城市污泥和園林廢棄物混合堆肥對桑樹種子萌發和幼苗生長的影響*

喬 永 王小平,2

(1. 北京林業大學林學院 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的逐漸推進以及污水處理比例的逐年提高，城市污泥和園林廢棄物產量不斷上升，預計到2020年，我國城市污泥年產量將達到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的填埋、焚燒等方式，需要占用大量土地，不僅會導致環境污染，還會造成污泥和園林廢棄物中多種營養物質的浪費。城市污泥堆肥的土地和資源化是實現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)，可明顯促進佛甲草(Sedumlineare)生長(倪肖衛等， 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，長期施用會導致土壤中重金屬積累，存在環境安全風險(歐陽喜輝等， 1994; 顏紫云等， 2014; Pulkrabováetal., 2019)； 園林廢棄物中以木質素和纖維素為主的有機質難以降解(張家齊, 2012; 張鵬飛等， 2018a; 2018b)，且電導率較高(王琳等， 2019)、N含量相對較低、肥力持續力不足(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，降低環境風險，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規程》(DB11/T 840—2011)，規定了堆肥相關標準和腐熟度評價指標，但適用污泥土地利用的技術標準只有《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》(GB/T 23486—2009)、《土地改良用泥質》(GB/T 24600—2009)和《農用污泥污染物控制標準》(GB 4284—2018)，且其只規定了營養成分、重金屬和有機污染物的上限，并沒有堆肥技術規程和施用標準等內容，針對污泥和園林廢棄物混合堆肥及產品的土地利用尚無統一技術標準，有待進一步研究。

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，經濟價值高，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依據。

1 材料與方法

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

桑樹種子采自河南省，采摘后置于-4 ℃環境下保存。

污泥取自北京排水集團污水處理廠脫水污泥產品，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《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》(GB/T 23486—2009)和《城鎮污水處理廠污泥處置-農用基質》(GJ/T 309—2009)A級污泥中關于重金屬的規定，可進行堆肥后土地利用。園林廢棄物取自北京市延慶縣平原造林區，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用專用堆肥袋進行堆肥處理，堆肥袋裝入底板為多孔篩板的發酵箱中，在篩板下采用熱風機向上吹風方式進行強制通風好氧堆肥，堆肥過程中持續測量堆肥溫度，待堆體溫度經過快速升溫、持續高溫、降溫3個階段并保持室溫一定時間且無明顯臭味散發時結束堆肥，堆肥時間為42天。W01、W13、W11 3種配比堆體高溫(≥50 ℃)持續時間均大于6天，可以初步判定堆肥完成。各配比堆肥產品理化性質見表1，重金屬含量見表2，4種堆肥產品重金屬含量均符合《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》(GB/T 23486—2009)和《城鎮污水處理廠污泥處置-農用基質》(GJ/T 309—2009)A級污泥標準，但W10配比堆肥產品As含量超過《有機肥料》(NY 525—2012)相關標準(未規定Zn、Cu含量)。

表1 供試材料基本理化性質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 混合堆肥產品重金屬含量Tab.2 Heavy metal content in composter of municipal sludge and garden waste

1.2 試驗設計 試驗于2016年4—10月在北京林業大學實驗林場牡丹園1號溫室進行。每種堆肥產品按施用量不同設置4個處理，每處理重復3次，并設置對照處理(CK)1組； 各處理基質采用4種堆肥產品與土壤按不同體積比進行充分混合[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(純堆肥產品)], 穩定20天后用于盆栽試驗。盆栽試驗采用統一規格(上直徑30 cm、底直徑25 cm、高20 cm)、下墊托盤的塑料花盆進行，將各處理基質填充至距離盆上沿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，盆內保持濕潤狀態。當種子萌發的試驗結束后，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，留作后續試驗用。

1.3 指標測定 桑樹種子發芽率： 發芽率=發芽種子數/供試種子數×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，并通過校準曲線回歸方程計算重金屬含量。

1.4 數據處理 采用Excel軟件統計分析數據，SPSS19.0軟件進行單因素方差分析和Duncan多重比較， Origin 9.2繪圖。

2 結果與分析

2.1 混合堆肥對桑樹種子萌發的影響 4種堆肥產品不同施用量對桑樹種子萌發的影響統計結果見表3。4種不同配比混合施肥的全部處理種子發芽率均低于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，發芽率呈逐漸下降趨勢，最小值為T4處理(29.00%)。W13配比中，發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處理發芽率與CK差異不顯著，但是隨施肥量增加，發芽率開始下降，T4處理達到最小值(49.33%)，顯著低于CK(P<0.05)。W10配比中，T1～T4所有處理發芽率均顯著低于CK(P<0.05)，最小值出現在T4處理(17.00%)。在施肥量相同情況下，W10配比所有處理發芽率中均為最低(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的原因 本研究發現，城市泥污和園林廢棄物混合堆肥產品會對桑樹種子萌發產生抑制作用，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及多環芳烴(PAHs)和壬基苯(NP/NPE)等有機污染物，會抑制桑樹種子萌發(余杰等， 2011; 王識宇, 2012; 司莉青等， 2016)； 2) 純污泥堆肥產品的重金屬含量較高，超出桑樹種子萌發所能耐受程度，導致種子產生過量活性氧自由基，破壞細胞膜，進而造成細胞內物質大量外滲和有毒物質進入，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和淀粉等營養物質分解，減少種子萌發的能量供給(Lietal., 2005; 張桂玲, 2015; Kamilaetal., 2018)。而純園林廢棄物堆肥產品也對桑樹種子萌發產生較強烈抑制作用，可能是因為其鹽分含量過高，發生毒性效應和滲透效應，通過干擾膜代謝和降低滲透勢進而抑制種子萌發(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 本研究發現，在桑樹幼苗生長前期(30～60天)，各配比混合堆肥產品隨施用增加均會對桑樹幼苗生長產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物質不能在短時間內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物質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胞內染色體和核仁(Muetal., 2019)，同時引起桑樹幼苗體內細胞生化反應受阻，代謝紊亂，抑制生物大分子合成，進而抑制了幼苗生長(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)，一些配比處理轉為促進桑樹幼苗生長，其中W11配比T2處理幼苗株高達到最大值，表明園林廢棄物堆肥中的營養物質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品對植物中后期生長具有促進性，可作為緩效釋放肥料施用； W10配比T4處理純污泥堆肥產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，對環境的適應性和抗逆性不斷增強，自身活性氧系統合成了大量保護細胞的蛋白質，從而促進植物生長發育(付世景等， 2007)。有研究表明，植物幼苗受重金屬脅迫時，會將糖類物質轉移到根部，增加根部碳水化合物含量并保持蛋白質的水合度，同時平衡液胞間和細胞質的滲透勢，進而提高對重金屬的耐受性(顧艷紅等， 2009; 龔寧等， 2010)； 另外，堆肥產品中的抑制物質逐漸分解流失，含量降低導致抑制作用降低(司莉青等， 2016)。

3.3 混合堆肥影響桑樹幼苗生物量的原因 本研究發現，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肥會導致桑樹地上部分Rubico酶超過正常值，進而降低光合速率(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(紀夢夢等， 2018)。因此，在生產中應嚴格控制堆肥產品用量，避免因施肥過量發生毒害效應。各配比中，桑樹幼苗地上、地下生物量的最大積累值均出現在相同處理中，在適當的配比和用量下，混合堆肥產品能規律性釋放養分，促進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境對根系和地上部分的不同影響(紀夢夢等， 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構，增加了孔隙度，為根系生長提供了空間，同時堆肥產品的營養物質釋放緩慢，養分供應速率低，根系的吸收表面積增大，消耗光合產物多，向地上部輸送減少，影響地上部生物量積累，進而導致根冠比較大(王艷哲等， 2013)； 而在純污泥堆肥產品及污泥占大比例的混合堆肥產品中，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物質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移； 隨施肥量增加，污泥堆肥中的有機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胞有絲分裂，從而抑制根系生長(何俊瑜等， 2009)。

4 結論

城市污泥和園林廢棄物混合堆肥產品會對桑樹種子萌發產生抑制作用，施用100%純污泥堆肥抑制作用最強烈，在種子萌發時期不應施入含污泥堆肥產品。混合堆肥顯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，后期轉為促進桑樹幼苗生長。城市污泥和園林廢棄物混合堆肥產品對桑樹幼苗生長的整體促進效果優于各自單獨堆肥產品，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。