污泥制有机营养土养分释放规律及对国槐的效应1)

祁文俊 彭祚登 王凯 孙昱 王海东 于凌霄

(北京林业大学，北京，100083) (北京市大兴区林业站)

This study was conducted to explore the nutrient release characteristics of the sludge organic nutrient soil and its effect on Sophora japonica after application. Sludge organic nutrient soil was used as test material and nylon mesh bag method was used to take samples from the soil depth (h) 0

污泥制有机营养土(SONS)是城镇污水处理厂、再生水厂和净化水厂产生的污泥经高温厌氧消化和板框脱水处理后，达到稳定化、无害化要求且可替代有机肥施用林地的污泥产品，是城市污泥资源化利用过程中获得的重要产物。污泥处理是城市在解决环境问题时面临的重要任务之一，预计2025年我国污泥产量将会突破9 000万t[1]。城市污泥中同时含有林木生长所需的营养元素和对环境不利的重金属等毒害物质，如果得到合理利用，可以有效化解其对环境造成的危害[2]。污泥经过热水解加高级厌氧消化处理后，满足了无害化要求，更加适合林地利用[3]。

污泥制有机营养土施用林地后的过程包括养分释放和养分作用2个部分，养分释放特征与应用效率是判别其可利用前景的重要因素，也是人们在污泥产品研究中关注的重点问题。目前国内外对污泥产品林地施用效果进行了广泛的研究，大量研究结果表明，适量施用污泥产品对林木或苗木的存活率、生长、养分积累等存在明显促进作用[4-9]。然而，目前关于污泥类产品养分释放规律的研究还未见有报道，也没有将污泥产品的释放机制和施用后养分作用效果结合的研究。在污泥制有机营养土施用林地产生分解后，如不能及时有效进行补充，后续将达不到促进林木生长的效果；如一次性施用过多，则会因为重金属等毒害物质过量而抑制林木生长[4，6-7，10-12]，因此，探究污泥制有机营养土养分释放机制十分重要。

国槐(Sophorajaponica)是北京地区重要的乡土树种，也是北京平原生态景观林营造的首选树种，在北京城市森林中占地面积非常大，养护管理的任务量多。本研究选取5年生的国槐幼林，通过养分释放试验和养分作用试验，研究污泥制有机营养土养分释放特征及其在林地施用的效果，在此基础上确定合理的林地施用量和施用频率，以期为污泥制有机营养土在北京平原林养护中的施用提供参考。

1 试验地概况

试验地点位于北京大兴区北臧村镇永定河畔林地(116°13′～116°14′E，39°39′～39°40′N)，暖温带季风气候，年均温11.6 ℃，年均降水量556 mm，降水主要集中在7、8月份。该试验林地为永定河中游冲积河滩沙地，地势平坦，砂质壤土，土壤结构性较差，保水保肥能力低。试验地的表层土壤主要理化性质：有机质质量分数为5.58 g·kg-1，pH值7.35，电导率为148.53 μS·cm-1，阳离子交换量为6.32 mol·kg-1，土壤密度为1.46 g·cm-3。

2 研究方法

2.1 供试材料

试验用的污泥制有机营养土来自北京排水集团高碑店污水处理厂生产的高级厌氧消化污泥产品，养分质量分数为：有机质质量分数249.34 g·kg-1，总氮1.54%，总磷0.74%，总钾4.56%。

2.2 试验设计

养分释放试验：采用尼龙网袋法，称取50 g污泥制有机营养土(以烘干后干物质质量为准)，装入20 cm×15 cm，300目的尼龙网袋。在国槐试验区林木行间中部，划设10个2 m×2 m的试验样方，每个样方埋设4个污泥制有机营养土样袋。每5个样方为1个处理组，共分为2个处理组，其中1个处理组为在土壤深度(h)0

养分作用试验：选取北京平原沙地5年生国槐人工林，所选林分林木生长情况基本一致。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，将污泥制有机营养土按照施用量CK(0)、T1(15 kg·株-1)、T2(30 kg·株-1)、T3(45 kg·株-1)、T4(60 kg·株-1)、T5(75 kg·株-1)进行梯度设置，计6个处理3次重复，共18个小区。于2017年7月，在每个小区挑选10株相近林木进行试验。根据树冠投影，在待测树木距离树根50 cm处两侧各挖1个深30 cm，长、宽均为40 cm的施肥穴，施完污泥制有机营养土后立即覆盖并浇水灌溉。经过1 a生长期后于第2年首次对林木生长生理情况进行调查，以后逐年调查1次，共调查3 a。

2.3 取样与指标测定

将尼龙网袋从土壤中取出，去除杂物并用蒸馏水清洗干净表面，然后放在烘箱中以80 ℃烘干至恒质量。称取烘干后污泥制有机营养土质量，计算出样品干物质残留率。再利用烘干的污泥制有机营养土测量有机质、全N、全P和全K质量分数，并计算出其残留率。相关计算公式如下：

Rd=(Wt/W0)×100%；

Re=[(Wt×Mt)/(W0×M0)]×100%。

式中：Rd为干物质残留率；Re为养分物质残留率；Wt为分解t月后干物质残留量；W0为初始干物质量；Mt为分解t月后养分质量分数；M0为初始养分质量分数。

用胸径尺进行胸径测定，用测高杆进行树高测定，查阅材积表进行材积测定。采样时，各小区选取3株平均树木，按东西南北4个方向及相同树高位置处采集1年生新生枝叶进行叶片的叶绿素和养分元素质量分数测定。叶绿素采用95%乙醇浸泡提取。对叶片养分元素进行测定时，先将试验叶片105 ℃下杀青30 min，烘干至恒质量，磨碎过筛后再对有机质、全N、全P、全K质量分数进行测量，其中，重铬酸钾外加热法测定有机质质量分数；Smartchem 450型全自动间断化学分析仪测定全N及全P质量分数；火焰光度计法测定全K质量分数。

2.4 数据处理

数据采用Excel2019进行统计，Origin2018进行画图，SPSS22.0软件进行数据分析，单因素方差分析和独立样本T检验进行显著性分析(P<0.05),邓肯检验法进行多重比较。

3 结果与分析

3.1 污泥制有机营养土的养分释放动态特征

3.1.1 干物质残留率的动态变化

由表1可知，处在不同土层深度的污泥制有机营养土干物质残留率随入土时间推移表现出相同的变化规律，总体表现为持续下降，但在不同阶段其下降趋势存在显著差异(P<0.05)。其干物质残留率在初埋后1.5个月时快速下降，在1.5～4.5个月间下降趋势放缓，4.5个月后又出现快速下降趋势，6个月后0

表1 污泥制有机营养土在砂质土壤中干物质残留率的时间变化

3.1.2 有机质残留率的动态变化

由表2可知，埋放在不同土层深度的污泥制有机营养土有机质残留率随着时间推移表现出相同的变化规律，总体表现为持续下降，且在不同阶段其下降趋势存在显著差异(P<0.05)。其中，埋放3～4.5个月时下降最快，4.5个月后下降趋势放缓，6个月后0

表2 污泥制有机营养土在砂质土壤中有机质残留率的时间变化

3.1.3 N、P、K元素残留率的动态变化

N、P、K元素残留率是表征污泥制有机营养土样品中有益植物生长的营养成分在土壤中迁移状态的重要指标。由表3可知，不同土层深度的污泥制有机营养土N元素残留率随时间推移表现出相同的变化规律，总体表现为持续下降，但在不同阶段其下降趋势存在显著差异(P<0.05)。6个月后0

表3 污泥制有机营养土在砂质土壤中N元素残留率的时间变化

不同土层深度的污泥制有机营养土P元素残留率随着时间表现出类似的变化规律。由表4可知，随着时间推移，2个土层的污泥制有机营养土P元素残留率均出现了一定程度增加，各时间段P元素残留率显著高于初始阶段(P<0.05)。在埋放相同时间下，2个土层的污泥制有机营养土P元素残留率并无显著差异。0

表4 污泥制有机营养土在砂质土壤中P元素残留率的时间变化

不同土层深度的污泥制有机营养土K元素残留率随着时间推移表现出相同的变化规律，总体表现为持续下降，但在不同阶段其下降趋势存在显著差异(P<0.05)。由表5可知，在初埋后1.5个月内K元素残留率下降速度最快。0

表5 污泥制有机营养土在砂质土壤中K元素残留率的时间变化

3.2 施用污泥制有机营养土对国槐的影响

3.2.1施用污泥制有机营养土1 a后国槐生长的变化

由表6可知，国槐各施用量处理时胸径增长率均高于对照CK，其中T1、T3、T4、T5处理的胸径增长率显著高于CK(P<0.05)，T3处理时胸径增长率最大，为8.55%，是CK的1.50倍。国槐各处理的树高增长率均无显著差异(P<0.05)，但国槐各施用量处理的树高增长率均高于对照CK。国槐T2和T4处理的材积增长率均显著高于对照(P<0.05)，其中T4处理的国槐材积增长率达到最大，为42.03%，是CK的1.43倍。

表6 不同施用量处理的国槐生长变化

3.2.2施用污泥制有机营养土1 a后国槐叶片养分元素质量分数的变化

由表7可知，国槐不同污泥制有机营养土施用量处理的叶片N质量分数无显著差异。T4和T5处理的国槐叶片P质量分数显著低于CK(P<0.05)，其中，T1处理的叶片P质量分数达到最大，为5.94 g·kg-1。T3和T5处理的国槐叶片K质量分数显著低于CK(P<0.05)，其中CK处理K质量分数最高，达到14.11 g·kg-1。

表7 不同施用量处理的国槐叶片养分元素质量分数变化

3.2.3施用污泥制有机营养土1 a后国槐叶片叶绿素质量分数的变化

由表8可知，5月和6月，各施用量处理的国槐叶片叶绿素a质量分数相比对照无显著差异，均在T3处理时达到最大。7月，各施用量处理的国槐叶片叶绿素a质量分数均显著高于对照CK(P<0.05)，其中T4处理时达到最大，为1.87 mg·g-1，相比CK提高了27.21%。

表8 不同施用量处理的国槐叶绿素质量分数

5月，各处理的国槐叶片叶绿素b质量分数无显著差异；6月和7月，所有施用量处理的叶片叶绿素b质量分数均高于CK。6月，T3、T4、T5处理时叶片叶绿素b质量分数显著高于CK(P<0.05)，T4处理时最高，为1.77 mg·g-1，是CK的1.77倍；7月，T4和T5处理时叶绿素b质量分数显著高于CK(P<0.05)，T5处理时最高，为1.22 mg·g-1，是CK的1.88倍。

5月，各施用量处理的国槐叶片叶绿素(a+b)质量分数无显著差异；6月和7月，所有施用量处理的国槐叶片叶绿素(a+b)质量分数均高于CK。6月，T3、T4、T5处理时叶片叶绿素(a+b)质量分数显著高于CK(P<0.05)，T4处理时达到最高，为3.62 mg·g-1，比CK高出28.37%；7月，T4及T5处理时叶片叶绿素(a+b)质量分数显著高于CK(P<0.05)，T5处理时达到最高，为3.08 mg·g-1，比CK高出了45.28%。

4 讨论

4.1 污泥制有机营养土施入林地土壤后的养分释放规律

本研究与许多有机物分解试验研究结果类似[13-15]，试验期内，污泥制有机营养土干物质、有机质和各种养分元素在20 cm

本研究结果与匡恩俊等[13]和孔伟等[21]的研究结果相类似，N元素释放速率规律为先快后慢。这是因为污泥制有机营养土样品中的有机N质量分数起始阶段高，底物充足，所以分解较快，释放速率较高。伴随着试验的进行，样品中的有机N已被分解，含量降低，底物减少，所以其分解释放速率也逐渐下降。另外，起始阶段也可能存在激发效应，从而导致试验开始时N释放速率较高。在许多有机物养分释放的研究中，P元素质量分数趋势均为逐渐下降[13，22-24]。而本研究中，开始的1.5个月内，P元素残留率不仅没有下降，反而大幅度上升，各月份P元素残留率均超过了初始值，原因是污泥制有机营养土分解过程中产生的有机酸活化了周围土壤中难溶性磷，使得P元素在污泥制有机营养土样品周围富集[25]。在本研究中，K元素释放规律为先快后慢，相比较N元素和P元素，K元素分解释放最为迅速和彻底。大量相关的研究也验证了这一结果或与之类似[22-23，25]。出现该现象的原因是K元素主要以离子的形式存在，容易被浸提，因而较容易释放[22]。

4.2 施用污泥制有机营养土对国槐林木生长和养分积累的影响

林木生长指标变化是判断污泥产品施用量是否合适的重要依据[6]。一些研究结果表明，适量施用排水污泥产品会对林木或苗木的生长产生明显促进作用[6-7，26]。在本研究中，施用林地的污泥制有机营养土在1 a生长期内有机质大量分解，T3处理显著促进国槐的胸径生长，T4处理显著促进国槐的材积生长。出现该现象的原因是由于污泥制有机营养土分解时向周围土壤中释放养分元素，提高了土壤肥力[27]。但当污泥制有机营养土施用量继续增加时，对国槐生长的促进效果会出现下降，这与孙昱等[6]的研究结果类似，出现该现象的原因是因为污泥制有机营养土中既含有林木所需营养元素，又有一些重金属等毒害物质，施用后对树木同时存在促进和抑制作用。当污泥制有机营养土施用量继续增加时，抑制作用增强[4，10]，另外养分的吸收存在某个阈值，过量增加污泥制有机营养土的施用量会出现养分过奢现象，反而起不到促进效果[12，28-29]。

林木叶片的养分质量分数一定程度可以反映树木养分吸收状况，因此可以作为评判污泥产品林地施用效果的指标[6]。污泥制有机营养土在施用林地后的1 a间，会向土壤释放大量的N元素和K元素，而各施肥处理国槐叶片中N、K元素质量分数在施用污泥制有机营养土后反而均低于CK，这是因为叶片中的N、P、K营养元素在生长期快速大量转移以供应林木快速生长的需求[30]。此外，林木在1a生长期内生长所需的N元素很大一部分来自内循环，对土壤中养分的依赖性不高[31-34]。后续研究应该结合施用污泥制有机营养土对土壤的作用效果，进行综合评价分析，确定其在不同树种的最佳施用量。

4.3 施用污泥制有机营养土对国槐叶片叶绿素质量分数的影响

叶绿素与树木光合能力及生长发育情况密切相关[35]。叶绿素a是决定光合作用活性的中心色素分子，叶绿素b具有吸收和传递光能的作用[36]。6月份，T4处理的国槐叶片叶绿素b和叶绿素(a+b)质量分数达到最大，显著高于对照；7月份，T5处理的国槐叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)质量分数达到最大，显著高于对照。这是因为，施用林地的污泥制有机营养土在1a生长期内大量分解，向林木根系周围土壤释放了大量与光合作用关系密切的N元素[37]，6月和7月林木生长十分旺盛，更加有利于叶绿素的合成[6]。N元素是构成叶绿素的重要成分[38]。本研究中，CK处理的国槐叶片N元素质量分数最高，但是叶绿素质量分数却很低，这是因为试验林地为砂质土，保水性差，干旱条件会降低叶绿素质量分数[39]。施用污泥制有机营养土后提高了土壤有机质质量分数，增加的有机质与粘粒组成有机无机胶体复合体，利于团粒结构的形成，从而增加了总孔隙度同时降低了土壤密度[40]，进而增加了土壤保水性，而增加的水分有利于叶绿素质量分数的提高。施用污泥制有机营养土后，国槐叶片叶绿素质量分数明显上升，但不是施用量越大叶绿素质量分数就越高，有时随着施用量上升叶绿素质量分数甚至出现下降，这与石小红等[41]研究结果相似。出现该现象的主要原因是污泥制有机营养土施用量增加后，重金属抑制作用加强，根系吸收的养分向上运输受阻，影响了叶绿素的合成[42]。

5 结论

污泥制有机营养土埋放土壤后，在半年内大量分解并向土壤释放养分元素。2个土层污泥制有机营养土的分解速率都是1.5个月内最快，之后分解速率放缓，其中20 cm

施用污泥制有机营养土经1 a生长期后，T4、T5处理有利于国槐胸径和材积生长，T5、T6处理有利于国槐叶片叶绿素的合成。1 a生长期后，污泥制有机营养土对国槐叶片中的N、P、K元素积累并没有起到显著促进作用，其中国槐各施用处理的叶片N、K元素质量分数甚至均低于对照。