楊文彬,王海東,彭祚登*,馬富亮,孫 昱,孫文彥,彭玉信

1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,北京 100083

2.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100044

3.北京市黃垡苗圃,北京 102602

城市排水污泥是污水處理廠在污水凈化處理過程中產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)廢棄物，是由有機(jī)殘片、無機(jī)顆粒、膠體以及細(xì)菌體等組成的成分極為復(fù)雜的非均質(zhì)體[1-3]。我國排水污泥年產(chǎn)生量每年以10%的速率遞增[4,5]。這些污泥中含有寄生蟲、病菌、重金屬、多環(huán)芳烴等有機(jī)污染物以及鹽類物質(zhì)等多種有毒有害物質(zhì)，且容易發(fā)生腐爛發(fā)臭，若得不到良好的處理，這些物質(zhì)必然會對自然環(huán)境造成更加嚴(yán)重的污染，并對人類以及動植物產(chǎn)生不良影響[6]。城市排水污泥中含有大量的N、P、K 等植物營養(yǎng)元素及豐富的有機(jī)質(zhì)，若經(jīng)過恰當(dāng)?shù)奶幚砜芍瞥捎袡C(jī)肥，施于土壤中可提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長，且減少污泥對環(huán)境的二次污染，因此，制成有機(jī)肥料被認(rèn)為是目前城市污泥消納較好的途徑之一[7]。

目前，與污泥制各種產(chǎn)品有關(guān)的研究較多，但大多都集中在污泥堆肥方面，如張?jiān)鰪?qiáng)等研究表明施用城市污泥堆肥可以明顯增加土壤的水分含量及田間持水量[8]；宋小英等將城市污泥堆肥與園土、爐渣混合作為荷花無土栽培基質(zhì)，結(jié)果表明施用該基質(zhì)使土壤容重降低，土壤孔隙度升高[9]；楊桐桐等在研究中指出施用城市污泥堆肥產(chǎn)品后，土壤pH 值下降到6.0～7.0 之間，更利于高羊茅生長[10]；譚國棟等研究表明在沙土和壤土中施用不同用量的污泥堆肥產(chǎn)品后，兩種土壤中有機(jī)質(zhì)、N、P、K 含量均高于未施用的對照處理等[11]。近年來，污泥好氧堆肥制成的有機(jī)肥存在占地面積較大、工作環(huán)境惡劣、產(chǎn)生氨氣等大量刺激性氣體等諸多問題[12]，阻礙了污泥的農(nóng)林資源化進(jìn)程，而新興的污泥高級厭氧消化技術(shù)有效解決了這些問題。經(jīng)過高溫?zé)崴?、厭氧消化、板框脫水、破碎處理后的污泥脫水性和穩(wěn)定性大大提高，異味減小，能夠更好的實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化目標(biāo)[13-15]。本文針對與污泥高級厭氧消化技術(shù)相關(guān)的研究較少，其施用效果不明，選取污泥經(jīng)高級厭氧消化技術(shù)制成的有機(jī)營養(yǎng)土為對象，研究不同施用量下對北京平原沙地土壤理化性質(zhì)的影響，以期為在沙土林地施用高級厭氧消化污泥制有機(jī)營養(yǎng)土的利用標(biāo)準(zhǔn)制定提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京市大興區(qū)北臧村鎮(zhèn)永定河河灘沙地平原造林地塊（39°39′4.63″～39°40′48.60″N，116°13′42.15″～116°14′27.17″E），區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懠撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為11.6 ℃，年平均降水量556 mm，降水主要集中在7～9 月份[16,17]。試驗(yàn)區(qū)位于永定河中上游沖積平原，地勢較為平坦，土壤為沖積性砂質(zhì)壤土，土壤通氣透水性好，蓄水保肥能力較差[10]。研究選取5 年生榆樹、國槐人工林地，榆樹、國槐株行距均為4 m，林木長勢及管護(hù)措施等一致。

1.2 供試材料

供試污泥制有機(jī)營養(yǎng)土來自北京城市排水集團(tuán)高碑店再生水廠，為城鎮(zhèn)再生水廠污泥經(jīng)過高溫?zé)崴忸A(yù)處理后再經(jīng)厭氧消化處理生產(chǎn)的污泥產(chǎn)品（類有機(jī)肥料），其具體性質(zhì)如表1 所示。

表1 供試城市排水污泥基本理化性質(zhì)Table 1 The physical and chemical properties of municipal sewage sludge were tested

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置林地用泥質(zhì)》（CJ/T 362）中的相關(guān)規(guī)定，將污泥制有機(jī)營養(yǎng)土的林地施用量設(shè)為6 個水平，分別為0 kg/株（CK）、15 kg/株（T1）、30 kg/株（T2）、45 kg/株（T3）、60 kg/株（T4）、75 kg/株（T5），每種處理3 次重復(fù)，

每個試驗(yàn)地設(shè)置18 個試驗(yàn)小區(qū)（各小區(qū)代表每個處理的各個重復(fù)），在每個小區(qū)內(nèi)選擇10 株長勢基本一致的林木進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)于2017 年7 月進(jìn)行試驗(yàn)布設(shè)，采取穴施的方法，根據(jù)樹木的滴水線情況選擇距樹基40 cm 距離，在林木兩側(cè)各向外挖一個深度30 cm 左右，長度、寬度各40 cm的施穴，按照不同處理的施用量將污泥制有機(jī)營養(yǎng)土平均分配施用于兩施穴內(nèi)，施用后均用林地土壤覆蓋，并立即灌溉。

在各樹種試驗(yàn)區(qū)施營養(yǎng)土前進(jìn)行本底土壤樣品采集，在各試驗(yàn)區(qū)中隨機(jī)選取3 個樣點(diǎn)，在樣點(diǎn)處挖50 cm 深的土壤剖面，以0～20 cm 和20～40 cm 兩個層次分層進(jìn)行土壤取樣。樣地基本理化性質(zhì)本底值如表2 所示。之后于2019 年7 月進(jìn)行第二次土壤取樣，分別于每個處理選擇3 株樣本樹，在距林木兩施穴20 cm 左右處（即距林木基部60 cm）挖土壤剖面進(jìn)行環(huán)刀和袋裝土取樣，將同一棵樣本樹的同一土層土樣進(jìn)行充分混合裝入塑封袋中，并進(jìn)行編號。取樣結(jié)束后將裝有土樣的環(huán)刀和袋裝土裝入箱中帶回實(shí)驗(yàn)室，及時用天平稱取環(huán)刀及濕土質(zhì)量；袋裝土自然風(fēng)干，之后過篩后放入密封袋中備用。

表2 供試林地土壤基本理化性質(zhì)Table 2 供試林地土壤基本理化性質(zhì)

1.4 測定指標(biāo)及方法

土壤容重、孔隙度及田間持水量用環(huán)刀法測定后計(jì)算；土壤pH 采用電位法進(jìn)行測定[19]；土壤陽離子交換量采用EDTA—銨鹽快速法測定[19]；土壤電導(dǎo)率采用電極法進(jìn)行測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法進(jìn)行測定[20]；土壤堿解氮采用堿解—擴(kuò)散法進(jìn)行測定[20]；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法進(jìn)行測定[20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和圖表繪制，用SPSS18.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析和顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），多重比較采用最小顯著性差異法（LSD）。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土對土壤物理性質(zhì)的影響

由圖1（a）可得，榆樹林地土壤0～20 cm 土層深度土壤容重在施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土后逐漸減小，當(dāng)施用量達(dá)到T3 時與CK 相比差異顯著，當(dāng)施用量繼續(xù)增加至T4、T5 時，其容重繼續(xù)減小，與CK 相比差異顯著；20～40 cm 處土壤容重在施有機(jī)營養(yǎng)土后也逐漸減小并且在T5 處理達(dá)到最小，與CK 相比差異顯著。國槐林地土壤0～20 cm 土層深度的土壤容重與榆樹林地變化趨勢相同，都是在施有機(jī)營養(yǎng)土后逐漸減小，并且在T4、T5 處理顯著低于CK；20～40 cm 處土壤容重在施有機(jī)營養(yǎng)土后變化較小，各處理間差異均不顯著。由圖1（b）可知，榆樹林地土壤0～20 cm 土層深度土壤孔隙度在施有機(jī)營養(yǎng)土后逐漸增加，并且在T4、T5 時與CK 相比差異顯著；20～40 cm 處土壤孔隙度在施有機(jī)營養(yǎng)土后也逐漸增加，并且在T5 時與CK 相比差異顯著。國槐林地土壤0～20 cm 土層深度的土壤孔隙度在施有機(jī)營養(yǎng)土后也逐漸增加，并且在T5 時與CK 相比差異顯著；20～40 cm 處土壤孔隙度在施有機(jī)營養(yǎng)土后與CK 相比變化較小，各處理間差異不顯著。

圖1 施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土對土壤容重（a）和孔隙度（b）的影響Fig.1 Effects of sludge application on soil bulk density(a)and porosity(b)

2.2 施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土對林地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 對土壤酸堿性及陽離子交換能力的影響 施有機(jī)營養(yǎng)土對土壤pH 值和陽離子交換量的影響見表3。由表3 可知，榆樹林地土壤0～20 cm 土層深度土壤pH 值在6.94～7.00 之間，各處理間無顯著差異；20～40 cm 處土壤pH 值在6.92～7.03 之間，各施有機(jī)營養(yǎng)土處理pH 值均高于未施有機(jī)營養(yǎng)土對照，但不存在顯著差異。國槐林地土壤0～20 cm 土層深度土壤pH 值在7.11～7.25 之間，20～40 cm處土壤pH 值在7.14～7.25 之間，在這兩個土層深度土壤pH 值隨施用量增加均基本呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但各處理之間差異均不顯著。

表3 施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土對林地土壤養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effect of sludge on soil nutrient content in forest land

表3 施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土對林地土壤pH 值和陽離子交換量的影響Table 3 Effects of sludge on pH value and cation exchange capacity of forest soil

榆樹林地土壤0～20 cm 土壤陽離子交換量在施有機(jī)營養(yǎng)土后有一定程度增加并且在T5時達(dá)到最大值，與CK 相比差異顯著；20～40 cm 處土壤陽離子交換量在施有機(jī)營養(yǎng)土后變化較小，各施用量下與CK 相比均無顯著差異。國槐林地土壤0-20cm 土層深度土壤陽離子交換量在5.78～6.79 cmol/kg之間，20～40 cm 處土壤陽離子交換量在6.27～8.14 cmol/kg 之間，在兩個土層深度各處理之間均無顯著差異。

2.2.2 對土壤有效養(yǎng)分的影響 榆樹0～20 cm 土層各施有機(jī)營養(yǎng)土處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均大于未施有機(jī)營養(yǎng)土對照，其中T5 處理達(dá)到最大值，并顯著高于對照及其他施有機(jī)營養(yǎng)土處理；20～40 cm 土層各處理間差異不顯著。國槐0～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨施用量增加呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，且各施有機(jī)營養(yǎng)土處理均大于對照，但處理間差異不顯著；20～40 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨施用量增加也呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，并且在T3 時達(dá)到最大值，與CK 相比差異顯著。榆樹0～20 cm 土層各施有機(jī)營養(yǎng)土處理土壤堿解氮含量均大于未施有機(jī)營養(yǎng)土對照，其中T5 處理達(dá)到最大值，并顯著高于未施有機(jī)營養(yǎng)土對照及T1 處理，與對照相比增大了109.70%；20～40 cm 土層在各施用量下堿解氮含量有所下降，但不存在顯著差異。國槐0～20 cm 土層在施有機(jī)營養(yǎng)土后各施用量下堿解氮都高于CK，但差異均不顯著；20～40 cm 土層土壤在各施用量下堿解氮含量變化較小，與CK 相比均不存在顯著差異。榆樹0～20 cm 土層在施有機(jī)營養(yǎng)土后速效鉀含量都高于CK 并且在T5 時達(dá)到最大，與CK 相比差異顯著；20～40 cm 土層在施有機(jī)營養(yǎng)土后各處理速效鉀含量均高于CK，并且在T5 時達(dá)到最大，與CK 相比差異顯著。國槐兩個土層在施有機(jī)營養(yǎng)土不同處理下土壤速效鉀含量均有所下降，但不存在顯著差異。

2.2.3 對土壤電化學(xué)性質(zhì)的影響 土壤電導(dǎo)率是反映土壤電化學(xué)性質(zhì)和肥力特性的基礎(chǔ)指標(biāo)。由圖2可知，榆樹林地土壤0～20 cm 土層深度土壤電導(dǎo)率在T1-T4 時與CK 相比差異較小，在T5 時驟增，與CK 相比差異顯著；20～40 cm 處土壤電導(dǎo)率在施有機(jī)營養(yǎng)土后與CK 相比差異較小。國槐林地土壤0～20 cm 土層深度的土壤電導(dǎo)率變化趨勢與榆樹相同，都是在T1-T4 時變化較小，在T5 時驟增，與CK 相比差異顯著，20～40 cm 處土壤電導(dǎo)率在各處理下與CK 相比差異均不顯著。

圖2 林地施污泥制有機(jī)營養(yǎng)土對土壤電導(dǎo)率的影響Fig.2 Effect of sludge production of organic nutrient soil on soil electrical conductivity

2.3 施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土對林地土壤肥力影響的綜合分析

土壤肥力是反映土壤理化性狀的綜合指標(biāo)，以測定的土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行主成分分析，可以就施用有機(jī)營養(yǎng)土的不同處理對國槐和榆樹林地土壤肥力的影響進(jìn)行綜合評價(jià)。相關(guān)矩陣的特征根、各主成分的方差貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率如表4 所示。

表4 土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的主成分分析參數(shù)Table 4 Principal component analysis parameters of soil physical and chemical properties

在榆樹林地土壤0～20 cm 深度，前2 個主成分方差貢獻(xiàn)率分別達(dá)到74.585%和22.387%，方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了96.972%，并且2 個特征根都大于1，因此選取前兩個主成分來綜合反映林地土壤肥力狀況；在20～40 cm 深度，前2 個主成分方差貢獻(xiàn)率分別達(dá)到54.588%和35.78%，方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了90.368%，并且2 個特征根都大于1，因此也選取前2 個主成分來綜合反映林地土壤肥力狀況。在國槐林地土壤0～20 cm 深度，前2 個主成分方差貢獻(xiàn)率分別達(dá)到52.259%和23.24%，方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了75.708%，并且2 個特征根都大于1，因此選取前2 個主成分來綜合反映林地土壤肥力狀況；在20～40 cm 深度，前3 個主成分方差貢獻(xiàn)率分別達(dá)到50.072%、20.89 和16.36%，方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了87.321%，并且3 個特征根都大于1，因此也選取前3 個主成分來綜合反映林地土壤肥力狀況。

根據(jù)各主成分得分系數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化的原始變量可以計(jì)算出各個處理的主成分得分，根據(jù)計(jì)算2個樹種施有機(jī)營養(yǎng)土的處理林地土壤理化指標(biāo)的綜合主成分得分（表5）。這一得分反映了土壤肥力綜合水平，綜合得分越高，則林地質(zhì)量水平越好，若綜合主成分得分為正，則該林分林地土壤肥力在平均水平之上；反之則在平均水平之下?？梢钥吹?，在榆樹土壤0～20 cm 深度，各處理相比較T5＞T4＞T3＞T1＞T2＞CK，可見各個施用量下土壤肥力狀況都優(yōu)于CK 并且T5 下土壤肥力狀況最優(yōu)；20～40 cm 深度各處理相比較T5＞T1＞T2＞T3＞T4＞CK，可見各個施用量下土壤肥力狀況都優(yōu)于CK，并且也是T5 下土壤肥力狀況最優(yōu)。國槐土壤0～20 cm 深度，各處理相比較T5＞T4＞T3＞T1＞T2＞CK，可見國槐與榆樹變化趨勢相同，都是在各個施用量下土壤肥力狀況都優(yōu)于CK 并且T5 下土壤肥力狀況最優(yōu)；20～40 cm 深度各處理相比較T2＞T4＞T3＞T3＞CK＞T5，可見除T5 外，其他施用量下土壤肥力狀況都優(yōu)于CK 并且T2 下土壤肥力狀況最優(yōu)，而T5 處理土壤肥力狀況綜合得分小于未施有機(jī)營養(yǎng)土處理，即在T5 施用量下國槐林地土層20～40 cm 的土壤質(zhì)量有所下降。

表5 土壤肥力各主成分得分Table 5 Principal component scores of soil fertility

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

土壤物理性質(zhì)很大程度上決定了土壤化學(xué)性質(zhì)及生物過程，是評價(jià)林地土壤肥力的基礎(chǔ)[21,22]。肖俊波等研究表明，施用污泥堆肥可以降低土壤容重，增加孔隙度，使土壤變得更加疏松多孔，結(jié)構(gòu)變得更加良好[23]。在本研究中，施有機(jī)營養(yǎng)土后榆樹林地和國槐林地的土壤容重與對照相比都顯著減小，土壤孔隙度都顯著增大，表明施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土可以改良北京平原沙地土壤的物理性質(zhì)，使其變得更加疏松透氣，這與肖俊波的研究結(jié)果相同。

土壤化學(xué)性質(zhì)直接影響土壤微生物活動和植物生長發(fā)育，可作為評價(jià)土壤肥力水平的重要依據(jù)[26-28]。在本研究中，與對照相比，各樹種施有機(jī)營養(yǎng)土處理pH 沒有顯著變化，這可能是因?yàn)楣┰囄勰嘀朴袡C(jī)營養(yǎng)土的pH（7.50）與各樹種林地土壤pH 本底值相差不大。陽離子交換量（CEC）在一定程度上可以反映土壤緩沖能力的大小和保肥性的高低[29]，本研究中榆樹林地在T5 施用量下陽離子交換量顯著高于CK，表明T5 施用量可以提高榆樹林地的土壤緩沖能力與保肥能力，其他處理對榆樹林地和國槐林地的土壤緩沖和保肥能力能力影響不大。施有機(jī)營養(yǎng)土后榆樹林地土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量均有不同程度提升，并且在T5 處理提升效果最明顯，說明施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土可以提高榆樹林地土壤中的養(yǎng)分含量，這與劉玉奇等人的研究結(jié)果相一致[30]。而施有機(jī)營養(yǎng)土后國槐土壤中速效鉀和堿解氮含量有所下降，可能是由于施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土后，土壤中的酶活性增強(qiáng)，微生物數(shù)量種類增加，從而加速了土壤養(yǎng)分循環(huán)，促進(jìn)了林木養(yǎng)分吸收，進(jìn)而導(dǎo)致了土壤中的速效鉀以及堿解氮含量的下降[31,32]。

土壤電導(dǎo)率（EC）反映土壤中的水溶性鹽含量，是表征植物生長的重要因素之一[24]，本研究中施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土后，榆樹和國槐0～20 cm 土層土壤電導(dǎo)率都在T5 處理顯著高于未施有機(jī)營養(yǎng)土對照，分別達(dá)到120.12 和137.17 μs/cm，且測得各樹種林地土壤中電導(dǎo)率最高值為138.53 μs/cm，有研究表明一般土壤電導(dǎo)率低于1500 μs/cm 適于植物正常生長發(fā)育[25]，因此施有機(jī)營養(yǎng)土后各樹種林地土壤中電導(dǎo)率水平對林木生長不會產(chǎn)生影響。

本研究利用主成分分析方法綜合分析了土壤基本理化性質(zhì)對不同施有機(jī)營養(yǎng)土處理?xiàng)l件下各樹種林地土壤肥力狀況的影響，結(jié)果表明榆樹林地土層0～20 cm和20～40 cm以及國槐林地土層0～20 cm在各個施用量下土壤肥力狀況綜合得分都高于CK 并且在T5 時得分最高，說明施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土對榆樹、國槐林地土壤質(zhì)量有一定的提升作用，而國槐林地土層20～40 cmT5 施用量下的土壤肥力狀況綜合得分低于CK，這可能與土壤的養(yǎng)分循環(huán)加快，林木生長活動增強(qiáng)而導(dǎo)致林木吸收養(yǎng)分含量增加有關(guān)，而施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土后林木—土壤養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。此外，在本研究中，T5 施用量能顯著改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤肥力，是本研究中最適宜的施用量，但T5施用量是本研究設(shè)置的最高施用量，至于更高施用量下土壤理化性質(zhì)的變化情況，以及各施用量下的其它土壤因素如土壤重金屬、土壤酶和土微生物的變化情況，以及林木—土壤養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律等，將是今后需要進(jìn)一步研究的問題。

3.2 結(jié)論

（1）施用污泥制有機(jī)營養(yǎng)土可以改良北京平原沙地土壤的物理性質(zhì)，使其容重顯著減小，孔隙度顯著上升，且均在60 kg/株、75 kg/株的高施用量下效果最好；

（2）施用城市排水污泥制有機(jī)營養(yǎng)土對于國槐和榆樹林地土壤pH 值沒有明顯的影響；75 kg/株施用量會顯著增加土壤中的陽離子交換量，提高土壤的緩沖能力和保肥能力；施有機(jī)營養(yǎng)土對于林地土壤養(yǎng)分積累有一定的影響，施有機(jī)營養(yǎng)土后土壤中有機(jī)質(zhì)、速效鉀及堿解氮含量有所增長，并且在單株施用量75 kg 時達(dá)到最大；施用城市排水污泥制有機(jī)營養(yǎng)土后國槐和榆樹林地土壤電導(dǎo)率均在正常范圍內(nèi)，對林木生長不會產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)；

（3）利用主成分分析方法綜合分析了土壤基本理化性質(zhì)對不同施有機(jī)營養(yǎng)土處理?xiàng)l件下國槐和榆樹林地土壤肥力狀況的影響，結(jié)果表明試驗(yàn)地各施用量下的土壤肥力狀況都優(yōu)于CK 并且在60 kg/株、75 kg/株的高施用量下效果最好。