城市排水污泥对竹柳扦插苗生理特性及N、P、K含量的影响

唐 胶, 彭祚登, 贾清棋, 熊建军, 刘春和, 冯天爽

(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；3.北京市黄垡苗圃，北京 102602)

城市污泥是城市污水处理过程中产生的生物质残片，通常呈絮状体，含水率可达80%以上[1].随着我国城镇化和工业化的高速发展，污水处理厂处理污水的力度和成效日益加强，产出的污泥量也在不断增加，如何安全有效地处理污泥是经济发展中面临的重大课题.污泥中含有多种有机物以及N、P、K等营养元素，采用合理的方式将污泥进行堆肥化处理后施用，能够提高土壤肥力，促进植物生长，但同时污泥中还含有一定量的重金属以及难降解的有机毒物，成为其推广应用过程中的主要限制因素[2].相较于污泥农用而言，将污泥用于林业绿化，可以避开人类食物链，促进林业植物生长，同时还可以利用某些林业植物对重金属的高富集特性，更好地实现污泥的资源化、经济化和生态化目标.因此，污泥林用是当前污水处理厂污泥资源化利用的重要方式[3].

目前，关于污泥对植物施用效果的研究已有许多报道.如污泥的施入不会降低竹柳(Salixspp.)扦插苗的成活率，且当污泥施用量为3 kg·m-2时能够明显促进扦插苗新梢、根系的生长发育[4]；添加一定量的污泥对榆树(UlmuspumilaL.)[5]、红叶石楠(Photiniafraseri)[6]叶片叶绿素含量的提高具有促进作用；施用污泥对绿地植物可溶性糖、可溶性蛋白等渗透调节物质均表现出有益影响，对增强植物抗性具有良好的效果[7-9]；污泥的合理施用还能够促进高羊茅(Festucaarundinacea)[10]、黄梁木(Neolamarckiacadamba)[11]、尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)[12]对N、P、K等养分元素的吸收，具有明显的正效应.

竹柳为杨柳科(Saliaceae)柳属落叶乔木，具有富集重金属、生长迅速、繁殖能力强等特点，现已逐渐发展成为园林绿化、盐碱地造林、湖泊滩涂造林及荒漠、戈壁、撂荒地生态修复的理想树种，在污泥资源化土地利用上具有良好的应用前景[13-15].以往学者对城市污泥施用效果的研究多针对于林地乔木或盆栽幼苗，对于其在苗圃营养繁殖育苗中的施用研究鲜少.因此，本研究以城市排水污泥为试验材料，选取竹柳为试验对象，在平原沙地苗圃环境下，探讨城市排水污泥的施用对竹柳扦插苗生理特性的影响，以期为城市排水污泥在苗圃营养繁殖育苗方面的应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于北京市大兴区黄垡苗圃，地理坐标为东经116°20′，北纬39°34′，属暖温带半湿润大陆性季风气候.该区多年平均气温11.6 ℃，极端最低气温-27.4 ℃，极端最高气温40.6 ℃，多年平均降雨量556 mm，其中，7—9月份的降雨量占全年降雨总量的60%～70%，全年无霜期209 d，年平均日照总时数2 772 h.试验育苗地地势平坦，土质为沙质壤土，平均厚度2 m，透水透气性好，保肥蓄水能力弱[16].试验地土壤的基本理化性质如表1所示.

表1 试验地土壤的基本理化性质1)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil from the experimental site

1.2 试验材料

插穗来源于北京市大兴区黄垡苗圃培育的8年生竹柳大苗，苗木长势良好，管护情况较为一致.

供试城市排水污泥来源于北京市排水集团高碑店再生水厂，为城市污泥经过高温热水解预处理工艺，再经过厌氧消化处理后制得的污泥产品，其各项指标均符合GB/T 24600—2009[17]中规定的限定值.城市排水污泥的基本理化性质如表2所示.

1.3 试验设计

试验采用单因素完全随机区组方法，参照GB/T 24600—2009[17]中的相关规定，设置3、6、9 kg·m-2共3个污泥施用量，分别设为T1、T2、T3处理，同时设置不施污泥为对照(CK)，共4个处理，3次重复.试验苗床为低床，各试验小区净育苗面积为5 m2，整地工作于2019年3月底进行，同时将城市排水污泥按照不同的施用量均匀施入各试验小区地表，翻耕入土.采穗时间为2019年7月25日清晨，选取当年生半木质化、健康无损伤的竹柳枝条，剪成长度约15 cm、粗度约1 cm的插穗，上端剪口离顶芽上方1 cm处平切，下端剪口于底芽下方2 cm处斜切，尽量保证上下端切口平整，避免劈裂，每根插穗保留2～3个芽和1～2片叶.剪好后先将插穗基部浸入0.1%高锰酸钾溶液中消毒30 min，再在含量为0.012 5%的ABT-6号生根粉溶液中浸泡20 min，最后于各试验小区南北方向进行扦插，共计扦插4行，每行30株，其他农事操作均为常规管理.

表2 城市排水污泥的基本理化性质Table 2 Basic physical and chemical properties of urban sewage sludge

1.4 测定项目及方法

于扦插后第35天统计记录扦插苗成活株数(记为w)，并使用公式计算成活率(记为W)，W/%=(w/120)×100.分别于扦插后的第35、50、65、80天，在每个试验小区内多点混合采集健康无损伤的叶片，装入自封袋用冰盒保存迅速带回实验室，流水洗净后擦干叶片表面水分，过液氮放置在-80 ℃超低温冰箱中存放，用于生理生化指标的测定.其中，叶绿素a、叶绿素b的含量采用乙醇浸提法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝染色法测定[18].结合前人的研究结果，植物中可溶性糖和淀粉的总含量在非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)中的占比达到90%以上，因此将NSC含量定义为可溶性糖和淀粉含量之和，测定方法采用蒽酮比色法[19].

于2019年10月底，在各试验小区内选取3株长势较为一致的标准苗木，将其整株取出后带回实验室，用于全氮(N)、全磷(P)、全钾(K)含量的测定.植物样品先用自来水缓慢冲洗干净，再用去离子水淋洗3次，吸干样品表面水分，将其分为根、茎、叶3个部分，剪碎装入信封，先于105 ℃下杀青20 min，再在80 ℃下烘干48 h至恒质量，用不锈钢粉碎机粉碎样品后过40目尼龙筛备用.采用H2SO4-H2O2法消煮植物样品，获得待测样液，N、P含量采用Smartchem 450型全自动间断化学分析仪测定；K含量采用火焰分光光度计法测定[20].

1.5 数据处理

数据以平均值±标准误表示.采用Microsoft Excel 2010和SPSS 25.0软件进行数据整理与分析，采用单因素方差分析方法(one-way ANOVA)，若分析结果显示差异显著(P<0.05)，则采用Duncan法进行多重比较.

2 结果与分析

2.1 施用城市排水污泥对竹柳扦插苗成活率的影响

不同污泥施用量下竹柳扦插苗的成活率如表3所示.表3显示：竹柳扦插苗的成活率为58.61%～70.00%；与CK相比，T1、T2、T3处理对扦插苗的成活率均无显著影响.

段文瀚解释说，第一个“绿色”之所以叫“绿色矿山”，是因为云天化采用最先进、效率最高的开采技术，极大提高了对磷矿石的利用率，做到了对资源的充分利用和循环利用。除此之外，云南的磷矿大都是胶磷矿，杂质含量较多，这就需要采用先进的浮选技术对胶磷矿进行加工，使其更干净、有害因子更少。同时，矿产开采完之后，云天化还会对土壤进行回填，利用先进技术进行浮土植被的种植。浮土植被的种植听起来简单，实际上对技术有很高的要求，前期投入巨大。据段文瀚介绍，上个世纪80年代至今，云天化单是复垦植被，恢复绿色的投入就将近10亿元，目的就是希望从源头支撑整个绿色发展理念的运行。

表3 不同处理下竹柳扦插苗的成活率1)Table 3 Survival rate of Salix spp. cuttings under different treatments

2.2 施用城市排水污泥对竹柳扦插苗叶片叶绿素含量的影响

从表4可以看出，竹柳扦插苗叶片叶绿素各指标的含量在整个测试期间呈现逐渐上升的趋势.扦插35 d后，叶绿素a含量为0.56～0.87 mg·g-1，叶绿素b含量为0.20～0.34 mg·g-1，叶绿素(a+b)含量为0.76～1.20 mg·g-1，不同处理下叶绿素各指标含量的大小表现均为：T1>CK>T3>T2，T1处理的叶绿素各指标含量最高，且与CK、T2、T3处理的差异显著，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)的含量分别比CK提高了39.79%、48.52%、42.12%；扦插50 d后，T1、T2、T3处理下的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)含量与CK相比均有所提高，其中以T1处理的含量最高，显著高于CK，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)的含量分别比CK提高了10.63%、14.56%、11.11%；扦插65 d后，不同处理的叶绿素各指标含量均有所增加，变化趋势与扦插50 d后的结果相似，叶绿素a含量为0.91～1.11 mg·g-1，叶绿素b含量为0.31～0.40 mg·g-1，叶绿素(a+b)含量为1.21～1.51 mg·g-1，T1处理下的叶绿素各指标含量显著高于CK，达到最大值，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)的含量分别比CK提高了22.79%、26.62%、24.73%；扦插80 d后，各处理间的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)含量均无明显差异.在扦插后的不同测试时间，各处理间的叶绿素a/叶绿素b均无明显差异.

表4 不同处理下竹柳扦插苗叶片中叶绿素的含量1)Table 4 Chlorophyll content in leaves of Salix spp. cuttings under different treatments

2.3 施用城市排水污泥对竹柳扦插苗叶片可溶性蛋白含量的影响

由表5可知，随着污泥施用量的增加，竹柳扦插苗叶片的可溶性蛋白含量总体呈现先增加后减少再增加的趋势.扦插35 d后，各处理的可溶性蛋白含量差别不大；扦插50、80 d后，可溶性蛋白含量分别为2.81～3.46、1.85～2.64 mg·g-1，T1处理的可溶性蛋白含量与CK相比有显著提高，处于最高水平，可溶性蛋白含量分别较CK提高了21.83%、42.70%；扦插65 d后，T1、T3处理的可溶性蛋白含量均显著高于CK，分别是CK的1.41、1.27倍.

表5 不同处理下竹柳扦插苗叶片中可溶性蛋白的含量1)Table 5 Soluble protein content in leaves of Salix spp. cuttings under different treatments mg·g-1

2.4 施用城市排水污泥对竹柳扦插苗叶片NSC含量的影响

表6显示，随着污泥施用量的增加，竹柳扦插苗叶片的可溶性糖含量在整个测试期间均呈逐渐增加的趋势.扦插50、80 d后，T1、T2、T3处理的可溶性糖含量较CK均有显著提高，其中，T3处理的可溶性糖含量达到最大值，分别是CK的1.36、1.64倍；扦插65 d后，仅T3处理的可溶性糖含量与CK的差异显著，比CK提高了14.15%；各处理的可溶性糖含量在其他测试时间的差异不大.

表6 不同处理下竹柳扦插苗叶片中可溶性糖、淀粉、NSC的含量1)Table 6 Soluble sugar, starch and NSC contents in leaves of Salix spp. cuttings under different treatments mg·g-1

扦插35、50 d后，T1、T2、T3处理下竹柳扦插苗叶片的淀粉含量均显著高于CK，其中，T1处理的淀粉含量处于最高水平，分别比CK提高了50.63%、36.29%；扦插65、80 d后，淀粉含量受污泥施用量的影响较小，与CK相比差异不大.

不同测试时间下，T1、T2、T3处理的竹柳扦插苗叶片NSC含量均显著高于CK，其中在扦插35、65 d后，NSC含量均以T2处理最大，较CK分别提高了39.22%、15.38%，而在扦插50、80 d后则以T3处理下的NSC含量最高，分别比CK提高了34.36%、53.90%.

2.5 施用城市排水污泥对竹柳扦插苗N、P、K含量及分配率的影响

2.5.1 N、P、K在竹柳扦插苗各器官中的含量 不同处理下N、P、K在竹柳扦插苗各器官中的含量如表7所示.

表7 不同处理下竹柳扦插苗各器官中N、P、K的含量及分配率1)Table 7 N, P and K contents and distribution rates in roots, stems and leaves of Salix spp. cuttings under different treatments

在根中，施入污泥后的P含量均有所上升，但各处理间的差异不明显；在茎中，P含量随着污泥施用量的增加表现出逐渐下降的趋势，T2、T3处理的P含量分别比CK下降了37.22%、42.93%，显著低于CK；在叶中，仅有T3处理的P含量与CK的差异显著，较CK提高了6.50%.

在根中，T1、T2、T3处理的K含量均高于CK，T1、T2处理的K含量分别是CK的1.36、1.18倍，与CK的差异显著；在茎中，T1处理的K含量显著高于CK、T2、T3处理，较CK提高了22.29%；在叶中，K含量在T1、T2处理下略有增加，但与CK相比并不存在明显差异.

不同处理下竹柳扦插苗全株N含量的大小表现为：T2>T3>CK>T1，T1处理显著低于T2、T3处理，此污泥施用量下苗木N含量较CK略有下降但差异不显著；全株P含量呈现出与N含量相同的变化趋势，大小表现为：T2>T3>CK>T1，但各处理间均不存在显著差异；全株K含量在T1、T2处理下显著高于CK、T3处理，其中以T1处理的K含量最高，是CK的1.25倍.

2.5.2 N、P、K在竹柳扦插苗各器官中的分配率 不同处理下N、P、K在竹柳扦插苗各器官中的分配率如表7所示.表7显示：除CK(叶>茎>根)外，其他处理N在各器官中的分配率均表现为:叶>根>茎，CK的N在根中的分配率最少，3种污泥施用量处理均能显著提高N在根中的分配率，而在叶中的分配率则呈现出与根相反的变化规律，T1、T2、T3处理的分配率较CK均显著下降；除T2处理(根>叶>茎)外，其他处理P在各器官中的分配率均表现为：叶>根>茎，施入污泥后，P在根中的分配率稍有提高，T2、T3处理下P在茎中的分配率较CK显著下降；不同处理下K在各器官中的分配率均表现为：叶>根>茎，T1、T2、T3 处理下K在根中的分配率较CK均略有提高，但与CK相比差别不大.

3 讨论与结论

不同的土壤环境能够为植物插穗提供不同的根部生长环境，对不定根的发生与生长产生直接影响，是影响插条成活率的重要因素之一[21].城市排水污泥含有较多的黏性颗粒以及丰富的有机物质，可作为一种极具潜力的土壤改良剂，用以提高沙土的保水、保肥能力[22].本研究结果表明，不同城市排水污泥的施用量，对竹柳扦插苗的成活率不存在明显的抑制作用，污泥施用量为6、9 kg·m-2时，成活率较CK略有提高，表明适量施用城市污泥能够改善土壤环境，不会对竹柳扦插苗的成活率产生消极影响.

叶绿素是植物体所必需的光合色素，其含量能够体现植物进行光合作用的潜力.高等植物的叶绿素主要包括叶绿素a、叶绿素b两种，其中，叶绿素a是光合作用的中心色素分子，直接决定了光合作用活性，叶绿素b则具有吸收光能并传递光能的作用[23].本研究中，竹柳扦插苗叶片的叶绿素在整个测试期间不断得到积累，各测定时间的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)含量均在污泥施用量为3 kg·m-2时达到最大值，并在扦插35、50、65 d后与CK的差异显著，表现出明显的促进作用；但当污泥施用量增加到6、9 kg·m-2时，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)的含量又有所回落.城市污泥富含植物生长所必需的营养元素，这些营养元素是影响叶片光合作用的重要因素，将污泥施入土壤后，土壤养分库得到了充分补给，从而促使植株旺盛生长，增强其光合作用的能力.但当污泥施用量过大时，其所含的重金属或较高的盐分可能会抑制植株的光合生理，造成叶面气孔收缩，阻碍叶绿素的合成，表现出胁迫现象，这与张灿[24]、郝瑞娟[25]分别对紫穗槐(AmorphafruticoseLinn.)、金叶女贞(Ligustrumvicaryi)施用污泥的研究结果相一致.本研究中，竹柳扦插苗扦插80 d后各处理间的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)含量均无明显差异，可能是由于测试前期环境适宜，扦插苗处于速生时期，叶绿素含量变化明显，而后期气温下降，光照减弱，苗木生长缓慢，影响叶绿素的合成与积累.

可溶性蛋白参与调控植物体内多种生理生化过程，测定其含量是了解植物生理生化代谢状况的一个重要方式[26].本研究中，竹柳扦插苗叶片可溶性蛋白含量在整个测试期间呈先增加后减少的趋势，扦插50 d后达到最大值，扦插60、80 d后开始下降，可能是由于测试后期气温下降，植物叶片中的可溶性蛋白逐渐向根部转移，以满足根部生理代谢的需求[27].增施污泥，整个测试期间的可溶性蛋白含量表现出先增加后减少再增加的趋势，峰值基本均出现在3 kg·m-2的施用量下，表明此施用量对促进可溶性蛋白的积累效果最优；6、9 kg·m-2的中、高污泥施用量下，各测试时间的可溶性蛋白含量均有所下降，原因可能是污泥中含有重金属等有毒离子，少量施用时虽然也有不定量的重金属离子被植株吸收，但并未超出其对植株造成毒害效应的阈值，加大污泥施用量后，有害离子在植株体内富集，产生对植物的胁迫作用，使蛋白质分解速度加快，合成受到抑制，进而表现为可溶性蛋白含量的下降，此结果与王育科[28]对油麦菜(Lactucasativa)施用城市污泥的研究结果相似.

NSC是参与植物生命代谢的重要物质，主要包括可溶性糖、淀粉，其中，可溶性糖是植物体内碳水化合物运输和利用的主要形式，淀粉是植物体内碳的主要存储物质，二者在一定条件下能够相互转化，以维持正常的生理活动[29-30].本研究结果表明，随着竹柳扦插苗生长时间的延长，叶片可溶性糖、NSC含量均逐渐上升，而淀粉含量则先上升后下降.有研究指出，插穗生根后，苗木体内所需的营养物质大部分来自于外界，通过根的养分吸收和叶片的光合作用，可溶性糖和淀粉开始逐渐在植株体内积累[31].本研究中，苗木叶片淀粉含量在测试后期下降，可能与两个原因有关：一是光照强度减弱，叶片光合产物合成减少，致使储存在于苗木体内的淀粉发生转化，以补充苗木生长对可溶性糖的需求[29]；二是竹柳为落叶树种，入冬前需要通过淀粉的转化，增加体内可溶性糖含量，以提高自身抗寒性.施入污泥后，扦插苗叶片的可溶性糖、淀粉含量相比CK均有所提高，NSC含量随着污泥施用量的增加总体呈现上升趋势，表明污泥的施用有益于扦插苗叶片NSC的积累.主要原因可能是平原沙地壤土中的养分较贫瘠，城市排水污泥可被作为良好的养分资源，同时污泥中含有较多的黏性颗粒，能够改善土壤结构，促进土壤团粒结构的形成，利于根系的营养吸收，且能在一定程度上提高叶片的光合能力，提高NSC的积累量[32-33].

N、P、K是植物生长的必需大量营养元素，其在植物体内的分配与积累，能够反映出植物的营养状况和生长质量[34].本研究中，不同处理竹柳扦插苗各器官的N、P、K主要集中于叶，其次为根、茎，叶片各养分元素的累积量占全株累积量的40%～60%，是整个植株养分贮存的主要器官.施入污泥后，根系各养分元素的分配率及积累量均有所提高，施用量为3、6 kg·m-2时的N、K含量均显著高于CK，表明污泥的施入能够促进竹柳扦插苗根系对养分的吸收，对地下部分的生长发育存在积极作用；而各养分元素在扦插苗茎、叶中的分配和积累随着污泥施用量增加的变化规律不规则，施入污泥后显著降低了叶片N的分配率，茎部P的分配率也在中、高污泥施用量下表现出明显的下降趋势.可能是由于施入污泥后重金属的作用，根系所吸收的部分养分向地上部分的运输受阻，进而导致分配率的下降[35].随着污泥施用量的增加，全株N、P含量的变化不明显，K含量则表现为先增加后减少的趋势，污泥施用量为3、6 kg·m-2时，K含量较CK有明显提高，此污泥施用量下扦插苗各器官的K含量较高.污泥施用量为9 kg·m-2时，K含量反而有所下降，可能与两个过程有关：一是污泥施用量过高，重金属对植物的胁迫作用增强，影响了扦插苗根系对K的吸收；二是高污泥施用量下，土壤中的养分过于丰富，出现养分奢养现象，扦插苗体内养分元素的承载量不会进一步增加[36].

综上所述，合理施用城市排水污泥能够对竹柳扦插苗叶片叶绿素、可溶性蛋白、NSC含量以及养分元素的积累存在一定的积极作用，且本研究中各污泥施用量对成活率均没有明显的抑制作用，综合考虑施用污泥后各项指标的响应情况，本研究认为城市排水污泥对竹柳扦插苗的施用量应控制在3 kg·m-2.本研究重点关注竹柳扦插苗生理指标对于城市排水污泥的响应，还存在一定的局限性.因此，在本研究的基础上还需进一步拓宽研究思路，长期持续地开展田间验证试验，对植株光合生理、养分含量等多项指标进行动态监测，探究污泥施用对苗木生长特性、土壤环境以及地下水环境的影响机理，以期能够科学准确地评估城市排水污泥在苗圃育苗方面的施用效果.