4个杨树品种人工林生活污水处理效应分析

白保勋，李中香，陈东海，徐婷婷，张新玲，王广力，李利源

1. 郑州市农林科学研究所，河南 郑州 450005；2. 上蔡县林业技术推广站，河南 驻马店 463800；3. 郑州市城市道路绿化管理处，河南 郑州 450000；4. 项城市城市园林绿化管理处，河南 周口 466200；5. 郑州万年春园林工程有限公司，河南 郑州 450000

杨树速生，广泛栽培于中国各地，中国杨树人工林栽培面积居世界首位（冯烨等，2019；葛晓敏等，2017；谢涛等，2012）。在杨树生长过程中，尤其是速生期，杨树生长所需养分和水分较多，在短轮伐、连作的经营模式下，往往导致土壤地力急剧下降，导致其后续生产力不足（冯烨等，2019）。生活污水含有多种污染物，包括氮、磷等，是一种具有利用价值的水资源（于婷等，2019；向衡等，2018；郭新亚等，2019），生活污水中氮、磷为植物生长提供了有利条件。由于杨树根系深，小于1 mm的细根所占比重大，能够吸收大量污染物和水分，所以被广泛应用于污水植物修复（Isebrands et al.，2001）。

生活污水中盐含量较高，而林木生长对盐的反应敏感（Westphal et al.，2001），用污水灌溉林地时，污水中的钠离子、氯离子等将危害林木（Alados et al.，2001；万琼等，2019），生长指标可以指示胁迫情况，枝、叶、根生长量可以作为直接的生长参数（Aronsson，2000）。

在污水土地处理的研究中，对污水处理的工艺流程和参数、污染物去除途径等研究较多（王书文等，2006；陈永杏等，2011），但是对污水土地处理植物材料筛选及污水处理效益研究较少。本研究旨在了解生活污水林地生态处理系统中不同杨树品种对生活污水的响应，包括各器官生长量、主要污染物含量与积累量，不同杨树品种人工林污水处理效应，选择适宜的杨树品种作为污水处理的植物材料与水力负荷，为生活污水杨树林地处理技术的应用提供依据。

1 研究区概况与试验设计

1.1 研究区概况

林地生活污水处理试验在郑州市南 5.5 km处的龙湖镇进行，地理坐标 113°42′36″E，34°36′50″N，海拔136 m，地下水位8.59—9.30 m。暖温带大陆性气候，年平均气温14.4 ℃，年平均降水量640.9 mm，无霜期220 d，土壤类型为潮土。

试验用生活污水来自于龙湖大学城排污口，生活污水中主要污染物按国标（GB 18918—2002）规定的方法测定，生活污水中钾离子含量用火焰光度法测定。污水 pH 值为 (7.5±0.2)，污水中 BOD5、COD、TN、TP、TK、Na+与 Cl-含量分别为：(42.7±8.6)、(743±161)、(27.5±5.8)、(2.8±0.5)、(96.13±19.22)、(208±16) 与 (629±49) mg·L-1，其中 COD、TN 和 TP含量超过了国标规定的三级标准；污水中Hg、Cd、Pb 的平均含量分别为 0.001、0.003、0.014 mg·L-1，均未超过国标规定的标准值（国家环保总局等，2002）。

在当地‘中林2001’杨（Populus euramericanacv.‘Zhonglin2001’）、欧美 107杨（Populus euramericanacv.‘74/76’）、I-72杨(Populus euram ericanacv. San Martino‘I-71/58’）、‘中林46’杨（Populus xeuramericana(Dode) Guiner CL.‘zhonglin-46’）4种杨树品种栽培面积较大，长势良好，4年生时均已基本郁闭，即将进入速生期，林木生长需要大量的水分与养分，故本研究选择 4年生的‘中林2001’杨、欧美107杨、I-72杨与‘中林46’杨树人工林进行生活污水处理试验。试验地4种品种杨树人工林的密度均为2000 plant·hm-2左右，林相整齐，立地条件相近。

1.2 试验设计

试验分为4个小区，每个小区有1个杨树品种。在各小区采取随机抽样的方式布设样地，试验样地规格为20 m×20 m，样地采取随机抽样的方式布设，不同品种各设一个对照（0 cm·week-1），5个处理（3、6、9、12、15 cm·week-1），对照与每个处理均重复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。

采用利用型慢渗方法进行污水处理试验，污水处理系统田间配水工程包括沉淀池、田间垄沟等。在样地周围打上40 cm高的水堰，对试验林地进行平整，垄沟呈南北向，沿垄沟供水。污水土地处理的工艺流程为：原污水→污水提升泵→沉淀池→林地输配水系统→土地-植物-微生物系统净化→补给地下水（高拯民等，1991）。生活污水处理进行了两年，每年3月15日开始，11月15日结束。在试验期间，如果降水量超过10 mm，则根据降水量与雨后天气（如大风）状况适当推迟污水处理时间，防止林木出现倒伏现象。

2 材料与方法

2.1 土样采集与化学性质测定

在各处理样地按“S”形布点，用土壤取样器采集表层0—20 cm土层的土样，充分混合后装入封口塑封袋，按样地与样点号编号，带回实验室分析，土壤样品pH值测定采用电位法，有机质含量采用重铬酸钾法，土壤全氮测定采用开氏定氮法，全磷含量采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法，全钾与钠离子含量采用火焰光度法（鲍士旦，2000）。

2.2 林木生长指标的测定

在污水生态处理试验开始前与结束后，分别测定各样地林木的胸径与树高，各样地按径阶与树高分别选择 3—5株代表株，测定枝、干、根的生物量，分层采集枝样品、干、根样品。把枝、干、根样品放在干燥箱中，在 70 ℃烘至恒质量，然后测定其干质量，根据试验开始前与结束后林木各器官总鲜质量与样品干鲜质量，计算代表株各器官的生长量，根据代表株各器官平均生长量乘以单位面积杨树株数，得到每公顷杨树各器官生长量。

2.3 林木养分与钠含量测定

污水处理试验结束后，分别在各样地采集枝、干、根样品，带回实验室分析，测定植物样品中氮、磷、钾、钠、钾含量。氮含量测定采用奈氏比色法，磷含量测定采用钒钼黄比色法，钾和钠含量的测定采用火焰光度法（鲍士旦，2000）。

2.4 数据处理

采用 SPSS 19.0软件进行数据处理及统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著法（LSD）比较不同数据组间的差异，采用Pearson相关系数评价不同因子间的相关关系。

采用Excel软件，用生活污水处理后各处理杨树各器官生长量乘以其对应氮、磷、钾、钠含量，得到不同处理杨树各器官氮、磷、钾、钠积累量。

3 结果与分析

3.1 污水处理后土壤化学性质的变化

各处理土壤pH值在8.34—8.40之间，呈碱性，试验用生活污水的pH值呈中性，对各处理表层土壤pH值影响不大，对照与各处理之间土壤pH值之间无显著差异。生活污水处理增加了林地土壤养分含量，土壤有机质、全氮、全磷含量随着水力负荷的增加而增加，在9 cm·week-1水力负荷达到最大值，全钾含量在6 cm·week-1水力负荷达到最大值后，随着水力负荷的增加而减少。污水林地处理样地，土壤有机质、全氮、全钾含量均高于对照，在对照与各处理之间差异显著，土壤全磷含量在对照与各处理之间差异不显著。林地处理生活污水增加了土壤钠离子含量，随着水力负荷的增加，土壤钠离子含量增加，在12 cm·week-1水力负荷达到最大值，在 15 cm·week-1水力负荷下降，与对照相比，污水处理显著增加了土壤钠离子含量（表1）。

3.2 污水处理后杨树生长量的变化

I-72杨枝、干、根生长量均随着水力负荷的增加而增加，在 9 cm·week-1达到最大值，然后随着水力负荷的增加而降低，污水处理的林地，枝、干、根生长量均高于对照；欧美107杨与‘中林2001’杨枝、干、根生长量随着水力负荷的增加而增加，地上部分生长量在 6 cm·week-1达到最大值，然后随着水力负荷增加而降低，枝、干、根生长量均高于对照；‘中林46’杨枝、干、根生长量随着水力负荷的增加而降低，枝、干、根生长量均低于对照。方差分析结果表明，同一杨树品种在6个水力负荷下枝、干、根生长量之间差异显著（表2）。

表1 土壤化学性质Table 1 Soil chemical properties

对4个杨树品种与水力负荷下杨树生长量进行了方差分析，结果，不同品种杨树人工林生长量有极显著差异，不同水力负荷下杨树总生长量有显著差异（表3）。

表2 杨树枝、干、根与总生长量Table 2 Branch, trunk, root and total growth of poplar plantations

表3 不同品种与水力负荷总生长量方差分析结果Table 3 Variance analysis results of total growth of different varieties and hydraulic loads

3.3 污水处理后氮、磷、钾、钠含量的变化

3.3.1 氮、磷、钾、钠含量

I-72杨、欧美107杨、‘中林2001’杨、‘中林46’杨枝、干、根中氮、磷、钠含量随着水力负荷增加而增加，在 6—12 cm·week-1达到最大值，然后随着水力负荷增加而下降，以上3种元素含量均高于对照。4个杨树品种枝、干、根中钾含量随着水力负荷增加而减少，钾含量均低于对照。同一杨树品种在不同水力负荷下氮、磷、钠含量有显著差异（表4）。

3.3.2 杨树平均氮、磷、钾、钠含量差异显著性

对不同品种与水力负荷下杨树各器官平均氮、磷、钾、钠含量分别进行了方差分析，结果表明，不同品种平均钾含量差异不显著，不同水力负荷下平均钾含量，不同品种与水力负荷下平均氮含量、磷含量、钠含量均具有极显著差异（表5）。

3.3.3 杨树各器官不同元素含量相关性

本次测定的杨树不同器官中主要元素可分为 2类，非金属元素和金属元素，不同杨树品种对氮与磷非金属的吸收量呈极显著、显著或不显著正相关性，表明杨树对非金属元素的吸收可以同时进行，相互之间没有影响；对同价钾、钠金属元素的吸收量呈极显著、显著或不显著负相关性，由于生活污水处理增加了土壤中钠离子浓度，表明同价金属离子在通过根系进入杨树各器官时互相排斥，杨树对钠吸收量增加可能导致杨树根系对钾离子的吸收量降低（表6）。

3.4 氮、磷、钾、钠积累量变化

氮、磷、钾、钠积累量大小表明了不同杨树品种在不同水力负荷下对污水中氮、磷、钾、钠的吸收能力。随着水力负荷增加，I-72杨、欧美107杨、‘中林2001’杨、‘中林46’杨枝、干、根中单位面积平均氮、磷、钾、钠积累量增加，在一定水力负荷达到最大值后又随着水力负荷增加而降低，但是I-72杨、欧美107杨污水处理后单位面积平均钾积累量低于对照；‘中林46’杨污水处理后枝单位面积平均氮、磷、钾积累量，干与根中单位面积平均磷、钾积累量低于对照（表7）。杨树各器官氮、磷、钾、钠积累量主要受杨树生长量与这些元素含量变化相关，杨树生长越快，这些元素含量越高，其积累量越高，反之则越低。

方差分析结果表明，不同水力负荷下杨树磷总积累量差异显著，不同品种杨树磷积累量，不同品种与水力负荷下氮、钾、钠总积累量均具有极显著差异（表8）。

4 讨论

4.1 生活污水处理对杨树生长的影响

适量的生活污水处理增加了 I-72杨、欧美 107杨、‘中林 2001’杨的生长量，水力负荷过大，其生长量降低，其中‘中林 2001’杨生长量增加量最大，其次为欧美107杨与I-72杨，不同品种杨树人工林生长量有极显著差异，不同水力负荷下杨树总生长量有显著差异，表明不同杨树对生活污水的响应差异明显，污水处理增加了这些杨树品种生长量。在较低水力负荷时，林木各器官中钠积累量较低，养分含量增加有利于杨树生长。在较大水力负荷，土壤中的水分与盐含量较高，抑制了林木生长。生活污水处理减少了‘中林46’杨树人工林生长量，‘中林46’杨对盐含量敏感度较高（Zalesny et al.，2007），钠离子在各器官中的大量积累可能抑制了其生长。

4.2 生活污水对杨树生长的胁迫作用

杨树的生长过程对盐的反应非常敏感（张川红等，2002），叶面积影响植物光和作用（Zalesny et al.，2007），随着生活污水水力负荷增加土壤中较高的盐含量抑制了杨树生长。在较高水力负荷时，欧美107杨、‘中林2001’、I-72杨生长量降低，生长量可以指示污水胁迫。研究表明，不同品种平均钾含量差异不显著，不同水力负荷下杨树平均钾含量、不同品种与水力负荷下杨树平均钠含量均具有极显著差异。随着水力负荷增加，杨树对钠的吸收量增加，可能抑制了根系对钾的吸收，生活污水对杨树生长的胁迫可能与林木对钾的吸收量减少密切相关。此外，生活污水水力负荷过大，杨树根系长期处于淹水状态，使根系退化，可能导致根系对养分和污染物的吸收能力降低，从而使林木生长受到了抑制。

4.3 不同杨树品种对污水的净化潜力

生活污水处理使3个杨树品种的生长量增加，林木各器官中氮、磷、钠的积累量增加，污水中氮、磷与钠等污染物被林木吸收，可以吸收净化大量的氮、磷、钠污染物。污染物积累量是林木从处理系统中吸收的污染物物含量，植物污染物积累量是反映植物净化潜力的重要指标之一，其大小由生长量和植物体内污染物决定（陈永华等，2008）。虽然生活污水林地生态处理增加了4个杨树品种氮、磷、钠的积累量，但是‘中林2001’、I-72杨、欧美107杨各器官中的氮、磷、钠的积累量明显高于‘中林46’杨，对污水的净化能力更强。

表4 不同器官氮、磷、钾、钠含量Table 4 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium content of different organs

续表4 不同器官氮、磷、钾、钠含量Continued table 4 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium content of different organs

表5 不同品种与水力负荷下平均氮、磷、钾、钠含量方差分析结果Table 5 Variance analysis results of mean N, P, K, Na contents in different varieties and hydraulic loads

表6 不同元素含量的相关性Table 6 Correlation between different elements

4.4 杨树林地生活污水处理效应

生活污水中营养物质具有促进林木生长的正效应，同时生活污水中钠离子、氯离子等对林木生长具有负效应，深入研究生活污水杨树林地处理的正效应与负效应，有助于选择适宜的杨树品种与水力负荷，保障杨树林地处理生活污水处理系统的正常运行，不断提高杨树林地生活污水处理效率。

5 结论

（1）适当的水力负荷促进了‘中林2001’杨、I-72杨、欧美107杨的生长，在较大水力负荷时，生活污水中较高的盐含量对这些杨树品种的生长产生了胁迫作用，导致其生长量降低。生活污水处理抑制了‘中林46’杨生长。

（2）生活污水林地处理增加了杨树各器官中氮、磷等营养物质与钠积累量。‘中林2001’杨、I-72杨、欧美107杨各器官中氮、磷等营养物质与钠积累量明显高于‘中林46’杨，对污水的净化潜力更强。

（3）从林木生长量、污染物含量与积累量变化规律判断，‘中林2001’杨人工林处理生活污水处理效应最强，其后依次为欧美107杨、I-72杨，‘中林 46’杨污水处理效应最差。因此‘中林 2001’杨最适宜作为生活污水处理的植物材料，其次为欧美107杨、I-72杨，‘中林46’杨不宜作为生活污水处理的植物材料，杨树人工林生活污水处理的适宜水力负荷为6—9 cm·week-1。参考文献：

表7 不同器官氮、磷、钾、钠积累量Table 7 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium amassment of different organs

续表7 不同器官氮、磷、钾、钠积累量Continued table 7 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium amassment of different organs

表8 不同品种与水力负荷氮、磷、钾钠总积累量方差分析结果Table 8 Variance analysis results of mean N, P, K, Na accumulation in different varieties and hydraulic loads

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