基于科研项目的环境生态学创新实验——污泥栽培基质的制备与种子发芽实验

徐大勇， 杨晓凡， 唐 海， 宋珍霞， 余 雷

(安徽工程大学 生物与化学工程学院， 安徽 芜湖 241000)

环境生态学是环境工程专业的重要基础课程，课程目标是着力培养学生的基础生态学理论及利用生态学理论来解决实际环境问题的能力[1-2].如：利用生态演替和外来物种引进理论对矿山废弃地的修复、利用共生和自组织原理进行林地生态修复；利用“生物浮岛”理论治理河流和湖泊富营养化等[3-4]，从而强化学生的基础理论知识并提高其运用和实践的能力.众多的研究表明，教学和科研相辅相成，基于科研过程和科研成果的教学有助于激发学生对知识的探索欲，强化学生的创新意识，提高学生的创新思维和分析问题、总结问题的能力，从而有助于知识的发现与传授[5-6].

为积极推进教师科研项目向本科实验的移植，结合安徽工程大学提出的“培养高素质应用型人才”内涵式发展道路目标[7]和实施的“环境工程卓越工程师”培养计划，本文以污泥栽培基质的制备与种子发芽实验为例，设计一个环境生态学研究性创新实验，详细阐述该研究性创新实验的设置背景、教学目标和教学内容.通过该实验的设置，丰富环境生态学课程研究性创新实验案例，为环境工程高素质应用型人才培养提供平台和奠定基础.

1 研究性创新实验的设置背景

本研究性创新实验来源于笔者主持的国家自然科学基金项目.该项目主要研究人工湿地处理污泥过程中重金属的迁移转化及其生物活性，并涉及污泥处理与资源化利用途径探索——污泥栽培基质的制备与效果评价.

城市污泥是城市污水生物处理过程的副产物(主要是微生物残体)，数量庞大且有不同程度的重金属、病原微生物等有毒有害物质，也含有丰富的有机质、N和P等营养物质[8].因此，如污泥得不到有效处理或处置不当都会对城市生态环境造成严重危害，也是巨大的资源浪费[9].目前污泥堆肥和农用是最为经济有效的污泥处理处置方式[10].污泥堆肥过程受到C/N、温度和pH等影响.本研究性创新实验拟利用秸秆与污泥进行堆肥处理，重点考察秸秆与污泥比例、堆肥时间和秸秆种类对堆肥稳定性的影响，并对秸秆污泥堆肥栽培基质的种子发芽和幼苗生长进行试验，探索秸秆污泥堆肥作为栽培基质的可行性，践行绿色发展理念[11].

2 研究性创新实验的教学目标

基于科研项目的环境生态学研究性创新实验，要遵循“问题导向”的原则来组织和开展实验[12].在实验实施过程要积极引导和培养学生独立思考和勤于思考的作风，激发学生创新思维和动手实践的潜能，培养学生的综合素质.实验的开展按“项目背景分析—问题提出—文献查阅和分析认证—实验方案设计—指标测试—数据分析—实验总结”的顺序进行，并以科研论文的规范要求提交实验报告.具体包括如下内容：

(1) 了解污泥和农业秸秆的产量和污染现状，分析污泥和秸秆的有机物含量等；

(2) 了解污泥堆肥的工艺方法、堆肥的稳定性指标和分析方法；

(3) 掌握小麦和鸡毛菜的种子发芽、幼苗株高和根长的实验测试方法；

(4) 掌握污泥、堆肥的有机质、TN和TP的测试分析方法，以及相关仪器的操作方法；

(5) 掌握文献查阅方法和Word、Excel等文本编辑方法，以及SPSS数据统计分析软件的使用方法，了解科研论文的基本组成和撰写.

3 研究性创新实验的技术路线

本实验以城市污泥和农业秸秆废弃物为原料，通过污泥及污泥与秸秆共堆肥来制备污泥栽培基质，并以种子的发芽和幼苗的生长状况评价其农用的可行性，最终达到污泥与农作物秸秆处理及资源化利用的目标.

实验技术路线如图1.

Fig.1 Technical route of the innovation experiment

首先基于污泥危害与资源化利用问题导向进行文献查阅，分析污泥堆肥和农用研究进展、农业秸秆污染和资源化现状，了解污泥堆肥的制备方法、影响因素，以及堆肥效果评价方法和指标.在此基础上进行小麦、鸡毛菜的种子发芽和幼苗生长的实验，分析温度、时间和污泥与秸秆混合比例对堆肥的影响，并测试种子的发芽率和幼苗的根长、株高等指标进行数据统计分析，以综合评价污泥栽培基质的应用效果.最后提交研究性实验报告，并提出指导建议.

4 实验材料与方法

4.1 实验材料

污泥取自芜湖市某污水处理厂脱水污泥，含水率为78.6%，有机质含量为35.3%，总氮、总磷分别为86.50 mg/g和15.63 mg/g；农业秸秆为网购小麦秸秆；实验种子为上海青鸡毛菜种子和河北太行山区小麦种子.

4.2 污泥栽培基质的制备

4.2.1 实验方法

首先将小麦秸秆粉碎(粒径为2～5 mm)，再与污泥按1∶4、1∶6、1∶8和1∶10的质量比混合均匀.分别取不同质量比且混合均匀的污泥秸秆2 kg放入塑料容器(PVC)中，并覆盖塑料薄膜置于常温下(25 ℃)进行厌氧堆沤，以不加小麦秸秆的污泥为对照进行同样条件下的堆肥实验，堆沤时间为30 d.每种处理设置4个平行实验，在堆肥过程的第1d、第15 d和第30 d取样分析堆肥的TN、TP和有机质含量，并将水银温度计埋置于堆体中测试堆肥温度.

钻孔弹模计的力学模型见图2，其基本原理是孔内条带状承压板在孔壁接触范围内施加对称均匀分布力。该力学模型可分解为两个简单的力学模型，见图2：A模型为在孔壁2β范围内径向加压，B模型为在2β范围内的径向压力与剪力作用。根据模型边界条件，两个力学模型依次求解后再叠加，便可得原模型的理论解[12-14]。

4.2.2 小麦、鸡毛菜的种子发芽和幼苗生长实验

实验材料有小麦(Triticumaestivum)种子、鸡毛菜(BrassicaChinensis)种子.不同污泥堆肥(秸秆与污泥比为1∶4、1∶6、1∶8和1∶10)各设2个处理(小麦种子和鸡毛菜种子)，每个处理含2个平行实验，包括纯污泥在内的20个实验.播种前用蒸馏水将种子浸泡6 min促其发芽，每个处理(实验)分别数50粒种子均匀地播撒在堆肥表面.在种子发芽和幼苗生长期间视情况浇水，管理条件一致.播种6 d后统计每个实验萌发的种子个数，在幼苗生长12d后将其全部取出，用水冲去根部泥土，用直尺分别测量其根茎分割点至主根和茎最远点的长度，并取平均值，得到不同处理后小麦和鸡毛菜的根长和株高情况.

5 实验指标与测试分析方法

污泥含水率：重量法.

总氮：过硫酸钾消解紫外分光光度法.

总磷：硫酸-硝酸消解钼锑抗分光光度法.

有机物：重量法.

6 数据处理

采用Excel 2010软件处理数据.其中：

7 实验数据统计与结果

7.1 堆肥过程温度的变化

Fig.2 The temperature of compost changes with time

从图2可以看出，堆肥过程存在明显的升温、高温和降温过程，并在第23 d达到最大值34 ℃，然后堆肥温度稳定在29 ℃，为时 1周，属于中温堆肥；整个堆肥过程的堆体温度比室温高5 ℃以上，说明微生物对堆体中的物质进行了分解代谢并释放热量.

7.2 堆肥过程TN/TP的变化

城市污泥尤其是生活污泥富含丰富的氮、磷和有机物，经堆肥稳定化处理后，氮、磷的含量和转化对堆肥质量有重要影响.在污泥堆肥过程中，氮、磷的转化通常受堆肥原料C/N比、温度和微生物活性的影响.本实验中秸秆与污泥不同质量比堆肥的TN/TP含量随堆肥时间的变化情况见图3.相较于堆肥前期(1d)，堆肥污泥TN含量在堆肥后期(30d)均有增加，其中1∶4、1∶6、1∶8和1∶10的秸秆与污泥比堆肥，TN分别增加0.8%、29.8%、9.8%和11.3%，而纯污泥却下降4.7%.说明秸秆的添加有利于污泥堆肥氮素的增加，且在秸秆与污泥比为1∶6时最佳.对于堆肥中的TP，堆肥后的秸秆与污泥比为1∶6、1∶8、1∶10，比纯污泥堆肥TP分别增加10.2%、12.9%、4.9%和42.5%.而秸秆与污泥比为1∶4的堆肥，其TP反而下降4.5%，说明秸秆的添加不利于污泥堆肥过程中磷的释放.

Fig.3 The Changes of TN / TP content in compost with the different ratio of straw and sludge

7.3 堆肥过程有机质的变化

有机质含量是土壤重要的化学性质，对土壤团粒结构的形成和植物生长有重要影响.污泥中含有大量的有机质是污泥农用成为可能的重要因素.图4是本实验秸秆与污泥不同质量比堆肥的有机质含量随时间变化的情况.

Fig.4 The Changes of organic matter content in compost with the different ratio of straw and sludge

从图4可以看出，污泥堆肥的有机质含量呈现随秸秆的增加而增加的趋势，且随着时间的延长，各污泥堆肥的有机质含量有所下降，对于1∶4、1∶6、1∶8、1∶10和纯污泥而言，从堆肥开始到结束，有机质含量分别下降0.9%、5.0%、11.2%、5.0%和12.9%.

7.4 不同污泥堆肥基质对种子发芽的影响

本实验利用秸秆与污泥不同质量比的堆肥作为基质进行小麦和鸡毛菜的种子发芽实验，并以校园林地土壤为对照，结果见图5.从图5可以看出，秸秆与污泥质量比为1∶6时种子发芽率最高，小麦和鸡毛菜分别达到88.3%和78.3%，但均低于土壤条件下的93.3%和88.3%.由此说明，秸秆与污泥堆肥对种子发芽有一定的抑制作用.

Fig.5 The seed germination rate of different compost cultivation substrates

7.5 不同污泥堆肥对幼苗生长的影响

植物幼苗株高及根长生长是在一定条件下对环境条件适应的表型体现，在光照、温度等条件一致的情况下，幼苗生长基质的不同会使生长表现出较大的差异.通过监测发现(图6)，经过2周的生长，小麦和鸡毛菜的株高平均分别达到18.8 cm和5.0cm，较土壤条件下的株高16.5 cm和4.9 cm增加13.5%和0.9%.在不同堆肥基质中，小麦和鸡毛菜的根长生长平均分别为14.6和1.7，与土壤条件相比，小麦根长生长减少8.1%，而鸡毛菜则增加31.2%.由此说明，堆肥能促进小麦株高和鸡毛菜株高、根长的生长，对小麦根长的生长有抑制作用.由此说明，污泥堆肥更适宜鸡毛菜的种植.

Fig.6 The effects of different compost and soil on seeding growth of Triticum Aestivum and Brassica Chinensis

7.6 研究性实验报告的撰写

综合本实验的背景、目的、思路和方案，根据实验数据统计和结果分析，要求学生以科研论文的规范撰写实验研究报告.这是研究性创新实验的重要一环.通过实验研究报告的撰写，进一步巩固学生的创新思维，提高动手实践能力，强化综合素质.

8 结 论

本文以污泥栽培基质的制备与种子发芽实验为例，设计一个环境生态学研究性创新实验，通过对实验的设置背景、实验目的、实验教学目标、实验数据统计、实验结果分析和实验研究报告撰写等内容的详细阐述，丰富环境生态学课程实验案例，为高素质环境工程应用型人才培养提供参考.