柏彥超，汪莉，陶天云，陳國(guó)華，錢(qián)曉晴，封克，單玉華

(揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/江蘇省揚(yáng)州農(nóng)業(yè)環(huán)境安全技術(shù)服務(wù)中心，江蘇揚(yáng)州 225009)

我國(guó)耕地資源緊缺，東部沿海灘涂可作為重要后備耕地資源。我國(guó)符合用于土壤改良標(biāo)準(zhǔn)的生活污泥雖然量大但未被很好地加以利用。目前對(duì)污泥農(nóng)用意見(jiàn)分歧較大，爭(zhēng)議的焦點(diǎn)是部分生活污泥可能含有較多的重金屬、有機(jī)污染物以及部分病原微生物等。人們擔(dān)心污泥農(nóng)用會(huì)影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，但按照科學(xué)規(guī)律把握好關(guān)鍵環(huán)節(jié)則完全可以消除隱患。中國(guó)的海涂主要分布在北起遼寧、南至廣東、廣西和海南的海濱地帶，是海岸帶的一個(gè)重要組成部分，總面積約為217.04萬(wàn)hm2［1］。歷史上我國(guó)灘涂圍墾面積達(dá)1000多萬(wàn)hm2。近50年來(lái)，灘涂圍墾作為實(shí)現(xiàn)“耕地占補(bǔ)平衡”的有效手段得到了迅速發(fā)展，我國(guó)通過(guò)灘涂圍墾新增了110～120萬(wàn)hm2土地［2］。隨著圍墾技術(shù)的不斷成熟，圍墾面積、規(guī)模、進(jìn)度有逐漸擴(kuò)大、加快的趨勢(shì)。按照目前我國(guó)入海河流泥沙的淤積速率，到2050年可再圍墾100～150萬(wàn)hm2土地。沿海灘涂土壤屬于濱海鹽土類型，由于長(zhǎng)期受海洋潮汐的影響，鹽漬化作用導(dǎo)致土壤鹽分含量偏高、土體發(fā)育不明顯、理化性狀差、肥力水平低下。灘涂土壤改良的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括兩個(gè)方面:一是以工程措施為主導(dǎo)的降鹽，二是以增加有機(jī)質(zhì)為主導(dǎo)的土壤培肥。前者決定了圍墾灘涂能否進(jìn)行作物生產(chǎn)，后者則決定作物生產(chǎn)是否具有可持續(xù)性。增施有機(jī)質(zhì)是解決灘涂土壤肥力問(wèn)題的一條重要途徑。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤養(yǎng)分含量的增加有密切的聯(lián)系［3］。有機(jī)質(zhì)通過(guò)改善土壤的理化性狀、改變土壤鹽分運(yùn)動(dòng)狀況，促進(jìn)土壤脫鹽，抑制土壤返鹽，中和土壤堿度，從而減輕鹽分對(duì)作物的危害，提高作物產(chǎn)量，達(dá)到改良灘涂土壤的目的。研究表明，增施有機(jī)質(zhì)可改善灘涂土壤物理性狀，提高灘涂土壤的保蓄性和緩沖性［4］，抑制土壤返鹽、改變土壤鹽分運(yùn)動(dòng)狀況，為灘涂微生物活動(dòng)提供豐富的碳源，促進(jìn)微生物的活動(dòng)［5］。灘涂土壤須投入大量有機(jī)質(zhì)加以熟化改良，因此廉價(jià)優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥源是灘涂土壤改良的重要限制因子。生活污泥是城市生活污水處理過(guò)程中的副產(chǎn)物，有機(jī)質(zhì)含量達(dá)30% ～60%，還含有大量氮、磷等養(yǎng)分，且含量高于豬糞、牛糞等畜禽糞便。迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)污泥農(nóng)用的研究主要集中于將污泥施用于一般農(nóng)田［6－7］，對(duì)利用生活污泥改良灘涂土壤的田間實(shí)際應(yīng)用效果及作用機(jī)理的報(bào)道很少。利用生活污泥進(jìn)行灘涂土壤的改良是一項(xiàng)一舉多得的措施，將土地后備資源與有機(jī)固廢循環(huán)利用相結(jié)合，在理論上為灘涂土壤快速改良提供依據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用上為灘涂土壤改良和污泥合理利用提供新的途徑，因此具有重要理論價(jià)值和廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。本試驗(yàn)采用符合用于土壤改良標(biāo)準(zhǔn)的生活污泥為材料，通過(guò)田間小區(qū)隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)探討施用不同用量生活污泥對(duì)灘涂土壤部分理化性狀的影響，旨在系統(tǒng)掌握生活污泥對(duì)灘涂土壤理化性狀改良的影響，為解決我國(guó)耕地資源嚴(yán)重不足和生活污泥難以處理的迫切問(wèn)題提供新的思路和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2010～2011年在江蘇省如東縣兆盈墾區(qū)試驗(yàn)田(E 121°23'23″，N 32°20'03″)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)為新圍墾第3年的灘涂，屬淤漲型的淤泥質(zhì)海岸，濱海相地貌，地勢(shì)平坦，地面高程3.00 m;屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，具有明顯的過(guò)渡性海洋性和季風(fēng)性，四季分明，降水量主要集中在6～8月份。試驗(yàn)區(qū)淺層土層中地下水均為第四系孔隙潛水類型，層狀分布，主要補(bǔ)給來(lái)源為地表水及大氣降水。供試生活污泥于2010年11月取自江蘇省無(wú)錫蘆村城市生活污水處理廠，添加其干基質(zhì)量2%的生石灰進(jìn)行無(wú)害化處理［8－9］。灘涂土壤及污泥的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1，生活污泥重金屬元素含量均低于建設(shè)部制定的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置—土地改良用泥質(zhì)》(GB/T 24600－2009)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用田間隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，各小區(qū)面積均為8.0 m×8.0 m。試驗(yàn)按污泥施用量設(shè)5個(gè)處理，分別為0、75、150、300、600 t/hm2，各處理重復(fù) 3 次。2010年1月將生活污泥施入各小區(qū)，自然風(fēng)干20 d后用旋耕機(jī)將污泥與0—20 cm耕層土壤拌勻，此后不增加其它農(nóng)藝措施，使其自然熟化。2011年1月采集0—20 cm耕層土壤樣品，分析其物理性狀(容重、密度)，化學(xué)性狀(有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量)及部分微生物性狀(細(xì)菌、放線菌數(shù)量)。

1.3 測(cè)定方法

采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，比重瓶法測(cè)定土壤密度。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法，全氮采用半微量凱氏法，全磷采用硫酸–高氯酸消煮法，全鉀采用氫氧化鈉熔融—火焰光度法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀、鈉采用醋酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定［10］。細(xì)菌、放線菌數(shù)量采用稀釋涂布平板法測(cè)定，細(xì)菌分離培養(yǎng)用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，放線菌用高氏1號(hào)培養(yǎng)基［11］。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel(2003)和 SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法檢驗(yàn)差異顯著性。

表1 灘涂土壤及生活污泥的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic properties of tidal flat soil and sewage sludge used in this study

2 結(jié)果與分析

2.1 生活污泥對(duì)灘涂土壤容重、密度的影響

圖1 生活污泥對(duì)灘涂土壤容重和密度的影響Fig.1 Effect of the sewage sludge application on bulk density and specific weight of the tidal flat soil

施用生活污泥使得灘涂土壤的容重、密度均有所下降，下降幅度隨生活污泥施用量的增加而增大(圖1)。不施用污泥的對(duì)照土壤容重為1.306 g/cm3。不同污泥施用量 (75、150、300、600 t/hm2)處理的土壤容重分別為 1.283、1.266、1.200、1.161 mg/kg，分別比對(duì)照降低 1.7%、3.1%、8.1%、11.1%，其中施用600 t/hm2污泥處理的土壤容重顯著低于對(duì)照處理。試驗(yàn)條件下對(duì)照土壤的密度為2.636 g/cm3。施用污泥后，各處理土壤密度分別降至 2.449、2.400、2.393、2.328 g/cm3，分別比對(duì)照降低 7.1%、9.0%、9.2%、11.7%，降幅均達(dá)顯著水平。在本試驗(yàn)條件下，生活污泥處理后灘涂土壤的密度降低幅度高于容重降低幅度。

2.2 生活污泥對(duì)灘涂土壤養(yǎng)分含量的影響

2.2.1 對(duì)灘涂土壤氮素含量的影響 隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤的全氮、堿解氮含量均呈上升趨勢(shì)(圖2)。不同污泥施用量(75、150、300、600 t/hm2)處理的土壤全氮含量分別為197.5、206.4、237.8、356.8 mg/kg，分別比對(duì)照增加 50.6%、57.4%、81.4%、172.2%，施用 300 t/hm2和 600 t/hm2生活污泥處理的灘涂土壤全氮含量顯著高于對(duì)照。施用污泥各處理堿解氮含量分別為26.43、27.48、28.70、35.82 mg/kg，分別比對(duì)照增加58.9%、65.2%、72.6%、115.4%，每公頃施用75噸生活污泥處理的灘涂土壤堿解氮含量即顯著高于對(duì)照。污泥施用量小于150 t/hm2時(shí)，堿解氮的增幅高于全氮的增幅;污泥施用量大于300 t/hm2時(shí)，堿解氮的增幅低于全氮的增幅。

圖2 生活污泥對(duì)灘涂土壤全氮和堿解氮含量的影響Fig.2 Effect of the sewage sludge application on content of total N and alkali-hydrolyzable N of the tidal flat soil

2.2.2 對(duì)灘涂土壤磷素含量的影響 生活污泥對(duì)灘涂土壤全磷、速效磷含量的影響見(jiàn)圖3。隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤的全磷、速效磷含量均呈上升趨勢(shì)。不施用污泥的對(duì)照土壤全磷、速效磷含量分別為556.7、7.25 mg/kg。不同污泥施用量(75、150、300、600 t/hm2)處理的土壤全磷含量分別為665.4、687.8、682.8、841.5 mg/kg，分別比對(duì)照增加19.5%、23.6%、22.7%、51.2%，均顯著高于對(duì)照。施用污泥各處理土壤速效磷含量分別為17.6、22.8、26.0、34.7 mg/kg，分別比對(duì)照增加143.0%、214.7%、258.1%、378.3%，均顯著高于對(duì)照。施用生活污泥處理后灘涂土壤的速效磷的增幅顯著高于全磷的增幅。

圖3 生活污泥對(duì)灘涂土壤全磷和速效磷含量的影響Fig.3 Effect of the sewage sludge application on content of total P and available P of the tidal flat soil

2.2.3 對(duì)灘涂土壤鉀素含量的影響 施用生活污泥對(duì)灘涂土壤全鉀、速效鉀含量的影響如圖4所示。從圖4可以看出，不施用污泥的對(duì)照土壤全鉀、速效鉀含量分別為13438、468 mg/kg。施用污泥后，灘涂土壤全鉀含量的變化范圍為12750～12938 mg/kg，速效鉀含量變化范圍為443～463 mg/kg，各處理間無(wú)明顯差異。灘涂土壤由于長(zhǎng)期受海水浸泡，本身含鉀量較高，施用污泥對(duì)灘涂土壤全鉀、速效鉀含量均無(wú)顯著影響。

2.3 生活污泥對(duì)灘涂土壤pH、CEC及有機(jī)質(zhì)含量的影響

從圖5可以看出，隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤pH值呈逐漸下降的趨勢(shì)。施用污泥后，各處理(75、150、300、600 t/hm2)土壤 pH 值分別為8.96、8.94、8.85、8.73，均顯著低于對(duì)照處理。除污泥施用量75、150 t/hm2兩處理外，其余各處理間差異均達(dá)顯著水平。土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)直接反映土壤保肥、供肥及緩沖能力。圖5顯示，隨污泥施用量的增加，灘涂土壤CEC呈逐漸上升的趨勢(shì)。相關(guān)分析得出，灘涂土壤陽(yáng)離子交換量與污泥施用量呈顯著正相關(guān)(r2=0.976＊＊)。

圖5 生活污泥對(duì)灘涂土壤pH和CEC的影響Fig.5 Effect of the sewage sludge application on pH and CEC of the tidal flat soil

隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤有機(jī)質(zhì)含量呈明顯上升趨勢(shì)(圖6)。不施用污泥的對(duì)照土壤有機(jī)質(zhì)含量為3.78 g/kg。施用污泥后，各處理(75、150、300、600 t/hm2)土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為4.56、6.01、6.93、7.55 g/kg，分別比對(duì)照增加 20.5%、58.9%、83.1%、99.5%，其中施入 300 t/hm2和600 t/hm2污泥處理的灘涂土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于對(duì)照。

2.4 生活污泥對(duì)灘涂土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量的影響

施用生活污泥對(duì)灘涂土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量有顯著影響(表2)。隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤的細(xì)菌、放線菌數(shù)量呈顯著上升的趨勢(shì)。不施用污泥的對(duì)照土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量分別為5.7×104、1.2×104cfu/g。施用污泥后，各處理(75、150、300、600 t/hm2)土壤細(xì)菌數(shù)量分別比對(duì)照增加0.5、3.6、5.0、9.7倍，放線菌數(shù)量分別比對(duì)照增加14.6、70.3、144.6、373.0倍。

圖6 生活污泥對(duì)灘涂土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.6 Effect of the sewage sludge application on organic matter content of the tidal flat soil

表2 生活污泥對(duì)灘涂土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量的影響Table 2 Effect of the sewage sludge application on bacteria and actinomycete populations of the tidal flat soil

3 討論與結(jié)論

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力物質(zhì)，可不斷地供給作物所需的各種營(yíng)養(yǎng)、改善作物營(yíng)養(yǎng)水平。土壤有機(jī)質(zhì)分解以后可為灘涂土壤提供各種養(yǎng)分，特別是氮素，灘涂土壤礦物質(zhì)一般不含氮，除施入的氮肥外，灘涂土壤氮素的主要來(lái)源為有機(jī)質(zhì)分解。此外，有機(jī)質(zhì)也是灘涂土壤中磷、硫、鈣以及微量元素的重要來(lái)源。隨著城市化的發(fā)展，生活污泥產(chǎn)生量日益增多，其富含有機(jī)質(zhì)，可作為農(nóng)用有機(jī)肥源。2009年2月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、環(huán)境保護(hù)部和科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合制定了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策(試行)》。“防治技術(shù)政策”鼓勵(lì)回收和利用污泥中的能源和資源，鼓勵(lì)符合標(biāo)準(zhǔn)的污泥進(jìn)行土地利用。污泥土地利用應(yīng)符合國(guó)家及地方的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，主要包括土地改良和園林綠化等。“防治技術(shù)政策”明確規(guī)定:污泥用于鹽堿地、沙化地和廢棄礦場(chǎng)等土地改良時(shí)，泥質(zhì)應(yīng)符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置—土地改良用泥質(zhì)》(GB/T 24600－2009)的規(guī)定。污泥農(nóng)用時(shí)，污泥必須進(jìn)行穩(wěn)定化和無(wú)害化處理，并達(dá)到《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB4284)等國(guó)家和地方現(xiàn)行的有關(guān)農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。雖然生活污泥也可能含有如重金屬等一些對(duì)環(huán)境有影響的物質(zhì)，但隨著城市污水管網(wǎng)進(jìn)一步優(yōu)化，生活污水管網(wǎng)、工業(yè)廢水管網(wǎng)逐步分離，生活污泥中的重金屬含量會(huì)逐步降低。生活污泥經(jīng)過(guò)處理后，可以減少其中難降解的有機(jī)物和有害病毒細(xì)菌的威脅，使污泥化害為利、變廢為寶，從而實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用。

大量研究表明［12－14］，施用適量生活污泥后，可明顯增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量，有效改善土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)、水力學(xué)性質(zhì)及其化學(xué)性質(zhì)，由此帶來(lái)的容重降低，孔隙度、團(tuán)聚體穩(wěn)定度以及持水量和導(dǎo)水性的增加，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可起積極的作用。對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量很低，特別不利于植物生長(zhǎng)的土壤施用生活污泥更有重要意義，這類土壤可以通過(guò)一次大量(50～100 t/hm2)施用生活污泥而改善其理化性質(zhì)［15］。本試驗(yàn)證實(shí)了施用符合農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)的生活污泥對(duì)灘涂土壤改良的效果。本試驗(yàn)條件下生活污泥施入灘涂土壤一年后，一定程度地增加了灘涂土壤的有機(jī)質(zhì)含量，但土壤中有機(jī)質(zhì)的總量遠(yuǎn)低于加入到土壤中的有機(jī)質(zhì)。這可能是由于生活污泥是一種有機(jī)殘片，由多種微生物形成的菌膠團(tuán)及其吸附的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物組成的集合體，其施入土壤后并不能全部轉(zhuǎn)化成土壤的有機(jī)質(zhì)。該試驗(yàn)表明施用生活污泥可降低灘涂土壤的容重、密度。生活污泥屬于優(yōu)質(zhì)有機(jī)質(zhì)，其含有的大量有機(jī)膠體是形成水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)不可缺少的膠結(jié)物質(zhì)，有助于灘涂土壤形成良好的結(jié)構(gòu)，從而改變土壤孔隙狀況和水、氣比例。施用生活污泥可提高灘涂土壤的全氮、全磷、速效氮、速效磷含量。這可能是由于生活污泥施入灘涂土壤后，部分分解釋放出氮、磷養(yǎng)分，部分轉(zhuǎn)化為灘涂土壤有機(jī)質(zhì)，其中的有機(jī)膠體，帶有大量負(fù)電荷，能吸附大量的陽(yáng)離子和水分，其陽(yáng)離子交換量和吸水率比粘粒要大幾倍甚至幾十倍，所以它能提高灘涂土壤保肥蓄水的能力，提高土壤氮、磷養(yǎng)分含量及供應(yīng)能力。試驗(yàn)證實(shí)施用生活污泥提高了灘涂土壤的CEC。由于灘涂土壤長(zhǎng)期受海水浸泡，自身含鉀量較高，所以試驗(yàn)中施用生活污泥對(duì)灘涂土壤全鉀、速效鉀無(wú)顯著影響。試驗(yàn)條件下施用生活污泥顯著增加了灘涂土壤細(xì)菌、放線菌的數(shù)量，這是由于有機(jī)質(zhì)能促進(jìn)土壤微生物數(shù)量不同程度地增加，使固氮菌活動(dòng)旺盛，土壤酶活性增加，蛋白酶活性增強(qiáng)［16－18］。

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