長期施用污泥對土壤-蘿卜系統(tǒng)重金屬積累及土壤養(yǎng)分含量的影響

董文，張青，王煌平，羅濤

（1.福建農林大學資源與環(huán)境學院，福州 350002；2.福建省農業(yè)科學院土壤肥料研究所/福建省地力培育工程技術研究中心，福州 350013；3.福建省農業(yè)科學院農業(yè)生態(tài)研究所/福建省丘陵地區(qū)循環(huán)農業(yè)工程技術研究中心，福州 350013）

隨著我國城市經濟的快速發(fā)展以及城市人口增長，污水處理量越來越大，污泥的產量也急劇增加。GEP Research 發(fā)布的《全球及中國污泥處理處置行業(yè)發(fā)展研究報告（2018）》顯示，2018 年中國污泥總產量為5 665 萬t，比2017 年增長了3.3%。城市污泥的堆肥利用是目前最有發(fā)展前景、最經濟有效，符合我國國情的處理方式之一[1-2]，在歐洲，這種污泥堆肥農用的歷史已有多年[3]，盡管歐洲各國所采用的污泥處置方法差別很大，但污泥農用還是主要的處理方式之一[4]。我國城市污水處理廠的污泥含有一定量的有機質和氮磷鉀等養(yǎng)分，其中有機物的含量一般為40%～70%，比一般農家肥要高[5]，因此污泥農用能夠提高土壤養(yǎng)分，改善土壤結構，提高農作物產量[6-7]。但是污泥來源于各種生活污水和工業(yè)廢水，含有各種重金屬、有機污染物等有害物質，這些有害物質，尤其是重金屬Pb、Cd、Ni、Cu、Zn 等造成的環(huán)境污染，一直是人們關心的問題[8]。

污泥中重金屬含量是限制污泥農用的重要指標之一[9-10]。大量研究表明，污泥堆肥農用會使土壤中的重金屬含量增加。許曉玲等[11]研究連續(xù)3 茬大豆施用污泥發(fā)現，土壤中重金屬含量隨著污泥堆肥用量的增加而增加，施用污泥堆肥顯著增加了微量元素Cu 和Zn 的含量，對重金屬Cd、Cr 和Pb 含量的影響不大。翟麗梅等[12]的研究表明，連續(xù)5 年施用污泥后，90%Hg 主要累積在表層土壤，污泥施用量低于18 t·hm-2時，土壤中Hg含量未超過土壤環(huán)境質量二級標準。

目前對污泥的研究多集中在短期施用對土壤和植物重金屬富集的影響，對污泥長期農用下的土壤養(yǎng)分和重金屬累積特征研究較少。鑒于此，本研究探討連續(xù)10 年施用不同用量污泥對土壤養(yǎng)分及重金屬（Pb、Cd、Cr、Ni、Cu 和Zn）含量的影響，旨在為長期合理施用污泥提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地位于福建省福州市閩侯縣白沙鎮(zhèn)溪頭村福建省農業(yè)科學院土壤肥料研究所野外觀測紅壤肥力與生態(tài)環(huán)境站，供試土壤為黃泥土，供試污泥來自廈門生活污水處理廠。供試土壤和污泥理化性狀及重金屬含量見表1和表2。供試蔬菜品種為漢白玉蘿卜（Raphanus sativusL.），下文表述中“蘿卜葉”表示地上部，“蘿卜”表示地下部。

表1 供試土壤和污泥理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of the soil and sludge

表2 供試土壤和污泥重金屬含量（mg·kg-1）Table 2 Contents of heavy metals in the soil and sludge（mg·kg-1）

1.2 試驗方法

試驗于2009—2019 年進行，每年種植一季，在種植前一次性施用污泥和肥料。試驗采用田間小區(qū)試驗，共5 個處理：①單施化肥（CK，尿素0.31 t·hm-2、鈣鎂磷肥0.87 t·hm-2、氯化鉀0.38 t·hm-2）；②低量污泥（S1，4.5 t·hm-2）；③中量污泥（S2，9 t·hm-2）；④中高量污泥（S3，13.5 t·hm-2）；⑤高量污泥（S4，18 t·hm-2）。每個處理3 個重復，小區(qū)面積為9 m2，隨機排列。污泥用量以對照處理的N、P2O5、K2O 養(yǎng)分量的70%為標準，不足的養(yǎng)分分別用尿素、過磷酸鈣、氯化鉀補充，超過不補。本論文中所用數據為最后一季測定結果。

1.3 測定方法

土壤pH 采用電位法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮采用凱氏法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法測定；土壤速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度計法測定；土壤全量重金屬Pb、Cd、Cr、Ni 和Cu 采用微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測定（PE900Z）；Zn 采用微波消解-火焰原子吸收光譜法測定。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2013 進行數據整理分析及作圖，SPSS 17.0進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 長期施用不同用量污泥對蘿卜產量的影響

隨著污泥施用量的增加，蘿卜產量呈增加趨勢（圖1），雖然不同污泥施用量處理比對照降低3.72%～15.99%，但處理間差異不顯著，這可能由于對照處理所用化肥的養(yǎng)分容易被蘿卜直接吸收，而污泥中養(yǎng)分需要慢慢釋放才能被蘿卜吸收?？梢婇L期施用污泥對蘿卜產量影響不大。

圖1 不同用量污泥長期施用下蘿卜的產量Figure 1 Yield of radish after long-term application of sludge with different dosages

2.2 長期施用不同用量污泥對蘿卜葉和蘿卜重金屬含量的影響

2.2.1 不同用量污泥對蘿卜葉中重金屬含量的影響

由表3 可知，連續(xù)10 年施用污泥后，蘿卜葉中重金屬含量均隨著污泥施用量的增加而增加。其中，各處理的蘿卜葉中Pb 含量差異不顯著；高量污泥處理蘿卜葉中Cd 含量與對照處理差異顯著，比對照高53.8%，其他處理的蘿卜葉中Pb 含量差異不顯著；對照處理蘿卜葉中Cr 含量與低量處理無顯著差異，但顯著低于其他污泥處理，中量、中高量和高量處理分別比對照高21.7%、52.1%和62.6%，且中高量與高量處理蘿卜葉的Cr 含量顯著高于中量和低量處理29.0%～39.4%；中量、中高量和高量處理蘿卜葉中Ni含量顯著高于對照處理831.5%、695.9%和705.5%，低量處理與對照處理無顯著差異，污泥各處理間，高量處理Ni 含量顯著高于低量與中量處理259.4%和75.7%，但與中高量無顯著差異；不同用量污泥處理蘿卜葉中Cu 含量均顯著高于對照處理，比對照提高67.4%～148.7%，中量、中高量和高量處理之間無顯著差異，但顯著高于低量處理28.1%、43.7%和48.5%；低量污泥處理蘿卜葉中Zn含量與對照處理無顯著差異，其他用量污泥處理顯著高于對照處理74.8%～435.0%，高量污泥處理顯著高于其他污泥處理56.5%～206.1%。

表3 不同用量污泥長期施用下蘿卜葉的重金屬含量（mg·kg-1）Table 3 Heavy metal content of radish leaves under long-term application of sludge with different dosages（mg·kg-1）

2.2.2 不同用量污泥對蘿卜重金屬含量的影響

由表4 可知，連續(xù)10 年施用污泥后，蘿卜中重金屬含量都隨著污泥施用量的增加而增加。其中，低量和中量污泥處理蘿卜中Pb 和Cd 含量與對照之間無顯著差異，但顯著低于中高量和高量處理75.0%～240.0%、75.0%～180.0%；中高量和高量處理蘿卜中Cr含量顯著高于對照處理50.9%和56.0%，但與低量和中量污泥處理無顯著差異；不同污泥用量處理蘿卜中Ni 含量均顯著高于對照420.0%～1 841.9%，且各處理之間均差異顯著；除低量污泥處理蘿卜中Cu、Zn含量與對照無顯著差異外，其余污泥處理均顯著高于對照處理156.6%～548.9%、99.3%～210.2%，高量污泥處理均顯著高于其他處理115.1%～548.9%、32.2%～210.2%。高量污泥處理蘿卜Pb、Cd和Cr的含量最高，分別為0.119、0.028 mg·kg-1和0.181 mg·kg-1，除高量處理Pb超標外，其余均未超過《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）的限量指標（Pb≤0.1 mg·kg-1、Cd≤0.1 mg·kg-1、Cr≤0.5 mg·kg-1）?？梢娺B續(xù)施用10 年污泥后，蘿卜中重金屬含量有所增加，但除了高量污泥處理Pb超標外，其他處理都還在安全食用范圍之內。

表4 不同用量污泥長期施用下蘿卜中重金屬含量（mg·kg-1）Table 4 Heavy metal content in radish under long-term application of different sludge dosages（mg·kg-1）

相關性分析（表5）表明，在長期施用污泥的條件下，污泥用量與蘿卜葉中Pb含量的相關性不顯著，但與其他重金屬呈極顯著正相關，相關系數達到0.690（Cd）、0.916（Cr）、0.914（Ni）、0.900（Cu）、0.927（Zn）；污泥用量與蘿卜中重金屬Pb、Cd、Cr、Ni、Cu 和Zn 都呈極顯著正相關，相關系數分別達到0.923、0.921、0.805、0.980、0.886、0.919，說明長期施用污泥下，污泥施用量對蘿卜重金屬含量的影響較大。

表5 污泥用量與蘿卜葉和蘿卜重金屬含量之間的相關關系Table 5 Correlation between sludge contents and heavy metal contents in leaf and radish

2.3 長期施用不同用量污泥對土壤重金屬含量的影響

2.3.1 不同用量污泥對土壤重金屬含量的影響

由表6可知，土壤中各重金屬（Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn）的含量隨污泥用量的增加而增加。其中，中高量和高量污泥處理土壤中Cd含量顯著高于對照和低量處理，比對照提高31.7%和48.1%，比低量處理提高26.8%和42.7%，低量和中低量污泥處理土壤中Cd 含量與對照無顯著差異。不同污泥用量處理土壤中Cr含量均顯著高于對照處理，比對照提高115.1%～536.1%，且各處理間差異顯著；中高量和高量處理Ni含量顯著高于對照處理，比對照分別提高46.1%和72.7%，而低量和中量處理與對照無顯著差異。對照處理土壤中Cu 含量與低量污泥處理相比，無顯著差異，但中量、中高量和高量處理顯著高于對照84.5%～265.2%，且不同污泥用量處理之間土壤Cu 含量差異顯著。各處理間土壤Pb含量無顯著差異。對照處理土壤中Zn含量與低量和中量處理無顯著差異，與中高量和高量污泥處理差異顯著，分別比對照提高52.3%和65.3%，中量處理土壤Zn含量與低量處理無顯著差異，中高量和高量處理Zn 含量比低量處理顯著提高37.4%和49.1%。可見，中高量和高量污泥連續(xù)施用10年能顯著提高土壤中Cd、Cr、Ni、Cu、Zn的含量。

表6 不同用量污泥長期施用下土壤重金屬含量（mg·kg-1）Table 6 Soil heavy metal contents under long-term application of sludge with different dosage（mg·kg-1）

連續(xù)10 年施用污泥后，4 個污泥處理的6 種重金屬含量都隨用量的增加而增加，其中，Pb、Cd、Cr、Ni、Cu和Zn含量分別比基礎土壤增加37.85～49.02、0.12～0.20、91.14～282.48、32.18～56.79、37.07～123.65 mg·kg-1和53.43～110.08 mg·kg-1。各處理土壤中Cd 和Zn含量并未超過《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）；中高量和高量污泥處理土壤中Pb 含量超標（Pb≤70 mg·kg-1），中量、中高量、高量污泥處理土壤中Cr 和Cu 含量超標（Cr≤150 mg·kg-1、Cu≤50 mg·kg-1）；高量污泥處理土壤中Ni 含量超標（Ni≤60 mg·kg-1），對照與低量污泥處理各重金屬含量均未超標。

2.3.2 污泥用量與土壤重金屬含量的相關性

污泥施用量與土壤各重金屬含量均呈正相關（表7），并達到顯著或極顯著水平。污泥用量與土壤中Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn 含量相關系數分別為0.639、0.861、0.975、0.839、0.960、0.808，除了與重金屬Pb 含量呈顯著相關（P<0.05）外，與其他重金屬均達到極顯著相關水平（P<0.01），表明污泥施用量對土壤中重金屬累積影響較大。

表7 污泥用量與土壤重金屬含量之間的相關關系Table 7 Correlation between sludge contents and soil heavy metal contents

2.4 長期施用不同用量污泥對土壤pH、有機質及氮磷鉀的影響

2.4.1 不同用量污泥對土壤pH和有機質含量的影響

長期施用不同用量污泥均能顯著提高土壤pH（表8），且隨著污泥施用量的增加，土壤pH 有逐漸升高的趨勢，污泥處理比對照提高了0.58～0.71 個單位。污泥各用量對土壤pH 的影響差異不顯著，表明長期污泥施用量在4.5～18 t·hm-2之間時對土壤pH 無顯著影響。與基礎土壤相比，長期施用污泥的土壤pH 提高了0.23～0.36 個單位，而長期單施化肥的對照處理，其土壤pH 下降了0.35 個單位，說明長期單施化肥會降低土壤pH。

表8 不同用量污泥長期施用下土壤pH、有機質及氮磷鉀含量Table 8 Soil pH,contents of organic matter and NPK under long-term application of sludge with different dosages

從表8可以看出，長期施用不同用量污泥均能提高土壤有機質含量，且有機質含量隨著污泥施用量的增加而增加。中高量、中量和低量污泥處理的土壤有機質含量與對照處理無顯著差異，高量污泥處理土壤有機質含量顯著高于對照處理，高量污泥處理土壤有機質含量達24.60 g·kg-1，顯著高于對照、低量和中量處理，與中高量污泥處理差異不顯著，分別比對照、低量、中量及中高量處理提高20.1%、19.2%、13.6%和5.9%。

2.4.2 不同用量污泥對土壤氮磷鉀含量的影響

與對照相比，長期施用不同用量的污泥均能增加土壤全量氮磷鉀和速效氮磷鉀含量，且總體上養(yǎng)分含量呈現隨污泥施用量增加而增加的趨勢（表8）。其中污泥處理的土壤全氮含量顯著高于對照處理，比對照提高7.7%～15.4%，污泥各處理之間無顯著差異。高量污泥處理的土壤全磷含量最高，中高量和高量污泥處理土壤全磷顯著高于對照50.0%和83.3%，低量和中量處理與對照之間無顯著差異，高量處理與中量和中高量處理之間無顯著差異，但高量處理全磷含量顯著高于低量處理。各處理間土壤全鉀含量無顯著差異，表明長期施用污泥對土壤全鉀影響不大。

高量污泥處理堿解氮含量顯著高于對照處理，其他污泥處理與對照并無顯著差異，各污泥處理之間的堿解氮含量無顯著差異。低量污泥處理有效磷含量稍高于對照，但與對照無顯著差異，而其他污泥處理有效磷含量顯著高于對照處理，比對照提高58.7%～138.2%，低量處理有效磷顯著低于其他污泥處理，高量與中高量處理的有效磷含量無顯著差異，但顯著高于中量及低量污泥處理，說明施用高量污泥能顯著提高土壤有效磷含量。各處理之間速效鉀含量無顯著差異。

3 討論

3.1 長期施用污泥對土壤pH和養(yǎng)分含量的影響

我國的農田土壤酸化日趨嚴重[13]，土壤酸化不僅會嚴重危害農業(yè)生產，還會提升土壤中重金屬活性，加重重金屬污染危害程度[14]。王伯仁等[15]的研究發(fā)現，在18 年間施用化學氮磷鉀肥料導致土壤pH 值下降了1.1個單位，造成了土壤酸化。本研究結果顯示，連續(xù)10 年單施化肥處理的土壤pH 比基礎土壤下降了0.35 個單位，施用污泥比單施化肥的土壤pH 值提高了0.58～0.71 個單位，且污泥施用量與土壤pH 呈極顯著正相關，表明長期施用污泥可提高土壤pH值，緩解土壤酸化。這是由于污泥偏堿性且施用后增加了土壤中有機質的含量，從而提高了土壤的酸堿緩沖性能[16]，有利于提高土壤pH。

研究發(fā)現施用污泥可提高土壤有機質、全量養(yǎng)分及有效養(yǎng)分含量[17-19]。Veiga 等[20]在葡萄牙中部地區(qū)的Baixo Mondego 研究城市污水處理廠的堆肥污泥對玉米種植田土壤的長期影響，結果表明，與密集施用化肥相比，堆肥污泥提高了土壤有機質（由1.2%升至2.2%）、總磷（由1 134 mg·kg-1升至2 747 mg·kg-1）和有效磷（由98.44 mg·kg-1升至821.85 mg·kg-1）含量?？瞪俳躘21]通過3 年試驗研究發(fā)現，污泥處理下的土壤全氮和有機質含量逐年變化不明顯，但均高于化肥和對照處理，土壤有效磷和速效鉀含量明顯提高。然而，本研究發(fā)現，長期施用污泥后土壤全量氮磷鉀、速效氮磷鉀含量都呈增加的趨勢。

3.2 長期施用污泥對土壤重金屬含量的影響

重金屬在土壤中遷移性很小，不能被微生物降解，在土壤中累積、被植物吸收富集后，會通過食物鏈進入人體，具有潛在危害。研究結果顯示，長期施用污泥后土壤中重金屬Pb、Cd、Cr、Ni、Cu 和Zn 含量均高于對照，而且隨著污泥施用量的增加，土壤中的重金屬含量也逐漸增加，相關性分析表明，污泥施用量與土壤全量重金屬Cd、Cr、Ni、Cu 和Zn 含量呈極顯著正相關（P<0.01），表明污泥施用量對土壤全量重金屬的影響很大，這與大多數研究者認為有機肥會增加農田重金屬污染風險的觀點一致。朱秀紅等[22]研究施用不同比例（0、5%、10%、15%、20%）的城市污泥堆肥對土壤重金屬含量的影響，結果表明，土壤中的重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Cd等含量均隨污泥施用比例的增加逐漸升高，但均不超過污泥農用泥質B級標準。楊國航等[23]的研究表明，長期（8 年）污泥農用顯著增加了土壤中Pb、Cd、Cu和Zn元素的總量，而對Ni元素的總量影響不顯著。這主要與污泥來源不同且污泥中重金屬含量差異較大有關。Veiga 等[20]的研究發(fā)現，長期（5 年）施用城市污水處理廠的堆肥污泥的農田土壤中Cu、Zn、Cd、Cr 等重金屬含量明顯高于施用化肥的土壤，對土壤具有長期風險。

3.3 污泥長期施用下的土壤安全和作物安全

由于不同地區(qū)的土壤重金屬環(huán)境容量不同，即使施用符合標準《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農用泥質》（CJ/T 309—2009）的污泥，各地施用年限的差異也很大。李桃等[24]以年施入污泥量7.5 t·hm-2·a-1計算，對山西省不同地市污泥的施用年限進行估算，研究結果顯示，晉北地區(qū)大同市約為117 年，朔州市約為217 年，忻州市約為133 年，晉中地區(qū)太谷縣約為6年，晉東南地區(qū)晉城市約為163 年，長治市約為29年。不考慮土壤重金屬元素的輸出及其他途徑的輸入，馬闖等[25]按中國城市污泥重金屬平均含量估算的結果表明，酸性和中性土壤上污泥土地利用安全施用年限為34 年，堿性土壤上為66 年。因此，在污泥長期農用時，首先要選用符合標準的污泥，其次在施用污泥提高土壤肥力的同時應兼顧施用污泥帶來的土壤中重金屬含量增加的風險，科學控制污泥的施用量。

本研究結果表明，連續(xù)10 年施用不同用量污泥后，土壤中各重金屬（Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn）的含量隨污泥用量的增加而增加，Pb、Cr、Ni和Cu在中量、中高量和（或）高量處理中超過國家土壤環(huán)境質量標準，其他重金屬尚未超標，這可能與污泥本身的重金屬含量、形態(tài)以及本試驗用量不高有關。雖然土壤含有不同量的重金屬，甚至Pb、Cr、Ni 和Cu 超標，但蘿卜可食部位中的重金屬含量，除高量污泥處理Pb超標外，其他處理均未超過食品安全國家標準。說明在本試驗用量范圍（4.5～18 t·hm-2）內連續(xù)施用污泥10年后，除高量污泥處理中蘿卜Pb 超標外，其他處理的蘿卜都是安全的，但土壤中已有4 種重金屬顯示超標，隨著污泥施用年限增長，種植于其中的作物食品安全還應予充分重視。

4 結論

（1）長期施用污泥條件下，土壤重金屬含量隨污泥施用量的增加而增加，且中高量和高量污泥施用后土壤重金屬的累積量增大，顯著或極顯著高于對照、低量和中量處理，其中，Pb、Cr、Ni 和Cu 在中量、中高量和（或）高量處理中超過國家土壤環(huán)境質量標準。

（2）長期施用污泥條件下，蘿卜、蘿卜葉中重金屬含量均隨污泥施用量的增加而增加，但除高量污泥處理Pb 超標外，其他所有處理蘿卜中的各重金屬含量均未超過食品安全國家標準。

（3）長期施用污泥能提高土壤pH、有機質、全量氮磷鉀以及速效氮磷鉀含量，其中施用不同用量污泥的處理土壤pH 比單施化肥處理提高了0.58～0.71 個單位。