超氧化静态好氧堆制的城市污泥对小白菜生长和土壤理化性质的影响

王 强， 郑梦蕾， 杨善莲， 李国亮， 马友华

(1.安徽农业大学资源与环境学院，安徽 合肥 230036； 2.蚌埠圻润环境工程科技有限公司，安徽 蚌埠 230036； 3.安徽农业大学新农村发展研究院，安徽 合肥 230036)

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验于2018年3月至2018年7月在安徽农业大学农萃园内进行。污泥为蚌埠市第二污水处理厂处理后的污泥，其理化性质及重金属含量等如表1、表2所示。供试土壤为安徽省典型土壤类型黄褐土，面积总计8.379×105hm2，占安徽省土壤总面积的8.0%。主要分布于江淮低丘岗地、沿淮岗坡阶地和淮北部分地区，是污泥来源城市周边主要土壤类型。由于两淮地区位于安徽淮南和淮北，为华东地区最重要的能源基地，燃煤电厂大气汞排放每年达1．93 t，且属于湿润季风气候，可能由大气沉降作用造成土壤汞超标[25]。试验用的小白菜种子,购于安徽春泽种业有限公司。

表1 供试土壤和污泥的基本理化性质

表2 供试土壤和污泥的重金属含量及标准

1.2 污泥处理方法

污泥加水稀释，含水率达90%～93%后加入强酸调节pH值为4～5，然后投加质量分数为0.5%～2.0%、pH值为9～11的溶液形式的高铁酸钾(含量5%～10%)，搅拌充分反应，发挥高铁酸钾的超强氧化作用，破坏胶体结构，破解污泥细胞壁，释放出胞内水和细胞表面吸附水，干燥粉碎后的污泥即采用静态好氧堆肥方式进行发酵，得到完全腐熟物料，作为试验材料[26]。

1.3 试验设计

试验设置8个处理，3 次重复，具体设计如表3所示，其中无肥区(Ⅰ)作为对照，无机NPK (Ⅱ)处理选择磷酸铵、尿素、氯化钾3种肥料按照N 172.5 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2配比施肥，无机NPK+低量污泥 (Ⅲ)处理、无机NPK+中量污泥 (Ⅳ)处理、无机NPK+高量污泥(Ⅴ)处理分别在处理Ⅱ的基础上再施用750 kg/hm2、1 500 kg/hm2、3 000 kg/hm2污泥，无机NPK+有机肥(Ⅵ)处理在处理Ⅱ的基础上再施用1 500 kg/hm2腐熟鸡粪有机肥，有机肥(Ⅶ)处理和污泥(Ⅷ)处理分别单施3 000 kg/hm2腐熟鸡粪有机肥和3 000 kg/hm2污泥。盆栽方式随机排列，每盆混合土质量均为3 kg，所有处理肥料作为基肥一次性施入土壤，施肥量按照2.25×105kg/hm2土壤质量折算，生育期不追加其他肥料。播种小白菜种子，间苗后每盆留3株幼苗。

表3 小白菜施肥处理方案

1.4 样品采集

收获时分别采集土壤和植株，采用环刀法测得各组土壤样品水分及容质量，其余土壤利用竹铲采集，收集风干。植物样品采集处理是采集植株，称质量后经65 ℃烘干至恒质量，分别过筛，标记装袋。

1.5 测试项目与方法

硝酸盐、可溶性糖、氨基酸含量分别采用高效液相色谱法、蒽酮比色法、氨基酸分析仪测定，土壤有机质、全氮含量分别采用重铬酸钾氧化法、凯氏蒸馏法测定，土壤全磷、全钾含量均采用氢氧化钠熔融法测定，土壤含水率、容质量分别采用烘干法、环刀法测定，土壤pH、电导率采用电极法测定，小白菜和土壤中的铬、铅 、镉、砷含量采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，小白菜和土壤中的汞均采用原子荧光光谱法测定。

1.6 数据处理

试验数据利用Excel进行整理，采用SPSS软件进行单因素方差分析，再采用Origin 2018软件绘图。

1.7 评价方法

采用单因子污染指数和多因子评价方法评价污泥对小白菜重金属含量的影响。前者计算公式为:Pi=Ci/S，式中:Pi为单项污染指数,Ci为实测浓度,S为《食品中污染物限量》GB2762-2012标准中重金属含量限量标准。多种重金属同时污染一个对象，其计算公式如下:

(1)

式中:Pn为内梅罗污染指数;Pi(ave)为各污染物污染指数的算术平均值;Pi(max)为各污染物中最大的污染指数。综合评价分级标准如下:Pn≤0.7,安全;0.73.0,重污染。

2 结果与分析

2.1 施用污泥对小白菜生长的影响

2.1.1 施用污泥对产量的影响 由图1可知，各处理的小白菜单株产量均显著高于对照，污泥施用量对小白菜单株产量影响不明显；处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ的小白菜鲜质量显著高于对照，其他处理与对照无显著差异，污泥施用量对小白菜鲜质量影响不明显；处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ小白菜干质量显著高于对照，污泥施用量对小白菜干质量影响不明显。施用适量污泥可以增加小白菜单株产量、鲜质量、干质量，施用量过多,会抑制作物的生长。与其他学者采用高温好氧发酵处理在番茄上得出的研究结果[27]相比，使用本研究堆肥方法污泥增产效果明显，与对照间差异显著，在污泥用量上也与其他研究结果[28]相似，但污泥要适量，否则抑制作用也很明显。

处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ见表3；相同指标不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图1 不同处理中小白菜产量性状Fig.1 Production traits of pakchoi under different treatments

2.1.2 施用污泥对小白菜品质性状的影响 由图2可知，单用污泥处理小白菜硝酸盐含量显著高于对照，其他处理与对照无显著差异，污泥施用量对小白菜硝酸盐含量影响不明显；处理Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ可溶性糖含量比对照显著提高，其他处理整体与对照间无显著差异，可溶性糖含量随污泥施用量增加而提高；各种处理间氨基酸含量无显著差异。与前人研究结果[29]比较，施用污泥均提高了植物可溶性糖含量，但本研究中施用污泥提高了硝酸盐含量，可能与污泥的来源差异较大有关。

处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ见表3；相同指标不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图2 不同处理小白菜品质性状Fig.2 Quality traits of pakchoi under different treatments

2.2 施用污泥对土壤养分和土壤理化性质的影响

2.2.1 施用污泥对土壤养分的影响 由图3可知，各处理的土壤有机质含量均显著高于对照，污泥施用量对土壤有机质含量影响不明显；处理Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的土壤全氮含量显著高于对照，其他处理与对照无显著差异，土壤全氮含量随污泥施用量的增加而提高；各处理土壤全磷含量除处理Ⅱ、Ⅳ外均比对照显著提高，污泥施用量对土壤全磷含量影响不明显；处理Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ的土壤全钾含量显著高于对照，污泥施用量对土壤全钾含量影响不明显。污泥单独施用和与化肥配合施用，均可提高土壤中的有机质、全氮和全磷含量，培肥地力，同时小白菜吸收利用的其他养分多，造成全钾吸收减少。与前人研究结果[30]相似，随着堆肥施用量的增加，土壤养分含量也呈明显的增加趋势。

处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ见表3；相同指标不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图3 不同处理土壤养分含量Fig.3 Soil nutrient content in different treatments

2.2.2 施用污泥对土壤理化性质的影响 由图4可知，处理Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的土壤含水率显著低于对照，其他处理与对照间无显著差异，污泥施用量对土壤含水率影响不明显。

处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ见表3；不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图4 不同处理土壤含水率Fig.4 Soil moisture content in different treatments

2.2.2.1 土壤容质量 由图5可知，除处理Ⅱ、Ⅲ外，其他处理土壤容质量均比对照显著降低，土壤容质量呈现随污泥施用量增加而降低的趋势。与前人研究结果[31]相似，污泥中含有的大量有机质可增强土壤生物(动物、植物、微生物)的活动，从而增加土壤孔隙度，降低土壤容质量，提高土壤的持水能力。

处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ见表3；不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图5 不同处理的土壤容质量Fig.5 Soil bulk density under different treatments

2.2.2.2 土壤pH 由图6可知，各处理土壤pH均比对照降低，污泥用量对土壤pH的影响不明显。

处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ见表3；不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图6 不同处理土壤pHFig.6 Soil pH under different treatments

2.2.2.3 土壤电导率 由图7可知，处理Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的土壤电导率显著高于对照，土壤电导率随污泥施用量增加而提高。单用污泥对土壤电导率的影响最小，但和无机化肥结合后明显提高了土壤的电导率，抑制植物对养分的吸收。

处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ见表3；不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图7 不同处理土壤电导率Fig.7 Soil electrical conductivity under different treatments

2.3 施用污泥对小白菜吸收重金属元素的影响

由图8可知，处理Ⅲ、Ⅴ小白菜中铬含量与对照差异不显著，其他处理均显著低于对照；处理Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ小白菜中铅含量与对照无显著差异，小白菜中铅含量随污泥施用量增加而提高；各处理小白菜中镉含量均显著低于对照，小白菜中镉含量随污泥施用量增加而提高；除处理Ⅳ、Ⅴ外，其他处理小白菜中砷含量均显著低于对照，小白菜中砷含量随污泥施用量增加而提高；各处理小白菜中汞含量均显著低于对照，小白菜中汞含量随污泥施用量增加而提高。单用污泥降低镉效果最好，单用无机NPK降低砷、汞效果最好。植物对重金属的吸收与积累是一个复杂的过程，与重金属的种类及其生物有效性、植物生长代谢机制、土壤的理化性质等因素有关[32]，本研究与前人研究结果[1]相似，污泥中较高含量的有机质及较低的 pH 也有利于金属-有机质的络合，从而降低重金属在土壤-植物中的迁移风险。

2.4 施用污泥对土壤中重金属含量的影响

由图9可知，处理Ⅵ土壤铬含量显著低于对照，其他处理与对照无显著差异；各处理土壤铅、镉、砷、汞含量与对照无显著差异。

2.5 小白菜对重金属元素富集的影响

由表4可知，处理Ⅱ、Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ小白菜中铬富集系数显著低于对照，其他处理与对照无显著差异，小白菜中铬富集系数与污泥施用量间的关系不明显；处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅷ小白菜中铅富集系数显著低于对照，其他处理与对照无显著差异，小白菜中铅富集系数随污泥施用量增加而提高；各处理小白菜中镉富集系数均显著低于对照，小白菜中镉富集系数随污泥施用量增加而提高；处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅷ小白菜中砷富集系数显著低于对照，其他处理与对照无显著差异，小白菜中砷富集系数随污泥施用量增加而提高；各处理小白菜中汞富集系数均显著低于对照，小白菜中汞富集系数随污泥施用量增加而提高。

单用污泥处理降低小白菜中铬富集效果最好，无机NPK处理降低小白菜中铅富集效果最好，单用污泥降低小白菜中镉富集效果最好，无机NPK降低小白菜中砷富集效果最好，但NPK+高量污泥处理反而提高小白菜中砷富集系数，无机NPK降低小白菜中汞富集效果最好。不同处理下小白菜对重金属的吸收富集能力差异较大，污泥、有机肥及无机NPK+中量污泥处理可以减少5种重金属富集，可能是污泥中含有大量有机物，可以吸附不同形态重金属。

处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ见表3；相同重金属不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图8 不同处理小白菜中的重金属含量Fig.8 Heavy metal content in pakchoi under different treatments

处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ见表3；相同重金属不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。为图表统一量级，土壤镉、汞含量放大100倍。图9 不同处理土壤中重金属含量Fig.9 Heavy metal content in soil under different treatments

表4 不同处理小白菜重金属富集系数

2.6 污染评价

由表5可知，各处理除镉 (Cd)外均未达到污染水平(污染指数≤1.000)，但一些处理镉单因子污染指数较高，其中无肥区对照(Ⅰ)>无机NPK+高量污泥(Ⅴ)>无机NPK+有机肥(Ⅵ)>无机NPK+中量污泥(Ⅳ)。说明没有外源施肥时小白菜会直接吸收土壤重金属，从内梅罗污染指数来看,各处理中处理Ⅱ、Ⅶ、 Ⅷ处于安全清洁级(Pn≤0.7)，处理Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ 处于警戒级(0.7

表5 不同污泥施用量的污染指数

3 结 论

本研究采用的污泥超氧化深度处理技术及快速堆肥技术，与其他堆肥技术相比可以快速经济地处理城市污泥，而且处理后的污泥符合国家农用标准，通过控制污泥施用量可以改变土壤pH及土壤中有机物的种类和含量，可以提高植株鲜质量、干质量、可溶性糖含量、硝酸盐含量和氨基酸含量。施用适量污泥可以降低土壤含水率、土壤容重、土壤pH，提高土壤电导率(盐度)及土壤有机质、土壤全氮、土壤全磷、土壤全钾含量。施用污泥可以减少小白菜重金属富集，超氧化静态好氧堆肥技术处理的污泥，只要用量合理，不超过1 500 kg/hm2，可以满足农产品的安全生产要求，但应重点监控Cd元素可能带来的污染。