城市污泥与园林废弃物堆肥混合添加对土壤改良的影响

司莉青,陈利民,郑景明,周金星,彭霞薇(.北京林业大学林学院，北京 00083； .北京奥北美林生物菌肥研究中心，北京 008)

由于长期人为干扰和日常管护不足，城市土壤退化严重，存在pH高、可利用养分含量低、质地粘重、土壤板结等问题[1-3]。例如，北京城区各类型土壤的pH均大于8.0，有机质、全氮含量显著低于山地自然土壤，部分微量元素与山地土壤有明显差异，土壤质量有待改善[4]。改善城市土壤的途径之一为有利于调整土壤结构、增加其养分含量的各类有机肥料和添加剂，如有机堆肥、污泥等[5]。现阶段园林废弃物堆肥和城市污泥堆肥的资源化利用在国内外已经得到广泛的认可[5-6]，堆肥后的园林废弃物可作为肥料和土壤的调节剂，具有碳含量丰富且质地疏松的特点；而质地稠密的污泥含有植物生长所需的营养物质，但其中较高的重金属含量如不加处理则可能限制其利用。理论上，二者的合理混合利用能相互取长补短，从而提高堆肥的产品质量，增加其改良土壤效果。目前对两种废弃物混合利用的研究已成为一种发展趋势[7]，但相关研究还比较少。如何科学地调配污泥与园林废弃物堆肥比例，研究其对土壤及植物的改良效果，是实践中急需解决的问题。

污泥与园林废弃物经过合理的堆肥化处理后用于草坪或林地，可以改善植物生长的土壤条件。污泥还可以提高草坪草的抗逆性，可能是由于污泥含有多种营养元素和生物活性物质[8]。研究表明，施用污泥与废弃物混合堆肥，可以改善土壤的物理性质，提高土壤的有机质含量，增强土壤涵养水分，维持土壤温度，减少土壤侵蚀和地表径流[9-11]。虽然施加污泥可能会带来重金属污染风险，但利用植物对土壤的修复作用，特别是其对重金属的吸附作用，可能达到降低污染风险、改良城市土壤的综合效果。例如，利用超富集植物来修复重金属污染地段[12]。但是超积累植物种并不多见，研究常见草种对重金属的耐受能力及吸收能力，对于确定合理的含重金属的堆肥施用量更具有现实意义。因此，本研究选取北京市常用绿化植物高羊茅(Festucaarundinace)为试验对象，用污泥与园林废弃物产品以不同比例混合作为植物生长基质，并设置不同的施用量进行盆栽实验，探讨两者混合物对土壤改良的效果，同时监测土壤的重金属含量对植物的影响，为北京城市污泥与园林废弃物的科学、安全、合理利用提供基础研究数据，推动园林废弃物与污泥的循环利用。

1 材料和方法

1.1 材料

供试植物为市场购买的高羊茅，品种为猎狗5号(Houndog 5)，发芽率≥90%。城市污泥无害化产品(简称污泥)为北京市排水集团提供的污泥堆肥产品，全氮和全磷含量分别为0.23和11.19 mg·g-1，pH 7.49，Pb、Cr、Cu和Zn含量分别为23.76、47.81、309.63、552.20 mg·kg-1。园林废弃物堆肥产品(简称园肥)为北京奥北美林生物菌肥研究中心提供的园林废弃物堆肥，全氮和全磷含量分别为0.17和9.89 mg·g-1，pH 9.14。盆栽试验的土壤取自北京市昌平区，土壤类型为潮土，养分含量较低，全氮和全磷含量分别为0.01和2.27 mg·g-1，pH 8.13。

1.2 方法

1.2.1试验设计 盆栽试验时间为2015年6-10月，采用口径16 cm，高11 cm的塑料盆，将污泥与园肥装盆时直接拌入盆栽土中。实验露天进行，每盆播种200 粒高羊茅种子(高羊茅实际草坪播种量为0.045～0.050 kg·m-2，根据花盆面积为0.01 m2、高羊茅千粒重为0.002 kg左右计算，故每盆播种量约为200 颗)，每天定时、定量浇水，保持土壤水分充足。试验设置的4种混施配比分别为GF(100%园肥，C/N=15.9)、SSG-1(污泥和园肥体积比1∶3，C/N=12.5)、SSG-2(污泥和园肥体积比1∶1，C/N=11.9)、SS(100%污泥，C/N=9.9)。将每种配比的土肥混合物按照从低到高确定施用量，均有4个梯度(占花盆体积百分比)，分别为T1(施加量25%)、T2(施加量50%)、T3(施加量75%)、T4(施加量100%)；另外以100%的土壤为对照(CK)。每个处理设置3个重复，共计4种配比×4个施用量处理×3个重复+3盆对照=51盆。

1.2.2指标测定及方法 土壤养分的测定：2015年6月1日将土肥混合物装入花盆静置，6月28日在花盆内随机取土3次，作为试验前土壤，播种10月1日试验完成，将整个花盆土壤全部倒出均匀取样，进行测定分析。土壤样品风干后过0.5 mm筛，装袋保存，作分析用。土壤全氮、全磷采用连续流动分析仪(AA3，德国SEAL)；全钾采用原子吸收光谱仪(TAS-990AFG，北京普析通用)；有机质采用高温外热重铬酸钾氧化法[12]；速效磷采用钼锑抗比色法[13]。土壤物理性质测定：称取过2 mm筛的风干土样0.002 kg于50 mL的三角瓶中，加入10 mL的去离子水，得到水土之比为5∶1的悬浊液，封口振荡30 min，用电导仪(MP521，上海三信)测电导率；称取过2 mm筛的风干土样0.01 kg于50 mL三角瓶中，加入25 mL去离子水，封口振荡30 min，用玻璃电极测pH。Cu、Zn、Pb、Cr重金属的测定：将土壤样品风干并研磨成粉末，并过0.15 mm筛。准确称取0.001 kg样品，用盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸(10∶5∶5∶3)消解后，所得溶液用电感耦合等离子光谱发生仪(Prodigy XP，北京利曼)测定重金属浓度。

1.3 数据处理及分析方法

采用R 3.2进行数据统计、Origin 2015软件作图，数据分析方法为单因素方差分析，差异显著的进行Duncan组间多重比较，显著性水平设为0.05；聚类分析采用最短距离法。

2 结果和分析

2.1 污泥与园肥混合施用对土壤养分的影响

盆栽试验前后，随施加量的增加养分含量也增加，T3、T4处理与对照相比差异显著(P<0.05)(表1)；试验后养分含量总体降低，其中速效磷和有机质的所有处理达到了显著水平(P<0.05)。SSG-1和SSG-2各处理的全氮、全磷和速效磷含量所处范围在种植植物前高于GF(100%园肥)和SS(100%污泥)，而试验过程中下降幅度大，剩余量低于纯废弃物添加的处理，说明混合之后降解速度加快，有利于植物吸收利用。

2.2 污泥与园肥混合施用对土壤电导率和pH的影响

试验后各处理的电导率均显著降低(P<0.05)，而CK则无明显变化(图1)；各配比的电导率在试验前后均在T3处理组达到最高值，且园林废弃物的T3组达到最大值；盆栽试验结束后，所有处理组均在3 ms·cm-1以下，T3处理仍为最大值，T1为最小值；试验前CK的电导率远低于其他各处理组，而试验后则与各配比的T1处理组基本相等。

所有配比的基质在试验前后均呈弱碱性，污泥与园林废弃物堆肥并没有产生过多的酸性物质(如腐殖酸等)(图2)；除了纯污泥，其他配比下的pH在试验后均降低(除T1处理)，同时，污泥比例增加，各处理pH整体降低，稀释了本研究所用潮土的碱性，说明混施有助于改善土壤pH，但也有可能有植物参与的作用。

2.3 污泥与园肥混合施用对土壤重金属的影响

整体来看，试验后4种重金属的含量均明显低于试验前，且大部分处理达到了显著水平(P<0.05)(图3)，说明高羊茅对重金属具有吸附作用。各种配比条件下，随施加量的增加，Zn和Cu的含量增加，而Pb和Cr的含量则降低。而试验前后纯园肥中的Pb的含量无明显差异，其他配比下均显著降低，说明加入园林废弃物堆肥对Pb的活性有抑制作用。

2.4 污泥与园肥混合施用后土壤性质与植物相互影响的分析

污泥与园林废弃物堆肥以不同比例混合对高羊茅的生长影响更明显，但混合物施用量较低时起促进作用，较高时会产生一定的抑制作用，且当二者的配比为1∶1 的低施用量条件下高羊茅的生长指标最高[14]。本研究表明，土壤理化性质及重金属指标和植物萌发与生物量指标可以归为3组。第1组为种子的发芽率、重金属Cr以及不同处理的施加量；第2组为重金属Pb与土壤性质；第3组为重金属Zn和Cu。

高羊茅种子的发芽率与废弃物的施加量以及Cr的含量相关性大(图4)。考察不同施肥处理下种子萌发率的情况，高羊茅种子的发芽率均在T1处理组达到最大值，且随施加量的增加而显著降低，Cr含量在各配比的T1处理组达到最大值，说明高羊茅种子的发芽率与Cr含量正相关，与施用量负相关；第2类中高羊茅的总生物量与土壤全氮含量相关性最大。考察不同处理下高羊茅累积总生物量的情况，最大值出现在SSG-2的T1处理组，全氮含量也是所有处理中最大，说明土壤氮含量对高羊茅的生长有正向影响作用；第3组可以看出重金属Zn和Cu与植物无相关性，观察植物性状也发现结果无明显的正负响应关系。

图1 污泥与园肥混合施用对土壤电导率的影响Fig. 1 Effects of mixed application of sludge and garden fertilizer on soil conductivity

同一处理不同小写字母表示试验前后差异显著(P<0.05)。

Different lowercase letters of same treatment indicate significant difference between the pre- and post-test at the 0.05 level.

图2 污泥与园肥混合施用对土壤pH的影响Fig. 2 Effects of mixed application of sludge and garden fertilizer on soil pH

3 讨论

本研究供试土壤为北京市昌平区的潮土，矿物养分含量丰富，但是氮磷钾有机质等贫乏，重金属Cr、Pb含量较高；污泥与园林废弃物作为改良基质施加后，相比于对照，养分含量均明显提高，有效改善了土壤的养分状况；且两种废弃物混合相比于单一的废弃物施加效果更加明显，结合高羊茅发芽和生长的情况，说明混合后的养分含量更适合植物的生长。本研究进一步发现，加入园林废弃物使得污泥中的营养物质释放规律发生变化，更有利于植物的长期吸收利用。此外，混合施用后速效磷的含量相比于对照提高了4倍左右，而全磷的含量在相同处理下相比于纯污泥则有所降低，这与其他相关研究的结果一致[15]，降低了磷淋溶的风险。

土壤的水分、盐分、有机质含量等会影响土壤的电导率，肥料的盐度也可以用电导率值来反映。一般认为，基质提取液[样品∶去离子水=1∶5(w/w)]电导率在 0.5～1.5 ms·cm-1内盐度适中，在1.5～2.0 ms·cm-1内为高盐度，大于2.0 ms·cm-1时为盐度过高[16]。研究发现，NaCl盐胁迫处理时，花花柴(Kareliniacaspia)种子随浓度的升高最终萌芽率逐渐降低[17]。本研究施用污泥与园林废弃物堆肥的各个处理组均处于高盐度范围，但种植高羊茅后电导率均有所降低，且大部分都在2.0 ms·cm-1以下。土壤盐分过高对植物生长会起到抑制作用，如T3处理组，而盐分过低则植物生长所需有机营养物质无法提供，如对照组。但长期施用是否会引起盐分积累还需进一步监测，以防盐分积累过高形成土壤次生盐渍化，产生烧苗现象。

图3 污泥与园肥混合施用对土壤重金属含量的影响Fig. 3 Effects of mixed application of sludge and garden fertilizer on soil heary metal

不同小写字母表示同一配比不同处理间差异显著(P<0.05);不同大写字母表示同一处理试验前后差异显著(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant difference among differe nt treatments of the same ratio at the 0.05 level. Different capital letters indicate significant difference between pre- and post-test.

图4 土壤性质与植物生长指标的聚类分析Fig. 4 Cluster analysis on soil properties and plant growth index

限制污泥土地利用的重要因素之一是其重金属含量，而重金属最容易累积污染的地方是城市土壤[18]，因此污泥的质量和施用量尤为关键。本研究使用的城市污泥Zn含量较高，可能是由于排水管道使用镀锌管造成的，而Cu、Pb、Cr的含量未超过国家土壤环境质量三级标准(保障植物正常生长的土壤临界值)，所以一次适量混合施用不会造成土壤重金属污染。重金属元素随污泥与园林废弃物堆肥的施入也进入土壤，随施用量的增加土壤中重金属元素含量也会增加。因为本研究的对照土壤中Cr和Pb浓度较高，加入吸附力较强的园林肥后反而对Cr和Pb有一定的稀释作用。同时，高羊茅作为北京城市园林绿化中常见的草坪草，对污染土壤重金属有一定的吸收能力。种植高羊茅后，土壤中的重金属浓度均有不同程度的降低，尤其是Pb的含量在试验后下降较为显著，Zn和Cr次之，而Cu含量下降不明显；说明高羊茅对不同重金属的富集作用效果不同。有研究表明，长期使用消化污泥的土壤来进行盆栽试验，Cu、Zn全量以及有效态的浓度会显著提高，与未施用污泥的对照相比，酸浸提态、还原态和氧化态金属的相对含量较大[19]。还有研究表明,重金属的形态对于植物对其的吸收利用有很大的影响。所以各种重金属在土壤中的存在形态(如植物可利用态)，可能比重金属总的含量更重要[20]。pH、土壤质地、有机质含量等是影响土壤中重金属形态的主要因素[21-23]，能够影响其在土壤中的移动性和生物有效性[24]。本研究只是对高羊茅进行了短期的盆栽试验，若要进行长期林地施用，则应对重金属的总量和各种形态进行分析，对各重金属浸出的风险大小进行监测。

在废弃物堆肥对植物生长的影响方面，本研究结果表明，种子发芽率与Cr的含量密切相关，而当Cr含量较高时，发芽率低，二者表现为负相关关系。土壤中的有机质对Cr的吸附与螯合作用以及土壤中六价Cr还原为三价Cr具有促进作用，在中性和碱性条件下，Cr3+以Cr(OH)3的形态沉淀[25]。本研究中，加入废弃物后盆栽土壤的有机质含量升高且pH均为碱性，两者共同作用使得高羊茅发芽率增加；但并非有机质越高、pH越大，发芽率就越高，其他重金属对种子萌发也有着影响。本研究只推断高羊茅的发芽跟重金属Cr含量关系密切，二者呈负相关关系，尚无法解释重金属对植物生长的影响机理和作用方式，此方面有待进一步的研究。

4 结论

本研究以污泥与园林废弃物堆肥按不同体积配比(1∶0、1∶3、1∶1和0∶1)混合作为改良基质，分析其对种植高羊茅后盆栽土壤的改良以及对植物的影响。研究结论如下：

1)园林废弃物与纯污泥1∶1混合后，土壤pH显著降低；混合物作为改良基质加入后，土壤电导率先升高后降低至正常范围。废弃物堆肥施加可以改善土壤的盐分状况，且并未造成盐分的累积。2)混合施用园林废弃物与污泥后，土壤有机质含量明显提高，尤其是速效磷含量增加显著。这说明混合施用促进了土壤微生物的作用，从而增加了土壤中磷的活性。3)混合物施用后，土壤重金属Cr、Pb、Zn、Cu含量均降低，尤其是Pb的含量变化明显，表明高羊茅对土壤重金属有一定的吸附能力；高羊茅吸收Pb的能力最强，Zn、Cr次之，Cu最弱。

References:

[1] 边振兴,王秋兵.沈阳市公园绿地土壤养分特征的研究.土壤通报,2003,34(4):284-290.

Bian Z X,Wang Q B.Study on urban park soil nutrients in Shenyang City’s green area.Chinese Journal of Soil Science,2003,34(4):284-290.(in Chinese)

[2] 康富军,唐世光.城市街道绿地土壤浅析.吉林林业科技,2003,32(4):43-45.

Kang F J,Tang S G.Analysis on the green land of urban street.Jilin Forestry Science and Technology,2003,32(4):43-45.(in Chinese)

[3] Srivastava B K.Effect of organic mulches and irrigation levels on soil temperature,water economy and yield of summer tomato.Vegetation Science,1984,11:1-9.

[4] 马秀梅.北京城市不同绿地类型土壤及大气环境研究.北京:北京林业大学硕士学位论文,2007.

Ma X M.Studies on soil and atmosphere environment in different green land in Beijing.Master Thesis.Beijing:Beijing Forestry University,2007.(in Chinese)

[5] Chen H,Yan S H,Ye Z L,Meng H J,Zhu Y G.Utilization of urban sewage sludge:Chinese perspectives.Environmental Science and Pollution Research,2012,19:1454-1463.

[6] Yoshida H,Christensen T H,Scheutz C.Life cycle assessment of sewage sludge management:A review.Waste Manage & Research,2013,31:1083-1101.

[7] Ramdani N,Hamou A,Lousdad A,Aldouri Y.Physicochemical characterization of sewage sludge and green waste for agricultural utilization.Environment Technology,2015,36:1594-1604.

[8] 尚明娟,曹骏,常智慧.污泥对草坪草逆境生理的影响.草业科学,2017,34(8):1591-1600.

Shang M J,Cao J,Chang Z H.Effect of biosolid on turf grass stress physiology.Pratacultural Science,2017,34(8):1591-1600. (in Chinese)

[9] 屈皖华,李志刚,李健.施用有机物料对沙化土壤碳氮含量、酶活性及紫花苜蓿生物量的影响.草业科学,2017,34(3):456-464.

Qu W H,Li Z G,Li J.Effects of fertilizing organic materials on contents of carbon and nitrogen,enzyme activity of desertified soils and alfalfa biomass.Pratacultural Science,2017,34(3):456-464.(in Chinese)

[10] 肖兴艳,张雷一,刘方,姚斌,龙健.两种土壤改良剂对3种牧草生长及土壤含水量的影响.草业科学,2015,32(11):1887-1891.

Xiao X Y,Zhang L Y,Liu F,Yao B,Long J.Effects of soil conditioners on growth of different forage species and soil moisture in Karst region.Pratacultural Science,2015,32(11):1887-1891.(in Chinese)

[11] 韩朝,常智慧.城镇生活污泥对绿地植物生长和生理的影响.草业科学,2014,34(4):641-649.

Han C,Chang Z H.Effects of sludge on growth and physiology of green plants.Pratacultural Science,2014,34(4):641-649.(in Chinese)

[12] 李书鼎,李雪莲.土壤植物系统重金属长期行为的研究.环境科学学报,2000,20(1):76-80.

Li S D,Li X L.Study on long-term behavior of heavy metals in soil-plant ecosystem.Acta Scientiae Circumstantiae,2000,20(1):76 -80.(in Chinese)

[13] 孙宗玖,朱进忠,张鲜花,郑伟,靳瑰丽,古伟容.放牧强度对昭苏草甸草原土壤有机质及速效养分的影响.草业科学,2013,30(7):987-993.

Sun Z J,Zhu J Z,Zhang X H,Zheng W,Jin G L,Gu W R.Influence of grazing intensity on soil organic matter and available of meadow steppe in Zhaosu.Pratacultural Science,2013,30(7):987-993.(in Chinese)

[14] 司莉青,陈利民,郑景明,周金星,彭霞薇.城市污泥与园林废弃物堆肥的混合施用对高羊茅萌发与生长的影响.生态学杂志,2016,35(10):2643-2650.

Si L Q,Chen L M,Zheng J M,Zhou J X,Peng X W.Effects of mixed sewage sludge and garden waste composts on germination and growth ofFestucaarundinaceL.Chinese Journal of Ecology,2016,35(10):2643-2650.(in Chinese)

[15] 邓佳.有机物料对紫色土磷的迁移化及有效性影响.重庆：西南大学硕士学位论文,2015.

Deng J.Effect of organic materials on the transformation and availability of phosphorus in purplish soil.Master Thesis.Chongqing:Southwest University,2015(in Chinese)

[16] 史贵涛,陈振楼,李海雯,王利,许世远.城市土壤重金属污染研究现状与趋势.环境监测管理与技术,2006,18(6):9-12,24.

Shi G T,Chen Z L,Li H W,Wang L,Xu S Y.Situation and trend of heavy metal contamination in urban soil.Environmental Monitoring Management and Technology,2006,18(6):9-12,24.(in Chinese)

[17] 石新建,王彦芹,李志军.盐旱胁迫对花花柴种子萌发与幼苗生理生化特性的影响.草业科学,2017,34(9):1855-1862.

Shi X J,Wang Y Q,Li Z J.Physiological changes during seed germination and seeding development inKareliniacaspiaLess,under drought and salinity stress.Pratacultural Science,2017,34(9):1855-1862. (in Chinese)

[18] Lou R,Wu S,Lyu G,Yang Q.Energy and resource utilization of deinking sludge pyrolysis.Applied Energy,2012,90:46-50.

[19] Kidd P S,Dominguez-Rodriguez M J,Dize J,Monterroso C.Bioavailability and plant accumulation of heavy metals and phosphorus in agricultural soils amended by long-term application of sewage sludge.Chemosphere,2007,66:1458-1467.

[20] Weber J,Karczewska A,Drozd J,Licznar M,Licznar S,Jamroz E,Kocowicz A.Agricultural and ecological aspects of a sandy soil as affected by the application of municipal solid waste composts.Soil Biology and Biochemistry,2007,39:1294-1302.

[21] 丁园.重金属污染土壤的治理方法.环境与开发,2000,15(2):5-28.

Ding Y.The management of polluted soils by heavy metal.Environment & Development,2000,15(2):5-28.(in Chinese)

[22] Franz Z,Walter W W.Nickel and copper sorption in acid forest soils.Soil Science,2000,55:463-472.

[23] 陈世宝,华珞,白玲玉,韦东普.有机质在土壤重金属污染治理中的应用.农业环境与发展,1997,14(3):26-29.

Chen S B,Hua L,Bai L Y,Wei D P.Application of organic matters in the improvement of soil polluted by heavy metals.Agro-environment & Development,1997,14(3):26-29.(in Chinese)

[24] 任理想.土壤重金属形态与溶解性有机物的环境行为.环境科学与技术,2008,31(7):69-73.

Ren L X.Heavy metal species in soil and environment behavior of dissolved organic matter.Environment Science & Technology,2008,31(7):69-73.(in Chinese)

[25] Dhal B,Thatoi H N,Das N N,Pey B D.Chemical and microbial remediation of hexavalent chromium from contaminated soil and mining/metallurgical solid waste:A review.Journal of Hazardous Materials,2013,250/251:272-291.