吳 杰 常會慶,2,* 王啟震

(1 河南科技大學農學院，河南 洛陽 471023；2 河南新大牧業(yè)股份有限公司，河南 鄭州 450001)

目前我國城市污泥的產量巨大，截至2015年，我國共建成城鎮(zhèn)污水處理廠約6 910座，污水處理廠處理能力達1.4×109m3·d-1[1]，污水處理過程中產生的污泥為3.02×107t，到2020年污泥產量達6.00×107t[2]。 我國主要通過填埋、焚燒來處置城市污泥[3]，但這些處理的污泥將對周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴重的影響[4]。

消納污泥的有效手段是對其進行無害化處理后用于農用[5-7]。目前，歐美國家已將約60%的污泥進行無害化處理后用于改善貧瘠土壤或作為農作物肥料[8]，而我國污泥農用率不足10%[9]，其中以生活污水為主要來源的污泥養(yǎng)分含量豐富，其氮、磷含量高于主要有機肥[10-11]，因此可將符合農用標準的污泥作為一種養(yǎng)分含量豐富的有機肥用于貧瘠土壤的改良。

河南省酸性土壤面積占全省土壤總面積的7.73%，廣泛分布于省境內的黃淮河流域，大部分集中在信陽、駐馬店、周口等地[12]，其中黃淮海平原區(qū)有約203.1×104hm2的沙地[13]。砂土一般土質疏松，透水透氣能力強，有機質分解快、積累少，養(yǎng)分易淋失，致使土壤養(yǎng)分較為貧乏，通常需要施用較多肥料維持作物產量，而化肥的大量施用又容易造成砂土退化，如酸化發(fā)生、有機質降低等問題，因此利用污泥改良土壤具有較高的可行性和潛力[14]。適量的堆肥污泥施用可以改善土壤物理性狀，增加土壤對養(yǎng)分的保持能力，促進微生物活性并提高作物生產力，并能在一定程度上減少化肥的施用[15-18]，尤其在砂質土壤的施用改良效果已得到證實[19-20]。然而，污泥過量施用也會導致土壤氮、磷過量積累，增加其淋溶風險和對環(huán)境的危害[21-22]。因此，除關注污泥施用對土壤養(yǎng)分狀況和肥力特征影響外，明確污泥施用對土壤有機碳、全氮和全磷積累的風險影響也至關重要。本研究選用黃淮河流域典型的酸性砂土為研究對象，采用盆栽試驗進行小麥-玉米連作，探究污泥施用對土壤肥力變化規(guī)律的影響，評價污泥施用的養(yǎng)分淋失風險，以期為堆肥污泥在酸性砂土上的合理施用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試污泥取自洛陽市污泥處理廠，該污泥經過好氧高溫堆肥制備而成，所選污泥鎘、汞、鉛、鉻、砷含量分別為2.17、0.058、80.80、232.87、27.95 mg·kg-1，符合《GB 4284-2018農用污泥中污染物控制標準》[23]規(guī)定的A級污泥中重金屬含量標準(鎘、汞、鉛、鉻、砷含量分別小于3、3、300、500、30 mg·kg-1)。供試酸性砂土取自河南駐馬店淮河流域，由83.43%砂粒、14.81%粗粉粒和1.76%粘粒組成。供試材料的基本理化性質如表1所示。供試作物種子均購自洛陽市關林農貿市場，其中冬小麥品種為豫農035，夏玉米品種為鄭單958。

表1 土壤和堆肥污泥基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soil and decomposed sludge

1.2 試驗設計

試驗在河南科技大學試驗農場展開(112°28′E，34°42′N)，采用盆栽種植，根據(jù)《GB 4284-2018農用污泥中污染物控制標準》[23]中規(guī)定污泥年施用量不應超過7.5 t·hm-2，設置5個污泥添加量分別為：0(CK)、1.67(W1)、3.33(W2)、16.67(W3)、33.33 g·kg-1(W4)，折算成大田的堆肥污泥施用量分別為0、3.75、7.50、37.50、75.00 t·hm-2(按照大田表層土重量為2.25×106kg·hm-2計算)，每個處理重復3次。添加污泥的5個處理，土壤中重金屬含量均低于《GB 15618-2018土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》[24]所規(guī)定的篩選值。污泥用量(累積用量)和養(yǎng)分風險污泥用量也以折算后的大田用量表示。

試驗于2015年10月開始，連續(xù)2年播種冬小麥-夏玉米，并僅在冬小麥種植前將污泥施入盆栽。2015年10月準備10 kg風干后過10目篩(除去雜草、砂礫等)的砂質土壤置于盆缽中，并根據(jù)試驗設計把污泥與砂質土壤混勻后種植冬小麥。2016年6月小麥收獲后，將盆栽中土壤全部取出混勻，并采集100 g土壤樣品進行風干保存?zhèn)溆茫Ｓ嗤寥姥b盆種植夏玉米。2016年10月夏玉米收獲后，再次將盆栽中土壤全部取出混勻并采集100 g土壤樣品進行風干保存，剩余土壤與施入污泥混勻裝盆用于種植冬小麥，在2017年6月收獲小麥后以2016年6月小麥收獲后的相同步驟種植夏玉米，并采集土壤樣品。冬小麥和夏玉米在發(fā)芽一周后，小麥留10株，玉米留1株。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤基本理化性質測定 每季作物成熟后，采集土壤樣品風干，分兩批，分別過20目和100目土篩后進行基本理化性質測定[25]：pH值采用水土比5∶1的電位法測定；土壤有機質含量采用外加溫的重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定；土壤全磷含量采用HClO4-H2SO4消解，分光光度計比色法測定；土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；土壤有效鉀含量采用CH3COONH4浸提，火焰光度計法測定。

1.3.2 土壤肥力評價 采用內梅羅指數(shù)法計算土壤綜合肥力指數(shù)(integrated fertility index，IFI)[26]。將土壤pH值及有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量指標分別帶入式(1)，計算其分肥力系數(shù)IFIi，再根據(jù)公式計算IFI：

(1)

(2)

式中，x表示土壤各指標測定值，xa與xp分別為分級標準的下、上限，xc介于分級標準上、下限間；xa、xc、xp的分級標準參考第二次全國普查標準(表2)。IFIi平均、IFIi最小分別是土壤各指標的分肥力均值與最小值；n表示土壤指標個數(shù)。根據(jù)IFI值將土壤肥力分為4類(表3)[27]。

表2 土壤性質的分級標準Table 2 Grading criteria for soil properties

表3 土壤肥力的分級標準Table 3 Classification standard of soil fertility

1.4 養(yǎng)分淋失風險評價

1.4.1 有機指數(shù)法 外源有機物料添加導致的土壤有機碳淋失潛在風險，可以使用有機指數(shù)(organic index，OI)評價方法[28-29]進行表征：

OI=OC×TN×0.95

(3)

式中，OC為試驗測得的土壤有機碳含量，%；TN為土壤全氮含量實測值，%。有機指數(shù)評價標準[29]見表4。

表4 有機指數(shù)評價標準Table 4 Evaluation standards of organic index

1.4.2 單因子指數(shù)法 單因子標準指數(shù)法可以對土壤中營養(yǎng)積累的潛在風險進行評價。本研究中全氮(total nitrogen，TN)和全磷(total phosphorus，TP)的評價標準值分別為4.85和2.00 mg·g-1[30]。根據(jù)公式計算單因子指數(shù)(single factor index，Si)：

Si=Ci/Cs

(4)

式中，Si為標準指數(shù)(單因子指數(shù))；Ci為評價因子i的實際測得值，Cs為評價因子的標準評價值，其評價標準[31]見表5。

表5 單因子指數(shù)評價標準Table 5 Evaluation standards of single factor index

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 23.0和Excel 2010進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和作圖，采用Duncan法進行多重比較(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值、有機質含量的變化

由表6可知，隨著酸性砂土中污泥添加量的增加，土壤pH值呈增加趨勢。2016和2017年小麥和玉米季W1、W2、W3和W4的pH值與CK相比均有增加，兩年小麥季的pH值增加范圍分別為0.06～0.70和0.14～1.11個單位，并從W2開始，后續(xù)處理均較CK顯著增加，兩年玉米季的pH值增加范圍分別為0.19～0.85和0.35～1.31個單位，差異均達顯著水平?？梢姡瑹o論小麥季還是玉米季，污泥施用都會導致酸性砂土pH值升高，相同處理條件下，2017年土壤pH值高于2016年。酸性砂土的有機質含量隨污泥添加量的增加而增加。與CK相比，2016年小麥和玉米季污泥添加處理的有機質含量增加了13.59%～68.20%和3.17%～48.28%，并分別從W4和W2開始，后續(xù)處理均為顯著增加；2017年兩季土壤有機質含量增幅分別為12.16%～82.82%和11.45%～69.68%，小麥和玉米季分別從W2和W4開始，后續(xù)處理顯著增加。相同處理在污泥用量相同條件下，2017年土壤的有機質含量高于2016年，可見隨著污泥施用年限的增加，土壤有機質不斷積累。另外，在同一污泥使用量條件下，小麥季土壤有機質含量高于玉米季。

表6 不同處理土壤有機質含量及pH值Table 6 Soil organic matter content and pH value of different treatments

2.2 土壤全氮、堿解氮含量的變化

由表7可知，酸性砂土的全氮和堿解氮含量均隨著污泥添加量的增加而增加。與CK相比，2016年小麥和玉米季添加污泥處理(W1～W4)的全氮含量增幅分別為10.87%～41.30%和8.89%～33.33%，且兩季均從W1開始，后續(xù)處理的土壤全氮含量顯著增加；2017年小麥和玉米季添加污泥處理(W1～W4)的全氮含量增幅分別為19.57%～78.26%和20.45%～72.72%，但僅2017年小麥季的W4顯著增加。與CK相比，2016年小麥和玉米季添加污泥處理(W1～W4)的土壤堿解氮含量增幅分別為8.71%～160.16%和28.41%～273.64%，且分別從W3和W2開始，土壤堿解氮含量顯著增加；2017年小麥與玉米季的土壤堿解氮含量增幅分別為15.64%～203.07%和90.61%～446.44%，且分別從W2和W1開始較CK顯著增加。另外，在同一輪作季污泥添加量相同時，小麥季的全氮和堿解氮含量均高于玉米季，且2017年整體高于2016年。

表7 不同處理土壤全氮和堿解氮含量Table 7 Soil total nitrogen and alkali-hydrolyzed nitrogen content of different treatments

2.3 土壤全磷、速效磷含量的變化

由表8可知，土壤全磷和速效磷含量均隨污泥添加量的增加而上升，且污泥添加處理組均高于CK。與CK相比，2016年小麥季W2、W3、W4全磷含量分別顯著增加10.47%、11.63%、23.26%，玉米季W4全磷含量顯著增加12.05%；2017年小麥和玉米兩季添加污泥處理(W1～W4)全磷含量的增幅分別為3.53%～40.00%和2.38%～27.38%，但僅小麥季W4的土壤全磷含量顯著增加。另外，土壤全磷含量表現(xiàn)出在同年份污泥添加量相同時，玉米季全磷含量低于小麥季；并且各污泥添加處理除小麥季W1外，2017年的土壤全磷含量高于2016年。與CK相比，2016年小麥和玉米季添加污泥處理(W1～W4)的土壤速效磷含量增幅分別為4.25%～48.85%和3.15%～38.56%，并均從W2開始，后續(xù)處理顯著增加；2017年小麥季W3、W4的速效磷含量分別顯著增加41.53%和71.51%，玉米季W2、W3和W4的速效磷含量分別顯著增加18.24%、27.14%、62.49%，其余處理與CK相比無顯著差異。同季節(jié)當污泥添加量相同時，2017年土壤速效磷含量高于2016年，可見隨著污泥的連續(xù)施用，土壤中的速效磷有明顯的累積效應。

表8 不同處理土壤全磷和速效磷含量Table 8 Soil total phosphorus and available phosphorus content of different treatments

2.4 污泥添加對酸性砂土有效鉀含量和電導率的影響

由表9可知，污泥添加到酸性砂土中會增加土壤有效鉀含量。與CK相比，兩年小麥季添加污泥處理(W1～W4)土壤有效鉀含量的增幅分別為3.52%～71.97%和3.79%～93.15%，并均從W3開始，后續(xù)處理的土壤有效鉀含量顯著增加；兩年玉米季增幅分別為6.57%～75.97%和9.21%～115.58%，均從W2開始，后續(xù)處理顯著增加。同季節(jié)的污泥添加量相同時，2017年土壤有效鉀含量高于2016年。可見，土壤有效鉀也存在隨污泥連續(xù)施用的積累效應。同樣，在砂土中添加污泥也會使土壤電導率表現(xiàn)出增加的趨勢。與CK相比，2016年小麥季各污泥處理(W1～W4)的電導率均顯著增加，增幅為5.41%～24.32%；玉米季W2、W3和W4的電導率較CK分別顯著增加32.43%、43.24%、64.86%。2017年小麥和玉米季均從W2開始，土壤電導率顯著增加，并且W2、W3、W4 3處理間存在顯著性差異。

表9 不同處理土壤有效鉀含量和電導率Table 9 Soil available potassium content and electrical conductivity of different treatments

2.5 施用污泥對土壤綜合肥力指數(shù)影響

由表10可知，酸性砂土的土壤綜合肥力指數(shù)(IFI)隨污泥添加量的增加呈上升趨勢。與CK相比，2016年小麥和玉米季各污泥添加處理(W1～W4)的IFI分別顯著增加4.21%～20.00%和6.58%～44.74%，且玉米季各處理之間的肥力指數(shù)也均存在顯著性差異；2017年小麥季W2、W3和W4的IFI分別顯著增加12.37%、20.62%和26.80%，2017年玉米季W1、W2、W3、W4的IFI均顯著增加，其增加范圍為8.97%～55.13%，且各處理間差異顯著。污泥添加處理和季節(jié)雙因素方差分析表明，污泥添加處理和收獲季節(jié)2個因素均對IFI具有極顯著影響，雙因素間的交互作用對IFI也產生極顯著作用。污泥添加雖然可使IFI上升，但在本研究污泥施用范圍內(3.75～75.00 t·hm-2)其肥力指數(shù)的變化范圍為0.81～1.23，其中土壤肥力狀況為貧瘠的占25%，肥力狀況為一般的占75%。

表10 污泥對土壤綜合肥力指數(shù)影響Table 10 Effect of sludge on soil IFI

2.6 污泥添加對酸性砂土養(yǎng)分累積風險

污泥添加可明顯改良砂土的養(yǎng)分狀況，但污泥連續(xù)過量施用會增加土壤有機碳、氮、磷隨徑流的淋失風險，并會對環(huán)境造成生態(tài)污染[28]。利用OI開展土壤有機碳的淋失風險表明，污泥添加兩年后小麥和玉米季的OI均屬于Ⅰ級(圖1)，此時土壤有機碳為清潔類型，說明連續(xù)兩年污泥添加，土壤有機碳的積累并未對環(huán)境造成生態(tài)風險，其隨徑流的淋失風險低。

圖1 土壤有機碳的有機指數(shù)Fig.1 Organic index of soil organic carbon

由圖2和圖3可知，連續(xù)施用兩年污泥后小麥和玉米季全氮的單因子指數(shù)均小于0.5，其污染指數(shù)級別屬于Ⅰ級清潔類型，對于該砂土而言，氮素隨徑流的淋失風險低。對于土壤磷素而言，2016年小麥季污泥添加量為75.00 t·hm-2時，土壤中全磷的單因子指數(shù)超過0.5，此時土壤全磷屬于Ⅱ級較清潔類型，說明此時土壤磷素的淋失風險較CK升高。2017年小麥和玉米季的污泥添加量達到37.50 t·hm-2時，土壤的全磷的單因子指數(shù)均已超過0.5，屬于Ⅱ級較清潔類型，增加了全磷徑流淋失對環(huán)境產生的生態(tài)風險?？梢娫谶B續(xù)施用污泥時，砂土中磷素淋失風險比氮素更高。

圖2 土壤全氮的單因子指數(shù)Fig.2 Single factor index of soil total nitrogen

圖3 土壤全磷的單因子指數(shù)Fig.3 Single factor index of soil total phosphorus

3 討論

3.1 污泥施用對土壤主要理化參數(shù)的影響

污泥施用會對土壤的酸堿性產生影響。酸性砂土連續(xù)兩年施用污泥，其pH值隨污泥施用量增加而上升，原因在于施用的堆肥污泥為堿性，與酸性砂土發(fā)生酸堿中和反應，導致砂土的pH值升高。但有研究表明堿性砂土施用污泥后，土壤pH值卻呈顯著下降趨勢，且隨污泥施用量增加其土壤pH值降幅增加[19]，主要是由于土壤在分解污泥中有機質的過程中會分泌出大量的有機酸，導致堿性土壤pH值降低；另外，大量污泥施用也會使土壤的硝化作用增強，導致土壤pH值降低[32]?？梢娢勰嗵砑拥剿釅A性不同的土壤中會導致不同的pH值變化趨勢。因此在實際應用過程中，可以考慮利用污泥添加來改善土壤的酸堿性質。

污泥中所含氮、磷等養(yǎng)分不但高于一般農家肥[10]，而且養(yǎng)分當季有效率在無機化肥和有機肥之間[33]，因此污泥施用尤其在砂土中使用可以改善土壤養(yǎng)分狀況[26,34]。本研究通過連續(xù)兩年在酸性砂土中添加堆肥污泥可有效提高砂土氮、磷、鉀以及有機質含量，同時改善土壤肥力狀況，但由于每年僅在小麥季進行污泥和肥料添加，導致同年玉米季的土壤養(yǎng)分含量低于小麥季。上海市建議進行種植的土壤電導率范圍為0.35～1.20 ms·cm-1[35]。本研究連續(xù)兩年使用堆肥污泥，酸性砂土電導率在2017年小麥季施用污泥量為75.00 t·hm-2時達到最大值，為0.84 ms·cm-1，未超出上述標準限值范圍。

3.2 污泥施用的養(yǎng)分積累風險

污泥施用雖然可以增加土壤養(yǎng)分含量并提高肥力狀況，但過量施用污泥會使土壤中過多積累的有機碳、氮和磷等養(yǎng)分由于雨水淋洗與沖刷而進入地表水和地下水，造成水體的面源污染和富營養(yǎng)化[21]。因此本研究采用有機指數(shù)法從土壤的有機碳含量角度來判斷土壤有機碳的積累對環(huán)境造成的生態(tài)風險，并采用單因子標準指數(shù)法分別從TN和TP含量的角度來對土壤的氮、磷淋失風險進行評估。

土壤有機碳是土壤的重要組成部分，其可以作為植物重要的養(yǎng)分來源，對維持土壤氮素等養(yǎng)分的供應和平衡起著重要作用[36]。農田中有機物料的添加可以增加土壤有機碳含量，但我國農田有機物料的碳利用效率平均只有16.3%[37]，因此當過量的有機物料添加到土壤中，不但不會增加土壤有機碳含量，反而會導致有機物料碳的淋失風險或土壤碳氮比失調。本研究污泥添加后作物各生長季OI均屬于Ⅰ級，土壤有機碳為清潔類型，說明此范圍的污泥添加量對土壤有機碳的積累影響處于低環(huán)境生態(tài)風險水平。

污泥添加增加砂土有機碳的同時，也增加了土壤中氮、磷養(yǎng)分含量，因此關注砂土中過量積累氮、磷的潛在風險尤其重要。沙化土壤淋溶模擬試驗發(fā)現(xiàn)，土壤淋出液中氮、磷養(yǎng)分含量與污泥的施用量存在顯著的相關性，而且氮素的淋溶風險高于磷素，在污泥添加量為60、90 t·hm-2時，淋出液中全氮以及全磷含量均顯著增加(P<0.01)[13]。本研究中兩年的污泥連續(xù)施用增加了土壤中氮、磷的Si，但砂土中全氮的單因子指數(shù)未超過0.5，屬于Ⅰ級清潔類型，因此污泥施用后砂土氮的淋溶風險??；對于磷素而言，2016年小麥季污泥添加量為75.00 t·hm-2，以及2017年小麥和玉米季的污泥添加量達到37.50 t·hm-2時，土壤全磷的單因子指數(shù)的范圍在0.5～1.0之間，屬于Ⅱ級較清潔類型，上述單因子指數(shù)法研究結果表明砂土添加污泥后磷素的淋溶風險較氮素更值得關注。目前，通過分析土壤中速效磷與土壤CaCl2浸提磷之間的關系而得出的土壤磷素淋失臨界值被廣泛使用[38-39]，其土壤的磷素淋失臨界值為29.96～156.78 mg·kg-1，但不同土壤類型、磷酸鹽數(shù)量和形態(tài)等存在差異，使得土壤的磷臨界值有差異[40]。本研究中，無論在小麥季還是玉米季，當污泥添加量大于等于7.50 t·hm-2時，土壤中速效磷含量多數(shù)超過了30 mg·kg-1，因此污泥施用造成砂土中磷的淋失風險值預測仍需進一步研究。另外，上述評價方法未考慮污泥中重金屬造成的生態(tài)風險，而本研究表明短期的污泥施用不會對砂土和作物籽粒重金屬造成超標風險(數(shù)據(jù)未列出)。因此污泥可以作為短期改良砂土的有效方法，而污泥的長期農用風險需要進一步檢測。

4 結論

堆肥污泥短期施用可以改善小麥-玉米連作體系上酸性砂土的養(yǎng)分和肥力狀況，并且可以改善酸性砂土的酸化現(xiàn)象，尤其大量施用時提升效果顯著，同時堆肥污泥施用對砂土有機碳和氮素的淋失風險較小，但當堆肥污泥添加量分別為75.00 t·hm-2和37.50 t·hm-2時，砂土的磷淋失風險升高。但堆肥污泥對酸性砂土長期施用的環(huán)境效應，如堆肥污泥中重金屬在土壤-作物系統(tǒng)的積累風險、生物多樣性影響風險以及污泥長期過量施用的養(yǎng)分淋失風險等仍需密切關注和進一步研究。