河道疏浚底泥农业利用对土壤质量的影响

杨 丹，范欣柯，刘 燕

(1.贵阳学院 生物与环境工程学院，贵州 贵阳 550005；2.中国电建贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550083)



河道疏浚底泥农业利用对土壤质量的影响

杨 丹1，范欣柯2，刘 燕1

(1.贵阳学院 生物与环境工程学院，贵州 贵阳 550005；2.中国电建贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550083)

为研究河道疏浚底泥添加对土壤质量的影响，采用模拟实验分析了土壤理化性质及微生物生物量C和N对不同添加比例河道疏浚底泥的响应。结果表明，河道疏浚底泥添加使土壤饱和含水率增加4.2%～14.7%，持水时间延长1d～8d；土壤养分含量及重金属含量与底泥添加比例呈显著正相关，土壤微生物生物量C(MBC)和N(MBN)分别增加15.5%～35.8%和39.8%～66.1%。底泥与土壤混合比例达到1:1时，全量Cd含量超过《土壤环境质量标准》(GB15618-2008)二级标准，有效态Cd含量也较高，土壤MBC和MBN开始下降。因此，河道底泥添加能够改善土壤持水性能，提高土壤养分和微生物生物量，但高比例的底泥添加可能会导致土壤污染，底泥用于改善土壤质量时，需控制好添加比例。

疏浚底泥；持水性能；速效养分；重金属；土壤微生物生物量

随着社会经济的发展和城镇化进程的加快，城市生活污水处理的压力也随之增加，部分城镇污水收集处理系统相对滞后，一些生活污水及废水直接进入河流、湖泊。由于污水中携带一定量的重金属等污染物[1]，使受纳水体不同程度受到污染。为改善河流、湖泊等水体水质，许多城市河道进行了大规模的疏浚和清淤工程[2]，产生了大量的疏浚底泥。疏浚出的底泥中除含有丰富的氮、磷、有机质等养分外，还含有重金属等污染物质，若处置不当，在雨水冲刷及淋滤作用下易造成土壤和地下水污染。

目前，河道疏浚底泥大多被作为固体废物堆放在陆地，未得到合理利用，且占用大量土地。而在一些生态脆弱区，如矿区排岩场、石漠化地区等，由于土源较少或土壤养分贫瘠，植物生长受到制约。河道底泥中含有丰富的氮、磷、有机质等养分，正是植物生长所必需的营养物质，若将其用作改善土壤质量的基质，既能解决底泥的处置问题，又能满足特定地区植物生长对土壤养分的需求。因此，土地利用是河道疏浚底泥资源化的一个有效途径[3]。

虽然底泥能显著改善土壤性质和提高土壤肥力[4-8]，但由于其含有一定量的重金属等污染物，也能改变土壤中重金属含量和生物有效性[3]，对土壤微生物特性也可能产生不利影响[9-10]。国内外研究者对于与河道疏浚底泥理化性质相似的城市污泥在生态修复方面进行了大量的应用研究[11-12]，但由于污泥对土壤环境的影响受其本身特性以及施用量的影响，因此同一污泥由于施用量的差异可能对土壤质量产生不同效果。本文借鉴污泥土地利用的研究经验，以贵阳市南明河河道疏浚底泥为对象，研究不同比例的底泥添加对土壤理化性质及微生物生物量碳和氮的影响，为河道疏浚底泥的合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验供试土壤采自贵阳市云岩区周家山村蔬菜地，采样深度0-20 cm；供试底泥为贵阳市南明河水口寺河段河道疏浚底泥，供试土壤与底泥的基本特征见表1。

表1 供试土壤和污泥的理化性质

1.2 试验方法

将采集的土壤和底泥样品在室温(约25 ℃)下风干，风干后的底泥与土壤分别以质量比0∶1(CK)、1∶3(T1)、1∶2(T2)、1∶1(T3)的比例混合均匀，装入直径18 cm、高12 cm的塑料花盆中，每盆装土2.5 kg，加入蒸馏水至饱和含水率，室温下放置平衡30d，中间不进行任何搅动，每个处理3次重复。平衡结束后分为两份，一份用于测定土壤微生物生物量C和N；另一份风干，测定其饱和含水率、持水时间、pH、有机质、碱解N、速效P、速效K，全量Cu、Cd、Pb、Zn等。

1.3 土壤持水性能测定

底泥与土壤混合物的持水性能参照霍晓君等自制组装的模拟自然降雨装置测定，由铁架台、滴定管、塑料杯等组成[13](图1)。塑料杯采用直径为9.0 cm的硬质塑料杯，底部均匀扎出小孔；滴定管采用50 ml酸式滴定管，用6支滴定管同时均匀向装有样品的塑料杯中滴水。实验过程为：分别称取100 g底泥与土壤的混合样品CK、T1、T2、T3，每个处理三次重复，将样品放入塑料杯中，样品表面平铺一层尼龙纱网，以防止泥土粘附在滤纸上；纱网上平铺一层滤纸，保证从滴定管滴下的水先渗入滤纸后均匀渗入土壤。当样品水分达到饱和时，水便从杯底的小孔渗出，停止加水，待杯底小孔停止渗水时称重，然后将样品置于室内(室温约25 ℃)自然蒸发。计算样品饱和含水率，并通过统计不同时间的样品含水量来分析其持水能力。

图1 持水性能实验装置示意图[13]Fig.1 The schematic diagram of experimental device for water-holding capacity

1.4 土壤理化性质和微生物生物量测定

土壤pH测定采用电位法；有机质含量测定采用重铬酸钾法；碱解氮含量采用碱解扩散法；速效P采用NaHCO3浸提，钼锑抗比色法；速效K采用乙酸铵浸提，火焰光度法；全量Cu、Cd、Pb、Zn采用HCl-HNO3-HClO4消解，原子吸收分光光度法测定；有效态Cd测定采用乙酸铵浸提，原子吸收分光光度法[14]。土壤微生物C的测定按照Vance等的研究中采用的方法[15]，微生物N的测定参照Joergensen和Brookes 的研究中的测定方法[16]。

1.5 数据分析

数据分析利用 SPSS (19.0)，采用one-way ANOVA进行方差分析、并用 LSD 法进行多重比较，同时进行双尾显著性检验，所有检验的显著性水平如无特殊说明均为P=0.05，采用OriginPro8.5软件制图。

2 结果与分析

2.1 河道疏浚底泥添加对土壤持水性能的影响

不同添加比例的疏浚底泥对土壤饱和含水率和持水时间均有显著影响(图2)。与对照土壤(CK)相比，当河道底泥与土壤混合比例为1∶1时，饱和含水率增加最多，达到78.94%，底泥与土壤混合比例为1∶2和1∶3时，饱和含水率分别增加6.02%和4.21%(图2A)。可见河道疏浚底泥的施用比例越高，土壤能够保留的水分越多。由图2B可知，对照土壤的持水时间为20d，T1处理为21d，T2处理为26d，T3处理为28d，表明随着底泥添加比例提高，土壤蒸发变慢，持水时间延长。

图2 不同处理土壤饱和含水率和持水时间Fig.2 The saturated water content and the water-holding time of mixed-substrate under different treatments

综上，河道疏浚底泥添加显著提高了土壤饱和含水率及持水时间，且随底泥的添加比例的提高，土壤饱和含水率的增加量与持水时间的增加天数越多，这可能与底泥中土壤有机质含量有关(图3)。

图3 不同处理饱和含水率与土壤有机质相关性分析Fig.3 The relationship between water-saturation coefficients and organic matter content in mixed-substrate under different treatments

2.2 河道疏浚底泥添加对土壤理化性质的影响

由表2可知，河道疏浚底泥添加对土壤pH值无显著影响，但有机质、碱解氮、速效磷和速效钾均显著增加。当河道底泥与土壤以1∶3比例添加时，土壤有机质较对照增加了26.7%，底泥与土壤以1∶2比例添加时，增加了59.3%，底泥与土壤以1∶1比例添加时，增加了1.18倍。相关性分析表明土壤有机质含量与底泥的添加比例呈显著正相关(P<0.05)。

底泥添加后，碱解N的含量也大大提高，尤其是当河道底泥与土壤以1∶1比例添加时，混合基质中碱解N含量增加了22.94 mg/kg，T1和T2处理中分别增加7.44 mg/kg和12.06 mg/kg。T1处理中，速效磷含量是对照土壤的2.31倍，T2处理为2.56倍，当底泥与土壤比例达到1∶1时，速效磷较对照土壤增加了4.09倍。T1处理中，速效钾增加了66.6%，T2处理中增加了2.75倍，T3处理中增加了4.59倍。相关性分析表明碱解氮、速效磷、速效钾等养分的增加量与底泥添加比例成正比。

表2 各处理土壤理化性质

注：数据后不同字母表示同一列数据在P<0.05水平的差异性显著。

2.3 河道疏浚底泥添加对土壤重金属含量的影响

对照土壤(CK)中未检测到Cd和Pb，随着底泥添加比例提高，Cd和Pb含量显著增加(表2)。T1处理中，混合基质全Cu含量为31.63 mg/kg，T3处理中最高，达到50.02 mg/kg；全Zn含量也是T3处理中最高，达到99.36 mg/kg；全Pb含量在T3处理中达到35.85 mg/kg，全Cd为0.52 mg/kg，超过《土壤环境质量标准》(GB15618-2008)二级标准，但低于《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84)。

表3 土壤环境质量标准及污泥农用标准

可见随着底泥添加比例的增加，土壤中几种重金属含量逐渐增加，在添加比例达到50%时，全Cd超标30%。鉴于T3处理中全Cd含量超标，进一步测定了有效态Cd含量，对照土壤中未检测到有效态Cd，T1处理中Cd浓度为0.011 mg/kg，T2处理中为0.039 mg/kg，T3处理中为0.061 mg/kg(图4)，土壤有效态Cd含量随着底泥添加比例的提高呈显著增加趋势。

图4 不同处理有效态Cd含量Fig.4 The available Cd content in mixed-substrate under different treatments

2.4 河道疏浚底泥添加对土壤微生物生物量C、N 的影响

由图5可知，河道疏浚底泥添加的各处理中土壤微生物量C、N含量显著高于对照。T1处理中MBC是对照的1.15倍，MBN是对照的1.41倍；T2处理中MBC高于对照35.8%，MBN高于对照66.1%；T3处理中MBC是对照的1.19倍，MBN是对照的1.44倍。T2处理中土壤微生物生物量增加最多，但继续增加底泥用量，土壤微生物生物量开始下降。

图5 各处理中土壤微生物生物量Fig.5 Soil microbial biomass under different treatments

3 讨论

持水性能是土壤的一个重要物理性质[17]，饱和含水率和持水时间反映了土壤容纳和蓄持水分能力[13]。有研究表明，底泥添加能提高土壤饱和含水率、减缓土面蒸发、延长土壤持水时间[4-8]。本试验发现，底泥的施用量越大土壤饱和含水率越高，持水时间越长，与ZabloDSi[4]和马成泽[5]的研究结果相似。添加河道疏浚底泥后，土壤饱和含水率和持水时间随着底泥添加比例的增加而增加，可能与底泥本身的成分及物理性质有关[18]。首先，河道底泥中有机质含量较高，相当一部分呈胶体状态，胶体本身具有亲水性，因而富含有机质的土壤有助于抑制和减缓土壤水分的蒸发[16,19]。其次，富含胶体状态的土壤由于胶体的团聚容易结块，当表层土壤水分蒸发后，表层的结块阻止了下层土壤的水分蒸发[8]，从而使持水时间相对较长。第三，河道底泥中富含的有机胶体能够降低土壤容重，增加土壤团粒结构和孔隙率[20]，表面水分的渗透性得到提高，能够快速渗透到深层土壤，进一步减少水分蒸发。因此，河道疏浚底泥添加显著提高了土壤饱和含水率，延长了土壤在自然条件下的持水时间，且随着添加比例的增加，土壤饱和含水率和持水时间均呈增加趋势。

土壤速效养分含量水平是反映土壤养分的供应指标，有机质含量反映了土壤的潜在养分，直接影响着土壤的团粒结构、物理性质及保水保肥能力，并决定着土壤的抗逆性能和缓冲性能[21]；氮是影响植物生长最重要的养分限制因子[22]，其中碱解氮含量与土壤氮养分盈余直接呈正相关关系[23-24]，是反映土壤中氮素供应的重要指标；磷素以多种途径参与植物体内的新陈代谢活动，速效磷对于判断土壤的磷素供应状况具有重要意义；速效钾是土壤中活性最高的钾，能很快地被植物吸收[25]。由于供试河道底泥养分含量较高，因此添加底泥后各处理中土壤有机质、碱解氮、速效磷及速效钾含量显著增加，与薄录吉等[26]、朱广伟等[27]的研究结果一致。

河道底泥中除丰富的有机质、氮、磷、钾等养分外，还含有一定量的重金属，添加到土壤中后，若使土壤重金属含量增加到一定水平，将导致土壤污染，影响植物生长。本试验发现，当底泥添加比例达到50%时，土壤全Cd含量超过《土壤环境质量标准》(GB15618-2008)二级标准，原因是供试底泥中本身Cd含量较高，高比例的底泥添加使进入土壤的重金属较多。R Ganet等[7]的研究也发现湖库底泥施用增加了农田土壤重金属含量，相关性分析表明重金属含量与底泥添加比呈显著正相关，尤其有效态重金属是植物可直接吸收利用的部分，毒性较强，若其在土壤中的含量较高，将影响植物的生长发育[28-29]。

另外，土壤微生物生物量也是反映土壤质量的一个重要指标[30]，能够为土壤质量变化提供快速准确的信息[31]，常用来指示土壤肥力和土壤健康状况，通常质量较好的土壤中含有较多的土壤微生物生物量。河道底泥添加后，土壤养分显著增加，肥力状况改善，因此微生物量C和N得到增加。T3处理中土壤微生物生物量开始下降，可能是由于底泥施用比例过高，土壤全Cd浓度较大而使土壤微生物生物量受到抑制。有研究表明，人类活动引起的土壤重金属浓度升高对土壤微生物生物量有明显的抑制作用[9-10,32]。张彦等[9]的研究表明，低浓度条件下，土壤重金属对土壤微生物生物量无显著影响，但阎姝等[33]的研究发现，与未受污染的土壤相比，重金属污染条件下农田土壤微生物生物量碳和氮显著降低。张涪平等[34]的研究也表明，污染条件下，土壤微生物量碳、氮随土壤重金属含量的增加而逐渐降低。

4 结论

不同比例河道疏浚底泥添加后土壤理化性质及土壤微生物生物量C和N的变化表明，河道疏浚底泥的添加能够改善土壤持水性能，使土壤饱和含水率增加4.2%～14.7%，持水时间延长1d～8d，底泥的施用量越大土壤饱和含水率越高，持水时间越长；底泥添加后土壤有机质、碱解氮、速效磷及速效钾含量显著增加，土壤微生物生物量C和N分别增加15.5%～35.8%和39.8%～66.1%。但底泥与土壤混合比例达到1:1时，全量Cd含量超过《土壤环境质量标准》(GB15618-2008)二级标准，有效态Cd含量也较高，土壤微生物生物量C和N开始下降，表明高比例的底泥添加使进入土壤的重金属较多，并且抑制了土壤微生物生物量。因此，在利用河道疏浚底泥改善土壤质量时应控制好添加比例，避免重金属的输入可能带来的土壤污染问题。

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Effects of Dredged Sediments Utilization in Agriculture on Soil Quality

YANG Dan1, FAN Xin-ke2, LIU Yan1

(1.College of Biological and Environmental Engineering, Guiyang University, Guiyang 550005, China; 2.PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550083, China)

In order to study the effect of dredged sediment utilization on soil quality, a simulation experiment was conducted, in which different proportions of dredged sediments were added to soil, and the response of soil physic-chemical properties, soil microbial biomass C and N were analyzed. The results showed that after dredged sediment utilization the saturated soil moisture content increased by 4.2%～14.7%, soil water-holding time prolonged 1 d～8 d. The results also indicated that soil nutrients and heavy metals content had significantly positive correlations with dredged sediments additive proportion. Soil microbial biomass C (MBC) and N (MBC) increased by 15.5%～35.8% and 39.8%～66.1% respectively. When the mix proportion of dredged sediment and soil reached 1:1, the content of total Cd in soil was higher than the standard value of Soil Environmental Quality Standard (GB15618-2008), and the available Cd content was higher than other treatments. Soil MBC and MBN started to decrease under this treatment. Therefore, dredged sediment utilization could improve water holding capacity of soil and increased soil nutrient, but a high proportion of dredged sediments addition would cause soil pollution. The additive proportion should be well controlled while dredged sediments were utilized in improving soil quality.

Dredged Sludge; Water-holding Capacity; Available Nutrient; Heavy-metal; Soil microbial biomass

2016-06-08

贵州省科学技术基金:“贵州省河道疏浚底泥污染与防治对策研究”(项目编号：黔科合J字[2013]2299号)；贵州省科学技术联合基金：“河道底泥在贵州石漠化生态修复中的应用研究”(项目编号：黔科合LH字[2014]7180号)；贵州省重点学科—生态学(项目编号：ZDXK[2013]08)资助。

杨 丹(1982-)，女，贵州兴义人，高级工程师、博士。主要研究方向：农业土壤环境质量评价与污染防治。

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A

1673-6125(2016)03-0050-06