城市廢棄物堆肥的混配基質對高羊茅營養生長期的影響

李昱彤， 齊 實， 周金星， 郝文乾， 靳孟理， 胡譯水

(北京林業大學水土保持學院， 北京100038 )

城市污泥作為污水處理的伴隨產品，已“涌進”新型環境問題中，而堆肥憑借其高效滅菌、價格穩定的優勢可實現污泥減量化、資源化，成為解決城市污泥的主要處理方式[1]。含有豐富營養元素以及大量有機質的城市污泥堆肥可以促進植物生長發育和生物量積累[2]。如果將污泥應用在草坪綠地中，可以最大程度回收污泥中的養分，改良土壤理化性質，促進草坪草的生長；此外草坪草對污泥有一定的凈化作用[3]，且不存在食物鏈的危險。張增強[4]等研究發現黑麥草(LoliumperenneL.)、匍莖剪股穎(AgrostisstoloniferaL.)、白三葉(TrifoliumrepensL.)、馬尼拉草(Zoysiamatrella)、紫羊茅(FestucarubraL.)對污泥堆肥有良好的生長響應，污泥堆肥可增加草本生物量、延長綠色期，同時明顯改善土壤理化性質。園林廢棄物是指園林植物自然凋落剪枝及其他植物殘體等，也有人稱之為園林垃圾或綠色垃圾[5]。園林廢棄物資源化是生態文明建設的必然趨勢，針對其“填埋則浪費空間”、“焚燒則污染環境[6]”、“產量高但利用率低[7]”等不足，將園林廢棄物堆肥處理后，可作為園林覆蓋物保持土壤濕度、控制雜草生長[8]，可作為土壤改良劑提高土地肥力[9]，可作為植物栽培基質部分代替不可再生資源泥炭[10]。草坪的傳統生產方式不僅占地且每次生產均要帶走2～3 cm的耕作層土壤[11]，如果將城市污泥堆肥、城市污泥與園林廢棄物混合堆肥等用作草坪生長的基質，可減小草坪生產帶來的負面效應。

目前，北京市城市污泥產量每年約150萬噸，約有70%的污泥缺乏有效出路，污泥資源化狀況不容樂觀；園林廢棄物產量每年約700萬噸，而消納處置能力不足10%。將城市污泥和園林廢棄物重新“回歸”到土壤中，是消納和循環利用城市廢棄物的有效策略之一[12]。對城市污泥堆肥土地利用的研究在國外已經有70多年的歷史，在京津滬等地也有30多年的歷史[13]，現在國內外關于城市污泥及園林廢棄物堆肥產品用于草坪的研究也很多，但是兩者的混合使用方法和標準均不常見[14-15]。因為園林廢棄物、城市污泥堆肥產品種類繁多，所以兩種廢棄物以何種比例混合堆肥以及是否適宜植物生長及栽培基質改良，將成為進一步研究的方向。現階段，國內外學者對城市廢棄物及其堆肥在草坪中應用的研究主要集中于肥料使用的過程中，主要研究的是不同施肥量對其生長發育的影響，如周志宇等[16]按照不同施用量設置6個處理，比較污泥對無芒雀麥生育的影響；付華等[17]發現隨著污泥施用量的增加，黑麥草的各項生長指標均呈現增加趨勢。而將城市廢棄物及其堆肥作為栽培基質(或作為無土栽培基質)的研究報道較少。

基質的優劣對植物生長產生直接影響，養分缺乏會導致生長減緩、植物早衰，養分過多會造成營養毒害及環境污染。擇取由城市廢棄物及其堆肥為主要原料的基質時，傳統評價方法主要是通過逐個比較分析各項指標來說明基質的好壞，如邢強等[18]分別從不同混配基質對草坪土壤理化性質及草坪草出苗、成坪速度、外觀質量、生長、持續生存能力等的影響來直接分析基質的改良效果，鮮少應用回歸模型[19]、熵權系數法[20]等直接篩選最佳基質配比。本文將城市污泥堆肥產品、園林廢棄物堆肥產品、“城市污泥：園林廢棄物=1:3”混合堆肥產品、“城市污泥：園林廢棄物=1:1”混合堆肥產品分別和林地土壤按不同比例混配作為盆栽基質，研究不同混配基質的理化性質與高羊茅對不同混配基質的初期生長響應，并通過熵權系數與TOPSIS集成評價法分析在“基質肥力—植物生長”下的最佳基質配比，從而為這2種城市廢棄物堆肥在草坪綠地中的資源化利用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取城市污泥和園林廢棄物混合堆肥產品作為堆肥研究對象。供試污泥取自北京城市排水集團責任有限公司朝陽區高碑店污水處理廠加工處理后的脫水污泥，供試園林廢棄物由北京市京圃園公司提供，供試土壤為北京市典型地帶性土壤，取自于北京市延慶市張山營鎮下板泉村林地土壤。試驗開始前，對供試材料的理化性質進行測定(表1)。將供試污泥和供試園林廢棄物按照不等比例進行堆肥處理，得到4個水平的混合堆肥，依次記為A、B、C、D(表2)。

1.2 試驗設計

本試驗采用盆栽(口徑為16.5 cm，高11 cm)控制堆肥產品和基質的混合比例，堆肥產品和林地土壤以0:1，1:3，1:1，3:1，1:0(體積比)設置5個處理(表2)，分別是CK組、混配基質1、混配基質2、混配基質3、混配基質4，每組設置6個重復。

表1 供試材料的理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the tested materials

表2 基質盆栽試驗設計Table 2 Experiment design of potting substrate

注： W指污泥，Y指園林廢棄物；F指堆肥產品，T指林地土壤

Note: W refers to sludge,Y refers to garden waste; F refers to composting products; T refers to forest land.

將150粒種子均勻撒入盆栽中，表層覆土澆水至濕潤。試驗在北京林業大學鷲峰林場溫室(牡丹園實驗溫室)進行，控制溫度在20～30℃，含水量保持在60%，常規管理。高羊茅種植時間為2016年3月底—7月初，播種15 d之后計算種子萌發率，90 d之后測定混配基質的理化性質。

1.3 測定方法

在相同的養護管理條件下，某段時間的種子萌發率可以反映不同混配基質對高羊茅種子萌發的影響。當高羊茅種子逐漸開始發芽時(播種后15天時)，開始每隔一周進行統計，2016年5月1日(播種后31天時)基本達到穩定。從種子發芽穩定后開始，每隔半個月進行高羊茅株高統計。張艾青等[21]研究表明“低茬修剪”比“高茬修剪”能促進高羊茅草坪的生長，整個試驗過程中，共對高羊茅進行兩次修剪，留茬高度為5 cm。地上生物量是反映草坪草長勢的重要指標之一，良好的根系生長是草坪草能吸收足夠水分和養分的保證，試驗結束后對高羊茅地下生物量進行統計。

種子萌發率：4月7日—5月1日，每隔7天進行一次統計，按公式“萌發率=(穩定發芽種子數/播種種子數)×100%”來計算；

株高測定：分別于種子播種后35、50、57、64、94天時進行株高測定并記錄，每盆高羊茅隨機抽取10株進行株高測定。

生物量：地上部分分別于5月24日、6月24日對植株進行修剪(共2次)，測定其鮮重；地下部分要進行破壞盆栽采樣，放置于0.5 mm的篩子中進行沖洗處理，將所帶的土壤和腐熟的園林廢棄物全部沖洗后，剪去殘留的植株地上部分，再用去離子水清洗其根部，放置于信封中，于105℃烘干箱中殺青至恒重(耗時約6個小時)，取出稱重。

1.3觀察指標及療效判定標準 ①療程結束后,對兩組患者療效進行評價[6]:顯效:患者的腦缺血發生率降低了75%;有效:患者的腦缺血發生率降低50%至75%;無效:患者的病情反復,沒有改善?？傆行?(顯效+有效)/總例數×100%。②觀察并記錄兩組患者在用藥期間不良反應發生情況。

葉綠素含量：對刈剪部分采用丙酮提取法進行葉綠素含量測定。

土壤及堆肥中的氨態氮、速效磷、速效鉀等均參考《土壤理化性質實驗指導書》[22]。

1.4 數據分析

本文用Excel軟件對不同處理的高羊茅種子萌發率、株高、生物量、葉綠素、氨態氮、速效磷、速效鉀等數據進行計算整理，采用SPSS 22.0軟件對其進行統計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan多重極差檢驗法比較不同處理間的差異性。采用熵權系數與TOPSIS集成綜合評價法分析高羊茅對城市廢棄物堆肥的初期生長響應，以及不同混配基質的肥力優劣，從而比較得出最優基質。

2 結果與分析

2.1 不同配比基質理化性質

本試驗中，各組處理土壤PH呈弱堿性，在7.22～8.20之間，且低于CK處理；A2(9.63 ms·cm-1)、A3(6.92 ms·cm-1)、B3(5.56 ms·cm-1)、C2(4.04 ms·cm-1)、D1(10.19 ms·cm-1)、D2(10.48 ms·cm-1)、D3(5.63 ms·cm-1)、D4(6.94 ms·cm-1)的電導率(Electrical conductivity，簡稱EC值)明顯超出草本最佳生長的EC值范圍，而CK(2.92)、B4(3.29)略高，其他處理的EC值在理想范圍之內，李芳等[23]證明EC超過3 ms·cm-1會影響草本根系，個別偏高EC值是否會長期影響高羊茅的生長，有待進一步觀察。從圖1(a)可看出，B組基質中的氨態氮隨污泥堆肥量所占比例的增加呈增加趨勢；從圖1(b)可看出，A3、C3處理的速效磷低于CK組，從圖1(c)可看出,除C3、C1、C4處理的速效鉀含量與CK組相近，其他處理均高于CK組，且各組的速效鉀隨組內混配基質中堆肥比例的增加呈先增加后減小的“S”型趨勢。

圖1 不同配比基質理化性質Fig.1 Physical and chemical properties of different proportioning substrates

2.2 高羊茅對不同配比基質的生長響應

2.2.1不同配比基質對高羊茅種子萌發率的影響 由表3可知，對于A處理來說，隨著堆肥施加量的增加，種子萌發率下降，36天后A1達到最大值，相比對照提高了25.7%；A4處理前期的發芽率顯著低于對照，且A3、A4處理的發芽率一直低于對照。對于B組，隨著堆肥施加量的增加，種子萌發率下降，36天后B1達到最大值，相比對照提高了28.2%，是所有處理中發芽率最高的。對于C組來說，隨著堆肥施加量的增加，種子萌發率下降，36天后C1達到最大值，相比對照提高了22.3%。D處理總體上隨堆肥施加量的增加發芽率下降，但與其他處理差異性不顯著。

由圖2可知，初始發芽階段(15天時)，CK組種子萌發率高于其他處理；中后期(22天到36天時)，CK組種子萌發率趨于穩定，萌發率變幅不顯著，保持在56.02%～70.5%；初始發芽階段，A1、B1、C1、D1的萌發率低于CK組，但在后期發芽階段，均高于同種堆肥的其他處理，這表明廢棄物堆肥產品對種子萌發時間具有延遲效應，可能是因為基質中的廢棄物成分具有緩釋特性。同時發現，隨著混配基質中廢棄物堆肥產品所占比例的增加，種子萌發率總體呈現下降趨勢，即低濃度下堆肥產品對種子的發芽有一定促進作用，其高羊茅種子的萌發率遠高于CK處理。

表3 不同配比的堆肥產品對高羊茅種子萌發率的影響Table 3 Effect of experimental treatments on seed germination rate of Festuca arundinacea L.

注：同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同大寫字母表示不同播種天數間差異顯著(P<0.05)

Note: Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments at the 0.05 level; different capital letters indicate significant difference between different days at the 0.05 level

由圖3 (b)可知，播種35天后，除A4、C1、C4組低于CK組，其他處理均高于CK組；播種57天后(第一次修剪)，B組仍大于CK組，各組均遠高于初期增長速率，增長速率基本達到頂峰；播種94天后，CK組高羊茅株高增長速率已低于前期，而B3、A4處理的株高絕對增長速率(absolute growth rate, AGR)仍高于播種35天時。這說明混配基質B1和B3最適合高羊茅生長的原因可能是基質中污泥堆肥具有緩釋性，也有可能與各組基質中速效N、P、K含量有關。

圖2 不同處理下高羊茅種子萌發率Fig.2 Effects of different substrates composition on seed germination rate of Festuca arundinacea L.

2.2.3不同配比基質對高羊茅生物量的影響 由圖4可知，所有處理中高羊茅單株地上生物量最大值(16.56 g)出現在B1處理，約是CK處理(3.45 g)的4.8倍。盆栽基質組成比例，直接影響高羊茅單株地上生物量。就A處理而言，A3組地上生物量最大，其次是A1、A4、A2組，但最大值小于CK處理，且差異顯著(P<0.05)；就B處理而言，B1組地上生物量最大，其次B4、B3、B2組，均高于CK處理；就C處理而言，各處理與CK差異不顯著，對單株地上生物量增長效應最小；D處理組間差異顯著(P<0.01)，D3地上生物量最大，其次是D1、D2、D4，但最大值小于CK處理。我們可以發現，不同基質間無明顯一致的變化規律，但是從圖3中可以發現，純污泥堆肥處理(B處理)最大程度地促進了高羊茅生物量的增長，其次是A處理和D處理，純園林廢棄物堆肥(C處理)對高羊茅生物量的作用效果最不明顯，但仍能部分代替林地土壤。單株地下生物量的變化趨勢與地上生物量基本一致。

圖3 不同基質高羊茅株高的變化分析Fig.3 Variation of Festuca arundinacea. L’s height in different growth media

圖4 不同處理高羊茅單株生物量的變化情況Fig.4 Effects of different substrates composition on the accumulation biomass of Festuca arundinacea L.

2.3 不同配比基質對高羊茅生長適應性的綜合評價

本研究采用熵權系數與TOPSIS集成法[23]對不同配比基質的高羊茅萌發、生長進行綜合評判，評價高羊茅對不同廢棄物堆肥產品混配基質的適應性。本文分別對植物生長指標、“土壤肥力—植物生長”指標進行綜合評價，通過熵權系數計算出各評價指標的權重值(表4)，并以此作為TOPSIS評價的重要系數，最終評價指數越大說明離理想解越近，則基質的質量越好，高羊茅對該種基質的適應性越強。

表4 “基質肥力—高羊茅生長”指標的客觀權重值Table 4 Entropy-weight of different treatments for "Matrix Fertility-Growth of Festuca arundinacea L."

由表4可知，氨態氮在基本指標分解中影響較大，權重值為0.27，其次是生物量，地上、地下單株生物量權重值均為0.16；影響最小的指標是萌發率，其權重值為0.04。

由表5可知，B4處理的綜合評價指數為0.7096，位居首位，其次是B3，B2，B1； C4處理的綜合評價指數為0.0443，位居榜尾，并且C4

表5 不同基質的“基質肥力—高羊茅生長”質量綜合評價結果Table 5 Comprehensive evaluation of "Matrix Fertility—Tall Fescue Growth" in different substrates

3 討論與結論

3.1 城市廢棄物堆肥在草坪栽培基質中的應用前景

目前，城市污泥和園林廢棄物均屬于最常見且容量大的城市廢棄物。城市污泥屬于有機肥料，其養分優于農家肥、化肥，作為基質可增加土壤肥力，同時促進植物生長[25]；將污泥堆肥化處理，可以明顯提高栽培基質的氨態氮、速效磷、速效鉀含量，同時增強基質的保水性能和植物的抗旱能力，可以減少澆水方面的人工消耗[26]；不同于其他基質，城市污泥產量大并急需消納，可代替比較昂貴的栽培基質[27]，以超低的成本解決園林基質匱乏的窘境。近年來，通過改變污泥堆肥過程中的添加成分及其比例，使混合堆肥產品同時達到“高肥”、“低毒”的效果，已成為研究熱點。而園林廢棄物堆肥可增加土壤肥力、避免揚塵等[28]。如果將園林廢棄物作為污泥堆肥時的添加成分，可解決“園林廢棄物堆肥產品因木質素等物質多而導致肥效低[29]”、“純污泥堆肥含有重金屬等有害物質[30]”等問題；此外，可改善“純污泥堆肥基質顆粒較細、鹽分含量高、透氣性差、過于緊實”，“鹽分過高以至于影響基質養分平衡”，以及“抑制種子發芽和植物吸收”等[31]不足，改善堆肥基質的物理性狀，可促進植物穩定性生長。

本試驗中，播種15天后種子開始萌芽。初期階段，CK組的萌芽率均大于其他基質處理，說明堆肥的添加抑制了高羊茅初期種子萌發；D1(純園林廢棄物堆肥：土壤=1:3)>B1(純污泥堆肥：土壤=1:3)、D2(純園林廢棄物堆肥：土壤=1:1)>B2(純污泥堆肥：土壤=1:1)、B3(純污泥堆肥：土壤=3:1)> D3(純園林廢棄物堆肥：土壤=3:1)，B4(純污泥堆肥：土壤=3:1)> D4(純園林廢棄物堆肥：土壤=3:1)，說明將園林廢棄物作為城市污泥堆肥的添加成分，可改善混配基質抑制高羊茅種子初期發芽的現狀。相比較不同堆肥和土壤在不同混配比例下的基質，隨堆肥所占比例的增加，種子萌發率降低，大致呈正相關。由于試驗僅研究高羊茅在生長初期對不同混配基質的響應，無法觀測到不同基質間的長久效應，且應該進一步分析基質的容重、赤水孔隙度、水氣比等性狀來證明添加園林廢棄物的必要性。

3.2 以城市廢棄物堆肥為主要原料的混配基質對高羊茅生長的影響

針對不同的植物，往往有不同的評價指標來判斷基質對其生長的適應性。本試驗同時觀測了高羊茅的株高、地上及地下生物量變化情況，來評價判斷基質對高羊茅生長的適應性。結果發現，以純污泥堆肥為主原料的混配基質可明顯增加高羊茅株高、生物量，同時也可促進葉片葉綠素的合成，使其葉片顏色更深綠。城市污泥對于草本的生長適應性并非偶然，且具有廣泛性，對其他草本(如黑麥草、早熟禾等)生長也有明顯的促進作用[32-34]。研究表明，將污泥堆肥、污泥和園林廢棄物混合堆肥應用于草坪生產，不僅可以提高草坪質量，消耗大量城市廢棄物，還可以部分代替泥炭等昂貴物質，是城市廢棄物資源化利用的重要方向。

3.3 不同混配基質的高羊茅適應性判別

植物種類繁多，對其適宜的栽培基質、環境因子等要求各有不同，因此尋找合理的基質成分配比，特別是為不同的植物制定最佳基質配比有重要意義，但憑借植物或基質的少數指標無法直接、科學地評價基質的優劣及植物對基質的適應性[20]。

本試驗依據高羊茅的生長狀況和基質本身的狀況，采用熵權系數與TOPSIS集成法，綜合評價高羊茅對不同混配基質的生長適應性。根據各個指標提供的信息量及其聯系程度來確定指標的權重系數，將這個權重分布結果作為TOPSIS評價的基礎。TOPSIS集成法中有正理想解和負理想解，前者為虛擬的最佳基質，后者為虛擬的最差基質，將各個處理之間的正負理想解的距離進行比較，則最佳基質應該是靠近正理想解的同時遠離負理想解[35]。此方法避免了傳統評價過程中只強調高羊茅某一項指標而忽略其他指標的偏差，同時將評價過程以數字化的形式展現出來。本試驗中，依據不同混配基質對“基質肥力-高羊茅初期生長”影響效果的綜合排名，最佳混配基質為B4，這與盆栽試驗中觀測的高羊茅長勢相一致。但是本試驗僅對以城市廢棄物堆肥為主原料的混配基質的功效性進行了綜合評價，并未分析其安全性，如果結合其安全性，D組是否會成為最佳的混配基質，或者是否存在其他更好的混配基質，還需進一步試驗。