集包含5%，10%和15%；第三子集包含0%。说明5%的混合比例对针茅单株干重增长量的影响最为显著，对生长起到很好的促进作用，而20%的混合比例对针茅生长有明显的抑制作用。

2.2.2污泥堆肥对车前草干重的影响分析

车前草的长势较快，对养分的需要量较大，不同混合比例土壤上的车前草干重如图3所示。

图3　不同污泥堆肥混合比例下车前草在各时段的单株干重Fig.3Plantago asiatica Linn.dry weight with different sludge composting blending ratios in each periods of time

由图3可以看出，混合污泥堆肥的车前草干重高于空白对照组。污泥堆肥显著促进车前草的生长。混合比例小于10%时，车前草的干重随着混合比例的增加而增加；混合比例为10%～20%时，车前草的干重随着混合比例的增加而降低。在整个试验过程中，混合比例为10%的土壤上生长的车前草干重最大。混合比例为5%，10%，15%和20%的土壤中的车前草干重分别是空白对照组的1.91，2.14，1.76和1.92倍。0～60 d混合污泥堆肥与空白对照组土壤中的车前草干重差值相对较小。60 d后，混合土壤中车前草干重与空白对照组的差值变大，说明混合污泥堆肥能够明显促进植物的生长。其中，混合比例为10%时，100～135 d车前草长势较为明显；混合比例为15%时，60～100 d车前草长的长势较为明显。在一定的混合比例范围内，混合污泥堆肥能够显著促进植物的生长，最佳施用比例为10%。

对相邻各污泥堆肥混合比例导致的单株干重增长量进行方差齐性检验，sig.=0.667＞0.05，满足条件；P=0.000＜0.05，说明污泥堆肥混合比例不同对车前草单株干重的影响显著。经过S-N-K多重比较，结果将污泥堆肥混合比例分为2个子集：第一子集包含10%和20%；第二子集包含0%和5%。说明5%和10%混合比例下差异最大，10%的混合比例对车前草单株干重增长量的影响最为显著。

2.3污泥堆肥对植物营养元素吸收量的影响

2.3.1污泥堆肥对针茅氮磷吸收量的影响

不同污泥堆肥混合比例下种植的针茅对营养元素的吸收量不同，其对氮、磷的吸收量如图4所示，种植针茅前后土壤中氮、磷浓度如表2所示。

图4　不同混合比例污泥堆肥下针茅各时段体内氮、磷吸收量变化Fig.4Nitrogen and Phosphorus absorbtion in Stipa capillata Linn.with different sludge composting blending ratios in each periods of time

表2　种植针茅后各混合比例污泥堆肥土壤的理化性质Table 2Soil physicochemical properties with different sludge composting blending ratio after growing Stipa capillata Linn.

由图4（a）可知，第60天和第100天，针茅的氮吸收量基本上随污泥堆肥混合比例的提高而升高，第135天植物体内的氮吸收量在混合比例为5%和10%时几乎相等，在混合比例为15%和20%时近似相等，前者的氮吸收量大于后者。第185天时，污泥堆肥土壤与空白对照组土壤中针茅的氮吸收量相近，没有显著的差异。污泥堆肥中营养元素浓度高，混合比例越高营养元素量越高，在植物生长的0～100 d，营养元素充足，植物最大限度的吸收营养元素。由于植物对营养元素的吸收以及土壤中营养元素的流失，到185 d时，不同混合比例土壤中可利用的营养元素浓度几乎相等，空白对照和混合堆肥土壤中可利用的氮元素量相当。

由图4（b）可知，在试验的各时段，混合污泥堆肥土壤中的针茅磷吸收量比空白对照组土壤高。第100天时，针茅磷吸收量随混合比例升高而升高，其他3个阶段植物体内的磷吸收量与混合比例没有显著的相关关系。可见，污泥堆肥虽然可以增加针茅体内的磷吸收量，但影响效果不明显，尤其当污泥堆肥混合比例＞10%时，针茅体内的磷吸收量没有显著差异。

从表2可知，种植针茅后，混合土壤比不混合土壤中的养分浓度高，但是与种植针茅前土壤中的养分浓度相比，混合比例越高，营养元素的减少量就越多。混合比例为5%、10%、15%和20%土壤上生长的针茅对污泥堆肥中氮的利用率分别为6.15%、3.11%、2.62%和1.76%；对磷的利用率分别为2.57%、2.3%、1.5%和0.93%。

2.3.2污泥堆肥对车前草的氮、磷吸收量的影响

为研究车前草对土壤中养分的吸收情况，测定了不同污泥堆肥混合比例下车前草的氮、磷吸收量，结果如图5所示。为研究车前草对营养元素的吸收量与土壤减少量之间的关系，测定了种植车前草前后土壤中总氮和总磷浓度，结果如表3所示。

图5　不同混合比例污泥堆肥下车前草各时段体内氮、磷吸收量变化Fig.5Nitrogen and Phosphorus absorbtion in Plantago asiatica Linn.with different sludge composting blending ratios in each periods of time

由图5（a）可知，混合污泥堆肥土壤中车前草的氮吸收量高于不混合土壤，混合污泥堆肥能够促进车前草对氮的吸收。车前草体内的氮吸收量与混合比例无关。生长初期，车前草体内的氮吸收量最高，之后植物体内的氮吸收量明显下降。整个试验阶段不同混合比例土壤中氮的吸收量关系为10%＞20%＞5%＞15%＞0%。

由图5（b）可知，试验的前3个时段，混合污泥堆肥土壤中车前草的磷吸收量高于不混合土壤，混合污泥堆肥促进了植物对磷的吸收。第60天时，混合比例为20%的土壤上生长的车前草磷吸收量最高，第100天时，混合比例为15%的土壤上生长的车前草磷吸收量最高，各时间不同污泥堆肥混合比例对车前草磷吸收量的影响无明显规律。第185天时，施加混合比例为15%和20%污泥堆肥的车前草体内磷吸收量较不施肥反而更低，由于试验只截取了地上10 cm的车前草植株样本，因此过高的污泥堆肥在相对较长的生长周期磷营养从植株上部到根部的流失可能更快。通过和针茅体内磷吸收量对比，可见污泥堆肥对植物体内磷吸收量的影响无显著规律。

由表3可知，种植车前草后，各混合比例土壤中的总氮和总磷浓度仍高于空白对照组土壤，混合比例越高，土壤中的总氮和总磷浓度越高，但不呈线性关系，说明污泥堆肥肥效缓慢的释放，且不同混合比例的释放速率不同，种植车前草前后，混合比例为5%、10%、15%和20%的土壤中总氮减少量的比例分别为83.40%、87.67%、87.44%和87.20%。在温室的环境中，湿度和温度较高，有利于有机氮的矿化作用和硝化作用，频繁的浇水容易将离子态的无机氮淋失。车前草吸收的氮元素质量占土壤中总氮减少量的比例依次为9.13%、5.09%、2.83%和2.52%，车前草吸收的总氮量只占土壤减少量的小部分。

种植车前草前后，混合比例为5%、10%、15%和20%的土壤中总磷减少比例分别为18.33%、33.42%、24.32%和20.35%。整个试验阶段不同污泥堆肥混合比例下车前草吸收的总磷量表现关系为10%＞20%＞15%＞5%＞0%。混合污泥堆肥土壤上生长的车前草吸收的总磷量占土壤总磷的减少比例分别为8.98%、3.88%、3.64%和3.57%，植物吸收的磷只占土壤减少的磷的小部分，大部分会流失掉，混合比例越高，流失的磷的量越大。

表3　种植车前草后各混合比例污泥堆肥土壤的理化性质Table 3Soil physicochemical properties with different sludge composting blending ratio after growing Plantago asiatica Linn.

3　讨论与结论

3.1讨论

研究表明，将城市污泥进行堆肥处理，可以生成大量的容易被植物和土壤微生物吸收利用的营养物，如腐殖质、有效态氮、磷、钾化合物等，进而改善土壤的肥力［20-21］。同时，施加污泥堆肥对土壤pH具有调节作用［22］，土壤堆肥过程会产生大量的有机酸，造成土壤pH的降低。因此，对于碱性土壤，施用污泥堆肥往往会获得更好的效果。

当污泥堆肥混合比例为10%时，车前草的干重最大。这是因为生长初期，高的混合比例导致土壤电导率急剧升高，对车前草产生非生物胁迫［23］，抑制了生长。同样，低混合比例满足不了车前草的营养需求，高混合比例土壤中营养元素浓度高于低混合比例，可以提供车前草生长的氮磷等营养。到试验后期高混合比例的车前草长势较好。据此，建议对车前草分批施用生物碳土，既规避了盐度威胁，也可以满足车前草生长所需的营养。混合比例为15%时，针茅的干重最大，所得到的试验结果也是由于上述原因造成的。

试验结果表明，植物吸收的营养元素量占混合污泥堆肥土壤减少量的小部分。这是由于试验测定针茅和车前草中全磷、全氮的样本只截取了植物的地上部分10 cm，污泥堆肥的营养首先进入根系，因此大部分的营养元素仍滞留在植物根部，通过植物根部输配到其他器官［24］。从植物学角度而言，植株上部的营养元素浓度远低于根部。说明试验还有尚待优化之处，还应深入研究植株根部的营养元素利用情况。

3.2结论

（1）随着污泥堆肥混合比例的增加，土壤的有机质、凯氏氮、总磷浓度和电导率升高，pH呈略微降低的趋势。

（2）不同植物所需的最佳污泥堆肥混合比例不同，当混合比例为15%时，针茅的干重最大，而混合比例为10%时，车前草的干重最大；SPSS方差分析表明，5%的混合比例对针茅单株干重增长量的影响最为显著，而20%的混合比例对针茅生长起到明显的抑制作用；10%的混合比例对车前草单株干重增长量的影响最为显著。

（3）植物吸收营养元素的量占土壤减少量的小部分，针茅和车前草对污泥堆肥中营养元素的利用率随着混合比例的增加而减少。混合比例为10%时，针茅对氮磷的利用率分别为1.76%～6.15%和0.93%～2.57%；车前草对氮磷的利用率分别为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，工程师，主要从事水污染控制工程技术研究，guohao8432@126.com

寇长江（1984—），男，工程师，主要从事污水深度处理与再生利用研究，kchjiang@163.com