施用不同污泥堆肥對土壤理化性質(zhì)及微生物活性的影響1)

董曉蕓 柯凱恩 胡自航 鄭景明

(森林資源生態(tài)系統(tǒng)過程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

蔣麗偉 張家琦

(國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院)

隨著城市化進(jìn)程的日益加快，世界范圍內(nèi)的污泥產(chǎn)量也逐漸增加。目前對污泥進(jìn)行資源化利用的方法主要是土地利用[1]。在土壤肥力較低時，施加污泥堆肥有利于土壤中營養(yǎng)元素的增加，且成本較低[2]。林地土壤一般具有非常薄的酸性腐質(zhì)層[3]，土壤持水性、養(yǎng)分持久性均較低[4]。施用污泥堆肥可以為林地提供有機(jī)性基質(zhì)，改善土壤質(zhì)量[5]。相對污泥堆肥農(nóng)用，污泥堆肥在林地施用的安全性更高，原因是林產(chǎn)品不進(jìn)入人類食物鏈，且森林生態(tài)系統(tǒng)具有較強的自我修復(fù)功能[6]。國際上雖有污泥堆肥在林地利用的歷史及相關(guān)研究報道，但國內(nèi)關(guān)于污泥堆肥在林地利用的研究非常少見。研究污泥堆肥林地施用對土壤的影響可以為污泥資源化利用提供參考。

施用污泥堆肥會改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤中氮、磷、鉀、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[3]。以往研究表明，施用污泥堆肥能增加土壤多種酶活性[7]。土壤酶參與土壤系統(tǒng)中諸多重要代謝過程[8]，其對土壤環(huán)境變化敏感，反映土壤肥力狀況變化[9]。土壤酶活性與土壤總有機(jī)碳(TOC)、全氮、全磷等呈正相關(guān)[10]。施用污泥堆肥還可以增加土壤微生物碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且土壤微生物碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)受施用污泥堆肥量和施用時間的影響[11]。重金屬是限制污泥施用的重要指標(biāo)，污泥中含有大量重金屬，但經(jīng)過堆肥處理后的污泥可以大幅度減少污泥中的重金屬、潛在污染物、細(xì)菌病原體等有害物質(zhì)[12]。雖然較多試驗研究了施用污泥對土壤各項指標(biāo)的影響[13]，但少有研究監(jiān)測土壤酶、土壤微生物、土壤理化性質(zhì)的連續(xù)動態(tài)變化[14]。

本研究重點探討了施用混合堆肥后林地土壤養(yǎng)分指標(biāo)隨時間的變化趨勢；不同種類的污泥產(chǎn)品對林地土壤酶活性的影響；土壤酶活性與土壤有機(jī)碳、土壤pH等土壤理化指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系；土壤中重金屬隨施肥時間的變化。為污泥林地利用、施用污泥堆肥改良退化土壤提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于北京市大興區(qū)北臧鎮(zhèn)平原造林示范區(qū)，地理中心坐標(biāo)為39°40′N、116°14′E。試驗區(qū)占地10 hm2，為2012年營造的塊狀混交人工林。該地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為8.5 ℃。一般6月開始進(jìn)入盛夏，7、8月平均氣溫為23 ℃，最冷季節(jié)平均氣溫為-8.8 ℃，無霜期較短，初霜開始于10月下旬，次年3月下旬終止。土壤多為河流沖擊的沙壤土，主要土壤類型有輕壤質(zhì)褐潮土、厚層紅黃土、沙壤土等，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低[15]。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗污泥堆肥產(chǎn)品由北京排水集團(tuán)提供，包括3種類型：污泥、園林廢棄物混合產(chǎn)品(污泥A)——污泥中添加園林廢棄物，如林木修枝剩余物，進(jìn)行混合堆置，處理一定時間得到的混合物；污泥好氧堆肥產(chǎn)品(污泥B)——用含水率低于40%的污泥置于大棚內(nèi)進(jìn)行條垛式堆肥處理，自然腐熟后獲得的干污泥；污泥熱水解-厭氧堆肥產(chǎn)品(污泥C)——污泥經(jīng)過高溫?zé)崴馓幚砗螅?jīng)厭氧消化、脫水后得到的干污泥。供試污泥產(chǎn)品的理化性質(zhì)及重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

表1 供試污泥產(chǎn)品的基本理化性質(zhì)及主要重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 試驗設(shè)計

2019年5月，將林地劃分為面積大致相等(約3公頃)的3塊區(qū)域，作為3種不同肥料的試驗小區(qū)，每個區(qū)域里設(shè)3塊20 m×20 m的試驗樣地進(jìn)行施肥處理，并預(yù)留1塊對照樣地(CK)，各樣地間設(shè)置5 m的緩沖帶，防止各小區(qū)間相互影響。樣地設(shè)置完畢后，采集樣地表層土壤進(jìn)行試驗前土壤背景理化性質(zhì)測定(表2)。

表2 樣地土壤的基本理化性質(zhì)

2019年6月，對試驗樣地進(jìn)行施肥處理，3種污泥產(chǎn)品施用量均為30 t·hm-2(按其污泥干基計算)，施肥方式為撒施，即將污泥堆肥產(chǎn)品撒施到土壤表面后，使用機(jī)器翻耕將肥料與樣地表層土壤混合均勻。

施肥林地平衡15 d后，從6月至10月每月末采集1次土壤樣品。采樣方法：用土鉆在每塊樣地里隨機(jī)取5個土壤深度(h)為0

2.3 監(jiān)測指標(biāo)及測定

土壤酶活性測定：土壤酶活性參照《土壤微生物生態(tài)學(xué)及其實驗技術(shù)》測定[16]。使用靛酚比色法測定脲酶活性；磷酸苯二鈉比色法測定堿性磷酸酶活性；TTC比色法測定脫氫酶活性；高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性；二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性。

土壤理化指標(biāo)及微生物碳、氮活性測定：土壤基本理化性質(zhì)的測定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析》[17]，其中，重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定土壤總有機(jī)碳；將土壤全氮、全磷、全鉀消煮后，使用流動分析儀(儀器型號為Auto Analyzer 3)進(jìn)行測定其質(zhì)量分?jǐn)?shù)；氯仿熏蒸法測定土壤微生物量碳、氮活性。

土壤重金屬測定：采用HNO3-HF-HCl微波消解法(儀器型號為Mars6)提取土樣中8種重金屬(Cr、Pb、Cu、Zn、Cd、Ni、Mn，As)后，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(儀器型號為ICP-OES)測定其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

對土壤酶活性、土壤理化指標(biāo)、重金屬進(jìn)行相關(guān)性分析、單因素方差分析，并采用鄧肯法(α=0.05)進(jìn)行組間平均值差異顯著性檢驗。采樣時間和施肥處理對土壤指標(biāo)的影響通過SPSS進(jìn)行重復(fù)測量方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 施用污泥對土壤微生物酶的影響

6—10月，堿性磷酸酶活性受污泥堆肥處理和采樣時間顯著影響(P<0.05)，CK與污泥A、B、C處理的堿性磷酸酶活性均有所提高。CK及污泥A、B、C處理時堿性磷酸酶活性從6月到8月呈逐漸上升的趨勢，在8月達(dá)到最高值。污泥B處理時，堿性磷酸酶活性均高于CK，表明污泥B處理能更有效地提高堿性磷酸酶活性，并促進(jìn)土壤植物吸收有機(jī)磷的效率，這是因為污泥B含有最高的磷活性。

連續(xù)監(jiān)測期間，過氧化氫酶受采樣時間顯著影響(P<0.05)，CK及污泥A、B、C處理的過氧化氫酶活性均呈先上升后下降的趨勢，各處理間差異不顯著。隨著時間的變化，污泥A、B、C處理的過氧化氫酶活性均比CK略高，表明污泥的施用可明顯提高土壤過氧化氫酶活性。

蔗糖酶活性受采樣時間變化顯著影響(P<0.05)，污泥堆肥處理對其無顯著影響。雖不同處理下蔗糖酶總的變化趨勢基本一致，但是變化幅度有所差異。CK的蔗糖酶活性逐月遞減；污泥A、B處理的蔗糖酶活性前3個月都呈逐月遞減的趨勢，9月份有所上升，且施肥處理的蔗糖酶高于CK。10月份，所有處理的蔗糖酶活性均有所下降，經(jīng)過施肥處理的蔗糖酶活性仍高于CK，表明施肥處理能一定程度提高土壤蔗糖酶活性。

6—10月，采樣時間對脫氫酶有顯著影響(P<0.05)；污泥堆肥處理對脫氫酶的變化無顯著影響。CK及污泥A、B、C處理的脫氫酶活性總體呈下降趨勢。6—8月，除污泥B處理的脫氫酶活性7月份比6月份高，CK及污泥A、C處理時的脫氫酶活性均呈逐月下降趨勢；8—10月，所有處理的脫氫酶活性均無顯著變化。除7月外，污泥A、B、C處理的脫氫酶活性都高于CK，表明施用污泥能整體提高土壤脫氫酶活性。

6—10月，采樣時間對脲酶活性有顯著影響(P<0.05)，污泥堆肥處理對其無顯著影響。所有處理的脲酶活性變化趨勢一致，均逐月遞減。9—10月，污泥B、C處理的脲酶活性高于CK，表明污泥B、C更能促進(jìn)土壤中含氮化合物水解，從而提高土壤氮活性。具體見表3。

表3 同一污泥處理方式不同采樣時間的5種土壤酶活性

月份脫氫酶活性/mg·g-1CK污泥A污泥B污泥C脲酶活性/mg·g-1CK污泥A污泥B污泥C6(2.10±0.13)a(3.24±1.97)a(2.43±0.35)a(5.20±1.61)a(0.53±0.01)ab(0.52±0.03)a(0.53±0.02)a(0.54±0.04)a7(1.59±0.14)b(2.26±0.22)ab(3.31±1.36)a(1.56±0.44)b(0.55±0.03)a(0.52±0.01)a(0.52±0.06)a(0.52±0.39)a8(0.92±0.18)c(0.96±0.07)b(0.93±0.14)b(0.94±0.23)b(0.46±0.04)b(0.45±0.05)b(0.48±0.01)a(0.45±0.06)b9(0.85±0.19)c(0.91±0.06)b(0.86±0.24)b(0.86±0.21)b(0.36±0.02)c(0.31±0.03)c(0.36±0.02)b(0.38±0.02)bc10(1.06±0.46)c(1.24±0.54)b(1.23±0.56)b(1.14±0.62)b(0.30±0.08)c(0.29±0.03)c(0.34±0.02)b(0.35±0.03)c

3.2 施用污泥對土壤微生物碳、氮的影響

土壤微生物碳(MBC)、微生物氮(MBN)受污泥堆肥處理、采樣時間影響顯著(P<0.05)。6—10月，MBC、MBN總趨勢為不斷增加，CK及污泥A、B、C處理的MBC分別增加39%、74%、118%、99%；MBN分別增加5%、49%、57%、76%。MBC、MBN反映土壤微生物新陳代謝的強度、植物吸收養(yǎng)分的狀況。施肥處理的MBC、MBN均比CK高，表明施肥可增加土壤的養(yǎng)分。3類堆肥處理中，污泥C處理的MBC、MBN均最高，表明污泥C的肥力最好(表4)。

表4 同一污泥處理方式不同采樣時間的微生物碳、氮

3.3 污泥施用對土壤理化指標(biāo)的影響

如表5，所有樣地的土壤N、P、TOC均受污泥處理影響顯著(P<0.05)。相比污泥C處理的樣地，其余樣地6、9月N、P、K、TOC均有所增加。污泥C處理的樣地N、P、TOC明顯高于其余3個處理樣地，表明施用污泥C更有助于提高土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)。CK、污泥A、B處理時樣地的N、P、K、TOC變化趨勢一致且處理間無顯著差異。6、9月，所有處理的pH均有所增加。方差分析結(jié)果表明，pH只受時間變化的顯著影響(P<0.05)。污泥是生活污水的沉淀物，含有一定的鹽分，施入土壤后鹽分對土壤肥力的影響可通過土壤電導(dǎo)率(EC)反映。6月份，污泥A、B、C處理的土壤電導(dǎo)率高于CK；9月份，污泥A、B、C處理的土壤電導(dǎo)率與CK無顯著差異，說明污泥的施用沒有對土壤產(chǎn)生鹽害。

表5 不同污泥處理方式同一采樣時間的理化指標(biāo)

3.4 污泥施用對重金屬的影響

監(jiān)測時間段內(nèi)，大部分重金屬呈上升趨勢，少數(shù)呈下降趨勢(表6)。對于銅(Cu)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鋅(Zn)，6、9月3種污泥處理與CK間均無顯著差異，說明3種污泥堆肥的施用對土壤中這4種重金屬總量的影響較小。對于鉻(Cr)、錳(Mn)，6、9月，污泥C處理與CK、污泥A、B處理差異顯著(P<0.05)；污泥A、B處理均低于CK，污泥C處理時均高于CK。對于鎘(Cd)，6月，3種污泥處理與CK差異不顯著；9月，3種污泥處理與CK差異顯著(P<0.05)。3種污泥處理的Cd和砷(As)均高于CK，表明本研究的3種污泥堆肥產(chǎn)品中，Cd和As相對其他元素更容易在土壤中積累。本試驗使用的污泥堆肥產(chǎn)品中主要重金屬未超過《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理林地用泥質(zhì)》(CJ/T 362—2011)規(guī)定的參考標(biāo)準(zhǔn)值；施加到林地后，土壤重金屬也沒有超過國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)-農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—2018)，并未造成污染。

表6 同一采樣時間不同污泥施用處理的土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.5 土壤微生物指標(biāo)及土壤營養(yǎng)元素的相關(guān)關(guān)系

土壤酶、微生物活性受土壤營養(yǎng)元素的影響較大。由表7可以看出，堿性磷酸酶與MBC、MBN、P、TOC；脲酶與N；過氧化氫酶與MBN、N、TOC；蔗糖酶與N、TOC；蔗糖酶與N、TOC；MBC與MBN、N、P、pH、TOC；MBN與MBC、N均呈顯著正相關(guān)。表明污泥堆肥的施用會對土壤營養(yǎng)元素造成影響，從而影響土壤微生物的活性。

表7 土壤酶與土壤物理化學(xué)、生物學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

4.1 土壤微生物活性因子、土壤營養(yǎng)元素隨時間變化的影響因素

本研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物活性受時間變化、土壤營養(yǎng)元素的影響較大。除堿性磷酸酶，其余4種酶的活性10月份均低于6月份，表明溫度影響微生物活性，溫度越高，微生物加速繁殖；而堿性磷酸酶受溫度影響較小。脲酶與土壤氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)，脲酶能提高氮素的利用率并促進(jìn)土壤氮素循環(huán)。氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所下降也是引起脲酶活性降低的原因。蔗糖酶活性與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，污泥C處理時的TOC、蔗糖酶活性高于其他3個處理，且9、10月污泥A、B、C處理時的蔗糖酶活性均高于CK，說明污泥施用能提高蔗糖酶活性。脲酶、蔗糖酶的變化與王艮梅等[18]研究的楊樹人工林下相應(yīng)土壤酶活性季節(jié)變化趨勢相同。土壤過氧化氫酶的活性在夏季最高，秋季溫度降低，過氧化氫酶活性下降，這與魯萍等[19]研究的土壤過氧化氫酶活性最大值出現(xiàn)在8月的結(jié)果一致。堿性磷酸酶受土壤磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較大，磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的土壤，其堿性磷酸酶活性更高，這與劉玉槐[20]的研究結(jié)果一致。施用污泥堆肥前2個月3種污泥處理的脫氫酶活性高于CK，隨著時間推移，經(jīng)過施肥處理的脫氫酶活性降低至與CK相近，這與滕應(yīng)等[21]的研究結(jié)果一致。這是因為施用污泥堆肥短暫增強了土壤微生物氧化還原能力，但施肥后期土壤pH、銨鹽的增高抑制了土壤脫氫酶活性的增加[22]，且銅離子(Cu2+)的變化也會影響脫氫酶在測定過程中的顯色反應(yīng)[23]。

以往研究表明，土壤酶活性的時間動態(tài)變化是土壤酶對土壤理化性質(zhì)、土壤類型、植被、氣候等綜合環(huán)境因素適應(yīng)性的表現(xiàn)。楊萬勤等[24]對北碚縉云山森林生態(tài)系統(tǒng)中4種群落的過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶、酸性磷酸酶活性的分布特征和季節(jié)動態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，土壤酶活性的季節(jié)變化規(guī)律明顯,不同的酶類，季節(jié)變化規(guī)律不同，但均在冬季活性最低，說明土壤酶活性的季節(jié)動態(tài)變化與土壤環(huán)境溫度的季節(jié)變化、酶本身的性質(zhì)有關(guān)。土壤酶活性也受土壤酸堿環(huán)境影響。本研究中，10月各種土壤酶的活性均低于6月，除受溫度影響，也因為10月的土壤pH值略高于6月，而土壤酶更適合pH較低的土壤環(huán)境。土壤pH對有機(jī)大分子物質(zhì)的生物降解、礦化過程有著強烈影響，并以這2種方式對酶活性產(chǎn)生影響：一是通過影響微生物種類，從而影響微生物釋放酶的數(shù)量、種類；二是直接影響土壤酶參與生化反應(yīng)的速度[25]。孫鵬躍等[26]在對華北落葉松人工林地土壤養(yǎng)分與土壤酶季節(jié)變化及關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤pH值越低，其過氧化氫酶活性越高。

4.2 不同污泥堆肥對土壤微生物活性及土壤營養(yǎng)元素的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，施用污泥堆肥會提高土壤微生物碳、氮的活性。土壤微生物碳與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，微生物碳的增加與土壤中的碳增加有關(guān)，土壤微生物氮活性與土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。由此說明，施用污泥堆肥對土壤碳、氮的提高有重要作用，與連鵬等[27]得出施用污泥堆肥會增加土壤微生物碳、氮活性的結(jié)果一致。

本研究中，在30 t·hm-2施用量時，污泥堆肥對提高土壤養(yǎng)分有積極影響，不同類型的污泥產(chǎn)品效果不同。污泥C更有利于增加土壤N、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)。經(jīng)過污泥堆肥處理的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于CK，說明3種污泥堆肥的施用都有助于提高土壤總有機(jī)碳。這是因為污泥堆肥中含有較高的有機(jī)碳成分，施入土壤后不但提高了土壤養(yǎng)分，也調(diào)節(jié)土壤C與N質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值，進(jìn)一步促進(jìn)胞外代謝酶參與土壤養(yǎng)分循環(huán)過程[28]。張強等[29]在污泥施用對林地土壤影響的研究中也指出，施用污泥堆肥會增加土壤中全氮、全磷、總有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)且對植物生長不產(chǎn)生鹽害，本試驗結(jié)果與其研究結(jié)果一致。

污泥堆肥施用有助于提高M(jìn)BC、MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且隨時間的增加而增加。王季斐等[30]在其研究中得出，外源碳添加到稻田土壤后，主要以易被微生物利用可溶性碳的形式存在于土壤水溶液中，隨著土壤微生物對碳的利用轉(zhuǎn)化為MBC。劉戀等[31]觀察到，向土壤添加有機(jī)肥料會增加MBC，且MBC與TOC呈顯著正相關(guān)。有機(jī)碳的增加給土壤微生物提供了繁殖所需的能源、營養(yǎng)，刺激土中微生物的活性，增強微生物對碳、氮的固持。當(dāng)?shù)亟邓饕性?、8月，而取土期9月的降水較少，土壤干濕交替可以促進(jìn)土壤中氮的礦化，使更多的礦質(zhì)態(tài)氮被土壤中的微生物所固持。

本研究連續(xù)監(jiān)測了5個月3種污泥堆肥對土壤理化性質(zhì)、微生物活性的影響，發(fā)現(xiàn)微生物活性受時間影響顯著，施用污泥堆肥顯著提高土壤酶活性和土壤C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)，微生物碳、微生物氮活性提高最明顯，最大可分別提高118%、126%；土壤酶中堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性提高最明顯，最大可分別提高39%、8%。施用污泥堆肥還可提高土壤N、K、TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中污泥C的施用效果最好。研究發(fā)現(xiàn)，微生物活性與多種土壤營養(yǎng)元素顯著相關(guān)，表明在施用污泥堆肥時添加土壤營養(yǎng)元素，可進(jìn)一步影響微生物活性。研究表明，3種污泥堆肥均不會造成土壤重金屬總量超標(biāo)。為更加全面了解污泥堆肥施用對林地土壤的影響，今后將設(shè)置不同施肥量梯度及更長的監(jiān)測時間以保證得到更準(zhǔn)確的評價結(jié)果。