祁文俊 彭祚登 王凱 孫昱 王海東 于凌霄

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083) (北京市大興區(qū)林業(yè)站)

This study was conducted to explore the nutrient release characteristics of the sludge organic nutrient soil and its effect on Sophora japonica after application. Sludge organic nutrient soil was used as test material and nylon mesh bag method was used to take samples from the soil depth (h) 0

污泥制有機營養(yǎng)土(SONS)是城鎮(zhèn)污水處理廠、再生水廠和凈化水廠產(chǎn)生的污泥經(jīng)高溫厭氧消化和板框脫水處理后，達到穩(wěn)定化、無害化要求且可替代有機肥施用林地的污泥產(chǎn)品，是城市污泥資源化利用過程中獲得的重要產(chǎn)物。污泥處理是城市在解決環(huán)境問題時面臨的重要任務(wù)之一，預(yù)計2025年我國污泥產(chǎn)量將會突破9 000萬t[1]。城市污泥中同時含有林木生長所需的營養(yǎng)元素和對環(huán)境不利的重金屬等毒害物質(zhì)，如果得到合理利用，可以有效化解其對環(huán)境造成的危害[2]。污泥經(jīng)過熱水解加高級厭氧消化處理后，滿足了無害化要求，更加適合林地利用[3]。

污泥制有機營養(yǎng)土施用林地后的過程包括養(yǎng)分釋放和養(yǎng)分作用2個部分，養(yǎng)分釋放特征與應(yīng)用效率是判別其可利用前景的重要因素，也是人們在污泥產(chǎn)品研究中關(guān)注的重點問題。目前國內(nèi)外對污泥產(chǎn)品林地施用效果進行了廣泛的研究，大量研究結(jié)果表明，適量施用污泥產(chǎn)品對林木或苗木的存活率、生長、養(yǎng)分積累等存在明顯促進作用[4-9]。然而，目前關(guān)于污泥類產(chǎn)品養(yǎng)分釋放規(guī)律的研究還未見有報道，也沒有將污泥產(chǎn)品的釋放機制和施用后養(yǎng)分作用效果結(jié)合的研究。在污泥制有機營養(yǎng)土施用林地產(chǎn)生分解后，如不能及時有效進行補充，后續(xù)將達不到促進林木生長的效果；如一次性施用過多，則會因為重金屬等毒害物質(zhì)過量而抑制林木生長[4，6-7，10-12]，因此，探究污泥制有機營養(yǎng)土養(yǎng)分釋放機制十分重要。

國槐(Sophorajaponica)是北京地區(qū)重要的鄉(xiāng)土樹種，也是北京平原生態(tài)景觀林營造的首選樹種，在北京城市森林中占地面積非常大，養(yǎng)護管理的任務(wù)量多。本研究選取5年生的國槐幼林，通過養(yǎng)分釋放試驗和養(yǎng)分作用試驗，研究污泥制有機營養(yǎng)土養(yǎng)分釋放特征及其在林地施用的效果，在此基礎(chǔ)上確定合理的林地施用量和施用頻率，以期為污泥制有機營養(yǎng)土在北京平原林養(yǎng)護中的施用提供參考。

1 試驗地概況

試驗地點位于北京大興區(qū)北臧村鎮(zhèn)永定河畔林地(116°13′～116°14′E，39°39′～39°40′N)，暖溫帶季風(fēng)氣候，年均溫11.6 ℃，年均降水量556 mm，降水主要集中在7、8月份。該試驗林地為永定河中游沖積河灘沙地，地勢平坦，砂質(zhì)壤土，土壤結(jié)構(gòu)性較差，保水保肥能力低。試驗地的表層土壤主要理化性質(zhì)：有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為5.58 g·kg-1，pH值7.35，電導(dǎo)率為148.53 μS·cm-1，陽離子交換量為6.32 mol·kg-1，土壤密度為1.46 g·cm-3。

2 研究方法

2.1 供試材料

試驗用的污泥制有機營養(yǎng)土來自北京排水集團高碑店污水處理廠生產(chǎn)的高級厭氧消化污泥產(chǎn)品，養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)為：有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)249.34 g·kg-1，總氮1.54%，總磷0.74%，總鉀4.56%。

2.2 試驗設(shè)計

養(yǎng)分釋放試驗：采用尼龍網(wǎng)袋法，稱取50 g污泥制有機營養(yǎng)土(以烘干后干物質(zhì)質(zhì)量為準)，裝入20 cm×15 cm，300目的尼龍網(wǎng)袋。在國槐試驗區(qū)林木行間中部，劃設(shè)10個2 m×2 m的試驗樣方，每個樣方埋設(shè)4個污泥制有機營養(yǎng)土樣袋。每5個樣方為1個處理組，共分為2個處理組，其中1個處理組為在土壤深度(h)0

養(yǎng)分作用試驗：選取北京平原沙地5年生國槐人工林，所選林分林木生長情況基本一致。采用完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計，參照CJ/T 362《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置林地用泥質(zhì)》中的相關(guān)規(guī)定，將污泥制有機營養(yǎng)土按照施用量CK(0)、T1(15 kg·株-1)、T2(30 kg·株-1)、T3(45 kg·株-1)、T4(60 kg·株-1)、T5(75 kg·株-1)進行梯度設(shè)置，計6個處理3次重復(fù)，共18個小區(qū)。于2017年7月，在每個小區(qū)挑選10株相近林木進行試驗。根據(jù)樹冠投影，在待測樹木距離樹根50 cm處兩側(cè)各挖1個深30 cm，長、寬均為40 cm的施肥穴，施完污泥制有機營養(yǎng)土后立即覆蓋并澆水灌溉。經(jīng)過1 a生長期后于第2年首次對林木生長生理情況進行調(diào)查，以后逐年調(diào)查1次，共調(diào)查3 a。

2.3 取樣與指標測定

將尼龍網(wǎng)袋從土壤中取出，去除雜物并用蒸餾水清洗干凈表面，然后放在烘箱中以80 ℃烘干至恒質(zhì)量。稱取烘干后污泥制有機營養(yǎng)土質(zhì)量，計算出樣品干物質(zhì)殘留率。再利用烘干的污泥制有機營養(yǎng)土測量有機質(zhì)、全N、全P和全K質(zhì)量分數(shù)，并計算出其殘留率。相關(guān)計算公式如下：

Rd=(Wt/W0)×100%；

Re=[(Wt×Mt)/(W0×M0)]×100%。

式中：Rd為干物質(zhì)殘留率；Re為養(yǎng)分物質(zhì)殘留率；Wt為分解t月后干物質(zhì)殘留量；W0為初始干物質(zhì)量；Mt為分解t月后養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)；M0為初始養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)。

用胸徑尺進行胸徑測定，用測高桿進行樹高測定，查閱材積表進行材積測定。采樣時，各小區(qū)選取3株平均樹木，按東西南北4個方向及相同樹高位置處采集1年生新生枝葉進行葉片的葉綠素和養(yǎng)分元素質(zhì)量分數(shù)測定。葉綠素采用95%乙醇浸泡提取。對葉片養(yǎng)分元素進行測定時，先將試驗葉片105 ℃下殺青30 min，烘干至恒質(zhì)量，磨碎過篩后再對有機質(zhì)、全N、全P、全K質(zhì)量分數(shù)進行測量，其中，重鉻酸鉀外加熱法測定有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)；Smartchem 450型全自動間斷化學(xué)分析儀測定全N及全P質(zhì)量分數(shù)；火焰光度計法測定全K質(zhì)量分數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel2019進行統(tǒng)計，Origin2018進行畫圖，SPSS22.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，單因素方差分析和獨立樣本T檢驗進行顯著性分析(P<0.05),鄧肯檢驗法進行多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 污泥制有機營養(yǎng)土的養(yǎng)分釋放動態(tài)特征

3.1.1 干物質(zhì)殘留率的動態(tài)變化

由表1可知，處在不同土層深度的污泥制有機營養(yǎng)土干物質(zhì)殘留率隨入土?xí)r間推移表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，總體表現(xiàn)為持續(xù)下降，但在不同階段其下降趨勢存在顯著差異(P<0.05)。其干物質(zhì)殘留率在初埋后1.5個月時快速下降，在1.5～4.5個月間下降趨勢放緩，4.5個月后又出現(xiàn)快速下降趨勢，6個月后0

表1 污泥制有機營養(yǎng)土在砂質(zhì)土壤中干物質(zhì)殘留率的時間變化

3.1.2 有機質(zhì)殘留率的動態(tài)變化

由表2可知，埋放在不同土層深度的污泥制有機營養(yǎng)土有機質(zhì)殘留率隨著時間推移表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，總體表現(xiàn)為持續(xù)下降，且在不同階段其下降趨勢存在顯著差異(P<0.05)。其中，埋放3～4.5個月時下降最快，4.5個月后下降趨勢放緩，6個月后0

表2 污泥制有機營養(yǎng)土在砂質(zhì)土壤中有機質(zhì)殘留率的時間變化

3.1.3 N、P、K元素殘留率的動態(tài)變化

N、P、K元素殘留率是表征污泥制有機營養(yǎng)土樣品中有益植物生長的營養(yǎng)成分在土壤中遷移狀態(tài)的重要指標。由表3可知，不同土層深度的污泥制有機營養(yǎng)土N元素殘留率隨時間推移表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，總體表現(xiàn)為持續(xù)下降，但在不同階段其下降趨勢存在顯著差異(P<0.05)。6個月后0

表3 污泥制有機營養(yǎng)土在砂質(zhì)土壤中N元素殘留率的時間變化

不同土層深度的污泥制有機營養(yǎng)土P元素殘留率隨著時間表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律。由表4可知，隨著時間推移，2個土層的污泥制有機營養(yǎng)土P元素殘留率均出現(xiàn)了一定程度增加，各時間段P元素殘留率顯著高于初始階段(P<0.05)。在埋放相同時間下，2個土層的污泥制有機營養(yǎng)土P元素殘留率并無顯著差異。0

表4 污泥制有機營養(yǎng)土在砂質(zhì)土壤中P元素殘留率的時間變化

不同土層深度的污泥制有機營養(yǎng)土K元素殘留率隨著時間推移表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，總體表現(xiàn)為持續(xù)下降，但在不同階段其下降趨勢存在顯著差異(P<0.05)。由表5可知，在初埋后1.5個月內(nèi)K元素殘留率下降速度最快。0

表5 污泥制有機營養(yǎng)土在砂質(zhì)土壤中K元素殘留率的時間變化

3.2 施用污泥制有機營養(yǎng)土對國槐的影響

3.2.1施用污泥制有機營養(yǎng)土1 a后國槐生長的變化

由表6可知，國槐各施用量處理時胸徑增長率均高于對照CK，其中T1、T3、T4、T5處理的胸徑增長率顯著高于CK(P<0.05)，T3處理時胸徑增長率最大，為8.55%，是CK的1.50倍。國槐各處理的樹高增長率均無顯著差異(P<0.05)，但國槐各施用量處理的樹高增長率均高于對照CK。國槐T2和T4處理的材積增長率均顯著高于對照(P<0.05)，其中T4處理的國槐材積增長率達到最大，為42.03%，是CK的1.43倍。

表6 不同施用量處理的國槐生長變化

3.2.2施用污泥制有機營養(yǎng)土1 a后國槐葉片養(yǎng)分元素質(zhì)量分數(shù)的變化

由表7可知，國槐不同污泥制有機營養(yǎng)土施用量處理的葉片N質(zhì)量分數(shù)無顯著差異。T4和T5處理的國槐葉片P質(zhì)量分數(shù)顯著低于CK(P<0.05)，其中，T1處理的葉片P質(zhì)量分數(shù)達到最大，為5.94 g·kg-1。T3和T5處理的國槐葉片K質(zhì)量分數(shù)顯著低于CK(P<0.05)，其中CK處理K質(zhì)量分數(shù)最高，達到14.11 g·kg-1。

表7 不同施用量處理的國槐葉片養(yǎng)分元素質(zhì)量分數(shù)變化

3.2.3施用污泥制有機營養(yǎng)土1 a后國槐葉片葉綠素質(zhì)量分數(shù)的變化

由表8可知，5月和6月，各施用量處理的國槐葉片葉綠素a質(zhì)量分數(shù)相比對照無顯著差異，均在T3處理時達到最大。7月，各施用量處理的國槐葉片葉綠素a質(zhì)量分數(shù)均顯著高于對照CK(P<0.05)，其中T4處理時達到最大，為1.87 mg·g-1，相比CK提高了27.21%。

表8 不同施用量處理的國槐葉綠素質(zhì)量分數(shù)

5月，各處理的國槐葉片葉綠素b質(zhì)量分數(shù)無顯著差異；6月和7月，所有施用量處理的葉片葉綠素b質(zhì)量分數(shù)均高于CK。6月，T3、T4、T5處理時葉片葉綠素b質(zhì)量分數(shù)顯著高于CK(P<0.05)，T4處理時最高，為1.77 mg·g-1，是CK的1.77倍；7月，T4和T5處理時葉綠素b質(zhì)量分數(shù)顯著高于CK(P<0.05)，T5處理時最高，為1.22 mg·g-1，是CK的1.88倍。

5月，各施用量處理的國槐葉片葉綠素(a+b)質(zhì)量分數(shù)無顯著差異；6月和7月，所有施用量處理的國槐葉片葉綠素(a+b)質(zhì)量分數(shù)均高于CK。6月，T3、T4、T5處理時葉片葉綠素(a+b)質(zhì)量分數(shù)顯著高于CK(P<0.05)，T4處理時達到最高，為3.62 mg·g-1，比CK高出28.37%；7月，T4及T5處理時葉片葉綠素(a+b)質(zhì)量分數(shù)顯著高于CK(P<0.05)，T5處理時達到最高，為3.08 mg·g-1，比CK高出了45.28%。

4 討論

4.1 污泥制有機營養(yǎng)土施入林地土壤后的養(yǎng)分釋放規(guī)律

本研究與許多有機物分解試驗研究結(jié)果類似[13-15]，試驗期內(nèi)，污泥制有機營養(yǎng)土干物質(zhì)、有機質(zhì)和各種養(yǎng)分元素在20 cm

本研究結(jié)果與匡恩俊等[13]和孔偉等[21]的研究結(jié)果相類似，N元素釋放速率規(guī)律為先快后慢。這是因為污泥制有機營養(yǎng)土樣品中的有機N質(zhì)量分數(shù)起始階段高，底物充足，所以分解較快，釋放速率較高。伴隨著試驗的進行，樣品中的有機N已被分解，含量降低，底物減少，所以其分解釋放速率也逐漸下降。另外，起始階段也可能存在激發(fā)效應(yīng)，從而導(dǎo)致試驗開始時N釋放速率較高。在許多有機物養(yǎng)分釋放的研究中，P元素質(zhì)量分數(shù)趨勢均為逐漸下降[13，22-24]。而本研究中，開始的1.5個月內(nèi)，P元素殘留率不僅沒有下降，反而大幅度上升，各月份P元素殘留率均超過了初始值，原因是污泥制有機營養(yǎng)土分解過程中產(chǎn)生的有機酸活化了周圍土壤中難溶性磷，使得P元素在污泥制有機營養(yǎng)土樣品周圍富集[25]。在本研究中，K元素釋放規(guī)律為先快后慢，相比較N元素和P元素，K元素分解釋放最為迅速和徹底。大量相關(guān)的研究也驗證了這一結(jié)果或與之類似[22-23，25]。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是K元素主要以離子的形式存在，容易被浸提，因而較容易釋放[22]。

4.2 施用污泥制有機營養(yǎng)土對國槐林木生長和養(yǎng)分積累的影響

林木生長指標變化是判斷污泥產(chǎn)品施用量是否合適的重要依據(jù)[6]。一些研究結(jié)果表明，適量施用排水污泥產(chǎn)品會對林木或苗木的生長產(chǎn)生明顯促進作用[6-7，26]。在本研究中，施用林地的污泥制有機營養(yǎng)土在1 a生長期內(nèi)有機質(zhì)大量分解，T3處理顯著促進國槐的胸徑生長，T4處理顯著促進國槐的材積生長。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是由于污泥制有機營養(yǎng)土分解時向周圍土壤中釋放養(yǎng)分元素，提高了土壤肥力[27]。但當污泥制有機營養(yǎng)土施用量繼續(xù)增加時，對國槐生長的促進效果會出現(xiàn)下降，這與孫昱等[6]的研究結(jié)果類似，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是因為污泥制有機營養(yǎng)土中既含有林木所需營養(yǎng)元素，又有一些重金屬等毒害物質(zhì)，施用后對樹木同時存在促進和抑制作用。當污泥制有機營養(yǎng)土施用量繼續(xù)增加時，抑制作用增強[4，10]，另外養(yǎng)分的吸收存在某個閾值，過量增加污泥制有機營養(yǎng)土的施用量會出現(xiàn)養(yǎng)分過奢現(xiàn)象，反而起不到促進效果[12，28-29]。

林木葉片的養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)一定程度可以反映樹木養(yǎng)分吸收狀況，因此可以作為評判污泥產(chǎn)品林地施用效果的指標[6]。污泥制有機營養(yǎng)土在施用林地后的1 a間，會向土壤釋放大量的N元素和K元素，而各施肥處理國槐葉片中N、K元素質(zhì)量分數(shù)在施用污泥制有機營養(yǎng)土后反而均低于CK，這是因為葉片中的N、P、K營養(yǎng)元素在生長期快速大量轉(zhuǎn)移以供應(yīng)林木快速生長的需求[30]。此外，林木在1a生長期內(nèi)生長所需的N元素很大一部分來自內(nèi)循環(huán)，對土壤中養(yǎng)分的依賴性不高[31-34]。后續(xù)研究應(yīng)該結(jié)合施用污泥制有機營養(yǎng)土對土壤的作用效果，進行綜合評價分析，確定其在不同樹種的最佳施用量。

4.3 施用污泥制有機營養(yǎng)土對國槐葉片葉綠素質(zhì)量分數(shù)的影響

葉綠素與樹木光合能力及生長發(fā)育情況密切相關(guān)[35]。葉綠素a是決定光合作用活性的中心色素分子，葉綠素b具有吸收和傳遞光能的作用[36]。6月份，T4處理的國槐葉片葉綠素b和葉綠素(a+b)質(zhì)量分數(shù)達到最大，顯著高于對照；7月份，T5處理的國槐葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)質(zhì)量分數(shù)達到最大，顯著高于對照。這是因為，施用林地的污泥制有機營養(yǎng)土在1a生長期內(nèi)大量分解，向林木根系周圍土壤釋放了大量與光合作用關(guān)系密切的N元素[37]，6月和7月林木生長十分旺盛，更加有利于葉綠素的合成[6]。N元素是構(gòu)成葉綠素的重要成分[38]。本研究中，CK處理的國槐葉片N元素質(zhì)量分數(shù)最高，但是葉綠素質(zhì)量分數(shù)卻很低，這是因為試驗林地為砂質(zhì)土，保水性差，干旱條件會降低葉綠素質(zhì)量分數(shù)[39]。施用污泥制有機營養(yǎng)土后提高了土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，增加的有機質(zhì)與粘粒組成有機無機膠體復(fù)合體，利于團粒結(jié)構(gòu)的形成，從而增加了總孔隙度同時降低了土壤密度[40]，進而增加了土壤保水性，而增加的水分有利于葉綠素質(zhì)量分數(shù)的提高。施用污泥制有機營養(yǎng)土后，國槐葉片葉綠素質(zhì)量分數(shù)明顯上升，但不是施用量越大葉綠素質(zhì)量分數(shù)就越高，有時隨著施用量上升葉綠素質(zhì)量分數(shù)甚至出現(xiàn)下降，這與石小紅等[41]研究結(jié)果相似。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是污泥制有機營養(yǎng)土施用量增加后，重金屬抑制作用加強，根系吸收的養(yǎng)分向上運輸受阻，影響了葉綠素的合成[42]。

5 結(jié)論

污泥制有機營養(yǎng)土埋放土壤后，在半年內(nèi)大量分解并向土壤釋放養(yǎng)分元素。2個土層污泥制有機營養(yǎng)土的分解速率都是1.5個月內(nèi)最快，之后分解速率放緩，其中20 cm

施用污泥制有機營養(yǎng)土經(jīng)1 a生長期后，T4、T5處理有利于國槐胸徑和材積生長，T5、T6處理有利于國槐葉片葉綠素的合成。1 a生長期后，污泥制有機營養(yǎng)土對國槐葉片中的N、P、K元素積累并沒有起到顯著促進作用，其中國槐各施用處理的葉片N、K元素質(zhì)量分數(shù)甚至均低于對照。