城市污泥堆肥對土壤溫室氣體排放的短期影響

蔣 越,周 楫,楊雨浛,陳 宏,2,張 成,2*

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城市污泥堆肥對土壤溫室氣體排放的短期影響

蔣 越1,周 楫1,楊雨浛1,陳 宏1,2,張 成1,2*

(1.西南大學資源環境學院,重慶 400715；2.重慶市農業資源與環境研究重點實驗室,重慶 400715)

采用田間試驗,施用2種城市污泥堆肥(含生物質炭和不含生物質炭),通過靜態暗箱-氣相色譜法研究污泥堆肥土地利用過程溫室氣體排放特征,探討施用污泥堆肥的短期影響作用.結果表明,在觀測時間內,N2O排放主要集中在前3周,約占總排放量的87.9%~95.6%.N2O排放量均隨污泥堆肥施用量的增加而增加(<0.05),裸地N2O排放量高于種植作物處理.施用含生物質炭污泥堆肥能減少土壤N2O排放,且隨著施用量的增加,N2O減少量越大(<0.05).CH4排放量較低,在試驗前期和后期主要為負,總體表現為吸收CH4.各處理吸收CH4主要集中在第18d以后,其CH4吸收量占總吸收量的52.1%~66.7%.施用含生物質炭污泥堆肥處理CH4吸收量比不含生物質炭污泥堆肥處理低35.2%~62.2%,同時,裸地 CH4吸收量明顯高于種植作物處理(<0.05).CO2排放也主要集中在18d以后,約占排放總量的50.5%~61.8%.種植作物能促進CO2的排放,種植作物處理是裸地的1.34~1.57倍.在觀測時間內,污泥堆肥土地利用是CH4的弱吸收匯,是N2O和CO2的排放源,施加污泥堆肥能顯著增加土壤N2O和CO2的排放.施用生物質炭污泥堆肥短期內能夠減少溫室氣體總排放量,溫室氣體減排量達到20.41%~62.51%.

污泥堆肥；土地利用；溫室氣體；排放特征；短期效應

隨著我國城鎮化進程的加快,城市污水處理規模及污泥產量日益劇增[1].截止到2015年底,全國城鎮污水處理量達410.3億m3,污泥每年產生量(含水率80%)超過4000萬t,城市污泥無害化處置率為56%,而“十三五”規劃要求2020年全國地級及以上城市達到90%[2].污泥堆肥后具有保水保肥、增強土壤養分、改善土壤性狀等特性[3],作為一種高營養有機肥常被用于改良土壤和促進植物生長[4],據統計,全球約37%的城市污水廠污泥被處理后施用于農田[5].但污泥堆肥施入土壤后會在一定程度上增加溫室氣體排放[6],研究發現含污泥堆肥會顯著提高種植番茄土壤N2O的排放[7],因此,當進行堆肥利用時應考慮有機肥的種類和施用量[8].現階段,生物質炭由于含碳量高、比表面積大、疏松多孔等特性,已成為農田固碳減排研究中的熱點.施用生物質炭能顯著增加土壤功能基因(氨氧化細菌、氨氧化古菌、亞硝酸鹽還原酶和氧化亞氮還原酶)的豐度[9],降低N2O排放量[10-11],但同時也會增加土壤CH4排放量[11].目前的研究主要集中在施肥對農田溫室氣體排放的影響方面[11-13],也有部分學者研究了直接施用生物質炭對農田溫室氣體排放的影響[7,10],而有關污泥堆肥后進行土地利用過程的溫室氣體排放研究還比較缺乏,因此,本文以兩種城市污泥堆肥為研究對象,研究不同污泥堆肥及施用量對土壤N2O、CH4和CO2排放的短期影響,為深入研究污泥堆肥土地利用過程溫室氣體排放的長期效應提供基礎數據.

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤:重慶市北碚區西南大學實驗農田紫色土;供試植物:耐熱且早熟的不結球白菜;供試肥料:試驗所用污泥取自重慶市三峽水務北碚排水有限責任公司脫水污泥(生活污水),秸稈來自西南大學實驗田(剪碎至2~3cm),水稻生物質炭為市面販售,試驗所用堆肥品為自制污泥堆肥產品,按照質量比分別將污泥:秸稈:生物質炭= 20:5:1(S類堆肥品)、污泥:秸稈=4:1(T類堆肥品)混合均勻后放入自制堆肥箱(有效尺寸為0.90m×0.45m×0.70m),采用強制通風+人工翻堆的方式進行好氧堆肥,堆肥完成后進行產品腐熟度和重金屬含量檢測,達到農用標準后方可使用,堆肥產品僅限于本次試驗使用.供試污泥堆肥品及原材料基本性質如表1所示.

表1 堆肥品與原材料的基本性質

1.2 試驗設計

試驗地點位于重慶市北碚區西南大學實驗基地大棚(N:29°48'45.25",E:106°24'28.40")內進行,室內配備通風換氣系統,大棚透光率約為75%~85%.試驗共設置9種處理,分別為:(1)CK:不施肥;(2)S1、S2、S3:施肥量分別為100,200,300kg/hm2(其氮含量主要來自污泥與秸稈混合堆肥后的產物,因此,以堆肥中的氮含量進行折算);(3)T1、T2、T3:施肥量分別為100,200,300kg/hm2;(4)S0、T0:施肥量均為200kg/hm2,并種植作物(其余處理均未種植作物),為耐熱且早熟的不結球白菜,與S2和T2處理進行比較.每個試驗小區面積為1m2,各小區之間用PVC板深入土壤表層30cm,以隔絕地表徑流.將自制污泥堆肥品風干磨細后過2mm尼龍篩,在播種當天堆肥品以基肥的形式一次性施入土壤表層15cm以上,后期不追肥,按照施肥、間苗、翻耕、灌溉等傳統管理模式管理菜地.不結球白菜種植密度為40穴/m2,每穴3株,播種至出苗期間覆蓋遮陽網,分別于發芽期第1d和第3d間苗,每天下午18:00前澆水灌溉,作物成熟后收割.

1.3 氣體樣品采集與分析

溫室氣體采用密閉式組合靜態暗箱法采集[14],氣體采集箱均設計為分節組合式標準箱,由箱體和底座組成.箱體為不銹鋼長方體(長0.5m、寬0.5m、高0.5m),外覆保溫絕熱材料,防止太陽輻射下采樣箱壁溫度升高影響觀測結果.箱面上分別開有小孔連接氣壓緩沖袋與三通閥,以便維持氣壓平衡,箱體內部裝有軸流扇以便氣體混合.底座(長0.5m、寬0.5m、高0.2m)由不銹鋼制成,上端有深3cm、寬2cm的密封水槽,采樣時將采樣箱扣在底座凹槽部位,液封以隔絕箱體內外氣體交換.采樣時首先用剪刀去除雜草等地上部分,將采樣箱垂直插入土壤中5cm,箱體周圍壓實,以防漏氣.試驗于7月10日~8月14日采樣,第1周每天采樣,之后在第9,12,15,18, 21,24,27,30,33,36d采樣,采樣時間為上午8:00~ 9:00.氣體用60mL注射器進行采集,之后每間隔10min采樣一次,罩箱時間為30min,一共采集4次樣品,24h內完成氣樣測定.采用Agilent 7890A型氣象色譜儀進行測定,檢驗器溫度為330℃,填氣柱柱溫為55℃,載氣為高純度氮氣(>99.99%),定量分析檢測污泥堆肥品施入土壤后N2O、CH4和CO2濃度,結合色譜峰面積和標氣濃度計算出樣品中各氣體濃度,從而得出氣體排放通量()和累積排放量(),計算公式如下:

1.4 數據處理

采用Excel 2010進行數據整理與統計分析,Origin 8.5繪制圖形,SPSS 23.0統計分析軟件對數據進行相關性分析,Duncan法對數據進行方差分析(=0.05).

2 結果與討論

2.1 土壤N2O排放特征

2.1.1 N2O排放通量 S1、S2、S3處理N2O平均排放通量分別為338.95,469.81,680.19μg/(m2·h), T1、T2、T3處理分別為521.25,1039.93,1566.08μg/ (m2·h)(圖1),N2O平均排放通量隨污泥堆肥施用量增加而增加(<0.05).CK處理平均排放量為281.11μg/(m2·h),明顯低于其他8種處理.研究發現,約24%的N2O源于農業活動中氮肥的施用[15].在土壤介質中,NO3－-N和NH4+-N均為N2O的主要底物,分別進行生物硝化和反硝化過程.隨著堆肥施用量增加使得土壤有效氮(主要來自堆肥)增加,土壤硝化和反硝化作用增強,從而增加N2O的排放量[16].S0和T0處理平均排放通量分別為382.50,744.81μg/ (m2·h),約為相同施肥量S2和T2處理的81.41%、71.62%,可見種植作物的土壤N2O排放通量低于裸地,這與He[17]等研究結果相似(種植蔬菜后排放通量僅為裸地的1/3).

2.1.2 N2O累積排放量 S1、S2、S3處理N2O累積排放量分別為226.63,314.48,398.04mg/kg, T1、T2、T3處理分別為286.03,633.75,1060.71mg/ kg(圖2),可見,隨著施肥量的增加,N2O排放量隨之增加,這與熊舞等[18]研究結果一致.施肥量影響土壤N2O排放,邱煒紅等[19]發現不同施肥水平影響菜地N2O排放通量,且顯著提高其累積排放量.高施肥量易促使土壤中氮轉化功能型微生物在組成、數量等方面發生變化,導致土壤N2O大量排放,故高施肥量會增加土壤N2O排放風險[20].各處理N2O排放主要集中在前3周,約占總排放量的87.9%~95.6%,這與何閃英等[7]、鐘佳等[21]的研究結果相似.

圖1 N2O排放通量

同一施肥量水平下,裸地N2O累積排放量均高于種植作物的處理,即S2>S0,T2>T0,這與邱煒紅等[19]、Lopez-Fernandez等[22]研究結果一致.鄒娟等[23]認為作物生長發育后期需要汲取大量營養元素,土壤中硝化、反硝化菌呼吸作用底物的無機氮素含量減少,同時生物質炭吸附NH4+,使得N2O排放減少.觀測時間內,施用含生物質炭污泥堆肥能減少土壤N2O排放,且隨著施用量的增加,N2O減少量越大.S1、S2、S3處理N2O累積排放量分別比T1、T2、T3處理低20.8%、50.4%、63.5%(<0.05).這可能是由于污泥堆肥中生物質炭的比表面積較大,N2O被表面吸附,也可能是由于生物質炭引起土壤氧擴散增強或者影響了N2O還原酶的活性,從而抑制硝化反硝化作用[9].

圖2 N2O累積排放量

2.2 CH4排放特征

2.2.1 CH4排放通量 各處理CH4排放通量較低,在試驗前期和后期CH4排放通量主要為負(圖3),試驗中期(10~21d)排放量較高.除S0處理外,其他處理平均排放通量均為負,為-0.091~-0.022mg/(m2·h),表現為土壤吸收CH4(<0.05).CH4排放通量主要由土壤 CH4產生和氧化的差值決定,營養元素的加入影響產甲烷菌、甲烷氧化菌等微生物活性,進而影響土壤CH4排放.

2.2.2 CH4累積排放量 除T0處理外,其余各處理CH4累積排放量均為負值(-80.48~-1.05mg/kg),總體表現為吸收CH4.S1~S3處理和T1~T3處理吸收CH4主要集中在第18d以后(圖4),其CH4吸收量分別占總吸收量的54.2%~66.7%、52.1%~54.6%,表明在觀測時間內,污泥堆肥土地利用過程是CH4的弱吸收匯.CH4在土壤中的排放和吸收受到施肥、土壤理化性質、氣候變化等的影響[24].Li等[25]研究表明施用堆肥能較大程度地降低CH4排放,經過干燥處理的沼渣肥能夠降低CH4排放約50％.厭氧條件下,產甲烷菌能分解利用土壤中的有機化合物,產生CH4,好氧條件下,CH4又能被甲烷氧化菌氧化[20].本試驗過程中對土壤進行灌溉,一方面會使土壤含水量增加,土壤呈厭氧環境,甲烷菌的活性增加,促進CH4的產生;但另一方面施加污泥堆肥較大程度降低了CH4排放.同時,各處理吸收CH4主要集中在18d以后,由于該時間段土壤含水量較低,處于好氧狀態,有利于CH4氧化菌生長,促進了土壤對CH4的吸收.但由于觀測時間較短,其長期效應還需進一步觀測研究.相同施肥量下,種植作物土壤CH4累積排放量均大于裸地,即S0>S2處理,T0>T2處理.賈俊香[26]研究輪作菜地累積CH4排放量比裸地高35%~110%.施用含生物質炭污泥堆肥可以提高土壤有機質含量,降低土壤CH4吸收量(即增加土壤CH4排放),S1、S2、S3處理CH4吸收量分別比T1、T2、T3處理低35.2%、62.2%、45.8%.Yang等[27]研究發現,增加有機質含量可以降低土壤氧化還原電位,加速土壤CH4的產生,促進CH4釋放.Zhang等[11]在相同施肥量的條件下,添加40t/ha的生物質炭土壤比未添加生物質炭的處理CH4排放量增加了34%.施加生物質炭污泥堆肥能改變土壤微生物活性(產甲烷菌和甲烷氧化菌)、土壤理化性質,從而影響土壤CH4的排放.但Troy等[28]在添加小麥秸稈制成的生物質炭中發現,與未添加生物質炭相比,CH4排放無明顯變化.因此,關于生物質炭對土壤CH4排放的影響機制需要進一步研究.

圖4 CH4累積排放量

2.3 CO2排放特征

2.3.1 CO2排放通量 S1~S3處理CO2排放通量在前20d略有波動,但整體呈先增加后減小的變化趨勢(圖5),平均排放通量分別為380.91,460.27, 489.03μg/(m2·h);T1~T3處理的平均排放通量分別為310.32,533.74,597.59μg/(m2·h).CO2平均排放通量隨著施肥量的增加呈遞增趨勢(<0.05),減量施肥能顯著降低CO2的排放量.S0、T0處理(種植作物)平均排放通量(分別為633.16和653.53μg/(m2·h))分別高于S2和T2處理,可能是由于作物隨生長周期變化生長速率加快,供試土壤的呼吸速率隨之增強.潘瑩等[29]研究發現土壤CO2排放與作物根系的主要特性之間具有較好的相關性,表明作物生長與土壤呼吸是相互統一的.種植作物還能使土壤疏松多孔,產生較多有機質,從而促進CO2排放.

2.3.2 CO2累積排放量 S1~S3處理的CO2累積排放量分別為314.63,374.45,385.05mg/kg,T1~T3處理分別為234.34,451.88,459.65mg/kg,各處理CO2排放主要集中在18d以后,約占排放總量的50.5%~61.8%.S0、T0處理(種植作物)CO2累積排放量顯著高于S2、T2處理(<0.01),分別是S2和T2處理的1.57、1.34倍.這可能是因為種植植物改善了土壤的土層結構,使土層疏松多孔,再加上植物根系呼吸和地上植物部分的呼吸作用,促進了CO2的排放.觀測時間內,S1處理CO2累積排放量高于T1處理,但S2和S3處理分別低于T2和T3處理,T2和T3處理的累積排放量比S2和S3處理增加了20.7%、19.4%,這可能與生物質炭本身的固碳作用有關.當施肥量超過一定范圍,含生物質炭的堆肥通過提高土壤氧化穩定性、降低礦化速度、增加土壤有機碳庫[30],吸附有機物、參與土壤團聚體的形成來抑制原有機質分解,從而抑制CO2排放.

圖5 CO2排放通量

2.4 溫室氣體排放總量估算

根據IPCC[6]報告計算方法,將不同溫室氣體折算成CO2排放當量,估算污泥堆肥利用過程的溫室氣體總排放量,見表2.各處理CH4排放量基本為負,可見污泥堆肥作用于土壤是CH4的弱吸收匯.污泥堆肥土地利用過程是N2O和CO2的排放源,與CK相比,各處理N2O和CO2排放量分別增加了24.06%~480.64%和92.11%~270.95%(<0.05),施加污泥堆肥能顯著增加土壤N2O和CO2的排放.

圖6 CO2累積排放量

溫室氣體總排放量均隨施肥量的增加而增加(<0.05),其中,S1~S3處理溫室氣體總排放量為67.04~117.91g/m2,T1~T3處理為84.23~314.54g/m2,均高于CK處理.S1~S3處理溫室氣體總排放量比T1~T3處理低20.41%~62.51%(<0.05),表明施用含生物質炭污泥堆肥短期內能有效降低土壤溫室氣體總排放量.在相同施肥量下,裸地處理(S2和T2處理)總排放量分別是種植作物處理(S0和T0處理)的1.12和1.73倍.可見,裸地對溫室效應具有較大貢獻,需要引起重視.

表2 溫室氣體排放量

3 結論

3.1 觀測時間內,污泥堆肥土地利用過程是N2O和CO2的排放源,是CH4的弱吸收匯,施加污泥堆肥能顯著增加土壤N2O和CO2的排放(<0.05).CH4排放通量較低,總體表現為吸收CH4.N2O排放主要集中在前中期(占總排放量的87.9%~95.6%),CO2排放主要集中在中后期(占總排放量的50.5%~61.8%),N2O和CO2平均排放通量和累積排放量均隨施肥量的增加呈遞增趨勢(<0.05).

3.2 施用含生物質炭污泥堆肥短期內能降低溫室氣體總排放量, 其溫室氣體總排放量比施用不含生物質炭污泥堆肥的處理低20.41%~62.51% (<0.05).在相同施肥量情況下,種植作物處理的CO2排放量是裸地的1.34~1.57倍,但N2O排放量和CH4吸收量則明顯低于裸地.總體來說,裸地的溫室氣體總排放量短期內明顯高于種植作物處理,但其長期效應還需進一步觀測研究.

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IANG yue1, ZHOU Ji1, YANG Yu-han1, CHEN Hong1,2, ZHANG Cheng1,2*

(1.College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China；2.Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, Chongqing 400715, China)., 2018,38(10)：3788~3794

Two different sewage sludge composting products (with and without biochar) were applied in field to study short-term impacts of their application on the greenhouse gases (CH4, CO2and N2O) emission from soil. The results indicated that N2O emissions mainly occurred in the first three weeks, with the emission amount accounting for 87.9%~95.6% of the total emissions during the observation period. The emission amount of N2O increased with the application amount of compost (<0.05), and N2O emission from bare land was higher than that of crop plants treatment. The application of sludge composting can lead to the reduction of the N2O emissions from soil, and the N2O reduction amount increased with the increase of the fertilizing amount (<0.05). CH4emission fluxes showed negative values in the early and late stages of the experiment, indicating that soil could adsorb CH4. The absorption of CH4took place mainly after 18 days, accounting for 52.1%~66.7% of the total absorping amounts. The absorping amount of CH4in soil with biochar compost was 35.2% to 62.2% less than that in soil without biochar, and higher absorping amount of CH4appeared in bare land when compared with the land with planting crops (<0.05). CO2emissions mainly occurred after 18days, accounting for 50.5%~61.8% of the total emission. The planting crops can promote the CO2emission in soil, which was 1.34~1.57 times that of the bare land. Thus, it can be speculated that land application of compost was a weak sink of CH4and a source of N2O and CO2emissions during the observation period. The application of sludge composting can lead to the increase of the emissions of N2O and CO2in soil. Sludge compost with biochar in short-term could reduce the N2O and CO2emissions from soil, and the biochar played an important role in reducing the greenhouse gas emissions, as the emission amounts from soil with biochar compost was 20.41% to 62.51% less than that in soil without biochar.

sludge compost；land application；greenhouse gas；emission characteristics；short-term effect

X16

A

1000-6923(2018)10-3788-07

蔣 越(1994-),男,重慶人,西南大學資源環境學院碩士研究生,主要研究方向為廢物處理處置與資源化利用.發表論文1篇.

2018-03-21

國家自然科學基金資助項目(51208426)

* 責任作者, 副教授, zhcheng@126.com