超氧化靜態(tài)好氧堆制的城市污泥對(duì)小白菜生長和土壤理化性質(zhì)的影響

王 強(qiáng)， 鄭夢(mèng)蕾， 楊善蓮， 李國亮， 馬友華

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036； 2.蚌埠圻潤環(huán)境工程科技有限公司，安徽 蚌埠 230036； 3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，安徽 合肥 230036)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

試驗(yàn)于2018年3月至2018年7月在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園內(nèi)進(jìn)行。污泥為蚌埠市第二污水處理廠處理后的污泥，其理化性質(zhì)及重金屬含量等如表1、表2所示。供試土壤為安徽省典型土壤類型黃褐土，面積總計(jì)8.379×105hm2，占安徽省土壤總面積的8.0%。主要分布于江淮低丘崗地、沿淮崗坡階地和淮北部分地區(qū)，是污泥來源城市周邊主要土壤類型。由于兩淮地區(qū)位于安徽淮南和淮北，為華東地區(qū)最重要的能源基地，燃煤電廠大氣汞排放每年達(dá)1．93 t，且屬于濕潤季風(fēng)氣候，可能由大氣沉降作用造成土壤汞超標(biāo)[25]。試驗(yàn)用的小白菜種子,購于安徽春澤種業(yè)有限公司。

表1 供試土壤和污泥的基本理化性質(zhì)

表2 供試土壤和污泥的重金屬含量及標(biāo)準(zhǔn)

1.2 污泥處理方法

污泥加水稀釋，含水率達(dá)90%～93%后加入強(qiáng)酸調(diào)節(jié)pH值為4～5，然后投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2.0%、pH值為9～11的溶液形式的高鐵酸鉀(含量5%～10%)，攪拌充分反應(yīng)，發(fā)揮高鐵酸鉀的超強(qiáng)氧化作用，破壞膠體結(jié)構(gòu)，破解污泥細(xì)胞壁，釋放出胞內(nèi)水和細(xì)胞表面吸附水，干燥粉碎后的污泥即采用靜態(tài)好氧堆肥方式進(jìn)行發(fā)酵，得到完全腐熟物料，作為試驗(yàn)材料[26]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置8個(gè)處理，3 次重復(fù)，具體設(shè)計(jì)如表3所示，其中無肥區(qū)(Ⅰ)作為對(duì)照，無機(jī)NPK (Ⅱ)處理選擇磷酸銨、尿素、氯化鉀3種肥料按照N 172.5 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2配比施肥，無機(jī)NPK+低量污泥 (Ⅲ)處理、無機(jī)NPK+中量污泥 (Ⅳ)處理、無機(jī)NPK+高量污泥(Ⅴ)處理分別在處理Ⅱ的基礎(chǔ)上再施用750 kg/hm2、1 500 kg/hm2、3 000 kg/hm2污泥，無機(jī)NPK+有機(jī)肥(Ⅵ)處理在處理Ⅱ的基礎(chǔ)上再施用1 500 kg/hm2腐熟雞糞有機(jī)肥，有機(jī)肥(Ⅶ)處理和污泥(Ⅷ)處理分別單施3 000 kg/hm2腐熟雞糞有機(jī)肥和3 000 kg/hm2污泥。盆栽方式隨機(jī)排列，每盆混合土質(zhì)量均為3 kg，所有處理肥料作為基肥一次性施入土壤，施肥量按照2.25×105kg/hm2土壤質(zhì)量折算，生育期不追加其他肥料。播種小白菜種子，間苗后每盆留3株幼苗。

表3 小白菜施肥處理方案

1.4 樣品采集

收獲時(shí)分別采集土壤和植株，采用環(huán)刀法測(cè)得各組土壤樣品水分及容質(zhì)量，其余土壤利用竹鏟采集，收集風(fēng)干。植物樣品采集處理是采集植株，稱質(zhì)量后經(jīng)65 ℃烘干至恒質(zhì)量，分別過篩，標(biāo)記裝袋。

1.5 測(cè)試項(xiàng)目與方法

硝酸鹽、可溶性糖、氨基酸含量分別采用高效液相色譜法、蒽酮比色法、氨基酸分析儀測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別采用重鉻酸鉀氧化法、凱氏蒸餾法測(cè)定，土壤全磷、全鉀含量均采用氫氧化鈉熔融法測(cè)定，土壤含水率、容質(zhì)量分別采用烘干法、環(huán)刀法測(cè)定，土壤pH、電導(dǎo)率采用電極法測(cè)定，小白菜和土壤中的鉻、鉛 、鎘、砷含量采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定，小白菜和土壤中的汞均采用原子熒光光譜法測(cè)定。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel進(jìn)行整理，采用SPSS軟件進(jìn)行單因素方差分析，再采用Origin 2018軟件繪圖。

1.7 評(píng)價(jià)方法

采用單因子污染指數(shù)和多因子評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)污泥對(duì)小白菜重金屬含量的影響。前者計(jì)算公式為:Pi=Ci/S，式中:Pi為單項(xiàng)污染指數(shù),Ci為實(shí)測(cè)濃度,S為《食品中污染物限量》GB2762-2012標(biāo)準(zhǔn)中重金屬含量限量標(biāo)準(zhǔn)。多種重金屬同時(shí)污染一個(gè)對(duì)象，其計(jì)算公式如下:

(1)

式中:Pn為內(nèi)梅羅污染指數(shù);Pi(ave)為各污染物污染指數(shù)的算術(shù)平均值;Pi(max)為各污染物中最大的污染指數(shù)。綜合評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下:Pn≤0.7,安全;0.73.0,重污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用污泥對(duì)小白菜生長的影響

2.1.1 施用污泥對(duì)產(chǎn)量的影響 由圖1可知，各處理的小白菜單株產(chǎn)量均顯著高于對(duì)照，污泥施用量對(duì)小白菜單株產(chǎn)量影響不明顯；處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ的小白菜鮮質(zhì)量顯著高于對(duì)照，其他處理與對(duì)照無顯著差異，污泥施用量對(duì)小白菜鮮質(zhì)量影響不明顯；處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ小白菜干質(zhì)量顯著高于對(duì)照，污泥施用量對(duì)小白菜干質(zhì)量影響不明顯。施用適量污泥可以增加小白菜單株產(chǎn)量、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量，施用量過多,會(huì)抑制作物的生長。與其他學(xué)者采用高溫好氧發(fā)酵處理在番茄上得出的研究結(jié)果[27]相比，使用本研究堆肥方法污泥增產(chǎn)效果明顯，與對(duì)照間差異顯著，在污泥用量上也與其他研究結(jié)果[28]相似，但污泥要適量，否則抑制作用也很明顯。

處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ見表3；相同指標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖1 不同處理中小白菜產(chǎn)量性狀Fig.1 Production traits of pakchoi under different treatments

2.1.2 施用污泥對(duì)小白菜品質(zhì)性狀的影響 由圖2可知，單用污泥處理小白菜硝酸鹽含量顯著高于對(duì)照，其他處理與對(duì)照無顯著差異，污泥施用量對(duì)小白菜硝酸鹽含量影響不明顯；處理Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ可溶性糖含量比對(duì)照顯著提高，其他處理整體與對(duì)照間無顯著差異，可溶性糖含量隨污泥施用量增加而提高；各種處理間氨基酸含量無顯著差異。與前人研究結(jié)果[29]比較，施用污泥均提高了植物可溶性糖含量，但本研究中施用污泥提高了硝酸鹽含量，可能與污泥的來源差異較大有關(guān)。

處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ見表3；相同指標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖2 不同處理小白菜品質(zhì)性狀Fig.2 Quality traits of pakchoi under different treatments

2.2 施用污泥對(duì)土壤養(yǎng)分和土壤理化性質(zhì)的影響

2.2.1 施用污泥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響 由圖3可知，各處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于對(duì)照，污泥施用量對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量影響不明顯；處理Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的土壤全氮含量顯著高于對(duì)照，其他處理與對(duì)照無顯著差異，土壤全氮含量隨污泥施用量的增加而提高；各處理土壤全磷含量除處理Ⅱ、Ⅳ外均比對(duì)照顯著提高，污泥施用量對(duì)土壤全磷含量影響不明顯；處理Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ的土壤全鉀含量顯著高于對(duì)照，污泥施用量對(duì)土壤全鉀含量影響不明顯。污泥單獨(dú)施用和與化肥配合施用，均可提高土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量，培肥地力，同時(shí)小白菜吸收利用的其他養(yǎng)分多，造成全鉀吸收減少。與前人研究結(jié)果[30]相似，隨著堆肥施用量的增加，土壤養(yǎng)分含量也呈明顯的增加趨勢(shì)。

處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ見表3；相同指標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3 不同處理土壤養(yǎng)分含量Fig.3 Soil nutrient content in different treatments

2.2.2 施用污泥對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響 由圖4可知，處理Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的土壤含水率顯著低于對(duì)照，其他處理與對(duì)照間無顯著差異，污泥施用量對(duì)土壤含水率影響不明顯。

處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ見表3；不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖4 不同處理土壤含水率Fig.4 Soil moisture content in different treatments

2.2.2.1 土壤容質(zhì)量 由圖5可知，除處理Ⅱ、Ⅲ外，其他處理土壤容質(zhì)量均比對(duì)照顯著降低，土壤容質(zhì)量呈現(xiàn)隨污泥施用量增加而降低的趨勢(shì)。與前人研究結(jié)果[31]相似，污泥中含有的大量有機(jī)質(zhì)可增強(qiáng)土壤生物(動(dòng)物、植物、微生物)的活動(dòng)，從而增加土壤孔隙度，降低土壤容質(zhì)量，提高土壤的持水能力。

處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ見表3；不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖5 不同處理的土壤容質(zhì)量Fig.5 Soil bulk density under different treatments

2.2.2.2 土壤pH 由圖6可知，各處理土壤pH均比對(duì)照降低，污泥用量對(duì)土壤pH的影響不明顯。

處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ見表3；不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖6 不同處理土壤pHFig.6 Soil pH under different treatments

2.2.2.3 土壤電導(dǎo)率 由圖7可知，處理Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的土壤電導(dǎo)率顯著高于對(duì)照，土壤電導(dǎo)率隨污泥施用量增加而提高。單用污泥對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響最小，但和無機(jī)化肥結(jié)合后明顯提高了土壤的電導(dǎo)率，抑制植物對(duì)養(yǎng)分的吸收。

處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ見表3；不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖7 不同處理土壤電導(dǎo)率Fig.7 Soil electrical conductivity under different treatments

2.3 施用污泥對(duì)小白菜吸收重金屬元素的影響

由圖8可知，處理Ⅲ、Ⅴ小白菜中鉻含量與對(duì)照差異不顯著，其他處理均顯著低于對(duì)照；處理Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ小白菜中鉛含量與對(duì)照無顯著差異，小白菜中鉛含量隨污泥施用量增加而提高；各處理小白菜中鎘含量均顯著低于對(duì)照，小白菜中鎘含量隨污泥施用量增加而提高；除處理Ⅳ、Ⅴ外，其他處理小白菜中砷含量均顯著低于對(duì)照，小白菜中砷含量隨污泥施用量增加而提高；各處理小白菜中汞含量均顯著低于對(duì)照，小白菜中汞含量隨污泥施用量增加而提高。單用污泥降低鎘效果最好，單用無機(jī)NPK降低砷、汞效果最好。植物對(duì)重金屬的吸收與積累是一個(gè)復(fù)雜的過程，與重金屬的種類及其生物有效性、植物生長代謝機(jī)制、土壤的理化性質(zhì)等因素有關(guān)[32]，本研究與前人研究結(jié)果[1]相似，污泥中較高含量的有機(jī)質(zhì)及較低的 pH 也有利于金屬-有機(jī)質(zhì)的絡(luò)合，從而降低重金屬在土壤-植物中的遷移風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 施用污泥對(duì)土壤中重金屬含量的影響

由圖9可知，處理Ⅵ土壤鉻含量顯著低于對(duì)照，其他處理與對(duì)照無顯著差異；各處理土壤鉛、鎘、砷、汞含量與對(duì)照無顯著差異。

2.5 小白菜對(duì)重金屬元素富集的影響

由表4可知，處理Ⅱ、Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ小白菜中鉻富集系數(shù)顯著低于對(duì)照，其他處理與對(duì)照無顯著差異，小白菜中鉻富集系數(shù)與污泥施用量間的關(guān)系不明顯；處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅷ小白菜中鉛富集系數(shù)顯著低于對(duì)照，其他處理與對(duì)照無顯著差異，小白菜中鉛富集系數(shù)隨污泥施用量增加而提高；各處理小白菜中鎘富集系數(shù)均顯著低于對(duì)照，小白菜中鎘富集系數(shù)隨污泥施用量增加而提高；處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅷ小白菜中砷富集系數(shù)顯著低于對(duì)照，其他處理與對(duì)照無顯著差異，小白菜中砷富集系數(shù)隨污泥施用量增加而提高；各處理小白菜中汞富集系數(shù)均顯著低于對(duì)照，小白菜中汞富集系數(shù)隨污泥施用量增加而提高。

單用污泥處理降低小白菜中鉻富集效果最好，無機(jī)NPK處理降低小白菜中鉛富集效果最好，單用污泥降低小白菜中鎘富集效果最好，無機(jī)NPK降低小白菜中砷富集效果最好，但NPK+高量污泥處理反而提高小白菜中砷富集系數(shù)，無機(jī)NPK降低小白菜中汞富集效果最好。不同處理下小白菜對(duì)重金屬的吸收富集能力差異較大，污泥、有機(jī)肥及無機(jī)NPK+中量污泥處理可以減少5種重金屬富集，可能是污泥中含有大量有機(jī)物，可以吸附不同形態(tài)重金屬。

處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ見表3；相同重金屬不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖8 不同處理小白菜中的重金屬含量Fig.8 Heavy metal content in pakchoi under different treatments

處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ見表3；相同重金屬不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。為圖表統(tǒng)一量級(jí)，土壤鎘、汞含量放大100倍。圖9 不同處理土壤中重金屬含量Fig.9 Heavy metal content in soil under different treatments

表4 不同處理小白菜重金屬富集系數(shù)

2.6 污染評(píng)價(jià)

由表5可知，各處理除鎘 (Cd)外均未達(dá)到污染水平(污染指數(shù)≤1.000)，但一些處理鎘單因子污染指數(shù)較高，其中無肥區(qū)對(duì)照(Ⅰ)>無機(jī)NPK+高量污泥(Ⅴ)>無機(jī)NPK+有機(jī)肥(Ⅵ)>無機(jī)NPK+中量污泥(Ⅳ)。說明沒有外源施肥時(shí)小白菜會(huì)直接吸收土壤重金屬，從內(nèi)梅羅污染指數(shù)來看,各處理中處理Ⅱ、Ⅶ、 Ⅷ處于安全清潔級(jí)(Pn≤0.7)，處理Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ 處于警戒級(jí)(0.7

表5 不同污泥施用量的污染指數(shù)

3 結(jié) 論

本研究采用的污泥超氧化深度處理技術(shù)及快速堆肥技術(shù)，與其他堆肥技術(shù)相比可以快速經(jīng)濟(jì)地處理城市污泥，而且處理后的污泥符合國家農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，通過控制污泥施用量可以改變土壤pH及土壤中有機(jī)物的種類和含量，可以提高植株鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、可溶性糖含量、硝酸鹽含量和氨基酸含量。施用適量污泥可以降低土壤含水率、土壤容重、土壤pH，提高土壤電導(dǎo)率(鹽度)及土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、土壤全磷、土壤全鉀含量。施用污泥可以減少小白菜重金屬富集，超氧化靜態(tài)好氧堆肥技術(shù)處理的污泥，只要用量合理，不超過1 500 kg/hm2，可以滿足農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)要求，但應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控Cd元素可能帶來的污染。