堆肥污泥施入黃土后有機質和氮磷的淋濾特征

雷勛杰　曾正中　茍劍鋒等

摘要： 以堆肥污泥中的有機質、氮、磷為研究對象，通過土柱模擬淋濾試驗，研究1年灌溉水量淋濾條件下，堆肥污泥施入黃土后有機質、氮、磷在黃土中的遷移特征，以及淋濾前后土柱剖面的養(yǎng)分變化規(guī)律。結果表明：施加堆肥污泥后可以明顯改善黃土肥力，經(jīng)淋濾后，堆肥污泥除部分氮素在黃土中較易遷移外，其余營養(yǎng)物質仍大部分或絕大部分滯留于耕作層中。堆肥污泥中氮、磷的遷移能力表現(xiàn)為：有效氮>全氮，全磷>有效磷，磷素在黃土中的遷移特征受氮素在黃土中遷移的影響較大，堆肥污泥中重金屬種類多含量高是影響氮、磷在土柱易淋濾遷移的因素之一。

關鍵詞： 堆肥污泥；有機質；氮磷；黃土；淋濾遷移

中圖分類號： X703 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0344-04

截至2010年年底，我國城鎮(zhèn)污水處理量約3 43×10 10 m3，每年產生的脫水污泥近2 2×107 t，其中80%污泥未得到處理。污泥已成為威脅我國城鎮(zhèn)環(huán)境的又一污染源。污泥既是污染物，又是“生物固體”資源。當前，土地利用被認為是最有發(fā)展?jié)摿Φ奈勰嗵幹梅绞街?[1]。污泥土地利用過程中人們往往只關注重金屬的遷移與積累問題，而忽略了對污泥進行研究 [2-4]。污泥中含有豐富的有機質和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素以及植物生長必需的各種微量元素 [5-6]。隨著人們環(huán)保意識的提高，我國城市污泥中重金屬含量呈現(xiàn)逐漸降低趨勢 [7-8]。歐美國家超過40%的污泥被施用于農田，我國也制定了相應的政策，規(guī)定在污泥泥質符合公眾健康、環(huán)境保護要求的前提下，鼓勵對污泥進行土地利用 [8-9]。我國黃土連續(xù)分布面積達4 4×105 km2，主要分布在我國西北部地區(qū)黃河中上游一帶，是世界上黃土沉積最廣闊的地區(qū) [10]，黃土有機質含量低于1 0%，有效養(yǎng)分極低，難以滿足作物生長需要。若將黃土地區(qū)城鎮(zhèn)污泥施用于黃土中，一方面污泥可以改良土壤結構，彌補黃土水穩(wěn)性團粒少、保水保肥性差等缺陷，增加土壤肥力；另一方面可以有效解決黃土地區(qū)城鎮(zhèn)污泥的處置難題。目前，關于污泥農用過程中營養(yǎng)成分遷移問題的研究相對較少。本研究通過土柱模擬淋濾試驗，探討堆肥污泥施入黃土后有機質、氮、磷在黃土中的遷移特征以及淋濾前后土柱剖面的養(yǎng)分變化規(guī)律，以期為堆肥污泥在黃土地區(qū)合理應用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1 1 材料

試驗所用堆肥污泥是將取自甘肅省蘭州市七里河污水處理廠的脫水污泥與農田麥秸（以干質量之比7 ∶ 1）混合，人工翻堆靜態(tài)好氧堆肥化2個月后的穩(wěn)定化污泥。堆肥污泥中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni等重金屬含量分別為72 978 5、297 861 1、2 059 0、44 943 9、250 057 0、39 704 9 mg/kg，均未超出 CJT 309—2009 《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農用泥質》 A級污泥濃度限值，符合污泥農用泥質要求。黃土取自蘭州大學榆中校區(qū)萃英山腳處，為去除表層30 cm的馬蘭黃土（Q3 2eol），質地以粉粒（0 005～0 075 mm）為主，約占80%。根據(jù)污泥改性黃土的盆栽試驗結果可知，最適植物生長的污泥與黃土干質量之比為0 045～0 091，堆肥污泥摻入比例取0 07。摻入堆肥污泥的黃土稱為混合土。試驗淋濾液為自來水，pH值為6 92。馬蘭黃土的組成特征見表1。

1 2 方法

試驗裝置由自制模擬土柱、支撐角鋼臺架、馬氏供液瓶、盛液量筒等組成（圖1）。模擬土柱為長100 cm、內徑18 6 cm的透明有機玻璃圓柱管。土柱裝樣前先用自來水清洗內壁，再用蒸餾水洗3次并風干。然后在柱內底面放1層尼龍粗濾網(wǎng)，其上鋪2 cm厚的清洗干凈的石英砂，再上覆1層尼龍細濾網(wǎng)，細濾網(wǎng)上填充60 cm厚的黃土。分層分次稱量填充，每次填充黃土厚2 cm，按黃土的自然干密度1 36 g/cm3控制填充密度；采用直徑5 cm的木棍端面人工自然壓實，同時配合直徑2 cm的小木棍對土柱內壁環(huán)繞壓實，防止產生內壁效應。裝入20 cm厚的摻入堆肥污泥的黃土即混合土，此層攤平自然沉實，以模擬耕作層；混合土上覆1層尼龍粗濾網(wǎng)后再鋪3 cm厚的清洗干凈的石英砂（進液緩沖）。模擬試驗采取馬氏瓶供液裝置從土柱上端進液，保持柱頂面液層厚5 cm，使淋濾液在重力作用下近似活塞式滲透流出，在底部采用 1 000 mL 量筒承接產生的滲出液。

為使模擬試驗盡量接近實際且具代表性，同時又能兼顧重金屬淋濾遷移研究，設計A、B、C 3種土柱同時進行模擬試驗，A柱代表堆肥污泥，B柱堆肥污泥Cd濃度為 5 468 4 mg/kg，C柱堆肥污泥Cd、Cu、Zn濃度分別為 5 377 3、507 946 0、1 452 848 6 mg/kg。3種試驗污泥按黃土干質量7%摻入混合后分別作為A、B、C柱的表層耕作層。

為了模擬堆肥污泥在黃土地區(qū)土地利用后灌溉條件下的耕作層養(yǎng)分在黃土中的淋濾遷移行為，灌溉水采用自來水進行淋濾試驗。農田灌溉用水量取5 250 m3/（hm2·年） [11-12]， 1年模擬土柱的灌溉淋濾水量為14 L，一次性連續(xù)供液完成灌溉入滲，試驗自2013年5月30日開始，6月10日結束，歷時12 d。

1 3 土柱取樣及分析方法

淋濾試驗期間每天10：00觀察并記錄，當土柱底部連續(xù)3 d淋濾液滲出量為0時，視為淋濾試驗結束。淋濾試驗結束后[CM（25]，土柱頂部混合土層下降約1 cm，其下黃土層均未發(fā)生明顯變化。土柱取樣方法：先將土柱頂層石英砂取出，去除 1 cm 厚的混合土層，用深5 cm的環(huán)刀以10 cm厚為單位依次往下分層取樣，每層所取土樣分別放置在陶瓷盤中自然風干，碎塊研磨后用自封樣袋密封備用。采用海能K9840自動凱氏定氮儀測定土樣全氮含量，分別采用堿解擴散法、堿熔-鉬銻抗分光光度法、鉬銻抗比色法、重鉻酸鉀-硫酸油浴法測定土樣有效氮、全磷、有效磷、有機質含量。endprint

2 結果與分析

有機質、氮、磷是土壤肥力的重要指標。全氮含量是土壤中各種形態(tài)氮素含量之和，包括有機態(tài)氮、無機態(tài)氮，但不包括土壤空氣中的分子態(tài)氮及氣態(tài)氮化物。有效氮包括礦質態(tài)氮和結構簡單比較易于分解且能為作物直接吸收利用的有機態(tài)氮。土壤中各種形態(tài)磷含量之和為全磷含量。有效磷是土壤中可被植物吸收的磷組分，包括全部水溶性磷、部分吸附態(tài)磷及有機態(tài)磷，有的土壤還包括某些沉淀態(tài)磷。由于堆肥污泥中有機質、氮、磷等養(yǎng)分明顯高于黃土背景值，故在淋濾條件下，堆肥污泥施入黃土后必然會引起耕作層養(yǎng)分在垂直方向的遷移變化。

2 1 有機質的淋濾遷移特征

有機質是土壤養(yǎng)分的主要來源，堆肥污泥施入黃土的主要目的之一是增加黃土的有機質含量，改善其貧瘠性狀。堆肥污泥有機質含量為337 32 g/kg，符合 CJ/T 309—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農用泥質》規(guī)定的污泥農用有機質含量應大于200 g/kg的要求，混合土、黃土有機質含量分別為27 87、6 81 g/kg，即黃土摻入堆肥污泥后其有機質含量增加了309 25%。淋濾前后A、B、C柱有機質含量垂向分布及變化見圖2。經(jīng)1年灌溉用水量淋濾后，A、B、C柱0～20 cm耕作層有機質均發(fā)生了一些淋濾損失，但堆肥污泥有機質大部分仍滯留在表層0～20 cm混合土中，且3個土柱的有機質遷移特征幾乎一致，每個耕作層的有機質平均損失量僅為6%左右。20～32 cm土層段有機質含量稍微增加，且上層段較明顯，深度32 cm以下土層中有機質含量接近黃土本底含量。可見，灌溉對耕作層污泥有機質的淋濾損失并不大，只有少量的污泥有機質隨入滲水遷移、流失，且在黃土中的遷移距離短，遷移能力較差。有機質在土壤中的吸持現(xiàn)象主要存在著2種機制：分配作用，即在自來水的淋濾條件下，堆肥污泥有機質通過溶解作用分配到黃土有機質中，經(jīng)過一定時間會達到分配平衡；吸附作用，即黃土礦物質對有機質的表面吸附作用 [13]。分配作用與吸附作用共同影響，導致了有機質在黃土中的遷移能力差。淋濾試驗還表明，污泥重金屬含量對有機質的淋濾遷移影響很小。

2 2 氮的淋濾遷移特征

全氮含量是土壤氮素養(yǎng)分的貯備指標（或容量指標），在一定程度上反映土壤氮的供應能力。有效氮能夠較靈敏地反映土壤氮素動態(tài)及供氮水平，而且土壤有效氮的含量與作物氮素吸收有較好的相關性。因此，有效氮在一定程度上更能反映農田土壤肥力狀況。由圖3可知，堆肥污泥施入黃土后，混合土的全氮量由黃土的3 07 g/kg增至7 53 g/kg，有效氮含量由63 00 mg/kg增至154 70 mg/kg，說明堆肥污泥可以顯著提高土壤含氮量。作物所吸收的氮素50%～70%來自土壤，因此在貧瘠的黃土中施入堆肥污泥對植物的生長具有重要意義 [14]。

圖3表明，經(jīng)1年灌溉用水量淋濾后，耕作層中的氮元素在土柱垂直剖面顯示明顯向下遷移現(xiàn)象。3根土柱耕作層氮素的淋濾遷移特征表現(xiàn)出一定差異，即淋濾后A柱耕作層中氮素的遷移特征與B、C柱相反，A柱耕作層上層中氮素較下層更易遷移，B、C柱耕作層下層中的氮素更易遷移。淋濾后A、B、C柱耕作層的有效氮平均損失量分別為28 05%、31 11%、33 59%，耕作層的全氮平均損失量分別為3549%、35 92%、44 89%。耕作層有效氮與全氮平均損失量大小順序都為A柱

2 3 磷的淋濾遷移特征

磷是植物生長的重要營養(yǎng)元素之一，可以同時提高植物的抗寒性、抗旱性 [18]。堆肥污泥富含磷，黃土摻入堆肥污泥后，全磷含量、有效磷含量分別增加了215 9%、3 131 42%，且中國黃土地區(qū)氣候寒冷干燥，因此堆肥污泥施入黃土中有利于植物生長。

由圖4可知，經(jīng)1年灌溉水量淋濾后，3根土柱中的全磷與有效磷的遷移分布特征存在明顯差異，尤其是在耕作層以下的黃土層中差異明顯。A、B、C柱耕作層中的有效磷平均損失量分別為11 72%、5 20%、9 43%，耕作層中的全磷平均損失量分別為13 72%、16 63%、17 55%，耕作層有效磷平均損失量由大到小順序為B柱

由上式可知，濃度增加有利于反應生成沉淀。淋濾過程中氮素在黃土中的遷移能力較強，遷移致使土柱20～62 cm層段有效氮含量增加（圖3）。堆肥污泥中的磷素在黃土中的遷移能力變弱，即有效磷、全磷仍大部分滯留于耕作層，只有少部分發(fā)生遷移并滯留于土柱中上部?？梢?，1年灌溉水量淋濾條件下，堆肥污泥中全磷的遷移能力要強于有效磷，耕作層中的有效磷不易遷移，有利于植物直接吸收利用磷素，而且，磷素在黃土中的遷移轉化與氮素在黃土中的遷移有很大聯(lián)系；再者，磷素在土柱剖面的淋濾遷移特征與堆肥污泥中重金屬種類含量關系密切，污泥重金屬種類多、含量高有利于耕作層全磷遷移，不利于有效磷遷移。

3 結論

堆肥污泥中富含植物所需的有機質、氮、磷等營養(yǎng)物質，將堆肥污泥施入黃土后可以明顯改善黃土肥力。土柱經(jīng)1年灌溉水量淋濾后，堆肥污泥有機質仍絕大部分持留于耕作層（0～20 cm），只有少量的堆肥污泥有機質隨入滲水遷移、流失，且在黃土中遷移能力差。淋濾條件下，堆肥污泥氮素在黃土中易于縱向遷移，且遷移距離約42 cm，而且堆肥污泥中有效氮的遷移能力要強于全氮；堆肥污泥中全磷的遷移能力強于有效磷，有效磷絕大部分仍保留于耕作層中，而且磷素在黃土中的遷移轉化易受氮素在黃土中遷移的影響；堆肥污泥中氮素、全磷在土柱中的淋濾遷移特征與堆肥污泥中重金屬種類、含量關系密切。總體而言，經(jīng)1年灌溉水量淋濾，堆肥污泥除部分氮素在黃土中較易遷移外，其余營養(yǎng)物質仍大部分或絕大部分滯留于耕作層中，若僅考慮營養(yǎng)物質的遷移問題，則堆肥污泥在黃土地區(qū)土地利用是可行的。

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