常會(huì)慶,吳 杰,王啟震,焦常鋒,朱曉輝,王 浩
(河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,洛陽(yáng)市共生微生物與綠色發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,洛陽(yáng)市植物營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,洛陽(yáng)471000)
中國(guó)年城市污泥產(chǎn)量巨大,預(yù)計(jì)到2020年,污泥產(chǎn)量將達(dá)6 000萬(wàn)t~9 000萬(wàn)t[1]。因此,污泥的無(wú)害化與資源化處置迫在眉睫。污泥無(wú)害化處理后農(nóng)用是消納污泥的有效手段[2-4]。目前,歐美國(guó)家用來(lái)改善土壤或作為農(nóng)作物肥料的污泥比例約占60%[5],而中國(guó)污泥農(nóng)用率不足10%[6],但中國(guó)污泥和主要有機(jī)肥所含養(yǎng)分相比,其氮、磷、有機(jī)質(zhì)含量豐富,因而可以作為植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分源[7-8]。雖然污泥連續(xù)施用有增加土壤-植物系統(tǒng)中重金屬含量的風(fēng)險(xiǎn)[9],但隨著城市污泥在農(nóng)用、環(huán)境效應(yīng)和控制標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求,污泥中重金屬的含量在逐年降低,所以污泥農(nóng)用越來(lái)越受到人們的重視[10]。
研究表明城市污泥的土地利用有利于不同類型土壤和作物上養(yǎng)分含量的增加[11-12],但由于污泥來(lái)源、施用土壤和作物類型不同,其施用效果存在差異[13-14]。石灰性土壤是廣泛分布于中國(guó)干旱和半干旱地區(qū)的土壤類型之一,由于石灰性土壤中鹽基高度飽和,呈中性至堿性反應(yīng),對(duì)污泥中重金屬有較強(qiáng)的吸附沉淀作用[15]。因此,該類土壤可作為污泥農(nóng)用的“首選”土壤類型,有必要深入研究污泥添加對(duì)小麥-玉米輪作模式下石灰性土壤養(yǎng)分特征的影響,以及其可能導(dǎo)致的磷淋失風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)于淋失失風(fēng)險(xiǎn)閾值的研究較多[16-17],但多集中在磷肥過(guò)量施用所導(dǎo)致的磷淋失風(fēng)險(xiǎn)[18-19],而污泥施用對(duì)石灰性土壤中磷淋失風(fēng)險(xiǎn)的研究還鮮有報(bào)道。因此,本研究通過(guò)在石灰性土壤中連續(xù)添加污泥,研究其對(duì)石灰性土壤養(yǎng)分狀況、肥力特征的影響,同時(shí)探討污泥添加對(duì)石灰性土壤中磷素淋失臨界值的影響,以期為污泥在石灰性性土壤中的合理施用提供依據(jù)。
本試驗(yàn)在河南科技大學(xué)農(nóng)場(chǎng)開(kāi)展,該農(nóng)場(chǎng)位于河南省西部的洛陽(yáng)市(34°41′N、112°27′E),試驗(yàn)點(diǎn)地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫12.2~24.6℃,無(wú)霜期210 d以上,年降水量、日照和年均濕度分別為528~800 mm、2 200~2 300 h和60%~70%。供試土壤取自河南科技大學(xué)農(nóng)場(chǎng)大田20 cm的表層土,風(fēng)干后過(guò)2 mm篩(除去雜草、砂礫等),土壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。
試驗(yàn)采用高40 cm,直徑30 cm的塑料盆缽。污泥不同添加量水平參照《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB4284-2018)規(guī)定的污泥施用量(7.50 t/hm2),設(shè)置的5個(gè)處理分別為0(Control)、3.75(H1)、7.50(H2)、37.5(H3)、75.0 t/hm2(H4)。污泥的施用量為折算成大田的施用量(按照大田表層土質(zhì)量為2.25×106kg/hm2計(jì)算)。所選污泥為經(jīng)過(guò)好氧高溫堆肥制備的腐熟污泥,其重金屬含量符合《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB4284-2018)所規(guī)定的值(鎘、汞、鉛、鉻、砷含量分別小于3、3、300、500、30 mg/kg),污泥的基本理化性質(zhì)如表1所示。
表1 土壤和腐熟污泥基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil and decomposed sludge
取10 kg過(guò)篩土壤放置于盆缽中,依據(jù)大田作物傳統(tǒng)施肥量,每盆施用尿素2.60 g,過(guò)磷酸鈣4.2 g,氯化鉀1.3 g,再施入不同處理量的污泥,使肥料、污泥和土壤均勻混合。每個(gè)處理重復(fù)3次,隨機(jī)排列在溫室中,土壤含水率調(diào)節(jié)為80%的田間持水量,土壤田間持水量為19.67%。依據(jù)北方典型的輪作種植模式,以冬小麥-夏玉米為供試作物,冬小麥和夏玉米品種分別為豫農(nóng)035和鄭單958,每盆留10株小麥(或1株玉米)。試驗(yàn)于2015年10月10日播種小麥,于2016年6月1日收獲小麥后種植玉米,玉米收獲時(shí)間為2016年10月8日,作物生長(zhǎng)期間的平均氣溫和降雨量分別為14.9℃和631.2 mm。
待作物成熟后,收集土壤樣品風(fēng)干后,分別過(guò)0.85和0.12 mm的土篩后備用。土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[20]:pH值采用水土質(zhì)量比5:1的電位法測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定;土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定;土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法;土壤全磷采用HClO4-HSO4消解,鉬銻抗比色法測(cè)定;土壤Olsen-P采用NaHCO3浸提,鉬銻抗比色法測(cè)定;土壤速效鉀采用CH3COONH4浸提,火焰光度計(jì)法測(cè)定。土壤CaCl2-P采用CaCl2溶液提取,鉬銻抗比色法測(cè)定。
土壤綜合肥力評(píng)價(jià)方法:采用內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算土壤綜合肥力指數(shù)(integrated fertility index,IFI)[21]。將土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、Olsen-P和速效鉀含量代入下列公式計(jì)算其分肥力系數(shù)IFIi:
式中IFIi為分肥力系數(shù);x表示土壤各指標(biāo)測(cè)定值;IFIi平均和IFIi最小分別是土壤各指標(biāo)的分肥力均值與最小值;N表示土壤指標(biāo)個(gè)數(shù);xa、xc、xp為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下限、中值和上限,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考第二次全國(guó)土壤普查標(biāo)準(zhǔn)(表2)。根據(jù)IFI值將土壤肥力分為4個(gè)等級(jí)[22](表3)。
根據(jù)2 a研究中土壤有效磷Olsen-P與可溶性磷CaCl2-P之間的關(guān)系,以不偏離突變點(diǎn)為基礎(chǔ),使高Olsen-P含量與CaCl2-P之間的關(guān)系方程斜率最大,決定系數(shù)R2最高,而低Olsen-P含量與CaCl2-P之間的關(guān)系方程斜率最小,再根據(jù)2個(gè)方程計(jì)算土壤磷酸鹽淋失臨界值或突變點(diǎn)[23]。
表2 土壤性質(zhì)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading criteria for soil properties
表3 土壤肥力的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard of soil fertility
采用軟件SPSS17.0進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析,多重比較選用Duncan法進(jìn)行檢驗(yàn)(α=0.05)。
2.1.1 污泥添加對(duì)土壤pH值和有機(jī)質(zhì)的影響
污泥添加對(duì)土壤pH值的影響見(jiàn)表4。相同年份條件下,玉米季土壤pH值高于小麥季。2016年各處理之間土壤pH值差異不顯著(P>0.05)。2017年,小麥季的H3、H4處理與Control相比,土壤pH值顯著降低0.26和0.31個(gè)單位(P<0.05),玉米季各施用污泥處理的pH值分別顯著降低了0.19、0.24、0.28、0.39個(gè)單位(P<0.05)??梢?jiàn),2 a連續(xù)污泥施用,石灰性土壤pH呈下降趨勢(shì),而且隨著污泥添加量增加呈現(xiàn)pH值下降越明顯的趨勢(shì)。隨污泥添加量增加,土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)(表4)。2016年小麥季的H3和H4處理與無(wú)污泥添加相比,土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加了68.44%和28.77%(P<0.05),其他添加污泥處理與無(wú)污泥添加處理相比差異不顯著(P>0.05);2016年玉米季的H3、H4處理,土壤有機(jī)質(zhì)顯著增加了32.63%和48.41%(P<0.05),且兩處理之間差異顯著,而其他處理之間無(wú)顯著差異;2017年小麥季的H3和H4兩處理,土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加了61.77%和128.57%(P<0.05);玉米季的H2、H3和H4處理,土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加25.86%,54.75%和84.59%(P<0.05)。可見(jiàn),隨著污泥施用年限的增長(zhǎng),土壤有機(jī)質(zhì)不斷積累。
表4 不同處理對(duì)土壤pH及氮磷鉀的影響Table 4 Effects of different treatments on soil pH values and N-P-K content
2.1.2 污泥添加對(duì)土壤全氮和堿解氮的影響
2 a小麥-玉米輪作過(guò)程中,土壤全氮與堿解氮隨污泥添加量的增加而增加(表4)。和Control相比,2016年小麥季的H3和H4處理,土壤全氮顯著增加43.10%、62.07%(P<0.05),玉米季H2、H3和H4處理的全氮顯著增加了31.25%、37.5%和72.92%(P<0.05);2017年小麥季H2、H3和H4處理的全氮增加量分別為17.74%、61.29%、104.84%(P<0.05),玉米季污泥添加各處理全氮增加量分別為14.58%、35.42%、83.33%、133.33%(P<0.05)。相同年份當(dāng)污泥添加量相同時(shí),玉米季土壤全氮含量小于小麥季,并且土壤全氮隨著污泥施用年限的增加而增加。同一輪作季,土壤堿解氮含量隨污泥施用量的增加而增加(表4)。和Control相比,2016年小麥季的H2、H3和H4處理和玉米季的H3和H4處理,土壤堿解氮的含量顯著增加,其中小麥季H2、H3、H4處理的堿解氮增加量分別為64.32%、87.57%、131.03%(P<0.05),玉米季H3、H4處理的堿解氮增加量分別為32.80%和133.33%(P<0.05)。2017年小麥季與玉米季的H2、H3、H4,土壤堿解氮的含量較Control顯著增加,其中小麥季土壤堿解氮增加量分別為11.97%、44.26%、182.53%(P<0.05),玉米季土壤的堿解氮增加量分別為68.42%、102.11%、131.58%(P<0.05)。同一輪作季當(dāng)污泥添加量相同時(shí),小麥季土壤的堿解氮含量高于玉米季,且2017年土壤堿解氮含量高于2016年。
2.1.3 污泥添加對(duì)土壤全磷、有效磷變化
土壤全磷與有效磷的變化與土壤中氮素變化趨勢(shì)相似,也均表現(xiàn)出隨污泥添加量的增加而上升趨勢(shì)(表4)。2 a小麥季的H2、H3、H4處理與Control相比,土壤全磷含量顯著增加了12.66%、13.92%、25.32%(2016年)和14.46%、40.96%、62.65%(2017年)(P<0.05);玉米季的H3和H4處理較Control處理,土壤全磷顯著增加了23.94%、29.58%和39.19%、79.73%(P<0.05)。同樣,在同一輪作季當(dāng)污泥添加量相同時(shí),玉米季土壤全磷含量小于小麥季,并且2017年土壤全磷含量大于2016年。與Control相比,2016年H2、H3和H4處理土壤有效磷在小麥分別顯著增加36.62%、74.21%、109.72%,玉米季增加75.71%、202.14%、320.95%(P<0.05)。2017年小麥季與玉米季土壤的有效磷含量,與Control相比,小麥季H2、H3、H4處理的土壤有效磷分別增加31.60%、150.12%、275.18% (P<0.05),玉米季 H1、H2、H3、H4處理的土壤有效磷分別增加50.14%、66.62%、251.68%、307.40%(P<0.05)??梢?jiàn),隨著污泥的連續(xù)農(nóng)用,土壤中有效磷有明顯的累積效應(yīng)。
2.1.4 污泥添加對(duì)土壤速效鉀影響
污泥中鉀含量較氮、磷含量相對(duì)低,本研究中污泥添加也會(huì)增加土壤速效鉀含量,且土壤速效鉀含量隨污泥添加量的增加而增加(表4)。2016年小麥季的H2、H3、H4處理較Control相比,土壤速效鉀顯著增加6.94%、25.15%、34.87%(P<0.05),玉米季H1和H2與Control間無(wú)顯著差異,但H3和H4處理可以使土壤速效鉀顯著增加23.07%和38.14%(P<0.05)。與Control相比,2017年小麥季H1、H2、H3、H4處理土壤速效鉀分別增加6.46%、9.95%、28.64%、38.60%(P<0.05),玉米季H2、H3、H4處理速效鉀分別增加4.15%、24.34%、39.49%(P<0.05)。同一輪作季當(dāng)污泥添加量相同時(shí),小麥季土壤速效鉀含量高于玉米季,并隨污泥的連續(xù)使用土壤速效鉀也存在積累效應(yīng)。
小麥-玉米2 a輪作中,污泥的連續(xù)施用與小麥和玉米季石灰性土壤中氮、磷的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖1。2 a小麥和玉米季污泥的累積施用量與土壤全氮存在正相關(guān)關(guān)系:小麥季 R2=0.97~0.99(P<0.01),玉米季 R2=0.89(P<0.05)~0.97(P<0.01),隨著污泥施用年限的增加,玉米季土壤全氮與污泥添加量之間的相關(guān)性由顯著變?yōu)闃O顯著。2 a小麥與玉米季土壤堿解氮與污泥累積施用量之間同樣存在正相關(guān)關(guān)系:小麥季R2=0.84(P<0.05)~0.94(P<0.01),玉米季 R2=0.82(P<0.05) ~0.94(P<0.01),小麥季二者間關(guān)系隨著污泥累積施用量的增加由顯著變?yōu)闃O顯著,但玉米季由極顯著變?yōu)轱@著相關(guān)。同樣,土壤中全磷在2 a小麥和玉米季含量變化與污泥累積施用量之間存在正相關(guān)關(guān)系:小麥季R2=0.82(P<0.05)~0.97(P<0.01),玉米季R2=0.92(P<0.05)~0.99(P<0.01),相同生長(zhǎng)季節(jié),土壤全磷與污泥累積施用量之間相關(guān)性由顯著變?yōu)闃O顯著。土壤中有效磷在2 a小麥和玉米季的含量變化與污泥累積施用量之間也表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系:小麥季R2=0.93~0.99(P<0.01),玉米季R2=0.91(P<0.05)~0.97(P<0.01),僅2017年玉米季土壤有效磷與污泥累積施用量之間相關(guān)性表現(xiàn)為顯著水平,其余3季均為極顯著水平。
Two-way ANOVA分析表明,污泥添加量和季節(jié)對(duì)土壤IFI影響極顯著(F=112和46,P<0.01),且二者對(duì)土壤IFI影響存在顯著交互作用(F=2.26,P<0.05)。污泥添加量的增加會(huì)促使土壤IFI表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)(表5)。與不添加污泥相比,2016年小麥季的H2、H3、H4處理的IFI分別顯著增加了13.04%、27.17%、38.04%(P<0.05),且這3個(gè)處理之間的IFI也存在顯著性差異;2016年玉米季各處理間的IFI差異顯著,和不添加相比,H1、H2、H3和H4處理的IFI分別增加了5.33%、12%、33.33%、50.67%(P<0.05);同樣2017年小麥季各處理的土壤IFI也均達(dá)到了顯著差異,與Control相比,H1、H2、H3和H4處理的IFI分別增加了6.38%、13.83%、39.36%、48.94%;2017年玉米季,H3和H4處理間的IFI差異不顯著(P>0.05),但顯著高于其他處理(P<0.05)。污泥添加后土壤的IFI與土壤肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)相比,小麥季土壤肥力達(dá)到一般土壤肥力狀況(0.9~1.8),而且隨著污泥添加量的增加,玉米季土壤的肥力狀況也由貧瘠向一般轉(zhuǎn)變。
通過(guò)分析污泥添加后石灰性土壤中Olsen-P與CaCl2-P含量變化,并建立兩者之間的線性關(guān)系(圖2),可以得出石灰性土壤CaCl2-P含量隨著Olsen-P含量的上升而上升,且CaCl2-P含量的變化呈現(xiàn)出突變上升的趨勢(shì),采用分段的線性擬合方程計(jì)算出石灰性土壤的Olsen-P突變點(diǎn),其兩段方程見(jiàn)圖2。線性方程之間的突變點(diǎn)為有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)28.57 mg/kg,該值可作為石灰性土壤磷素淋失的臨界值。結(jié)合圖1中污泥添加量與Olsen-P的關(guān)系,可計(jì)算出當(dāng)年或當(dāng)季土壤達(dá)到臨界值的污泥施用量為61.39 t/hm2。
圖2 Olsen-P與CaCl2-P的關(guān)系Fig.2 Relationship between Olsen-P and CaCl2-P
連續(xù)2 a在石灰性土壤中施用污泥會(huì)導(dǎo)致土壤pH的降低,pH的降低幅度隨著污泥添加量的增加而增加,其原因在于污泥中有機(jī)質(zhì)在土壤降解過(guò)程會(huì)分泌出大量的有機(jī)酸,會(huì)導(dǎo)致土壤pH降低[24]。因此,施入土壤中的污泥越多,其產(chǎn)生的有機(jī)酸越多,土壤pH降低幅度越大。另外,高的污泥添加量使土壤的硝化作用增加,也是導(dǎo)致pH降低的原因之一[25]。不同土壤類型上添加污泥都會(huì)改善土壤的養(yǎng)分狀況[24,26-28],提高土壤肥力[29-32]。沙土與壤土的蔬菜栽培試驗(yàn)中,當(dāng)污泥用量為4 kg/m2時(shí),2種土壤的有機(jī)質(zhì)比對(duì)照分別增加了56.3%和38.7%,氮、磷、鉀含量增加的幅度為10%~30%[33]。胡學(xué)峰等[34]在褐土性土與石灰性褐土上施用污泥處理,在收獲5茬油菜后,2種土壤的速效氮含量比不施污泥處理平均分別增加了44.3%與26.2%;土壤Olsen-P和速效鉀含量平均分別增加了154.4%、129.7%和38.7%、27.9%。石灰性土壤上施加城市污泥后也發(fā)現(xiàn),土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、土壤速效氮和Olsen-P含量與Control相比都達(dá)到了顯著水平,且隨著污泥添加量的增加,其含量增大,但土壤全鉀和速效鉀含量并未顯著受到污泥添加的影響[35-36]。本研究發(fā)現(xiàn),2 a污泥的累積農(nóng)用與石灰性土壤上養(yǎng)分變化關(guān)系密切,在污泥用量≥37.5 t/hm2時(shí),土壤各養(yǎng)分和肥力指數(shù)便會(huì)顯著增加,這主要是由于污泥的連續(xù)施用會(huì)使土壤中養(yǎng)分得到不斷補(bǔ)充和釋放,從而提高土壤養(yǎng)分含量[24]。
污泥農(nóng)用在增加土壤-作物供肥能力同時(shí),往往會(huì)由于污泥的過(guò)量施用而導(dǎo)致上述養(yǎng)分產(chǎn)生淋失風(fēng)險(xiǎn)。目前對(duì)土壤養(yǎng)分淋失臨界值的研究主要是對(duì)磷素臨界值的確定,例如Hesketh等[37]通過(guò)對(duì)土壤磷素淋失研究發(fā)現(xiàn),土壤磷素會(huì)在某一含量時(shí)促使土壤磷素淋失量突然增加,該突變點(diǎn)的土壤Olsen-P含量被稱為磷素淋失臨界值。Olsen-P表示土壤中可被植物吸收利用的磷,包含水溶性及吸附態(tài)磷,而CaCl2-P則主要表示土壤溶液中的磷,即水溶性磷[38]。鐘曉英等[23]運(yùn)用相關(guān)性分析建立了23種土壤中CaCl2-P與Olsen-P含量間的線性關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)Olsen-P含量達(dá)到某一值時(shí),CaCl2-P含量會(huì)突變上升,而該突變點(diǎn)所表示的Olsen-P含量可代表土壤磷素淋失的臨界值。不同的土壤類型,其磷素臨界值也存在著較大差異,李學(xué)平等[39]在室內(nèi)對(duì)3種類型的土壤進(jìn)行了磷素淋失臨界值的研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤Olsen-P質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60~115 mg/kg之間時(shí),將增大磷素淋失的風(fēng)險(xiǎn)。王彩絨等[40]對(duì)蔬菜地土壤的磷臨界值研究表明,土壤中Olsen-P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60 mg/kg時(shí),磷素就會(huì)出現(xiàn)淋失風(fēng)險(xiǎn)。土壤磷素淋失臨界值大小受土壤性質(zhì)影響[23],這是由于不同的土壤類型其磷酸鹽數(shù)量、種類及形態(tài)存在差異,使得各類土壤的磷臨界值也不相同[40]。土壤pH值變化直接影響到土壤磷素淋失臨界值,趙小蓉等[16]研究發(fā)現(xiàn),土壤pH與土壤磷素淋失臨界值之間呈拋物線關(guān)系,并在pH值為6時(shí)臨界值最高,若土壤的pH值大于6時(shí),其臨界值將會(huì)隨著土壤pH的增加而下降。本研究的石灰性土壤pH值為7.61,運(yùn)用傳統(tǒng)CaCl2-P含量突變表示土壤磷素淋失臨界值所對(duì)應(yīng)的土壤磷素淋失臨界值為28.57 mg/kg。
連續(xù)2 a在石灰性土壤上施用污泥,土壤pH值隨污泥施用量的增加而降低;土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀和土壤綜合肥力指數(shù)會(huì)隨污泥施用量的增加表現(xiàn)出升高趨勢(shì),尤其當(dāng)污泥用量大于等于37.5 t/hm2時(shí),土壤養(yǎng)分和綜合肥力指數(shù)與對(duì)照相比顯著增加。污泥添加后石灰性土壤上磷素淋失的Olsen-P風(fēng)險(xiǎn)值為28.57 mg/kg,此時(shí)不施肥的污泥累積施用量為61.39 t/hm2。因此,污泥農(nóng)用改善石灰性土壤養(yǎng)分狀況的同時(shí),需要注意污泥過(guò)量施用造成的養(yǎng)分淋失風(fēng)險(xiǎn)。