4個楊樹品種人工林生活污水處理效應分析

白保勛，李中香，陳東海，徐婷婷，張新玲，王廣力，李利源

1. 鄭州市農林科學研究所，河南 鄭州 450005；2. 上蔡縣林業技術推廣站，河南 駐馬店 463800；3. 鄭州市城市道路綠化管理處，河南 鄭州 450000；4. 項城市城市園林綠化管理處，河南 周口 466200；5. 鄭州萬年春園林工程有限公司，河南 鄭州 450000

楊樹速生，廣泛栽培于中國各地，中國楊樹人工林栽培面積居世界首位（馮燁等，2019；葛曉敏等，2017；謝濤等，2012）。在楊樹生長過程中，尤其是速生期，楊樹生長所需養分和水分較多，在短輪伐、連作的經營模式下，往往導致土壤地力急劇下降，導致其后續生產力不足（馮燁等，2019）。生活污水含有多種污染物，包括氮、磷等，是一種具有利用價值的水資源（于婷等，2019；向衡等，2018；郭新亞等，2019），生活污水中氮、磷為植物生長提供了有利條件。由于楊樹根系深，小于1 mm的細根所占比重大，能夠吸收大量污染物和水分，所以被廣泛應用于污水植物修復（Isebrands et al.，2001）。

生活污水中鹽含量較高，而林木生長對鹽的反應敏感（Westphal et al.，2001），用污水灌溉林地時，污水中的鈉離子、氯離子等將危害林木（Alados et al.，2001；萬瓊等，2019），生長指標可以指示脅迫情況，枝、葉、根生長量可以作為直接的生長參數（Aronsson，2000）。

在污水土地處理的研究中，對污水處理的工藝流程和參數、污染物去除途徑等研究較多（王書文等，2006；陳永杏等，2011），但是對污水土地處理植物材料篩選及污水處理效益研究較少。本研究旨在了解生活污水林地生態處理系統中不同楊樹品種對生活污水的響應，包括各器官生長量、主要污染物含量與積累量，不同楊樹品種人工林污水處理效應，選擇適宜的楊樹品種作為污水處理的植物材料與水力負荷，為生活污水楊樹林地處理技術的應用提供依據。

1 研究區概況與試驗設計

1.1 研究區概況

林地生活污水處理試驗在鄭州市南 5.5 km處的龍湖鎮進行，地理坐標 113°42′36″E，34°36′50″N，海拔136 m，地下水位8.59—9.30 m。暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫14.4 ℃，年平均降水量640.9 mm，無霜期220 d，土壤類型為潮土。

試驗用生活污水來自于龍湖大學城排污口，生活污水中主要污染物按國標（GB 18918—2002）規定的方法測定，生活污水中鉀離子含量用火焰光度法測定。污水 pH 值為 (7.5±0.2)，污水中 BOD5、COD、TN、TP、TK、Na+與 Cl-含量分別為：(42.7±8.6)、(743±161)、(27.5±5.8)、(2.8±0.5)、(96.13±19.22)、(208±16) 與 (629±49) mg·L-1，其中 COD、TN 和 TP含量超過了國標規定的三級標準；污水中Hg、Cd、Pb 的平均含量分別為 0.001、0.003、0.014 mg·L-1，均未超過國標規定的標準值（國家環保總局等，2002）。

在當地‘中林2001’楊（Populus euramericanacv.‘Zhonglin2001’）、歐美 107楊（Populus euramericanacv.‘74/76’）、I-72楊(Populus euram ericanacv. San Martino‘I-71/58’）、‘中林46’楊（Populus xeuramericana(Dode) Guiner CL.‘zhonglin-46’）4種楊樹品種栽培面積較大，長勢良好，4年生時均已基本郁閉，即將進入速生期，林木生長需要大量的水分與養分，故本研究選擇 4年生的‘中林2001’楊、歐美107楊、I-72楊與‘中林46’楊樹人工林進行生活污水處理試驗。試驗地4種品種楊樹人工林的密度均為2000 plant·hm-2左右，林相整齊，立地條件相近。

1.2 試驗設計

試驗分為4個小區，每個小區有1個楊樹品種。在各小區采取隨機抽樣的方式布設樣地，試驗樣地規格為20 m×20 m，樣地采取隨機抽樣的方式布設，不同品種各設一個對照（0 cm·week-1），5個處理（3、6、9、12、15 cm·week-1），對照與每個處理均重復3次。為了消除邊緣效應及不同處理樣地之間的相互影響，樣地距林緣隔3行楊樹，相鄰樣地之間設置3個隔離行。

采用利用型慢滲方法進行污水處理試驗，污水處理系統田間配水工程包括沉淀池、田間壟溝等。在樣地周圍打上40 cm高的水堰，對試驗林地進行平整，壟溝呈南北向，沿壟溝供水。污水土地處理的工藝流程為：原污水→污水提升泵→沉淀池→林地輸配水系統→土地-植物-微生物系統凈化→補給地下水（高拯民等，1991）。生活污水處理進行了兩年，每年3月15日開始，11月15日結束。在試驗期間，如果降水量超過10 mm，則根據降水量與雨后天氣（如大風）狀況適當推遲污水處理時間，防止林木出現倒伏現象。

2 材料與方法

2.1 土樣采集與化學性質測定

在各處理樣地按“S”形布點，用土壤取樣器采集表層0—20 cm土層的土樣，充分混合后裝入封口塑封袋，按樣地與樣點號編號，帶回實驗室分析，土壤樣品pH值測定采用電位法，有機質含量采用重鉻酸鉀法，土壤全氮測定采用開氏定氮法，全磷含量采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法，全鉀與鈉離子含量采用火焰光度法（鮑士旦，2000）。

2.2 林木生長指標的測定

在污水生態處理試驗開始前與結束后，分別測定各樣地林木的胸徑與樹高，各樣地按徑階與樹高分別選擇 3—5株代表株，測定枝、干、根的生物量，分層采集枝樣品、干、根樣品。把枝、干、根樣品放在干燥箱中，在 70 ℃烘至恒質量，然后測定其干質量，根據試驗開始前與結束后林木各器官總鮮質量與樣品干鮮質量，計算代表株各器官的生長量，根據代表株各器官平均生長量乘以單位面積楊樹株數，得到每公頃楊樹各器官生長量。

2.3 林木養分與鈉含量測定

污水處理試驗結束后，分別在各樣地采集枝、干、根樣品，帶回實驗室分析，測定植物樣品中氮、磷、鉀、鈉、鉀含量。氮含量測定采用奈氏比色法，磷含量測定采用釩鉬黃比色法，鉀和鈉含量的測定采用火焰光度法（鮑士旦，2000）。

2.4 數據處理

采用 SPSS 19.0軟件進行數據處理及統計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著法（LSD）比較不同數據組間的差異，采用Pearson相關系數評價不同因子間的相關關系。

采用Excel軟件，用生活污水處理后各處理楊樹各器官生長量乘以其對應氮、磷、鉀、鈉含量，得到不同處理楊樹各器官氮、磷、鉀、鈉積累量。

3 結果與分析

3.1 污水處理后土壤化學性質的變化

各處理土壤pH值在8.34—8.40之間，呈堿性，試驗用生活污水的pH值呈中性，對各處理表層土壤pH值影響不大，對照與各處理之間土壤pH值之間無顯著差異。生活污水處理增加了林地土壤養分含量，土壤有機質、全氮、全磷含量隨著水力負荷的增加而增加，在9 cm·week-1水力負荷達到最大值，全鉀含量在6 cm·week-1水力負荷達到最大值后，隨著水力負荷的增加而減少。污水林地處理樣地，土壤有機質、全氮、全鉀含量均高于對照，在對照與各處理之間差異顯著，土壤全磷含量在對照與各處理之間差異不顯著。林地處理生活污水增加了土壤鈉離子含量，隨著水力負荷的增加，土壤鈉離子含量增加，在12 cm·week-1水力負荷達到最大值，在 15 cm·week-1水力負荷下降，與對照相比，污水處理顯著增加了土壤鈉離子含量（表1）。

3.2 污水處理后楊樹生長量的變化

I-72楊枝、干、根生長量均隨著水力負荷的增加而增加，在 9 cm·week-1達到最大值，然后隨著水力負荷的增加而降低，污水處理的林地，枝、干、根生長量均高于對照；歐美107楊與‘中林2001’楊枝、干、根生長量隨著水力負荷的增加而增加，地上部分生長量在 6 cm·week-1達到最大值，然后隨著水力負荷增加而降低，枝、干、根生長量均高于對照；‘中林46’楊枝、干、根生長量隨著水力負荷的增加而降低，枝、干、根生長量均低于對照。方差分析結果表明，同一楊樹品種在6個水力負荷下枝、干、根生長量之間差異顯著（表2）。

表1 土壤化學性質Table 1 Soil chemical properties

對4個楊樹品種與水力負荷下楊樹生長量進行了方差分析，結果，不同品種楊樹人工林生長量有極顯著差異，不同水力負荷下楊樹總生長量有顯著差異（表3）。

表2 楊樹枝、干、根與總生長量Table 2 Branch, trunk, root and total growth of poplar plantations

表3 不同品種與水力負荷總生長量方差分析結果Table 3 Variance analysis results of total growth of different varieties and hydraulic loads

3.3 污水處理后氮、磷、鉀、鈉含量的變化

3.3.1 氮、磷、鉀、鈉含量

I-72楊、歐美107楊、‘中林2001’楊、‘中林46’楊枝、干、根中氮、磷、鈉含量隨著水力負荷增加而增加，在 6—12 cm·week-1達到最大值，然后隨著水力負荷增加而下降，以上3種元素含量均高于對照。4個楊樹品種枝、干、根中鉀含量隨著水力負荷增加而減少，鉀含量均低于對照。同一楊樹品種在不同水力負荷下氮、磷、鈉含量有顯著差異（表4）。

3.3.2 楊樹平均氮、磷、鉀、鈉含量差異顯著性

對不同品種與水力負荷下楊樹各器官平均氮、磷、鉀、鈉含量分別進行了方差分析，結果表明，不同品種平均鉀含量差異不顯著，不同水力負荷下平均鉀含量，不同品種與水力負荷下平均氮含量、磷含量、鈉含量均具有極顯著差異（表5）。

3.3.3 楊樹各器官不同元素含量相關性

本次測定的楊樹不同器官中主要元素可分為 2類，非金屬元素和金屬元素，不同楊樹品種對氮與磷非金屬的吸收量呈極顯著、顯著或不顯著正相關性，表明楊樹對非金屬元素的吸收可以同時進行，相互之間沒有影響；對同價鉀、鈉金屬元素的吸收量呈極顯著、顯著或不顯著負相關性，由于生活污水處理增加了土壤中鈉離子濃度，表明同價金屬離子在通過根系進入楊樹各器官時互相排斥，楊樹對鈉吸收量增加可能導致楊樹根系對鉀離子的吸收量降低（表6）。

3.4 氮、磷、鉀、鈉積累量變化

氮、磷、鉀、鈉積累量大小表明了不同楊樹品種在不同水力負荷下對污水中氮、磷、鉀、鈉的吸收能力。隨著水力負荷增加，I-72楊、歐美107楊、‘中林2001’楊、‘中林46’楊枝、干、根中單位面積平均氮、磷、鉀、鈉積累量增加，在一定水力負荷達到最大值后又隨著水力負荷增加而降低，但是I-72楊、歐美107楊污水處理后單位面積平均鉀積累量低于對照；‘中林46’楊污水處理后枝單位面積平均氮、磷、鉀積累量，干與根中單位面積平均磷、鉀積累量低于對照（表7）。楊樹各器官氮、磷、鉀、鈉積累量主要受楊樹生長量與這些元素含量變化相關，楊樹生長越快，這些元素含量越高，其積累量越高，反之則越低。

方差分析結果表明，不同水力負荷下楊樹磷總積累量差異顯著，不同品種楊樹磷積累量，不同品種與水力負荷下氮、鉀、鈉總積累量均具有極顯著差異（表8）。

4 討論

4.1 生活污水處理對楊樹生長的影響

適量的生活污水處理增加了 I-72楊、歐美 107楊、‘中林 2001’楊的生長量，水力負荷過大，其生長量降低，其中‘中林 2001’楊生長量增加量最大，其次為歐美107楊與I-72楊，不同品種楊樹人工林生長量有極顯著差異，不同水力負荷下楊樹總生長量有顯著差異，表明不同楊樹對生活污水的響應差異明顯，污水處理增加了這些楊樹品種生長量。在較低水力負荷時，林木各器官中鈉積累量較低，養分含量增加有利于楊樹生長。在較大水力負荷，土壤中的水分與鹽含量較高，抑制了林木生長。生活污水處理減少了‘中林46’楊樹人工林生長量，‘中林46’楊對鹽含量敏感度較高（Zalesny et al.，2007），鈉離子在各器官中的大量積累可能抑制了其生長。

4.2 生活污水對楊樹生長的脅迫作用

楊樹的生長過程對鹽的反應非常敏感（張川紅等，2002），葉面積影響植物光和作用（Zalesny et al.，2007），隨著生活污水水力負荷增加土壤中較高的鹽含量抑制了楊樹生長。在較高水力負荷時，歐美107楊、‘中林2001’、I-72楊生長量降低，生長量可以指示污水脅迫。研究表明，不同品種平均鉀含量差異不顯著，不同水力負荷下楊樹平均鉀含量、不同品種與水力負荷下楊樹平均鈉含量均具有極顯著差異。隨著水力負荷增加，楊樹對鈉的吸收量增加，可能抑制了根系對鉀的吸收，生活污水對楊樹生長的脅迫可能與林木對鉀的吸收量減少密切相關。此外，生活污水水力負荷過大，楊樹根系長期處于淹水狀態，使根系退化，可能導致根系對養分和污染物的吸收能力降低，從而使林木生長受到了抑制。

4.3 不同楊樹品種對污水的凈化潛力

生活污水處理使3個楊樹品種的生長量增加，林木各器官中氮、磷、鈉的積累量增加，污水中氮、磷與鈉等污染物被林木吸收，可以吸收凈化大量的氮、磷、鈉污染物。污染物積累量是林木從處理系統中吸收的污染物物含量，植物污染物積累量是反映植物凈化潛力的重要指標之一，其大小由生長量和植物體內污染物決定（陳永華等，2008）。雖然生活污水林地生態處理增加了4個楊樹品種氮、磷、鈉的積累量，但是‘中林2001’、I-72楊、歐美107楊各器官中的氮、磷、鈉的積累量明顯高于‘中林46’楊，對污水的凈化能力更強。

表4 不同器官氮、磷、鉀、鈉含量Table 4 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium content of different organs

續表4 不同器官氮、磷、鉀、鈉含量Continued table 4 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium content of different organs

表5 不同品種與水力負荷下平均氮、磷、鉀、鈉含量方差分析結果Table 5 Variance analysis results of mean N, P, K, Na contents in different varieties and hydraulic loads

表6 不同元素含量的相關性Table 6 Correlation between different elements

4.4 楊樹林地生活污水處理效應

生活污水中營養物質具有促進林木生長的正效應，同時生活污水中鈉離子、氯離子等對林木生長具有負效應，深入研究生活污水楊樹林地處理的正效應與負效應，有助于選擇適宜的楊樹品種與水力負荷，保障楊樹林地處理生活污水處理系統的正常運行，不斷提高楊樹林地生活污水處理效率。

5 結論

（1）適當的水力負荷促進了‘中林2001’楊、I-72楊、歐美107楊的生長，在較大水力負荷時，生活污水中較高的鹽含量對這些楊樹品種的生長產生了脅迫作用，導致其生長量降低。生活污水處理抑制了‘中林46’楊生長。

（2）生活污水林地處理增加了楊樹各器官中氮、磷等營養物質與鈉積累量。‘中林2001’楊、I-72楊、歐美107楊各器官中氮、磷等營養物質與鈉積累量明顯高于‘中林46’楊，對污水的凈化潛力更強。

（3）從林木生長量、污染物含量與積累量變化規律判斷，‘中林2001’楊人工林處理生活污水處理效應最強，其后依次為歐美107楊、I-72楊，‘中林 46’楊污水處理效應最差。因此‘中林 2001’楊最適宜作為生活污水處理的植物材料，其次為歐美107楊、I-72楊，‘中林46’楊不宜作為生活污水處理的植物材料，楊樹人工林生活污水處理的適宜水力負荷為6—9 cm·week-1。參考文獻：

表7 不同器官氮、磷、鉀、鈉積累量Table 7 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium amassment of different organs

續表7 不同器官氮、磷、鉀、鈉積累量Continued table 7 Nitrogen, phosphorus, potassium, potassium amassment of different organs

表8 不同品種與水力負荷氮、磷、鉀鈉總積累量方差分析結果Table 8 Variance analysis results of mean N, P, K, Na accumulation in different varieties and hydraulic loads

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