在砷（As）和铜（Cu）过量的条件下，污泥或堆肥与褐煤联合使用对早期杨树生长的影响：一项为期两年的中尺度研究

柳树低肥力沙土中污泥及堆肥施用与lignite协同效应研究。摘要：采用高剂量生活污泥、污泥堆肥及lignite处理，在户外桶实验中分析其对低肥力沙土中柳树初期生长及土壤改良的影响。结果表明污泥及堆肥显著促进地上（+80%）和地下（根系电容）生物量增长，尤以首年地上部分效应显著；lignite单独无效，但协同污泥可提升+68%生物量，同时降低砷吸收。叶绿素含量增加验证了养分有效性提升。该组合为速生林业土壤改良提供新方案。

　　

Nikolett UZINGER | Orsolya SZéCSY | Imre CSERESNYéS | Péter RAGáLYI | Anita SZABó | Béla PIRKó | Nóra SZ?CS-VáSáRHELYI | Márk RéKáSI

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摘要

本研究在户外桶式实验中，使用高剂量的污泥及其制成的堆肥作为肥料，研究了杨树的初期生长情况。此外，还添加了褐煤以评估所测试有机材料之间的潜在协同效应。由于杨树常用于植物修复，实验还评估了额外添加砷和铜的影响，以及污泥、堆肥和褐煤在这一过程中的作用。测量内容包括地上（叶片、木质生物量）和地下（根系电容、茎基面积）的生物量，地上植物组织的元素组成（氮、磷、钾、砷、铜），以及叶片叶绿素含量。这些参数可作为养分可用性、植物胁迫和生物量生产潜力的可靠指标。本研究的新颖之处在于考察了在低肥力沙土上，污泥、其堆肥和褐煤联合使用对杨树的影响，特别关注了地下生物量——这一方面在类似研究中很少被强调。结果表明，污泥和堆肥显著促进了杨树的生物量增长，尤其是在第一年对地上部分的影响更为明显。单独使用褐煤没有明显效果，但与污泥结合使用时略有促进作用。污泥和堆肥提高了养分吸收能力，而褐煤减少了砷的积累。叶绿素含量的增加主要归因于污泥和堆肥的处理效果。污泥、堆肥与褐煤的结合使用为短期轮作林业实践中改善土壤质量提供了可持续的方案。

引言

市政污泥及其堆肥被广泛研究作为树木肥料（Gabira等人，2021年；Chu等人，2023年）。木质植物在生长初期对养分的需求较高，因此在树种植园中需要使用比田间作物更高的污泥或堆肥剂量。根据文献数据，低剂量的污泥（0.4–3吨/公顷）对10年生的落叶松影响较小，但3吨/公顷的剂量暂时增加了土壤中的氮、磷和钙含量（Praspaliauskas等人，2018年）。较高剂量的污泥（8–23吨/公顷）提高了幼年桉树的木材体积（Abreu-Junior等人，2017年）。2.5%（重量百分比）的堆肥（约50吨/公顷）增强了美洲杨的高度和细根长度（Simiele等人，2022年），而10吨/公顷的干污泥在两年内增加了三毛杨的茎基面积（Karacic和Adler，2023年）。 尽管污泥和堆肥对土壤肥力和植物生物量有积极影响，但由于其中可能含有有毒物质，其应用仍存在争议（Duan和Feng，2022年）。 通过添加吸附剂可以降低污泥及其堆肥的环境风险（Ko?odziej等人，2016年；Awasthi等人，2017年；Penido等人，2019年）。基于碳的吸附剂如生物炭、煤炭和褐煤因其富含腐殖酸和富里酸而具有潜力，可以通过络合和吸附作用固定无机微污染物（Anemana等人，2020年）。褐煤是最年轻的硬煤形式，具有木质结构且热值较低（Thielemann等人，2007年），已被用作土壤改良剂。它有助于固定有毒元素（Simmler等人，2013年），提高养分可用性，并改善土壤的水分、热量、空气平衡和生物活性（Clouard等人，2014年；Ko?odziej等人，2016年）。目前文献中尚未发现关于褐煤、污泥和堆肥联合使用对木质植物或田间作物影响的研究。同样，关于生物炭（在许多方面与褐煤效果相似）与污泥或堆肥联合使用对树木生长的影响的数据也较为缺乏；大多数研究集中在热解污泥及其产生的生物炭对木质植物的影响上（Silva等人，2017年；Yu等人，2023年）。然而有证据表明，单独使用生物炭（20吨/公顷）对三毛杨的生长效果有限（Muraro等人，2025年）。 杨树是能源种植园的适宜物种（Minotta等人，2025年），其初期活力对于早期存活、根系发育、长期生长、抗逆性和最终树形至关重要（Niinemets，2010年）。支持关键初期生长阶段的处理措施对杨树的健康发展非常重要。已有研究探讨了污泥和堆肥对杨树生长的影响（Guoqing等人，2019年；Salehi等人，2025年），主要关注地上生物量和养分或污染物的吸收。关于树木活力的数据仍然有限。虽然无法直接测量，但根系生物量（Dobbertin，2005年）和光合活性（Taiz等人，2021年）是活力的有用指标。污泥对叶绿素含量的影响尚不明确，有正面报告（Demirezen Yilmaz和Temizgül，2014年）、中性报告（Yilmaz和Temizgül，2012年）以及负面报告（Manios等人，2003年），但这些数据主要针对草本植物，而对于杨树的研究较少。根系电容是一种简单且非破坏性的方法，可用于估算根系生物量（Cseresnyés等人，2018年；Ehosioke等人，2020年），并且已在杨树（Preston等人，2004年）和柳树（Pitre等人，2010年）中得到验证。然而，尚无研究探讨将污泥、堆肥或褐煤加入土壤后对杨树根系电容的影响，进而影响根系发育和初期树木活力。 在户外桶式实验中（在受控但接近自然条件下），在低肥力沙土上测试了杨树在高剂量污泥及其堆肥作为起始肥料下的初期生长情况，并添加了褐煤以评估其对植物生长的潜在协同效应。选择贫瘠的土壤是为了更清楚地观察处理效果。由于杨树常用于植物修复（Ancona等人，2020年；Ye?ilyurt等人，2024年；Sirgedait?-???ien?等人，2025年），实验还研究了添加砷（As）和铜（Cu）对植物生长的影响，以及有机材料和褐煤固定这些元素的潜力。选择砷和铜是因为它们的普遍存在、不同的土壤行为和作用：砷是有毒且非必需的元素，而铜是必需的微量元素，高浓度时可能有害。这些差异有助于研究不同的机制，这两种元素都是常见的工业污染物（Lombi等人，2004年）。砷也可能来自地质化学来源或农药（Aide等人，2016年），而铜在污泥中通常以高浓度存在（Fj?llborg和Dave，2003年）。通过地上和地下生物量（叶片和木质生物量、茎基面积和根系电容）、元素组成（氮、磷、钾、砷、铜）以及叶片叶绿素含量来评估树木的生长和活力。这些测量结果提供了树木活力的直接和间接指标，反映了养分和水分的可用性、胁迫反应以及总体生物量生产潜力（Godbold，1998年）。 假设如下：（1）污泥和堆肥都能增加杨树的地上和地下生物量，其中污泥的效果更显著，尤其是在第一年；（2）作为添加剂的褐煤可能通过改善土壤性质对地上和地下生物量产生积极影响；（3）污泥和堆肥处理能提高植物的养分吸收能力，而褐煤则减少了某些有害元素的吸收；（4）预计污泥或堆肥与褐煤的联合使用会增加叶绿素含量，但迄今为止的研究结果存在矛盾且不明确。 本研究的新颖之处在于考察了基于相同污泥制成的污泥和堆肥，以及砷和铜元素联合使用对杨树两年生长和生理参数的影响。在现有文献中，针对这些特定处理组合的参数很少被研究或根本没有相关研究。

材料

实验所用土壤为Humic Arenosol类型（IUSS WRB工作组，2022年），来自匈牙利Kecskemét的砂矿（北纬46°54′，东经19°41′）。市政消化污泥来自匈牙利Kecskemét的一个处理厂。从该厂污泥流中分离出的二次污泥经过重力预浓缩、消化后，再加入聚电解质进行进一步脱水处理。堆肥由同一处理厂消化后的污泥制成。

叶片生物量和元素含量

图1显示了2020年和2021年的叶片生物量数据。第一年，污泥和堆肥分别使叶片生物量增加了80%和33%，其中污泥的效果优于堆肥（增加了35%）。第二年，污泥-褐煤处理使生物量增加了68%，而仅添加褐煤的处理增加了61%。无论是否添加有害元素，污泥-褐煤处理平均使生物量增加了65%。

结论

结果证实：（1）污泥和污泥堆肥均增加了幼年杨树的地上和地下生物量，其中污泥的效果更为显著，尤其是在第一年对地上生物量的影响更为明显；（2）单独使用褐煤没有明显效果，但与污泥结合使用时对地上生物量的贡献更大；（3）污泥和污泥堆肥提高了植物的养分吸收能力，而

CRediT作者贡献声明

Nikolett UZINGER：撰写初稿、开展研究、争取资金、数据管理、概念构思。 Orsolya SZéCSY：撰写、审稿与编辑、开展研究。 Imre CSERESNYéS：撰写、审稿与编辑、方法论研究、开展研究。 Péter RAGáLYI：撰写、审稿与编辑、开展研究、数据管理。 Anita SZABó：撰写、审稿与编辑、开展研究。 Béla PIRKó：开展研究。 Nóra SZ?CS-VáSáRHELYI：开展研究。 Márk RéKáSI：撰写、审稿与编辑、监督。

资助

本研究由WALUE – Waste to Value – GINOP-2.2.1–15–2017–00080项目资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究由WALUE – Waste to Value – GINOP-2.2.1–15–2017–00080项目资助。