施用污泥堆肥對土地安全性的影響

秦偉

［關鍵詞］施用污泥堆肥；土地；安全性；影響效應

隨著城市化快速發(fā)展，城市污水越來越多，在現(xiàn)有技術條件下，城市污水處理能力和技術水平也在不斷提升，使得全球乃至全國范圍內(nèi)污泥產(chǎn)量大大增加[1]。目前，就國內(nèi)而言，主要通過土地利用方式最大化利用污泥資源，當土壤肥力不足時，通過施用污泥堆肥，即可增加土壤中的相關營養(yǎng)元素，使土壤保持更為持久的養(yǎng)分，進一步改善土壤質(zhì)量，為林木、農(nóng)作物、水草資源健康、良性生長提供有機基質(zhì)。在此背景下，全國水務行業(yè)需要迫切、有效解決城市污水處理問題及污泥資源合理利用問題。但由于現(xiàn)有技術工藝條件限制，有些污泥處理設施并不能完全徹底處理污泥中的重金屬，若將其用于農(nóng)地、林地或耕地，可能會破壞土地土壤營養(yǎng)平衡，造成土壤重金屬富集，不利于土地安全，也會影響人類身體健康，更會嚴重影響土壤利用及植物生長[2]。

1. 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省廉江市新民鎮(zhèn)內(nèi)，試驗時間為2022年2月至6月。試驗站地理坐標為21°25′至21°55′N、109°45′至110°30′E。試驗區(qū)性質(zhì)為塊狀混交人工林實驗區(qū)，總占地面積為15 hm²，于2021年營造。試驗區(qū)域氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，年平均降水量在1600～1650 mm之間，雨量充沛，日照充足，年平均氣溫達22.4℃，空氣平均相對濕度為79%。從本區(qū)土地資源基本情況來看，廉江市新民鎮(zhèn)土壤大致分為旱地土壤、自然土壤及水稻土三類，有機碳質(zhì)量分數(shù)相對較低。其中，本區(qū)最主要的農(nóng)耕地為水稻土，而旱地土壤（基水地堆疊土）與自然土壤（赤紅壤）均屬于香洲區(qū)特有的土壤類型及南亞熱帶的代表性土壤，其廣泛分布于廉江市新民鎮(zhèn)海島地區(qū)和丘陵臺地。

2. 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本試驗供試材料中所用污泥堆肥產(chǎn)品均由珠海市供水與排水治污中心提供，主要包括污泥A、污泥B及污泥C三種不同產(chǎn)品，具體如下：

（1）污泥A：分別由園林廢棄物與污泥混合物組合而成（將林木修枝剩余物如園林廢棄物等添加到污泥中，通過混合堆置處理一段時間，得到污泥堆肥A混合產(chǎn)品）。

（2）污泥B：主要成分為污泥好氧堆肥（將含水量≤40%的污泥統(tǒng)一放置到實驗大棚內(nèi)進行自然腐熟處理，通過“條垛式”堆肥后最終得到干污泥堆肥B）。

（3）污泥C：厭氧堆肥-熱水解污泥產(chǎn)品（在高溫實驗條件下，對污泥產(chǎn)物進行高溫熱水解，并經(jīng)厭氧消化和脫水處理之后，獲得干污泥C）。以下表1所述數(shù)據(jù)為本研究供試三種不同污泥堆肥產(chǎn)品的重金屬質(zhì)量分數(shù)與理化性質(zhì)參數(shù)。

2.2 試驗設計

于2022年2月，將本研究試驗區(qū)劃分為三塊約3公頃（面積大致相同）的試驗區(qū)域，依次采用上述三種不同的供試污泥堆肥材料進行施肥處理，每個小試驗區(qū)均設有三個不同的污泥堆肥試驗樣地，面積均為25 m×25 m，同時預留一塊CK實驗對照樣地。試驗過程中，為有效避免各試驗樣地小區(qū)之間相互干擾、相互影響和作用，另將約5m大小的緩沖帶設置于三種不同的污泥堆肥試驗樣地之間。待緩沖帶及試驗樣地均設置完備之后，依次按照試驗要求，規(guī)范采集各試驗樣地中表層土壤[3]，并進行施用污泥堆肥試驗前土壤背景理化性質(zhì)測定。如下表2所示為三塊不同的試驗樣地土壤理化性質(zhì)參數(shù)。

2021年3月，對三塊試驗土地分別進行污泥堆肥施肥處理，試驗過程中，按照污泥堆肥污泥干基計算污泥A、污泥B及污泥C三種不同產(chǎn)品的施用量，均為35t· hm^-2，三種污泥堆肥施用方式為“撒施”，即在各試驗區(qū)土地的土壤表面撒施污泥堆肥產(chǎn)品之后，再使用機器進行翻耕處理，并將三試驗區(qū)各樣地表層土壤與相應污泥堆肥產(chǎn)品均勻混合到一起[4]。

連續(xù)施用污泥堆肥15d且當試驗區(qū)土地營養(yǎng)屬性平衡之后，從3月開始到6月于每月月末對試驗樣地土壤樣品進行1次采集，共4次。施用污泥堆肥土地土壤樣品具體采樣方法如下：

（1）采用土鉆在每塊試驗田中隨機鉆取5個土樣，土壤樣品鉆取采集深度約為20 cm。

（2）待所有土樣均勻混合之后記為一個土壤樣本，每個試驗區(qū)施用污泥堆肥土壤樣品采集處理均連續(xù)進行3次重復。

（3）最后，將所取所有土樣進行過篩（2 cm）處理，并保存于4℃左右的冷藏冰箱環(huán)境中，主要用于試驗指標測定，如試驗區(qū)土地土壤酶活性、氮活性及微生物碳等生化指標，另一部分施肥土樣經(jīng)風干處理后再次過篩（約0.25 mm）處理，主要用于測定其土壤理化性質(zhì)。

（4）根據(jù)上述試驗測定結(jié)果，評價分析施用污泥堆肥對土地安全性的影響效應及程度。

2.3 監(jiān)測指標及測定方法

2.3.1監(jiān)測試驗區(qū)土壤酶活性

本研究試驗過程中均按照姚槐應，黃昌勇等人編寫的《土壤微生物生態(tài)學及其實驗技術》一書（科學出版社，2006年）中關于土地土壤酶活性測定要求進行生物學試驗測定。其中，本試驗區(qū)土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性分別采用靛酚比色法和磷酸苯二鈉比色法進行測定，而本試驗區(qū)土壤脫氫酶活性與過氧化氫酶活性分別采用TTC比色法及高錳酸鉀滴定法測定，另外本試驗區(qū)土地土壤蔗糖酶活性采用二硝基水楊酸比色法測定[5]。

2.3.2 監(jiān)測試驗區(qū)微生物碳、氮活性及相關理化指標

本研究試驗過程中均按照魯如坤等人編寫的《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》一書（中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000年）中關于土地土壤微生物碳、氮活性及相關理化指標測定要求進行生物學、理化性質(zhì)試驗測定。其中，土壤總有機碳成分和微生物量碳、氮活性分別采用外加熱法-重鉻酸鉀容量法和氯仿熏蒸法測定，即將本研究試驗區(qū)內(nèi)采樣土地土壤全磷、氮、鉀進行消煮處理后，再使用Auto Analyzer 3 型（德國進口全自動）流動分析儀對試驗區(qū)土壤理化指標及微生物碳、氮活性成分的質(zhì)量分數(shù)進行測定[6]。

2.3.3監(jiān)測試驗區(qū)土壤重金屬含量

本研究基于Mars6型試驗儀器設備，采用HNO3-HF-HCl 微波消解法對所提取土樣中的Cr（鉻）、Pb（鉛）、Cu（銅）、Zn（鋅）、Cd（鎘）、Ni（鎳）、Mn（錳），As（砷）這八種不同的重金屬含量進行測定，并使用儀器型號為ICP-OES的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對試驗所提取土地土壤樣本中8種重金屬的質(zhì)量分數(shù)進行測定[7]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本研究試驗所得相關數(shù)據(jù)如試驗區(qū)土壤酶活性、試驗區(qū)微生物碳、氮活性及相關理化指標和試驗區(qū)土壤重金屬含量等試驗指標均進行單因素方差分析和相關性分析[8]，同時采用鄧肯法（α= 0.05）進行三組間安全性指標平均值差異顯著性檢驗。施用污泥堆肥和試驗樣本采樣時間處理對土地安全性指標的影響均通過統(tǒng)計學軟件SPSS29.0進行重復測量方差分析，P＜0.01為對比差異具有非常顯著的統(tǒng)計學意義。

3. 試驗結(jié)果與分析

3.1 施用污泥堆肥對土地（土壤）微生物酶的影響

2～6月，試驗土地堿性磷酸酶活性顯著受土樣采樣時間及污泥堆肥施用、處理方式影響（P＜0.01），且CK實驗對照樣地與污泥堆肥A、B、C處理的堿性磷酸酶活性均有所改善和提升。從具體數(shù)據(jù)來看，在2～4月份，試驗土地污泥堆肥A、B、C處理時的堿性磷酸酶活性與CK實驗對照樣地土壤的堿性磷酸酶活性均有一定的上升變化趨勢，其中，兩種土地類型的堿性磷酸酶活性達到最高值時為8月份。據(jù)數(shù)據(jù)觀測結(jié)果可知，在污泥堆肥B施用處理時，試驗土地土壤中的堿性磷酸酶活性均高于CK實驗對照樣地，這就表明，污泥堆肥B處理更能夠有效地改善并提升土地的堿性磷酸酶活性，并促使土壤植物快速、有效、充分地吸收污泥堆肥中的有機磷，這是由于污泥堆肥B處理中富含極高的磷活性。

3.2 施用污泥堆肥對土地（土壤）微生物碳、氮的影響

試驗發(fā)現(xiàn)，土壤采樣時間、污泥堆肥處理均會顯著影響本試驗區(qū)域土地土壤中的MBN（微生物氮）和MBC（微生物碳）。具體來看，2～6月，本試驗區(qū)域土地土壤中的微生物氮和微生物碳總體上都在持續(xù)增加，污泥堆肥A、B、C所有處理的土壤微生物碳及CK實驗對照樣地土壤微生物碳分別增長約40.1%、75.2%、119.0% 及98.5%；而微生物氮則分別增加約6.2%、51.0%、58.4%和75.9%。通過數(shù)據(jù)可以看出，土壤微生物氮和微生物碳的增加均反映了本試驗區(qū)域土地土壤中的植物吸收養(yǎng)分能力及施用污泥堆肥后土壤微生物新陳代謝的強度狀況。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過施用堆肥處理后的試驗區(qū)域土地土壤微生物碳、微生物氮均高于CK實驗對照樣地土壤（P＜0.05），這就說明施用污泥堆肥可增加土地養(yǎng)分。下表3類不同污泥堆肥供試材料中，施用污泥堆肥C處理后的試驗區(qū)域土地土壤微生物碳、微生物氮含量最高，彰顯了其具有更高的肥力價值，詳見表3：

3.3 施用污泥堆肥對土地（土壤）相關理化指標的影響

從下表4統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，本研究三塊試驗樣地中土壤N（氮）、P（磷）、TOC（總有機碳）均顯著受污泥堆肥處理方式影響（P＜0.01）。對比來看，經(jīng)污泥堆肥A、B處理的試驗樣地，較污泥堆肥C處理后的試驗樣地，其土壤中的N（氮）、P（磷）、TOC（總有機碳）等成分在2～5月均有不同程度的上升，這就說明，通過施用污泥堆肥C，更能夠增加本研究試驗樣地土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，且污泥堆肥A、B處理的試驗樣地與CK實驗對照樣地土壤中N（氮）、P（磷）、TOC（總有機碳）等成分的變化發(fā)展趨勢基本保持一致，各污泥堆肥處理間對比也無明顯差異（P＞0.05）。但在2、5月，本研究污泥堆肥A、B、C所有處理的pH值均顯著上升，經(jīng)對土地（土壤）相關理化指標單因素方差分析表明，污泥堆肥A、B、C所有處理的試驗樣地pH值僅受時間變化波動因素顯著影響（P＜0.01）。

據(jù)分析，污泥堆肥是一種特殊的沉淀物，它是由生活污水沉淀混合而成，因此其中富含大量的鹽分，當這些污泥堆肥被施用到土地土壤中時，污泥堆肥中的大量鹽分就會顯著影響土地中土壤的肥力，并通過EC（土壤電導率）加以體現(xiàn)[9]。本研究數(shù)據(jù)顯示，在2月份，污泥堆肥A、B、C所有處理的試驗樣地土壤EC值均明顯高于CK實驗對照樣地（P＜0.01）；而在5月份，污泥堆肥A、B、C所有處理的試驗樣地土壤EC卻與CK實驗對照樣地無明顯差異（P＞0.05），這說明施用污泥堆肥，對本研究試驗樣地土壤均未形成鹽害，土地安全性較高。

3.4 施用污泥堆肥對土地（土壤）重金屬的影響

在試驗監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，施用污泥堆肥后少數(shù)試驗區(qū)域土壤中的重金屬含量在下降，但多數(shù)呈上增變化發(fā)展趨勢（見下表5）。據(jù)分析，對于Zn、Ni、Cu、Pb這四種重金屬物質(zhì)而言，在2、5月份，通過污泥堆肥A、B、C所有處理的試驗樣地土壤與CK實驗對照樣地并無明顯差異（P＞0.05），這就表明，施用三種污泥堆肥，對本試驗區(qū)域土地中土壤所含銅、鎳、鉛、鋅這四種重金屬總量的影響少之甚少。

對于Mn、Cr而言，在2、5月份，通過污泥堆肥C處理后的試驗樣地土壤與CK實驗對照樣地以及經(jīng)污泥堆肥A、B處理后的土地具有明顯差異（P＜0.01）；另外，經(jīng)污泥堆肥A、B處理后的土地，鉻、錳兩種重金屬的總量均低于CK實驗對照樣地（P＜0.05），而經(jīng)污泥堆肥C處理后的土地，鉻、錳兩種重金屬的總量均高于CK實驗對照樣地（P＜0.05）。

對于Cd金屬元素，在2月，經(jīng)污泥堆肥A、B、C處理后的土地與CK實驗對照樣地對比差異不顯著（P＞0.05）；6月份，經(jīng)污泥堆肥A、B、C處理后的土地與CK實驗對照樣地對比差異十分顯著（P＜0.01）。此外，經(jīng)污泥堆肥A、B、C處理后的土地中Cd和As重金屬物質(zhì)的總量均明顯高于CK實驗對照樣地（P＜0.01），這充分表明，在本研究供試污泥堆肥A、B、C三種處理條件下，Cd和As這兩種重金屬元素相比其他銅（Cu） 、鎳（Ni） 、鉛（Pb） 、鋅（Zn）等重金屬元素而言，更容易在試驗土地土壤中堆積。

但經(jīng)過測定分析，通過施用本研究所采用的三種污泥堆肥A、B、C供試材料后，試驗區(qū)土地土壤中的主要重金屬總量均未超過CJ/T 362-2011所規(guī)定的土地安全性閾值；將其施用到林地、耕地類型的土地中后，土壤中所積累的相關重金屬也均未超過國家現(xiàn)行GB4284-2018所規(guī)定的土地“安全性”閾值，且未對試驗區(qū)域土地土壤造成破壞和污染。

4. 結(jié)論

本研究針對施用污泥堆肥對土地安全性的影響進行了實驗研究，試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：

（1）施用污泥熱水解堆肥、污泥好氧堆肥可提高土地土壤MBN、MBC含量，且施用污泥堆肥后，試驗區(qū)土地土壤中的TOC、K及N含量也顯著增加。

（2）三種污泥堆肥供試量為35t· hm^-2，施用后，試驗區(qū)土壤Cu、Ni、Pb及Cd、Cr、Mn、As等八種重金屬質(zhì)量分數(shù)均未超標，表明污泥堆肥產(chǎn)品安全用量閾值為35t· hm^-2，若按現(xiàn)有安全用量施加污泥堆肥，并不會污染和破壞土壤有機質(zhì)，安全性高，值得推廣應用。