李昱彤， 齐 实， 周金星， 郝文乾， 靳孟理， 胡译水

(北京林业大学水土保持学院， 北京100038 )

城市污泥作为污水处理的伴随产品，已“涌进”新型环境问题中，而堆肥凭借其高效灭菌、价格稳定的优势可实现污泥减量化、资源化，成为解决城市污泥的主要处理方式[1]。含有丰富营养元素以及大量有机质的城市污泥堆肥可以促进植物生长发育和生物量积累[2]。如果将污泥应用在草坪绿地中，可以最大程度回收污泥中的养分，改良土壤理化性质，促进草坪草的生长；此外草坪草对污泥有一定的净化作用[3]，且不存在食物链的危险。张增强[4]等研究发现黑麦草(LoliumperenneL.)、匍茎剪股颖(AgrostisstoloniferaL.)、白三叶(TrifoliumrepensL.)、马尼拉草(Zoysiamatrella)、紫羊茅(FestucarubraL.)对污泥堆肥有良好的生长响应，污泥堆肥可增加草本生物量、延长绿色期，同时明显改善土壤理化性质。园林废弃物是指园林植物自然凋落剪枝及其他植物残体等，也有人称之为园林垃圾或绿色垃圾[5]。园林废弃物资源化是生态文明建设的必然趋势，针对其“填埋则浪费空间”、“焚烧则污染环境[6]”、“产量高但利用率低[7]”等不足，将园林废弃物堆肥处理后，可作为园林覆盖物保持土壤湿度、控制杂草生长[8]，可作为土壤改良剂提高土地肥力[9]，可作为植物栽培基质部分代替不可再生资源泥炭[10]。草坪的传统生产方式不仅占地且每次生产均要带走2～3 cm的耕作层土壤[11]，如果将城市污泥堆肥、城市污泥与园林废弃物混合堆肥等用作草坪生长的基质，可减小草坪生产带来的负面效应。

目前，北京市城市污泥产量每年约150万吨，约有70%的污泥缺乏有效出路，污泥资源化状况不容乐观；园林废弃物产量每年约700万吨，而消纳处置能力不足10%。将城市污泥和园林废弃物重新“回归”到土壤中，是消纳和循环利用城市废弃物的有效策略之一[12]。对城市污泥堆肥土地利用的研究在国外已经有70多年的历史，在京津沪等地也有30多年的历史[13]，现在国内外关于城市污泥及园林废弃物堆肥产品用于草坪的研究也很多，但是两者的混合使用方法和标准均不常见[14-15]。因为园林废弃物、城市污泥堆肥产品种类繁多，所以两种废弃物以何种比例混合堆肥以及是否适宜植物生长及栽培基质改良，将成为进一步研究的方向。现阶段，国内外学者对城市废弃物及其堆肥在草坪中应用的研究主要集中于肥料使用的过程中，主要研究的是不同施肥量对其生长发育的影响，如周志宇等[16]按照不同施用量设置6个处理，比较污泥对无芒雀麦生育的影响；付华等[17]发现随着污泥施用量的增加，黑麦草的各项生长指标均呈现增加趋势。而将城市废弃物及其堆肥作为栽培基质(或作为无土栽培基质)的研究报道较少。

基质的优劣对植物生长产生直接影响，养分缺乏会导致生长减缓、植物早衰，养分过多会造成营养毒害及环境污染。择取由城市废弃物及其堆肥为主要原料的基质时，传统评价方法主要是通过逐个比较分析各项指标来说明基质的好坏，如邢强等[18]分别从不同混配基质对草坪土壤理化性质及草坪草出苗、成坪速度、外观质量、生长、持续生存能力等的影响来直接分析基质的改良效果，鲜少应用回归模型[19]、熵权系数法[20]等直接筛选最佳基质配比。本文将城市污泥堆肥产品、园林废弃物堆肥产品、“城市污泥：园林废弃物=1:3”混合堆肥产品、“城市污泥：园林废弃物=1:1”混合堆肥产品分别和林地土壤按不同比例混配作为盆栽基质，研究不同混配基质的理化性质与高羊茅对不同混配基质的初期生长响应，并通过熵权系数与TOPSIS集成评价法分析在“基质肥力—植物生长”下的最佳基质配比，从而为这2种城市废弃物堆肥在草坪绿地中的资源化利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选取城市污泥和园林废弃物混合堆肥产品作为堆肥研究对象。供试污泥取自北京城市排水集团责任有限公司朝阳区高碑店污水处理厂加工处理后的脱水污泥，供试园林废弃物由北京市京圃园公司提供，供试土壤为北京市典型地带性土壤，取自于北京市延庆市张山营镇下板泉村林地土壤。试验开始前，对供试材料的理化性质进行测定(表1)。将供试污泥和供试园林废弃物按照不等比例进行堆肥处理，得到4个水平的混合堆肥，依次记为A、B、C、D(表2)。

1.2 试验设计

本试验采用盆栽(口径为16.5 cm，高11 cm)控制堆肥产品和基质的混合比例，堆肥产品和林地土壤以0:1，1:3，1:1，3:1，1:0(体积比)设置5个处理(表2)，分别是CK组、混配基质1、混配基质2、混配基质3、混配基质4，每组设置6个重复。

表1 供试材料的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the tested materials

表2 基质盆栽试验设计Table 2 Experiment design of potting substrate

注： W指污泥，Y指园林废弃物；F指堆肥产品，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.

将150粒种子均匀撒入盆栽中，表层覆土浇水至湿润。试验在北京林业大学鹫峰林场温室(牡丹园实验温室)进行，控制温度在20～30℃，含水量保持在60%，常规管理。高羊茅种植时间为2016年3月底—7月初，播种15 d之后计算种子萌发率，90 d之后测定混配基质的理化性质。

1.3 测定方法

在相同的养护管理条件下，某段时间的种子萌发率可以反映不同混配基质对高羊茅种子萌发的影响。当高羊茅种子逐渐开始发芽时(播种后15天时)，开始每隔一周进行统计，2016年5月1日(播种后31天时)基本达到稳定。从种子发芽稳定后开始，每隔半个月进行高羊茅株高统计。张艾青等[21]研究表明“低茬修剪”比“高茬修剪”能促进高羊茅草坪的生长，整个试验过程中，共对高羊茅进行两次修剪，留茬高度为5 cm。地上生物量是反映草坪草长势的重要指标之一，良好的根系生长是草坪草能吸收足够水分和养分的保证，试验结束后对高羊茅地下生物量进行统计。

种子萌发率：4月7日—5月1日，每隔7天进行一次统计，按公式“萌发率=(稳定发芽种子数/播种种子数)×100%”来计算；

株高测定：分别于种子播种后35、50、57、64、94天时进行株高测定并记录，每盆高羊茅随机抽取10株进行株高测定。

生物量：地上部分分别于5月24日、6月24日对植株进行修剪(共2次)，测定其鲜重；地下部分要进行破坏盆栽采样，放置于0.5 mm的筛子中进行冲洗处理，将所带的土壤和腐熟的园林废弃物全部冲洗后，剪去残留的植株地上部分，再用去离子水清洗其根部，放置于信封中，于105℃烘干箱中杀青至恒重(耗时约6个小时)，取出称重。

1.3观察指标及疗效判定标准 ①疗程结束后,对两组患者疗效进行评价[6]:显效:患者的脑缺血发生率降低了75%;有效:患者的脑缺血发生率降低50%至75%;无效:患者的病情反复,没有改善。总有效率=(显效+有效)/总例数×100%。②观察并记录两组患者在用药期间不良反应发生情况。

叶绿素含量：对刈剪部分采用丙酮提取法进行叶绿素含量测定。

土壤及堆肥中的氨态氮、速效磷、速效钾等均参考《土壤理化性质实验指导书》[22]。

1.4 数据分析

本文用Excel软件对不同处理的高羊茅种子萌发率、株高、生物量、叶绿素、氨态氮、速效磷、速效钾等数据进行计算整理，采用SPSS 22.0软件对其进行统计分析。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan多重极差检验法比较不同处理间的差异性。采用熵权系数与TOPSIS集成综合评价法分析高羊茅对城市废弃物堆肥的初期生长响应，以及不同混配基质的肥力优劣，从而比较得出最优基质。

2 结果与分析

2.1 不同配比基质理化性质

本试验中，各组处理土壤PH呈弱碱性，在7.22～8.20之间，且低于CK处理；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)的电导率(Electrical conductivity，简称EC值)明显超出草本最佳生长的EC值范围，而CK(2.92)、B4(3.29)略高，其他处理的EC值在理想范围之内，李芳等[23]证明EC超过3 ms·cm-1会影响草本根系，个别偏高EC值是否会长期影响高羊茅的生长，有待进一步观察。从图1(a)可看出，B组基质中的氨态氮随污泥堆肥量所占比例的增加呈增加趋势；从图1(b)可看出，A3、C3处理的速效磷低于CK组，从图1(c)可看出,除C3、C1、C4处理的速效钾含量与CK组相近，其他处理均高于CK组，且各组的速效钾随组内混配基质中堆肥比例的增加呈先增加后减小的“S”型趋势。

图1 不同配比基质理化性质Fig.1 Physical and chemical properties of different proportioning substrates

2.2 高羊茅对不同配比基质的生长响应

2.2.1不同配比基质对高羊茅种子萌发率的影响 由表3可知，对于A处理来说，随着堆肥施加量的增加，种子萌发率下降，36天后A1达到最大值，相比对照提高了25.7%；A4处理前期的发芽率显著低于对照，且A3、A4处理的发芽率一直低于对照。对于B组，随着堆肥施加量的增加，种子萌发率下降，36天后B1达到最大值，相比对照提高了28.2%，是所有处理中发芽率最高的。对于C组来说，随着堆肥施加量的增加，种子萌发率下降，36天后C1达到最大值，相比对照提高了22.3%。D处理总体上随堆肥施加量的增加发芽率下降，但与其他处理差异性不显著。

由图2可知，初始发芽阶段(15天时)，CK组种子萌发率高于其他处理；中后期(22天到36天时)，CK组种子萌发率趋于稳定，萌发率变幅不显著，保持在56.02%～70.5%；初始发芽阶段，A1、B1、C1、D1的萌发率低于CK组，但在后期发芽阶段，均高于同种堆肥的其他处理，这表明废弃物堆肥产品对种子萌发时间具有延迟效应，可能是因为基质中的废弃物成分具有缓释特性。同时发现，随着混配基质中废弃物堆肥产品所占比例的增加，种子萌发率总体呈现下降趋势，即低浓度下堆肥产品对种子的发芽有一定促进作用，其高羊茅种子的萌发率远高于CK处理。

表3 不同配比的堆肥产品对高羊茅种子萌发率的影响Table 3 Effect of experimental treatments on seed germination rate of Festuca arundinacea L.

注：同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，同行不同大写字母表示不同播种天数间差异显著(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

由图3 (b)可知，播种35天后，除A4、C1、C4组低于CK组，其他处理均高于CK组；播种57天后(第一次修剪)，B组仍大于CK组，各组均远高于初期增长速率，增长速率基本达到顶峰；播种94天后，CK组高羊茅株高增长速率已低于前期，而B3、A4处理的株高绝对增长速率(absolute growth rate, AGR)仍高于播种35天时。这说明混配基质B1和B3最适合高羊茅生长的原因可能是基质中污泥堆肥具有缓释性，也有可能与各组基质中速效N、P、K含量有关。

图2 不同处理下高羊茅种子萌发率Fig.2 Effects of different substrates composition on seed germination rate of Festuca arundinacea L.

2.2.3不同配比基质对高羊茅生物量的影响 由图4可知，所有处理中高羊茅单株地上生物量最大值(16.56 g)出现在B1处理，约是CK处理(3.45 g)的4.8倍。盆栽基质组成比例，直接影响高羊茅单株地上生物量。就A处理而言，A3组地上生物量最大，其次是A1、A4、A2组，但最大值小于CK处理，且差异显著(P<0.05)；就B处理而言，B1组地上生物量最大，其次B4、B3、B2组，均高于CK处理；就C处理而言，各处理与CK差异不显著，对单株地上生物量增长效应最小；D处理组间差异显著(P<0.01)，D3地上生物量最大，其次是D1、D2、D4，但最大值小于CK处理。我们可以发现，不同基质间无明显一致的变化规律，但是从图3中可以发现，纯污泥堆肥处理(B处理)最大程度地促进了高羊茅生物量的增长，其次是A处理和D处理，纯园林废弃物堆肥(C处理)对高羊茅生物量的作用效果最不明显，但仍能部分代替林地土壤。单株地下生物量的变化趋势与地上生物量基本一致。

图3 不同基质高羊茅株高的变化分析Fig.3 Variation of Festuca arundinacea. L’s height in different growth media

图4 不同处理高羊茅单株生物量的变化情况Fig.4 Effects of different substrates composition on the accumulation biomass of Festuca arundinacea L.

2.3 不同配比基质对高羊茅生长适应性的综合评价

本研究采用熵权系数与TOPSIS集成法[23]对不同配比基质的高羊茅萌发、生长进行综合评判，评价高羊茅对不同废弃物堆肥产品混配基质的适应性。本文分别对植物生长指标、“土壤肥力—植物生长”指标进行综合评价，通过熵权系数计算出各评价指标的权重值(表4)，并以此作为TOPSIS评价的重要系数，最终评价指数越大说明离理想解越近，则基质的质量越好，高羊茅对该种基质的适应性越强。

表4 “基质肥力—高羊茅生长”指标的客观权重值Table 4 Entropy-weight of different treatments for "Matrix Fertility-Growth of Festuca arundinacea L."

由表4可知，氨态氮在基本指标分解中影响较大，权重值为0.27，其次是生物量，地上、地下单株生物量权重值均为0.16；影响最小的指标是萌发率，其权重值为0.04。

由表5可知，B4处理的综合评价指数为0.7096，位居首位，其次是B3，B2，B1； C4处理的综合评价指数为0.0443，位居榜尾，并且C4

表5 不同基质的“基质肥力—高羊茅生长”质量综合评价结果Table 5 Comprehensive evaluation of "Matrix Fertility—Tall Fescue Growth" in different substrates

3 讨论与结论

3.1 城市废弃物堆肥在草坪栽培基质中的应用前景

目前，城市污泥和园林废弃物均属于最常见且容量大的城市废弃物。城市污泥属于有机肥料，其养分优于农家肥、化肥，作为基质可增加土壤肥力，同时促进植物生长[25]；将污泥堆肥化处理，可以明显提高栽培基质的氨态氮、速效磷、速效钾含量，同时增强基质的保水性能和植物的抗旱能力，可以减少浇水方面的人工消耗[26]；不同于其他基质，城市污泥产量大并急需消纳，可代替比较昂贵的栽培基质[27]，以超低的成本解决园林基质匮乏的窘境。近年来，通过改变污泥堆肥过程中的添加成分及其比例，使混合堆肥产品同时达到“高肥”、“低毒”的效果，已成为研究热点。而园林废弃物堆肥可增加土壤肥力、避免扬尘等[28]。如果将园林废弃物作为污泥堆肥时的添加成分，可解决“园林废弃物堆肥产品因木质素等物质多而导致肥效低[29]”、“纯污泥堆肥含有重金属等有害物质[30]”等问题；此外，可改善“纯污泥堆肥基质颗粒较细、盐分含量高、透气性差、过于紧实”，“盐分过高以至于影响基质养分平衡”，以及“抑制种子发芽和植物吸收”等[31]不足，改善堆肥基质的物理性状，可促进植物稳定性生长。

本试验中，播种15天后种子开始萌芽。初期阶段，CK组的萌芽率均大于其他基质处理，说明堆肥的添加抑制了高羊茅初期种子萌发；D1(纯园林废弃物堆肥：土壤=1:3)>B1(纯污泥堆肥：土壤=1:3)、D2(纯园林废弃物堆肥：土壤=1:1)>B2(纯污泥堆肥：土壤=1:1)、B3(纯污泥堆肥：土壤=3:1)> D3(纯园林废弃物堆肥：土壤=3:1)，B4(纯污泥堆肥：土壤=3:1)> D4(纯园林废弃物堆肥：土壤=3:1)，说明将园林废弃物作为城市污泥堆肥的添加成分，可改善混配基质抑制高羊茅种子初期发芽的现状。相比较不同堆肥和土壤在不同混配比例下的基质，随堆肥所占比例的增加，种子萌发率降低，大致呈正相关。由于试验仅研究高羊茅在生长初期对不同混配基质的响应，无法观测到不同基质间的长久效应，且应该进一步分析基质的容重、赤水孔隙度、水气比等性状来证明添加园林废弃物的必要性。

3.2 以城市废弃物堆肥为主要原料的混配基质对高羊茅生长的影响

针对不同的植物，往往有不同的评价指标来判断基质对其生长的适应性。本试验同时观测了高羊茅的株高、地上及地下生物量变化情况，来评价判断基质对高羊茅生长的适应性。结果发现，以纯污泥堆肥为主原料的混配基质可明显增加高羊茅株高、生物量，同时也可促进叶片叶绿素的合成，使其叶片颜色更深绿。城市污泥对于草本的生长适应性并非偶然，且具有广泛性，对其他草本(如黑麦草、早熟禾等)生长也有明显的促进作用[32-34]。研究表明，将污泥堆肥、污泥和园林废弃物混合堆肥应用于草坪生产，不仅可以提高草坪质量，消耗大量城市废弃物，还可以部分代替泥炭等昂贵物质，是城市废弃物资源化利用的重要方向。

3.3 不同混配基质的高羊茅适应性判别

植物种类繁多，对其适宜的栽培基质、环境因子等要求各有不同，因此寻找合理的基质成分配比，特别是为不同的植物制定最佳基质配比有重要意义，但凭借植物或基质的少数指标无法直接、科学地评价基质的优劣及植物对基质的适应性[20]。

本试验依据高羊茅的生长状况和基质本身的状况，采用熵权系数与TOPSIS集成法，综合评价高羊茅对不同混配基质的生长适应性。根据各个指标提供的信息量及其联系程度来确定指标的权重系数，将这个权重分布结果作为TOPSIS评价的基础。TOPSIS集成法中有正理想解和负理想解，前者为虚拟的最佳基质，后者为虚拟的最差基质，将各个处理之间的正负理想解的距离进行比较，则最佳基质应该是靠近正理想解的同时远离负理想解[35]。此方法避免了传统评价过程中只强调高羊茅某一项指标而忽略其他指标的偏差，同时将评价过程以数字化的形式展现出来。本试验中，依据不同混配基质对“基质肥力-高羊茅初期生长”影响效果的综合排名，最佳混配基质为B4，这与盆栽试验中观测的高羊茅长势相一致。但是本试验仅对以城市废弃物堆肥为主原料的混配基质的功效性进行了综合评价，并未分析其安全性，如果结合其安全性，D组是否会成为最佳的混配基质，或者是否存在其他更好的混配基质，还需进一步试验。