城市污泥和园林废弃物混合堆肥对桑树种子萌发和幼苗生长的影响*

乔 永 王小平,2

(1. 北京林业大学林学院 北京 100083； 2. 北京市园林绿化局 北京 100013)

近年来，随着我国园林绿化事业的逐渐推进以及污水处理比例的逐年提高，城市污泥和园林废弃物产量不断上升，预计到2020年，我国城市污泥年产量将达到6 000万～9 000万t(刘艳芳等， 2019; 张璐等， 2011)。在处理城市污泥和园林废弃物的过程中传统的填埋、焚烧等方式，需要占用大量土地，不仅会导致环境污染，还会造成污泥和园林废弃物中多种营养物质的浪费。城市污泥堆肥的土地和资源化是实现其无害化利用的有效途径(Zhangetal., 2018; 陈浩天等, 2018; Ferreiraetal., 2019)，即可显著提高土壤含水量和氮素含量以及植物的氮素含量和光合作用(Songetal., 2010)，长期施用污泥堆肥也能显著提高沙质潮土的肥力(冀拯宇等， 2018)； 而园林废弃物堆肥具有改良海滨盐碱土的作用(周文志等， 2019)，可明显促进佛甲草(Sedumlineare)生长(倪肖卫等， 2019)。但城市污泥和园林废弃物单独堆肥的也存在缺点，如污泥C/N低、含水率高、孔隙度低(Lakhdaretal., 2008; Kulikowskaetal., 2011)，且含有大量重金属，长期施用会导致土壤中重金属积累，存在环境安全风险(欧阳喜辉等， 1994; 颜紫云等， 2014; Pulkrabováetal., 2019)； 园林废弃物中以木质素和纤维素为主的有机质难以降解(张家齐, 2012; 张鹏飞等， 2018a; 2018b)，且电导率较高(王琳等， 2019)、N含量相对较低、肥力持续力不足(连鹏等， 2018)等。

研究表明，将城市污泥和园林废弃物混合堆肥，可弥补彼此的不足，降低环境风险，整体提高堆肥效果(赵霞等， 2019)。目前，我国城市污泥和园林废弃物混合堆肥研究还处于起步阶段(Morettietal., 2015; 司莉青等， 2018)，虽然已出台了《园林绿化废弃物堆肥技术规程》(DB11/T 840—2011)，规定了堆肥相关标准和腐熟度评价指标，但适用污泥土地利用的技术标准只有《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(GB/T 23486—2009)、《土地改良用泥质》(GB/T 24600—2009)和《农用污泥污染物控制标准》(GB 4284—2018)，且其只规定了营养成分、重金属和有机污染物的上限，并没有堆肥技术规程和施用标准等内容，针对污泥和园林废弃物混合堆肥及产品的土地利用尚无统一技术标准，有待进一步研究。

桑树(Morusalba)具有耐寒、耐干旱、耐水湿能力强等特性，且生长快，生物量大，经济价值高，在我国种植范围广。研究表明，桑树对重金属耐受能力强，且对Pb、Cd、Ni等富集能力强(Sietal., 2019)。目前，国内外针对污泥堆肥对桑树生长影响的研究还处于空白阶段，鉴于此，本研究在以往污泥和园林废弃物单独堆肥的土地利用基础上，以桑树为对象，研究不同施用量及不同配比的城市污泥和园林废弃物混合堆肥对桑树种子萌发和幼苗生长的影响，以期为城市污泥和园林废弃物的合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验用土取自北京林业大学实验林场，采集0～20 cm 表层土壤，去除枯枝落叶、石块等杂物，置于室内通风处阴干20天后过筛备用，其理化性质见表1。

桑树种子采自河南省，采摘后置于-4 ℃环境下保存。

污泥取自北京排水集团污水处理厂脱水污泥产品，pH7.15，全氮(TN)含量25.7 g·kg-1,全磷(TP)含量12.17 g·kg-1,重金属Pb含量34.58 mg·kg-1，Cr含量45.43 mg·kg-1、Cu含量95.68 mg·kg-1，Zn含量581.23 mg·kg-1，重金属含量符合《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(GB/T 23486—2009)和《城镇污水处理厂污泥处置-农用基质》(GJ/T 309—2009)A级污泥中关于重金属的规定，可进行堆肥后土地利用。园林废弃物取自北京市延庆县平原造林区，pH7.86，全氮(TN)含量14.89 g·kg-1,全磷(TP)含量1.45 g·kg-1。将城市污泥和园林废弃物按不同体积比(W01、W13、W11、W10分别为城市污泥与园林废弃物体积比分别为0∶1、1∶3、1∶1、1∶0用专用堆肥袋进行堆肥处理，堆肥袋装入底板为多孔筛板的发酵箱中，在筛板下采用热风机向上吹风方式进行强制通风好氧堆肥，堆肥过程中持续测量堆肥温度，待堆体温度经过快速升温、持续高温、降温3个阶段并保持室温一定时间且无明显臭味散发时结束堆肥，堆肥时间为42天。W01、W13、W11 3种配比堆体高温(≥50 ℃)持续时间均大于6天，可以初步判定堆肥完成。各配比堆肥产品理化性质见表1，重金属含量见表2，4种堆肥产品重金属含量均符合《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(GB/T 23486—2009)和《城镇污水处理厂污泥处置-农用基质》(GJ/T 309—2009)A级污泥标准，但W10配比堆肥产品As含量超过《有机肥料》(NY 525—2012)相关标准(未规定Zn、Cu含量)。

表1 供试材料基本理化性质①Tab 1 Basic physicochemical properties of the tested materials

①W10、W13、W11、W01代表为城市污泥与园林废弃物体积比为0∶1、1∶3、1∶1、1∶0。下同。W10，W13，W11，W01 represent the mixture ratio of municipal sludge and garden waste is 0∶1、1∶3、1∶1、1∶0.The same below.

表2 混合堆肥产品重金属含量Tab.2 Heavy metal content in composter of municipal sludge and garden waste

1.2 试验设计 试验于2016年4—10月在北京林业大学实验林场牡丹园1号温室进行。每种堆肥产品按施用量不同设置4个处理，每处理重复3次，并设置对照处理(CK)1组； 各处理基质采用4种堆肥产品与土壤按不同体积比进行充分混合[CK(纯土壤)、T1(堆肥: 土壤=1∶3)、T2(堆肥: 土壤=1∶1)、T3(堆肥: 土壤=3∶1)、T4(纯堆肥产品)], 稳定20天后用于盆栽试验。盆栽试验采用统一规格(上直径30 cm、底直径25 cm、高20 cm)、下垫托盘的塑料花盆进行，将各处理基质填充至距离盆上沿2 cm，每盆播种桑树种子50粒，播种后每天上午8: 00采用均匀喷洒方式浇水500 mL，盆内保持湿润状态。当种子萌发的试验结束后，按照“去弱留强、间密存稀、留匀留壮”的原则，每盆保留5株长势均一的桑苗，留作后续试验用。

1.3 指标测定 桑树种子发芽率： 发芽率=发芽种子数/供试种子数×100%。

株高： 播种30天后开始测量株高，每隔30天测量1次，共测量4次，每盆取平均高。

生物量： 最后一次株高测量后，对桑树进行破坏性取样，将所有桑树幼苗全部挖出，地上和地下部分分开，用自来水冲洗干净后再用去离子水清洗1遍，105 ℃烘箱中杀青2 h后，置于80 ℃下烘至恒质量。

重金属含量： 称取0.20 g样品于微波消解罐中用HNO3-HCl-HF-HClO4消解，消解、赶酸完成后用1% HNO3定容至50 mL，用ICP-AES测定，并通过校准曲线回归方程计算重金属含量。

1.4 数据处理 采用Excel软件统计分析数据，SPSS19.0软件进行单因素方差分析和Duncan多重比较， Origin 9.2绘图。

2 结果与分析

2.1 混合堆肥对桑树种子萌发的影响 4种堆肥产品不同施用量对桑树种子萌发的影响统计结果见表3。4种不同配比混合施肥的全部处理种子发芽率均低于CK，其中W01配比T1、W13配比T1和W11配比T1处理与CK差异不显著。W01配比中，发芽率呈逐渐下降趋势，最小值为T4处理(29.00%)。W13配比中，发芽率随施肥量增加呈降低趋势，最小值为T4处理(52.67%)。W11配比中，T1处理发芽率与CK差异不显著，但是随施肥量增加，发芽率开始下降，T4处理达到最小值(49.33%)，显著低于CK(P<0.05)。W10配比中，T1～T4所有处理发芽率均显著低于CK(P<0.05)，最小值出现在T4处理(17.00%)。在施肥量相同情况下，W10配比所有处理发芽率中均为最低(17.00%～68.33%)，这表明施用纯污泥堆肥对桑树种子萌发抑制作用最强烈。

表3 城市污泥与园林废弃物混合堆肥对桑树种子萌发的影响①Tab.3 Effects of mixed compost of sludge and garden waste on germination of mulberry %

①不同大写字母代表同一行差异显著(P<0.05)，不同小写字母代表同一列差异显著(P<0.05)。Different big letters meant significant difference at 0.05 level by Duncan multiple in the same line, and different small letters meant significant difference at 0. 05 level by Duncan multiple in the same column．

2.2 混合堆肥对桑树幼苗株高的影响 如图1所示，30天时，所有配比混合堆肥的全部处理幼苗株高均显著低于CK(P<0.05)，最低值均出现在T4处理，W10配比T4处理幼苗株高为CK的57%，而W01、W13、W11配比T4处理幼苗株高分别为CK的15%、17%和14%。60天时，仍是CK处理幼苗株高最高，W10配比T2、T3处理幼苗株高与CK差异不显著，T4处理为CK的60%； W01、W13、W11配比的全部处理幼苗株高显著低于CK(P<0.05)，最低值仍为T4处理。90天时，W10配比T2、T3、T4处理幼苗株高显著高于CK，T1处理与CK差异不显著(P>0.05)； W13和W11配比T1、T2、T3处理幼苗株高与CK差异不显著(P>0.05)，T4处理仍显著低于CK(P<0.05)； W01配比的全部处理幼苗株高仍显著低于CK(P<0.05)。120天时，4种配比的全部处理幼苗株高均显著高于CK(P<0.05)，W01配比T1处理、W13配比T3处理、W11配比T2处理、W10配比T2处理幼苗株高分别CK的120%、109%、126%和121%。

图1 城市污泥和园林废弃物混合堆肥对桑树幼苗株高的影响Fig.1 Effects of mixed compost of sludge and garden waste on plant height of mulberry seedlings

2.3 混合堆肥对桑树幼苗生物量的影响 如图2所示，4种不同配比混合堆肥幼苗地上生物量均随施用量增加先上升后下降，W01配比T1、T2处理幼苗地上生物量显著高于CK(15.68 mg)(P<0.05)，T3处理与CK差异不显著(P>0.05)，T4处理显著低于CK(P<0.05)； W13、W11配比T1～T3处理幼苗地上生物量显著高于CK(P<0.05)，全部处理幼苗地上生物量最高值为W11配比T1处理(26.01 mg)，相较CK增加64%，而W13配比T1、T2处理和W11配比T2处理幼苗地上生物量与CK无显著差异(P>0.05)，W13配比T4处理幼苗地上生物量显著低于CK(P<0.05)，W11配比T4处理与CK无显著差异(P>0.05)； W10配比T1、T2处理幼苗地上生物量显著高于CK(P<0.05)，T3、T4处理显著低于CK(P<0.05)，且W10配比T4处理为全部处理幼苗地上生物量最低值(7.42 mg)，仅为CK的47%。

4种不同配比混合堆肥桑树幼苗地下生物量随施用量均增加先上升后下降，各配比T1处理幼苗地下生物量均显著高于CK(9.78 mg)，全部处理幼苗地下生物量最大值出现在W11配比T1处理(17.33 mg)，较CK提高77%； 除W11配比T4处理幼苗地下生物量与CK无显著差异外，其余3种配比T4处理均显著低于CK，全部处理幼苗地下生物量最低值出现在W10配比T4处理(4.69 mg)，仅为CK的48%。

由图3可知，在所有处理中，幼苗根冠比(地下生物量与地上生物量比值)最高值均出现在W01配比T4处理(0.89)，高于CK 53%，且W01配比全部处理均显著高于CK(P<0.05)； W13配比T1处理与CK差异不显著(P>0.05)，其余处理均显著高于CK(P<0.05)； W11配比T1处理显著高于CK(P<0.05)，T2处理与CK差异不显著，T3、T4处理显著低于CK； W10配比全部处理均显著低于CK，且T4处理为全部处理幼苗根冠比的最低值，为CK的60%。

图2 城市污泥和园林废弃物混合堆肥对桑树幼苗生物量的影响Fig.2 Effects of mixed compost of sludge and garden waste on biomass of mulberry seedlings

图3 城市污泥和园林废弃物混合堆肥对桑树幼苗根冠比的影响Fig.3 Effects of mixed compost of sludge and garden waste on root/shoot ratio of mulberry seedlings

3 讨论

3.1 混合堆肥影响桑树种子萌发的原因 本研究发现，城市泥污和园林废弃物混合堆肥产品会对桑树种子萌发产生抑制作用，且抑制作用随污泥比例增加而增强，其中施用100%纯污泥堆肥抑制作用最强烈。原因可能是： 1) 污泥中含有一些激素类物质及多环芳烃(PAHs)和壬基苯(NP/NPE)等有机污染物，会抑制桑树种子萌发(余杰等， 2011; 王识宇, 2012; 司莉青等， 2016)； 2) 纯污泥堆肥产品的重金属含量较高，超出桑树种子萌发所能耐受程度，导致种子产生过量活性氧自由基，破坏细胞膜，进而造成细胞内物质大量外渗和有毒物质进入，同时重金属会抑制桑树种子蛋白酶、淀粉酶等多种酶活性，削弱其储存的蛋白质和淀粉等营养物质分解，减少种子萌发的能量供给(Lietal., 2005; 张桂玲, 2015; Kamilaetal., 2018)。而纯园林废弃物堆肥产品也对桑树种子萌发产生较强烈抑制作用，可能是因为其盐分含量过高，发生毒性效应和渗透效应，通过干扰膜代谢和降低渗透势进而抑制种子萌发(田赟, 2012; 李玉梅等， 2019)。

3.2 混合堆肥影响桑树幼苗株高的原因 本研究发现，在桑树幼苗生长前期(30～60天)，各配比混合堆肥产品随施用增加均会对桑树幼苗生长产生不同程度的抑制作用，其中园林废弃物堆肥含量越多，抑制作用越强，又可能是因为园林废弃物中的营养物质不能在短时间内充分释放并被植物吸收； 污泥堆肥和土壤混合对桑树幼苗前期生长抑制作用不强，可能是因为污泥堆肥中的营养物质能快速释放到土壤中并被桑树幼苗吸收；而纯污泥堆肥抑制桑树幼苗前期生长，可能是因为污泥中的重金属含量超过桑树幼苗所能耐受程度，破坏了桑树幼苗根部细胞内染色体和核仁(Muetal., 2019)，同时引起桑树幼苗体内细胞生化反应受阻，代谢紊乱，抑制生物大分子合成，进而抑制了幼苗生长(张大鹏等， 2012)。随时间延长，各配比混合堆肥产品对桑树幼苗生长的抑制作用减弱，在试验后期(120天)，一些配比处理转为促进桑树幼苗生长，其中W11配比T2处理幼苗株高达到最大值，表明园林废弃物堆肥中的营养物质随时间延长开始释放并被植物吸收，掺入园林废弃物混合堆肥产品对植物中后期生长具有促进性，可作为缓效释放肥料施用； W10配比T4处理纯污泥堆肥产品对桑树的抑制作用也在减弱，这可能是因为植物在胁迫条件下，对环境的适应性和抗逆性不断增强，自身活性氧系统合成了大量保护细胞的蛋白质，从而促进植物生长发育(付世景等， 2007)。有研究表明，植物幼苗受重金属胁迫时，会将糖类物质转移到根部，增加根部碳水化合物含量并保持蛋白质的水合度，同时平衡液胞间和细胞质的渗透势，进而提高对重金属的耐受性(顾艳红等， 2009; 龚宁等， 2010)； 另外，堆肥产品中的抑制物质逐渐分解流失，含量降低导致抑制作用降低(司莉青等， 2016)。

3.3 混合堆肥影响桑树幼苗生物量的原因 本研究发现，4种不同配比混合堆肥桑树幼苗地上、地下生物量均随施用量增加先上升后下降，其中W11配比T1处理效果最佳。随施用量增加，桑树幼苗地上、地下生物量积累均不同程度下降，表明过量施肥同样会抑制桑树幼苗生物量积累。有研究表明，过量N肥会导致桑树地上部分Rubico酶超过正常值，进而降低光合速率(Wengetal., 2005)； 过量P肥会抑制桑树蒸腾速率，降低水循环动力； 而过量K肥同样会影响植物的光合作用和蒸腾作用，抑制植物生长和生物量积累(黄盖群等， 2012)； 同时，过量施肥还会改变土壤碳源利用率，降低土壤微生物菌群多样性(纪梦梦等， 2018)。因此，在生产中应严格控制堆肥产品用量，避免因施肥过量发生毒害效应。各配比中，桑树幼苗地上、地下生物量的最大积累值均出现在相同处理中，在适当的配比和用量下，混合堆肥产品能规律性释放养分，促进桑树幼苗地上和地下部分同时生长。

根冠比在反映植物生长状况的同时也能反映土壤环境对根系和地上部分的不同影响(纪梦梦等， 2018)。本研究中，纯园林废弃物堆肥及园林废弃物占大比例的混合堆肥产品，桑树幼苗根冠比随施用量增加呈增加趋势，这可能是因为园林废物堆肥改变了土壤结构，增加了孔隙度，为根系生长提供了空间，同时堆肥产品的营养物质释放缓慢，养分供应速率低，根系的吸收表面积增大，消耗光合产物多，向地上部输送减少，影响地上部生物量积累，进而导致根冠比较大(王艳哲等， 2013)； 而在纯污泥堆肥产品及污泥占大比例的混合堆肥产品中，桑树幼苗根冠比随施肥量增加呈下降趋势，且纯污泥堆肥产品所有处理幼苗根冠比均显著低于对照，这可能是因为污泥堆肥中的营养物质能快速释放到土壤中被植物根系吸收并迅速向地上部分转移； 随施肥量增加，污泥堆肥中的有机污染物和重金属超过一定量会引起根系染色体损伤并抑制根尖细胞有丝分裂，从而抑制根系生长(何俊瑜等， 2009)。

4 结论

城市污泥和园林废弃物混合堆肥产品会对桑树种子萌发产生抑制作用，施用100%纯污泥堆肥抑制作用最强烈，在种子萌发时期不应施入含污泥堆肥产品。混合堆肥显著抑制桑树幼苗前期生长，但随时间延长抑制作用逐渐减弱，后期转为促进桑树幼苗生长。城市污泥和园林废弃物混合堆肥产品对桑树幼苗生长的整体促进效果优于各自单独堆肥产品，其中以W11配比T1处理(施用25%的污泥和园林废弃物体积比1∶1混合堆肥)效果最佳。