利用皇竹草處理城市污泥生產植物產品

林曉燕, 王 慧, 王 浩, 陳 誠, 吳啟堂, 衛(wèi)澤斌, 羅贏鵬, 陳曉紅

1 華南農業(yè)大學資源環(huán)境學院, 廣東省高校土壤環(huán)境與廢物資源農業(yè)利用重點實驗室, 廣州 510642 2 仲愷農業(yè)工程學院環(huán)境科學與工程系, 廣州 510225

利用皇竹草處理城市污泥生產植物產品

林曉燕1, 王 慧1, 王 浩1, 2, 陳 誠1, 吳啟堂1,*, 衛(wèi)澤斌1, 羅贏鵬1, 陳曉紅1

1 華南農業(yè)大學資源環(huán)境學院, 廣東省高校土壤環(huán)境與廢物資源農業(yè)利用重點實驗室, 廣州 510642 2 仲愷農業(yè)工程學院環(huán)境科學與工程系, 廣州 510225

利用大生物量植物——皇竹草(Pennisetumhydridum)，處理城市污泥高效生產有用的植物產品。通過小型田間試驗，采用根兜分株移栽和直接扦插方式種植皇竹草，比較土壤、新鮮污泥、土壤+新鮮污泥等體積混合、植物處理后的污泥4種介質的適應性，測定了皇竹草的成活率和生長狀況，以及污泥自身性質的變化；通過盆栽試驗及田間試驗進一步探討育苗后移栽在新鮮污泥上的可行性。結果表明，新鮮污泥上直接扦插的皇竹草無一存活，即使是根兜分株移栽其成活率也僅為16.67%，生長較差。而對于土壤+污泥混合物或植物處理后的污泥，采用直接扦插方式，皇竹草的成活率也分別達58.33%、75.00%，兩個月干草產量達22.20、19.80 t/hm2，為土壤上的5.11、4.55倍。皇竹草吸收K較明顯，3個有污泥的處理皇竹草K含量接近40 g/kg干重，N、P2O5、K2O的總含量大于70 g/kg，可作為有機K肥原料；皇竹草重金屬Cu、Zn、Pb、Cd含量均符合國家飼料衛(wèi)生標準(GB 13078—2001)，作為飼料是安全的。盆栽試驗及田間試驗表明，采用育苗后移栽的方式，皇竹草在新鮮污泥上的成活率達66.67%以上。因此，城市污泥直接種植皇竹草可以實現資源化利用。

城市污泥; 皇竹草; 植物處理; 育苗

隨著經濟的發(fā)展及城市化進程的加快，我國污水處理率日益提高，城市污泥作為污水處理的必然附屬產物其產量也與日劇增[1]。到2015年，全國每年約產生脫水污泥3359萬t[2]。城市污泥數量巨大，增長迅速，其安全、合理處理處置是目前環(huán)境領域急需解決的問題之一。城市污泥一般富含N、P、有機質等[3]，通過各種形式將其土地利用，使污泥重新參與生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)，不僅成本低，而且可以有效利用污泥中有用的營養(yǎng)物質，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，污泥農業(yè)資源化利用已成為當今研究的熱點。但是城市污泥中也含有重金屬、有機污染物、病原體等有毒有害物質，在土地利用過程中容易對土壤、地下水和作物造成二次污染，有潛在的生態(tài)風險，并可能經食物鏈富集和傳遞對人體健康產生危害[1]。雖然中國城市污泥的重金屬含量總體呈下降趨勢，但超標率仍較高[4]，仍是目前限制其大規(guī)模土地利用的主要因素。因此，尋求經濟有效的污泥無害化和資源化處理途徑具有重要意義。

目前，國內外許多研究將污泥或污泥堆肥應用于蔬菜、糧食作物、花卉、草坪草等的生產，并表明，城市污泥經過合理方式農用可以顯著提高農產品的產量和品質[5- 8]，促進花卉的生長并改善花卉的觀賞品質[9]，提高草坪草的生物量[10- 11]，增強草坪草的抗逆性[12]。另有研究表明，皇竹草(Pennisetumhydridum)為大生物量植物，具有適應性強、分蘗性強、生長快、產量高、營養(yǎng)豐富、可多年收獲等特點，經常被用作飼喂牛、羊、兔等草食動物的主要青貯飼料，還被廣泛應用于造紙、食品等領域；同時，鑒于皇竹草須根系發(fā)達，抗旱性強，對土壤要求低等，近年來也逐漸被應用于綠化荒山、保持水土、改善土壤結構等生態(tài)環(huán)境治理和保護方面[13]。因此，若能利用皇竹草處理城市污泥高效生產植物產品，不僅可以變廢為寶，同時實現生態(tài)、環(huán)境、社會、經濟效益。目前，對皇竹草的栽培與利用主要是基于以土壤為基質進行種植的[14- 16]，以污泥為基質種植皇竹草的相關研究則未見報道，對皇竹草是否能在污泥上生長、皇竹草的產量和品質及栽種皇竹草后污泥本身性質的變化等有待查明。因此，本研究試圖回答以上問題，以便更好地實現污泥資源化和無害化。

1 材料與方法1.1 供試材料

(1)供試污泥和土壤 新鮮污泥Ⅰ、新鮮污泥Ⅱ、新鮮污泥Ⅲ均取自廣州市大坦沙污水處理廠未消化污泥，三者取樣時間不同，理化性質略有不同，除前兩者污泥Cd含量均超過《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農用泥質標準》A級標準但低于B級標準外，其余重金屬指標均符合A級標準，可用于種植飼料作物；供試土壤為廣東赤紅壤，供試污泥和土壤的主要理化性質見表1。

表1 供試污泥和土壤主要理化性質Table 1 Main characteristics of the studied municipal sewage sludge (MSS) and soil

(2)供試皇竹草 選取粗壯較一致的皇竹草老莖，一半截成2節(jié)莖段，一半連根挖出，將根兜按大小一致進行分株，然后將皇竹草莖段直接扦插或根兜分株后移栽至污泥和土壤中。

(3)供試育苗基質 購自廣州市園林基質廠，為枯枝落葉經堆肥處理后的育苗專用基質土。

(4)供試塑料盆 采用規(guī)格為長×寬×高=44 cm×31.5 cm×16 cm的塑料盆。

1.2 實驗設計1.2.1 不同污泥基質種植皇竹草小型田間試驗：

試驗設置4處理，分別為Ⅰ土壤，Ⅱ新鮮污泥，Ⅲ土壤+新鮮污泥等體積混合(將新鮮污泥直接與土壤等體積混合)，Ⅳ植物處理后的污泥(新鮮污泥種植玉米一季后的污泥)，每處理設3個重復。試驗用地約2.50 m×7.00 m，陽光輻照程度均一。將試驗地分成4個2.00 m×1.20 m的小區(qū)，每個小區(qū)間距40 cm，用PVC板將每個小區(qū)均勻隔成3列。在地面上每一列鋪一層黑網，然后將污泥或土壤平鋪于黑網上，規(guī)格為長×寬×高=1.80 m×0.40 m×0.15 m。每一列種植6棵皇竹草，行距為30 cm。設置2種種植方式，即根兜分株移栽和直接扦插，其中第1、2行采用根兜分株移栽方式進行種植，其他4行采用直接扦插方式。試驗起始時間為2012年3月3日，在皇竹草生長期按常規(guī)方法進行管理，但種植過程不施任何肥料，5月16日將皇竹草刈割。

1.2.2 育苗移栽盆栽試驗

為進一步研究、提高在新鮮污泥上種植皇竹草的成活率，試驗設置兩個處理，每處理重復3次。

(1)直接扦插 將皇竹草莖段直接扦插種植在新鮮污泥中，放置在室內。

(2)育苗移栽 皇竹草莖段在基質杯(上口徑9.5 cm，底徑5.3 cm，高12.7 cm)中扦插育苗兩周后，連同基質和苗移栽到新鮮污泥中，放置在室內。

實驗開始時，在塑料盆內鋪上一層黑網，在黑網上放入24 kg的新鮮脫水污泥，然后將準備好的扦插莖和苗直接種植在新鮮污泥中，每盆種植3棵皇竹草。種植期間水分管理按照污泥含水量進行適時調整，確保植物能正常生長。試驗在室內進行，時間為2012年5月—6月。

1.2.3 育苗移栽田間中試試驗

為進一步驗證育苗后移栽皇竹草在新鮮污泥上的成活率，在試驗用地約18.00 m×8.00 m，陽光輻照程度均一的露天環(huán)境開展田間中試試驗，設置4個重復。將試驗地分成4個8.00 m×3.00 m的小區(qū)，每個小區(qū)間距40 cm。在地面上每一小區(qū)鋪一層黑網，然后將污泥平鋪于黑網上，規(guī)格為長×寬×高=8.00 m×3.00 m×0.20 m。試驗開始時，將經過在基質杯(上口徑13 cm，底徑9 cm，高11 cm)中扦插育苗兩周后的皇竹草苗及基質移栽到新鮮污泥中，每個小區(qū)種植65棵皇竹草，行株距均為60 cm。試驗時間為2012年11月—2013年5月，種植期間按常規(guī)方法進行管理，但不施任何肥料，1個月時觀測皇竹草的成活率，刈割前測定株高，收割后稱得產量。

1.3 樣品分析測定

(1)植物樣品分析測定 收獲時，調查皇竹草的成活率、株高、分蘗數和生物量。將皇竹草莖葉用自來水和去離子水洗凈，吸水紙吸干表面水，測定鮮重。將樣品置于烘箱內105 ℃殺青30 min，然后65 ℃、48 h烘干，記錄干重。干樣用萬能粉碎機磨細，過0.25 mm的尼龍篩，備測N、P、K和重金屬含量。植物全N、全P、全K采用H2SO4-H2O2消煮法，重金屬含量測定采用干灰化-原子吸收光譜法，其具體測定方法參照《土壤農業(yè)化學分析方法》[17]。

(2)污泥、土壤樣品分析測定 在剛種植植物和收獲植物時，均采污泥樣、土樣，室內風干，去除根系，并研磨過20、100目尼龍篩，包裝登記后保存?zhèn)錅y，重金屬Cu、Zn、Pb、Cd全量均采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光譜測定法(GB/T 17138—1997)測定。

1.4 數據處理與分析

數據用Excel 2003處理，采用SAS 8.1軟件對數據進行多重比較。

2 結果與討論

2.1 不同污泥基質種植皇竹草小型田間試驗結果2.1.1 不同處理對皇竹草生長的影響

從表2可知，在皇竹草生長期間，將皇竹草莖段直接扦插于新鮮污泥上，皇竹草無一存活；采用根兜分株移栽，皇竹草生長也較差，成活率僅為16.67%，生物量干重也僅為38.55 g/株，這可能是新鮮污泥中水分含量較高，且為雨季，污泥厭氧發(fā)酵，產生的有機酸等物質不利于皇竹草幼苗生長，另外污泥中鹽分含量較高[18]，

表2 田間小型實驗皇竹草生物量和生物學指標Table 2 Hybrid giant napier biomass and other biological indexes of field experiment

對皇竹草根系有一定毒害作用，因此，不適合在新鮮污泥上直接種植皇竹草。新鮮污泥與土壤等體積混合后，直接扦插皇竹草莖段，有一半皇竹草能成活，根兜分株移栽皇竹草全部成活。而將皇竹草栽種于植物處理后的污泥上，根兜分株移栽和直接扦插的皇竹草的成活率均較高，分別達83.33%、75.00%，尤其是植物處理后的污泥處理根兜分株移栽的皇竹草生物量干重高達472.5 g/株，高于其他處理。

土壤+新鮮污泥等體積混合處理根兜分株移栽或直接扦插皇竹草產量以干重計分別為25.05、22.20 t/hm2，分別是土壤處理的1.33、5.11倍，處理1 t該種污泥可分別生產皇竹草干物質16.68 kg和14.78 kg。植物處理后的污泥根兜分株移栽或直接扦插皇竹草產量以干重計分別為39.30、19.80 t/hm2，分別是土壤處理的2.09、4.55倍，處理1 t該種污泥可分別生產皇竹草干物質26.25 kg和13.16 kg，產量可觀。此實驗再次表明，皇竹草單株分蘗能力強，株高高容易獲得較高的單株產量[15]，因此為了更好的利用皇竹草處理城市污泥生產植物產品，可在皇竹草生長一段時間后，將皇竹草刈割，讓其繼續(xù)生長，增加皇竹草的分蘗數，從而進一步提高生物量。

2.1.2 不同處理對皇竹草重金屬和營養(yǎng)元素含量的影響

皇竹草重金屬含量測定結果表明(表3)，土壤+新鮮污泥等體積混合處理、植物處理后的污泥處理皇竹草中Cu含量均明顯低于新鮮污泥處理，而高于土壤處理。新鮮污泥處理、土壤+新鮮污泥等體積混合處理和植物處理后的污泥處理皇竹草Pb含量均無明顯差異，且均低于土壤處理。對于皇竹草Zn、Cd的含量，植物處理后的污泥處理雖高于新鮮污泥處理，但差異不明顯，這可能是植物處理后的污泥中有效態(tài)Zn、有效態(tài)Cd含量仍較高所致。而土壤+新鮮污泥等體積混合處理由于在污泥中混入了低Zn、低Cd的土壤，使得污泥中Zn、Cd含量明顯降低，植物吸收的Zn、Cd含量也減少，所以土壤+新鮮污泥等體積混合處理皇竹草Zn、Cd含量顯著低于新鮮污泥處理和植物處理后的污泥處理。

表3 皇竹草重金屬含量Table 3 Heavy metal contents in the plant of hybrid giant napier

數據為平均值±標準差，根據Duncan氏檢驗(P<0.05)，同一列中不同字母表示處理間差異顯著，n=3; DW: 干重

4個處理皇竹草中，Pb、Cd含量均低于國家飼料衛(wèi)生標準(GB 13078—2001)限值，Pb含量更為明顯，遠低于標準限值。而國家飼料衛(wèi)生標準，對植物中Cu、Zn含量均無限定，各污泥處理的皇竹草可作為飼養(yǎng)牛、羊、兔等草食動物的青貯飼料。

從表4可知，由于污泥含有豐富的有機質和氮磷鉀等營養(yǎng)元素，將皇竹草栽種于污泥上，皇竹草N、P、K含量都相對較高，除土壤+新鮮污泥等體積混合處理P含量略高于土壤處理外，新鮮污泥處理、土壤+新鮮污泥等體積混合處理、植物處理后的污泥處理皇竹草N、P、K的含量均顯著高于土壤處理，這可能是由于土壤中P的含量較低，與新鮮污泥混合后，雖有所升高，但含量仍較低，以致植物可吸收的P含量較少。污泥3個處理皇竹草中K的含量均達干重的4%，N、P2O5、K2O的總含量均達7%，所以栽種于污泥上的皇竹草非常適合作有機肥料，生產有機K肥。而污泥3個處理中，新鮮污泥處理皇竹草K含量高達46.87 g/kg(DW)，N、P2O5、K2O的總含量高達9%，后期進一步加強研究直接在新鮮污泥上種植皇竹草具有一定意義。

2.1.3 不同處理污泥重金屬含量的變化

對污泥樣品重金屬含量進行分析測定表明(表5)，處理后新鮮污泥由于水分含量明顯減小，污泥濃縮，使得污泥中重金屬含量明顯升高。而將新鮮污泥與土壤混合，不但可以大大降低污泥中重金屬的含量，處理后的混合污泥，重金屬Cu、Zn、Cd的含量也均降低，Pb含量雖升高，但不明顯，這可能是由于皇竹草吸收的重金屬Cu、Zn、Cd含量較多，從而導致即使經過濃縮，處理后的混合污泥Cu、Zn、Cd含量均降低。植物處理后的污泥本身水分含量較低，重金屬含量較高，但重金屬有效態(tài)含量較低，生物穩(wěn)定性較高，即使再通過種植皇竹草，污泥重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的含量仍處于高水平。

表4 皇竹草水分和氮磷鉀含量Table 4 Water and nutrient contents of hybrid giant napier

表5 種植植物后污泥重金屬含量變化Table 5 Changes of heavy metal content in MSS after planting

2.2 盆栽育苗實驗結果

在新鮮污泥上種植的皇竹草，不僅可作青貯飼料，而且可生產有機K肥，但皇竹草的成活率低，因此，為了更好的利用皇竹草處理城市污泥生產植物產品，須進一步研究以提高新鮮污泥上直接種植皇竹草的成活率。

從表6可知，采取育苗移栽方式種植皇竹草，剛種植的皇竹草幼苗可利用植物根系所帶的基質的保護作用和營養(yǎng)元素度過適應期，皇竹草成活率達66.67%，且采用育苗移栽方式種植60d后，皇竹草株高、分蘗數及生物量均明顯高于室內直接扦插處理，每盆污泥可收獲皇竹草以干重計為70.59 g。而室內直接扦插處理皇竹草的成活率(44.44%)雖低于室內育苗移栽處理，但也解決了田間新鮮污泥上直接種植皇竹草其成活率為0的難題，這主要與污泥中的水分含量有關，雨季采取室內種植可以控制污泥中的水分含量，以避免污泥厭氧發(fā)酵影響皇竹草生長。

2.3 育苗后移栽皇竹草田間試驗結果

盆栽育苗試驗已證明皇竹草在室內可以經過育苗后移栽至新鮮污泥上生長，但對于皇竹草是否也能夠經育苗后移栽在室外新鮮污泥上正常生長仍不確定。在露天大田試驗結果表明，育苗后移栽的皇竹草也能在新鮮污泥上生長，皇竹草的成活率高達(96.54±0.77)%(標準差)，約6個月后平均株高達到(2.60±0.68) m，單棵干重達(1.42±0.23) kg(相當于38.54 t/hm2)。田間試驗的成活率比前一盆栽試驗較高的原因可能在于本次育苗的基質杯較大，起到了更好的保護幼嫩根系的作用。

表 6 盆栽育苗皇竹草的生物量和生物學指標Table 6 Biomass and other biological indexes of hybrid giant napier in pot experiment

3 結論

(1)在新鮮污泥上直接種植皇竹草，直接扦插的皇竹草難于存活，即使是根兜分株移栽皇竹草成活率也僅為16.67%，而在土壤+新鮮污泥等體積混合、植物處理后的污泥上，即使采用直接扦插方式，皇竹草成活率分別可達58.33%、83.33%，兩個月干草產量分別達22.20、19.80 t/hm2，為土壤上的5.11、4.55倍。

(2)采用育苗后移栽的方式可以在新鮮污泥上使皇竹草的成活率達66.67%以上。

(3)皇竹草吸收K較明顯，污泥上種植的皇竹草K的含量可達4%(干重)，N、P2O5、K2O的總含量大于7%(干重)，可作為有機K肥原料。另外，皇竹草重金屬Cu、Zn、Pb、Cd含量均符合國家飼料衛(wèi)生標準(GB 13078—2001)，也可作為飼養(yǎng)牛、羊、兔等草食動物的飼料。

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Using hybrid giant napier to treat municipal sewage sludge and produce plant biomass

LIN Xiaoyan1, WANG Hui1, WANG Hao1, 2, CHEN Cheng1, WU Qitang1,*, WEI Zebin1, LUO Yingpeng1, CHEN Xiaohong1

1KeyLaboratoryofSoilEnvironmentandWasteReuseinAgricultureofGuangdongHigherEducationInstitutes,CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China2DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,ZhongkaiUniversityofAgricultureandEngineering,Guangzhou510225,China

Sewage sludge production is increasing greatly in China with the development of municipal wastewater treatment, and agricultural application of municipal sewage sludge (MSS) has become one of the main outlets for MSS worldwide. However, direct application of MSS and its composts to agricultural lands can lead to heavy metal contamination of soil and food. Accordingly, application of MSS to plants that are not used for food is a better alternative. Therefore, this study was conducted to investigate the use of the hybrid giant napier (Pennisetumhydridum), which has a large biomass and can serve as animal feed or paper-making materials, to efficiently produce plant biomass while degrading MSS. To accomplish this, a field experiment composed of small plots with four treatments, soil, fresh sludge, soil-sludge mixture at a ratio of 1∶1, and phyto-treated sludge, was conducted. Additionally, Giant Napier were cultivated following transplantation of ramets with roots or direct planting of cut stems. MSS was acquired from the Datansha Wastewater Treatment Plant in Guangzhou, placed in plots with a height of 20 cm on the ground and covered with permeable plastic nets. The survival and growth rate of the Giant Napier were then followed and the main characteristics of the sludge were investigated. A pot experiment and a field experiment were also conducted to investigate the feasibility of transplanting hybrid Giant Napier directly into fresh MSS using seedlings generated from stem cuttings in normal growth medium. The results showed that the hybrid Giant Napier could not survive directly in fresh MSS when cultivated from stem cuttings, as indicated by a survival rate of only 16.67%, even when transplanted ramets with roots were included in the plot. However, the plants survived and grew well in the soil-sludge mixture and phyto-treated sludge. The survival rates of stem cuttings planted in the soil-sludge mixture and phyto-treated sludge were 58.33% and 75.00%, respectively, and the yield of biomass of these two treatments ranged from 19.80 t/hm2to 22.20 t/hm2on a dry weight basis over two months, which was 4.55 to 5.11 times higher than that of the soil only treatment. Additionally, the hybrid Giant Napier absorbed K well, as indicated by the K content in the plant biomass reaching about 40 g/kg on a dry weight basis in the three sludge treatments. The total N, P2O5and K2O content also reached 70 g/kg, indicating that the harvested plant biomass can be used as organic potassium fertilizer. The levels of Cu, Zn, Pb and Cd in the hybrid giant napier were below the tolerance limits of heavy metals according to the Chinese standards of feeds (GB 13078—2001), indicating that the produced biomass was safe for use as animal feed. The pot experiment and field experiment showed that the survival rate of the hybrid Giant Napier transplanted into fresh MSS with seedlings generated from stem cuttings in normal growth medium reached more than 66.67% and the plants grew to an average of 2.6 m after 6 months. Overall, the results of this study indicate that the hybrid Giant Napier can be directly planted in fresh MSS and produce a high yield.

municipal sewage sludge (MSS);Pennisetumhydridum; phyto-treatment; seedling

國家自然科學基金資助項目(41371308); 廣東省科技計劃項目(2012A030700003, 2010B031800006); 廣東省自然科學基金團隊項目(S2011030002882)

2013- 11- 04;

2014- 08- 28

10.5846/stxb201311042658

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wuqitang@scau.edu.cn

林曉燕, 王慧, 王浩, 陳誠, 吳啟堂, 衛(wèi)澤斌, 羅贏鵬, 陳曉紅.利用皇竹草處理城市污泥生產植物產品.生態(tài)學報,2015,35(12):4234- 4240.

Lin X Y, Wang H, Wang H, Chen C, Wu Q T, Wei Z B, Luo Y P, Chen X H.Using hybrid giant napier to treat municipal sewage sludge and produce plant biomass.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):4234- 4240.