园林废弃物堆肥用于屋顶绿化轻型基质的配方筛选

刘梦欣; 李素艳; 孙向阳; 郝惠蓉; 李逸楠; 谭其言; 王颖; 李国栋

doi:10.12030/j.cjee.202112209

园林废弃物堆肥用于屋顶绿化轻型基质的配方筛选

北京林业大学林学院，森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083

作者简介: 刘梦欣(1997—)，女，硕士研究生，liumengxinx@163.com

通讯作者: 李素艳(1968—)，女，博士，教授，lisuyan@bjfu.edu.cn;

基金项目:
北京市自然科学基金资助项目（6202021）
中图分类号: X72

Screening of light substrate formulations of garden waste compost for roof greening

Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

Corresponding author: LI Suyan, lisuyan@bjfu.edu.cn ;

摘要: 针对用于屋顶绿化基质的泥炭存在资源不足的问题，以园林废弃物堆肥、泥炭和珍珠岩配制9组混合基质，以马蔺为供试植物，通过基质筛选和屋顶绿化模拟栽培实验研究园林废弃物堆肥替代泥炭用于屋顶绿化轻型基质的效果。结果表明，9组基质干容重为0.08~0.11 g·cm⁻³、饱和水容重为0.46~0.56 g·cm⁻³。添加20%泥炭的处理组总孔隙度和通气孔隙度较小，持水孔隙度较大。9组基质的pH和EC适宜植物生长。结合隶属度评价结果和北京市《屋顶绿化规范》，筛选T3组(10%园林废弃物堆肥+90%珍珠岩)和T6组(10%园林废弃物堆肥+10%泥炭+80%珍珠岩)2组处理用于屋顶绿化模拟栽培实验。结果表明，2组基质全氮、有效磷、速效钾质量分数变化趋势基本一致，T6组中10%园林废弃物堆肥和10%泥炭的混合加入提升了基质全氮和有机质质量分数，但抑制了基质有效磷和速效钾的释放。2组处理中的马蔺均生长良好，T3组(1.475 mg·g⁻¹)马蔺叶绿素质量分数比T6组(1.154 mg·g⁻¹)处理提升了27.82%，而T6组基质促进了株高增长、地上部和地下部生物量积累。主成分综合评价得分为T3组>T6组，即10%园林废弃物堆肥与90%珍珠岩混合配制的基质得分最高，能够替代泥炭用于屋顶绿化中。本研究结果可为园林废弃物堆肥用作屋顶绿化轻型基质提供参考。
- 园林废弃物堆肥 /
- 屋顶绿化 /
- 轻型基质 /
- 马蔺
Abstract: In order to solve the problem of insufficient resources of peat in light substrate of roof greening, nine groups of mixed substrates were prepared by using garden waste compost, peat and perlite, and Iris lactea Pall was selected as test plant. The effect of garden waste compost replacing peat used in the light substrate of roof greening were by carrying out the substrate screening and roof greening simulation cultivation experiment. The results showed that the dry bulk density of nine treatments was 0.08~0.11 g·cm⁻³, and saturated water bulk density was 0.46~0.56 g·cm⁻³. The treatment with 20% peat had smaller total porosity, aeration porosity, and larger water holding porosity. The pH and EC of nine treatments were all suitable for plant growth. Combined with the comprehensive evaluation results of membership function and the code for roof greening in Beijing, T3 (10% garden waste compost+90% perlite) and T6 (10% garden waste compost+10% peat+80% perlite) were screened for the simulated cultivation experiment of roof greening. The results showed that the dynamic change trends of total nitrogen, available phosphorus and available potassium in the two treatments were basically the same. The mixed addition of 10% garden waste compost and 10% peat of T6 elevated the total nitrogen and organic matter content in the substrate, but restricted the release of available phosphorus and available potassium. The leaf chlorophyll content of Iris lactea Pall in T3 (1.475 mg·g⁻¹) was 27.82% higher than that in T6 (1.154 mg·g⁻¹), but the growth of plant height, the biomass of both aboveground and underground in T6 were promoted. The comprehensive score evaluation showed that T3 gained higher score than T6, that is, the substrate constituted by 10% garden waste compost and 90% perlite had the highest score, which could replace peat for roof greening substrate. This study can provide a scientific reference for the application of garden waste compost as light substrate for roof greening.
- garden waste compost /
- roof greening /
- light substrates /
- Iris lactea Pall

近年来，我国水产养殖业快速发展，随之带来的环境问题也日益凸显。剩余饵料、养殖对象排泄物等的排放导致尾水中氮磷普遍超标。同时，为了预防和控制疾病，大量的抗生素被广泛应用于水产养殖中^[1]。养殖环境中抗生素污染问题已不容忽视，四环素类、喹诺酮类、磺胺类、氯霉素类^[2-3]等在养殖尾水或养殖水域中广泛存在。残留在水中的抗生素不仅直接威胁鱼虾的生存，还会加剧环境中耐药菌和耐药基因问题^[4]。目前，国家正在大力发展绿色健康养殖业，养殖尾水治理力度不断增加，研发绿色、高效、低成本的抗生素去除技术对于降低抗生素排放、缓解水环境污染具有非常重要的价值。

人工湿地具有处理成本低、操作简单、不会形成二次污染等特点被广泛应用于水产养殖尾水的处理，主要通过基质吸附、微生物降解和植物吸收等过程去除废水中的污染物^[5]。然而已有研究表明，不同设计参数与系统结构，如流态、基质类型和组成结构、植物类型与组成结构、水力停留时间和水力负荷、pH和季节因素(如气温、光照等)等均会导致营养盐和抗生素的去除效率存在明显差异^[6-7]。同时，抗生素的存在可能会影响人工湿地系统中营养盐的去除。但是，部分研究结果和结论尚不完全一致。有研究表明，废水中抗生素的存在会降低氮磷的去除效率^[8]。另一些研究表明，抗生素的存在反而提高氨氮的去除率^[9]。此外，也有研究表明，2 mg·L⁻¹的土霉素不会影响人工湿地系统对氮、磷的去除^[10]。抗生素的存在对人工湿地系统去除氮磷等营养盐的影响机制尚不清晰，相关研究有待深入探讨。

本研究以3套不同基质和植物条件的上行垂直潜流人工湿地小试系统为研究对象，探究不同季节、不同基质和是否种植耐盐植物海马齿(Sesuvium portulacastrum)情况下，上行垂直潜流人工湿地系统对养殖尾水中4种典型抗生素的去除效果及抗生素的存在是否影响人工湿地系统对营养盐的去除效率。本研究结果有望为进一步改进人工湿地系统设计参数，提高污染物去除效率，促进人工湿地在淡水和海水养殖尾水治理中的应用。

1. 材料与方法

1.1 人工湿地设计

本研究构建了3种不同基质或植物条件的垂直潜流人工湿地小试系统(CW1、CW2和CW3)，结构示意图如图1所示。系统由圆柱体玻璃钢制成，高80 cm、半径为40 cm，水位控制在60 cm，侧面设置3个不同高度的采样口，本研究统一从最底部采样口采样。系统中种植的植物为多年生且生命力顽强耐干旱的草本盐生植物—海马齿，选取高度在15~20 cm，生长良好的植株移栽至系统中，种植密度为40株·m⁻²。CW1的基质组成结构为底部铺设5 cm左右的砾石，中下层铺设30 cm高小粒径沸石，中上层铺设20 cm高中粒径沸石，上层铺设10 cm高麦饭石。CW2在CW1的基础上种植海马齿(图1(a))。CW3在CW2的基础上用生物炭层替换相同体积的沸石层(图1(b))，使用2.5 kg生物炭分5层铺设替换共0.05 m³沸石。本实验中使用的生物炭是经过500 ℃高温裂解的玉米秸秆生物炭。

图 1 系统结构示意图

Figure 1. System design diagram

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1.2 实验设计

实验时间为2021年3月(春季)—2021年6月(夏季)。其中，春季的实验时间为3月10日—4月22日；夏季的实验时间为5月12日—6月25日。受试用的水产养殖尾水均来自福建省淡水水产研究所科研中试基地。本实验选用了养殖水体中常被检出的4种抗生素(氟苯尼考、土霉素、氧氟沙星和磺胺甲恶唑)，设计添加质量浓度为250 µg·L⁻¹。春、夏季实验开始前均通过向系统中输入未添加抗生素的养殖尾水进行挂膜，持续20 d。春季实验结束后，通过清水对系统进行清洗，持续20 d。系统采用间歇流(快速进水)运行方式，包括进水-反应-排水-排空闲置4个阶段，每个周期时长为4 d。其中进水时间0.5 h，反应时间为89 h，排水时间为0.5 h，排空闲置6 h。系统每个周期的进水水量约为8 000 L，水力停留时间(HRT)设置为0 (进水)和3 d。春季和夏季，分别采集HRT为0 (进水)和3 d的抗生素和营养盐水样进行分析。

1.3 营养盐、抗生素水样前处理及测定方法

待营养盐样品采集完成后，将其装入1 000 mL聚乙烯塑料瓶中，在现场用WTW便携式水质测定仪(Multi 3630)测定水温(T)、电导率(EC)、溶解氧(DO)和pH后，将样品贮存于4 ℃采样箱中，立即带回实验室。用0.45 μm的玻璃纤维滤膜过滤500 mL水样，用于硝态氮(NO₃⁻-N)、氨氮(NH₄⁺-N)的测定，未过滤的水样用于总氮(TN)和总磷(TP)的测定，48 h内完成样品的分析，测定方法参照相关文献^[11]。

抗生素水样采集完成后装入100 mL棕色玻璃瓶中并立即运回实验室，用0.22 μm的玻璃纤维滤膜过滤样品，取1 mL注入液相进样小瓶。植物体内抗生素提取方法主要参照陈军^[8]并根据多次实验结果进行相应改进。抗生素水样和植物抗生素样品均用高效液相色谱串联质谱仪(LC-MS)测定，其具体参数为：色谱柱为XTERRA MS C18(3.0 mm×100 mm，5 μm)。色谱柱柱温为35 ℃，进样量为5 µL。流动相流速为0.4 mL·min⁻¹，流动相A是体积分数为0.1%的甲酸-水溶液。流动相B为甲醇，洗脱梯度程序设置如下：0~0.5 min，5%B；0.5~3 min，5%~40%B；3~4 min，40%B；4~5 min，40%~95%B；5~7.5 min，95%B；7.5~7.51 min，95%~5%B；7.51~9 min，5%B。

1.4 数据分析

本研究应用One-Way ANOVA单因素方差分析研究不同组别去除率总体分布是否有显著性差异；相关统计分析应用SPSS 26软件进行；图件制作应用Origin软件完成；数据预处理采用Excel软件完成。抗生素和营养盐的去除率按照公式(1)计算。

$\eta =\frac{{c}_{\mathrm{i}}-{c}_{\mathrm{e}}}{{c}_{\mathrm{i}}}\times 100\%$

$(1)$

式中： $\eta \mathrm{为}\mathrm{去}\mathrm{除}\mathrm{率}，\mathrm{\%}；{c}_{\mathrm{i}}$ 为进水营养盐浓度，mg·L⁻¹和进水抗生素浓度，µg·L⁻¹； ${c}_{\mathrm{e}}$ 为出水营养盐平衡浓度，mg·L⁻¹和抗生素平衡浓度，µg·L⁻¹。

2. 结果与讨论

2.1 进、出水水质变化

春季和夏季进、出水水质状况见表1和表2。总体而言，夏季进、出水平均水温比春季平均水温分别高5.65 ℃和7.20 ℃；夏季进、出水pH平均值比春季分别低0.21和0.26；夏季进、出水电导率平均值比春季分别高5.73 μs·cm⁻¹和7.42 μs·cm⁻¹；夏季进、出水溶解氧平均值比春季分别低0.81 mg·L⁻¹和3.97 mg·L⁻¹。春季和夏季，进水pH均呈弱酸性，经过系统处理后pH呈弱碱性；与进水相比，出水电导率均有所上升，而溶解氧含量下降。

表 1 春季无抗生素和抗生素存在条件下进、出水水质状况

Table 1. Characteristics of inlet and outlet water before and after antibiotic exposure in spring

实验条件	系统	温度/ ℃	pH	电导率/(μs·cm⁻¹)	溶解氧/(mg·L⁻¹)
无抗生素	CW0	21.33±0.79	6.88±0.12	69.33±9.60	7.25±0.93
	CW1	22.30±0.37	7.87±0.05	136.2±9.43	5.40±0.93
	CW2	22.53±0.33	7.75±0.02	141.7±9.80	5.32±0.26
	CW3	22.43±0.37	7.71±0.06	154.0±11.0	5.56±0.78
有抗生素	CW0	26.63±1.78	6.82±0.07	53.50±3.21	7.25±0.27
	CW1	26.70±2.24	7.90±0.17	124.8±1.32	5.21±0.25
	CW2	26.90±2.30	7.77±0.12	132.43±3.74	5.09±0.32
	CW3	26.83±2.24	7.77±0.10	142.13±3.56	5.26±0.38
注：CW0为进水。

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表 2 夏季无抗生素和抗生素存在条件下进、出水水质状况

Table 2. Characteristics of inlet and outlet water before and after antibiotic exposure in summer

实验条件	系统	温度/ ℃	pH	电导率/(μs·cm⁻¹)	溶解氧/(mg·L⁻¹)
无抗生素	CW0	29.63±0.85	6.89±0.10	57.93±0.37	6.28±0.34
	CW1	29.40±0.65	7.84±0.10	129.47±5.20	1.44±0.01
	CW2	29.57±0.74	7.69±0.10	140.83±7.24	1.15±0.07
	CW3	29.70±0.86	7.64±0.10	151.33±8.01	1.28±0.04
有抗生素	CW0	29.33±0.86	6.29±0.06	83.37±11.64	6.60±0.61
	CW1	28.60±1.23	7.52±0.10	142.47±7.90	1.27±0.08
	CW2	28.87±1.35	7.46±0.07	149.30±7.68	1.36±0.20
	CW3	28.80±1.31	7.38±0.08	162.43±2.80	1.54±0.12
注：CW0为进水。

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2.2 人工湿地设计参数对养殖尾水中抗生素去除效率的影响

春季和夏季，3套系统进、出水中氟苯尼考、土霉素、氧氟沙星和磺胺甲恶唑质量浓度见表3；CW1、CW2和CW3对4种抗生素的去除率见图2。无论春季或夏季，3套系统对土霉素和氧氟沙星的去除率均无明显差异，且均具有良好的去除能力。春季，与CW1相比，CW2对氟苯尼考和磺胺甲恶唑的去除率分别提升了2.71%和1.59%；与CW2相比，CW3对氟苯尼考和磺胺甲恶唑的去除率分别提升了25.34%和45.48%。夏季，与CW1相比，CW2对氟苯尼考和磺胺甲恶唑的去除率分别提升了2.97%和10.16%；与CW2相比，CW3对氟苯尼考和磺胺甲恶唑的平均去除率分别提高19.87%和22.36%。结果表明，种植海马齿可以在一定程度上提升以沸石为主人工湿地系统对氟苯尼考和磺胺甲恶唑的去除效果，添加生物炭可以显著提高(p≤0.05)这两种抗生素的去除率。

表 3 春季和夏季3套系统进、出水中抗生素的质量浓度

Table 3. Antibiotics concentrations in the inlet and outlet water of three systems in spring and summer μg·L^-1

季节	系统	氟苯尼考	土霉素	氧氟沙星	磺胺甲恶唑
春季	CW0	257.5±20.85	237.03±15.36	309.91±15.38	271.16±9.38
	CW1	193.11±36.01	12.35±0.23	20.42±2.11	244.92±11.88
	CW2	186.12±37.31	8.14±5.77	19.00±2.34	243.29±8.73
	CW3	120.41±25.50	10.47±1.03	18.10±2.05	136.45±38.87
夏季	CW0	238.78±8.09	250.04±19.43	255.80±16.31	250.33±10.00
	CW1	202.65±6.14	14.87±4.92	37.84±7.97	175.76±13.73
	CW2	195.48±1.34	15.34±4.41	36.29±9.84	150.50±13.55
	CW3	148.00±2.86	13.12±5.14	34.31±8.88	94.58±14.43
注：CW0为进水。

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图 2 春季和夏季4种抗生素去除率

Figure 2. Removal rates of four antibiotics in spring and summer

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人工湿地系统去除抗生素的主要途径包括基质吸附截留、植物吸收、光降解和生物降解等过程，对于垂直潜流人工湿地系统而言，光解作用可以忽略^[12]。本研究中3套垂直潜流湿地系统对土霉素和氧氟沙星均有良好的净化效果，而磺胺甲恶唑和氟苯尼考的去除率明显低于土霉素和氧氟沙星，这与其他研究结论一致^[13]。土霉素和氧氟沙星分别属于四环素类和氟喹诺酮类抗生素。基质吸附作用是废水中喹诺酮类和四环素类抗生素的主要去除途径^[14]，一旦暴露在环境中可以快速光解或者被基质吸附，这可能是3套系统均表现出对土霉素和氧氟沙星有良好净化能力的主要原因。氟苯尼考属于甲砜霉素的单氟衍生物，具有氟、氯多个卤代基团和苯环结构，性质较为稳定，不易发生光解和水解，在常规的人工湿地中难以被去除^[15]。磺胺甲恶唑属于磺胺类抗生素，在环境中降解速度缓慢，生物降解是磺胺类的抗生素的最主要去除路径^[16]。已有研究发现好氧微生物降解、部分厌氧微生物或者兼性厌氧微生物均可促进磺胺甲恶唑降解^[17-18]。由于不同研究的进水水质、基质、植物等存在较大差异，系统内微生物群落结构和多样性也不同，磺胺甲恶唑去除率存在较大的差异^[19-20]。与一些研究相比^[21]，本研究中CW1和CW2对磺胺甲恶唑的去除率偏低。这可能是因为水产养殖尾水C/N较低，碳源不足时，不利于磺胺甲恶唑的降解^[13]。水体中微生物的种群、数量和活性都与水体中有机质的含量成正相关^[22]，寡营养态水体中磺胺甲恶唑的降解效率普遍偏低^[19]。此外，不同研究中除了植物和基质对抗生素吸收和吸附能力存在差异外，磺胺甲恶唑初始质量浓度的差异，导致其对系统微生物群落结构和多样性的影响也不同，这可能是影响人工湿地系统对其净化能力存在差异的另一重要因素^[16]。部分研究也发现，以沸石为主的人工湿地对低浓度的磺胺甲恶唑的去除效果不佳^[5,19]。

除夏季土霉素外，植物组(CW2)对4种抗生素的去除率均优于无植物组(CW1)。植物主要通过根系的吸收作用、根际的吸附和截留、根系分泌物和氧气释放增强微生物活性等方式直接或间接去除废水中的抗生素^[23]。虽然大部分研究认为植物吸收过程不是人工湿地去除磺胺甲恶唑和氟苯尼考的主要途径，但是适当种植植物可以提高抗生素的去除率^[24]。本研究中检测到海马齿中土霉素的质量浓度在851.55~1691.48 µg·L⁻¹，磺胺甲恶唑的质量浓度在125.07~291.67 µg·L⁻¹，表明海马齿能够通过吸收过程移除水体中土霉素和磺胺甲恶唑。结合植物组和无植物组系统对4种抗生素的去除率，说明海马齿对这4种抗生素去除起到一定的促进作用。相比春季，夏季促进效果更明显，可能因为夏季植物生长更旺盛，有利于海马齿对污染物的吸收。

基质是人工湿地的重要组成部分之一，除了对污染物具有吸附作用外，还可为微生物和植物提供基本的生长环境和营养物质^[12]。因此，基质的物理化学特征直接影响人工湿地系统对抗生素的净化能力。春季和夏季，添加生物炭均可显著提高垂直潜流人工湿地对氟苯尼考和磺胺甲恶唑的净化能力。相比沸石，生物炭孔隙结构明显、比表面积大，且具有亲水、疏水和酸碱性等性质^[25]，对抗生素的吸附速度更快，尤其在酸性环境^[26]。人工湿地对抗生素的净化能力与基质的类型、组成、微生物群落结构等关系密切，添加生物炭后会改变系统内pH、营养盐和氧气的流动、植物生长状况等，影响系统内其他基质表面的微生物群落结构，进而提升系统对抗生素的净化能力^[27]。pH是影响抗生素去除效率的关键因素之一，在酸性条件下磺胺类抗生素以阳离子形式存在。CW3的pH低于CW1和CW2，更有利于生物炭对磺胺甲恶唑和氟苯尼考的吸附。

2.3 抗生素对营养盐去除的影响

春季和夏季抗生素添加前后3套系统进、出水中总氮、总磷、氨氮和硝态氮的质量浓度见图3。春季，抗生素存在条件下，3种不同条件系统的总氮、总磷、氨氮和硝态氮平均去除率分别下降了11.69%、17.53%、10.04%和4.07%，且3套系统均显著降低了其对总磷的去除效率(P≤0.05)(图4(a))。夏季，抗生素存在条件下，总磷和氨氮的平均去除率分别下降了19.41%和5.53%，而总氮和硝态氮平均去除率分别提高了11.66%和10.42%(图4(b))。

图 3 春季和夏季抗生素添加前后3套系统进、出水中氮磷营养盐质量浓度

Figure 3. Nutrient concentrations in the inlet and outlet water of three systems before and after antibiotic exposure in spring and summer

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图 4 春季和夏季抗生素添加前后3套系统对营养盐的去除效率

Figure 4. Nutrient removal efficiency of three VFCW systems before and after antibiotic addition in spring and summer

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本研究结果表明，春季和夏季抗生素存在对人工湿地去除总氮和硝氮的影响截然不同，而对总磷和氨氮的去除均表现为抑制作用，且在春季3套系统均可以显著降低对总磷的去除效率。其他研究^[28]也发现，添加质量浓度为50~100 ng·L⁻¹的氟喹诺酮类抗生素后，TP的去除率下降。基质吸附、植物吸收和聚磷菌(PAOs)的吸收是人工湿地系统中磷的主要去除路径。基质中吸附的土霉素(四环素类)和氧氟沙星(喹诺酮类)可能会与磷争夺吸附位点，导致磷的去除效率下降^[9]。抗生素的存在也可能影响聚磷菌的丰度，削弱微生物对磷的吸收过程。YI等^[8]发现添加2 mg·L⁻¹的环丙沙星后会降低系统中聚磷菌的丰度，减少细菌对磷的吸收。夏季系统中溶解氧的浓度显著低于春季(表1和表2)，厌氧或缺氧条件下，聚磷菌会释放磷，在一定程度上抑制尾水中总磷的去除，这可能是夏季总磷去除率比春季下降更明显的原因之一。

硝化、反硝化、厌氧氨氧化等微生物转化过程是人工湿地系统去除废水中无机氮的主要机制。课题组前期研究发现，抗生素添加前尾水中的细菌群落主要为α-变形菌(α-Proteobacteria)、γ-变形菌(γ-Proteobacteria)、拟杆菌(Bacteroidia)和放线菌(Actinomycete)，这些微生物在人工湿地系统去除氮的过程中起着非常关键的作用^[29]。好氧条件下，硝化细菌^[30](如假单胞菌(Pseudomonas))将系统中NH₄⁺氧化成NO₃⁻的过程是人工湿地系统去除氨氮的重要途径。抗生素的添加可能会影响微生物群落的结构和多样性，从而影响氮的转化过程。YAN等^[31]研究发现人工湿地系统中微生物多样性和丰度指数与磺胺甲恶唑、氧氟沙星、罗红霉素等抗生素呈负相关关系，多种抗生素的存在会降低水体中变形菌门(Proteobacteria)的丰度，导致系统对氨氮的去除效率下降，这与本研究的结论一致。夏季，抗生素添加后氨氮去除率下降幅度比春季小，可能因为夏季水温更高，促进微生物硝化作用，提高氨氮去除率，在一定程度上抵消抗生素存在对氨氮去除的不利影响。反硝化过程是指在厌氧条件下，硝酸盐和亚硝酸盐被反硝化细菌异化还原为N₂的过程，是系统中硝态氮去除的重要形式。YI等^[8]研究发现添加2 mg·L⁻¹的环丙沙星会降低系统对硝态氮的去除。本研究中抗生素添加对硝态氮去除的影响由春季的抑制作用转为夏季的促进作用，可能是因为夏季尾水中溶解氧(<2 mg·L⁻¹)远低于春季(5.09~5.26 mg·L⁻¹)，低氧或厌氧条件下有利于拟杆菌和放线菌等反硝化菌群繁殖，促进反硝化过程的发生，提高硝氮的去除效率。硝态氮在进水中占总氮的比重在27.70%~53.89%，是无机氮的主要赋存形态，尤其是夏季，这可能是抗生素添加对总氮和硝态氮去除的影响一致的原因。CHEN等^[32]也发现2 mg·L⁻¹的四环素影响了系统内反硝化菌的丰度，系统内硝态氮浓度增加，降低了对总氮的去除率。

在已有的研究中，人工湿地系统基质的组成结构和类型、运行方式、流式、植物类型等不尽相同，且添加的抗生素种类和质量浓度也存在差异，大部分研究结论尚不一致。CHEN^[32]等研究发现系统中四环素的质量浓度为2 mg·L⁻¹时不会影响除磷效果，但会降低系统对总氮的去除率；TONG等^[33]研究发现添加质量浓度为0.1、10和1 000 µg·L⁻¹氧氟沙星后，人工湿地系统中氨氮的去除率由72.60%提高至80.70%~82.10%；KUYPERS等^[34]研究发现在磺胺甲嘧啶质量浓度为100 µg·L⁻¹时，处理组的氨氮去除率略高于对照组。本研究仅考虑4种不同类型抗生素复合对营养盐去除的影响，将来研究中会进一步分析抗生素添加前后微生物群落结构的变化，为阐明本研究试验抗生素添加浓度条件下对营养盐去除影响的机理提供理论依据。

3. 结论

1)本研究所构建的3种不同条件垂直潜流人工湿地系统对氧氟沙星和土霉素在春季和夏季均表现出良好的去除效果，去除率均在85%以上。与氧氟沙星和土霉素相比，系统对磺胺甲恶唑和氟苯尼考的去除效率相对较低，春季，系统对氟苯尼考和磺胺甲恶唑的去除率分别为17.23%~67.50%和8.37%~67.87%；夏季，系统对氟苯尼考和磺胺甲恶唑的去除率分别为12.01%~41.29%和19.28%~67.04%。

2)春季和夏季，种植海马齿整体上可以提高系统对4种抗生素的去除效率，但均不具有显著性差异；春季和夏季，添加生物炭均可提高系统对4种抗生素的去除效率，且会显著提高系统对磺胺甲恶唑和氟苯尼考的去除效率。

3)无论是春季还是夏季，4种抗生素添加均对总磷和氨氮的去除产生一定的负面影响，但不同季节对总氮和硝态氮去除效率的影响存在差异。在抗生素存在的条件下，春季，3种不同条件的人工湿地系统对总氮、总磷、氨氮和硝态氮平均去除率分别下降了11.69%、17.53%、10.04%和4.07%；夏季，总磷和氨氮的平均去除率分别下降了19.41%和5.53%，而总氮和硝态氮的平均去除率分别提高了11.67%和10.42%。

图 1 不同采样时间内基质全氮、有效磷、速效钾和有机质质量分数变化

Figure 1. Changes of total nitrogen, available phosphorus, available potassium and organic matter contents in substrate in different sampling times

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表 1 基质配方质量分数 %

Table 1. Mass fraction of substrates for formulations %

实验组别	园林废弃物堆肥	泥炭	珍珠岩
T1	0	0	100
T2	5	0	95
T3	10	0	90
T4	0	10	90
T5	5	10	85
T6	10	10	80
T7	0	20	80
T8	5	20	75
T9	10	20	70

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表 2 不同基质理化性质

Table 2. Physical and chemical properties of different substrates

实验组别	干容重/(g·cm⁻³)	饱和水容重/(g·cm⁻³)	总孔隙度/%	通气孔隙度/%	持水孔隙度/%	大小孔隙比	pH	EC/(μs·cm⁻¹)
T1	0.08d	0.51bc	70.70a	28.29ab	42.70a	0.70	7.76a	41.33f
T2	0.08cd	0.46d	62.79bc	23.7abc	38.10b	0.60	7.48ab	205.24d
T3	0.09bc	0.52ab	70.29a	27.56ab	43.36a	0.70	7.44b	282.67ab
T4	0.08bcd	0.46d	66.53ab	28.83a	37.79b	0.80	5.65e	136.00e
T5	0.09bc	0.48cd	67.32ab	29.31a	39.10b	0.80	6.22d	253.75c
T6	0.09bc	0.46d	60.48c	22.84bc	37.64b	0.60	6.87c	315.00a
T7	0.09b	0.53ab	54.53d	10.22d	43.87a	0.20	5.86e	295.00abc
T8	0.11a	0.56a	67.19ab	22.16bc	45.03a	0.50	6.31d	276.00bc
T9	0.10a	0.55a	62.08bc	17.57c	44.39a	0.40	6.29d	281.00abc
注：同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著(P <0.05)。

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表 3 隶属度得分及综合排序

Table 3. Score and comprehensive ranking of membership function

实验组别	干容重/(g·cm⁻³)	饱和水容重/(g·cm⁻³)	总孔隙度/%	通气孔隙度/%	持水孔隙度/%	大小孔隙比	pH	EC/(μs·cm⁻¹)	综合得分	综合排名
T1	0.51	0.64	0.53	0.31	0.57	0.33	0.46	0.47	0.479	5
T2	0.30	0.29	0.44	0.61	0.30	0.55	0.49	0.56	0.443	8
T3	0.48	0.60	0.45	0.49	0.64	0.39	0.41	0.43	0.486	4
T4	0.30	0.52	0.63	0.65	0.43	0.62	0.49	0.59	0.529	3
T5	0.55	0.46	0.47	0.37	0.42	0.35	0.38	0.37	0.421	9
T6	0.76	0.48	0.54	0.64	0.38	0.66	0.68	0.34	0.559	2
T7	0.55	0.61	0.56	0.66	0.60	0.52	0.66	0.65	0.600	1
T8	0.36	0.48	0.59	0.55	0.46	0.53	0.37	0.41	0.468	7
T9	0.51	0.46	0.47	0.60	0.47	0.57	0.33	0.41	0.478	6

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表 4 主成分分析结果

Table 4. Results of principal component analysis

主成分	各指标得分系数													特征值	方差贡献率%	累计方差贡献率%
主成分	pH	EC	干容重	饱和水容重	总孔隙度	通气孔隙度	持水孔隙度	大小孔隙比	株高	叶绿素质量分数	地上生物量鲜重	地上生物量干重	地下生物量干重	特征值	方差贡献率%	累计方差贡献率%
1	0.889	0.009	0.473	0.814	0.938	0.635	0.822	0.108	−0.302	0.903	−0.837	−0.965	−0.978	7.143	54.950	54.950
2	−0.270	0.797	0.801	0.579	−0.009	−0.566	0.540	−0.848	0.086	0.003	0.286	0.188	0.162	3.167	24.364	79.313
3	−0.203	0.497	−0.056	0.028	0.327	0.493	0.021	0.463	0.852	0.368	0.456	0.095	0.112	1.948	14.981	94.294

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图( 1) 表( 4)

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1. 材料与方法
1.1 人工湿地设计
1.2 实验设计
1.3 营养盐、抗生素水样前处理及测定方法
1.4 数据分析
2. 结果与讨论
2.1 进、出水水质变化
2.2 人工湿地设计参数对养殖尾水中抗生素去除效率的影响
2.3 抗生素对营养盐去除的影响
3. 结论

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屋顶绿化指在各类建筑物、构筑物等的顶部以及天台、露台上进行造园，脱离自然土壤种植植物的一种形式^[1-2]。屋顶绿化技术的应用对解决城市生态问题、降低“热岛效应”、改善建筑物屋顶构造性能等方面起到重要作用^[3-4]。基质是屋顶绿化系统中的基础，应兼备质轻、保水、保肥等特点^[5-6]。泥炭因含有大量有机质及植物生长所需的养分而常与珍珠岩混合配制基质用于屋顶绿化工程中^[7-8]。但泥炭属于不可再生资源，大量开采会导致不可逆转的破坏。

近年来，寻求泥炭替代基质的研究被广泛开展，并在屋顶绿化系统中取得了一定成果。黄蓉等^[9]利用田园土、蛭石和椰糠部分取代泥炭配制出适合兰州市屋顶绿化地被植物的基质。韦文杰等^[10]提出体积比为40%的铝污泥配制简单式屋顶绿化基质的可行性。SOLODAR等^[11]研究发现80%粉煤灰+20%堆肥能够适用于干旱地区屋顶绿化系统。NOYA等^[12]研究得出适宜大面积屋顶绿化的最佳基质配比为陈化禽粪∶木屑=1∶1。

随着城市园林绿化面积的扩大，产生了大量园林废弃物。园林废弃物经堆肥处理后含有大量的矿质元素和有机质，可以作为优质的栽培基质，从而实现资源化利用^[13]。但目前园林废弃物堆肥应用于屋顶绿化轻型基质的研究却相对较少。本研究以园林废弃物堆肥、泥炭和珍珠岩为原料混合配制屋顶绿化轻型基质，并以马蔺为栽培植物进行屋顶绿化模拟实验，探究园林废弃物堆肥替代泥炭用作屋顶绿化轻型基质的栽培效果。本研究可为园林废弃物应用于屋顶绿化基质提供参考。

1. 材料与方法

1.1. 供试材料

供试植物为生长健壮且长势一致的马蔺幼苗，苗龄1 a，由北京市某景观公司提供。供试基质原料包括珍珠岩、园林废弃物堆肥和泥炭。珍珠岩购自于河南某材料厂，基本理化性质：pH为7.76、EC为41.33 μs·cm⁻¹、有效磷2.49 mg·kg⁻¹、速效钾67.79 mg·kg⁻¹。园林废弃物堆肥购自于某堆肥厂，基本理化性质：pH为7.38、EC为2 730.00 μs·cm⁻¹、有效磷209.24 mg·kg⁻¹、速效钾5 564.27 mg·kg⁻¹。泥炭购自于北京某生态公司，基本理化性质为：pH为6.92、EC为580.00 μs·cm⁻¹、有效磷25.30 mg·kg⁻¹、速效钾400.00 mg·kg⁻¹。

1.2. 实验方案

基质配制与筛选实验。将园林废弃物堆肥、泥炭和珍珠岩按照一定质量比混合，搅拌均匀后制成轻型基质，配方见表1。测定所配制基质的理化性质并运用隶属度综合评价法，筛选出优质基质进行栽培实验。

植物栽培实验。将筛选出的轻型基质装入种植槽中，考虑到珍珠岩的添加会极大降低混合基质的容重而不利于固定植物根系。因此，本研究中将陶粒均匀铺于种植槽表面，从而有效防止基质扬尘并对植物根系进行了有效固持。将马蔺幼苗移栽至种植槽中，每组基质每槽种植32 株。移栽植物后将基质浇透水，随后每30 d浇水1 次，每次浇水至种植槽底部排水口出水。实验期间，每30 d除草1次，不施肥处理。在8-12月每30 d采集基质样品，测定在马蔺生长条件下基质全氮、有效磷、速效钾和有机质动态变化。栽植1 a后测定马蔺生长指标。

1.3. 指标测定

基质理化指标测定。物理指标包括干容重、饱和水容重、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度和大小孔隙比，采用环刀法测定^[14]。pH和EC分别用pH计和电导率仪测定；全氮、有效磷和速效钾分别用开氏法、0.5mol·L⁻¹的NaHCO₃法和NH₄OAc浸提-火焰光度法测定^[15]。

植物指标测定。植物指标包括株高、叶绿素、地上生物量鲜重和干重和地下生物量干重。株高采用卷尺进行测量；叶绿素采用分光光度法测定^[16-17]；生物量采用称重法测定。

1.4. 数据统计与分析

采用SPSS 22.0进行差异显著性检验。以特征值大于1为提取原则进行主成分分析。模糊隶属函数综合评价方法^[18]如式(1)~式(2)所示。

式中：X表示某一指标测定值；X_min表示该指标测定的最小值；X_max表示该指标测定的最大值；X_f表示第f个指标的隶属函数值；P表示综合评价指数。

3. 结论

1)根据隶属函数综合评价结果和北京市《屋顶绿化规范》，T3组(10%园林废弃物堆肥+90%珍珠岩)和T6组(10%园林废弃物堆肥+10%泥炭+80%珍珠岩)各项理化指标最适宜进行屋顶绿化模拟栽培实验。

2)2组基质全氮、有效磷、速效钾质量分数变化趋势基本一致，加入10%泥炭有利于基质全氮和有机质质量分数提高，但会抑制有效磷和速效钾的释放。马蔺在2组基质中均生长良好，10%园林废弃物堆肥和10%泥炭混合添加有利于马蔺株高和整体生物量积累，但不利于马蔺叶绿素质量分数提高。

3)主成分结果表明，T3组(10%园林废弃物堆肥+90%珍珠岩)基质综合评价最佳。即10%园林废弃物堆肥与90%珍珠岩混合能够用作屋顶绿化轻型基质，且不需要添加泥炭，从而能够解决基质配制过程中泥炭资源不足的问题。

参考文献 (35)

园林废弃物堆肥用于屋顶绿化轻型基质的配方筛选

作者简介: 刘梦欣(1997—)，女，硕士研究生，liumengxinx@163.com

通讯作者: 李素艳(1968—)，女，博士，教授，lisuyan@bjfu.edu.cn;

Screening of light substrate formulations of garden waste compost for roof greening

Corresponding author: LI Suyan, lisuyan@bjfu.edu.cn ;

1. 材料与方法

1.1 人工湿地设计

1.2 实验设计

1.3 营养盐、抗生素水样前处理及测定方法

1.4 数据分析

2. 结果与讨论

2.1 进、出水水质变化

2.2 人工湿地设计参数对养殖尾水中抗生素去除效率的影响

2.3 抗生素对营养盐去除的影响

3. 结 论

计量

出版历程

园林废弃物堆肥用于屋顶绿化轻型基质的配方筛选

通讯作者: 李素艳(1968—)，女，博士，教授，lisuyan@bjfu.edu.cn;

作者简介: 刘梦欣(1997—)，女，硕士研究生，liumengxinx@163.com 北京林业大学林学院，森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083

English Abstract

Screening of light substrate formulations of garden waste compost for roof greening

Corresponding author: LI Suyan, lisuyan@bjfu.edu.cn ;

全文HTML

1.1. 供试材料

1.2. 实验方案

1.3. 指标测定

1.4. 数据统计与分析

2.1. 不同配比基质理化性质分析

2.2. 基质综合评价

2.3. 基质养分变化规律

2.4. 2组基质对马蔺生长的影响

2.5. 主成分综合评价

目录

全文HTML

1.1. 供试材料

1.2. 实验方案

1.3. 指标测定

1.4. 数据统计与分析

2.1. 不同配比基质理化性质分析

2.2. 基质综合评价

2.3. 基质养分变化规律

2.4. 2组基质对马蔺生长的影响

2.5. 主成分综合评价

3. 结论

作者简介: 刘梦欣(1997—)，女，硕士研究生，liumengxinx@163.com
北京林业大学林学院，森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083