造紙廢水灌溉對毛白楊苗木生長及養(yǎng)分狀況的影響

王 燁，席本野，崔向東，李廣德，賈黎明，*，蘇曼琳，劉 丹

(1.北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點實驗室，北京 100083;2.河北政法學(xué)院園林系，石家莊 050061;3.中央廣播電視大學(xué)農(nóng)林醫(yī)藥學(xué)院，北京100039;4.山東省林木種質(zhì)資源中心，濟(jì)南 250014)

目前，我國木漿生產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足造紙工業(yè)的需求［1］，發(fā)展速生豐產(chǎn)紙漿林是解決這一問題的主要途徑之一［2-4］。三倍體毛白楊(triploid Populus tomentosa)因材性白、纖維長、纖維含量高、具有優(yōu)良造紙性能而在我國北方速生紙漿林建設(shè)中發(fā)揮著重要作用［1，3］。毛白楊對水肥需求量大，灌溉和施肥是大幅提高其紙漿林生產(chǎn)力的重要集約經(jīng)營技術(shù)措施［5-7］。然而，隨著淡水資源的持續(xù)緊張，不允許也不可能在林地上大量用水。因此，如何實現(xiàn)灌溉水源的開源節(jié)流是利用灌溉措施提高楊樹速生豐產(chǎn)林生產(chǎn)力時所面臨的重要問題之一。

同時，造紙工業(yè)是一個水資源需求量大且廢水排放量也很大的行業(yè)［8］。如果能合理地利用造紙廢水進(jìn)行灌溉，一方面，將有助于緩解發(fā)展楊樹速生紙漿林所面臨的灌溉水資源短缺問題。同時，造紙廢水中富含的養(yǎng)分也可為速生楊樹提供大量有機(jī)質(zhì)及氮、磷等營養(yǎng)元素，促進(jìn)其生長。另一方面，造紙廢水灌溉紙漿林可實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，而且減少因灌溉和施肥而產(chǎn)生的紙漿林生產(chǎn)投入，降低成本，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏［9］，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

廢水灌溉作為一種處理廢水的新方式已引起國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。國外關(guān)于廢水灌溉楊樹的研究起步較早，主要集中于耐廢水灌溉品種的選育、植物修復(fù)、廢水灌溉對土壤環(huán)境和地下水的影響等方面［10-14］。國內(nèi)關(guān)于楊樹廢水灌溉的研究尚處于起步階段，僅見于利用生活污水灌溉楊樹人工林［15-16］和造紙廢水灌溉沙漠楊樹生態(tài)公益林［17-18］，且這些研究主要關(guān)注如何有效利用楊樹-土壤系統(tǒng)達(dá)到廢水凈化以避免因灌溉造成環(huán)境污染，而沒有考慮如何科學(xué)地利用廢水灌溉來提高楊樹林的生產(chǎn)力。另一方面，造紙廢水中存在的其它元素(如Na)會對楊樹的生長造成潛在威脅，楊樹對廢水的耐受能力因品種而異［19］，因此，將造紙廢水直接用于毛白楊紙漿林灌溉可能會對林木生長及環(huán)境產(chǎn)生不利影響，但如果將造紙廢水進(jìn)行一定程度的稀釋，降低廢水中有害物質(zhì)的濃度，則可能實現(xiàn)科學(xué)地利用造紙廢水灌溉大幅促進(jìn)林木生長的目的。

因此，本文研究目標(biāo)是:(1)確定不同稀釋比例造紙廢水灌溉對毛白楊苗木生長及養(yǎng)分狀況的影響;(2)確定其對土壤肥力的影響;(3)為科學(xué)合理地利用造紙廢水灌溉毛白楊速生紙漿林提供一定理論及實踐支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山東省高唐縣(36°58'N，116°14'E)泉林生態(tài)科技有限公司一號苗圃。該地區(qū)平均海拔27 m，氣候為暖溫帶半干旱季風(fēng)區(qū)域大陸性氣候，年均降雨量544.7 mm，年均蒸發(fā)量1880 mm，年均氣溫13.2℃，全年日照總時數(shù)2651.9 h，無霜期204 d。

1.2 試驗材料與試驗設(shè)計

研究選用1年生三倍體毛白楊無性系B301((P.tomentosa×P.bolleana)×P.tomentosa))根蘗苗為試驗材料，平均地徑1.46 cm，平均苗高1.2 m。供試苗木于2009年4月2日移栽于室外的塑料花盆(35(口徑)×40(高)cm)中，每盆1株。盆栽土壤取自山東泉林生態(tài)科技有限公司二號苗圃并按田間實際容重填裝，其理化性質(zhì)見表1。試驗開始前，使用清水澆灌。

試驗設(shè)5個處理，分別為:1F7Q、1F5Q、1F3Q、1F2Q、1F1Q(aFbQ表示廢水F與清水Q的比例為a∶b)，即灌溉水中的廢水比例分別為12.5%、16.7%、25%、33.3%、50%;另設(shè)一個清水灌溉處理(CK)作為對照;每處理6次重復(fù)。試驗采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。廢水與清水的平均水質(zhì)見表2。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

表2 試驗選用造紙廢水與清水主要水質(zhì)指標(biāo)Table 2 Characteristics of paper mill effluent and pure water used for experiment

試驗期間，各處理采用相同灌水方法即固定間隔周期(15 d)灌溉，從2009年6月9日至9月4日共計灌溉7次。為了避免水分脅迫，本試驗選擇供試苗木日平均耗水量的上限進(jìn)行灌溉，根據(jù)何茜［20］對三倍體毛白楊苗木蒸騰耗水的研究結(jié)果，確定各處理每次灌水定額為4 L。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 植株生長

2009年10月中旬，對各試驗處理苗木的苗高、地徑進(jìn)行測量，并在各處理中隨機(jī)選擇3株苗木進(jìn)行收獲，收獲時按葉、枝、莖、根分開采集。樣品帶回實驗室洗凈后，先在恒溫干燥箱中105℃殺青30 min，然后調(diào)至70℃烘干至恒重后測定生物量。

1.3.2 植株養(yǎng)分含量

將稱重后的植物樣品粉碎過篩，用N、P聯(lián)合測定消煮法進(jìn)行消煮，然后分別用凱氏定氮法和鉬銻抗比色法對葉、莖、根中的N、P含量進(jìn)行測定。

1.3.3 土壤化學(xué)性質(zhì)

在上述隨機(jī)選擇的3個樣本苗木花盆中采用四分法進(jìn)行土壤取樣。土樣帶回實驗室風(fēng)干后過篩，用pH計(PHS-3C，上海越磁電子科技有限公司，上海，中國)測定土壤pH值，重鉻酸鉀稀釋熱法測定有機(jī)質(zhì)含量，凱氏定氮法測定全N含量，堿解蒸餾法測定堿解N含量，鉬銻抗比色法測定速效P含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行One-way ANOVA分析，若處理間差異顯著，用Duncan法在0.05或0.01水平上進(jìn)行多重比較。采用Excel 2007軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同稀釋比例造紙廢水對毛白楊生長的影響

2.1.1 苗高、地徑

試驗期間，不同處理間毛白楊地徑、苗高凈生長量差異顯著(P＜0.05)(表3)。各廢水灌溉處理的地徑生長量均高于CK，但僅有1F5Q達(dá)到顯著水平，其地徑生長量達(dá)10.5 mm，較CK顯著提高102%(P＜0.05)。苗高生長對廢水灌溉的響應(yīng)與地徑相似，仍為1F5Q生長最快，其苗高生長量達(dá)97.3 cm，較CK顯著提高47%(P＜0.05);其它廢水灌溉處理與CK無顯著差異(P＞0.05)。此外，對于各廢水灌溉處理，當(dāng)廢水比例從12.5%(1F7Q)增加到16.7%(1F5Q)時，毛白楊苗高、地徑生長量增加，但當(dāng)廢水比例繼續(xù)增大時，苗高、地徑生長量卻逐漸減小。

表3 造紙廢水灌溉對毛白楊生長的影響Table 3 Effects of irrigation with pulp mill effluent on growth of Populus tomentosa

2.1.2 生物量

不同處理間毛白楊總生物量差異顯著(P＜0.05)(表3)。其中，1F5Q和1F3Q的總生物量分別達(dá)到247和230 g，較CK分別顯著增加19.1%和10.6%(P＜0.05)。其它廢水灌溉處理的總生物量與CK相比無顯著差異(P＞0.05)。當(dāng)廢水比例從12.5%(1F7Q)增加到16.7%(1F5Q)時，毛白楊總生物量逐漸增加，但當(dāng)廢水比例繼續(xù)增大時，總生物量卻逐漸減小。

2.2 對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 pH 值

如表4所示，經(jīng)造紙廢水灌溉后的土壤pH值在8.71—8.81之間變化，略高于CK，但造紙廢水灌溉對土壤pH值的影響還未達(dá)到顯著水平(P＞0.05)，可見，短期廢水灌溉不會引起土壤酸堿度的顯著變化。

2.2.2 有機(jī)質(zhì)含量

如表4所示，造紙廢水灌溉對土壤有機(jī)質(zhì)含量影響顯著。隨著灌溉水中廢水比例的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈上升趨勢。除了廢水比例最低的1F7Q與CK相比無顯著優(yōu)勢外(P＞0.05)，其余廢水灌溉處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于CK，達(dá)到1.35%—1.45%，增幅為23.9%—33.0%(P＜0.05)。不同廢水灌溉處理間的土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著差異(P＞0.05)。

表4 造紙廢水灌溉對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Table 4 Effects of irrigation with paper mill effluent on the chemical properties of soil

2.2.3 N 含量

如表4所示，廢水灌溉對土壤全N含量影響顯著。隨著灌溉水中廢水比例的增加，土壤全N含量逐漸升高，達(dá)到0.105%—0.148%，較CK 極顯著提高56.7%—129.9%(P＜0.01)。各廢水灌溉處理間，1F7Q 的土壤全N含量與1F5Q無顯著差異，但極顯著低于1F3Q、1F2Q和1F1Q(P＜0.01);而1F5Q、1F3Q、1F2Q和1F1Q之間又無顯著差異。由此可見，當(dāng)灌溉水中的廢水含量達(dá)到一定程度后，廢水比例的繼續(xù)升高并不能帶來土壤全N含量的繼續(xù)顯著增加。

土壤堿解N含量受造紙廢水灌溉的影響亦達(dá)到顯著水平(表4)。廢水灌溉處理的土壤堿解N含量達(dá)到47.96—57.21 mg/kg，較 CK 顯著提高53.1%—82.6%(P ＜0.05)。處理間無顯著差異(P ＞0.05)，且土壤堿解N含量未表現(xiàn)出隨灌溉水中廢水比例的升高而逐漸增加的趨勢。可見，影響土壤堿解N含量的不只是廢水灌溉，還存在其它因素。

2.2.4 P 含量

如表4所示，造紙廢水灌溉對土壤速效P含量的影響不明顯。廢水灌溉后土壤速效P含量在4.60—5.32 mg/kg之間，與CK差異不顯著(P＞0.05)。此外，對于各廢水灌溉處理，土壤速效P含量也未出現(xiàn)隨灌溉水中廢水比例的升高而逐漸增加的趨勢。

2.3 對植株養(yǎng)分的影響

2.3.1 N 含量

如圖1所示，造紙廢水灌溉對毛白楊莖N含量無顯著影響，但能顯著影響葉、根N含量。當(dāng)灌溉水中廢水比例在16.7%—33.3%之間時(即1F5Q、1F3Q、1F2Q)，廢水灌溉能極顯著提高毛白楊葉 N含量(P＜0.01);但當(dāng)廢水比例不在此范圍時(即1F7Q、1F1Q)，廢水灌溉對葉N含量的提高作用并不顯著(P＜0.05)。各廢水灌溉處理間，隨灌溉水中廢水比例的升高，葉N含量呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢。其中，當(dāng)廢水比例為16.7%時(1F5Q)，植株葉N含量最高，達(dá)2.47%，較CK極顯著提高14.7%(P＜0.01)。由此可見，葉N含量與灌溉水中的廢水含量不成正比關(guān)系。與葉N含量不同，根N含量對造紙廢水灌溉的響應(yīng)無規(guī)律可循。其中，1F5Q、1F2Q 和1F1Q 的根 N 含量分別達(dá)到1.19%、1.25%和1.19%，較 CK分別顯著高11.3%、17.0%和11.8%(P＜0.05);但1F7Q和1F3Q則與CK無顯著差異(P＞0.05)。

綜上，從各處理毛白楊各器官(圖1)和土壤中的N含量(表4)變化可以看出，雖然隨灌溉水中廢水比例的增加，土壤N素水平有逐漸增大的趨勢，但并未帶來更高的N素利用效率。

2.3.1 P 含量

如圖2所示，與CK相比，廢水灌溉對毛白楊根、葉P含量無顯著影響，且各廢水灌溉處理間的差異也不明顯(P＞0.05)。但是，各處理間毛白楊的莖P含量卻差異顯著(P＜0.05)。其中，1F5Q和1F2Q的莖P含量為0.076%和0.069%，較CK分別顯著提高44.9%和31.6%(P＜0.05);而其它廢水灌溉處理與CK相比則無明顯變化(P＞0.05)。

圖1 不同處理毛白楊各器官N含量Fig.1 Nitrogen content in different organs of P.tomentosa under different treatments

3 結(jié)論與討論

3.1 造紙廢水灌溉對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

大多研究表明造紙廢水灌溉能使土壤pH值顯著升高(P＜0.05)［21-22］，其原因可能主要與造紙廢水中含有HCO－3Cl－有關(guān)［23］。但也有研究表明，造紙廢水灌溉會使土壤pH值下降［24］，對土壤堿度有一定的稀釋作用。Kumar等［25］的研究結(jié)果則顯示土壤pH值受造紙廢水灌溉的影響不大。本研究結(jié)果顯示廢水灌溉能使毛白楊盆栽苗木土壤的pH值略微升高(P＞0.05)，造紙廢水灌溉對土壤pH值的效應(yīng)之所以不固定，可能與廢水灌溉的灌溉量以及灌溉土壤的pH本底值有關(guān)。本試驗造紙廢水的pH值略高于土壤本底值，廢水灌溉使試驗土壤的pH值僅有小幅度升高。此外，本試驗條件下，造紙廢水灌溉后土壤pH值保持在8.71—8.81之間，不會對毛白楊生長產(chǎn)生抑制作用［26］。

Roy等［22］的研究顯示造紙廢水灌溉能顯著提高表層土壤的有機(jī)質(zhì)和N含量(P＜0.05);Kumar等［25］發(fā)現(xiàn)，不同廢水稀釋比例灌溉會對土壤肥力有不同程度的提高，在100%廢水時表現(xiàn)得最為明顯;侯培強(qiáng)等［17］認(rèn)為在土壤肥力本底值較低時，廢水灌溉使土壤有機(jī)質(zhì)和全N含量有明顯增加(P＜0.05)。這種增加可能是造紙廢水富含有機(jī)物和懸浮物而引起的［27］。本研究中，參試土壤肥力本底值較低，造紙廢水灌溉顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)(P＜0.05)、全N(P＜0.01)和堿解N含量(P＜0.05)，這意味著如將造紙廢水稀釋后用于毛白楊人工林或苗圃灌溉可顯著提高土壤肥力。

廢水灌溉會對土壤速效P含量有不同影響:Singh等［28］在對造紙廢水灌溉對土壤肥力水平影響的研究中發(fā)現(xiàn)，廢水灌溉對土壤有效P含量無顯著影響(P＞0.05);而Muthukumar等［29］認(rèn)為造紙廢水灌溉能使土壤P含量有顯著提升(P＜0.05)。本研究表明造紙廢水灌溉后土壤速效P無顯著變化。造成研究結(jié)果不同的原因可能是廢水中P含量的差異，本研究所用灌溉水含P較少，因而不能顯著增加土壤速效P含量。

圖2 不同處理毛白楊各器官N含量Fig.2 Phosphorus content in different organs of P.tomentosa under different treatments

3.2 造紙廢水灌溉對植株養(yǎng)分的影響

楊樹作為植物修復(fù)樹種用于廢水處理時，對廢水中N、P的吸收可能與土壤物理、化學(xué)性質(zhì)、樹種品種、管理等因素有關(guān)［30］，因此在廢水灌溉對楊樹植株養(yǎng)分狀況影響的研究中出現(xiàn)了很多不同的結(jié)論。如:Fillion等［31］認(rèn)為，未經(jīng)處理的廢水灌溉使得雜交楊NM5(P.nigra×P.maximowicii)葉N含量、葉、莖、根P含量顯著下降(P＜0.05)，這可能是因為過高的廢水灌溉量會降低植物根系活力，從而減少了對N、P等元素的吸收［32］。而Guidi等［13］的研究發(fā)現(xiàn)，同樣是使用未經(jīng)處理的廢水，灌溉后對雜交楊 NM5(P.nigra×P.maximowicii)葉、莖、根的N含量有極顯著提高(P＜0.01)，但對葉、莖的P含量無顯著影響(P＞0.05)。由此可見，即使是同一個品系的楊樹，對廢水中N、P的吸收量受多種因素制約。本研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)稀釋的造紙廢水灌溉能顯著提高三倍體毛白楊葉(P＜0.01)、根N(P＜0.05)含量和莖P含量(P＜0.05)，但對莖N含量和葉、根P含量均無顯著影響(P＞0.05)(圖1，圖2)。

另外，本研究中，造紙廢水灌溉對植株養(yǎng)分含量的作用規(guī)律異于對土壤養(yǎng)分含量的作用規(guī)律。對土壤養(yǎng)分有最大提高作用的處理(1F1Q)未能使植物養(yǎng)分含量得到相應(yīng)的最大提高。由此可見，在將造紙廢水用于林木灌溉時，不僅要考慮如何利用廢水灌溉增加土壤肥力，同樣還應(yīng)保證植物對土壤養(yǎng)分吸收的最大化。從葉氮素含量來，1F5Q處理對毛白楊植株養(yǎng)分狀況的改善效果最好。

3.3 造紙廢水灌溉對植株生長的影響

將造紙廢水稀釋到16.7%(1F5Q)和25%(1F3Q)時，廢水灌溉能顯著促進(jìn)三倍體毛白楊植株生長(P＜0.05)。這主要是因為1F5Q和1F3Q處理不僅顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)及N素營養(yǎng)(表4)，而且還促進(jìn)了毛白楊對土壤養(yǎng)分的吸收，使植株葉片養(yǎng)分狀況(N含量)得到顯著提高(圖1)。然而，當(dāng)灌溉水中的廢水比例較低(12.5%(1F7Q))或較高時(33.3%(1F2Q)、50%(1F1Q))，廢水灌溉雖也能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)和N素營養(yǎng)，但對毛白楊生長的促進(jìn)作用較小(1F2Q、1F1Q)，甚至還會抑制生長(1F7Q)。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因可能是造紙廢水中不僅富含N元素，而且還可能含有其它抑制植物生理活動的元素或離子［33］。因此，當(dāng)灌溉水中的廢水比例較低時，造紙廢水灌溉可能不僅不能提供足夠的養(yǎng)分供給植物生長，廢水中含有的其它元素或離子可能還對植物根系的吸水、吸養(yǎng)作用產(chǎn)生抑制，從而導(dǎo)致植株干物質(zhì)積累下降;當(dāng)灌溉水中的廢水比例較高時，通過灌溉雖能提供豐富養(yǎng)分供植物生長，但其高濃度的干擾物質(zhì)可能同時也嚴(yán)重抑制了植物根系的生理活動，使其不能吸收富裕的土壤養(yǎng)分，從而使植株生長不具明顯優(yōu)勢。Hayman等［34］在利用造紙廢水灌溉苜蓿時就發(fā)現(xiàn)，長期造紙廢水灌溉容易引起苜蓿根區(qū)土壤Na+累積過高，從而對苜蓿根系的吸收性能產(chǎn)生抑制作用。因此，利用造紙廢水灌溉毛白楊苗木時，除了要考慮廢水灌溉對土壤肥力和植物養(yǎng)分的影響外，還應(yīng)考慮如何利用其最大限度地促進(jìn)植物生長。對于三倍體毛白楊1年生苗木，將造紙廢水稀釋至16%—25%后進(jìn)行灌溉能取得較好的效果。

4 問題與建議

本研究旨在為科學(xué)合理地利用造紙廢水灌溉三倍體毛白楊苗木及速生紙漿林提供依據(jù)，但試驗是在盆栽條件下進(jìn)行的，將造紙廢水用于大田灌溉還有很多問題需要解決。如，長期造紙廢水灌溉可能會造成土壤鹽堿化［25，33］，從而使耐鹽堿能力不強(qiáng)的楊樹難以生長［35］;可能會使土壤電導(dǎo)率會增加，從而對土壤的物理化學(xué)性質(zhì)造成影響［27，33-34，36］;會造成土壤養(yǎng)分含量的不平衡，使某些營養(yǎng)元素含量過高而對植物產(chǎn)生毒害作用［29］;因此，針對以上問題，建議下一步開展合理灌溉方式和方法、灌溉制度、土壤及水體環(huán)境連續(xù)監(jiān)測和評價等方面的系統(tǒng)研究，以促進(jìn)造紙廢水的綜合利用，促進(jìn)林木生長，實現(xiàn)社會、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益的可維護(hù)和可持續(xù)。

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