连续施用无害化污泥堆肥对沙质潮土肥力的影响

冀拯宇，周吉祥，郭康莉，刘 晓，朱兴娟，姜慧敏，杨俊诚，李桂花*，张建峰*

（1 耕地培育技术国家工程实验室/中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2 华中农业大学资源与环境学院，湖北武汉 430070）

城市生活污泥中含有大量的有机质和丰富的氮磷钾及微量元素等植物所需的营养物质，是一种很好的有机肥和土壤调理剂的原材料[1–2]，具有较广阔的应用前景，经过无害化处理后的污泥可以大幅度减少污泥中含有的重金属、潜在污染物和细菌病原体等有害物质。大量研究发现，污泥具有改善土壤物理性状[3–4]，增加土壤对养分的吸附、减少养分淋失[5–7]，促进微生物活性[8–10]，提高作物生产力，增加产量[11]等的作用或潜在功效，目前城市生活污泥已成为当今世界资源环境领域的研究热点之一。

河南省是我国的人口大省和农业大省，也是我国第一粮食生产大省，其粮食生产状况直接关系着国家的粮食安全问题[12]。但是，由于水土流失和过度开垦等原因，近年来河南省耕地的退化面积正以超过3%的速度增长，再加上灌溉不合理和风力侵蚀，土壤黏粒和粉砂粒组分随水下移或流失等原因，耕层土壤沙化严重[13]，是我国最具代表性的沙质潮土区。据统计，河南省耕地面积约为1.03亿亩，中、低产田面积合计占总耕地面积的62.4%，其中沙质潮土面积约1000万亩[14]。所以采用无害化城市生活污泥堆肥对河南省沙质潮土进行改良，提高土地生产潜力，是改良沙质潮土的有效途径之一。

本研究采用田间定位试验，研究连续三年施用无害化城市生活污泥堆肥对土壤肥力以及土壤微生物生物量和土壤植物安全性的影响，为进一步利用无害化污泥堆肥改良沙质潮土提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试污泥堆肥

试验所用的无害化城市生活污泥堆肥是由郑州市污水净化有限公司提供，以郑州市污水管网分开后单独处理生活污水产生的污泥为主料，以花生壳、秸秆等为辅料，按照花生壳和秸秆等重量与污泥混合 (花生壳和秸秆总重与污泥重量之比为1∶5)，接入 Bacillus subtilis、Aspergillus niger和Sporotrichum thermophile等混合菌剂，通过好氧发酵、高温堆肥等工艺处理后制成的商业化产品。含水率33.08%、pH8.05、有机质223.92 g/kg、全氮17.60 g/kg、全磷9.86 g/kg、全钾13.90 g/kg。无害化污泥堆肥中主要的重金属元素含量如表1所示，均低于《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284-84) 所规定的值，符合污泥农用的标准。

1.2 试验基地概况

试验基地位于河南省开封市农林科学研究院试验田 (34.77°N、114.27 E)，2013—2015 年平均气温分别为15.38℃、15.66℃和15.87℃，降水量分别为467.1 mm、335.3 mm和508.1 mm，地处暖温带大陆性季风气候区。土壤类型为沙质潮土。试验前土壤耕层 (0—20 cm) 的基本理化性质为：含水率5.87%、pH 8.42、有机质 12.10 g/kg、全氮 0.44 g/kg、有效磷 (AP)13.25 mg/kg、速效钾 (AK) 40.32 mg/kg。重金属全量为：Cr 26.71 mg/kg、Pb 13.95 mg/kg、Cu 9.77 mg/kg、Ni 12.31 mg/kg、Cd 0.14 mg/kg、Zn 28.90 mg/kg。

1.3 田间试验设计

试验区种植制度为玉米–小麦轮作，供试作物为当地主栽品种，小麦品种为‘开麦18’，玉米品种为‘开玉15’，试验从2012年10月开始，到2015年9月已连续种植三年作物。试验设4个处理，分别为：1) 农民习惯施肥 (CK)；2) CK+无害化污泥堆肥15 t/hm2(W1)；3) CK+无害化污泥堆肥30 t/hm2(W2)；4) CK+无害化污泥堆肥45 t/hm2(W3)，每个处理重复3次，区组随机排列。田间定位小区均用水泥池隔开，小区长和宽分别为2.5 m和2.0 m，总面积为5 m2。在小麦季和玉米季分别施N 225 kg/hm2、P2O586 kg/hm2、K2O 113 kg/hm2，肥料用量为开封地区农民习惯施肥量，肥料分别施用尿素，磷酸一铵和氯化钾。污泥堆肥和氮磷钾肥料以基肥形式一次性在种植小麦和玉米前，采用撒施的方法均匀施于土壤表层，通过多次翻耕与耕层土壤混合均匀。其他大田管理措施与当地农民习惯保持一致。

1.4 试验方法

1.4.1 采样方法 土壤样品分别于小麦和玉米收获后(2013年6月、2013年9月、2015年6月和2015年9月) 在各试验小区内采用“Z”字形采集0—20 cm耕层土壤样品，经充分混匀后，通过“四分法”取两份，一份带回实验室，自然风干，除去作物根系、侵入体及残留的污泥，过2 mm筛后测定pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾等理化指标；另一份用白色棉布袋装取，放入4℃冰箱保存，用于测定土壤微生物量碳氮。

1.4.2 测定方法 土壤有机质 (OM)、全氮 (TN)、有效磷 (AP)、速效钾 (AK)、pH等指标采用土壤农化分析常规方法测定[15]；土壤微生物量碳 (SMBC) 和微生物量氮 (SMBN) 用氯仿熏蒸培养法[16]测定。土壤铜、锌、镉、镍、铅和铬采用氢氟酸–高氯酸–盐酸–硝酸四酸消解，ICP-MS测定。玉米和小麦籽粒铜、锌、镉、镍、铅和铬采用硝酸–高氯酸混酸消解—ICP-MS测定。

1.5 土壤综合肥力评价方法

采用内梅罗指数法[17]计算土壤综合肥力指数(integrated fertility index，IFI)，土壤pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾分肥力系数IFIi的计算公式如下：

式中：IFIi为分肥力系数；x表示该属性测定值；xa与xp分别为分级标准下、上限；xc为介于分级标准上、下限间；属性值分级标准 (xa、xc、xp) 主要参考第二次全国土壤普查标准 (表2)。

再利用修正的内梅罗公式计算土壤综合肥力：

表1 无害化污泥堆肥中重金属含量及国家污泥农用标准中重金属限量 (mg/kg)Table 1 Contents of heavy metals in non-hazardous sewage sludge compost and the limits of the national standard

表2 土壤性质的分级标准Table 2 The grading standards of soil properties

式中：IFIi平均与IFIi最小分别为土壤各属性分肥力均值与最小值；n为评价指标个数。

1.6 数据统计分析

用Excel软件进行数据相关计算，试验结果采用SAS 9.1统计分析软件进行方差分析和相关分析，不同处理间采用最小显著差数法 (LSD法) 进行差异显著性检验 (P ＜ 0.05)，用Originpro 9.1软件作图。

2 结果与分析

2.1 施用污泥堆肥对土壤综合肥力指数的影响

由表3可知，与CK相比，2013年小麦季施污泥堆肥各处理土壤综合肥力指数 (IFI) 无显著差异；2013年玉米季W1、W2和W3处理的IFI分别增加了26.1%、35.9%和69.7%，其中W2和W3处理达到显著水平 (P ＜ 0.05)；2015年小麦季和玉米季施污泥堆肥各处理IFI均显著提升，其中2015年玉米季IFI达到最高值，W1、W2和W3处理分别显著提升57.3%、95.2%和127.5% (P ＜ 0.05)；由双因素方差分析得出，IFI受污泥堆肥施用量和轮作季节两个因素的影响达到极显著差异 (P ＜ 0.01)，其交互作用对IFI也有显著影响。

2.2 施用污泥堆肥对土壤微生物生物量碳氮的影响

图1表明，污泥施入能有效提高SMBC的含量，同一轮作季度其含量均随着污泥堆肥施用量增大而增大，在W3处理达到最大值。与CK相比，2013年小麦季W1、W2和W3处理SMBC含量分别增加了10.94%、94.50%和153.52%，其中W2和W3处理达到显著水平 (P ＜ 0.05)；2013年玉米季施污泥堆肥各处理SMBC含量均没有显著增加；2015小麦季和玉米季W1、W2和W3处理SMBC含量较CK均显著提升，其中2015小麦季SMBC含量达到最大值，W1、W2和W3处理SMBC含量较CK分别显著提升109.93%、176.17%和216.78%(P ＜0.05)。在相同收获季节，同一污泥堆肥施用量处理其2015年SMBC的含量相较2013年显著提高，说明SMBC含量随污泥堆肥施用时间增加而增加。同时，2013年和2015年各处理小麦季SMBC含量均高于玉米季。

污泥施入能有效提高SMBN的含量，同一轮作季度其含量均随着污泥堆肥施用量增大而增大，且在W3处理达到最大值。与CK相比，2013年小麦季W1、W2和W3处理SMBN含量分别增加了50.1%、106.2%和314.6%，其中W3处理达到显著水平 (P ＜ 0.05)；2013年玉米季W1、W2和W3处理SMBN含量分别增加了1.8%、28.4%和53.6%，其中W3处理达到显著水平 (P ＜ 0.05)；2015小麦季和玉米季W1、W2和W3处理SMBN含量较CK均显著提升，其中2015玉米季SMBN含量达到最大值，W1、W2和W3处理SMBN含量较CK分别显著提升55.6%、100.5%和162.3% (P ＜ 0.05)。SMBN含量随污泥堆肥施用时间增加而增加，在相同收获季节，同一污泥堆肥施用量处理其2015年SMBN含量相较2013年显著提高。同时，2013年和2015年各处理玉米季SMBN含量均高于小麦季。

表3 不同处理不同轮作季节土壤综合肥力指数 (IFI)Table 3 IFI under different treatments in different time

2.3 土壤微生物生物量碳氮与IFI的相关性

表4结果表明，SMBC、SMBN与IFI之间存在着极显著正相关关系 (P ＜ 0.01)，说明提高土壤肥力能促进土壤微生物的生长。有机物料的输入为微生物的生长繁殖提供了足量的碳源，使土壤微生物活性提高，增加了土壤微生物生物量。另外相关性分析表明SMBC与SMBN呈极显著的正相关关系。

2.4 连续施用污泥堆肥的土壤和植物籽粒重金属含量

2.4.1 土壤重金属含量 由表5可知，各处理土壤中Cu、Zn、Cd、Cr、Ni含量随着污泥堆肥施用时间的增长均有不同程度升高，在2015年玉米季含量达到最大值。2015年玉米季土壤Cu、Cd和Cr含量均在W3处理达到最大值，分别达到34.76 mg/kg、0.25 mg/kg和54.76 mg/kg；土壤Zn和Ni含量在W2处理达到最大值，分别显著升高到95.85 mg/kg和21.34 mg/kg；土壤Pb含量变化不明显。土壤各重金属含量均远低于土壤环境质量二级标准的限量值，说明施用15～45 t/hm2污泥堆肥不会对沙质潮土造成重金属污染。

2.4.2 植物籽粒重金属含量 由表6可以看出，在连续三年施用污泥后，2015年小麦季和玉米季施用污泥各处理植物籽粒中Cd含量低于检出限，Pb含量较低且变化不明显，Cu、Zn、Cr和Ni含量随轮作季度有不同程度的升高，且在2015年玉米季其含量达到最大值。2015年玉米籽粒Cu、Zn和Ni含量在W3处理达到最大值，分别升高到1.91 mg/kg、20.15 mg/kg和0.21 mg/kg。2015年玉米籽粒Cr含量在W2处理达到最大值0.23 mg/kg。虽然施用污泥堆肥后，植物籽粒重金属含量较CK有不同程度升高，并且随施用时间增长有一定的累积效应，但其含量均远低于《食品中污染物限量》(GB2762—2012)、《食品中铜限量卫生标准》(GB15199—1994)、《食品中锌限量卫生标准》(GB13106—1991) 所规定的限量值，说明施用15～45 t/hm2污泥堆肥不会影响玉米和小麦籽粒的安全品质。

表4 土壤微生物量碳、氮与IFI间的相关系数Table 4 Correlation coefficients (r) between SMBC, SMBN and IFI

图1 不同处理不同轮作季节土壤微生物量碳、氮含量Fig. 1 The contents of soil microbial biomass carbon and nitrogen under different treatments in different seasons

表5 不同轮作季节各处理土壤重金属含量 (mg/kg)Table 5 Soil heavy metal concentrations under different treatments in different seasons

表6 不同轮作季节各处理植物籽粒重金属含量 (mg/kg)Table 6 Heavy metal concentrations of maize and wheat grains under different treatments in different seasons

3 讨论

3.1 施用污泥堆肥对土壤肥力效应的影响分析

施肥是影响土壤肥力以及其可持续利用的重要农业措施之一，已有研究表明施加污泥堆肥可以提高土壤有机质含量，改善理化性质，从而提高土壤肥力[18–20]。土壤肥力是各种理化指标的综合体现，相比于单因子肥力，土壤综合肥力指数 (IFI) 更能真实反映土壤肥力质量。因此，本研究选取常规5项土壤基本指标分级标准化后，选用修正后的内梅罗指数法，对土壤综合肥力进行评价。研究发现，施用污泥堆肥能够显著提高土壤肥力质量，这和前人的研究结果一致[21]。施用污泥堆肥处理IFI随污泥堆肥施用时间增加而增加，在2015年玉米季达到最大值，这是因为随着施用时间的增加，污泥堆肥在土壤中不断积累以及土壤中已有污泥堆肥不断分解释放养分，导致土壤肥力不断提升。

3.2 施用污泥堆肥对土壤微生物量碳氮的影响分析

土壤微生物量碳氮 (SMBC、SMBN) 是土壤中的活性养分库，可以反映土壤中养分的有效性和生物活性，能在很大程度上反映土壤微生物的数量，是评价土壤微生物数量和群落活性的重要指标[22]。有研究表明，污泥堆肥施入农田土壤[23–25]和草地[26]可以显著提高土壤中的SMBC和SMBN含量，并且SMBC和SMBN含量与污泥堆肥的施用量呈正相关关系。本研究得出，施用污泥堆肥后SMBC和SMBN含量均得到显著提高，且随着污泥堆肥施用量和施用时间增加而增加，与刘晓等[27]的研究结果一致。这是因为污泥堆肥不仅含有丰富的碳源，为土壤微生物提供能源，而且污泥堆肥有较多稳定态的有机质，可以促进土壤的团聚作用和保水性能，从而为微生物的生长和繁殖创造适宜的环境，提高了微生物量[28]。另外，污泥堆肥是经过添加微生物后堆肥处理的，其中必然也含有大量微生物，施入土壤后可增加外源微生物量，进而提高SMBC和SMBN含量。本研究中2013年和2015年同一处理小麦季SMBC含量均高于玉米季，而玉米季SMBN含量均高于小麦季。这可能是由于微生物量碳氮受季节差异影响导致的，因为小麦收获季为每年6月，而玉米收获季为每年9月，其温度、水分等自然条件的差异可能会影响土壤微生物量碳氮的含量。此外，作物根系会分泌大量根系分泌物，而根系分泌物是土壤微生物的重要碳源和能源，可以促进土壤微生物生长繁殖。小麦和玉米的根系分泌物对促进土壤微生物生长繁殖的程度不同，并且对土壤微生物固氮能力的影响程度不同。

3.3 土壤微生物量碳氮和IFI的相关性分析

土壤微生物一方面可以分解土壤有机物质，使有机物质转化成有效养分，另一方面，对土壤中的无机营养元素起固持和保蓄作用，因此，土壤微生物量是植物矿质养分的源和汇[29–30]。已有研究表明，SMBC和SMBN可以作为土壤质量的一个重要生物指标，土壤微生物量的微小变化都会影响土壤养分含量，能更为敏感地指示土壤质量的变化[31]。赵晓琛等[32]研究发现SMBN与速效磷含量呈显著正相关(P ＜ 0.05)。汪文霞等[33]发现，SMBC与土壤全氮呈极显著相关，相关系数为0.812 (P ＜ 0.01)，SMBN与土壤全氮呈显著相关，相关系数为0.644 (P ＜ 0.05)。本研究结果表明，SMBC、SMBN与IFI具有极显著的正相关性。SMBC、SMBN与IFI相关性较强可能是因为无害化污泥堆肥的输入增大了土壤养分含量，从而为微生物的生长繁殖提供了充足的碳源，使土壤微生物活性提高，增加了土壤微生物生物量。

3.4 连续施用污泥堆肥土壤植物质量安全性分析

施用污泥堆肥对农田土壤重金属积累的影响是目前农业生产中施用污泥堆肥最为关切的问题之一。本研究结果表明，长期施用无害化污泥堆肥可对土壤重金属的积累产生一定的影响，施用无害化污泥堆肥后，土壤重金属含量随施用时间总体呈上升趋势，不同重金属元素的增加幅度有所不同，在本试验轮作季度内，其含量均远低于国家环境质量二级标准 (GB15618—1995)。依据土壤肥力分级参考标准 (NY/T 391—2000)：SOM 含量 ＞ 15 g/kg 为I级；10～15 g/kg为П级；＜ 10 g/kg为Ш级，发现2015年玉米季CK的肥力质量为Ш级；W1的肥力质量为П级；W2和W3的肥力质量为I级，可以看出连续3年施用污泥堆肥有效提高了沙质潮土的肥力质量。所以，W2和W3处理在后期施肥可以只施用化肥而不施用污泥堆肥，W1处理可以继续施用污泥堆肥培肥土壤，这样既可以提升土壤肥力，又能有效降低土壤重金属累积带来的环境风险。通过对植物籽粒中重金属含量的测定发现，施用污泥堆肥能提高籽粒中重金属含量，但是其值均远低于国家农产品质量安全规定的限量值，说明本试验中土壤重金属的有效性很低，植物吸收利用率低，可能是因为土壤中重金属生物有效态存在比例较低，而重金属以残渣态的形式存在对植物基本无效[34]。

4 结论

1) 土壤综合肥力指数 (IFI) 随污泥堆肥施用时间增加而增加，在2015年玉米季达到最大值，较CK处理，W1、W2和W3处理IFI分别显著提升了57.3%、95.2%和127.5% (P ＜ 0.05)，说明连续施用污泥堆肥可以有效提高土壤肥力，且IFI随污泥堆肥施用量增加而升高。

2) SMBC和SMBN含量随污泥堆肥施用时间增加而增加，在相同收获季节，同一污泥堆肥施用量其2015年SMBC和SMBN的含量相较2013年显著提高。各轮作季度SMBC和SMBN含量随污泥堆肥施用量增加而增加。

3) 在本研究施用时间内土壤重金属含量和植物籽粒重金属含量分别低于国家环境质量二级标准(GB15618—1995) 和国家农产品质量安全规定的限量值，并且根据土壤肥力分级参考标准 (NY/T 391—2000) 得出，2015年玉米季W2和W3处理的土壤肥力已经达到Ⅰ级，可以不再施用污泥堆肥，这样既可以提升土壤肥力，又能有效降低土壤重金属累积带来的环境风险。