城市排水污泥對竹柳扦插苗生理特性及N、P、K含量的影響

唐 膠, 彭祚登, 賈清棋, 熊建軍, 劉春和, 馮天爽

(1.北京林業大學省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100083；2.北京城市排水集團有限責任公司，北京 100044；3.北京市黃垡苗圃，北京 102602)

城市污泥是城市污水處理過程中產生的生物質殘片，通常呈絮狀體，含水率可達80%以上[1].隨著我國城鎮化和工業化的高速發展，污水處理廠處理污水的力度和成效日益加強，產出的污泥量也在不斷增加，如何安全有效地處理污泥是經濟發展中面臨的重大課題.污泥中含有多種有機物以及N、P、K等營養元素，采用合理的方式將污泥進行堆肥化處理后施用，能夠提高土壤肥力，促進植物生長，但同時污泥中還含有一定量的重金屬以及難降解的有機毒物，成為其推廣應用過程中的主要限制因素[2].相較于污泥農用而言，將污泥用于林業綠化，可以避開人類食物鏈，促進林業植物生長，同時還可以利用某些林業植物對重金屬的高富集特性，更好地實現污泥的資源化、經濟化和生態化目標.因此，污泥林用是當前污水處理廠污泥資源化利用的重要方式[3].

目前，關于污泥對植物施用效果的研究已有許多報道.如污泥的施入不會降低竹柳(Salixspp.)扦插苗的成活率，且當污泥施用量為3 kg·m-2時能夠明顯促進扦插苗新梢、根系的生長發育[4]；添加一定量的污泥對榆樹(UlmuspumilaL.)[5]、紅葉石楠(Photiniafraseri)[6]葉片葉綠素含量的提高具有促進作用；施用污泥對綠地植物可溶性糖、可溶性蛋白等滲透調節物質均表現出有益影響，對增強植物抗性具有良好的效果[7-9]；污泥的合理施用還能夠促進高羊茅(Festucaarundinacea)[10]、黃梁木(Neolamarckiacadamba)[11]、尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)[12]對N、P、K等養分元素的吸收，具有明顯的正效應.

竹柳為楊柳科(Saliaceae)柳屬落葉喬木，具有富集重金屬、生長迅速、繁殖能力強等特點，現已逐漸發展成為園林綠化、鹽堿地造林、湖泊灘涂造林及荒漠、戈壁、撂荒地生態修復的理想樹種，在污泥資源化土地利用上具有良好的應用前景[13-15].以往學者對城市污泥施用效果的研究多針對于林地喬木或盆栽幼苗，對于其在苗圃營養繁殖育苗中的施用研究鮮少.因此，本研究以城市排水污泥為試驗材料，選取竹柳為試驗對象，在平原沙地苗圃環境下，探討城市排水污泥的施用對竹柳扦插苗生理特性的影響，以期為城市排水污泥在苗圃營養繁殖育苗方面的應用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于北京市大興區黃垡苗圃，地理坐標為東經116°20′，北緯39°34′，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候.該區多年平均氣溫11.6 ℃，極端最低氣溫-27.4 ℃，極端最高氣溫40.6 ℃，多年平均降雨量556 mm，其中，7—9月份的降雨量占全年降雨總量的60%～70%，全年無霜期209 d，年平均日照總時數2 772 h.試驗育苗地地勢平坦，土質為沙質壤土，平均厚度2 m，透水透氣性好，保肥蓄水能力弱[16].試驗地土壤的基本理化性質如表1所示.

表1 試驗地土壤的基本理化性質1)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil from the experimental site

1.2 試驗材料

插穗來源于北京市大興區黃垡苗圃培育的8年生竹柳大苗，苗木長勢良好，管護情況較為一致.

供試城市排水污泥來源于北京市排水集團高碑店再生水廠，為城市污泥經過高溫熱水解預處理工藝，再經過厭氧消化處理后制得的污泥產品，其各項指標均符合GB/T 24600—2009[17]中規定的限定值.城市排水污泥的基本理化性質如表2所示.

1.3 試驗設計

試驗采用單因素完全隨機區組方法，參照GB/T 24600—2009[17]中的相關規定，設置3、6、9 kg·m-2共3個污泥施用量，分別設為T1、T2、T3處理，同時設置不施污泥為對照(CK)，共4個處理，3次重復.試驗苗床為低床，各試驗小區凈育苗面積為5 m2，整地工作于2019年3月底進行，同時將城市排水污泥按照不同的施用量均勻施入各試驗小區地表，翻耕入土.采穗時間為2019年7月25日清晨，選取當年生半木質化、健康無損傷的竹柳枝條，剪成長度約15 cm、粗度約1 cm的插穗，上端剪口離頂芽上方1 cm處平切，下端剪口于底芽下方2 cm處斜切，盡量保證上下端切口平整，避免劈裂，每根插穗保留2～3個芽和1～2片葉.剪好后先將插穗基部浸入0.1%高錳酸鉀溶液中消毒30 min，再在含量為0.012 5%的ABT-6號生根粉溶液中浸泡20 min，最后于各試驗小區南北方向進行扦插，共計扦插4行，每行30株，其他農事操作均為常規管理.

表2 城市排水污泥的基本理化性質Table 2 Basic physical and chemical properties of urban sewage sludge

1.4 測定項目及方法

于扦插后第35天統計記錄扦插苗成活株數(記為w)，并使用公式計算成活率(記為W)，W/%=(w/120)×100.分別于扦插后的第35、50、65、80天，在每個試驗小區內多點混合采集健康無損傷的葉片，裝入自封袋用冰盒保存迅速帶回實驗室，流水洗凈后擦干葉片表面水分，過液氮放置在-80 ℃超低溫冰箱中存放，用于生理生化指標的測定.其中，葉綠素a、葉綠素b的含量采用乙醇浸提法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍染色法測定[18].結合前人的研究結果，植物中可溶性糖和淀粉的總含量在非結構性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)中的占比達到90%以上，因此將NSC含量定義為可溶性糖和淀粉含量之和，測定方法采用蒽酮比色法[19].

于2019年10月底，在各試驗小區內選取3株長勢較為一致的標準苗木，將其整株取出后帶回實驗室，用于全氮(N)、全磷(P)、全鉀(K)含量的測定.植物樣品先用自來水緩慢沖洗干凈，再用去離子水淋洗3次，吸干樣品表面水分，將其分為根、莖、葉3個部分，剪碎裝入信封，先于105 ℃下殺青20 min，再在80 ℃下烘干48 h至恒質量，用不銹鋼粉碎機粉碎樣品后過40目尼龍篩備用.采用H2SO4-H2O2法消煮植物樣品，獲得待測樣液，N、P含量采用Smartchem 450型全自動間斷化學分析儀測定；K含量采用火焰分光光度計法測定[20].

1.5 數據處理

數據以平均值±標準誤表示.采用Microsoft Excel 2010和SPSS 25.0軟件進行數據整理與分析，采用單因素方差分析方法(one-way ANOVA)，若分析結果顯示差異顯著(P<0.05)，則采用Duncan法進行多重比較.

2 結果與分析

2.1 施用城市排水污泥對竹柳扦插苗成活率的影響

不同污泥施用量下竹柳扦插苗的成活率如表3所示.表3顯示：竹柳扦插苗的成活率為58.61%～70.00%；與CK相比，T1、T2、T3處理對扦插苗的成活率均無顯著影響.

段文瀚解釋說，第一個“綠色”之所以叫“綠色礦山”，是因為云天化采用最先進、效率最高的開采技術，極大提高了對磷礦石的利用率，做到了對資源的充分利用和循環利用。除此之外，云南的磷礦大都是膠磷礦，雜質含量較多，這就需要采用先進的浮選技術對膠磷礦進行加工，使其更干凈、有害因子更少。同時，礦產開采完之后，云天化還會對土壤進行回填，利用先進技術進行浮土植被的種植。浮土植被的種植聽起來簡單，實際上對技術有很高的要求，前期投入巨大。據段文瀚介紹，上個世紀80年代至今，云天化單是復墾植被，恢復綠色的投入就將近10億元，目的就是希望從源頭支撐整個綠色發展理念的運行。

表3 不同處理下竹柳扦插苗的成活率1)Table 3 Survival rate of Salix spp. cuttings under different treatments

2.2 施用城市排水污泥對竹柳扦插苗葉片葉綠素含量的影響

從表4可以看出，竹柳扦插苗葉片葉綠素各指標的含量在整個測試期間呈現逐漸上升的趨勢.扦插35 d后，葉綠素a含量為0.56～0.87 mg·g-1，葉綠素b含量為0.20～0.34 mg·g-1，葉綠素(a+b)含量為0.76～1.20 mg·g-1，不同處理下葉綠素各指標含量的大小表現均為：T1>CK>T3>T2，T1處理的葉綠素各指標含量最高，且與CK、T2、T3處理的差異顯著，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)的含量分別比CK提高了39.79%、48.52%、42.12%；扦插50 d后，T1、T2、T3處理下的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)含量與CK相比均有所提高，其中以T1處理的含量最高，顯著高于CK，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)的含量分別比CK提高了10.63%、14.56%、11.11%；扦插65 d后，不同處理的葉綠素各指標含量均有所增加，變化趨勢與扦插50 d后的結果相似，葉綠素a含量為0.91～1.11 mg·g-1，葉綠素b含量為0.31～0.40 mg·g-1，葉綠素(a+b)含量為1.21～1.51 mg·g-1，T1處理下的葉綠素各指標含量顯著高于CK，達到最大值，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)的含量分別比CK提高了22.79%、26.62%、24.73%；扦插80 d后，各處理間的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)含量均無明顯差異.在扦插后的不同測試時間，各處理間的葉綠素a/葉綠素b均無明顯差異.

表4 不同處理下竹柳扦插苗葉片中葉綠素的含量1)Table 4 Chlorophyll content in leaves of Salix spp. cuttings under different treatments

2.3 施用城市排水污泥對竹柳扦插苗葉片可溶性蛋白含量的影響

由表5可知，隨著污泥施用量的增加，竹柳扦插苗葉片的可溶性蛋白含量總體呈現先增加后減少再增加的趨勢.扦插35 d后，各處理的可溶性蛋白含量差別不大；扦插50、80 d后，可溶性蛋白含量分別為2.81～3.46、1.85～2.64 mg·g-1，T1處理的可溶性蛋白含量與CK相比有顯著提高，處于最高水平，可溶性蛋白含量分別較CK提高了21.83%、42.70%；扦插65 d后，T1、T3處理的可溶性蛋白含量均顯著高于CK，分別是CK的1.41、1.27倍.

表5 不同處理下竹柳扦插苗葉片中可溶性蛋白的含量1)Table 5 Soluble protein content in leaves of Salix spp. cuttings under different treatments mg·g-1

2.4 施用城市排水污泥對竹柳扦插苗葉片NSC含量的影響

表6顯示，隨著污泥施用量的增加，竹柳扦插苗葉片的可溶性糖含量在整個測試期間均呈逐漸增加的趨勢.扦插50、80 d后，T1、T2、T3處理的可溶性糖含量較CK均有顯著提高，其中，T3處理的可溶性糖含量達到最大值，分別是CK的1.36、1.64倍；扦插65 d后，僅T3處理的可溶性糖含量與CK的差異顯著，比CK提高了14.15%；各處理的可溶性糖含量在其他測試時間的差異不大.

表6 不同處理下竹柳扦插苗葉片中可溶性糖、淀粉、NSC的含量1)Table 6 Soluble sugar, starch and NSC contents in leaves of Salix spp. cuttings under different treatments mg·g-1

扦插35、50 d后，T1、T2、T3處理下竹柳扦插苗葉片的淀粉含量均顯著高于CK，其中，T1處理的淀粉含量處于最高水平，分別比CK提高了50.63%、36.29%；扦插65、80 d后，淀粉含量受污泥施用量的影響較小，與CK相比差異不大.

不同測試時間下，T1、T2、T3處理的竹柳扦插苗葉片NSC含量均顯著高于CK，其中在扦插35、65 d后，NSC含量均以T2處理最大，較CK分別提高了39.22%、15.38%，而在扦插50、80 d后則以T3處理下的NSC含量最高，分別比CK提高了34.36%、53.90%.

2.5 施用城市排水污泥對竹柳扦插苗N、P、K含量及分配率的影響

2.5.1 N、P、K在竹柳扦插苗各器官中的含量 不同處理下N、P、K在竹柳扦插苗各器官中的含量如表7所示.

表7 不同處理下竹柳扦插苗各器官中N、P、K的含量及分配率1)Table 7 N, P and K contents and distribution rates in roots, stems and leaves of Salix spp. cuttings under different treatments

在根中，施入污泥后的P含量均有所上升，但各處理間的差異不明顯；在莖中，P含量隨著污泥施用量的增加表現出逐漸下降的趨勢，T2、T3處理的P含量分別比CK下降了37.22%、42.93%，顯著低于CK；在葉中，僅有T3處理的P含量與CK的差異顯著，較CK提高了6.50%.

在根中，T1、T2、T3處理的K含量均高于CK，T1、T2處理的K含量分別是CK的1.36、1.18倍，與CK的差異顯著；在莖中，T1處理的K含量顯著高于CK、T2、T3處理，較CK提高了22.29%；在葉中，K含量在T1、T2處理下略有增加，但與CK相比并不存在明顯差異.

不同處理下竹柳扦插苗全株N含量的大小表現為：T2>T3>CK>T1，T1處理顯著低于T2、T3處理，此污泥施用量下苗木N含量較CK略有下降但差異不顯著；全株P含量呈現出與N含量相同的變化趨勢，大小表現為：T2>T3>CK>T1，但各處理間均不存在顯著差異；全株K含量在T1、T2處理下顯著高于CK、T3處理，其中以T1處理的K含量最高，是CK的1.25倍.

2.5.2 N、P、K在竹柳扦插苗各器官中的分配率 不同處理下N、P、K在竹柳扦插苗各器官中的分配率如表7所示.表7顯示：除CK(葉>莖>根)外，其他處理N在各器官中的分配率均表現為:葉>根>莖，CK的N在根中的分配率最少，3種污泥施用量處理均能顯著提高N在根中的分配率，而在葉中的分配率則呈現出與根相反的變化規律，T1、T2、T3處理的分配率較CK均顯著下降；除T2處理(根>葉>莖)外，其他處理P在各器官中的分配率均表現為：葉>根>莖，施入污泥后，P在根中的分配率稍有提高，T2、T3處理下P在莖中的分配率較CK顯著下降；不同處理下K在各器官中的分配率均表現為：葉>根>莖，T1、T2、T3 處理下K在根中的分配率較CK均略有提高，但與CK相比差別不大.

3 討論與結論

不同的土壤環境能夠為植物插穗提供不同的根部生長環境，對不定根的發生與生長產生直接影響，是影響插條成活率的重要因素之一[21].城市排水污泥含有較多的黏性顆粒以及豐富的有機物質，可作為一種極具潛力的土壤改良劑，用以提高沙土的保水、保肥能力[22].本研究結果表明，不同城市排水污泥的施用量，對竹柳扦插苗的成活率不存在明顯的抑制作用，污泥施用量為6、9 kg·m-2時，成活率較CK略有提高，表明適量施用城市污泥能夠改善土壤環境，不會對竹柳扦插苗的成活率產生消極影響.

葉綠素是植物體所必需的光合色素，其含量能夠體現植物進行光合作用的潛力.高等植物的葉綠素主要包括葉綠素a、葉綠素b兩種，其中，葉綠素a是光合作用的中心色素分子，直接決定了光合作用活性，葉綠素b則具有吸收光能并傳遞光能的作用[23].本研究中，竹柳扦插苗葉片的葉綠素在整個測試期間不斷得到積累，各測定時間的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)含量均在污泥施用量為3 kg·m-2時達到最大值，并在扦插35、50、65 d后與CK的差異顯著，表現出明顯的促進作用；但當污泥施用量增加到6、9 kg·m-2時，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)的含量又有所回落.城市污泥富含植物生長所必需的營養元素，這些營養元素是影響葉片光合作用的重要因素，將污泥施入土壤后，土壤養分庫得到了充分補給，從而促使植株旺盛生長，增強其光合作用的能力.但當污泥施用量過大時，其所含的重金屬或較高的鹽分可能會抑制植株的光合生理，造成葉面氣孔收縮，阻礙葉綠素的合成，表現出脅迫現象，這與張燦[24]、郝瑞娟[25]分別對紫穗槐(AmorphafruticoseLinn.)、金葉女貞(Ligustrumvicaryi)施用污泥的研究結果相一致.本研究中，竹柳扦插苗扦插80 d后各處理間的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)含量均無明顯差異，可能是由于測試前期環境適宜，扦插苗處于速生時期，葉綠素含量變化明顯，而后期氣溫下降，光照減弱，苗木生長緩慢，影響葉綠素的合成與積累.

可溶性蛋白參與調控植物體內多種生理生化過程，測定其含量是了解植物生理生化代謝狀況的一個重要方式[26].本研究中，竹柳扦插苗葉片可溶性蛋白含量在整個測試期間呈先增加后減少的趨勢，扦插50 d后達到最大值，扦插60、80 d后開始下降，可能是由于測試后期氣溫下降，植物葉片中的可溶性蛋白逐漸向根部轉移，以滿足根部生理代謝的需求[27].增施污泥，整個測試期間的可溶性蛋白含量表現出先增加后減少再增加的趨勢，峰值基本均出現在3 kg·m-2的施用量下，表明此施用量對促進可溶性蛋白的積累效果最優；6、9 kg·m-2的中、高污泥施用量下，各測試時間的可溶性蛋白含量均有所下降，原因可能是污泥中含有重金屬等有毒離子，少量施用時雖然也有不定量的重金屬離子被植株吸收，但并未超出其對植株造成毒害效應的閾值，加大污泥施用量后，有害離子在植株體內富集，產生對植物的脅迫作用，使蛋白質分解速度加快，合成受到抑制，進而表現為可溶性蛋白含量的下降，此結果與王育科[28]對油麥菜(Lactucasativa)施用城市污泥的研究結果相似.

NSC是參與植物生命代謝的重要物質，主要包括可溶性糖、淀粉，其中，可溶性糖是植物體內碳水化合物運輸和利用的主要形式，淀粉是植物體內碳的主要存儲物質，二者在一定條件下能夠相互轉化，以維持正常的生理活動[29-30].本研究結果表明，隨著竹柳扦插苗生長時間的延長，葉片可溶性糖、NSC含量均逐漸上升，而淀粉含量則先上升后下降.有研究指出，插穗生根后，苗木體內所需的營養物質大部分來自于外界，通過根的養分吸收和葉片的光合作用，可溶性糖和淀粉開始逐漸在植株體內積累[31].本研究中，苗木葉片淀粉含量在測試后期下降，可能與兩個原因有關：一是光照強度減弱，葉片光合產物合成減少，致使儲存在于苗木體內的淀粉發生轉化，以補充苗木生長對可溶性糖的需求[29]；二是竹柳為落葉樹種，入冬前需要通過淀粉的轉化，增加體內可溶性糖含量，以提高自身抗寒性.施入污泥后，扦插苗葉片的可溶性糖、淀粉含量相比CK均有所提高，NSC含量隨著污泥施用量的增加總體呈現上升趨勢，表明污泥的施用有益于扦插苗葉片NSC的積累.主要原因可能是平原沙地壤土中的養分較貧瘠，城市排水污泥可被作為良好的養分資源，同時污泥中含有較多的黏性顆粒，能夠改善土壤結構，促進土壤團粒結構的形成，利于根系的營養吸收，且能在一定程度上提高葉片的光合能力，提高NSC的積累量[32-33].

N、P、K是植物生長的必需大量營養元素，其在植物體內的分配與積累，能夠反映出植物的營養狀況和生長質量[34].本研究中，不同處理竹柳扦插苗各器官的N、P、K主要集中于葉，其次為根、莖，葉片各養分元素的累積量占全株累積量的40%～60%，是整個植株養分貯存的主要器官.施入污泥后，根系各養分元素的分配率及積累量均有所提高，施用量為3、6 kg·m-2時的N、K含量均顯著高于CK，表明污泥的施入能夠促進竹柳扦插苗根系對養分的吸收，對地下部分的生長發育存在積極作用；而各養分元素在扦插苗莖、葉中的分配和積累隨著污泥施用量增加的變化規律不規則，施入污泥后顯著降低了葉片N的分配率，莖部P的分配率也在中、高污泥施用量下表現出明顯的下降趨勢.可能是由于施入污泥后重金屬的作用，根系所吸收的部分養分向地上部分的運輸受阻，進而導致分配率的下降[35].隨著污泥施用量的增加，全株N、P含量的變化不明顯，K含量則表現為先增加后減少的趨勢，污泥施用量為3、6 kg·m-2時，K含量較CK有明顯提高，此污泥施用量下扦插苗各器官的K含量較高.污泥施用量為9 kg·m-2時，K含量反而有所下降，可能與兩個過程有關：一是污泥施用量過高，重金屬對植物的脅迫作用增強，影響了扦插苗根系對K的吸收；二是高污泥施用量下，土壤中的養分過于豐富，出現養分奢養現象，扦插苗體內養分元素的承載量不會進一步增加[36].

綜上所述，合理施用城市排水污泥能夠對竹柳扦插苗葉片葉綠素、可溶性蛋白、NSC含量以及養分元素的積累存在一定的積極作用，且本研究中各污泥施用量對成活率均沒有明顯的抑制作用，綜合考慮施用污泥后各項指標的響應情況，本研究認為城市排水污泥對竹柳扦插苗的施用量應控制在3 kg·m-2.本研究重點關注竹柳扦插苗生理指標對于城市排水污泥的響應，還存在一定的局限性.因此，在本研究的基礎上還需進一步拓寬研究思路，長期持續地開展田間驗證試驗，對植株光合生理、養分含量等多項指標進行動態監測，探究污泥施用對苗木生長特性、土壤環境以及地下水環境的影響機理，以期能夠科學準確地評估城市排水污泥在苗圃育苗方面的施用效果.