城镇生活污泥产品对国槐和银杏生长及氮磷钾含量的影响

杨英杰 唐 胶 崔 超 贾清棋 孙 昱 彭祚登 彭玉信

（1. 北京城市排水集团有限责任公司，北京 100044；2. 北京林业大学林学院，北京 100083；3. 北京市黄垡苗圃，北京 102602）

随着我国社会经济与城市化发展步伐的加快，城镇生活污水的排放量日益增多，污泥作为处理污水的副产物，其产量也随之增加[1]。污泥是由固体残渣、悬浮物质以及胶状物质等组合成的巨大集合体，其成分复杂，含水率高，不仅含有植物生长发育所需的多种养分元素、有机物质，还含有多种病原菌、寄生虫卵、重金属等有机毒物。在国内外的发展进程中，处置污泥的方式多为填埋、焚烧、投海和土地利用等，经过长久的实践发现，前3种处置方式均会给社会造成较重的环境压力和经济负担，之后逐渐被禁用，而污泥的土地利用则因其可持续性、资源节约性等优点，越来越受到社会各界的重视[2]。

当前，有关污泥的土地利用已经受到许多科研人员的广泛关注。Haraldsen等[3]学者将污泥与碎石、土壤混合为栽培基质，用于黑麦草（Lolium perenne）的种植过程，试验结果表明，黑麦草在含有污泥的栽培基质中的生长状况要优于纯土壤；Maehly等[4]在对高羊茅（Festuca arundinacea）的研究中发现，污泥的施入能够提高高羊茅的坪观质量、叶片含水量，同时还能够在缺水环境下显著降低其叶片的萎蔫程度，提高抗旱性；华正伟[5]开展了城市污泥的田间施用试验，结果表明，随着污泥施用量的增加，彰武小钻杨（Populus × xiaozhuanicacv. 'Zangwu'）的 株 高、胸径、叶面积以及成活率均有不同程度的提高，其幼苗叶绿素含量也呈现逐渐增加的变化趋势；刘洋[6]将污泥与铁尾矿砂混合后用于樟子松（Pinus sylvestris）苗木的栽培，结果显示，污泥的添加显著地提高了樟子松苗木的生物量、针叶叶绿素含量以及各器官的氮（N）、磷（P）、钾（K）元素含量。

厌氧消化工艺是处理污泥的传统方式，在欧洲已有超过100年的历史，但此种方式产出的污泥产品普遍存在含水率较高、异味严重等问题。随着世界各国对可再生能源以及经济效益的追求，高级厌氧消化技术已经成为近些年来污泥处理领域的新发展方向。城镇生活污泥产品（文中部分地方以“污泥”简称）即是采用高级厌氧消化工艺加工制成，相较直接进行厌氧消化的污泥产品而言，具有含水率大大降低、异味大幅减弱的特点，更适宜进行土地的资源化利用[7]。目前，虽然针对污泥施用效果的研究已有许多报道，但其中对高级厌氧消化工艺制得的污泥产品效果的研究却鲜少。鉴于此，本试验以城镇生活污泥产品为试验材料，选取国槐（Sophora japonica）和银杏（Ginkgo biloba）为试验对象，开展林地试验探究城镇生活污泥产品在不同施用量下对两树种生长状况和养分元素积累量的影响，以期为其在林业上的应用提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地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″N～39°40′48.60″N，116°13′42.15″E～116°14′27.17″E），属暖温带半湿润气候区，年平均气温为11.6 ℃，多年平均降水量为556 mm（1990—2009年），其中7—9月份降水量约占全年总降水量的60%～70%。试验区设于永定河中上游冲积平原，土壤为沙质壤土，通透性良好，保肥蓄水能力差[8−10]。国槐、银杏试验林地土壤基本理化性质见表1。

表1 试验林地土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of forest soil in the test forest

1.2 试验对象与材料

试验对象为在造林地块选取的5年生国槐、银杏人工林，株行间距均为4 m，林木总体长势良好，管护措施较为一致。

试验材料为北京城市排水集团高碑店再生水厂提供的城镇生活污泥产品，其主要理化性质见表2[11]，其中污泥林用限定值参照CJ/T 362—2011《城镇污水处理厂污泥处置 林地用泥质》[12]，试验材料的各项理化指标均符合污泥林用限定值。

表2 试验材料基本性状理化指标Table 2 Physical and chemical indicators of basic properties of test materials

1.3 试验设计

采用完全随机区组试验设计，参照CJ/T 362—2011《城镇污水处理厂污泥处置 林地用泥质》[12]中的相关规定，设置5个城镇生活污泥产品林地施用量梯度，依次为15 kg/株（T1）、30 kg/株（T2）、45 kg/株（T3）、60 kg/株（T4）和75 kg/株（T5），以不施污泥为对照（CK），重复3次。在国槐和银杏林地中各设置18个试验小区，各试验小区面积约为240 m2，并在每个小区内选取10株长势较为一致的林木作为标准木，两树种试验小区布设方式如图1所示（R1、R2、R3分别表示第1、2、3次重复）。于2017年7月，在待测标准木树基两侧约60 cm的位置各挖1个深30 cm、宽30 cm的施肥穴，按照不同的施用量将城镇生活污泥产品均匀分配施于两施肥穴，再用原土覆盖并立即灌溉，具体施用方式如图2所示。

图1 国槐和银杏林地各试验小区布设图Fig. 1 The layout of the test plots in the S. japonica and G. biloba forest land

图2 施用城镇生活污泥产品的方法示意图Fig. 2 Schematic diagram of the method of applying urban sewage sludge products

1.4 测定指标与方法

于2017年7月份（施用城镇生活污泥产品前）对试验区内林木生长指标进行测定，使用胸径尺测量林木1.3 m高处的胸径；使用Trupulse 200激光测距仪测量林木树高；使用皮尺测量林木东—西、南—北2个方向的冠长，分别记为x、y，并按公式（1）计算冠幅投影面积S。于2018年7月份（施用城镇生活污泥产品1年后）对林木生长指标进行第2次测定。

于2018年的5— 7月，在国槐和银杏的各试验小区内分别选择3株样本树，随机采集20 g左右无病虫害的新鲜叶片，均匀混合后装入信封中带回实验室，采用95%乙醇提取法进行叶绿素a、b含量的测定[13]。林木叶片的全氮（N）、全磷（P）、全钾（K）含量于2018年9月份进行测定，在各试验小区内分别选择3株样本树采集新鲜叶片，均匀混合装入信封带回实验室，将叶片表面擦拭干净后放入鼓风干燥箱中，先于105 ℃下杀青20 min，再于60～70 ℃中干燥48 h至恒质量，将烘干后的叶片粉碎并过60目筛，密封保存用于N、P、K含量的测定，其中N含量采用全自动凯氏定氮法进行测定[14]，P含量采用钼锑抗比色法进行测定[15]，K含量采用火焰分光光度计法进行测定[16]。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2013和SigmaPlot 12.5软件进行数据分析和制图，采用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析以及0.05水平下的Duncan多重比较[17−18]。图表中所有测定值均为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 施用城镇生活污泥产品对林木生长指标的影响

2.1.1 国槐和银杏树高年增长量的变化

如图3所示，在不同污泥施用量下，国槐的树高年增长量不存在显著差异，其树高增量的变化范围为0.20～0.35 m，除T2处理的树高增量略小于CK外，其余均高于CK，其中T4处理树高增量达到最大值，为0.35 m，是CK的1.77倍。对于银杏来说，不同处理下其树高年增长量同样不存在显著差异，树高增量变化范围为0.12～0.25 m，仅T5处理树高增量高于CK，较CK上升了13.6个百分点。

图3 不同处理下国槐和银杏树高年增长量的变化Fig. 3 Changes of high annual growth of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.1.2 国槐和银杏胸径生长的变化

由图4可知，不同处理国槐的胸径年增长量变化范围为0.57～0.80 cm，施入污泥后，胸径增量均有不同程度的提升，T1、T3、T4处理均显著高于CK（P<0.05），其中T3处理胸径增量达到最高水平，为0.80 cm，较CK增幅为40.35%。与未施污泥对照相比，施入污泥后银杏的胸径年增量均有所增加，总体呈现随污泥施用量的增加而增加的变化趋势，T5处理胸径年增长率达到最大值，且与CK差异显著（P<0.05），为0.64 cm，高出CK 52.38%。

图4 不同处理下国槐和银杏胸径年增长量的变化Fig. 4 The annual increase in diameter at breast height of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.1.3 国槐和银杏冠幅生长的变化

从图5中可以看出，施入污泥后国槐冠幅投影面积年增长量均有较为明显的提升，除T5处理与CK差异不显著外，T1、T2、T3、T4处理均与CK差异显著（P<0.05），较CK增幅分别为223.64%、241.82%、254.55%和210.91%，其中T3处理冠幅投影面积增量最大，为1.95 cm2。随着污泥施用量的增加，银杏冠幅投影面积增量总体呈现先增加后减小的变化趋势，其中T1处理增量最大，为2.13 cm2，高出CK 40.13%，但与CK相比并不存在显著差异。

图5 不同处理下国槐和银杏冠幅年增长量的变化Fig. 5 Changes in annual crown growth of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.2 施用城镇生活污泥产品对林木叶片叶绿素含量的影响

2.2.1 国槐和银杏叶片叶绿素a含量的变化

不同污泥施用量下国槐和银杏叶片叶绿素a含量的变化情况见表3。对于国槐来说，5月份除T1处理外，其他处理叶绿素a含量均高于CK，但与CK相比均差异不显著；6月份，所有污泥施用处理下的叶绿素a含量均高于CK，T3处理叶绿素a含量最高，为1.90 mg/g，但与CK相比差别不明显；7月份，不同处理下的叶绿素a变化范围为1.47～1.87 mg/g，T1、T2、T3、T4、T5处理均与CK差异显著（P<0.05），其中T4处理叶绿素a含量最高，较CK高出了30.77%。对于银杏而言，5月份叶绿素a含量变化范围为0.68～0.91 mg/g，但各施肥处理与CK相比均差异不显著；6月份，除T2处理较CK略有降低外，其余处理均有所上升，但各处理间并不存在明显差异；7月份叶绿素a含量在施用污泥后均有明显提升，T1、T2、T3、T4、T5处理均显著高于CK（P<0.05），其中T5处理叶绿素a含量为1.59 mg/g，达到最高值，为CK的1.79倍。

表3 不同处理下国槐和银杏叶片叶绿素a含量的变化Table 3 Changes of chlorophyll a content in leaves of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.2.2 国槐和银杏叶片叶绿素b含量的变化

如表4所示，对于国槐来说，5月份叶绿素b含量变化范围为0.74～0.90 mg/g，不同处理间的叶绿素b含量差别不大；施入污泥后，6月份叶绿素b含量均有明显上升，且叶绿素b含量随污泥施用量的增加总体呈现上升趋势，其中T3、T4、T5处理均显著高于CK（P<0.05），分别较CK增加了47.00%、77.00%、73.00%；增施污泥，7月份叶绿素b含量的总体变化趋势与6月份基本一致。对于银杏而言，不同处理下5、6月份叶绿素b含量均无明显差异，变化范围分别为0.22～0.31 mg/g和0.39～0.54 mg/g；施 入 污 泥后，7月份的叶绿素b含量均有所增加，T1、T2、T3、T4、T5处理均显著高于CK（P<0.05），其中T5处理达到最大值，为0.66 mg/g，高出CK 88.57%。

表4 不同处理下国槐和银杏叶片叶绿素b含量的变化Table 4 Changes of chlorophyll b content in leaves of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.2.3 国槐和银杏叶片叶绿素a+b含量的变化

由表5可知，不同处理对国槐5月份的叶绿素a+b含量影响不显著，变化范围为2.35～2.63 mg/g；随着污泥施用量的增加，6—7月份叶绿素a+b含量总体呈现逐渐上升的变化趋势，T4、T5处理与CK相比差异最显著（P<0.05），这与叶绿素b含量的变化趋势具有一致性。对于银杏来说，5—6月份的叶绿素a+b含量在不同处理下均不存在显著差异，其值变化范围分别为0.89～1.22 mg/g和1.41～1.91 mg/g；7月份，各污泥施用量处理下的叶绿素a+b含量均高于CK，T1、T2、T3、T4、T5处理均与CK存在显著差异（P<0.05），其值变化范围为1.24～2.25 mg/g，其中T5处理达到最高水平，高出CK 81.45%。

表5 不同处理下国槐和银杏叶片叶绿素a+b含量的变化Table 5 Changes of chlorophyll (a+b) content in leaves of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.2.4 国槐和银杏叶片叶绿素a/b变化

由表6可知，不同处理下的5、6、7月份国槐叶片叶绿素a/b的变化范围依次为1.93～2.20、1.05～1.87、1.58～2.30，仅6月份存在不同处理间的显著差异性（P<0.05）。6月份，T3、T4、T5处理国槐叶片叶绿素a/b均显著低于CK，其中T4处理最低，较 CK 降幅为43.85%。在银杏叶片叶绿素a/b的动态变化中，5、6、7月份各处理间均差异不显著，其值变化范围依次为2.74～3.11、2.51～2.62、2.35～2.50。

表6 不同处理下国槐和银杏叶片叶绿素a/b的变化Table 6 Changes of chlorophyll a/b in leaves of S. japonica and G. biloba under different treatments

2.3 施用城镇生活污泥产品对国槐和银杏叶片氮、磷、钾含量的影响

国槐、银杏叶片的N、P、K养分元素含量见图6。施入污泥后，国槐叶片N、K含量变化范围分别为18.04～22.81 g/kg和8.00～14.11 g/kg ，对比CK均有一定程度的减小，但并不存在显著差异；不同处理下叶片P含量差异显著，其中T1处理P含量最高，为5.91 g/kg，T4处理下叶片P含量最低，仅为2.35 g/kg，显著低于CK（P<0.05）。在不同污泥施用量下，银杏叶片的N、P、K含量变化范围依次为15.94～17.30、3.98～4.63 g/kg和3.00～5.67 g/kg，但不同处理之间差别均不大。

图6 不同处理下国槐和银杏叶片氮、磷、钾含量的变化Fig. 6 Changes of nitrogen, phosphorus, and potassium contents in leaves of S. japonica and G. biloba under different treatments

3 结论与讨论

树高、胸径、冠幅作为林木经营的重要测量因子，能够较为直观地反映林木的生长健康状况及对立地条件的响应情况[19−20]。本研究中，施用城镇生活污泥产品1年后，国槐的胸径、冠幅投影面积年增值均随污泥施用量的增加，呈现先增加后减小的变化趋势，且均在施用量为45 kg/株时取得最大值，在该施用量基础之上继续增施污泥后，国槐林木的各项生长指标反而有所下降。这可能是由于试验林地土壤多为沙质壤土，致使国槐立地中养分储量不足，城镇生活污泥产品中含有多种养分元素与有机物质，施入后能够改善土壤的物理、化学性质，提高土壤养分库水平，间接促进国槐林木的生长；但同时，污泥中还含有部分不利元素，当施用量过大时，会给土壤输入过量养分、重金属元素，进而造成对植物生长的抑制[21]，此研究结果与刘丽娟等[22]、史弋等[23]、王海艺等[24]、烟亚萍等[25]分别对臭椿（Ailanthus altissima）、白菜（Brassica bara）、洋白蜡（Fraxinus pennsylvanica）、楸树（Catalpa bungei）的研究具有相似性。随着污泥施用量的增加，银杏的胸径年增值呈现逐渐上升的趋势，当污泥施用量达到75 kg/株时，胸径年增值达到最大水平且与对照差异显著，这表明了城镇生活污泥产品对银杏林木的胸径生长具有明显的促进作用；而在不同的污泥施用量下，银杏树高的变化趋势与国槐相反，这可能是由于不同树种对污泥产品的响应存在差异性，低施用量下污泥中含有的重金属元素抑制了银杏树高的生长，但增大用量后其中所含养分的促进作用又大于重金属的抑制作用，因而表现为树高的增加。

光合作用是植物生长发育重要的生化过程，能够为植物的生命活动提供最初的营养物质[26−27]。叶绿素作为植物体内重要的光合色素，其含量体现了植物吸收、转化光能的能力，可作为评价植物生长发育状况的一项重要指标[28]，叶绿素a/b值与叶绿素含量和光合速率负相关，是影响光合速率的内在因素[29]。本研究表明，5月份国槐叶片的叶绿素b、叶绿素a+b含量及叶绿素a/b均变化不明显，6、7月份的叶绿素b、叶绿素a+b含量分别在污泥施用量为60 kg/株和75 kg/株时较对照显著提高，这可能是由于在6、7月份，国槐进入速生期，施用城镇生活污泥产品能够为其地上、地下部分的生长提供充足的养分，促进叶片的生长发育和光合色素的积累，提高叶绿素含量。对于银杏来说，不同处理间银杏叶片的叶绿素含量在5、6月份均无明显差异，当污泥施用量为75 kg/株时，7月份叶片的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量均达到最大值，这可能是由于银杏的生长代谢速率较国槐缓慢，城镇生活污泥产品施入前期对其叶绿素含量的影响不明显，进入7月份后银杏生长速度加快，污泥养分对林木的滋养作用逐渐显露，这与以往学者对银杏的生长与生理特征的研究结果相一致[30]。

叶片是植物体内进行能量交换的主要器官，也是最为重要的养分贮藏部位，有研究表明，叶片中养分含量的高低不仅能反映植物的营养状况，还能够展现土壤营养成分的变化，具有重要的研究意义[31−33]。本研究中，国槐叶片的P含量在城镇生活污泥产品施用量超过15 kg/株时，表现出较为明显的下降趋势，这说明低污泥用量对国槐叶片P元素的积累具有一定促进作用，但当污泥施用过剩时则会出现毒害作用，这与郑小琴等[34]、杨腾等[35]分别对薄壳山核桃（Carya illinoensis）、文冠果（Xanthoceras sorbifolia）的研究结果具有相似性；国槐叶片的N、K含量在施入污泥后较对照均略有降低，说明城镇生活污泥产品的施入可能会对国槐叶片N、K的吸收存在负作用。而对于银杏来说，施入污泥后其叶片中的N、P、K含量均差别不大，表明城镇生活污泥产品对银杏叶片的养分积累作用不明显。

本研究重点关注城镇生活污泥产品对国槐和银杏林木的施用效果，监测的树种范围还不够全面，因此研究结果可能具有一定的局限性。对于本研究中得出的施用污泥后对林木的潜在负作用，需要开展进一步的补充试验，仔细分析其内在作用机理，同时也应关注施用污泥对土壤、地下水以及周边环境的影响状况，综合评价城镇生活污泥产品在林地的施用效果，确定较为合理的施用量及具体的施用方案，以实现物尽其用的目标。

综上所述，本研究得出如下结论：1）添加城镇生活污泥产品能够在一定程度上促进国槐、银杏树高、胸径、冠幅的生长，当污泥施用量为45 kg/株时，国槐的胸径、冠幅投影面积年增长值均达到最大水平，表明污泥的施用对其生长具有明显的正效应；当污泥施用量为75 kg/株时，能够明显促进银杏胸径的生长；2）随着城镇生活污泥产品施用量的增加，6、7月份的国槐叶片叶绿素含量也随之增加，当污泥施用量为75 kg/株时增加效果最显著，此污泥施用量对银杏叶片叶绿素含量的积累同样具有积极影响；3）城镇生活污泥产品的不同施用量对国槐叶片N、K含量的影响不大，但添加污泥后，国槐叶片的P含量均有所下降，可能存在潜在的负作用；不同的污泥施用量对银杏叶片的N、P、K含量无明显影响。