腐熟污泥施用對土壤有機-無機碳組分的影響

常會慶 王啟震 吳 杰 陳鮮妮

(河南科技大學農學院， 洛陽 471023)

0 引言

土壤中有機碳、無機碳組分是土壤的重要組成部分，土壤有機碳不僅是植物重要的養分來源，還可為土壤中動物和微生物的生長發育提供能源[1]，在調節土壤環境、改善土壤結構及減少環境負面影響等方面發揮了重要作用[2-4]。因存在方式和化學性質不同，土壤不同組分有機碳的生物有效性和肥力功能存在差異，能反映不同的穩定機制[5]。因此，通常按照種類、活性、形態等方式把有機碳分為不同的類型[6-8]，其中土壤有機碳(Soil organic carbon，SOC)、易氧化有機碳(Readily oxidizable carbon，ROC)、可溶性有機碳(Dissolved organic carbon，DOC)和腐殖質碳(Humus carbon，HSC)是上述類型的典型碳組分。土壤無機碳(Soil inorganic carbon，SIC)主要是指土壤風化成土過程中形成的發生性碳酸鹽礦物態碳[9]，其含量變化是判斷土壤形成、發生與分類的重要指標[10]，也是影響土壤pH值、供肥能力及土壤環境質量的主要因素[11]。土壤活性無機碳(Active inorganic carbon，AIC)為土壤中未與土壤粘粒部分緊密結合、易發生化學反應的碳酸鹽，是土壤碳酸鹽反應的指標，其含量變化同樣在評價土壤質量方面具有重要作用[12]。因此，土壤碳組分特征變化，尤其是外源有機物農用對土壤有機碳、無機碳組分的影響值得研究[13]。

目前，添加或配施不同類型有機物料對單一土壤有機碳產生的影響已有不少報道。例如，在小麥-玉米種植模式下，秸稈直接還田、秸稈轉化為食用菌基質出蘑后菌渣還田和秸稈過腹還田3種秸稈還田模式的堿性土壤中有機碳質量分數分別增加9.0%、23.9%和26.7%，同時也提高了土壤溶解性有機碳、微生物量碳和易氧化態碳等活性碳組分含量[14]。稻田中化肥和生物碳、玉米秸稈、鮮牛糞或松針配施下，土壤微生物量碳、可溶性有機碳顯著大于不施肥處理和單施化肥處理[15]。可見，土壤中有機物料的添加有利于不同有機碳組分的增加。

污泥作為一種有機物料，其無害化處理后農用是有效消納污泥的方式之一。我國污泥中有機質平均含量一般在38%以上[16]，施入無害化污泥可直接或間接地調控土壤有機質的輸入及其轉化[17]，施用污泥對土壤有機碳組分的提升作用已得到證實[18-20]。我國土壤類型多樣，土壤性質差異較大，污泥施用對不同酸堿性土壤有機碳的影響差異，尤其對土壤中無機碳組分及pH值的影響尚缺乏研究，而這些問題正是污泥改良酸堿性土壤質量的重要依據。為此，本研究以典型的堿性潮土(堿性壤土)和酸性黃棕壤(酸性砂土)為研究對象，通過連續兩年施用不同量的腐熟污泥，探究污泥添加對上述土壤有機碳、無機碳組分的影響，旨在為土壤的污泥資源化農用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試污泥

供試無害化污泥取自洛陽市某污泥處理廠，該污泥為經過好氧高溫堆肥后制備而成的腐熟污泥，污泥基本指標為：有機質質量分數42.28%、無機碳質量分數6.20%、pH值7.75、全氮質量比20.24 g/kg、全磷質量比15.23 g/kg、全鉀質量比5.40 g/kg。所選污泥重金屬含量符合《農用污泥中污染物控制標準》(GB 4284—2018)所規定的值(鎘、汞、鉛、鉻、砷質量比分別小于3、3、300、500、30 mg/kg)。

1.2 試驗地點

試驗在河南科技大學農場開展，該農場位于河南省洛陽市(34°41′N，112°27′E)，地處溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫12.2～24.6℃，無霜期210 d以上，年降水量、日照時數和年均相對濕度分別為：528～800 mm、2 200～2 300 h、60%～70%。

1.3 試驗設計

供試堿性壤土和酸性砂土分別取自河南省洛陽市的堿性潮土和駐馬店市的酸性黃棕壤，兩種土壤的基本理化性質如表1所示。將上述大田表層土壤風干后過2 mm篩(除去雜草、砂礫等物質)，取10 kg過篩土壤放置于高40 cm、直徑30 cm的塑料盆缽中。根據不同污泥施用量，試驗設置的5個處理分別為0、3.75、7.5、37.5、75 t/hm2(按照每公頃大田表層土質量為2.25×106kg折算)，編號分別為CK、H1、H2、H3、H4。盆栽試驗于2015年10月10日播種小麥，2016年6月1日收獲小麥后種植玉米，玉米收獲時間為2016年10月8日，連續輪作兩年。供試小麥、玉米品種分別為豫農035、鄭單958，僅在小麥季添加污泥，并且每盆施加尿素2.60 g，過磷酸鈣4.2 g，氯化鉀1.3 g，施入的肥料與污泥、土壤均勻混合，每盆種植小麥10株、玉米1株。每個處理重復3次，隨機排列在溫室中。

表1 供試兩種土壤的基本理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of two kinds of soil

1.4 樣品采集與分析

土壤樣品于2017年10月8日玉米收獲后采集，采集的土壤樣品風干后分別過0.85、0.15 mm土篩備用。土壤pH值、土壤有機碳含量、溶解性有機碳含量、無機碳含量等指標參照《土壤農化分析》[21]方法測定。土壤易氧化有機碳(ROC)含量：取0.85 mm風干土樣2 g于150 mL錐形瓶中，準確加入25 mL 333 mmol/L的高錳酸鉀溶液，100 r/min振蕩1 h后，在離心機上2 000 r/min離心5 min，取上清液用去離子水以1∶250的比例稀釋，在分光光度計上以565 nm波長比色，并計算土壤易氧化有機碳含量[22]。土壤活性碳酸鹽(AIC)含量：稱取2 g過0.85 mm篩的風干土樣，置于50 mL離心管中，加入25 mL 0.1 mol/L pH值為9的(NH4)2C2O4， 200 r/min振蕩2 h后，立即3 000 r/min離心20 min，轉移10 mL懸浮液于150 mL三角瓶中，加入3 mol/L H2SO4溶液5 mL，用80℃水浴鍋進行升溫，趁熱用0.02 mol/L K2MnO4溶液滴定，并計算土壤活性碳酸鈣含量。

各有機碳的分配比例為不同有機碳組分占土壤有機碳(SOC)百分比。

1.5 數據處理與分析

利用Excel軟件進行數據處理，采用SPSS 17.0軟件進行數據方差分析和相關性分析，不同處理間采用最小顯著差數法(LSD)進行差異顯著性檢驗(P<0.05)，采用OriginPro 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 污泥添加對土壤有機碳組分的影響

污泥添加后兩種土壤的SOC、ROC、DOC和HSC等有機碳組分變化見表2。隨著腐熟污泥施加量的增加，兩種土壤中各有機碳組分含量隨污泥施用量的增加呈上升趨勢。與CK相比，酸性砂土和堿性壤土中H2、H3、H4處理的SOC含量均顯著增加，兩種土壤的增加范圍分別為31.89%～82.39%和25.83%～84.36%(P<0.05)。在堿性壤土中，當污泥施用量大于等于3.75 t/hm2時，土壤中ROC和DOC含量均顯著高于CK處理，其增幅為24.26%～49.26%和130.00%～340.00%(P<0.05)，而在酸性砂土中污泥施用量大于等于7.5 t/hm2時，上述兩種有機碳分別顯著增加了16.53%～25.62%和58.33%～158.33%(P<0.05)。與CK相比，酸性砂土添加污泥后，H3、H4處理的HSC含量分別顯著增加了23.08%和30.77%(P<0.05)，而堿性壤土H2、H3、H4處理的HSC含量分別顯著增加39.22%、215.69%和354.90%(P<0.05)。兩種土壤各有機碳組分含量由大到小依次為SOC、ROC、HSC、DOC。

表2 土壤中有機碳組分質量比Tab.2 Contents of organic carbon components in soil g/kg

2.2 土壤有機碳組分之間的相關性及分配比例

兩種土壤中SOC、ROC、DOC和HSC之間均呈極顯著正相關關系(表3)，說明各有機組分間存在明顯的依存關系。添加污泥不但影響土壤中各有機碳組分含量，還會影響其分配比例，土壤各有機碳組分占土壤SOC的分配比例，更能體現有機物添加引起土壤質量的變化[23-24]。對于堿性壤土而言，隨著污泥施用量的增加，各處理ROC的分配比例降低(H1處理除外)(表4)。各添加污泥處理的DOC分配比例較CK顯著增加(P<0.05)，但它們之間差異不顯著；H3、H4處理的HSC分配比例較CK顯著增加(P<0.05)。與CK處理相比，酸性砂土H3、H4處理的ROC分配比例顯著降低(P<0.05)；污泥添加增加了DOC的分配比例，但降低了HSC的分配比例，H4處理的DOC分配比例較CK顯著增加了39.02%(P<0.05)；H3、H4處理的HSC分配比例較CK顯著下降了23.26%和27.91%(P<0.05)。

表3 兩種土壤各有機碳組分間的相關系數Tab.3 Correlation coefficient of organic carbon components in two kinds of soil

表4 兩種土壤各有機碳組分的分配比例Tab.4 Distribution ratio of organic carbon componentsin two kinds of soil %

2.3 污泥添加對土壤無機碳組分的影響

腐熟污泥添加對兩種土壤無機碳組分的影響見表5。堿性壤土中腐熟污泥的施用，使得土壤中無機碳(SIC)和活性無機碳(AIC)含量均降低；而酸性砂土中腐熟污泥的施用提高了土壤中的SIC和AIC含量。與CK相比，堿性壤土H2、H3、H4處理的SIC含量均顯著降低(P<0.05)，但污泥添加并沒有顯著降低各處理的AIC含量。與CK相比，酸性砂土H3、H4處理土壤中的SIC含量顯著增加了48.31%和56.36%，H2、H3、H4處理的AIC含量也顯著增加(P<0.05)。兩種土壤中SIC和AIC之間均存在正相關關系(圖1)，其中堿性壤土決定系數為0.53(P<0.05)，而酸性砂土決定系數為0.76(P<0.01)。

圖1 無機碳質量比和活性無機碳質量比的關系Fig.1 Relationship between soil inorganic carbon and active inorganic carbon

2.4 污泥添加對土壤pH值的影響及土壤無機碳與pH值、有機碳的關系

隨著污泥施用量的增加，堿性壤土pH值呈現下降趨勢，而酸性砂土pH值呈上升趨勢(圖2，圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著，P<0.05)。各添加污泥處理較CK顯著增加了酸性砂土的pH值，增幅為0.32～0.91(P<0.05)；堿性壤土添加污泥的各處理與CK相比均顯著降低了土壤pH值，下降幅度為0.19～0.39(P<0.05)。可見，隨著污泥施用量的增加，會使兩種土壤的pH值趨向中性發展。在污泥施用量相同的條件下，堿性壤土pH值降幅均低于酸性砂土pH值的增幅。研究表明土壤中SIC與pH值之間存在一定的關系[25]，污泥添加后土壤SIC和pH值的相關性分析表明，堿性壤土和酸性砂土SIC和pH值之間均存在極顯著正相關關系(P<0.01)(圖3)。土壤中SOC和SIC之間存在一定的相關作用[26]。本研究中，污泥添加影響了土壤中SOC和SIC變化，但它們在兩種土壤中的相關關系存在差異(圖4)。堿性壤土中SOC和SIC之間并沒有顯著的正相關關系(P>0.05)，而在酸性砂土中SOC和SIC之間存在極顯著的正相關關系(P<0.01)。

圖2 污泥添加對pH值的影響Fig.2 Influence of sludge addition on pH value

圖3 無機碳質量比和pH值的關系Fig.3 Relationship between inorganic carbon and pH value

圖4 有機碳質量比和無機碳質量比的關系Fig.4 Relationship between organic carbon and inorganic carbon

3 討論

本研究連續兩年在堿性壤土和酸性砂土施用不同量的腐熟污泥，均增加了土壤不同有機碳組分含量。研究表明，由于腐熟污泥中含有豐富的有機物，因此施加污泥在提高土壤各有機碳組分含量的同時，促進了土壤顆粒對碳的固定[27-28]。有機肥的增施也表現出類似結果，宋震震等[29]通過長期定位試驗發現，施用有機肥顯著增加黑土活性有機碳各組分含量。另外，有機廢棄物的施加對促進土壤各種形態腐殖質含量的增加有重要作用[30-31]。土壤中增加的有機碳可以通過礦化和生物分解等作用產生CO2，參與部分碳酸鈣的形成或分解，而且不同土壤、氣候等條件下有機碳的增加會導致土壤中無機碳向不同方向演變，即通過“SOCCO2SIC”的微碳循環系統發生碳的固定和轉移[32-33]。曾駿等[34]研究表明，在pH值為8.8的堿性土壤上長期施用農肥可增加0～30 cm土層有機碳含量，但同時減少了土壤中無機碳含量。榮井榮等[35]長期在灰漠土施用有機肥的結果也表明，0～60 cm土層土壤無機碳含量隨施肥年限的延長先降低后又趨于穩定，而有機碳含量則隨施肥年限的延長顯著增加。上述研究結果的原因在于有機肥料的施用增加了土壤有機碳含量，經土壤微生物利用后所釋放的CO2增多，造成土壤中CO2分壓增大、土壤pH值降低，從而引起土壤CaCO3含量的減少。本研究在堿性壤土上施用腐熟污泥后，也表現出有機碳增加而無機碳減少現象，原因在于堿性條件下更容易促進土壤溶液中的CO2和水作用形成H2CO3，然后通過生產的H2CO3與CaCO3反應會導致土壤碳酸鈣和pH值的下降，該結果也證實了SOC對SIC的溶蝕具有驅動作用[36]，因此導致在堿性土壤上有機碳和無機碳之間呈現負相關關系。

另一方面，土壤有機肥的施用為無機碳的轉移提供了物質基礎，并且促進土壤無機碳和有機碳累積的生物化學環境[37-38]。原因在于，有機肥的施用促進了土壤呼吸和微生物分解量的增加，進而促進原生碳酸鹽風化和大氣中CO2消耗，使原生碳酸鹽向次生碳酸鹽轉化(通常稱為無機碳)，因此會使土壤無機碳增加，使得土壤有機碳和無機碳之間存在正相關關系[39-40]。與堿性壤土中腐熟污泥添加后無機碳的變化趨勢相反，本研究在酸性砂土中添加腐熟污泥同時增加土壤中的有機碳和無機碳含量，且有機碳和無機碳之間呈現極顯著正相關關系。原因在于，酸性砂土中污泥施用增加了土壤中的有機碳含量，有機碳的增加會促進微生物的數量和活性增大，而微生物能夠分解有機質產生CO2，這部分CO2和無機碳中來自于土壤母質的碳產生位置替換[41]，促使來自作物殘留中的碳或土壤有機碳分解產生的碳漸漸取代土壤母質碳，即原生碳酸鹽向次生碳酸鹽轉化。另外，酸性砂土中腐熟污泥的施用增加了土壤活性無機碳，而增加活性碳的分解使交換性Ca2+增加，從而導致土壤鹽基飽和度的增大而引起土壤pH值的升高，這顯然與土壤的復鈣(生物的和化學的)作用有關[33]。可見，腐熟污泥在酸、堿性不同的土壤上連續施用后導致土壤無機碳效應的變化趨勢存在差異，堿性壤土上施用污泥趨向于無機碳的溶蝕，而在酸性砂土上施用則會導致原生無機碳向次生碳酸鈣轉換。根據本試驗中腐熟污泥施用對酸堿性不同土壤產生的不同碳效應的結果，在生產實踐中，可以利用污泥來培肥或調控土壤中碳庫質量的變化，同時可以通過腐熟污泥添加來改善酸性土壤的酸化現象。

土壤中不同有機碳組分占總有機碳含量比例變化與有機物料添加的種類、數量、土壤性質和作物種類等有關[42]，同時受土壤微生物活性變化的影響[43]。易氧化有機碳分配比例可用于表征土壤有機碳的穩定性，土壤ROC分配比例越高，說明土壤碳的活性越大，穩定性越差，不利于土壤有機質的積累[44]。本研究中兩種土壤的ROC分配比例都隨污泥施用量增加呈降低的趨勢，且在酸性土壤中都低于CK處理，說明兩種土壤隨著腐熟污泥增加，土壤有機碳的穩定性增加。土壤可溶性有機碳分配比例反映了土壤中最為活躍的碳組分占土壤有機碳的比例，其大小對土壤生物化學反應影響較大[45]，較高的DOC分配比例有利于養分分解供作物吸收利用，提高土壤生產力；但較高的DOC分配比例將會加大DOC隨徑流流失的風險，降低了土壤有機碳穩定性，不利于土壤碳的穩定[44]。本研究發現，腐熟污泥農用增加了兩種土壤DOC分配比例，有利于土壤生產力的提高，該原因與污泥施入土壤后降低土壤對DOC的淋溶作用，提高了土壤DOC組分含量，從而導致上述有機碳組分相對含量也有所提高有關[2]。腐殖質碳分配比例直接關系到土壤的肥力性狀[46]，腐熟污泥添加到石灰性土壤中，增加了土壤中腐殖質碳分配比例，但在酸性土壤中卻表現出相反趨勢，這可能與不同酸、堿性土壤類型對腐殖質及活性腐殖質組分碳分配比例影響不同有關[7]。上述腐熟污泥添加對不同有機碳組分分配比例的影響機制仍需長期田間試驗加以驗證。

4 結論

(1)腐熟污泥農用提高了堿性壤土和酸性砂土中SOC、ROC、DOC和HSC等有機碳組分含量；在堿性壤土中腐熟污泥農用，降低了土壤pH值和SIC、AIC含量，在酸性砂土中污泥農用，土壤pH值和SIC、AIC含量增加；兩種供試土壤的SIC和pH值之間均存在極顯著正相關關系。

(2)堿性壤土污泥農用降低了ROC的分配比例，增加DOC和HSC的分配比例；酸性砂土污泥施用降低了ROC和HSC的分配比例，增加了DOC的分配比例。兩種土壤中各有機碳組分之間都呈現極顯著的相關關系。

(3)施用腐熟污泥對不同酸堿性土壤產生的碳效應存在差異，因此可以利用污泥來培肥或調控土壤中碳庫質量的變化，同時，可以通過添加腐熟污泥改善酸性土壤的酸化現象。