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        楊樹林地處理生活污水生態(tài)效應(yīng)1)

        2016-11-07 03:13:49沈植國白保勛焦書道程建明沈希輝
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        沈植國 白保勛 焦書道 程建明 沈希輝

        (河南省林業(yè)科學(xué)研究院,鄭州,450008) (鄭州市農(nóng)林科學(xué)研究所) (鄭州市城市園林科學(xué)研究所) (河南林科園林科技有限公司)

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        楊樹林地處理生活污水生態(tài)效應(yīng)1)

        沈植國 白保勛 焦書道 程建明 沈希輝

        (河南省林業(yè)科學(xué)研究院,鄭州,450008) (鄭州市農(nóng)林科學(xué)研究所) (鄭州市城市園林科學(xué)研究所) (河南林科園林科技有限公司)

        為了研究不同污水水力負(fù)荷對(duì)不同楊樹品種人工林的影響,選擇了‘I-72’、‘歐美107’、‘中林2001’與‘中林46’四個(gè)楊樹品種,分別按照3、6、9、12、15 cm·周-15個(gè)水力負(fù)荷進(jìn)行污水處理;測(cè)定試驗(yàn)期間各品種地上部分生長量、凋落物量與污染物積累量。結(jié)果表明:3~9 cm·周-1水力負(fù)荷增加了‘I-72’、‘中林2001’、‘歐美107’的生長量、凋落物量與污染物積累量;水力負(fù)荷大于9 cm·周-1時(shí),這3個(gè)楊樹品種生長量、凋落物量與污染物積累量隨著水力負(fù)荷增加而降低。在這3個(gè)品種中,‘中林2001’ 年生長量與污染物積累量最大,‘歐美107’中等,‘I-72’最低。從楊樹生長量與污染物積累量來看,‘中林2001’最適合作為污水處理的植物材料,其次是‘歐美107’、I-72楊,污水處理的適宜水力負(fù)荷為6~9 cm·周-1,‘中林46’不適合用于污水處理。

        楊樹人工林;生活污水;植物修復(fù);土壤養(yǎng)分與鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù);生長量;污染物積累量

        A wastewater treatment experiment was conducted to estimate effects of different hydraulic loading rates on different poplar varieties plantations. Five different hydraulic loading rates (3, 6, 9, 12 and 15 cm·week-1) were applied to four poplar clones (“72”, “107”, “2001” and “46”) during poplar growing seasons, respectively. Biomass variation, litter fall and contaminant accumulation were determined during the experiment. The suitable hydraulic loadings rate (6-9 cm·week-1) resulted in the increase of growth, litter fall and contaminant accumulation compared to control treatment (no irrigation) except for “46”, and high hydraulic loadings (>9 cm·week-1) caused stress on the four poplar varieties. The variations of biomass and contaminant accumulation during the experiment indicated that the poplar “2001” appeared to be more suitable clone as vegetation filter for domestic wastewater treatment than poplar clone “107” and “72”, whereas “46” was unsuitable.

        在中國,隨著新型城鎮(zhèn)化與城鄉(xiāng)居民生活水平的不斷提高,生活污水排放量不斷增加,使水環(huán)境、土壤與農(nóng)產(chǎn)品受到了污染。近年來,為了解決日益嚴(yán)重的水污染問題,污水土地處理技術(shù)快速發(fā)展[1,3]。污水土地處理技術(shù)建設(shè)運(yùn)營成本低[4-5],非常適合于中國分散的村鎮(zhèn)生活污水處理[6-7]。

        楊樹生長快、輪伐期短、應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高,廣泛栽植于我國中北、東北與西北部地區(qū),是防護(hù)林帶、用材林的主要造林樹種。隨著工業(yè)、造紙業(yè)、楊樹加工業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)楊樹木材的需求量不斷增加。楊樹生長快、所需水分與養(yǎng)分較多,而楊樹主要栽培區(qū)氣候干旱、土壤比較干旱貧瘠,為了提高楊樹木材產(chǎn)量,需要對(duì)楊樹人工林加強(qiáng)管理[8]。

        楊樹生長快、根系深,可以吸收、蒸發(fā)大量水分與養(yǎng)分,是最常用的污水處理樹種之一[9]。楊樹根系龐大,細(xì)根所占比例大,這些根系能夠持續(xù)不斷地吸收水分與硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等污染物,把污染物從土壤中移除[10],健康的楊樹根系活力高,能夠蒸發(fā)大量水、吸收土壤中的污染物[11]。在污水土地處理系統(tǒng)中,生活污水中的污染物與水分被楊樹吸收凈化的同時(shí),能夠促進(jìn)楊樹生長。

        本項(xiàng)目的研究目的是了解不同的污水水力負(fù)荷對(duì)不同品種楊樹人工林的影響,選擇適宜的楊樹品種與水力負(fù)荷,構(gòu)建楊樹林地污水處理系統(tǒng),凈化處理村鎮(zhèn)生活污水。假定在污水處理后,4個(gè)楊樹品種生長量的變化將會(huì)產(chǎn)生差異,這種差異在于其遺傳基因的不同,同時(shí)在污水處理過程中,隨著水力負(fù)荷的增加,這些品種對(duì)生活污水脅迫的響應(yīng)也不同。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地與污水成分

        試驗(yàn)在鄭州市南5.5 km的龍湖鎮(zhèn)生活污水排污口進(jìn)行,地理坐標(biāo)為北緯34°36′,東經(jīng)113°42′,試驗(yàn)期間的溫度與降水量詳見表1。試驗(yàn)地土壤為潮土,土壤pH值為8.29~8.40,有機(jī)碳、總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.22~1.51、0.33~0.38 g·kg-1。

        表1 試驗(yàn)期間氣溫與降水量

        試驗(yàn)用生活污水來自于龍湖鎮(zhèn)排污口,其成分由河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心根據(jù)中國環(huán)境保護(hù)部污水檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法測(cè)定。污水呈暗褐色、有臭味,其中pH值為(7.5±0.2)、生化需氧量為(42.7±8.6)mg·L-1、化學(xué)需氧量為(742.5±161.1)mg·L-1、總氮質(zhì)量濃度為(27.5±5.8)mg·L-1、氨氮質(zhì)量濃度為(24.1±2.6)mg·L-1、總磷質(zhì)量濃度為(2.8±0.5)mg·L-1、鈉離子質(zhì)量濃度為(208.8±15.7)mg·L-1、氯離子質(zhì)量濃度為(629.4±49.5)mg·L-1,污水中重金屬未檢出。

        1.2 楊樹品種選擇與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        用于生活污水處理的楊樹品種包括‘I-72’(Populus×euramericana‘San Martino I-72/58’)、‘歐美107’(Populus×euramericana‘74/76’)、‘中林2001’(Populusdeltoides‘Zhonglin 2001’)與‘中林46’(Populus×euramericana‘Zhonglin 46’)。多年來,這4個(gè)楊樹品種在我國栽植面積大,試驗(yàn)地4個(gè)楊樹品種均為4年生,密度均為2 000株·hm-2。

        試驗(yàn)開始前,在各楊樹品種林地設(shè)置樣地,試驗(yàn)樣地規(guī)格為20 m×20 m,樣地采取隨機(jī)抽樣的方式布設(shè),每個(gè)處理重復(fù)3次。為了消除邊緣效應(yīng)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(shè)置3個(gè)隔離行。

        生活污水處理進(jìn)行了2 a,采用處理與利用型土地漫速滲濾處理方法,水力負(fù)荷分別為0(對(duì)照)、3、6、9、12、15 cm·周-1。如果降水量超過10 mm,根據(jù)降水量與雨后天氣狀況適當(dāng)推遲污水處理時(shí)間;根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào),降水可能性比較大或者有大風(fēng)天氣時(shí),適當(dāng)推遲處理時(shí)間,在雨后或大風(fēng)過后,根據(jù)降水情況確定下次處理時(shí)間,防止林木出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象。

        1.3 樣品采集與化驗(yàn)

        1.3.1 土壤樣品采集與分析

        在污水處理試驗(yàn)第二年12月份,在各處理樣地挖掘深1 m的土壤剖面,土壤剖面分為4個(gè)層次,分別在各個(gè)層次采集土樣,把土品帶回實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)。土壤樣品pH值測(cè)定采用電位法,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定采用重鉻酸鉀法;土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定采用開氏氮法;全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法;全鉀與鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定采用火焰光度法[12]。

        1.3.2 生長量與凋落物量測(cè)定

        在污水處理開始前與結(jié)束后,分別測(cè)定樣地林木的胸徑與樹高,各樣地按徑階與樹高分別選擇5株平均木測(cè)定枝與干的生物量(試驗(yàn)開始前在試驗(yàn)區(qū)選平均木,試驗(yàn)結(jié)束后在各試驗(yàn)樣地選擇平均木),分層采集枝與干樣品[13]。把枝與干樣品放在干燥箱中在70 ℃烘至恒質(zhì)量,然后測(cè)定其干質(zhì)量,根據(jù)林木各器官總鮮質(zhì)量與樣品干鮮質(zhì)量計(jì)算林木各器官的生長量[14]。

        試驗(yàn)開始前,在每個(gè)樣地隨機(jī)設(shè)置3組凋落物收集器,其規(guī)格為0.5 m×0.5 m×0.6 m,用于收集試驗(yàn)期間凋落物,凋落物每月收集一次,在干燥箱中70 ℃烘至恒質(zhì)量,然后測(cè)定其干質(zhì)量[15]。

        1.3.3 植物樣品養(yǎng)分與鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

        分別在各樣地采集枝、干與凋落物樣品,按樣地編號(hào),帶回實(shí)驗(yàn)室,測(cè)定植物樣品中氮、磷、鉀及鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù),氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定采用奈氏比色法,磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用釩鉬黃比色法,鉀和鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定采用火焰光度法[12]。

        1.4 地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)

        在對(duì)照及污水處理樣地中間,分別打觀測(cè)井,井的深度達(dá)到各樣地的淺層地下水位以下,每個(gè)觀察井均安裝有PVC井管,PVC井管下部開有細(xì)孔,井管高出地面50 cm,在觀察井周圍筑起40 cm高的水堰,防止污水在試驗(yàn)過程中從井口周圍進(jìn)入觀察井。在各觀測(cè)井取水樣,按國標(biāo)規(guī)定的方法測(cè)定水樣中污染物的質(zhì)量濃度,監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括生化需氧量,化學(xué)需氧量,氨氮、氯化物、硝酸鹽與硫酸鹽質(zhì)量濃度。

        1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)用excel軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 土壤理化性質(zhì)的變化

        從表2可以看出,土層0

        2.2 楊樹生長量變化

        污水處理后,‘I-72’、‘歐美107’、‘中林2001’生長量均先隨著水力負(fù)荷增加而增加,達(dá)到最大值后隨著水力負(fù)荷增加而降低,進(jìn)行污水處理的‘I-72’、‘歐美107’、‘中林2001’楊樹人工林生長量均高于對(duì)照;‘中林46’生長量隨著水力負(fù)荷的增加而降低,污水處理的‘中林46’生長量均低于對(duì)照。在4個(gè)楊樹品種中,污水處理使‘中林2001’人工林地上部分生長量增加量最大,其次分別為‘歐美107’與‘I-72’,污水處理使‘中林46’生長量降低(表3)。

        表2 不同處理土壤化學(xué)性質(zhì)

        表3 不同楊樹品種地上部分生長量、養(yǎng)分與污染物的積累量

        注:根據(jù)試驗(yàn)開始前與結(jié)束后標(biāo)準(zhǔn)木的生物量與每公頃林木株數(shù)計(jì)算單位面積人工林地上部分生長量;表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;同列不同字母表示差異顯著。

        2.3 試驗(yàn)結(jié)束后各楊樹樣品養(yǎng)分與污染物積累量的變化

        在污水處理試驗(yàn)結(jié)束后,經(jīng)5個(gè)處理的林地中,‘I-72’、‘歐美107’、‘中林2001’的氮、磷與鈉積累量均高于對(duì)照,鉀積累量隨著水力負(fù)荷的增加先增加后降低。

        ‘中林46’氮積累量在3 cm·周-1水力負(fù)荷時(shí)最高,然后隨著水力負(fù)荷的增加而降低;磷積累量在3 cm·周-1水力負(fù)荷時(shí)高于對(duì)照,在6、9、12、15 cm·周-1水力負(fù)荷時(shí)低于對(duì)照;鈉積累量均高于對(duì)照;鉀積累量均低于對(duì)照(表3)。

        2.4 楊樹凋落物量、養(yǎng)分與污染物積累量的變化

        在4個(gè)楊樹品種中,‘I-72’、‘歐美107’與‘中林2001’凋落物量均先隨著水力負(fù)荷增加而增加,在達(dá)到最大值后隨著水力負(fù)荷增加而降低,污水處理的林地凋落物量均高于對(duì)照;‘中林46’的凋落物量隨著水力負(fù)荷的增加而降低(表4)。試驗(yàn)中觀察到,與對(duì)照相比,‘I-72’與‘中林46’在污水處理后有明顯的提前落葉現(xiàn)象。

        ‘I-72’、‘歐美107’與‘中林2001’凋落物中養(yǎng)分與污染物積累量均先隨著水力負(fù)荷增加而增加,在達(dá)到最大值后隨著水力負(fù)荷的增加而減少。‘中林46’凋落物中氮與鈉積累量,隨著水力負(fù)荷先增加后降低,磷積累量無明顯變化規(guī)律,鉀積累量逐漸降低(表4)。

        表4 不同楊樹品種凋落物量、養(yǎng)分與污染物積累量

        注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;同列不同字母表示差異顯著。

        2.5 污水處理后地下水水質(zhì)變化

        隨著水力負(fù)荷的增加,地下水中生化需氧量與化學(xué)需氧量急劇增加,在水力負(fù)荷>9 cm·周-1時(shí),以上兩種污染物增加較快;隨著水力負(fù)荷增加,地下水中氨氮質(zhì)量濃度增加,在水力負(fù)荷≥12 cm·周-1時(shí)其質(zhì)量濃度迅速增加;隨著水力負(fù)荷的增加,地下水中氯化物的質(zhì)量濃度增加,在12 cm·周-1水力負(fù)荷地下水中氯化物質(zhì)量濃度急劇增加;地下水中硝酸鹽與硫酸鹽的質(zhì)量濃度均隨著水力負(fù)荷的增加而增加,在水力負(fù)荷≥9 cm·周-1時(shí),其質(zhì)量濃度增加較快,在水力負(fù)荷≥12 cm·周-1時(shí)其質(zhì)量濃度急劇增加。

        按照中華人民共和國《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[16],對(duì)照與各水力負(fù)荷地下水中氨氮質(zhì)量濃度均超過了Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn);地下水中氯化物質(zhì)量濃度在3~6 cm·周-1水力負(fù)荷下均未超過Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),在9~12 cm·周-1水力負(fù)荷下未超過Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),在15 cm·周-1水力負(fù)荷地下水中氯化物質(zhì)量濃度未超過Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn);對(duì)照地下水中硝酸鹽質(zhì)量濃度未超過Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),在3 cm·周-1水力負(fù)荷地下水中硝酸鹽未超過Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),在6~9 cm·周-1水力負(fù)荷地下水中硝酸鹽質(zhì)量濃度未超過Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),在12 cm·周-1水力負(fù)荷地下水中硝酸鹽質(zhì)量濃度未超過Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),但是在15 cm·周-1水力負(fù)荷地下水中硝酸鹽質(zhì)量濃度到達(dá)了Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn);各處理與對(duì)照地下水硫酸鹽的質(zhì)量濃度均超過了Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

        表5 污水處理后地下水水質(zhì)

        注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

        3 結(jié)論與討論

        污水處理增加了‘中林2001’、‘歐美107’與‘I-72’地上部分生長量與凋落物量,降低了‘中林46’地上部分生長量與凋落物量,楊樹生長量、凋落物量的變化與楊樹品種及水力負(fù)荷密切相關(guān)。與對(duì)照相比,在5個(gè)處理中,‘中林2001’生長量與凋落物量增加值高于其他3個(gè)品種,‘歐美107’的生長量與凋落物量低于‘中林2001’,高于‘I-72’與‘中林46’,污水處理降低了‘中林46’生長量與凋落物量。從楊樹生長量與凋落物量變化規(guī)律來看,在4個(gè)楊樹品種中,‘中林2001’對(duì)污水的適應(yīng)性最強(qiáng),其次分別為‘歐美107’、‘I-72’,‘中林46’表現(xiàn)最差。

        對(duì)林木地上部分與凋落物污染物積累量進(jìn)行了分析,楊樹污染物積累量與生活污水林地處理的效果密切相關(guān),楊樹對(duì)這些物質(zhì)吸收積累越多,土壤中的污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)就越低,污水處理效果就越好。從污染物積累量判斷,‘中林2001’對(duì)生活污水的處理能力最強(qiáng),其次分別為‘歐美107’、‘I-72’,‘中林46’對(duì)生活污水的處理能力最差。

        水力負(fù)荷對(duì)楊樹生長具有不同的影響,在水力負(fù)荷較小時(shí),如3 cm·周-1水力負(fù)荷,不能充分發(fā)揮楊樹林地處理系統(tǒng)的潛力,12~15 cm·周-1水力負(fù)荷超過了楊樹林地處理系統(tǒng)的處理能力,楊樹生長量急劇下降,土壤理化性狀變差,地下水中污染物含量急劇增加,不利于污水林地處理的持續(xù)運(yùn)行。所以楊樹林地處理的適宜水力負(fù)荷為6~9 cm·周-1。

        生活污水林地處理使地下水中污染物質(zhì)量濃度增加,地下水中生化需氧量,化學(xué)需氧量,氨氮、氯化物、硝酸鹽與硫酸鹽質(zhì)量濃度均隨著水力負(fù)荷的增加而增加。按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[16],地下水污染物質(zhì)量濃度超標(biāo)比較嚴(yán)重的主要是氨氮,這種污染物來源廣泛,化肥大量使用是造成氨氮面源污染的主要原因。其他污染物在地下水中質(zhì)量濃度沒有嚴(yán)重超標(biāo)。在生活污水處理過程中,如果水力負(fù)荷過大也會(huì)形成氨氮對(duì)地下水的污染,所以水力負(fù)荷的選擇是楊樹林地生活污水處理成敗的關(guān)鍵。

        楊樹林地污水處理增加了大部分楊樹品種的生長量與污染物積累量,不同楊樹品種的生長量與污染物積累量之間具有顯著的差異。水力負(fù)荷的大小對(duì)污水處理具有重要影響。結(jié)果表明:‘中林2001’、‘歐美107’與‘I-72’適合于作為生活污水處理的植物材料,‘中林46’不適合于作為污水處理的植物材料。

        楊樹林地污水處理利用自然的植物修復(fù)方法凈化生活污水,可以去除生活污水中的污染物與鹽分,防止由于生活污水直接排入地表水或滲入地下水而對(duì)水環(huán)境造成的污染;楊樹人工林吸收利用生活污水中的營養(yǎng)物質(zhì),生長加快,提高了楊樹人工林的生長量,增強(qiáng)了生態(tài)功能,輪伐期縮短,加快了為工業(yè)生產(chǎn)提供原料的速度。

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        Ecological Effects of Domestic Wastewater Poplar Woodland Treatment//

        Shen Zhiguo(Henan Academy of Forestry, Zhengzhou 450008, P. R. China); Bai Baoxun(Zhengzhou Agriculture and Forestry Science Institute); Jiao Shudao(Zhengzhou Urban Landscape Science Institute); Cheng Jianming, Shen Xihui

        (Henan Linke Garden Science and Technology Development CO.)//Journal of Northeast Forestry University,2016,44(9):58-62,68.

        Poplar plantation; Domestic wastewater; Phytoremediation; Soil nutrient and sodium; Poplar growth; Contaminant accumulation

        1)國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200904024)、河南省公益科研院所預(yù)研項(xiàng)目計(jì)劃(0921038101)。

        沈植國,男,1977年1月生,河南省林業(yè)科學(xué)研究院,高級(jí)工程師。E-mail:smess123@sina.com。

        白保勛,鄭州市農(nóng)林科學(xué)研究所,副研究員。E-mail:baibaoxun@126.com。

        2016年1月28日。

        S152.7;S792.11

        責(zé)任編輯:任 俐。

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