連續(xù)施用無害化污泥堆肥對沙質(zhì)潮土肥力的影響

冀拯宇，周吉祥，郭康莉，劉 曉，朱興娟，姜慧敏，楊俊誠，李桂花*，張建峰*

（1 耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430070）

城市生活污泥中含有大量的有機(jī)質(zhì)和豐富的氮磷鉀及微量元素等植物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，是一種很好的有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑的原材料[1–2]，具有較廣闊的應(yīng)用前景，經(jīng)過無害化處理后的污泥可以大幅度減少污泥中含有的重金屬、潛在污染物和細(xì)菌病原體等有害物質(zhì)。大量研究發(fā)現(xiàn)，污泥具有改善土壤物理性狀[3–4]，增加土壤對養(yǎng)分的吸附、減少養(yǎng)分淋失[5–7]，促進(jìn)微生物活性[8–10]，提高作物生產(chǎn)力，增加產(chǎn)量[11]等的作用或潛在功效，目前城市生活污泥已成為當(dāng)今世界資源環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

河南省是我國的人口大省和農(nóng)業(yè)大省，也是我國第一糧食生產(chǎn)大省，其糧食生產(chǎn)狀況直接關(guān)系著國家的糧食安全問題[12]。但是，由于水土流失和過度開墾等原因，近年來河南省耕地的退化面積正以超過3%的速度增長，再加上灌溉不合理和風(fēng)力侵蝕，土壤黏粒和粉砂粒組分隨水下移或流失等原因，耕層土壤沙化嚴(yán)重[13]，是我國最具代表性的沙質(zhì)潮土區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，河南省耕地面積約為1.03億畝，中、低產(chǎn)田面積合計占總耕地面積的62.4%，其中沙質(zhì)潮土面積約1000萬畝[14]。所以采用無害化城市生活污泥堆肥對河南省沙質(zhì)潮土進(jìn)行改良，提高土地生產(chǎn)潛力，是改良沙質(zhì)潮土的有效途徑之一。

本研究采用田間定位試驗(yàn)，研究連續(xù)三年施用無害化城市生活污泥堆肥對土壤肥力以及土壤微生物生物量和土壤植物安全性的影響，為進(jìn)一步利用無害化污泥堆肥改良沙質(zhì)潮土提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試污泥堆肥

試驗(yàn)所用的無害化城市生活污泥堆肥是由鄭州市污水凈化有限公司提供，以鄭州市污水管網(wǎng)分開后單獨(dú)處理生活污水產(chǎn)生的污泥為主料，以花生殼、秸稈等為輔料，按照花生殼和秸稈等重量與污泥混合 (花生殼和秸稈總重與污泥重量之比為1∶5)，接入 Bacillus subtilis、Aspergillus niger和Sporotrichum thermophile等混合菌劑，通過好氧發(fā)酵、高溫堆肥等工藝處理后制成的商業(yè)化產(chǎn)品。含水率33.08%、pH8.05、有機(jī)質(zhì)223.92 g/kg、全氮17.60 g/kg、全磷9.86 g/kg、全鉀13.90 g/kg。無害化污泥堆肥中主要的重金屬元素含量如表1所示，均低于《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284-84) 所規(guī)定的值，符合污泥農(nóng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)基地概況

試驗(yàn)基地位于河南省開封市農(nóng)林科學(xué)研究院試驗(yàn)田 (34.77°N、114.27 E)，2013—2015 年平均氣溫分別為15.38℃、15.66℃和15.87℃，降水量分別為467.1 mm、335.3 mm和508.1 mm，地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。土壤類型為沙質(zhì)潮土。試驗(yàn)前土壤耕層 (0—20 cm) 的基本理化性質(zhì)為：含水率5.87%、pH 8.42、有機(jī)質(zhì) 12.10 g/kg、全氮 0.44 g/kg、有效磷 (AP)13.25 mg/kg、速效鉀 (AK) 40.32 mg/kg。重金屬全量為：Cr 26.71 mg/kg、Pb 13.95 mg/kg、Cu 9.77 mg/kg、Ni 12.31 mg/kg、Cd 0.14 mg/kg、Zn 28.90 mg/kg。

1.3 田間試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)區(qū)種植制度為玉米–小麥輪作，供試作物為當(dāng)?shù)刂髟云贩N，小麥品種為‘開麥18’，玉米品種為‘開玉15’，試驗(yàn)從2012年10月開始，到2015年9月已連續(xù)種植三年作物。試驗(yàn)設(shè)4個處理，分別為：1) 農(nóng)民習(xí)慣施肥 (CK)；2) CK+無害化污泥堆肥15 t/hm2(W1)；3) CK+無害化污泥堆肥30 t/hm2(W2)；4) CK+無害化污泥堆肥45 t/hm2(W3)，每個處理重復(fù)3次，區(qū)組隨機(jī)排列。田間定位小區(qū)均用水泥池隔開，小區(qū)長和寬分別為2.5 m和2.0 m，總面積為5 m2。在小麥季和玉米季分別施N 225 kg/hm2、P2O586 kg/hm2、K2O 113 kg/hm2，肥料用量為開封地區(qū)農(nóng)民習(xí)慣施肥量，肥料分別施用尿素，磷酸一銨和氯化鉀。污泥堆肥和氮磷鉀肥料以基肥形式一次性在種植小麥和玉米前，采用撒施的方法均勻施于土壤表層，通過多次翻耕與耕層土壤混合均勻。其他大田管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣保持一致。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 采樣方法 土壤樣品分別于小麥和玉米收獲后(2013年6月、2013年9月、2015年6月和2015年9月) 在各試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)采用“Z”字形采集0—20 cm耕層土壤樣品，經(jīng)充分混勻后，通過“四分法”取兩份，一份帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干，除去作物根系、侵入體及殘留的污泥，過2 mm篩后測定pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀等理化指標(biāo)；另一份用白色棉布袋裝取，放入4℃冰箱保存，用于測定土壤微生物量碳氮。

1.4.2 測定方法 土壤有機(jī)質(zhì) (OM)、全氮 (TN)、有效磷 (AP)、速效鉀 (AK)、pH等指標(biāo)采用土壤農(nóng)化分析常規(guī)方法測定[15]；土壤微生物量碳 (SMBC) 和微生物量氮 (SMBN) 用氯仿熏蒸培養(yǎng)法[16]測定。土壤銅、鋅、鎘、鎳、鉛和鉻采用氫氟酸–高氯酸–鹽酸–硝酸四酸消解，ICP-MS測定。玉米和小麥籽粒銅、鋅、鎘、鎳、鉛和鉻采用硝酸–高氯酸混酸消解—ICP-MS測定。

1.5 土壤綜合肥力評價方法

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法[17]計算土壤綜合肥力指數(shù)(integrated fertility index，IFI)，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀分肥力系數(shù)IFIi的計算公式如下：

式中：IFIi為分肥力系數(shù)；x表示該屬性測定值；xa與xp分別為分級標(biāo)準(zhǔn)下、上限；xc為介于分級標(biāo)準(zhǔn)上、下限間；屬性值分級標(biāo)準(zhǔn) (xa、xc、xp) 主要參考第二次全國土壤普查標(biāo)準(zhǔn) (表2)。

再利用修正的內(nèi)梅羅公式計算土壤綜合肥力：

表1 無害化污泥堆肥中重金屬含量及國家污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)中重金屬限量 (mg/kg)Table 1 Contents of heavy metals in non-hazardous sewage sludge compost and the limits of the national standard

表2 土壤性質(zhì)的分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The grading standards of soil properties

式中：IFIi平均與IFIi最小分別為土壤各屬性分肥力均值與最小值；n為評價指標(biāo)個數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)計算，試驗(yàn)結(jié)果采用SAS 9.1統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，不同處理間采用最小顯著差數(shù)法 (LSD法) 進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn) (P ＜ 0.05)，用Originpro 9.1軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用污泥堆肥對土壤綜合肥力指數(shù)的影響

由表3可知，與CK相比，2013年小麥季施污泥堆肥各處理土壤綜合肥力指數(shù) (IFI) 無顯著差異；2013年玉米季W(wǎng)1、W2和W3處理的IFI分別增加了26.1%、35.9%和69.7%，其中W2和W3處理達(dá)到顯著水平 (P ＜ 0.05)；2015年小麥季和玉米季施污泥堆肥各處理IFI均顯著提升，其中2015年玉米季IFI達(dá)到最高值，W1、W2和W3處理分別顯著提升57.3%、95.2%和127.5% (P ＜ 0.05)；由雙因素方差分析得出，IFI受污泥堆肥施用量和輪作季節(jié)兩個因素的影響達(dá)到極顯著差異 (P ＜ 0.01)，其交互作用對IFI也有顯著影響。

2.2 施用污泥堆肥對土壤微生物生物量碳氮的影響

圖1表明，污泥施入能有效提高SMBC的含量，同一輪作季度其含量均隨著污泥堆肥施用量增大而增大，在W3處理達(dá)到最大值。與CK相比，2013年小麥季W(wǎng)1、W2和W3處理SMBC含量分別增加了10.94%、94.50%和153.52%，其中W2和W3處理達(dá)到顯著水平 (P ＜ 0.05)；2013年玉米季施污泥堆肥各處理SMBC含量均沒有顯著增加；2015小麥季和玉米季W(wǎng)1、W2和W3處理SMBC含量較CK均顯著提升，其中2015小麥季SMBC含量達(dá)到最大值，W1、W2和W3處理SMBC含量較CK分別顯著提升109.93%、176.17%和216.78%(P ＜0.05)。在相同收獲季節(jié)，同一污泥堆肥施用量處理其2015年SMBC的含量相較2013年顯著提高，說明SMBC含量隨污泥堆肥施用時間增加而增加。同時，2013年和2015年各處理小麥季SMBC含量均高于玉米季。

污泥施入能有效提高SMBN的含量，同一輪作季度其含量均隨著污泥堆肥施用量增大而增大，且在W3處理達(dá)到最大值。與CK相比，2013年小麥季W(wǎng)1、W2和W3處理SMBN含量分別增加了50.1%、106.2%和314.6%，其中W3處理達(dá)到顯著水平 (P ＜ 0.05)；2013年玉米季W(wǎng)1、W2和W3處理SMBN含量分別增加了1.8%、28.4%和53.6%，其中W3處理達(dá)到顯著水平 (P ＜ 0.05)；2015小麥季和玉米季W(wǎng)1、W2和W3處理SMBN含量較CK均顯著提升，其中2015玉米季SMBN含量達(dá)到最大值，W1、W2和W3處理SMBN含量較CK分別顯著提升55.6%、100.5%和162.3% (P ＜ 0.05)。SMBN含量隨污泥堆肥施用時間增加而增加，在相同收獲季節(jié)，同一污泥堆肥施用量處理其2015年SMBN含量相較2013年顯著提高。同時，2013年和2015年各處理玉米季SMBN含量均高于小麥季。

表3 不同處理不同輪作季節(jié)土壤綜合肥力指數(shù) (IFI)Table 3 IFI under different treatments in different time

2.3 土壤微生物生物量碳氮與IFI的相關(guān)性

表4結(jié)果表明，SMBC、SMBN與IFI之間存在著極顯著正相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.01)，說明提高土壤肥力能促進(jìn)土壤微生物的生長。有機(jī)物料的輸入為微生物的生長繁殖提供了足量的碳源，使土壤微生物活性提高，增加了土壤微生物生物量。另外相關(guān)性分析表明SMBC與SMBN呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。

2.4 連續(xù)施用污泥堆肥的土壤和植物籽粒重金屬含量

2.4.1 土壤重金屬含量 由表5可知，各處理土壤中Cu、Zn、Cd、Cr、Ni含量隨著污泥堆肥施用時間的增長均有不同程度升高，在2015年玉米季含量達(dá)到最大值。2015年玉米季土壤Cu、Cd和Cr含量均在W3處理達(dá)到最大值，分別達(dá)到34.76 mg/kg、0.25 mg/kg和54.76 mg/kg；土壤Zn和Ni含量在W2處理達(dá)到最大值，分別顯著升高到95.85 mg/kg和21.34 mg/kg；土壤Pb含量變化不明顯。土壤各重金屬含量均遠(yuǎn)低于土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的限量值，說明施用15～45 t/hm2污泥堆肥不會對沙質(zhì)潮土造成重金屬污染。

2.4.2 植物籽粒重金屬含量 由表6可以看出，在連續(xù)三年施用污泥后，2015年小麥季和玉米季施用污泥各處理植物籽粒中Cd含量低于檢出限，Pb含量較低且變化不明顯，Cu、Zn、Cr和Ni含量隨輪作季度有不同程度的升高，且在2015年玉米季其含量達(dá)到最大值。2015年玉米籽粒Cu、Zn和Ni含量在W3處理達(dá)到最大值，分別升高到1.91 mg/kg、20.15 mg/kg和0.21 mg/kg。2015年玉米籽粒Cr含量在W2處理達(dá)到最大值0.23 mg/kg。雖然施用污泥堆肥后，植物籽粒重金屬含量較CK有不同程度升高，并且隨施用時間增長有一定的累積效應(yīng)，但其含量均遠(yuǎn)低于《食品中污染物限量》(GB2762—2012)、《食品中銅限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB15199—1994)、《食品中鋅限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB13106—1991) 所規(guī)定的限量值，說明施用15～45 t/hm2污泥堆肥不會影響玉米和小麥籽粒的安全品質(zhì)。

表4 土壤微生物量碳、氮與IFI間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients (r) between SMBC, SMBN and IFI

圖1 不同處理不同輪作季節(jié)土壤微生物量碳、氮含量Fig. 1 The contents of soil microbial biomass carbon and nitrogen under different treatments in different seasons

表5 不同輪作季節(jié)各處理土壤重金屬含量 (mg/kg)Table 5 Soil heavy metal concentrations under different treatments in different seasons

表6 不同輪作季節(jié)各處理植物籽粒重金屬含量 (mg/kg)Table 6 Heavy metal concentrations of maize and wheat grains under different treatments in different seasons

3 討論

3.1 施用污泥堆肥對土壤肥力效應(yīng)的影響分析

施肥是影響土壤肥力以及其可持續(xù)利用的重要農(nóng)業(yè)措施之一，已有研究表明施加污泥堆肥可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善理化性質(zhì)，從而提高土壤肥力[18–20]。土壤肥力是各種理化指標(biāo)的綜合體現(xiàn)，相比于單因子肥力，土壤綜合肥力指數(shù) (IFI) 更能真實(shí)反映土壤肥力質(zhì)量。因此，本研究選取常規(guī)5項(xiàng)土壤基本指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)化后，選用修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)法，對土壤綜合肥力進(jìn)行評價。研究發(fā)現(xiàn)，施用污泥堆肥能夠顯著提高土壤肥力質(zhì)量，這和前人的研究結(jié)果一致[21]。施用污泥堆肥處理IFI隨污泥堆肥施用時間增加而增加，在2015年玉米季達(dá)到最大值，這是因?yàn)殡S著施用時間的增加，污泥堆肥在土壤中不斷積累以及土壤中已有污泥堆肥不斷分解釋放養(yǎng)分，導(dǎo)致土壤肥力不斷提升。

3.2 施用污泥堆肥對土壤微生物量碳氮的影響分析

土壤微生物量碳氮 (SMBC、SMBN) 是土壤中的活性養(yǎng)分庫，可以反映土壤中養(yǎng)分的有效性和生物活性，能在很大程度上反映土壤微生物的數(shù)量，是評價土壤微生物數(shù)量和群落活性的重要指標(biāo)[22]。有研究表明，污泥堆肥施入農(nóng)田土壤[23–25]和草地[26]可以顯著提高土壤中的SMBC和SMBN含量，并且SMBC和SMBN含量與污泥堆肥的施用量呈正相關(guān)關(guān)系。本研究得出，施用污泥堆肥后SMBC和SMBN含量均得到顯著提高，且隨著污泥堆肥施用量和施用時間增加而增加，與劉曉等[27]的研究結(jié)果一致。這是因?yàn)槲勰喽逊什粌H含有豐富的碳源，為土壤微生物提供能源，而且污泥堆肥有較多穩(wěn)定態(tài)的有機(jī)質(zhì)，可以促進(jìn)土壤的團(tuán)聚作用和保水性能，從而為微生物的生長和繁殖創(chuàng)造適宜的環(huán)境，提高了微生物量[28]。另外，污泥堆肥是經(jīng)過添加微生物后堆肥處理的，其中必然也含有大量微生物，施入土壤后可增加外源微生物量，進(jìn)而提高SMBC和SMBN含量。本研究中2013年和2015年同一處理小麥季SMBC含量均高于玉米季，而玉米季SMBN含量均高于小麥季。這可能是由于微生物量碳氮受季節(jié)差異影響導(dǎo)致的，因?yàn)樾←準(zhǔn)斋@季為每年6月，而玉米收獲季為每年9月，其溫度、水分等自然條件的差異可能會影響土壤微生物量碳氮的含量。此外，作物根系會分泌大量根系分泌物，而根系分泌物是土壤微生物的重要碳源和能源，可以促進(jìn)土壤微生物生長繁殖。小麥和玉米的根系分泌物對促進(jìn)土壤微生物生長繁殖的程度不同，并且對土壤微生物固氮能力的影響程度不同。

3.3 土壤微生物量碳氮和IFI的相關(guān)性分析

土壤微生物一方面可以分解土壤有機(jī)物質(zhì)，使有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成有效養(yǎng)分，另一方面，對土壤中的無機(jī)營養(yǎng)元素起固持和保蓄作用，因此，土壤微生物量是植物礦質(zhì)養(yǎng)分的源和匯[29–30]。已有研究表明，SMBC和SMBN可以作為土壤質(zhì)量的一個重要生物指標(biāo)，土壤微生物量的微小變化都會影響土壤養(yǎng)分含量，能更為敏感地指示土壤質(zhì)量的變化[31]。趙曉琛等[32]研究發(fā)現(xiàn)SMBN與速效磷含量呈顯著正相關(guān)(P ＜ 0.05)。汪文霞等[33]發(fā)現(xiàn)，SMBC與土壤全氮呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.812 (P ＜ 0.01)，SMBN與土壤全氮呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.644 (P ＜ 0.05)。本研究結(jié)果表明，SMBC、SMBN與IFI具有極顯著的正相關(guān)性。SMBC、SMBN與IFI相關(guān)性較強(qiáng)可能是因?yàn)闊o害化污泥堆肥的輸入增大了土壤養(yǎng)分含量，從而為微生物的生長繁殖提供了充足的碳源，使土壤微生物活性提高，增加了土壤微生物生物量。

3.4 連續(xù)施用污泥堆肥土壤植物質(zhì)量安全性分析

施用污泥堆肥對農(nóng)田土壤重金屬積累的影響是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用污泥堆肥最為關(guān)切的問題之一。本研究結(jié)果表明，長期施用無害化污泥堆肥可對土壤重金屬的積累產(chǎn)生一定的影響，施用無害化污泥堆肥后，土壤重金屬含量隨施用時間總體呈上升趨勢，不同重金屬元素的增加幅度有所不同，在本試驗(yàn)輪作季度內(nèi)，其含量均遠(yuǎn)低于國家環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn) (GB15618—1995)。依據(jù)土壤肥力分級參考標(biāo)準(zhǔn) (NY/T 391—2000)：SOM 含量 ＞ 15 g/kg 為I級；10～15 g/kg為П級；＜ 10 g/kg為Ш級，發(fā)現(xiàn)2015年玉米季CK的肥力質(zhì)量為Ш級；W1的肥力質(zhì)量為П級；W2和W3的肥力質(zhì)量為I級，可以看出連續(xù)3年施用污泥堆肥有效提高了沙質(zhì)潮土的肥力質(zhì)量。所以，W2和W3處理在后期施肥可以只施用化肥而不施用污泥堆肥，W1處理可以繼續(xù)施用污泥堆肥培肥土壤，這樣既可以提升土壤肥力，又能有效降低土壤重金屬累積帶來的環(huán)境風(fēng)險。通過對植物籽粒中重金屬含量的測定發(fā)現(xiàn)，施用污泥堆肥能提高籽粒中重金屬含量，但是其值均遠(yuǎn)低于國家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全規(guī)定的限量值，說明本試驗(yàn)中土壤重金屬的有效性很低，植物吸收利用率低，可能是因?yàn)橥寥乐兄亟饘偕镉行B(tài)存在比例較低，而重金屬以殘渣態(tài)的形式存在對植物基本無效[34]。

4 結(jié)論

1) 土壤綜合肥力指數(shù) (IFI) 隨污泥堆肥施用時間增加而增加，在2015年玉米季達(dá)到最大值，較CK處理，W1、W2和W3處理IFI分別顯著提升了57.3%、95.2%和127.5% (P ＜ 0.05)，說明連續(xù)施用污泥堆肥可以有效提高土壤肥力，且IFI隨污泥堆肥施用量增加而升高。

2) SMBC和SMBN含量隨污泥堆肥施用時間增加而增加，在相同收獲季節(jié)，同一污泥堆肥施用量其2015年SMBC和SMBN的含量相較2013年顯著提高。各輪作季度SMBC和SMBN含量隨污泥堆肥施用量增加而增加。

3) 在本研究施用時間內(nèi)土壤重金屬含量和植物籽粒重金屬含量分別低于國家環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995) 和國家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全規(guī)定的限量值，并且根據(jù)土壤肥力分級參考標(biāo)準(zhǔn) (NY/T 391—2000) 得出，2015年玉米季W(wǎng)2和W3處理的土壤肥力已經(jīng)達(dá)到Ⅰ級，可以不再施用污泥堆肥，這樣既可以提升土壤肥力，又能有效降低土壤重金屬累積帶來的環(huán)境風(fēng)險。