CN104012366B - 一种基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法。该方法采用如下步骤：选择林地进行桉树苗的栽种；将城镇污泥运至桉树林地，沿桉树单边铺设污泥；选择东南景天粗壮茎与海芋(或皇竹草)粗壮茎移栽至桉树林地铺设的城镇污泥上；将东南景天与海芋(或皇竹草)分别进行收获。本发明的生态立体种植方法可以安全的利用污泥中肥分和微量元素，生产出合格的植物产品；同时生产经济林木和生物炭肥，获得了经济收益；发挥了种植桉树林固碳和净化空气的优点，结合生态栽培多种植物的特点，减少了水土流失，同时降低了因氮磷肥分流失而造成面源污染的环境风险，产生了社会效益、经济效益和生态环境效益，同时实现了多重的环保经济目标。
Description
技术领域
本发明属于环境生态保护领域，具体涉及一种基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法。
背景技术
桉树人工林在我国过去20多年间的种植面积已高达360万公顷(ha或hm2)。随着桉树人工林面积的不断扩大，社会各界越来越关注桉树林会造成林地土壤严重退化、区域水资源水量减少，面源水质污染等对环境安全构成威胁的负面问题，这些可能发生的生态环境问题在一定程度上影响了一些地区发展种植桉树人工林。桉树人工林生长快、种植密度大、吸收的矿质营养多，争水争肥，若管理不善，较容易造成土壤肥力下降。大量研究结论认为，天然林转变为桉树人工林后，土壤有机质、养分含量和水源水量会下降，但针对有关桉树林地土壤退化等问题可以通过科学经营措施来保持甚至提高地力。
城镇污泥是污水处理的产物，其中含有丰富的可利用的氮、磷、钾营养元素和有机质，是良好的有机肥源，可增加土壤肥力，促进植物生长，对我国这样一个发展中国家而言，污泥的农林业资源化利用无疑是实现资源可持续利用的较好选择；但与此同时，污泥中还含有铜、锌、铅、铬、镉、镍、锰、镁、硼、汞等微量元素，这些元素有些是非常有益的营养元素，是土壤不可缺少的成分，具有很大的利用价值，但有的元素有一定或很强的毒性，一旦过量则会对生态环境和人类健康造成很大危害。若将污泥直接施用于农田，过量有害的重金属会集中在植物体内，并通过食物链与生物链的传递对人类产生毒害作用，目前这成为限制污泥大规模土地利用的障碍因素，由此可知，寻找污泥农用的安全应用模式是解决问题的关键。污泥的园林业利用可作为土地利用的一种方式，例如用于观赏园艺、商品林业等。若将污泥中的有机养分用于经济林种植，如桉树林等，这种方式可对食物链的影响风险减少到最低，对人类健康不构成威胁，并且还可以改善土壤条件，促进园林业植物生长，提高了绿化质量，同时减少了商品肥使用，节约种植成本。
植物修复即利用植物对污染物的超常规耐性和富集能力对污染土壤、废水进行处理，由于其成本低、效果良好、不破坏环境而成为国内外环境科学研究热点。这些植物主要集中在欧洲、美国、新西兰和澳大利亚，近年来国内发现和证实的重金属超富集植物只有几种，如蜈蚣草、东南景天、宝山堇菜和龙葵等。目前已经有大量将超富集植物用于治理土壤重金属污染的报道，但直接将超富集植物直接种植在城镇污泥上，并对其治理的研究却较少。
海芋和皇竹草，都具有适用性强、生长快、产量高、营养丰富等特点，属于生物量较大的植物，可转化为很好的有机肥料；尤其是皇竹草，现逐渐被开发作为新生物能源植物而备受关注，可生产优质木炭、发酵产沼气等；同时皇竹草须根系发达，抗旱性强，对土壤要求低，近年来还逐渐被应用于绿化荒山、保持水土、改善土壤结构等生态环境治理和保护方面。
对于将城镇污泥用于人工林的基本做法，普遍是利用污泥作为原料由肥料公司通过加工工艺制造为有机复合成品肥，再混入土壤进行施用，这需产生一定的生产成本，而直接铺设污泥发挥肥效的林业应用方式则未见有报道。申请号200510126409.9一种利用固体废物种植植物生产有机钾肥的方法和申请号201310276718.9的一种利用皇竹草转化城市污泥为植物产品的方法，这两个专利均介绍了利用城市污泥可以生产山芋和皇竹草作为有机钾肥，但在实际应用中，海芋规模化种植常作为盆栽植物供欣赏用途较多，而皇竹草大规模生产一般作为饲料植物，若单独占地种植海芋(或皇竹草)来生产肥料，考虑占地面积较多的实际情况，难以大面积推广。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于污泥治理同时生产经济林和生物炭肥的生态种植方法。
考虑到在南方贫瘠赤红壤上种植商品人工林(如桉树林)会造成争水争肥的局面，充分利用城镇污泥的有效肥分可资源化利用的特点，根据桉树林的行距将城镇污泥单边条带状铺施在南方贫瘠商品林地上；在铺施污泥上混种超富集植物和可以生产生物炭肥的植物，结合三种植物的生理高度且喜阴湿条件不同的特点，合理配置植物群体，植物高矮成层，相间成行，使一块土地形成“上层—林场，中间—农场，下层-修复场”立体的生产局面，不仅节约了种植占地，这还有利于改善整个桉树经济林的通风透光条件，提高光能利用率和土地使用效率，充分发挥边行优势的增产作用。利用这种基于污泥治理同时生产经济林和生物炭肥的生态种植方法，可以提高城镇污泥的处理效率并利于规模化生产经济林和生物炭肥，该方法适用于城镇化建设迅速且具有大规模生产桉树商品林地的区域推广应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法，采用如下步骤：
(1)选择商品林地进行桉树(Eucalyptus)苗的栽种；
(2)将城镇污泥运至桉树林地，沿桉树单边铺设污泥，污泥下面铺双层黑网；
(3)选择经过扦插繁育的超富集植物东南景天(Sedumalfredii)粗壮茎与经培育的有机肥植物海芋(Alocasiamacrorrhizos)苗(或皇竹草(PennisetumsineseRoxb)粗壮茎)移栽至桉树林地铺设的城镇污泥上；
(4)将东南景天与海芋(或皇竹草)分别进行收获；污泥放在户外会较快的发生干化浓缩，当发现污泥肥分输送减弱时，可彻底或部分更换污泥；对东南景天进行采收，回收其体内的重金属；对海芋(或皇竹草)采收，生产生物炭肥。
所述的桉树株距1m～2m，行距4m～6m；
步骤(2)中所述的沿桉树单边铺设污泥的宽度优选为2m～3m，污泥铺设深度优选为0.2m～0.3m；
步骤(3)中所述的东南景天优选为每m2可种植东南景天60～80株；
步骤(3)中所述的海芋(或皇竹草)的株距优选为1m～2m，行距4m～6m；
步骤(3)中所述的东南景天与桉树、海芋(或皇竹草)混种；所述的桉树与海芋(或皇竹草)间种，二者之间的间距优选是1m～1.5m；
步骤(2)和(3)中所述的城镇污泥为城镇污水厂运输未消化的脱水污泥；
步骤(4)中所述的收获的时间优选为4～8个月收获一次；
所述的基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法，是在城镇污泥治理的基础上，并可同时生产经济林和生物炭肥的一种环保的农林业综合应用方法。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)城镇污泥属城市固体废弃物之一，氮磷钾含量堪比农家有机肥，可直接通过植物修复的方式治理污泥，规避了其中重金属污染土壤和植物的风险，可作为安全的有机肥来提高土壤综合肥力，同时实现了污泥的减量化、无害化和资源化的处置目标。
(2)桉树、海芋(或皇竹草)均能直接在污泥上正常生长，且植物产量及养分含量均高于在赤红壤上生长，体内的重金属含量也并没有明显增加，符合国家有机肥农用行业标准，可以做有机肥的原料。这说明以污泥为种植基质可行，既能节省化肥，又能生产安全的植物产品。
(3)本发明是结合了桉树、海芋(或皇竹草)、东南景天的不同植物高度以及海芋(或皇竹草)和东南景天喜阴湿的亚热带生长环境等特点，建立了不同植物混作或间作在同一基质城镇污泥上的生态立体种植方法模式，提供了不同植物所需的生长环境，更好的发挥了它们各自的功效。
(4)目前迫切需要另辟新途径缓解化肥带来的面源污染问题，本研究从挖掘我国生物炭肥资源方面着手，使固体废弃物城市污泥及作物秸秆中的肥源还田，循环利用，减少商品化肥的使用成本。
(5)本发明涉及将桉树、海芋(或皇竹草)与超富集重金属植物东南景天在铺设城镇污泥的商品人工林地上进行立体种植，在处理城镇污泥的基础上生产商品经济林和生物炭肥。这种生态立体种植方法可以安全的利用污泥中肥分和微量元素，生产出合格的植物产品；同时生产经济林木和生物炭肥，获得了经济收益；发挥了种植桉树林固碳和净化空气的优点，结合生态栽培多种植物的特点，减少了水土流失，同时降低了因氮磷肥分流失而造成面源污染的环境风险，产生了社会效益、经济效益和生态环境效益，同时实现了多重的环保经济目标。
附图说明
图1是桉树-海芋(或皇竹草)-超富集东南景天在城镇污泥上的生态立体种植示意图；其中，1表示桉树；2表示海芋(或皇竹草)；3表示超富集东南景天；4表示城镇污泥。
图2是桉树-海芋(或皇竹草)-超富集东南景天生态立体种植的布局设计示意图；其中，1表示桉树A；2表示海芋(或皇竹草)B；3表示超富集东南景天×；4表示城镇污泥。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
在种植桉树(Eucalyptus)的单边和双边赤红壤上铺设0.25m深度的城镇污泥，在污泥上开展种植东南景天(Sedumalfredii)和海芋(Alocasiamacrorrhizos)(或皇竹草(PennisetumsineseRoxb))生态立体种植的三个不同株行距的小区试验。试验1：污泥单边宽度为2m，桉树和海芋(或皇竹草)的株行距均为1.0m×4.0m，桉树和海芋(或皇竹草)的间距为1.0m；试验2：污泥单边宽度为2.5m，桉树和海芋(或皇竹草)的株行距均为1.5m×5.0m，桉树和海芋(或皇竹草)的间距为1.25m；试验3：污泥单边宽度为3m，桉树和海芋(或皇竹草)的株行距均为2.0m×6.0m，桉树和海芋(或皇竹草)的间距为1.5m。在三个试验中，超富集东南景天每平米种80株，6个月后进行样品采收检测。
所述的桉树为高2m左右的桉树苗，购自广东省清远市佛冈县苑艺苗木公司；所述的东南景天为超富集东南景天粗壮茎，取自浙江省衢州市古老铅锌矿区；所述的海芋和皇竹草均取自广东省普通高等学校农业生态与农村环境重点实验室试验农场。海芋整棵幼苗连根拔起，洗根部后育苗两周后，连同基质和苗移栽到新鲜污泥中；皇竹草的粗壮茎，在扦插育苗两周后，连同基质和苗移栽到新鲜污泥中。
通过种植东南景天、海芋(或皇竹草)、桉树三种植物在城镇污泥上，种植6个月后，种植超富集重金属的东南景天处理中污泥重金属Zn由1391.2mg/kg降至1203.8mg/kg，重金属Cu由233.7mg/kg降至199.2mg/kg，重金属Cd由6.5mg/kg降至5.0mg/kg，三者含量均有显著降低(见表1)。
表1超富集东南景天处理污泥前后的重金属含量变化(mg/kgDW)
| 处理 | Zn | Cu | Cd |
| 城镇污泥 | 1391.2±20.1a# | 233.7±2.2a | 6.5±0.2a |
| 空白(无植物) | 1259.0±46.3b | 199.2±4.5b | 5.8±0.1a |
| 超富集东南景天 | 1203.8±30.7b | 197.3±1.6b | 5.0±0.1b |
注：#根据Duncan检验(p＝0.05)，带有相同字母的同列平均值间无显著差异，数据是平均值±标准误(Mean±SE)，n＝3。
在城镇污泥上立体种植桉树的小区试验1、试验2和试验3，树高的连年生长量均值分别为2.98、3.51和3.74，胸径连年生长量均值分别为4.05、4.56和4.64，在可选范围不同株行距的试验之间，桉树生长差异不大，但与土壤上种植桉树的树高和胸径连年生长量参比值1.35和1.00相比，显然要大很多(张俊华.桉树生长规律与经营措施研究.福建农林大学，2006)，这说明桉树可很好利用污泥作为养分，吸收了污泥提供的营养元素和微量元素之后，树高和胸径均有快速增长(见表2、表3)。通过双边和单边铺设污泥种植植物来看，发现单边铺设污泥效果比双边的要好，考虑到桉树连年种植的实际情况，在推广应用桉树、东南景天和海芋(或皇竹草)种植的生态立体模式时，建议单边铺设污泥，这会对桉树的成长和林地土壤来讲相对安全。
表2小区试验不同处理前后桉树树高及连年生长量
表3小区试验不同处理前后桉树胸径及连年生长量
注：表中数据为平均值±标准偏差；(单边处理n＝7，双边处理n＝14，p＝0.05)；土壤生长桉树树高和胸径的连年生长量参比值分别为1.35、1.00。
实施例2
进行桉树种植的同时，对比皇竹草和海芋在城镇污泥和赤红壤两种不同种植基质上的生长状况田间小区试验。
在小区的土壤上均铺了双层黑网再铺施供试城镇污泥和赤红壤，体积均为长×宽×高＝1.0m×1.0m×0.2m，各小区间距为0.4m。共设城镇污泥上种皇竹草；城镇污泥上种海芋；赤红壤上种皇竹草；赤红壤上种海芋4个处理，每个处理3个重复，室外田间小区随机分配。各处理选取大小均一的植物种植，每个小区上种植物苗4棵，处理种植期间均没有施肥。种植6个月后收割皇竹草和海芋地上部，收割后调查各个处理小组植物的生物量，称量后采集有代表性的植株样品，将茎和叶分开备测，其中皇竹草留有根部及茎段两节继续生长；海芋留有根部及块茎继续生长。种植时，所述皇竹草为皇竹草的粗壮茎，所述海芋为海芋苗。
表4不同种植基质皇竹草、海芋的地上部生物量及含水率
从表4可以看出，无论是皇竹草还是海芋，把城镇污泥作为种植基质，种植的植物地上部生物量从数值上看均比赤红壤作为种植基质略高一点，说明皇竹草和海芋不仅均可在污泥上正常生长，甚至生长效果更好，所以城镇污泥可以代替赤红壤来种植这两种植物。城镇污泥种植的皇竹草和海芋产量以干重计分别为148.2t/hm2、34.3t/hm2，分别是赤红壤处理的1.09、1.06倍，产量可观。
实施例3
生物炭肥的实验制法：把实施例1中的试验2的实验中种植在小区污泥上的海芋、皇竹草进行地上部分采收，晒干粉碎后的植物样品随机采样分为四个处理(皇竹草茎、皇竹草茎叶混合、海芋茎、海芋茎叶混合)，各个处理装满30mL的瓷坩埚5个，盖上盖子，再用铝箔纸把整个装满样品的瓷坩埚密封包裹起来(厌氧条件)，放进箱式电阻炉(马弗炉)(上海实验电炉厂生产，型号：SX-4-10)，以20℃/min的速度升温至300℃，维持2h，将植物样品碳化。
表5种植在污泥上的海芋或皇竹草生物炭的营养元素含量(g·kg-1DW)
注：表中数据为平均值±标准偏差；带有相同小写字母的同一行数据间无显著差异(n＝3，p＝0.05)
从表5可看出，与原料相比，将海芋或皇竹草做成生物炭后营养元素含量明显增加，而各种生物炭之间均有明显差异。其中有机碳含量是皇竹草茎生物炭最高，氮含量是海芋茎叶生物炭最高，而磷和钾含量均以海芋茎生物炭最高；皇竹草茎叶混合生物量最高，养分含量处于中等水平，N、P2O5、K2O总养分含量达干重质量分数的15.80％。在实际应用中，植物原料都无需将茎叶分开，能节省制作成本，若从产业化的角度看，海芋或皇竹草的茎叶均适合作为生物炭肥用于农林业生产。
实施例4
对基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法模式，进行经济效益和环境效益的估算：
(一)经济效益估算
1.生物炭肥作为炭基缓释复合肥种植水稻
(1)生产优质稻米
若以此生态种植方法生产皇竹草，干草年产量为21.32t/hm2，产出生物炭10.8t，以最佳比例15.3t/hm2(张伟明.生物炭的理化性质及其在作物生产上的应用.沈阳农业大学，2012)可施用于0.7hm2水稻田，一季可生产稻米8.18t，增产了20％，还提高了品质。按目前稻米平均市价5元/斤估算，我国南方属亚热带地区一年两季，即16.36万元。
(2)节省水稻田化肥
一年两季节共省0.7hm2水稻田的化肥用量1200kg，复合肥3600元/t，即4320元。
2.桉树林地剩余污泥热值及节省桉树专用肥
(1)剩余污泥热值
1hm2桉树林地施城镇污泥种1季皇竹草后的剩余污泥(包括植物残体)热值：2.95×106MJ，1tce(一吨标准煤当量热值)＝29300MJ，1tce＝800元，因此剩余污泥热值为100.7tce，价值80560元，一年种两季的价值为16.11万元，减去焚烧成本约130元/t，即价值11.57万元。
(2)节省桉树专用肥
1hm2地可种桉树1650棵，每棵树每年用肥1kg，桉树专用肥1900元/t，即节省桉树肥3135元。
1hm2/a该生产模式，共计产生经济价值约28.7万元。
3.大量处理污泥，开拓污泥出路
按处理污泥获得的政府补贴，广州300元/t计，1hm2处理污泥1920t，即57.6万元。
综上，1hm2/a该生产模式共计产生经济价值约86.3万元。
(二)环境效益估算
生物炭是良好的碳汇，能固碳减排
1.减少稻田碳排放
(1)稻田碳排放系数为3.136gC/(m·d)，按0.7hm2水稻田、水稻生长周期一年两季约260d(田云，张俊飚，李波.中国农业碳排放研究：测算、时空比较及脱钩效应，资源科学，2012，34(11)：2097-2105)计，共5.7tC，国内碳排放价格80元/t，即节省456元。全国稻田面积约有3330万hm2，若按此模式进行减排，可实现每年减排价值约21.7亿元。
(2)省去施化肥产生的碳排放
化肥碳排放系数为895.6kgC/t(田云，张俊飚，李波.中国农业碳排放研究：测算、时空比较及脱钩效应，资源科学，2012，34(11)：2097-2105)，年节省1200kg化肥，即节省86元。
2.减少桉树碳排放
化肥碳排放系数为895.6kgC/t，1hm2地1年节省1650kg化肥，即节省118元。全国桉树种植面积约有360万hm2，若全减排，每年可实现减排价值约4.3亿元。
总体而言，1hm2/a的该立体种植模式共计产生经济价值约86.3万元，若将生物炭肥推广至全国稻田及桉树林地，每年可实现减排价值高达26亿元。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法，其特征在于采用如下步骤：
(1)选择林地进行桉树苗的栽种；
(2)将城镇污泥运至桉树林地，沿桉树单边铺设污泥，污泥下面铺双层黑网；
(3)选择东南景天粗壮茎与海芋苗或皇竹草粗壮茎移栽至桉树林地铺设的城镇污泥上；
步骤(2)和(3)中所述的城镇污泥为城镇污水厂未消化的新鲜污泥。
2.根据权利要求1所述的基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法，其特征在于：还包如下步骤：
(4)将东南景天与海芋或皇竹草分别进行收获；污泥放在户外会较快的发生干化浓缩，当发现污泥肥分输送减弱时，彻底更换污泥；对东南景天进行采收，回收其体内的重金属；对海芋或皇竹草采收，生产生物炭肥。
3.根据权利要求1所述的基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法，其特征在于：所述的桉树的株距为1m～2m，行距4m～6m。
4.根据权利要求1所述的基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法，其特征在于：步骤(2)所述的沿桉树单边铺设污泥的行宽为2m～3m，铺设深度为0.2m～0.3m。
5.根据权利要求1所述的基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法，其特征在于：步骤(3)所述的东南景天为每m2种植东南景天60株～80株。
6.根据权利要求1所述的基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法，其特征在于：步骤(3)所述的海芋或皇竹草的株距为1m～2m，行距4m～6m。
7.根据权利要求1所述的基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法，其特征在于：步骤(3)所述的东南景天与桉树、海芋或皇竹草混种；所述的桉树与海芋或皇竹草间种，二者之间的间距是1.0m～1.5m。
8.根据权利要求2所述的基于污泥治理的生产经济林和生物炭肥的生态种植方法，其特征在于：步骤(4)所述的收获的时间为4～8个月收获一次。
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