施用生活污泥改良灘涂土壤理化性狀的探討

柏彥超，汪莉，陶天云，陳國華，錢曉晴，封克，單玉華

(揚州大學環境科學與工程學院/江蘇省揚州農業環境安全技術服務中心，江蘇揚州 225009)

我國耕地資源緊缺，東部沿海灘涂可作為重要后備耕地資源。我國符合用于土壤改良標準的生活污泥雖然量大但未被很好地加以利用。目前對污泥農用意見分歧較大，爭議的焦點是部分生活污泥可能含有較多的重金屬、有機污染物以及部分病原微生物等。人們擔心污泥農用會影響農產品質量，但按照科學規律把握好關鍵環節則完全可以消除隱患。中國的海涂主要分布在北起遼寧、南至廣東、廣西和海南的海濱地帶，是海岸帶的一個重要組成部分，總面積約為217.04萬hm2［1］。歷史上我國灘涂圍墾面積達1000多萬hm2。近50年來，灘涂圍墾作為實現“耕地占補平衡”的有效手段得到了迅速發展，我國通過灘涂圍墾新增了110～120萬hm2土地［2］。隨著圍墾技術的不斷成熟，圍墾面積、規模、進度有逐漸擴大、加快的趨勢。按照目前我國入海河流泥沙的淤積速率，到2050年可再圍墾100～150萬hm2土地。沿海灘涂土壤屬于濱海鹽土類型，由于長期受海洋潮汐的影響，鹽漬化作用導致土壤鹽分含量偏高、土體發育不明顯、理化性狀差、肥力水平低下。灘涂土壤改良的關鍵環節包括兩個方面:一是以工程措施為主導的降鹽，二是以增加有機質為主導的土壤培肥。前者決定了圍墾灘涂能否進行作物生產，后者則決定作物生產是否具有可持續性。增施有機質是解決灘涂土壤肥力問題的一條重要途徑。土壤有機質與土壤養分含量的增加有密切的聯系［3］。有機質通過改善土壤的理化性狀、改變土壤鹽分運動狀況，促進土壤脫鹽，抑制土壤返鹽，中和土壤堿度，從而減輕鹽分對作物的危害，提高作物產量，達到改良灘涂土壤的目的。研究表明，增施有機質可改善灘涂土壤物理性狀，提高灘涂土壤的保蓄性和緩沖性［4］，抑制土壤返鹽、改變土壤鹽分運動狀況，為灘涂微生物活動提供豐富的碳源，促進微生物的活動［5］。灘涂土壤須投入大量有機質加以熟化改良，因此廉價優質的有機肥源是灘涂土壤改良的重要限制因子。生活污泥是城市生活污水處理過程中的副產物，有機質含量達30% ～60%，還含有大量氮、磷等養分，且含量高于豬糞、牛糞等畜禽糞便。迄今為止，國內外學者對污泥農用的研究主要集中于將污泥施用于一般農田［6－7］，對利用生活污泥改良灘涂土壤的田間實際應用效果及作用機理的報道很少。利用生活污泥進行灘涂土壤的改良是一項一舉多得的措施，將土地后備資源與有機固廢循環利用相結合，在理論上為灘涂土壤快速改良提供依據，在實際應用上為灘涂土壤改良和污泥合理利用提供新的途徑，因此具有重要理論價值和廣闊的實際應用前景。本試驗采用符合用于土壤改良標準的生活污泥為材料，通過田間小區隨機區組試驗探討施用不同用量生活污泥對灘涂土壤部分理化性狀的影響，旨在系統掌握生活污泥對灘涂土壤理化性狀改良的影響，為解決我國耕地資源嚴重不足和生活污泥難以處理的迫切問題提供新的思路和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2010～2011年在江蘇省如東縣兆盈墾區試驗田(E 121°23'23″，N 32°20'03″)進行。試驗區為新圍墾第3年的灘涂，屬淤漲型的淤泥質海岸，濱海相地貌，地勢平坦，地面高程3.00 m;屬亞熱帶濕潤季風氣候，具有明顯的過渡性海洋性和季風性，四季分明，降水量主要集中在6～8月份。試驗區淺層土層中地下水均為第四系孔隙潛水類型，層狀分布，主要補給來源為地表水及大氣降水。供試生活污泥于2010年11月取自江蘇省無錫蘆村城市生活污水處理廠，添加其干基質量2%的生石灰進行無害化處理［8－9］。灘涂土壤及污泥的基本理化性質見表1，生活污泥重金屬元素含量均低于建設部制定的《城鎮污水處理廠污泥處置—土地改良用泥質》(GB/T 24600－2009)標準。

1.2 試驗設計

采用田間隨機區組試驗，各小區面積均為8.0 m×8.0 m。試驗按污泥施用量設5個處理，分別為0、75、150、300、600 t/hm2，各處理重復 3 次。2010年1月將生活污泥施入各小區，自然風干20 d后用旋耕機將污泥與0—20 cm耕層土壤拌勻，此后不增加其它農藝措施，使其自然熟化。2011年1月采集0—20 cm耕層土壤樣品，分析其物理性狀(容重、密度)，化學性狀(有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量)及部分微生物性狀(細菌、放線菌數量)。

1.3 測定方法

采用環刀法測定土壤容重，比重瓶法測定土壤密度。有機質采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法，全氮采用半微量凱氏法，全磷采用硫酸–高氯酸消煮法，全鉀采用氫氧化鈉熔融—火焰光度法，堿解氮采用堿解擴散法，速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀、鈉采用醋酸銨浸提—火焰光度法測定［10］。細菌、放線菌數量采用稀釋涂布平板法測定，細菌分離培養用牛肉膏蛋白胨培養基，放線菌用高氏1號培養基［11］。

試驗數據采用Microsoft Excel(2003)和 SPSS 13.0統計軟件進行統計分析，LSD法檢驗差異顯著性。

表1 灘涂土壤及生活污泥的基本理化性質Table 1 Basic properties of tidal flat soil and sewage sludge used in this study

2 結果與分析

2.1 生活污泥對灘涂土壤容重、密度的影響

圖1 生活污泥對灘涂土壤容重和密度的影響Fig.1 Effect of the sewage sludge application on bulk density and specific weight of the tidal flat soil

施用生活污泥使得灘涂土壤的容重、密度均有所下降，下降幅度隨生活污泥施用量的增加而增大(圖1)。不施用污泥的對照土壤容重為1.306 g/cm3。不同污泥施用量 (75、150、300、600 t/hm2)處理的土壤容重分別為 1.283、1.266、1.200、1.161 mg/kg，分別比對照降低 1.7%、3.1%、8.1%、11.1%，其中施用600 t/hm2污泥處理的土壤容重顯著低于對照處理。試驗條件下對照土壤的密度為2.636 g/cm3。施用污泥后，各處理土壤密度分別降至 2.449、2.400、2.393、2.328 g/cm3，分別比對照降低 7.1%、9.0%、9.2%、11.7%，降幅均達顯著水平。在本試驗條件下，生活污泥處理后灘涂土壤的密度降低幅度高于容重降低幅度。

2.2 生活污泥對灘涂土壤養分含量的影響

2.2.1 對灘涂土壤氮素含量的影響 隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤的全氮、堿解氮含量均呈上升趨勢(圖2)。不同污泥施用量(75、150、300、600 t/hm2)處理的土壤全氮含量分別為197.5、206.4、237.8、356.8 mg/kg，分別比對照增加 50.6%、57.4%、81.4%、172.2%，施用 300 t/hm2和 600 t/hm2生活污泥處理的灘涂土壤全氮含量顯著高于對照。施用污泥各處理堿解氮含量分別為26.43、27.48、28.70、35.82 mg/kg，分別比對照增加58.9%、65.2%、72.6%、115.4%，每公頃施用75噸生活污泥處理的灘涂土壤堿解氮含量即顯著高于對照。污泥施用量小于150 t/hm2時，堿解氮的增幅高于全氮的增幅;污泥施用量大于300 t/hm2時，堿解氮的增幅低于全氮的增幅。

圖2 生活污泥對灘涂土壤全氮和堿解氮含量的影響Fig.2 Effect of the sewage sludge application on content of total N and alkali-hydrolyzable N of the tidal flat soil

2.2.2 對灘涂土壤磷素含量的影響 生活污泥對灘涂土壤全磷、速效磷含量的影響見圖3。隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤的全磷、速效磷含量均呈上升趨勢。不施用污泥的對照土壤全磷、速效磷含量分別為556.7、7.25 mg/kg。不同污泥施用量(75、150、300、600 t/hm2)處理的土壤全磷含量分別為665.4、687.8、682.8、841.5 mg/kg，分別比對照增加19.5%、23.6%、22.7%、51.2%，均顯著高于對照。施用污泥各處理土壤速效磷含量分別為17.6、22.8、26.0、34.7 mg/kg，分別比對照增加143.0%、214.7%、258.1%、378.3%，均顯著高于對照。施用生活污泥處理后灘涂土壤的速效磷的增幅顯著高于全磷的增幅。

圖3 生活污泥對灘涂土壤全磷和速效磷含量的影響Fig.3 Effect of the sewage sludge application on content of total P and available P of the tidal flat soil

2.2.3 對灘涂土壤鉀素含量的影響 施用生活污泥對灘涂土壤全鉀、速效鉀含量的影響如圖4所示。從圖4可以看出，不施用污泥的對照土壤全鉀、速效鉀含量分別為13438、468 mg/kg。施用污泥后，灘涂土壤全鉀含量的變化范圍為12750～12938 mg/kg，速效鉀含量變化范圍為443～463 mg/kg，各處理間無明顯差異。灘涂土壤由于長期受海水浸泡，本身含鉀量較高，施用污泥對灘涂土壤全鉀、速效鉀含量均無顯著影響。

2.3 生活污泥對灘涂土壤pH、CEC及有機質含量的影響

從圖5可以看出，隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤pH值呈逐漸下降的趨勢。施用污泥后，各處理(75、150、300、600 t/hm2)土壤 pH 值分別為8.96、8.94、8.85、8.73，均顯著低于對照處理。除污泥施用量75、150 t/hm2兩處理外，其余各處理間差異均達顯著水平。土壤陽離子交換量(CEC)直接反映土壤保肥、供肥及緩沖能力。圖5顯示，隨污泥施用量的增加，灘涂土壤CEC呈逐漸上升的趨勢。相關分析得出，灘涂土壤陽離子交換量與污泥施用量呈顯著正相關(r2=0.976＊＊)。

圖5 生活污泥對灘涂土壤pH和CEC的影響Fig.5 Effect of the sewage sludge application on pH and CEC of the tidal flat soil

隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤有機質含量呈明顯上升趨勢(圖6)。不施用污泥的對照土壤有機質含量為3.78 g/kg。施用污泥后，各處理(75、150、300、600 t/hm2)土壤有機質含量分別為4.56、6.01、6.93、7.55 g/kg，分別比對照增加 20.5%、58.9%、83.1%、99.5%，其中施入 300 t/hm2和600 t/hm2污泥處理的灘涂土壤有機質含量顯著高于對照。

2.4 生活污泥對灘涂土壤細菌、放線菌數量的影響

施用生活污泥對灘涂土壤細菌、放線菌數量有顯著影響(表2)。隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤的細菌、放線菌數量呈顯著上升的趨勢。不施用污泥的對照土壤細菌、放線菌數量分別為5.7×104、1.2×104cfu/g。施用污泥后，各處理(75、150、300、600 t/hm2)土壤細菌數量分別比對照增加0.5、3.6、5.0、9.7倍，放線菌數量分別比對照增加14.6、70.3、144.6、373.0倍。

圖6 生活污泥對灘涂土壤有機質含量的影響Fig.6 Effect of the sewage sludge application on organic matter content of the tidal flat soil

表2 生活污泥對灘涂土壤細菌、放線菌數量的影響Table 2 Effect of the sewage sludge application on bacteria and actinomycete populations of the tidal flat soil

3 討論與結論

土壤有機質是土壤肥力物質，可不斷地供給作物所需的各種營養、改善作物營養水平。土壤有機質分解以后可為灘涂土壤提供各種養分，特別是氮素，灘涂土壤礦物質一般不含氮，除施入的氮肥外，灘涂土壤氮素的主要來源為有機質分解。此外，有機質也是灘涂土壤中磷、硫、鈣以及微量元素的重要來源。隨著城市化的發展，生活污泥產生量日益增多，其富含有機質，可作為農用有機肥源。2009年2月住房和城鄉建設部、環境保護部和科學技術部聯合制定了《城鎮污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術政策(試行)》。“防治技術政策”鼓勵回收和利用污泥中的能源和資源，鼓勵符合標準的污泥進行土地利用。污泥土地利用應符合國家及地方的標準和規定，主要包括土地改良和園林綠化等。“防治技術政策”明確規定:污泥用于鹽堿地、沙化地和廢棄礦場等土地改良時，泥質應符合《城鎮污水處理廠污泥處置—土地改良用泥質》(GB/T 24600－2009)的規定。污泥農用時，污泥必須進行穩定化和無害化處理，并達到《農用污泥中污染物控制標準》(GB4284)等國家和地方現行的有關農用標準和規定。雖然生活污泥也可能含有如重金屬等一些對環境有影響的物質，但隨著城市污水管網進一步優化，生活污水管網、工業廢水管網逐步分離，生活污泥中的重金屬含量會逐步降低。生活污泥經過處理后，可以減少其中難降解的有機物和有害病毒細菌的威脅，使污泥化害為利、變廢為寶，從而實現污泥的資源化利用。

大量研究表明［12－14］，施用適量生活污泥后，可明顯增加土壤有機質的含量，有效改善土壤結構性質、水力學性質及其化學性質，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，對農業生產可起積極的作用。對于有機質含量很低，特別不利于植物生長的土壤施用生活污泥更有重要意義，這類土壤可以通過一次大量(50～100 t/hm2)施用生活污泥而改善其理化性質［15］。本試驗證實了施用符合農用標準的生活污泥對灘涂土壤改良的效果。本試驗條件下生活污泥施入灘涂土壤一年后，一定程度地增加了灘涂土壤的有機質含量，但土壤中有機質的總量遠低于加入到土壤中的有機質。這可能是由于生活污泥是一種有機殘片，由多種微生物形成的菌膠團及其吸附的有機物和無機物組成的集合體，其施入土壤后并不能全部轉化成土壤的有機質。該試驗表明施用生活污泥可降低灘涂土壤的容重、密度。生活污泥屬于優質有機質，其含有的大量有機膠體是形成水穩性團粒結構不可缺少的膠結物質，有助于灘涂土壤形成良好的結構，從而改變土壤孔隙狀況和水、氣比例。施用生活污泥可提高灘涂土壤的全氮、全磷、速效氮、速效磷含量。這可能是由于生活污泥施入灘涂土壤后，部分分解釋放出氮、磷養分，部分轉化為灘涂土壤有機質，其中的有機膠體，帶有大量負電荷，能吸附大量的陽離子和水分，其陽離子交換量和吸水率比粘粒要大幾倍甚至幾十倍，所以它能提高灘涂土壤保肥蓄水的能力，提高土壤氮、磷養分含量及供應能力。試驗證實施用生活污泥提高了灘涂土壤的CEC。由于灘涂土壤長期受海水浸泡，自身含鉀量較高，所以試驗中施用生活污泥對灘涂土壤全鉀、速效鉀無顯著影響。試驗條件下施用生活污泥顯著增加了灘涂土壤細菌、放線菌的數量，這是由于有機質能促進土壤微生物數量不同程度地增加，使固氮菌活動旺盛，土壤酶活性增加，蛋白酶活性增強［16－18］。

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