城市污泥和園林廢棄物混合堆肥對桑樹種子萌發(fā)和幼苗生長的影響*

喬 永 王小平,2

(1. 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 北京 100083； 2. 北京市園林綠化局 北京 100013)

近年來，隨著我國園林綠化事業(yè)的逐漸推進(jìn)以及污水處理比例的逐年提高，城市污泥和園林廢棄物產(chǎn)量不斷上升，預(yù)計到2020年，我國城市污泥年產(chǎn)量將達(dá)到6 000萬～9 000萬t(劉艷芳等， 2019; 張璐等， 2011)。在處理城市污泥和園林廢棄物的過程中傳統(tǒng)的填埋、焚燒等方式，需要占用大量土地，不僅會導(dǎo)致環(huán)境污染，還會造成污泥和園林廢棄物中多種營養(yǎng)物質(zhì)的浪費。城市污泥堆肥的土地和資源化是實現(xiàn)其無害化利用的有效途徑(Zhangetal., 2018; 陳浩天等, 2018; Ferreiraetal., 2019)，即可顯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)，長期施用污泥堆肥也能顯著提高沙質(zhì)潮土的肥力(冀拯宇等， 2018)； 而園林廢棄物堆肥具有改良海濱鹽堿土的作用(周文志等， 2019)，可明顯促進(jìn)佛甲草(Sedumlineare)生長(倪肖衛(wèi)等， 2019)。但城市污泥和園林廢棄物單獨堆肥的也存在缺點，如污泥C/N低、含水率高、孔隙度低(Lakhdaretal., 2008; Kulikowskaetal., 2011)，且含有大量重金屬，長期施用會導(dǎo)致土壤中重金屬積累，存在環(huán)境安全風(fēng)險(歐陽喜輝等， 1994; 顏紫云等， 2014; Pulkrabováetal., 2019)； 園林廢棄物中以木質(zhì)素和纖維素為主的有機(jī)質(zhì)難以降解(張家齊, 2012; 張鵬飛等， 2018a; 2018b)，且電導(dǎo)率較高(王琳等， 2019)、N含量相對較低、肥力持續(xù)力不足(連鵬等， 2018)等。

研究表明，將城市污泥和園林廢棄物混合堆肥，可彌補彼此的不足，降低環(huán)境風(fēng)險，整體提高堆肥效果(趙霞等， 2019)。目前，我國城市污泥和園林廢棄物混合堆肥研究還處于起步階段(Morettietal., 2015; 司莉青等， 2018)，雖然已出臺了《園林綠化廢棄物堆肥技術(shù)規(guī)程》(DB11/T 840—2011)，規(guī)定了堆肥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和腐熟度評價指標(biāo)，但適用污泥土地利用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只有《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》(GB/T 23486—2009)、《土地改良用泥質(zhì)》(GB/T 24600—2009)和《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—2018)，且其只規(guī)定了營養(yǎng)成分、重金屬和有機(jī)污染物的上限，并沒有堆肥技術(shù)規(guī)程和施用標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，針對污泥和園林廢棄物混合堆肥及產(chǎn)品的土地利用尚無統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有待進(jìn)一步研究。

桑樹(Morusalba)具有耐寒、耐干旱、耐水濕能力強等特性，且生長快，生物量大，經(jīng)濟(jì)價值高，在我國種植范圍廣。研究表明，桑樹對重金屬耐受能力強，且對Pb、Cd、Ni等富集能力強(Sietal., 2019)。目前，國內(nèi)外針對污泥堆肥對桑樹生長影響的研究還處于空白階段，鑒于此，本研究在以往污泥和園林廢棄物單獨堆肥的土地利用基礎(chǔ)上，以桑樹為對象，研究不同施用量及不同配比的城市污泥和園林廢棄物混合堆肥對桑樹種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，以期為城市污泥和園林廢棄物的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗用土取自北京林業(yè)大學(xué)實驗林場，采集0～20 cm 表層土壤，去除枯枝落葉、石塊等雜物，置于室內(nèi)通風(fēng)處陰干20天后過篩備用，其理化性質(zhì)見表1。

桑樹種子采自河南省，采摘后置于-4 ℃環(huán)境下保存。

污泥取自北京排水集團(tuán)污水處理廠脫水污泥產(chǎn)品，pH7.15，全氮(TN)含量25.7 g·kg-1,全磷(TP)含量12.17 g·kg-1,重金屬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，重金屬含量符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》(GB/T 23486—2009)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農(nóng)用基質(zhì)》(GJ/T 309—2009)A級污泥中關(guān)于重金屬的規(guī)定，可進(jìn)行堆肥后土地利用。園林廢棄物取自北京市延慶縣平原造林區(qū)，pH7.86，全氮(TN)含量14.89 g·kg-1,全磷(TP)含量1.45 g·kg-1。將城市污泥和園林廢棄物按不同體積比(W01、W13、W11、W10分別為城市污泥與園林廢棄物體積比分別為0∶1、1∶3、1∶1、1∶0用專用堆肥袋進(jìn)行堆肥處理，堆肥袋裝入底板為多孔篩板的發(fā)酵箱中，在篩板下采用熱風(fēng)機(jī)向上吹風(fēng)方式進(jìn)行強制通風(fēng)好氧堆肥，堆肥過程中持續(xù)測量堆肥溫度，待堆體溫度經(jīng)過快速升溫、持續(xù)高溫、降溫3個階段并保持室溫一定時間且無明顯臭味散發(fā)時結(jié)束堆肥，堆肥時間為42天。W01、W13、W11 3種配比堆體高溫(≥50 ℃)持續(xù)時間均大于6天，可以初步判定堆肥完成。各配比堆肥產(chǎn)品理化性質(zhì)見表1，重金屬含量見表2，4種堆肥產(chǎn)品重金屬含量均符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》(GB/T 23486—2009)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農(nóng)用基質(zhì)》(GJ/T 309—2009)A級污泥標(biāo)準(zhǔn)，但W10配比堆肥產(chǎn)品As含量超過《有機(jī)肥料》(NY 525—2012)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(未規(guī)定Zn、Cu含量)。

表1 供試材料基本理化性質(zhì)①Tab 1 Basic physicochemical properties of the tested materials

①W10、W13、W11、W01代表為城市污泥與園林廢棄物體積比為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 混合堆肥產(chǎn)品重金屬含量Tab.2 Heavy metal content in composter of municipal sludge and garden waste

1.2 試驗設(shè)計 試驗于2016年4—10月在北京林業(yè)大學(xué)實驗林場牡丹園1號溫室進(jìn)行。每種堆肥產(chǎn)品按施用量不同設(shè)置4個處理，每處理重復(fù)3次，并設(shè)置對照處理(CK)1組； 各處理基質(zhì)采用4種堆肥產(chǎn)品與土壤按不同體積比進(jìn)行充分混合[CK(純土壤)、T1(堆肥: 土壤=1∶3)、T2(堆肥: 土壤=1∶1)、T3(堆肥: 土壤=3∶1)、T4(純堆肥產(chǎn)品)], 穩(wěn)定20天后用于盆栽試驗。盆栽試驗采用統(tǒng)一規(guī)格(上直徑30 cm、底直徑25 cm、高20 cm)、下墊托盤的塑料花盆進(jìn)行，將各處理基質(zhì)填充至距離盆上沿2 cm，每盆播種桑樹種子50粒，播種后每天上午8: 00采用均勻噴灑方式澆水500 mL，盆內(nèi)保持濕潤狀態(tài)。當(dāng)種子萌發(fā)的試驗結(jié)束后，按照“去弱留強、間密存稀、留勻留壯”的原則，每盆保留5株長勢均一的桑苗，留作后續(xù)試驗用。

1.3 指標(biāo)測定 桑樹種子發(fā)芽率： 發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

株高： 播種30天后開始測量株高，每隔30天測量1次，共測量4次，每盆取平均高。

生物量： 最后一次株高測量后，對桑樹進(jìn)行破壞性取樣，將所有桑樹幼苗全部挖出，地上和地下部分分開，用自來水沖洗干凈后再用去離子水清洗1遍，105 ℃烘箱中殺青2 h后，置于80 ℃下烘至恒質(zhì)量。

重金屬含量： 稱取0.20 g樣品于微波消解罐中用HNO3-HCl-HF-HClO4消解，消解、趕酸完成后用1% HNO3定容至50 mL，用ICP-AES測定，并通過校準(zhǔn)曲線回歸方程計算重金屬含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理 采用Excel軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，SPSS19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和Duncan多重比較， Origin 9.2繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合堆肥對桑樹種子萌發(fā)的影響 4種堆肥產(chǎn)品不同施用量對桑樹種子萌發(fā)的影響統(tǒng)計結(jié)果見表3。4種不同配比混合施肥的全部處理種子發(fā)芽率均低于CK，其中W01配比T1、W13配比T1和W11配比T1處理與CK差異不顯著。W01配比中，發(fā)芽率呈逐漸下降趨勢，最小值為T4處理(29.00%)。W13配比中，發(fā)芽率隨施肥量增加呈降低趨勢，最小值為T4處理(52.67%)。W11配比中，T1處理發(fā)芽率與CK差異不顯著，但是隨施肥量增加，發(fā)芽率開始下降，T4處理達(dá)到最小值(49.33%)，顯著低于CK(P<0.05)。W10配比中，T1～T4所有處理發(fā)芽率均顯著低于CK(P<0.05)，最小值出現(xiàn)在T4處理(17.00%)。在施肥量相同情況下，W10配比所有處理發(fā)芽率中均為最低(17.00%～68.33%)，這表明施用純污泥堆肥對桑樹種子萌發(fā)抑制作用最強烈。

表3 城市污泥與園林廢棄物混合堆肥對桑樹種子萌發(fā)的影響①Tab.3 Effects of mixed compost of sludge and garden waste on germination of mulberry %

①不同大寫字母代表同一行差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母代表同一列差異顯著(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 混合堆肥對桑樹幼苗株高的影響 如圖1所示，30天時，所有配比混合堆肥的全部處理幼苗株高均顯著低于CK(P<0.05)，最低值均出現(xiàn)在T4處理，W10配比T4處理幼苗株高為CK的57%，而W01、W13、W11配比T4處理幼苗株高分別為CK的15%、17%和14%。60天時，仍是CK處理幼苗株高最高，W10配比T2、T3處理幼苗株高與CK差異不顯著，T4處理為CK的60%； W01、W13、W11配比的全部處理幼苗株高顯著低于CK(P<0.05)，最低值仍為T4處理。90天時，W10配比T2、T3、T4處理幼苗株高顯著高于CK，T1處理與CK差異不顯著(P>0.05)； W13和W11配比T1、T2、T3處理幼苗株高與CK差異不顯著(P>0.05)，T4處理仍顯著低于CK(P<0.05)； W01配比的全部處理幼苗株高仍顯著低于CK(P<0.05)。120天時，4種配比的全部處理幼苗株高均顯著高于CK(P<0.05)，W01配比T1處理、W13配比T3處理、W11配比T2處理、W10配比T2處理幼苗株高分別CK的120%、109%、126%和121%。

圖1 城市污泥和園林廢棄物混合堆肥對桑樹幼苗株高的影響Fig.1 Effects of mixed compost of sludge and garden waste on plant height of mulberry seedlings

2.3 混合堆肥對桑樹幼苗生物量的影響 如圖2所示，4種不同配比混合堆肥幼苗地上生物量均隨施用量增加先上升后下降，W01配比T1、T2處理幼苗地上生物量顯著高于CK(15.68 mg)(P<0.05)，T3處理與CK差異不顯著(P>0.05)，T4處理顯著低于CK(P<0.05)； W13、W11配比T1～T3處理幼苗地上生物量顯著高于CK(P<0.05)，全部處理幼苗地上生物量最高值為W11配比T1處理(26.01 mg)，相較CK增加64%，而W13配比T1、T2處理和W11配比T2處理幼苗地上生物量與CK無顯著差異(P>0.05)，W13配比T4處理幼苗地上生物量顯著低于CK(P<0.05)，W11配比T4處理與CK無顯著差異(P>0.05)； W10配比T1、T2處理幼苗地上生物量顯著高于CK(P<0.05)，T3、T4處理顯著低于CK(P<0.05)，且W10配比T4處理為全部處理幼苗地上生物量最低值(7.42 mg)，僅為CK的47%。

4種不同配比混合堆肥桑樹幼苗地下生物量隨施用量均增加先上升后下降，各配比T1處理幼苗地下生物量均顯著高于CK(9.78 mg)，全部處理幼苗地下生物量最大值出現(xiàn)在W11配比T1處理(17.33 mg)，較CK提高77%； 除W11配比T4處理幼苗地下生物量與CK無顯著差異外，其余3種配比T4處理均顯著低于CK，全部處理幼苗地下生物量最低值出現(xiàn)在W10配比T4處理(4.69 mg)，僅為CK的48%。

由圖3可知，在所有處理中，幼苗根冠比(地下生物量與地上生物量比值)最高值均出現(xiàn)在W01配比T4處理(0.89)，高于CK 53%，且W01配比全部處理均顯著高于CK(P<0.05)； W13配比T1處理與CK差異不顯著(P>0.05)，其余處理均顯著高于CK(P<0.05)； W11配比T1處理顯著高于CK(P<0.05)，T2處理與CK差異不顯著，T3、T4處理顯著低于CK； W10配比全部處理均顯著低于CK，且T4處理為全部處理幼苗根冠比的最低值，為CK的60%。

圖2 城市污泥和園林廢棄物混合堆肥對桑樹幼苗生物量的影響Fig.2 Effects of mixed compost of sludge and garden waste on biomass of mulberry seedlings

圖3 城市污泥和園林廢棄物混合堆肥對桑樹幼苗根冠比的影響Fig.3 Effects of mixed compost of sludge and garden waste on root/shoot ratio of mulberry seedlings

3 討論

3.1 混合堆肥影響桑樹種子萌發(fā)的原因 本研究發(fā)現(xiàn)，城市泥污和園林廢棄物混合堆肥產(chǎn)品會對桑樹種子萌發(fā)產(chǎn)生抑制作用，且抑制作用隨污泥比例增加而增強，其中施用100%純污泥堆肥抑制作用最強烈。原因可能是： 1) 污泥中含有一些激素類物質(zhì)及多環(huán)芳烴(PAHs)和壬基苯(NP/NPE)等有機(jī)污染物，會抑制桑樹種子萌發(fā)(余杰等， 2011; 王識宇, 2012; 司莉青等， 2016)； 2) 純污泥堆肥產(chǎn)品的重金屬含量較高，超出桑樹種子萌發(fā)所能耐受程度，導(dǎo)致種子產(chǎn)生過量活性氧自由基，破壞細(xì)胞膜，進(jìn)而造成細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)大量外滲和有毒物質(zhì)進(jìn)入，同時重金屬會抑制桑樹種子蛋白酶、淀粉酶等多種酶活性，削弱其儲存的蛋白質(zhì)和淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)分解，減少種子萌發(fā)的能量供給(Lietal., 2005; 張桂玲, 2015; Kamilaetal., 2018)。而純園林廢棄物堆肥產(chǎn)品也對桑樹種子萌發(fā)產(chǎn)生較強烈抑制作用，可能是因為其鹽分含量過高，發(fā)生毒性效應(yīng)和滲透效應(yīng)，通過干擾膜代謝和降低滲透勢進(jìn)而抑制種子萌發(fā)(田赟, 2012; 李玉梅等， 2019)。

3.2 混合堆肥影響桑樹幼苗株高的原因 本研究發(fā)現(xiàn)，在桑樹幼苗生長前期(30～60天)，各配比混合堆肥產(chǎn)品隨施用增加均會對桑樹幼苗生長產(chǎn)生不同程度的抑制作用，其中園林廢棄物堆肥含量越多，抑制作用越強，又可能是因為園林廢棄物中的營養(yǎng)物質(zhì)不能在短時間內(nèi)充分釋放并被植物吸收； 污泥堆肥和土壤混合對桑樹幼苗前期生長抑制作用不強，可能是因為污泥堆肥中的營養(yǎng)物質(zhì)能快速釋放到土壤中并被桑樹幼苗吸收；而純污泥堆肥抑制桑樹幼苗前期生長，可能是因為污泥中的重金屬含量超過桑樹幼苗所能耐受程度，破壞了桑樹幼苗根部細(xì)胞內(nèi)染色體和核仁(Muetal., 2019)，同時引起桑樹幼苗體內(nèi)細(xì)胞生化反應(yīng)受阻，代謝紊亂，抑制生物大分子合成，進(jìn)而抑制了幼苗生長(張大鵬等， 2012)。隨時間延長，各配比混合堆肥產(chǎn)品對桑樹幼苗生長的抑制作用減弱，在試驗后期(120天)，一些配比處理轉(zhuǎn)為促進(jìn)桑樹幼苗生長，其中W11配比T2處理幼苗株高達(dá)到最大值，表明園林廢棄物堆肥中的營養(yǎng)物質(zhì)隨時間延長開始釋放并被植物吸收，摻入園林廢棄物混合堆肥產(chǎn)品對植物中后期生長具有促進(jìn)性，可作為緩效釋放肥料施用； W10配比T4處理純污泥堆肥產(chǎn)品對桑樹的抑制作用也在減弱，這可能是因為植物在脅迫條件下，對環(huán)境的適應(yīng)性和抗逆性不斷增強，自身活性氧系統(tǒng)合成了大量保護(hù)細(xì)胞的蛋白質(zhì)，從而促進(jìn)植物生長發(fā)育(付世景等， 2007)。有研究表明，植物幼苗受重金屬脅迫時，會將糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)移到根部，增加根部碳水化合物含量并保持蛋白質(zhì)的水合度，同時平衡液胞間和細(xì)胞質(zhì)的滲透勢，進(jìn)而提高對重金屬的耐受性(顧艷紅等， 2009; 龔寧等， 2010)； 另外，堆肥產(chǎn)品中的抑制物質(zhì)逐漸分解流失，含量降低導(dǎo)致抑制作用降低(司莉青等， 2016)。

3.3 混合堆肥影響桑樹幼苗生物量的原因 本研究發(fā)現(xiàn)，4種不同配比混合堆肥桑樹幼苗地上、地下生物量均隨施用量增加先上升后下降，其中W11配比T1處理效果最佳。隨施用量增加，桑樹幼苗地上、地下生物量積累均不同程度下降，表明過量施肥同樣會抑制桑樹幼苗生物量積累。有研究表明，過量N肥會導(dǎo)致桑樹地上部分Rubico酶超過正常值，進(jìn)而降低光合速率(Wengetal., 2005)； 過量P肥會抑制桑樹蒸騰速率，降低水循環(huán)動力； 而過量K肥同樣會影響植物的光合作用和蒸騰作用，抑制植物生長和生物量積累(黃蓋群等， 2012)； 同時，過量施肥還會改變土壤碳源利用率，降低土壤微生物菌群多樣性(紀(jì)夢夢等， 2018)。因此，在生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制堆肥產(chǎn)品用量，避免因施肥過量發(fā)生毒害效應(yīng)。各配比中，桑樹幼苗地上、地下生物量的最大積累值均出現(xiàn)在相同處理中，在適當(dāng)?shù)呐浔群陀昧肯?，混合堆肥產(chǎn)品能規(guī)律性釋放養(yǎng)分，促進(jìn)桑樹幼苗地上和地下部分同時生長。

根冠比在反映植物生長狀況的同時也能反映土壤環(huán)境對根系和地上部分的不同影響(紀(jì)夢夢等， 2018)。本研究中，純園林廢棄物堆肥及園林廢棄物占大比例的混合堆肥產(chǎn)品，桑樹幼苗根冠比隨施用量增加呈增加趨勢，這可能是因為園林廢物堆肥改變了土壤結(jié)構(gòu)，增加了孔隙度，為根系生長提供了空間，同時堆肥產(chǎn)品的營養(yǎng)物質(zhì)釋放緩慢，養(yǎng)分供應(yīng)速率低，根系的吸收表面積增大，消耗光合產(chǎn)物多，向地上部輸送減少，影響地上部生物量積累，進(jìn)而導(dǎo)致根冠比較大(王艷哲等， 2013)； 而在純污泥堆肥產(chǎn)品及污泥占大比例的混合堆肥產(chǎn)品中，桑樹幼苗根冠比隨施肥量增加呈下降趨勢，且純污泥堆肥產(chǎn)品所有處理幼苗根冠比均顯著低于對照，這可能是因為污泥堆肥中的營養(yǎng)物質(zhì)能快速釋放到土壤中被植物根系吸收并迅速向地上部分轉(zhuǎn)移； 隨施肥量增加，污泥堆肥中的有機(jī)污染物和重金屬超過一定量會引起根系染色體損傷并抑制根尖細(xì)胞有絲分裂，從而抑制根系生長(何俊瑜等， 2009)。

4 結(jié)論

城市污泥和園林廢棄物混合堆肥產(chǎn)品會對桑樹種子萌發(fā)產(chǎn)生抑制作用，施用100%純污泥堆肥抑制作用最強烈，在種子萌發(fā)時期不應(yīng)施入含污泥堆肥產(chǎn)品?；旌隙逊曙@著抑制桑樹幼苗前期生長，但隨時間延長抑制作用逐漸減弱，后期轉(zhuǎn)為促進(jìn)桑樹幼苗生長。城市污泥和園林廢棄物混合堆肥產(chǎn)品對桑樹幼苗生長的整體促進(jìn)效果優(yōu)于各自單獨堆肥產(chǎn)品，其中以W11配比T1處理(施用25%的污泥和園林廢棄物體積比1∶1混合堆肥)效果最佳。