杨树林地处理生活污水生态效应1)

沈植国 白保勋 焦书道 程建明 沈希辉

(河南省林业科学研究院，郑州，450008) (郑州市农林科学研究所) (郑州市城市园林科学研究所) (河南林科园林科技有限公司)



杨树林地处理生活污水生态效应1)

沈植国 白保勋 焦书道 程建明 沈希辉

(河南省林业科学研究院，郑州，450008) (郑州市农林科学研究所) (郑州市城市园林科学研究所) (河南林科园林科技有限公司)

为了研究不同污水水力负荷对不同杨树品种人工林的影响，选择了‘I-72’、‘欧美107’、‘中林2001’与‘中林46’四个杨树品种，分别按照3、6、9、12、15 cm·周-15个水力负荷进行污水处理；测定试验期间各品种地上部分生长量、凋落物量与污染物积累量。结果表明：3～9 cm·周-1水力负荷增加了‘I-72’、‘中林2001’、‘欧美107’的生长量、凋落物量与污染物积累量；水力负荷大于9 cm·周-1时，这3个杨树品种生长量、凋落物量与污染物积累量随着水力负荷增加而降低。在这3个品种中，‘中林2001’ 年生长量与污染物积累量最大，‘欧美107’中等，‘I-72’最低。从杨树生长量与污染物积累量来看，‘中林2001’最适合作为污水处理的植物材料，其次是‘欧美107’、I-72杨，污水处理的适宜水力负荷为6～9 cm·周-1，‘中林46’不适合用于污水处理。

杨树人工林；生活污水；植物修复；土壤养分与钠离子质量分数；生长量；污染物积累量

A wastewater treatment experiment was conducted to estimate effects of different hydraulic loading rates on different poplar varieties plantations. Five different hydraulic loading rates (3, 6, 9, 12 and 15 cm·week-1) were applied to four poplar clones (“72”, “107”, “2001” and “46”) during poplar growing seasons, respectively. Biomass variation, litter fall and contaminant accumulation were determined during the experiment. The suitable hydraulic loadings rate (6-9 cm·week-1) resulted in the increase of growth, litter fall and contaminant accumulation compared to control treatment (no irrigation) except for “46”, and high hydraulic loadings (>9 cm·week-1) caused stress on the four poplar varieties. The variations of biomass and contaminant accumulation during the experiment indicated that the poplar “2001” appeared to be more suitable clone as vegetation filter for domestic wastewater treatment than poplar clone “107” and “72”, whereas “46” was unsuitable.

在中国，随着新型城镇化与城乡居民生活水平的不断提高，生活污水排放量不断增加，使水环境、土壤与农产品受到了污染。近年来，为了解决日益严重的水污染问题，污水土地处理技术快速发展[1，3]。污水土地处理技术建设运营成本低[4-5]，非常适合于中国分散的村镇生活污水处理[6-7]。

杨树生长快、轮伐期短、应用范围广、经济价值较高，广泛栽植于我国中北、东北与西北部地区，是防护林带、用材林的主要造林树种。随着工业、造纸业、杨树加工业的快速发展，对杨树木材的需求量不断增加。杨树生长快、所需水分与养分较多，而杨树主要栽培区气候干旱、土壤比较干旱贫瘠，为了提高杨树木材产量，需要对杨树人工林加强管理[8]。

杨树生长快、根系深，可以吸收、蒸发大量水分与养分，是最常用的污水处理树种之一[9]。杨树根系庞大，细根所占比例大，这些根系能够持续不断地吸收水分与硝态氮、铵态氮等污染物，把污染物从土壤中移除[10]，健康的杨树根系活力高，能够蒸发大量水、吸收土壤中的污染物[11]。在污水土地处理系统中，生活污水中的污染物与水分被杨树吸收净化的同时，能够促进杨树生长。

本项目的研究目的是了解不同的污水水力负荷对不同品种杨树人工林的影响，选择适宜的杨树品种与水力负荷，构建杨树林地污水处理系统，净化处理村镇生活污水。假定在污水处理后，4个杨树品种生长量的变化将会产生差异，这种差异在于其遗传基因的不同，同时在污水处理过程中，随着水力负荷的增加，这些品种对生活污水胁迫的响应也不同。

1 材料与方法

1.1 试验场地与污水成分

试验在郑州市南5.5 km的龙湖镇生活污水排污口进行，地理坐标为北纬34°36′，东经113°42′，试验期间的温度与降水量详见表1。试验地土壤为潮土，土壤pH值为8.29～8.40，有机碳、总氮质量分数分别为1.22～1.51、0.33～0.38 g·kg-1。

表1 试验期间气温与降水量

试验用生活污水来自于龙湖镇排污口，其成分由河南省环境监测中心根据中国环境保护部污水检测标准规定的方法测定。污水呈暗褐色、有臭味，其中pH值为(7.5±0.2)、生化需氧量为(42.7±8.6)mg·L-1、化学需氧量为(742.5±161.1)mg·L-1、总氮质量浓度为(27.5±5.8)mg·L-1、氨氮质量浓度为(24.1±2.6)mg·L-1、总磷质量浓度为(2.8±0.5)mg·L-1、钠离子质量浓度为(208.8±15.7)mg·L-1、氯离子质量浓度为(629.4±49.5)mg·L-1，污水中重金属未检出。

1.2 杨树品种选择与试验设计

用于生活污水处理的杨树品种包括‘I-72’(Populus×euramericana‘San Martino I-72/58’)、‘欧美107’(Populus×euramericana‘74/76’)、‘中林2001’(Populusdeltoides‘Zhonglin 2001’)与‘中林46’(Populus×euramericana‘Zhonglin 46’)。多年来，这4个杨树品种在我国栽植面积大，试验地4个杨树品种均为4年生，密度均为2 000株·hm-2。

试验开始前，在各杨树品种林地设置样地，试验样地规格为20 m×20 m，样地采取随机抽样的方式布设，每个处理重复3次。为了消除边缘效应及不同处理样地之间的相互影响，样地距林缘隔3行杨树，相邻样地之间设置3个隔离行。

生活污水处理进行了2 a，采用处理与利用型土地漫速渗滤处理方法，水力负荷分别为0(对照)、3、6、9、12、15 cm·周-1。如果降水量超过10 mm，根据降水量与雨后天气状况适当推迟污水处理时间；根据当地天气预报，降水可能性比较大或者有大风天气时，适当推迟处理时间，在雨后或大风过后，根据降水情况确定下次处理时间，防止林木出现倒伏现象。

1.3 样品采集与化验

1.3.1 土壤样品采集与分析

在污水处理试验第二年12月份，在各处理样地挖掘深1 m的土壤剖面，土壤剖面分为4个层次，分别在各个层次采集土样，把土品带回实验室化验。土壤样品pH值测定采用电位法，有机质质量分数测定采用重铬酸钾法；土壤全氮质量分数测定采用开氏氮法；全磷质量分数测定采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法；全钾与钠离子质量分数测定采用火焰光度法[12]。

1.3.2 生长量与凋落物量测定

在污水处理开始前与结束后，分别测定样地林木的胸径与树高，各样地按径阶与树高分别选择5株平均木测定枝与干的生物量(试验开始前在试验区选平均木，试验结束后在各试验样地选择平均木)，分层采集枝与干样品[13]。把枝与干样品放在干燥箱中在70 ℃烘至恒质量，然后测定其干质量，根据林木各器官总鲜质量与样品干鲜质量计算林木各器官的生长量[14]。

试验开始前，在每个样地随机设置3组凋落物收集器，其规格为0.5 m×0.5 m×0.6 m，用于收集试验期间凋落物，凋落物每月收集一次，在干燥箱中70 ℃烘至恒质量，然后测定其干质量[15]。

1.3.3 植物样品养分与钠离子质量分数分析

分别在各样地采集枝、干与凋落物样品，按样地编号，带回实验室，测定植物样品中氮、磷、钾及钠质量分数，氮质量分数测定采用奈氏比色法，磷质量分数采用钒钼黄比色法，钾和钠质量分数的测定采用火焰光度法[12]。

1.4 地下水水质监测

在对照及污水处理样地中间，分别打观测井，井的深度达到各样地的浅层地下水位以下，每个观察井均安装有PVC井管，PVC井管下部开有细孔，井管高出地面50 cm，在观察井周围筑起40 cm高的水堰，防止污水在试验过程中从井口周围进入观察井。在各观测井取水样，按国标规定的方法测定水样中污染物的质量浓度，监测指标包括生化需氧量，化学需氧量，氨氮、氯化物、硝酸盐与硫酸盐质量浓度。

1.5 数据统计与分析

试验数据用excel软件对试验数据进行计算，用SPSS19.0统计软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质的变化

从表2可以看出，土层0

2.2 杨树生长量变化

污水处理后，‘I-72’、‘欧美107’、‘中林2001’生长量均先随着水力负荷增加而增加，达到最大值后随着水力负荷增加而降低，进行污水处理的‘I-72’、‘欧美107’、‘中林2001’杨树人工林生长量均高于对照；‘中林46’生长量随着水力负荷的增加而降低，污水处理的‘中林46’生长量均低于对照。在4个杨树品种中，污水处理使‘中林2001’人工林地上部分生长量增加量最大，其次分别为‘欧美107’与‘I-72’，污水处理使‘中林46’生长量降低(表3)。

表2 不同处理土壤化学性质

表3 不同杨树品种地上部分生长量、养分与污染物的积累量

注：根据试验开始前与结束后标准木的生物量与每公顷林木株数计算单位面积人工林地上部分生长量；表中数据为平均值±标准差；同列不同字母表示差异显著。

2.3 试验结束后各杨树样品养分与污染物积累量的变化

在污水处理试验结束后，经5个处理的林地中，‘I-72’、‘欧美107’、‘中林2001’的氮、磷与钠积累量均高于对照，钾积累量随着水力负荷的增加先增加后降低。

‘中林46’氮积累量在3 cm·周-1水力负荷时最高，然后随着水力负荷的增加而降低；磷积累量在3 cm·周-1水力负荷时高于对照，在6、9、12、15 cm·周-1水力负荷时低于对照；钠积累量均高于对照；钾积累量均低于对照(表3)。

2.4 杨树凋落物量、养分与污染物积累量的变化

在4个杨树品种中，‘I-72’、‘欧美107’与‘中林2001’凋落物量均先随着水力负荷增加而增加，在达到最大值后随着水力负荷增加而降低，污水处理的林地凋落物量均高于对照；‘中林46’的凋落物量随着水力负荷的增加而降低(表4)。试验中观察到，与对照相比，‘I-72’与‘中林46’在污水处理后有明显的提前落叶现象。

‘I-72’、‘欧美107’与‘中林2001’凋落物中养分与污染物积累量均先随着水力负荷增加而增加，在达到最大值后随着水力负荷的增加而减少。‘中林46’凋落物中氮与钠积累量，随着水力负荷先增加后降低，磷积累量无明显变化规律，钾积累量逐渐降低(表4)。

表4 不同杨树品种凋落物量、养分与污染物积累量

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同字母表示差异显著。

2.5 污水处理后地下水水质变化

随着水力负荷的增加，地下水中生化需氧量与化学需氧量急剧增加，在水力负荷>9 cm·周-1时，以上两种污染物增加较快；随着水力负荷增加，地下水中氨氮质量浓度增加，在水力负荷≥12 cm·周-1时其质量浓度迅速增加；随着水力负荷的增加，地下水中氯化物的质量浓度增加，在12 cm·周-1水力负荷地下水中氯化物质量浓度急剧增加；地下水中硝酸盐与硫酸盐的质量浓度均随着水力负荷的增加而增加，在水力负荷≥9 cm·周-1时，其质量浓度增加较快，在水力负荷≥12 cm·周-1时其质量浓度急剧增加。

按照中华人民共和国《地下水质量标准》[16]，对照与各水力负荷地下水中氨氮质量浓度均超过了Ⅳ级标准；地下水中氯化物质量浓度在3～6 cm·周-1水力负荷下均未超过Ⅰ级标准，在9～12 cm·周-1水力负荷下未超过Ⅱ级标准，在15 cm·周-1水力负荷地下水中氯化物质量浓度未超过Ⅲ级标准；对照地下水中硝酸盐质量浓度未超过Ⅰ级标准，在3 cm·周-1水力负荷地下水中硝酸盐未超过Ⅱ级标准，在6～9 cm·周-1水力负荷地下水中硝酸盐质量浓度未超过Ⅲ级标准，在12 cm·周-1水力负荷地下水中硝酸盐质量浓度未超过Ⅳ级标准，但是在15 cm·周-1水力负荷地下水中硝酸盐质量浓度到达了Ⅴ级标准；各处理与对照地下水硫酸盐的质量浓度均超过了Ⅱ级标准。

表5 污水处理后地下水水质

注：表中数据为平均值±标准差。

3 结论与讨论

污水处理增加了‘中林2001’、‘欧美107’与‘I-72’地上部分生长量与凋落物量，降低了‘中林46’地上部分生长量与凋落物量，杨树生长量、凋落物量的变化与杨树品种及水力负荷密切相关。与对照相比，在5个处理中，‘中林2001’生长量与凋落物量增加值高于其他3个品种，‘欧美107’的生长量与凋落物量低于‘中林2001’，高于‘I-72’与‘中林46’，污水处理降低了‘中林46’生长量与凋落物量。从杨树生长量与凋落物量变化规律来看，在4个杨树品种中，‘中林2001’对污水的适应性最强，其次分别为‘欧美107’、‘I-72’，‘中林46’表现最差。

对林木地上部分与凋落物污染物积累量进行了分析，杨树污染物积累量与生活污水林地处理的效果密切相关，杨树对这些物质吸收积累越多，土壤中的污染物质量分数就越低，污水处理效果就越好。从污染物积累量判断，‘中林2001’对生活污水的处理能力最强，其次分别为‘欧美107’、‘I-72’，‘中林46’对生活污水的处理能力最差。

水力负荷对杨树生长具有不同的影响，在水力负荷较小时，如3 cm·周-1水力负荷，不能充分发挥杨树林地处理系统的潜力，12～15 cm·周-1水力负荷超过了杨树林地处理系统的处理能力，杨树生长量急剧下降，土壤理化性状变差，地下水中污染物含量急剧增加，不利于污水林地处理的持续运行。所以杨树林地处理的适宜水力负荷为6～9 cm·周-1。

生活污水林地处理使地下水中污染物质量浓度增加，地下水中生化需氧量，化学需氧量，氨氮、氯化物、硝酸盐与硫酸盐质量浓度均随着水力负荷的增加而增加。按照《地下水质量标准》[16]，地下水污染物质量浓度超标比较严重的主要是氨氮，这种污染物来源广泛，化肥大量使用是造成氨氮面源污染的主要原因。其他污染物在地下水中质量浓度没有严重超标。在生活污水处理过程中，如果水力负荷过大也会形成氨氮对地下水的污染，所以水力负荷的选择是杨树林地生活污水处理成败的关键。

杨树林地污水处理增加了大部分杨树品种的生长量与污染物积累量，不同杨树品种的生长量与污染物积累量之间具有显著的差异。水力负荷的大小对污水处理具有重要影响。结果表明：‘中林2001’、‘欧美107’与‘I-72’适合于作为生活污水处理的植物材料，‘中林46’不适合于作为污水处理的植物材料。

杨树林地污水处理利用自然的植物修复方法净化生活污水，可以去除生活污水中的污染物与盐分，防止由于生活污水直接排入地表水或渗入地下水而对水环境造成的污染；杨树人工林吸收利用生活污水中的营养物质，生长加快，提高了杨树人工林的生长量，增强了生态功能，轮伐期缩短，加快了为工业生产提供原料的速度。

[1] BOLTER M. Soil: An extreme habitat for microorganisms[J]. Pedosphere，2004,14(2)：137-144.

[2] 孙铁珩，周启星，李培军.污染生态学[M].北京：科学出版社，2004：401.

[3] VYMAZAL J. Horizontal subsurface flow and hybrid constructed wetlands systems for wastewater treatment[J]. Ecological Engineering，2005,25(5)：478-490.

[4] MAHMOOD B, WALL G L， RUSSELL J M. A physical model to make short-term management decisions at effluent-irrigated land treatment system[J]. Agricultural Water Management,2003,58(1):55-65.

[5] NELSON M, ODUM H T, BROWN M T, et al. “Living off the land”: resource efficiency of wetland wastewater treatment[J]. Advances in Space Research,2001,27(9):1547-1556.

[6] SUN T H, OU Z Q. Strategy for continuous development of ecological engineering land treatment systems in China[R]. Guangzhou： IAWQ-International Associationof Water Quality，1994 .

[7] ZHOU Q X. Application of biotechniques to water purification: principles and methods[M]//GOOSEN F A, SHAYYA W H. Water management, purification, and conservation in arid climates. Lnacaster: Technomic Publishing Co INC,2000:31-34.

[8] WU B G, QI Y, MA C, et al. Harvest evaluation model and system of fast-growing and high-yield poplar plantation[J]. Mathematical and Computer Modeling,2009,51(11):1444-1452.[9] ISEBRANDS J G, KARNISKY D F. Environmental benefits of poplar culture[M]//DICKMANN D I, ISEBRANDS J G, ECKENWALDER J E, et al. Poplar Culture in North America. Ottawa: NRC Research Press,2001:207-218.

[10] WESTPHAL L M, ISEBRANDS J G. Phtoremediation of Chicago’s brownfields-consideration of ecological approaches and social issues[R]. Chicago: Proceeding Brownfields 2001Conference,2001.

[11] LOUIS A, LICHT J G. Isebrands. Linking phtoremediated pollutant removal to biomass economic opportunities[J]. Biomass & Bioenergy,2005,28(2):203-218.

[12] 鲍士旦.土壤农化分析[M].3版,北京：中国农业出版社，2000:257-282.

[13] 马秀玲,陆光明,徐祝龄,等.农林复合系统中林带和作物的根系分布特征[J].中国农业大学学报,1997,2(1):109-116.

[14] AARON R W, DOUGLAS A M. Branch surface area and its vertical distribution in coastal Douglas-fir[J]. Trees,2006,20(6):658-662.

[15] LARS BO P, JORGEN B H. A comparison of litterfall and element fluxes in even aged Norway spruce, sitka spruce and beech stands in Denmark[J]. Forest Ecology and Management,1999,114(1):55-70.

[16] 中华人民共和国地质矿产部.地下水质量标准：GB/T148848-1993[S].北京：中国标准出版社，1993.

Ecological Effects of Domestic Wastewater Poplar Woodland Treatment//

Shen Zhiguo(Henan Academy of Forestry, Zhengzhou 450008, P. R. China); Bai Baoxun(Zhengzhou Agriculture and Forestry Science Institute); Jiao Shudao(Zhengzhou Urban Landscape Science Institute); Cheng Jianming, Shen Xihui

(Henan Linke Garden Science and Technology Development CO.)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(9)：58-62,68.

Poplar plantation; Domestic wastewater; Phytoremediation; Soil nutrient and sodium; Poplar growth; Contaminant accumulation

1)国家林业公益性行业科研专项(200904024)、河南省公益科研院所预研项目计划(0921038101)。

沈植国，男，1977年1月生，河南省林业科学研究院，高级工程师。E-mail:smess123@sina.com。

白保勋，郑州市农林科学研究所，副研究员。E-mail:baibaoxun@126.com。

2016年1月28日。

S152.7；S792.11

责任编辑：任 俐。