施用城镇生活污泥对小麦产量和品质及安全性的影响

武 升，张俊森，张杰瑜，王 强，张 震，李国亮，康婷婷，马友华

（1.安徽农业大学资源与环境学院，安徽 合肥 230036；2.六安职业技术学院，安徽 六安 237158；3.蚌埠圻润环境工程科技有限公司，安徽 蚌埠 233000；4.蚌埠市污泥处理处置及资源化利用工程技术研究中心，安徽 蚌埠 233000）

城镇生活污泥是城镇污水处理后的废弃物。随着我国城镇生活水平的不断提高，城镇生活污泥大量产生，对生态环境造成潜在污染风险，亟需无害化处置和资源化利用［1］。目前，国际上对城镇生活污泥的处置以填埋、填海、焚烧和农田利用4 种方式为主［2］。城镇生活污泥中含有各种养分，这让城镇生活污泥堆肥资源化利用成为了可能［3-4］。英国、法国和荷兰等国城镇生活污泥土地利用率达到50%以上［5-6］。有研究表明［7］，污泥堆肥中具有丰富的有机质，施入土壤经微生物等分解后，可以转化生成大量的腐殖酸和激素等物质。施用适量生活污泥堆肥能够有效改善土壤理化性状，有利于作物生长与产量的提升［8-9］。然而，城镇生活污泥中还存在重金属、有机污染物等有毒有害物质［10］，进入土壤环境后易被植物吸收富集［11-12］。研究表明［13-14］，施用污泥会增加植物及土壤重金属积累，且重金属含量随施用量呈不断上升趋势。不合理施用会对土壤环境和农作物品质及安全性造成不利影响，但目前关于施用城镇生活污泥对作物品质及安全性的影响却鲜有报道［15-16］。本研究基于城镇生活污泥配施不同肥料类型及用量的大田试验，开展城镇生活污泥在小麦上的施用效果研究，探讨施用城镇生活污泥对小麦产量、品质、重金属及有机污染物含量的影响，旨在为城镇生活污泥农用的安全性及推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点选择在安徽省蚌埠市龙子湖区。供试土壤类型为潮土，基本理化指标为：pH 值6.3，有机质20.05 g/kg，全氮0.91 g/kg，有效磷35.58 mg/kg，速效钾50 mg/kg，总汞0.238 mg/kg，总砷6.1 mg/kg，总镉0.11 mg/kg，总铅47.2 mg/kg，总铬40.4 mg/kg。

1.2 试验材料

供试小麦品种为洛麦23，于2016 年11 月27 日种植，2017 年5 月30 日收获。田间管理按小麦优质栽培管理措施进行。城镇生活污泥来源于蚌埠市第二污水处理厂处理的城镇生活污水，经蚌埠圻润环境工程科技有限公司再处理，各指标含量符合《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284-2018），可进行农田土地利用，具体指标含量见表1；商品有机肥中有机质含量大于45%，氮、磷、钾的含量分别为N 2.41%，P2O51.71%，K2O 1.61%；供试当地上一季水稻秸秆，各养分含量为：全氮0.77%，全磷0.13%，全钾1.80%。

表1 供试生活污泥与《农用污泥污染物控制标准》指标比较

1.3 试验设计

根据肥料类型与施肥量的不同，试验设10 个处理，每处理重复3 次，小区面积为20 m2（4 m×5 m），共30 个小区，试验各处理类型如表2 所示。

表2 试验处理类型及氮磷钾用量 （kg/hm2）

1.4 样品检测

土样和水稻秸秆及城镇生活污泥中的常规指标测定参照鲍士旦编著的《土壤农化分析》［17］。重金属测定采用4 种酸（HNO3、HF、HClO4、HCl）电热板消解AAS 法［18］。小麦籽粒中湿面筋测定采用仪器法（GB/T 5506.2-2008）；淀粉测定采用酸水解法（GB 5009.9）；蛋白质测定采用凯氏定氮法（GB 5009.5）；多环芳烃类有机污染物测定采用高效液相色谱法（GB 5009.265-2016）；酞酸酯类有机污染物测定采用气相色谱-质谱法（GB 5009.271）。

1.5 数据分析

利用Excel 2019 和Origin 8.0 软件对数据整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同生活污泥用量对小麦产量的影响

图1 为不同生活污泥用量对小麦产量的影响。由图1 可知，与空白不施肥（CK）处理相比，施用生活污泥及与化肥或商品有机肥等配施处理的小麦增产83.85%～144.59%。单施生活污泥（T2、T3）较空白不施肥（CK）处理小麦增产83.85%～139.04%，单施生活污泥6000 kg/hm2（T3）相对于单施生活污泥3000 kg/hm2（T2）处理显著提高了小麦产量，说明施用生活污泥有助于提高小麦产量。

生活污泥与复合肥配施的结果显示，在施用生活污泥2250 kg/hm2+复合肥450 kg/hm2（T6）的条件下，小麦产量显著高于施用生活污泥750 kg/hm2+复合肥600 kg/hm2（T4）及施用生活污泥1500 kg/hm2+复合肥525 kg/hm2（T5）处理。本研究结果与李海英等［19］在施用不同配比用量的污泥复混肥后有助于小麦增量的结论一致。相同复合肥施用量条件下，施用生活污泥1500 kg/hm2（T5）的小麦产量高于施用水稻秸秆6000 kg/hm2（T8）处理；施用生活污泥2250 kg/hm2（T6）的小麦产量高于生活污泥750 kg/hm2+水稻秸秆6000 kg/hm2（T9）处理。总体来看，施用生活污泥有助于小麦产量的提高。在一定施用量内，随着生活污泥用量的增大，小麦产量也有所增加，这与陈同斌等［20］的研究结果一致。

2.2 不同生活污泥用量对小麦品质的影响

图2、3 分别为不同生活污泥用量对小麦籽粒干面筋、湿面筋、蛋白质及淀粉含量变化的影响。由图2、3 可知，与空白不施肥（CK）处理相比，施用生活污泥提高了小麦籽粒干面筋、湿面筋和淀粉含量，单施生活污泥6000 kg/hm2（T3）处理的小麦籽粒干面筋、湿面筋和淀粉含量分别提高了19.7%、15.2%和7.83%。随着生活污泥施用量的增加，单施生活污泥6000 kg/hm2（T3）的小麦籽粒干面筋及湿面筋含量显著高于单施生活污泥3000 kg/hm2（T2）处理。生活污泥2250 kg/hm2+复合肥450 kg/hm2（T6）配施条件下，小麦籽粒淀粉含量比空白不施肥（CK）处理提高了23.94%，且小麦籽粒淀粉含量显著高于施用生活污泥750 kg/hm2+复合肥600 kg/hm2（T4）及施用生活污泥1500 kg/hm2+复合肥525 kg/hm2（T5）处理。在生活污泥施用750 kg/hm2+复合肥600 kg/hm2（T4）的配施条件下，小麦籽粒湿面筋、干面筋、淀粉的含量高于施用配施尿素112.5 kg/hm2（T1）处理，蛋白质含量略有下降。复合肥与生活污泥及商品有机肥等配施条件下，配施生活污泥的小麦籽粒湿面筋、干面筋和淀粉含量相对更高。

2.3 不同生活污泥用量对小麦籽粒重金属含量的影响

表3 为不同生活污泥用量对小麦籽粒重金属含量的影响，参照《食品中污染物限量》GB 2762-2017 可知，各处理小麦籽粒Pb、Cd、As、Hg的含量均未超过国家限量标准。与单施生活污泥3000 kg/hm2（T2）处理相比，施用生活污泥6000 kg/hm2（T3）的小麦籽粒Cr、Pb、Cd 含量更高。相同复合肥施用水平下，施用生活污泥1500 kg/hm2+复合肥525 kg/hm2（T5）处理较施用复合肥525 kg/hm2+水稻秸秆6000 kg/hm2（T8）和商品有机肥1500 kg/hm2+复合肥525 kg/hm2（T7）处理的小麦籽粒Pb、Cd 含量最高。施用生活污泥750 kg/hm2+复合肥600 kg/hm2（T4）的小麦籽粒中Cr、Pb、As、Hg含量高于复合肥600 kg/hm2+尿素112.5 kg/hm2（T1）处理。本试验表明：随着生活污泥施用量的增大，小麦籽粒重金属含量呈增加趋势。

表3 不同施肥处理对小麦籽粒中重金属含量的影响（mg/kg）

施用生活污泥750 kg/hm2+复合肥600 kg/hm2（T4）、复合肥525 kg/hm2+水稻秸秆6000 kg/hm2（T8）及生活污泥750 kg/hm2+复合肥450 kg/hm2+水稻秸秆6000 kg/hm2（T9）处理中，小麦籽粒Cr含量超过国家限量标准（1 mg/kg）。施用生活污泥堆肥会增加作物重金属积累，但不同元素增幅存在差异［21］。也有文献报道施入污泥后，小麦、玉米等农作物籽粒中重金属含量并未显著增加［22-23］，这可能与施用的生活污泥类型及作物品种有关。施用生活污泥对小麦籽粒重金属积累带来不同程度的风险，随着用量的增加，小麦富集重金属的可能性越高。由于重金属具有累积性污染，生活污泥堆肥农用时，应在加强监管的前提下，严格控制施用量，合理用于当地农业生产，避免造成食品安全问题。

2.4 不同生活污泥用量对小麦籽粒有机污染物含量的影响

表4、5 分别为不同生活污泥用量对小麦籽粒中多环芳烃类、酞酸酯类有机污染物含量的影响。由表4、5 可知，小麦籽粒中多环芳烃类、酞酸酯类有机物的含量均低于检出限，符合食品安全国家标准。Jones 等［24］研究报道：施用污泥，小麦籽粒及牧草中有机污染物含量增加，连续施用会提高污染风险。申荣艳等［25］研究发现：污泥的施用会不同程度增加植株及土壤中多氯联苯和多环芳经等有机污染物的含量。马晶晶［26］同样报道了污泥中有机污染物对作物具有污染风险。但Waqas等［27］研究表明：在多环芳烃类有机物污染的土壤中增施2%～10%热干化污泥，可有效降低黄瓜对多环芳烃类有机污染物的富集。余杰等［28］分析了国内外城市污泥中有机污染物现状，针对我国环境现状提出城市污泥中常见的多环芳烃及壬基苯酚类等有机污染物，应作为典型的有机污染物加强研究。

表4 不同生活污泥用量对小麦籽粒中多环芳烃类有机污染物含量的影响 （mg/kg）

表5 不同生活污泥用量对小麦籽粒中酞酸酯类有机污染物含量影响 （mg/kg）

3 讨论与结论

3.1 讨论

施用生活污泥有助于提高小麦产量，主要原因是生活污泥含有大量养分，有助于作物的生长发育及生物量积累，这与前人研究结果一致［29-30］。本研究发现：生活污泥2250 kg/hm2+复合肥（15-15-15）450 kg/hm2（T6）处理，更有助于增加小麦产量。生活污泥与传统化肥及有机肥的合理配施是今后生活污泥资源化利用的方向之一，降低生活污泥造成环境风险的同时，也利于农田有机养分替代及化肥减量。施用生活污泥对小麦不同品质指标提升效果不同。单施生活污泥6000 kg/hm2（T3）处理相对空白不施肥（CK）处理的小麦籽粒干面筋、湿面筋和淀粉含量分别提高了19.7%、15.2%和7.83%；生活污泥2250 kg/hm2+复合肥450 kg/hm2（T6）配施条件下，小麦籽粒淀粉含量比空白不施肥（CK）处理提高了23.94%。今后可针对不同作物品质提升要求，开展施用生活污泥与传统化肥及有机肥的合理配施试验，研究最适宜的施肥方案。本试验表明：与单施污泥3000 kg/hm2（T2）处理相比，施用污泥6000 kg/hm2（T3）的小麦籽粒Cr、Pb、Cd 含量更高，随着生活污泥施用量的增大，小麦籽粒重金属含量呈增加趋势，这与戴亮等［31］的研究结论一致。但不同元素增幅存在差异，施用生活污泥750 kg/hm2+复合肥600 kg/hm2（T4）、复合肥525 kg/hm2+水稻秸秆6000 kg/hm2（T8）及生活污泥750 kg/hm2+复合肥450 kg/hm2+水稻秸秆6000 kg/hm2（T9）处理中，小麦籽粒Cr 含量均超过国家限量标准（1 mg/kg），这可能是因为施用化肥会引起土壤酸化，土壤中有效态重金属含量提高，进而被小麦吸收富集；施用生活污泥一定程度上可以提高土壤pH 值，有助于抑制某些可溶性金属有机配合物的形成［32］；生活污泥中的有机质在分解过程中可生成不溶性盐，从而降低重金属Cr的有效性［33］，这与国内王美等［21］及国外Lakhdar 等［34］研究结论类似。生活污泥农用时，因重金属具有累积性污染特性，在推广上需延长试验年限，连续监测施用污泥后对农产品质量安全的影响。综上分析，建议在生活污泥安全利用的前提下，单独施用生活污泥6000 kg/hm2水平及生活污泥2250 kg/hm2+复合肥（15-15-15）450 kg/hm2配施用量，有助于小麦产量及品质的提升。

目前，对于生活污泥产生的有机污染物风险控制方面的报道较少，有机污染物在土壤和作物中的累积和富集是一个缓慢持续的过程，仍需要进行长期大田定位试验，加强典型有机污染物的监测。不同作物种类和不同类型有机污染物吸收和转运的机理，以及与土壤中有机污染物浓度的关系，还有待进一步研究。生活污泥施用对农田微塑料污染问题［35］，也还未在相应法律法规中对其排放标准作出界定。新形势下，应针对我国生活污泥处理处置的现状、技术和发展趋势，加大对污泥减量化、资源化、无害化以及产业链协同创新等新技术、政策与实践的研究。加快对生活污泥处理处置方面的政策、建设、运行等相关标准的制定，推动生活污泥资源化利用。

3.2 结论

施用城镇生活污泥有助于提高小麦产量。单施生活污泥（T2、T3）较空白不施肥（CK）处理小麦增产83.85%～139.04%，与单施生活污泥3000 kg/hm2（T2）处理相比，单施生活污泥6000 kg/hm2（T3）显著提高了小麦产量。在一定范围内，小麦产量随着污泥用量的增大而增加。

施用城镇生活污泥有利于提升小麦籽粒品质。与空白不施肥（CK）处理相比，单施生活污泥6000 kg/hm2（T3）处理的小麦籽粒干面筋、湿面筋和淀粉含量分别提高了19.7%、15.2%和7.83%。单施生活污泥6000 kg/hm2（T3）的小麦籽粒干面筋及湿面筋的含量显著高于单施生活污泥3000 kg/hm2（T2）处理。

单施生活污泥6000 kg/hm2（T3）的小麦籽粒Cr、Pb、Cd 含量比单施生活污泥3000 kg/hm2（T2）处理高。部分施用生活污泥与复合肥配施（T4、T8、T9）处理的小麦籽粒中Cr 含量超过国家限量标准（1 mg/kg）。施用城镇生活污泥的小麦籽粒中多环芳烃类、酞酸酯类有机污染物含量符合食品安全国家标准。

建议单独施用生活污泥在6000 kg/hm2水平或生活污泥2250 kg/hm2+复合肥（15-15-15）450 kg/hm2配施的情况下安全利用。