施用排水污泥制有机营养土对国槐和刺槐种子萌发的影响

张天昱 唐胶 彭祚登 冯天爽 刘春和

摘要 [目的]探究城市排水污泥制有機营养土对国槐和刺槐播种育苗及林下自然更新的影响，为其在国槐和刺槐林人工培育中的应用提供科学依据。[方法]将污泥制有机营养土产品与苗圃沙土按不同比例混合，加入蒸馏水浸泡不同天数后并制成浸提液，用作种子发芽试验过程中的营养液，在实验室的人工气候箱中进行种子萌发试验。[结果]添加适量污泥浸提液对国槐种子的发芽率、发芽进程、发芽效率和萌发潜力都有促进作用，大多以污泥产品占比20%影响更为显著，污泥用量过多反而会抑制国槐种子的萌发，总体表现为添加少量污泥促进萌发、过量污泥抑制萌发的效果;与国槐种子的结果相似，当污泥产品占比为20%时，刺槐种子的大多数指标都表现为对种子萌发有促进作用，但污泥施入对刺槐的发芽指数有抑制作用。并且浸提时间越长，对国槐和刺槐种子的萌发更加有益。[结论]城市排水污泥制有机营养土适量用作国槐和刺槐播种育苗的基肥和种肥是可取的，但仍需在实际生产中进行完善，充分考虑其合理用量并应用推广。

关键词 排水污泥制有机营养土;种子萌发;国槐;刺槐

中图分类号 S792.26  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）10-0079-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.020

Effects of Organic Nutrient Soil Made from Urban Sewage Sludge on Seed Germination of Sophora japonica and Robinia pseudoacacia

ZHANG Tian-yu，TANG Jiao，PENG Zuo-deng et al

（The Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education，Beijing Forestry University， Beijing 100083）

Abstract [Objective] In order to explore the effect of using organic nutrient soil made from urban sewage sludge on the seed germination of Sophora japonica and Robinia pseudoacacia， and to provide scientific experimental basis for the application of sludge products in the artificial cultivation of Sophora japonica and Robinia pseudoacacia forest. [Method] The organic nutrient soil product made from sludge is mixed with the nursery sand in different proportions， and distilled water is added to soak for different days to make the extract， which is used as the nutrient solution in the process of seed germination test， and the seeds germination test is carried out in the artificial climate box in the laboratory. [Result] The results show that the addition of an appropriate amount of sludge extract can promote the germination rate， germination process， germination efficiency and germination potential of Sophora japonica， and the effect is more significant when the sludge product accounts for 20%. Excessive dosage will inhibit the germination of Sophora japonica. Generally speaking， the effect of adding a small amount of sludge to promote germination and excessive sludge to inhibit germination; similar to the results of Sophora japonica， when the sludge product accounts for 20%， most of the indicators of Robinia pseudoacacia show that the appropriate amount of sludge can promote the germination of Robinia pseudoacacia， but the application of sludge can inhibit the germination index of Robinia pseudoacacia. And the longer the extraction time， the more beneficial to the germination of Sophora japonica and Robinia pseudoacacia. [Conclusion] Appropriate application of urban sewage sludge to make organic nutrient soil is advisable as the base fertilizer and seed fertilizer for Sophora japonica and Robinia pseudoacacia sowing and seedling， but it still needs to be improved in actual production， fully considering its reasonable dosage and applying it.

Key words Organic nutrient soil made from sewage sludge;Seed germination;Sophora japonica;Robinia pseudoacacia

基金項目 国家发改委环境污染第三方治理“北京市污泥资源化苗圃种植项目”;北京生活集团污泥资源化苗圃种植项目（2017HXFWLXY023）。

作者简介 张天昱（1997—），女，天津人，硕士研究生，研究方向：林木种苗培育。通信作者，教授，博士，从事林木种苗培育研究。

收稿日期 2021-08-17

城市排水污泥作为处理城市污水过程中产生的剩余固体废物，对其的处理处置是需要解决的重要环境问题之一[1-2]。随着我国城市化进程的加快及社会经济的快速发展，城市污水的排放量日益增加，作为污水处理副产物的污泥产量也随之增加。污泥成分中含有丰富的氮、磷、钾等植物所需营养元素和有机质[3-8]，但污泥有异味，需要很大的储存空间，且可能含有有毒的有机污染物[9]，未经加工处理的污泥易造成污染地下水，增加土壤中的重金属含量，影响土壤结构和理化性质等环境问题[3]。使用高级厌氧消化技术处理污泥，消化后的污泥易于脱水，能够提高有机物降解率，杀灭病菌和蛔虫卵[10-11]。城市排水污泥的农林土地资源化利用是实现其无害化的重要途径[3-4]。Song等[12]通过试验研究得出，添加污泥能够促进植物对氮素的积累，促进光合作用的进行;王波等[13]从污泥浸提液对蔬菜种子及幼苗生理的影响的角度展开研究，结果显示，污泥浸提液在一定程度上会抑制青菜（Brassica chinensis）和油麦菜（Lactuca sativa）种子的萌发，造成幼苗细胞膜的损伤;乔永等[14]的研究结果表明，施用城市污泥会对桑树（Morus alba）种子的萌发及幼苗的前期生长产生抑制作用，但随着时间的延长会促进桑树幼苗的生长和生物量的积累。

国槐（Sophora japonica）和刺槐（Robinia pseudoacacia）是我国重要的造林绿化树种，国槐在造林中具有成活率高、寿命长、能抵抗有毒气体等优点，刺槐也是保持水土、防风固沙、改良土壤的重要树种，育苗造林绿化范围广泛[15-17]。国槐和刺槐主要通过种子繁殖。种子的萌发和生长是植物接触外界一切反应的开端，也是其对外界刺激最为敏感的阶段[18]。目前，有关高级厌氧消化处理后的污泥对槐类树种种子萌发与苗木生长的影响鲜见报道。为探究经过高级厌氧消化工艺处理的城市排水污泥在国槐和刺槐育苗及林地的应用效果，拓展污泥林地资源化利用的途径，笔者模拟采用处理污泥产品在林地施用后的土壤状态，研究经水浸渍后对种子萌发作用效果，以期为拓展高级厌氧消化污泥在造林绿化树种种子繁殖中的应用前景和途径提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及来源

国槐种子于2018年11月采自山东菏泽，刺槐种子于2018年10月采自河北平泉。试验所用土壤采自北京市大兴区黄垡苗圃多年育苗地，取40 cm以内耕作表层，土壤基本理化性质：全镉（0.30±0.03） mg/kg，全铬（67.67±7.64） mg/kg，全铅（17.63±0.15） mg/kg，全汞（0.14±0.02）mg/kg，全铜（15.67±0.58）mg/kg，全砷（15.58±0.88） mg/kg，全锌（89.77±27.27）mg/kg，全镍（25.33±4.04） mg/kg，碱解氮（22.00±16.52） mg/kg，速效钾（230.67±69.95） mg/kg，有机质（13.72±1.25） g/kg，pH 8.59±0.11，容重（1.41±0.03） g/cm3，孔隙度（46.96±1.22）%，最大持水量（286.47±3.14） g/kg。

污泥产品由北京排水集团污泥处置分公司提供，采用高级厌氧消化处理污泥制成的有机营养土产品，相关理化性质：全镉0.79 mg/kg，全汞5.57 mg/kg，全铅15.55 mg/kg，全铬72.65 mg/kg，全砷12.25 mg/kg，全铜 208.50 mg/kg，全锌535.00 mg/kg，全镍34.75 mg/kg，全氮（N）3.16%，磷（P2O5）5.42%，钾（K2O）0.71%，含水率 58.40%，pH 7.50，粪大肠菌值>0.111个，未检出蛔虫卵，电导率204.50 mS/m。

供试污泥产品出厂测定各项指标含量均符合国标GB/T 24600—2009《城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质》[19]。

1.2 试验设计

1.2.1 种子处理。

分别选取大小均匀一致、颗粒饱满的国槐和刺槐种子，采用0.5% KMnO4溶液消毒预处理2 h，用无菌水冲洗3～5次后，将种子放入较大的容器内，倒入75 ℃的热水至没过全部种子，期间不断进行搅拌至水温降至35 ℃，每12 h换一次水，共计浸泡24 h。

1.2.2 浸提液制备。

将污泥与苗圃土壤过筛后置于3 L塑料桶中，各桶内污泥与土壤总质量均为1.5 kg，并均加入3 L蒸馏水进行充分混合，共计18桶，平均分为3组，分别按15、10、5 d共3个时长进行浸提，分别以A、B、C组表示。每组设定5个污泥质量占比梯度（分别以1～5代表5个占比），其污泥所占质量比依次设置为100%、80%、60%、40%、20%，以纯土壤浸提液为对照（CK），分别标记为A1～A5、B1～B5、C1～C5，对照组分别标记为A0、B0、C0。浸提完成后先用4层纱布滤去残渣，再用2层滤纸过滤后制得浸提液，保存于玻璃瓶中备用[20]。

1.2.3 测定方法。

试验地点在北京林业大学林学实验中心实验室。采用纸上发芽法，对国槐与刺槐种子分别设置4次重复，共计144个培养皿（90 mm），每个培养皿中铺1层滤纸，分别均匀摆放种子，其中，国槐树种各培养皿中摆放15粒种子，刺槐树种各培养皿中摆放20粒种子。分别加入不同处理的浸提液5 mL，于25 ℃恒温培养箱中（16 h光照，8 h黑暗，相对湿度75%）进行发芽试验。发芽试验持续时间为14 d，试验期间每天添加1次浸提液，保持培养皿中浸提液含量的稳定。自第2天开始，每天观察并记录种子的发芽情况和发芽数[21]。

1.2.4 测定指标与计算。

发芽试验结束后分别计算种子的发芽率（GP）、发芽势（G）、平均发芽时间（MGT）、平均发芽系数（MGC）、日均发芽率（MDG）、发芽指数（GI）、发芽峰值（PV）、发芽值（GV）。各指标的计算公式如下[22-23]：

GP=GnSn×100%（1）

式中，Gn为第14天种子萌发数，Sn为测试种子总数。

MGT=i（Gi×i）iGi（2）

式中，i为自播种之日起的天数，Gi为第i天种子的发芽数。

MGC=iGii（Gi×i）（3）

MDG=GP14×100%（4）

GI=GtDt（5）

式中，Gt为t时间内的发芽数，Dt为相应的发芽天数。

G=GPtSn×100%（6）

PV=GPtDPt（7）

式中，GPt为达到高峰日时的发芽量，DPt为达到发芽峰值时的天数。

GV=PV×MDG（8）

1.3 数据分析

使用Microsoft Excel 2010和SigmaPlot 12.5进行数据整理和绘图，使用SPSS 22.0软件对数据进行统计分析，包括描述统计、方差分析和Duncan多重比较，用平均值±标准误表示测定结果。

2 结果与分析

2.1 对种子发芽率的影响

种子发芽率是供试种子发芽数占供试种子总数的百分比，可作为检测种子质量的重要指标之一。种子发芽率越高，表示种子越饱满，种胚发育越好。

由表1可知，不同浸提时间对国槐种子发芽率存在极显著影响（P<0.01）;不同污泥占比对国槐种子发芽率均无显著影响;浸提时间与污泥占比的交互作用对国槐种子发芽率均无显著影响。从图1可见，随着浸提时间的延长，国槐种子浸提15 d（A）和10 d（B）时，各污泥占比处理下的发芽率不存在显著差异;浸提5 d（C）时，发芽率随污泥占比的提高呈现下降趋势，其中C1处理发芽率最低，仅为6.67%。A4处理下国槐种子发芽率在所有处理组合中最高，发芽率为43.33%，这说明添加适量配比的浸提液能够提高国槐种子的发芽率。

由表1可知，对于刺槐来讲，不同浸提时间对其种子发芽率存在极显著影响（P<0.01）;不同污泥占比对发芽率无显著影响;浸提时间与污泥占比的交互作用对刺槐种子发芽率存在显著影响（P<0.05）。从图1可见，浸提15 d（A）和10 d（B）处理下的发芽率总体均随着污泥占比的减少呈先减小后增大再减小的变化趋势。浸提15 d（A）时，A4处理发芽率最高，达到55.00%，且显著高于A2处理（P<0.05）;浸提10 d（B）时，各污泥占比处理间的发芽率不存在显著差异;浸提5 d（C）时，C5处理发芽率最高，为52.50%，且显著高于C1处理。可见，浸提15 d（A）时发芽率普遍较高，其中发芽率最高的处理为A4，达55.00%。

2.2 对种子发芽进程的影响

种子发芽进程是反映种子发芽速度快慢的指标，一般可以通过平均发芽时间、平均发芽系数和日均发芽率得到体现。

2.2.1 对平均发芽时间的影响。

平均发芽时间是供试种子发芽所需的平均时间。

由表2可知，对于国槐来说，不同浸提时间、污泥占比、浸提时间和污泥占比的交互作用对其种子平均发芽时间均无显著影响。从图2可见，随着浸提时间的延长，平均发芽时间总体呈现先上升后下降的趋势，其中浸提5 d（C）的平均发芽时间最短。浸提10 d（B）时，B3处理平均发芽时间处于最低值，仅4.73 d，显著低于B2处理（P<0.05）。不同处理组合中平均发芽时间最短的为C1处理，仅4.08 d，这说明添加适量配比的浸提液能够缩短国槐种子的平均发芽时间，对其萌发速度有提高作用。

由表2可知，同國槐一样，不同浸提时间、污泥占比、浸提时间和污泥占比的交互作用对刺槐种子平均发芽时间均无显著影响。从图2可见，随着浸提时间的延长，平均发芽时间总体呈下降趋势，浸提15 d（A）的平均发芽时间最短。浸提15 d（A）不同污泥占比处理下平均发芽时间差异不显著;浸提10 d（B）B2处理平均发芽时间最短，仅2.97 d，显著低于B4处理（P<0.05）;浸提5 d（C）时，C1处理平均发芽时间显著低于C5处理，且为最低水平（P<0.05）。A0（CK）处理下的刺槐平均发芽时间为所有处理组合中最低，仅2.44 d。这说明添加浸提液会影响刺槐种子的发芽，对其发芽速度有抑制作用。

2.2.2 对平均发芽系数的影响。

平均发芽系数和平均发芽时间互为倒数，平均发芽系数与种子活力呈正相关。

由表3可知，不同浸提时间对国槐种子平均发芽系数存在显著影响（P<0.05），不同污泥占比对其平均发芽系数存在极显著影响（P<0.01），而浸提时间与污泥占比的交互作用对其平均发芽系数无显著影响。从图3可知，随着浸提天数的延长，国槐种子平均发芽系数总体呈现上升趋势，15 d（A）时达到最高;随着污泥占比的减少，各处理平均发芽系数的变化趋势表现不同;不同处理组合中发芽系数最高的为B3，达0.23。

由表3可知，不同浸提时间、污泥占比、浸提时间与污泥占比的交互作用对刺槐种子平均发芽系数均无显著影响。从图3可见，随着浸提天数的增加，平均发芽系数呈现上升趋势;随着污泥占比的减少，各处理的平均发芽系数变化趋势不同;不同处理组合的刺槐种子平均发芽系数以A0（CK）最高，达0.41。

2.2.3 对日均发芽率的影响。

日均发芽率为单位时间内种子发芽率，既可以体现发芽的速度，也可以反映发芽的效率。

由表4可知，对于国槐来讲，不同浸提时间对其种子日均发芽率有极显著影响（P<0.01），不同污泥占比、浸提时间与污泥占比的交互作用对日均发芽率均无显著影响。如图4所示，日均发芽率随着浸提时间的延长，总体表现为逐渐上升的变化趋势，在浸提15 d（A）时日均发芽率最高;C1处理显著低于C0（CK）处理，日均发芽率仅为0.48%;不同处理组合中A4处理日均发芽率最高，达3.10%，这说明适宜的污泥-土壤配比处理能够略微提高国槐种子的日均发芽率。

由表4可知，对于刺槐来讲，不同浸提时间对其种子日均发芽率具有极显著影响（P<0.01），不同污泥占比对日均发芽率无显著影响，浸提时间与污泥占比的交互作用对日均发芽率有显著影响（P<0.05）。由图4可见，浸提15 d（A）和10 d（B）的日均发芽率随着污泥占比的减少总体呈现先下降后上升再下降的趋势，浸提5 d（C）的日均发芽率随着污泥占比的降低呈先增大后降低趋势;各浸提时间处理浸提15 d（A）的日均发芽率普遍较高，其中A4处理日均发芽率最高，达3.93%。

2.3 对种子发芽效率的影响

种子发芽效率是种子在发芽过程中在有效时间范围内的成效指标，包括发芽指数和发芽值。

2.3.1 对发芽指数的影响。

发芽指数为日发芽数与相应天数比值的总和，能够反映种子的健壮度，即种子的活力。

由表5可知，不同浸提时间和污泥占比对国槐种子发芽指数存在极显著影响（P<0.01）;浸提时间与污泥占比的交互作用对发芽指数无显著影响。从图5可见，随着浸提时间的延长，发芽指数呈现上升趋势，浸提15 d（A）达到最高;在各浸提时间下，随着污泥占比的降低，发芽指数总体呈现上升趋势;不同处理组合中发芽指数最高的处理为A5，达1.34，这说明适宜的浸提液对国槐种子的发芽指数有一定促进作用。

由表5可知，对于刺槐来说，浸提时间对其种子发芽指数有极显著影响（P<0.01）;污泥占比对发芽指数无显著影响;浸提天数与污泥占比的交互作用对发芽指数存在显著影响（P<0.05）。从图5可见，浸提15 d（A）的发芽指数较其他浸提时间组高，在所有处理组合中A0（CK）处理发芽指数最高，达4.22，说明添加污泥-土壤浸提液可能会抑制刺槐种子的活力。

2.3.2 对发芽值的影响。

发芽值是日均发芽率和发芽峰值的乘积，能体现种子的综合品质，更具有代表性。

由表6可知，不同浸提时间对国槐种子发芽值存在极显著影响（P<0.01），不同污泥占比对其种子发芽值存在显著影响（P<0.05），浸提时间与污泥占比的交互作用对发芽值无显著影响。从图6可见，随着浸提天数的延长，发芽值呈现上升趋势，总体上浸提15 d（A）最高;各浸提时间组内，随着污泥占比的减少发芽值总体呈增大趋势;在所有处理组合中，A5处理发芽值最高，为0.031。

由表6可知，不同浸提时间对刺槐种子发芽值存在极显著影响（P<0.01），不同污泥占比、浸提时间与污泥占比的交互作用对其发芽值均无显著影响。从图6可见，浸提15 d（A）的发芽值高于浸提10 d（B）与5 d（C）;随着污泥占比的减少，各浸提时间组内发芽值的变化趋势不同;A4处理刺槐种子发芽值最高，达0.076。

2.4 对种子萌发潜力的影响

种子萌发潜力是体现种子在播种后具备潜在出苗的能力，可以通过发芽势和发芽峰值等指标反映。

2.4.1 对发芽势的影响。

发芽势为发芽进程中日发芽种子数达到最高峰时，发芽种子数所占的比例。

由表7可知，不同浸提时间、污泥占比均对国槐种子发芽势具有极显著影响（P<0.01），浸提天数与污泥占比的交互作用对发芽势无显著影响。从图7可见，不同浸提时间处理中，浸提15 d（A）的发芽势整体偏高;随着污泥占比的减少，发芽势呈现波动式上升的趋势;不同处理组合的国槐种子发芽势以A5处理最高，达31.67%。

由表7可知，不同浸提时间对刺槐种子发芽势存在极显著影响（P<0.01），不同污泥占比、浸提时间与污泥占比的交互作用对其发芽势无显著影响。从图7可见，随着浸提时间的延长，刺槐种子发芽势总体呈上升趋势;随着污泥占比的减少，各处理发芽势的变化趋势表现不同;不同处理组合的刺槐种子发芽势中以A4最高，达47.50%。

2.4.2 对发芽峰值的影响。

发芽峰值是发芽高峰日的发芽量与相应天数的比值，能够反映测试种子的发芽速度和整齐度。

由表8可知，对于国槐种子来说，不同浸提时间、污泥占比对其发芽峰值存在极显著影响（P<0.01），浸提时间与污泥占比的交互作用对发芽峰值无显著影响。从图8可见，随着浸提时间的延长，发芽峰值呈上升趋势;随着污泥占比的减少，发芽峰值表现出波动上升的變化趋势;不同处理组合的国槐种子发芽峰值最高为A5处理，达0.95。

由表8可知，对于刺槐种子来说，不同浸提时间对其发芽峰值呈现极显著影响（P<0.01），不同污泥占比、浸提时间与污泥占比的交互作用对其发芽峰值无显著影响。从图8可见，发芽峰值随着浸提时间的延长总体呈上升趋势;随着污泥占比的减少各处理的变化趋势不同;不同处理组合的刺槐发芽峰值以A4最高，达1.90。

3 讨论

种子萌发是植物生长发育的起点，也是对外界环境状况反应最为敏感的阶段之一[24]。种子萌发时期的发芽率、平均发芽时间、平均发芽系数、日均发芽率、发芽指数、发芽值、发芽势、发芽峰值是评价种子萌发的常用指标，可以反映出种子的活力、发芽进程、发芽效率及萌发潜力。研究城市排水污泥制有机营养土浸提液处理的国槐和刺槐种子萌发情况，是探究污泥产品能否作为基肥或种肥以及施入林地的前提条件。

该研究中，随着浸提天数的延长，多数指标数值也随之增大，这可能是由于浸提天数越长，污泥中含有的营养物质更充分地融入浸提液中，能够促进种子的萌发进程。但同时，也存在浸提5 d所得浸提液的处理效果更好的情况，这可能是因为污泥中的重金属等有害物质影响了种子的生理状况。总体而言，浸提时间越长，越有利于种子的萌发。与前人研究结果相似，从污泥的用量上来看，对种子萌发的影响大多表现为“低促高抑”的效果，即污泥占比为20%会对大多数种子萌发指标表现出促进作用，但随着占比的增加，反而会出现抑制作用，这表明适量加入污泥能够促进种子的萌发，而过多则会抑制其发芽。刺槐种子的发芽指数在A0（CK）时最高，这可能是由于污泥中的某些有害物质破坏了刺槐种子的正常萌发进程，抑制了刺槐种子的活力。

该研究从林业方面探究了污泥产品的施用效果，为污泥产品今后在林业中的应用提供了理论依据。与此相关的研究多从污泥产品能促进苗木生长的角度出发，如李艳霞等[25]报道指出，污泥堆肥作为育苗基质能明显促进刺槐、国槐、侧柏（Platycladus orientalis）的苗木生长。关于污泥产品对林木种子萌发影响的报道较少，还需要更多的研究数据佐证。

该研究是在实验室发芽箱中开展的室内种子发芽试验，种子的生长环境与外界实际生长环境存在一定差异，研究结果存在一定的局限性，因此后续还应着重关注大田试验的具体实践，以对该试验结果进行补充完善。

4 结论

（1）添加适量的污泥浸提液对国槐种子的发芽率、发芽进程、发芽效率和萌发潜力均有促进作用，并且多以污泥产品占比20%时影响更为显著，若污泥用量过多则会抑制国槐种子的萌发，总体表现为添加少量污泥促进萌发、过量污泥抑制萌发的效果。

（2）与国槐种子的研究结果相似，当污泥产品占比为20%时，大多数指标都表现为对刺槐种子萌发有促进作用，但污泥的施入会对刺槐的发芽指数有抑制作用。

（3）浸提时间越长，对国槐和刺槐种子的萌发更加有益。

（4）城市排水污泥制有机营养土适量用作国槐和刺槐播种育苗的基肥和种肥是可取的，但仍需在实际生产中进行完善，充分考虑其合理用量并应用推广。

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