城市污泥改良礦山廢棄地土壤理化性質的研究

摘要：應用土柱淋溶試驗研究不同污泥施用量及施用方式對礦山廢棄地土壤滲入能力、pH值、有機質，以及N、P、K和重金屬元素含量的影響。結果表明，隨施用污泥量的增加，土壤有機質、總氮（TN）、堿解氮（AN）、總磷（TP）、有效磷（AP）、總鉀（TK）和速效鉀（AK）含量隨之增加；土壤和污泥重量比大于5∶3時，施用污泥對紅壤AN、AP含量的增加有極顯著效果；2 cm污泥層位于土壤剖面16～18 cm處和土壤與污泥重量比5∶1的處理，基質滲入率明顯高于其它土柱，且不同土壤與污泥重量比的處理基質滲入率均隨時間呈不同程度的降低；方差分析顯示，金屬Cu、Zn、As、Cr（+6）、Ni含量與城市污泥的施加量呈正相關關系，相關系數r分別為0.995、0.953、0.931、0.975和0.916。城市污泥改良礦山廢棄地土壤的最佳污泥施用量為土泥重量比為5∶3。

關鍵詞：城市污泥；土壤；淋溶；礦山廢棄地

中圖分類號：S141.6 文獻標識碼：B 文章編號：0439-8114（2016）17-4416-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.015

Abstract： The effects of different sludge application rate and application methods on soil infiltration capacity，pH，organic matter，and N，K，P and heavy metal elements were studied by soil column leaching experiments. The results showed that， the content of organic matter， total nitrogen（TN），total nitrogen（AN），total phosphorus（TP），available phosphorus（AP），total potassium（TK） increased with the increase of sludge application. When weight ratio of soil and sludge was greater than 5∶3，the sludge application had a very significant effect on the increase of AP and AN content in red soil. The substrate infiltration rate was significantly higher than the other soil column of the experimental treatments of 2 cm sludge layer located in soil profile 16～18 cm and the soil and sludge weight ratio 5∶1. And the infiltration rate decreased with time process in the experimental treatments of different soil and sludge weight ratio. The variance analysis showed that the amount of metal Cu，Zn，As，Cr（+6），Ni and the amount of urban sludge were positively correlated， and the correlation coefficient r were 0.995，0.953， 0.931，0.975 and 0.916 respectively. The optimum sludge application rate of the urban sludge modified mine wasteland was the soil-mud weight ratio 5∶3.

Key words： urban sludge； soil； leaching experiment； minie wasteland

隨著社會經濟發展和人們生活水平的不斷提高，污水的排放量也在不斷地增加，隨之而來的是污水處理產業的快速發展和污水處理廠的建設、運行，污泥的產生量大幅度增長。據統計，目前中國的污水處理廠有800余座，城市污水處理率為50%～60%，年產生活污泥為300～400萬噸（以干重計）[1-3]。由于污泥中含有大量的重金屬、寄生蟲、病原微生物等有害物質，如果隨意處置會導致嚴重的二次污染，因此，如何實現污泥的無害化處理是當前亟需解決的生態環境問題，也是人們迫切關注的問題之一[4-6]。目前，國內外學者通過大量的研究發現用污泥改良土壤可以在一定程度上改變退化土壤的理化性質和提高土壤肥力。孟繁宇等[7]通過孵育試驗和淋濾試驗發現，施用脫水污泥可有效改善鹽堿化土壤的養分狀況，且土壤中重金屬主要以殘渣態存在，遷移的風險較小；汪莉等[8]通過盆栽試驗發現，施用生活污泥能顯著增加灘涂土壤的有機質，降低灘涂土壤的pH值，對灘涂土壤可溶性總鹽含量的影響不顯著；柏彥超等[9]通過田間小區隨機區組試驗發現，施用生活污泥后可明顯增加土壤有機質的含量，有效改善灘涂土壤養分狀況、水分調節能力及其理化性質。

福建位于中、南亞熱帶，其獨特的地理位置所蘊含的豐富的光熱水能賦予了紅壤巨大的生產潛力。但是，由于長期以來不合理的土地利用方式，紅壤已出現嚴重的生態退化問題，主要體現在紅壤水土流失嚴重、肥力下降、土壤酸化、環境污染以及土壤生物多樣性衰退等[10]。但從紅壤地區經濟社會可持續發展考慮，為維護中國的生態安全和維持18億畝耕地紅線，必須對中國紅壤面臨的問題予以重視和有效治理[10]。由于污泥中含有大量的植物營養元素和豐富的有機質，可以適當提高礦山廢棄地紅壤有機質含量，防止因土壤侵蝕引起的水土流失等。本研究選擇福建泉州的城市污泥，設計不同施用量和施用方式處理，通過土柱淋溶試驗，研究其對改良后的礦山廢棄地土壤理化性質、養分和重金屬含量的影響，為礦區生態環境修復工程提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為采自福建省泉州市永春縣的某礦山廢棄地紅壤，具有紅壤的一般特征，即呈酸性、有機質含量低、質地較粘重等特點。城市污泥取自泉州市某生活污水處理廠（表1）。

1.2 試驗設計

試驗設6組處理：土壤與污泥干重的混合比例為5∶1（W1）、5∶2（W2）、5∶3（W3）、5∶4（W4），2 cm污泥層位于土壤剖面2～4 cm處（W5），2 cm污泥層位于土壤剖面16～18 cm處（W6）。每組處理做5個重復。

淋溶土柱高30 cm，直徑10 cm，底部設滲濾液收集池，土柱周圍設防護罩，以防止水分蒸發。土柱下部填入10 cm礦渣，上部填入土壤或混合基質（圖1）。裝填時，按照現場監測的土壤含水量和容重，將物料分層充填壓實。每天用去離子水進行澆灌，澆灌量20 mm，連續澆灌15 d。取土壤或混合樣進行試驗分析。

1.3 測定方法與數據處理

含水量測定應用環刀取樣，105 ℃烘干8 h稱重；土壤pH值測定應用酸度計法（水土比5∶1）。土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法[11]；基質樣品的中重金屬Hg、As測定應用熒光分光光度計法，其它重金屬測定應用原子吸收分光光度計法；總氮（TN）測定應用半微量凱氏法-容量法；堿解氮（AN）、有效磷（AP）和速效鉀（AK）的測定應用提取比色法；總磷（TP）測定應用離子色譜法；總鉀（TK）測定應用乙酸銨提取-火焰光度法[12，13]。數據的分析處理和作圖應用SPSS18.0于Microsoft Excel 2007軟件進行。

2 結果與分析

2.1 不同處理基質的滲入率

土壤水分滲入是自然界水循環中的一個重要環節，是一個非常復雜的動態過程，主要受土壤性質、土壤初始含水率、降雨強度等自然因素和人為因素（土地利用方式）的影響[14]。由圖2所示，W1和W5處理土柱的滲入率明顯高于其它處理，且不同土泥重量比的混合基質滲入率均隨時間延長呈不同程度的降低。污泥位于土壤剖面16～18 cm處的入滲率隨時間的延長而降低幅度比較大。當試驗天數大于10 d時，各處理基質滲入率基本達到穩定，此時土泥重量比5∶1的基質滲入率明顯大于其它處理。

2.2 不同處理基質的理化性質

從表2可以看出，施用污泥使得福建紅壤的含水量明顯升高，且隨著污泥施用量的增加而增大。施用污泥的W1、W2、W3和W4處理混合基質含水量分別為42.19%、64.52%、75.87%和90.06%，比初始土壤分別增加177.3%、324.2%、398.8%和492.1%，這是由于施用污泥后改善了土壤的團粒結構，而團粒結構中的有機質持水能力強，可持有的水分重量是其自身的2～3倍，既可以提高紅壤的抗旱能力，又可以為植物提供更多的可利用水分。施用污泥后，土壤pH值隨施用污泥量的增加而降低。土壤pH值的高低主要受土壤母質和區域環境特征等自然環境因素的影響，但通過污泥改良土壤，也可改變土壤pH值。同時有機質含量隨著污泥施用量的增加而增加，施用污泥的W1、W2、W3和W4處理的有機質含量分別為37.04、47.98、85.61和99.85 g/kg，比初始土壤增加1.9、2.8、5.7和6.9倍。施用污泥對紅壤有機質含量的增加有極顯著的效果。

2.3 不同處理基質的養分含量

隨著污泥施用量的增加，土壤的有機質、總氮（TN）、堿解氮（AN）、總磷（TP）、有效磷（AP）、總鉀（TK）和速效鉀（AK）含量均呈上升趨勢（表3）。施用污泥的W1、W2、W3和W4處理的土壤AN含量分別為86.40、94.38、139.97和154.09 mg/kg，比土壤初始值分別增加44.9%、58.3%、134.7%和158.4%； 4個處理混合基質的AN含量明顯高于對照；4個處理混合基質的AP含量分別為50.88、62.62、84.56和97.23 mg/kg，比初始土壤分別增加-2.5%、20.0%、62.1%和86.3%。土泥重量比大于5∶2時，AN的增幅高于AP的增幅；土泥重量比大于5∶3時，施用污泥改良土壤對紅壤AN、AP含量的增加有極顯著的效果。

2.4 不同處理基質的重金屬含量

初始污泥中Cu、Pb、Zn、As、Hg、Cd、Cr（+6）和Ni總量均低于中國《城鎮污水處理廠污泥處置土地改良用泥質》（GB/T 24600-2009）最高控制標準。施用污泥后，礦山廢棄地土壤中Zn、Cu含量隨污泥施用量的增加明顯增加，其他重金屬含量增加幅度較小。初始土壤中Cd含量處于檢測限以下，Cu、Pb、Zn、As、Hg、Cr（+6）和Ni的含量分別為35.83、54.77、81.32、7.25、0.156、30.8和21.93 mg/kg。處理W1中，基質重金屬Cu、Pb、Zn、As、Hg、Cr（+6）和Ni的含量分別為45.2、56.2、308、8.02、0.279、32.9和23.4 mg/kg，比初始土壤值分別增加了0.26、0.03、2.79、0.11、0.79、0.002和0.07倍。土泥質量比為5∶4時，Cu、Pb、Zn、As、Hg、Cr（+6）和Ni的含量分別為104、61.1、572、8.85、0.407、0.134、38.0和29.3 mg/kg，比初始土壤值分別增加1.9倍、0.1、6.0、0.2、1.6、0.2和0.3倍（圖3）。由方差分析結果可知，基質重金屬Cu、Zn、As、Cr（+6）和Ni的含量與城市污泥的施用量呈顯著相關關系，相關系數分別為0.995、0.953、0.931、0.975和0.916。

3 小結與討論

土壤pH值是土壤化學性質的綜合反應，對土壤肥力和植物生長影響較大，通過影響植物細胞內的多種酶活性來影響植物生長。紅壤具有酸、瘠、黏等特點[15]，已有研究顯示，施用污泥可改良紅壤，提高土壤pH值。本試驗在W1、W2、W3、W4、W5、W6處理下，土壤pH值分別為6.57、6.65、6.45、6.39、6.57和6.50。李清芳等[16]的研究發現小麥種子萌發和幼苗生長的最適pH值是6.5。本研究結果表明，施用污泥后，土壤pH值隨施用污泥量的增加而降低，其中W1和W2處理的pH值接近6.5，所以土泥質量比為5∶1和5∶3的比例改良紅壤適合植物生長。考慮到土壤pH值降低會造成不溶性金屬化合物呈溶解性金屬離子，造成土壤重金屬污染[17]。因此，如果長期施用污泥改良土壤，必須進行長期跟蹤監測。

土壤含水量是表征土壤水分含量的一個指標，同時也是土壤中許多化學、物理和生物學過程的介質[10]。土壤水分含量的高低直接影響到土壤的適耕性和植物的生存和生長。水分是植物體的重要組成部分，直接參與植物體內重要的新陳代謝過程，植物生長通常是靠吸收土壤中的水分來使細胞伸長或膨大[18]。土壤含水量既要滿足植物生長的需要，又要防止因含水量過大而導致植物根部無法正常呼吸。本試驗表明，土泥質量比5∶1、5∶2、5∶3改良紅壤的含水量適合植物生長。

土壤有機質是表征土壤質量的重要指標[10]，含有植物生長所需的各種營養元素。馬群等[19]研究發現，有機質與其他各養分均呈正相關。城市污泥屬于優質有機質。大量研究發現，施用污泥改良紅壤可以提高土壤有機質、土壤堿解氮、有效鉀和有效磷含量。本研究表明，隨著污泥施用量的增加，土壤的有機質、總氮（TN）、堿解氮（AN）、總磷（TP）、有效磷（AP）、總鉀（TK）和速效鉀（AK）含量均呈上升趨勢。從W2到W3處理可知，土壤有機質、堿解氮、有效磷增加非常明顯，增幅分別為57.4%、134.7%、62.1%。

綜合考慮不同處理對土壤理化性質、養分含量、滲入率和重金屬含量的實際改良效果，可以確定使用城市污泥改良礦山廢棄地土壤的最佳污泥施用量為土泥重量（干重）比5∶3。

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