施用污泥堆肥對玉米產量及土壤性質的影響

黃雅曦，李 季，李國學，楊合法，高 巍，黃 妍

（1.黑龍江大學農業資源與環境學院，哈爾濱 150080；2.中國農業大學資源與環境學院，北京 100094；3.中國農業大學曲周實驗站，河北 邯鄲 057250；4.黑龍江省經濟作物指導站，哈爾濱 150090）

污泥是污水處理后的附屬品，是一種由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體等組成的極其復雜的非均質體。污泥的成分非常復雜，除含有大量的水分（93%～99%）外，還含有大量的有機質、難降解的有機物、多種微量元素、病原微生物和寄生蟲卵、重金屬等成分。

根據我國2006年《中國水資源公報》統計，由于我國經濟和城市的快速發展，廢污水排放量逐年增長，2006年全國廢污水排放總量為731億t，其中工業廢水占2/3，第三產業和城鎮居民生活污水占1/3。截至2005年年底，中國城市污水處理率已達52%，因此，如何將產量巨大、成分復雜的污泥無害化、資源化，已成為世界環境界深為矚目的課題之一。污泥中由于含有大量的植物必需養分[1]，對作物起到良好的增產效果[2]，污泥農用是最有發展前景的一種處置方法[3-4]。污泥中的重金屬如Zn、Cu量大時會對環境造成危害，本研究針對污泥堆肥用于農作物，探索污泥農用對作物及土壤環境的影響，為污泥農用提供科學依據和途徑。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤為堿性沙壤土；

消化污泥取自太原市楊家堡污水處理廠；

污泥堆肥為：污泥+玉米芯+粉煤灰（粉煤灰占堆肥全部物料干重的20%）；污泥肥料取自太原市楊家堡污泥堆肥示范廠；

秸稈有機肥取自中國農業大學河北曲周實驗站。

土壤及污泥的基礎理化性質見表1。

表1 供試土壤及污泥基礎理化性質Table 1 Foundational chemical and physical characters of tested soil and sewage sludge

1.2 供試作物

玉米為農大108（第二茬作物）。

2 試驗方案

試驗在中國農業大學河北曲周實驗站進行，每個小區面積為40.60 m2，具體方案如下：

CK空白對照（不施肥）；

①化肥對照，碳酸銨1.125 t·hm-2、過磷酸鈣1.125 t·hm-2、硫酸鉀 0.15 t·hm-2，追施尿素 0.375 t·hm-2；② 消化污泥（含水 56%）22.5 t·hm-2，追施尿素 0.3 t·hm-2；③ 污泥堆肥（含水 45%）15 t·hm-2，追施尿素 0.3 t·hm-2；④ 污泥肥料 1.5 t·hm-2，追施尿素 0.3 t·hm-2；⑤ 秸稈有機肥 7.5 t·hm-2，追施尿素0.3 t·hm-2；肥料全部用作底肥，6個處理，3次重復。結果取平均值。

3 測定項目及方法

3.1 污泥和土壤養分的測定

有機質含量的測定采用重鉻酸鉀法；全P的測定采用HClO4-H2SO4消煮，鉬鏑抗比色法；全N的測定采用半微量凱式定氮法；速效K的測定采用NH4OAc浸提，火焰光度法；速效P的測定采用NaHCO3浸提，鉬鏑抗比色法；堿解N的測定采用NaOH水解，標準酸滴定法[5]。

3.2 土壤、污泥中重金屬全量的測定

所有試驗器皿全部在10%HNO3溶液中浸泡24 h，并用去離子水洗凈，試劑均為優級純。稱取土壤或污泥樣品0.1000 g于30 mL聚四氟乙烯坩堝中，用二次去離子水潤濕，然后加入7 mL HF溶液和1 mL濃HNO3溶液，在電熱板上消煮蒸發近干時，取下坩堝，冷卻后，沿坩堝壁再加入5 mL HF溶液，繼續消煮近干，取下坩堝，冷卻后，加入2 mL HClO4，繼續消煮到不再冒白煙，坩堝內殘渣呈均勻的淺色。取下坩堝，加入1：1 HNO31 mL，加熱溶解殘渣，至溶液完全澄清后，轉移至25 mL容量瓶中，用二次去離子水定容搖勻，立即轉移到聚乙烯小瓶中，原子吸收分光光度法測定。全部消煮過程采用ESS-1土壤標準樣品進行質量監控[6]。

3.3 玉米籽粒中的重金屬元素全量的測定

所有試驗器皿全部在10%HNO3溶液中浸泡24 h，并用去離子水洗凈，試劑均為優級純。樣品采用濕灰化法處理，將小麥或玉米籽粒研磨過60目篩，稱取0.500～1.000 g于100 mL高型硬質型燒杯中，加入5～10 mL濃HNO3，蓋上表面皿浸泡過夜，置電熱板上微火加熱，至顆粒溶化，再加5～10 mL濃HNO3、3～5 mL HClO4，搖勻，逐漸升溫繼續加熱，此溶液變稠，顏色變棕紅，注意防止炭化。繼續加入5～10 mL HNO3，如溶液仍有變棕紅、炭化趨勢，再滴加濃HNO3，加熱消解至溶液變成透明無色，繼續加熱至溶液冒濃厚白煙，并出現粉紅色或黃色殘渣為止，取出冷卻，轉入25 mL容量瓶中，用二次去離子水定容搖勻，轉移至聚乙烯小瓶中備用，原子吸收分光光度法測定。

4 結果與分析

4.1 玉米收貨后不同施肥處理對土壤養分狀況的影響

玉米收獲后，土壤各養分含量情況見表2。各施肥處理的有機質含量均高于不施肥空白對照，以施用污泥堆肥的處理含量最高，但經F檢驗差異不顯著；各處理間全氮和全磷數值接近；速效鉀的含量施用化肥、消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料、秸稈有機肥各處理分別比對照增加了14.04%、9.44%、6.21%、13.20%、9.74%；堿解氮的含量各施肥處理分別比對照增加了9.72%、15.17%、14.80%、22.68%、14.19%；速效磷的含量各處理分別比對照增加了71.74%、16.30%、32.17%、22.39%；各種養分含量的各處理間差異未達到極顯著水平。試驗說明，污泥土地利用根施用其他有機肥一樣，既可增加作物生長所需養分，又有一定的培肥地力的作用，可滿足后茬作物生長的營養需求。

表2 玉米收獲后土壤理化性質Table 2 Chemical and physical character of soil after reaping corn

4.2 玉米收貨后不同施肥處理對土壤及作物重金屬含量的影響

4.2.1 不同施肥處理對土壤重金屬含量的影響

玉米收獲后的重金屬變化情況見表3。Cu元素含量的變化趨勢是污泥堆肥＞消化污泥＞化肥＞秸稈有機肥＞污泥肥料＞不施肥空白對照；Mn元素含量的變化趨勢是消化污泥＞污泥肥料＞污泥堆肥＞秸稈有機肥＞化肥＞不施肥空白對照；Zn元素含量的變化趨勢是秸稈有機肥＞消化污泥＞污泥肥料＞污泥堆肥＞化肥＞不施肥空白對照；Pb元素含量的變化趨勢是秸稈有機肥＞消化污泥＞化肥＞污泥堆肥＞污泥肥料＞不施肥空白對照；Cd元素的含量變化趨勢是污泥堆肥＞化肥＞消化污泥＞污泥肥料＞不施肥空白對照＞秸稈有機肥。應用SAS統計LSD法進行F檢驗可知，各處理間差異均未達到極顯著水平。

表3 玉米收獲后土壤重金屬含量Table 3 Content of soil heavy metals after reaping corn （mg·kg-1）

4.2.2 玉米籽粒種種金屬的含量

由表4可知，各施肥處理玉米籽粒的重金屬含量Cu為消化污泥＞污泥堆肥＞化肥＞污泥肥料＞不施肥空白對照＞秸稈有機肥；Mn的含量為秸稈有機肥＞消化污泥＞化肥＞不施肥空白對照＞污泥堆肥＞污泥肥料；Zn的含量為化肥＞污泥堆肥＞消化污泥＞污泥肥料＞不施肥空白對照＞秸稈有機肥；但各處理數值極為接近，經SAS統計檢驗各處理間差異不顯著。Cd的含量均未超過0.02 mg·kg-1；Pb未檢出，各元素均低于國家標準。由此可見，施用消化污泥、污泥堆肥與污泥肥料，與常規施肥一樣（化肥、秸稈有機肥），即可以滿足作物生長的營養需求，又不會在作物可食用部分造成重金屬元素超標。

表4 玉米籽粒重金屬含量變化Table 4 Content of heavy metal in corn seed （mg·kg-1）

4.3 不同施肥處理對作物生長和總產量的影響

4.3.1 不同施肥處理對作物產量的影響

污泥堆肥作為有機肥料含有大量的有機物質，這些物質在土壤中經微生物的活動分解轉化產生大量的維生素、腐殖酸和激素等物質，能促進作物生長發育。在這些物質的刺激下，作物的根系生長旺盛，提高對養分（特別是P、K）的吸收能力；同時增強作物的光合作用，提高光和能力，使作物根系發達，生長健壯，葉色濃綠，干物質積累多，成穗率高，從而使產量提高。

玉米產量結果見圖1。由圖1可知，與對照相比，施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的玉米產量分別增加了32.55%、24.63%、41.92%；與施用秸稈有機肥相比，施用消化污泥和污泥堆肥的玉米產量分別減少了4.03%、9.76%，施用污泥肥料的玉米產量增加了2.75%；與施用化肥的處理相比，施用消化污泥和污泥堆肥的玉米產量分別減少了4.03%和9.76%，施用污泥肥料的玉米產量增加了2.75%。

圖1 玉米總產量的變化Fig.1 Variety of total corn yield

4.3.2 不同施肥處理對作物產量構成因素的影響

玉米產量一般是由穗粗、行穗數、禿尖、千粒重等因素決定。從表5中影響玉米產量的要素穗粗、行穗數、穗行數、禿尖、千粒重等指標看出，施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的穗粗分別比對照提高了2.65%、1.39%和3.09%，雖然低于施用化肥和秸桿有機肥的處理，但數值很接近；施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的行粒數與對照相比分別提高了3.66%、10.50%和12.21%，施用污泥堆肥和污泥肥料的處理分別高于施用秸桿有機肥的處理4.46%和6.07%。禿尖長是反映作物營養狀況的重要指標，禿尖長越短，說明作物的營養狀況越好。施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的處理與對照相比分別降低了32.28%、28.35%和53.54%，與施用化肥的處理相比，分別降低了20.37%、15.74%和45.37%，施用消化污泥與污泥堆肥的處理分別比施用秸稈有機肥的處理增加了3.61%、9.64%，施用污泥肥料的處理比施用秸稈有機肥的處理降低了28.92%。施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的千粒重與對照相比分別增加了5.79%、4.37%和6.37%，與施用化肥的處理相比分別增加了0.44%、1.06%、1.05%，與施用秸桿有機肥的處理相比，分別增加了1.94%、0.57%和2.55%。

表5 玉米產量影響指標的變化Table 5 Effective index variety of corn yield

續 表

4.3.3 對作物生物性狀的影響

不同施肥處理對玉米生物性狀的影響見表6。由穗長、株高、穗干重、芯重來看，各施肥處理的數值接近，且都明顯高于對照，在4種供試有機肥中，污泥肥料的增產效果明顯好于消化污泥、污泥堆肥和秸稈有機肥。

表6 對玉米生物性狀的影響Table 6 Effect of corn biological character

從小麥和玉米的總產量以及生物性狀和產量構成因素的各項指標來看，施用消化污泥、污泥堆肥和污泥肥料的處理均明顯高于對照，雖然各處理低于施用化肥的處理，但是由于化肥是一種速效肥，所以在第一茬口的小麥試驗中，差異明顯，消化污泥、污泥堆肥和秸稈有機肥都是有機緩效肥，所以在第二茬口的玉米試驗中，各項指標差異不明顯，而污泥肥料是一種速效兼緩效肥，不但含有大量的速效營養物質，而且養分全面，因此在供試的四種有機肥料中，其增產效果最好。

5 討論

活性污泥中含有大量的微生物及營養成分，對土壤的改良和植物的生長均有促進作用，因此被考慮直接施用于土壤和農田。研究表明，污泥的施用可以改善土壤的物理、化學和生物性質，使土壤有機質明顯增加，同時對不同的作物及植物有增產和改善品質的作用[7]，所以，污泥被直接用在了育苗、改良土壤、農田等，均獲得了較為明顯的效果。有研究表明，施用適量污泥后，明顯地增加了土壤有機質的含量，有效地改善了土壤結構、水利學及化學性質，由此帶來的容重降低，孔隙度、團聚體穩定度以及持水量和導水性的增加，對農業生產起到了積極的作用[1,8-12]。

城市污泥具有較復雜的元素組成，含有大量的有機物質、氮和灰分元素，這決定了城市污泥非常適合作為農業及城市綠化中非傳統有機肥而得到廣泛應用[13]。將城市污泥作為資源，探索其利用途徑及降低對環境的消極作用，是在穩定中保護生態系統的重要手段[14-15]。利用原始狀態的或者是添加有機添加物的城市污泥做有機肥，是城市污泥處置方法之一。在效果方面，城市污泥的肥料價值不次于傳統的有機肥料和化學肥料。

6 結 論

在各種施肥處理施用1年的情況下，玉米收獲后各處理間土壤重金屬含量值差距微小，與土壤基礎含量差異均不顯著；施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的處理，土壤中作物所需養分含量增加；改善了作物的生長性狀，各處理小麥和玉米均比對照顯著增產。說明消化污泥、污泥堆肥、及污泥肥料與化肥和其他有機肥一樣，是一種長效肥，既可增加作物生長所需養分，又有一定的培肥地力的作用，可以滿足后茬作物生長的營養需求。但對土壤和地下水的長期影響，應作進一步的研究。

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