高级厌氧消化制污泥有机肥对油松和榆树林木生长及养分积累的影响

孙 昱，彭祚登，熊建军，贾清棋，崔 超，张晓娟，李海洋，马富亮，杨文彬，姚 海

（1.北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083； 2.北京城市排水集团有限责任公司，北京 100044）

城市污水处理厂在污水净化处理过程中产生的固态、半固态及液态废弃物污泥，是由有机残片、细菌体、无机颗粒及胶体等组成的及其复杂的非均质体[1-3]。我国城市污泥年产生量每年以10%的速率递增[4]，预计到2020年将达到6 000～9 000万t[5]。城市污泥中含有病菌、寄生虫、有机污染物、盐类物质及重金属等多种有毒有害物质，若得不到妥善处理，必然会对自然环境造成严重的污染[1,6]。但是城市排水产生的污泥中含有大量的N、P、K 等植物营养元素及丰富的有机质，若经过恰当的处理可制成有机肥，施于土壤中可提高土壤肥力，促进植物生长。在林地中施用被认为是目前城市污泥消纳较好的途径之一[1,7]。

国外对城市污泥在林用方面的研究起步较早，数量较多。Mc Intosh、Jokela、Selivanovskaya、Olivier 等学者分别对美洲五针松Pinus strobusL.、杂交杨Populus deltoidesspp.，P.angulata×P.trichocarpa、湿地松Pinus elliottiiEngelm.、欧洲赤松Pinus sylvestrisL.及胭脂栎Quercus cocciferaL.等多个树种进行过污泥堆肥施用试验，研究表明施用污泥堆肥对林木成活率、胸径、树高、生物量、根系生长及叶片养分积累均有明显促进作用[8-11]；我国在城市污泥林用方面缺乏工程实践，相关研究也较少。而李艳霞、高浩洁、武亚敬等[12-14]对污泥用作育苗基质进行过研究，结果表明污泥用作育苗基质可以显著促进国槐Sophora japonicaL.、刺槐Robinia pseudoacaciaL.及油松Pinus tabulaeformisCarr.苗木苗高、地径及生物量增长，提高叶绿素含量，使苗木绿期延长。这些研究结果均表明城市污泥制肥林用可以有效促进林木的生长发育和养分积累。

目前，针对污泥堆肥林用效果的研究较多，而城市污泥直接堆肥的堆体存在含水量高、异味大等问题，会对其在林地中的施用作业及施用效果造成一定的影响[15]。近年来新兴的污泥热水解技术有效解决了这些问题，经过高温热水解、厌氧消化、板框脱水、破碎处理后制成的高级厌氧消化污泥有机肥脱水性和稳定性大大提高，异味减小，更适宜于林地施用[16-17]，但目前对高级厌氧消化制污泥有机肥在林业的应用研究还处于空白，其施用效果及施用量标准还有待进一步研究。因此本研究基于北京地区平原沙地土壤有机质含量较低、保水保肥能力较弱的实际，选择北京市平原生态林主要造林树种油松和榆树Ulmus pumilaL.作为研究对象，探究高级厌氧消化制污泥有机肥在不同施用量条件下对油松和榆树林木生长发育及养分积累的影响及不同树种的最佳施用量，以期为沙地环境条件下施用高级厌氧消化制污泥有机肥用于人工林抚育提供理论依据，并为城市污泥在林业上的应用和推广奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于北京市大兴区北臧村镇绿色港湾平原造林地块（39°39′4.63″～39°40′48.60″N，116°13′42.15″～116°14′27.17″E），属暖温带半湿润大陆季风气候，年平均气温为11.6 ℃，年平均降水量556 mm，降水主要集中在7—9月份[18-19]。试验区位于永定河中上游冲积平原，地势较为平坦，土壤为冲积性砂质壤土，土壤通气透水性好，蓄水保肥能力较差[19-20]。本研究在该造林地块选取5年生油松和榆树人工林，株行距均为4 m，林木长势及管护措施等均较为一致。供试林地土壤基本理化性质本底值见表1。

表1 供试林地土壤基本理化性质†Table1 Basic physicochemical properties of forest soil

1.2 供试材料

供试材料来自北京市排水集团高碑店再生水厂，为城镇再生水厂污泥经过高温热水解预处理后再经厌氧消化处理生产的污泥产品（有机肥料）。供试肥料的理化性质本底值见表2。

表2 高级厌氧消化制污泥有机肥基本理化性质†Table2 Basic physicochemical properties of advanced anaerobic digestion sludge organic fertilizer

1.3 试验设计

各树种试验采用完全随机区组试验设计，参照CJ/T 362《城镇污水处理厂污泥处置林地用泥质》中的相关规定，将热水解污泥有机肥的林地施用浓度设为6 个水平，施用量分别为0 kg/株（CK）、15 kg/株（T1）、30 kg/株（T2）、45 kg/株（T3）、60 kg/株（T4）、75 kg/株（T5），各3 次重复，每个树种林地中设置18 个试验小区，在每个小区内选择10 株长势基本一致的林木进行试验。

本试验于2017年7月进行试验布设，采取穴施的方法，根据树木的滴水线情况选择距树基40～60 cm 距离，在待测样株两侧各挖一个深度 30 cm 左右，长度、宽度各40 cm 左右的施肥穴，按照不同处理的施用量将污泥有机肥平均分配施用于两施肥穴内，施用后均用林地土壤覆盖，并立即灌溉。

1.4 测定指标与方法

各树种试验区内林木生长指标基础值于2017年7月施肥前进行测定。其中，林木胸径DBH（cm）使用胸径钢围尺进行测定；树高H（m）使用trupulse200 激光测距仪进行测定；冠幅用皮尺测定树南-北、东-西两个方向的冠长a、b（m），并使用公式（1）计算出冠幅投影面积S（m2）。施肥一年后（2018年7月）对林木生长指标进行第二次测定。

林木叶片叶绿素含量于2018年5—7月每月测定一次，在各树种的每个试验小区内分别选择3 株样本树取20 g 左右新鲜叶片，均匀混合后装入信封中立即带回实验室，用湿棉布擦净叶片表面污染物，再将叶片剪碎后称取0.2 g用15 mL95% 乙醇浸泡制成提取液，使用分光光度计测定叶绿素a、b 含量及叶绿素总含量[21]。

林木叶片全氮、全磷、全钾含量于施肥后翌年9月进行测定，在各树种的每个试验小区内分别选择3 株样本树取20 g 左右叶样，均匀混合后装入信封中，进行编号后带回实验室，用湿棉布擦净叶片表面污染物，再将叶片剪碎，用四分法缩分后在80 ℃～90 ℃鼓风干燥箱中杀青15～30 min，再降温至60 ℃～70 ℃，烘干至易磨碎状态，冷却后粉碎，过0.25 mm 筛，密封备用。叶片全氮含量采用自动定氮仪法；土壤全磷含量采用钼锑抗比色法；叶片全钾含量采用火焰光度计法测定[22-24]。

1.5 数据处理

使 用Microsoft Excel 2016 和SigmaPlot 12.5进行数据计算和图表绘制，用SPSS18.0 软件进行统计分析，采用单因素方差分析进行显著性检验 （P＜0.05），多重比较采用最小显著性差异法（LSD，各处理样本容量不相等时）及图基检验法（Tukey，各处理样本容量相等时）[25-26]。

2 结果与分析

2.1 施用高级厌氧消化制污泥有机肥对林木生长的影响

2.1.1 不同施肥处理对林木胸径生长的影响

由表3可知，在不同施肥条件下，各处理间油松林木年胸径增长量不存在显著差异，但与对照（CK）相比，T1、T2、T3、T4、T5 处理胸径增长量均有所上升，且增长量基本呈现随施肥量增加而增大的趋势，其中T5 处理胸径增长量最大，为0.896 cm；而对于榆树来说，不同施肥处理间林木年胸径增长量存在显著差异（P＜0.05），胸径增长量随施肥量增加呈现先增大后减小的趋势，其中T2、T3、T4 处理显著高于对照处理，T4 处理胸径增长量达到最大，为0.543 cm。

表3 不同施肥处理林木胸径变化†Table3 Changes in DBH of trees under different fertilization treatments

2.1.2 不同施肥处理对林木高生长的影响

不同施肥处理油松和榆树林木树高年变化见表4。对于油松来说，各处理间林木树高年增长量不存在显著差异，随施肥量增加，树高增长量呈现先减小后增大的趋势，T1、T2、T3 处理树高年增量小于对照，而T4、T5 处理则大于对照组，其中T5 处理树高年增长量最大，为0.338 m；而在不同的施肥条件下，各处理间榆树林木树高年增长量存在显著差异，与对照相比，T3、T4 处理树高年增量分别提高了67.2%和92.4%，显著高于对照（P＜0.05），且树高增加量随施肥量增加基本呈现先增大后减小的趋势，其中T4 处理增加量最大，这与胸径增长量的变化趋势基本一致。

2.1.3 不同施肥处理对林木冠幅的影响

在不同的施肥条件下，油松、榆树林木冠幅年变化见表5。其中油松林木冠幅投影面积年增加量随施肥量的增加呈现先增加再减小再增大的趋势，其中T1、T4、T5 处理冠幅投影面积增加量显著高于对照（P＜0.05），T1 处理增长量达到最大，为1.878 0 m2；而对于榆树来说，各施肥处理林木冠幅投影面积年增加量均小于未施肥的对照组，但处理间差异不显著。

表4 不同施肥处理林木树高变化†Table4 Changes in height of trees under different fertilization treatments

表5 不同施肥处理林木冠幅变化†Table5 Changes in crown of trees under different fertilization treatments

2.2 施用高级厌氧消化制污泥有机肥对林木叶片叶绿素含量的影响

2.2.1 不同施肥处理叶片叶绿素a 含量变化

由图1（a）可知，5、6、7月在各处理试验林木采集的油松针叶中叶绿素a 含量均无显著差异；而对于榆树来说，5月和6月对照组叶片中叶绿素a 含量均小于各施肥处理，但各处理间并不存在显著差异，而7月采集叶片各处理间叶绿素a 含量存在显著差异（P＜0.05），各施肥处理叶绿素a 含量均高于对照组，其中T2、T4、T5 处理显著高于对照组，T4处理达到最高，为1.853 1 mg/g（图1（b））。

2.2.2 不同施肥处理叶片叶绿素b 含量变化

如图2（a）所示，5、6、7月份各处理间油松针叶中叶绿素b 含量也均没有显著差异；5、6月份各处理间榆树叶片中叶绿素b 含量无显著差异，但各施肥处理均高于对照，7月份采集叶片各处理间叶绿素b 含量存在显著差异（P＜0.05），叶绿素b 含量随施肥量增加呈现的变化趋势与叶绿素a 基本一致，其中T4 处理叶绿素b 含量最高，且显著高于不施肥对照，与对照相比高出73.48%（图2（b））。

图1 不同施肥处理油松（a）、榆树（b）叶片叶绿素a 含量变化Fig.1 Changes of chlorophyll a content in leaves of Pinus tabulaeformis (a) and Ulmus pumila (b) under different fertilization treatments

图2 不同施肥处理油松（a）、榆树（b）叶片叶绿素b 含量变化Fig.2 Changes of chlorophyll b content in leaves of Pinus tabulaeformis (a) and Ulmus pumila (b) under different fertilization treatments

2.2.3 不同施肥处理叶片叶绿素总量变化

叶片叶绿素总量为叶绿素a 与叶绿素b 含量之和。在不同施肥条件下，5、6、7月份各处理间油松针叶叶绿素总量仍均无显著差异（图3（a））；而就榆树而言，5、6、7月份各施肥处理叶片叶绿素总量均高于对照组，但5、6月份各处理之间并无显著差异，7月份T4 处理叶绿素总量显著高于对照（P＜0.05）（图3（b））。

图3 不同施肥处理油松（a）、榆树（b）叶片叶绿素总量变化Fig.3 Changes of chlorophyll content in leaves of Pinus tabulaeformis (a) and Ulmus pumila (b) under different fertilization treatments

2.2.4 不同施肥处理叶片叶绿素a/b 变化

5、6、7月份油松各处理针叶中叶绿素a 与叶绿素b 比值均无显著差异（图4（a））；而对于榆树而言，5、6、7月份各施肥处理叶片中的叶绿素a 与叶绿素b 比值均低于对照组，但5、6月份各处理间无显著差异，而7月份T4 处理叶绿素a与叶绿素b 的比值显著低于对照（P＜0.05），且叶绿素a 与叶绿素b 比值大小随施肥量增加的变化趋势与叶绿素a、叶绿素b 含量以及叶绿素总量变化趋势相反（图4（b））。

图4 不同施肥处理油松（a）、榆树（b）叶片叶绿素a/b 变化Fig.4 Changes of chlorophyll a/b in leaves of Pinus tabulaeformis (a) and Ulmus pumila (b) under different fertilization treatments

2.3 施用高级厌氧消化制污泥有机肥对林木叶片养分吸收的影响

在林木施用高级厌氧消化制污泥有机肥一年后采集不同处理油松当年生针叶及榆树叶片测定其中全氮（N）、全磷（P）、全钾（K）含量。由表6可知，所有施肥处理油松针叶中N 含量均高于对照组，其中T3 处理针叶中N 含量最高，达13.396 7 g/kg，显著高于对照（P＜0.05）；各施肥处理油松针叶中P 含量也均高于对照组，但与对照相比变化均不显著；对于油松针叶中的K 而言，T1、T2、T3 处理含量均高于对照组，但各处理之间差异均不显著。不同施肥处理榆树叶片N、P、K 含量变化情况见表7，其中各施肥处理榆树叶片中N 含量均高于对照，但各处理之间差异不显著；而对照组叶片中P 含量高于各施肥处理，且显著高于T3、T4、T5 处理（P＜0.05）；与对照相比，各施肥处理中K 含量无显著差异。

3 结论与讨论

林木的生长状况是判断肥料种类和施肥量是否合适的重要依据。先前国外有较多研究尝试在林地中进行干污泥或污泥堆肥施用试验，施肥一段时间后林木的胸径、树高及生物量等方面与未施用林木相比存在一定的差异，且这种差异通常是有利的[9,27-28]。而经高级厌氧消化处理制成的城市污泥有机肥施用于林地中同样对林木生长存在影响。本研究表明，在平原生态林中定株施用高级厌氧消化制污泥有机肥一年后，施用量为45 kg/株、60 kg/株能够显著促进榆树林木生长，胸径、树高均有显著增加，其中施用量60 kg/株时长势最好，这是由于将高级厌氧消化制污泥有机肥采用穴施定株施用后，其中的有机质和氮、磷、钾等营养成分可以被林木所吸收利用，且污泥有机肥可以提高土壤酶的活性，对土壤中有机质的分解和腐殖质的矿化有一定的促进作用，从而改善地力，在一定程度上促进了林木生长[29-30]，而施肥量继续增大时，胸径和树高则呈现下降趋势，说明过高的施肥量可能对榆树生长有所抑制，这与王新等对榆树苗木进行污泥堆肥施用试验的研究结果相一致[31]；油松冠幅增量在施肥量为15 kg/株时达到最大，说明该施用量最适宜油松树冠生长，而当施肥量增加到30 kg/株和45 kg/株时，油松的树高和冠福增量均有所下降，这可能是由于在此施肥量条件下污泥中重金属对于树木高生长和树冠生长的抑制作用较强，削弱了肥料中养分的促进作用，当高肥量状态下（60 kg/株、75 kg/株），树高和冠幅增量又有所上升，这可能是由于高施肥量条件下肥料中高含量养分促进作用＞重金属抑制作用，其作用机理有待进一步研究；而在不同施用量条件下油松胸径不存在显著差异，这与前人对于其它松属林木研究结论相一致[8]，但胸径呈现随施用量增加而增大的趋势，这可能是由于油松作为针叶树种本身生长速度较为缓慢，需要长期观测才能比较出其胸径生长的差异[32]。

表6 不同施肥处理油松针叶养分含量变化†Table6 Changes of nutrient content in needles of Pinus tabulaeformis with different fertilization treatments

表7 不同施肥处理榆树叶片养分含量变化†Table7 Changes of nutrient content in leaves of Ulmus pumila with different fertilization treatments

叶绿素是植物体所必需的光合色素，其作为光能吸收、传递和转化的主要物质载体，在光合作用中占据重要地位[33]，其中叶绿素a 作为光合作用中心色素分子，在光合作用中将光能转化为电能，进行电子传递并最终转化为化学能，而叶绿素b 具有吸收并传递光能的能力[34]。研究结果表明，5、6月份榆树叶片中各处理之间榆树叶片中叶绿素含量无明显差异，而7月份施肥量为60 kg/株处理的榆树叶片中叶绿素a、叶绿素b 含量及叶绿素总量均显著高于对照，其他处理叶绿素含量也均高于对照，这可能是由于7月份林木进入生长旺盛期，施用高级厌氧消化制污泥有机肥有利于在这一时期林木叶绿素a、b 的合成，促进光能的吸收、传递及转化过程；叶绿素a/b 值随施肥量增加而呈现的规律与叶绿素含量变化规律相反，7月份施肥量为60 kg/株的处理榆树叶片叶绿素a/b 值最小，且显著小于对照，有研究表明叶绿素a/b 值与叶绿素含量呈负相关，叶绿素含量越高，叶绿素a/b 值越低，植物叶片颜色越深[34]，且叶绿素a/b 值反映了叶绿体的光合作用活性，比值越小即叶绿素b含量相对较高时，叶绿体对2，6-二氯酚靛酚的还原能力越强，从而增强光合磷酸化活性，提高净光合效率，促进林木的生长发育[35]。对于油松而言，本研究分别在5—7月初采集油松针叶，分别采集的为油松一年生针叶、当年生幼叶和当年生成熟叶，结果表明油松针叶叶绿素含量一年生针叶＞当年生成熟叶＞当年生幼叶，衣宁等[36]的研究发现对油松生长贡献最大的是一年生针叶和当年生成熟叶，当年生幼叶未发育成熟，光合功能还不完善，本研究中各施肥处理一年生针叶中叶绿素a、b 含量均高于对照，但无显著差异，这说明施用高级厌氧消化制污泥有机肥可能对油松一年生针叶中叶绿素合成有潜在促进作用，但由于施肥时间较短，作用不够明显，因此需要进行长期监测。

叶片是树体上对土壤矿质营养反应最为敏感的器官，作为地下部分向上输送的矿质营养储存库，其养分状况可以在一定程度上反映树体的养分吸收状况，因此可作为评判林地施肥肥效的指标[37-38]。本研究表明，施用高级厌氧消化制污泥有机肥可以在一定程度上促进油松针叶中氮的吸收，这可能是由于该肥料中氮（31.6 g/kg）、磷（54.2 g/kg）含量较高，有研究表明增施氮、磷可以增加油松针叶中传输组织面积，从而增强针叶的水分贮存和养分吸收运转能力[39]；而油松针叶中氮、磷、钾含量随施肥量增加基本呈现先增后减的趋势，在施肥量为45 kg/株时达到一个较高水平，而施肥量增加到60 kg/株和75 kg/株时呈下降趋势，这说明过大的施肥量可能并不能对油松针叶养分吸收起到促进作用。榆树叶片中磷含量在施肥量为45、60、75 kg/株时有明显下降趋势，说明污泥有机肥过高的施用量可能会对榆树叶片中磷的吸收产生负效应，这与Korcak 等[40]对红橡树的研究结果相一致。

综上所述，施用高级厌氧消化制污泥有机肥对榆树、油松平原生态林林木生长发育存在一定的积极作用，在施肥量为60 kg/株时，榆树林木胸径、树高生长量及叶片叶绿素含量均达到最大值，是最利于榆树林木径向、高生长以及进行光合作用的施肥量；此外，高级厌氧消化制污泥有机肥的施用对油松的冠幅生长以及针叶中氮的吸收有较为明显的促进作用，且对油松径向、高生长以及对油松生长贡献最大的一年生针叶叶绿素合成可能存在潜在的积极影响，需要进一步探究。而施用该肥料也可能对林木生长存在一定的负面效应，如较大施用量会对榆树叶片中磷的吸收存在消极影响，其作用机理需进一步探究。此外，对林地施肥肥效的评价是一项综合技术，应结合林地土壤状况以及林木生长状况评判林地施肥的效果，本研究重点关注施用高级厌氧消化制污泥有机肥后林木的响应，可能存在一定的局限性，还应在下一步研究中重点关注高级厌氧消化制污泥有机肥施用后林地土壤中的养分以及重金属的积累情况，结合林木及林地土壤的响应情况，综合评价高级厌氧消化制污泥有机肥在林地的施用效果，确定不同树种的最适施用量。