生活污泥對(duì)新圍墾灘涂土壤肥力驅(qū)動(dòng)及田菁生長(zhǎng)的影響

吳 昊， 管永祥， 左文剛， 黃顧林， 柏彥超

(1.江蘇省互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展中心，江蘇南京 210036； 2.江蘇省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)站，江蘇南京 210036； 3.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 / 江蘇省有機(jī)固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚(yáng)州 225127； 4.江蘇省鎮(zhèn)江市耕地質(zhì)量保護(hù)站，江蘇鎮(zhèn)江 212009)

隨著人口不斷增長(zhǎng)，工礦、交通、城市建設(shè)用地不斷增加，我國(guó)人均耕地在快速減少，嚴(yán)重威脅了國(guó)家的糧食安全[1]。中國(guó)東部沿海灘涂土地資源總面積約為217.04萬(wàn)hm2，主要分布在北起遼寧、南至廣東、廣西和海南的海濱地帶，其改良后可作為重要的后備耕地資源[2]。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110萬(wàn)～120萬(wàn)hm2土地[3]。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100萬(wàn)～150萬(wàn)hm2土地。然而，新圍墾灘涂土壤鹽分含量高[4]，土壤水分和鹽分的運(yùn)動(dòng)非?；钴S[5]，不適合開(kāi)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。此外，新圍墾灘涂土壤層次發(fā)育不全，耕作層次尚未形成，有機(jī)質(zhì)含量極低，養(yǎng)分種類少、供應(yīng)能力差[6-7]。灘涂土壤快速改良的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是大量增加其有機(jī)質(zhì)含量。土壤有機(jī)質(zhì)可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，改變鹽分運(yùn)動(dòng)狀況，抑制返鹽，促進(jìn)脫鹽，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[8]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力物質(zhì)，與土壤養(yǎng)分含量的增加有密切的聯(lián)系，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[9]。

隨著我國(guó)生活污水處理率的不斷提高，生活污泥產(chǎn)生量也急劇增加，亟待無(wú)害化處置和資源化利用[10-11]。大量研究表明，施用適量生活污泥可明顯增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，有效改善土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)、水力學(xué)性質(zhì)等，由此帶來(lái)的土壤理化性狀的改善將對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起積極作用[12-16]。然而，前人對(duì)污泥農(nóng)用的研究主要集中于一般農(nóng)田，對(duì)利用生活污泥改良灘涂土壤的應(yīng)用效果及作用機(jī)理研究較少。本研究擬在重金屬總量控制的前提下，采用符合農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)的生活污泥一次性施用作為“原始肥力驅(qū)動(dòng)劑”，使原本幾乎沒(méi)有肥力的灘涂土壤迅速獲得支撐綠肥植物生長(zhǎng)的能力，使綠肥生物量得以大量積累，經(jīng)原地還田腐解后形成土壤有機(jī)質(zhì)，如此循環(huán)往復(fù)，可迅速提升灘涂土壤有機(jī)質(zhì)的自積累，從而實(shí)現(xiàn)低投入下灘涂土壤肥力的快速形成。研究結(jié)果將為沿海灘涂土壤的快速熟化提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)，為城市生活污泥安全合理農(nóng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2011—2013年在江蘇省如東縣新圍墾第4年的灘涂墾區(qū)試驗(yàn)田(32°20′03″ N，121°23′23″ E)進(jìn)行。供試生活污泥于2011年8月取自如東生活污水處理廠。灘涂土壤、生活污泥的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1，其中生活污泥符合建設(shè)部頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 土地改良用泥質(zhì)》(GB/T 24600—2009)國(guó)家標(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)設(shè)計(jì)，各小區(qū)面積均為4.0 m×4.0 m。試驗(yàn)按生活污泥施用量設(shè)5個(gè)處理，分別為0、30、75、150、300 t/hm2，各處理重復(fù)3次。2011年10月20日將生活污泥施入各小區(qū)，并利用旋耕機(jī)將污泥與0～20 cm耕層土壤拌勻，2011年10月至2012年5月，每小區(qū)種植并還田第1季綠肥黑麥草。于2012年6月12日，每小區(qū)播入120 g田菁種子。于2012年9月22日(成熟期)采集土壤和田菁植株樣品，進(jìn)行測(cè)定和分析。

表1供試灘涂土壤、生活污泥的基本理化性質(zhì)

1.3 測(cè)定方法

土壤水溶性總鹽含量測(cè)定采用殘?jiān)娓?質(zhì)量法，有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法，全N含量測(cè)定采用半微量凱氏法，全P含量測(cè)定采用H2SO4-HClO4消煮法，堿解氮含量測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，速效磷含量測(cè)定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[17]。各小區(qū)采集田菁植株10株，清洗后用吸水紙吸干，稱鮮質(zhì)量。在通風(fēng)干燥箱中105 ℃殺青 15 min，再于80 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量。采用 HCl-HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法和DTPA浸提-原子吸收分光光度法，分別測(cè)定土壤Mn、Zn、Cu、Ni、Cd和Pb的全量和有效態(tài)含量。采用干灰化法-原子吸收分光光度法，測(cè)定黑麥草植株重金屬M(fèi)n、Zn、Cu、Ni、Cd和Pb的含量[17]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010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。

2 結(jié)果與分析

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

隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤pH值呈逐漸下降趨勢(shì)(圖1-A)。未施用生活污泥的對(duì)照土壤pH值為8.52，施用生活污泥各處理(30、75、150、300 t/hm2)土壤pH值分別比對(duì)照降低0.5%、5.4%、9.0%、13.7%。隨著生活污泥施用量的增加，灘涂土壤有機(jī)碳含量呈上升趨勢(shì)(圖1-B)。未施用生活污泥的對(duì)照土壤有機(jī)碳含量為2.52 g/kg。施用生活污泥各處理(30、75、150、30 t/hm2)土壤有機(jī)碳含量分別比對(duì)照增加59.5%、58.6%、119.8%、131.6%，其中污泥施用量達(dá) 30 t/hm2處理的土壤有機(jī)碳含量顯著高于對(duì)照。

2.2 生活污泥對(duì)灘涂土壤EC值及鹽分含量的影響

施用生活污泥對(duì)灘涂土壤EC值、鹽分含量的影響見(jiàn)圖2。隨著生活污泥施用量的增加，灘涂土壤EC值呈明顯下降趨勢(shì)(圖2-A)。未施用生活污泥的對(duì)照土壤EC值為 2.48 mS/cm，施用生活污泥各處理(30、75、150、300 t/hm2)EC值分別比對(duì)照降低27.1%、43.1%、49.6%、60.1%。污泥施用量達(dá) 30 t/hm2處理的土壤EC值即顯著低于對(duì)照處理。應(yīng)用生活污泥改良灘涂土壤過(guò)程中，灘涂土壤鹽分含量的變化與EC值的變化完全一致(圖2-B)。

2.3 生活污泥對(duì)灘涂土壤N、P養(yǎng)分供應(yīng)的影響

隨著生活污泥施用量的增加，灘涂土壤堿解氮、有效磷含量呈逐漸上升趨勢(shì)(圖3)。未施生活污泥的對(duì)照土壤堿解氮、有效磷含量分別為44.8、22.6 mg/kg。施用生活污泥各處理(30、75、150、300 t/hm2)土壤堿解氮分別達(dá)87.9、127.2、168.8、278.4 mg/kg，分別比對(duì)照增加96.2%、183.9%、276.8%、521.4%；各處理土壤有效磷含量分別達(dá)45.7、54.2、66.3、73.4 mg/kg，分別比對(duì)照增加102.6%、140.3%、193.9%、227.1%。污泥施用量達(dá)30 t/hm2處理的灘涂土壤有效磷含量顯著高于對(duì)照；用量達(dá)75 t/hm2處理的灘涂土壤堿解氮含量顯著高于對(duì)照。施用生活污泥對(duì)灘涂土壤堿解氮的增幅高于有效磷的增幅。

3.4 生活污泥對(duì)綠肥植物田菁生長(zhǎng)的影響

3.4.1 生活污泥對(duì)田菁生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響 不同用量生活污泥對(duì)綠肥植物田菁地上部及根干質(zhì)量的影響見(jiàn)圖4-A。田菁植株干質(zhì)量隨生活污泥施用量的增加呈逐漸上升趨勢(shì)。未施生活污泥的對(duì)照處理田菁單株地上部及根系干質(zhì)量分別為7.2、0.6 g，施用生活污泥各處理(30、75、150、300 t/hm2)田菁單株地上部干質(zhì)量分別為32.8、40.3、45.9、109.9 g，分別比對(duì)照增加3.6、4.6、5.4、14.3倍；單株根系干質(zhì)量分別為3.9、5.7、7.0、11.0 g，分別比對(duì)照增加5.5、8.5、10.7、17.3 倍。施用生活污泥對(duì)綠肥植物田菁生物量的影響見(jiàn)圖4-B。隨著生活污泥施用量的增加，田菁植物生物量呈逐漸上升趨勢(shì)，污泥用量75 t/hm2及以上處理的田菁生物量顯著高于對(duì)照處理。未施用生活污泥的對(duì)照田菁生物量為7.74 t/hm2，各污泥施用處理(30、75、150、300 t/hm2)的田菁生物量分別比對(duì)照增加了36.0%、81.6%、143.6%、199.6%。

3.4.2 生活污泥對(duì)田菁植株N、P養(yǎng)分吸收的影響 隨著生活污泥施用量的增加，田菁植株地上部及根系N、P養(yǎng)分含量呈逐漸上升趨勢(shì)(圖5)。未施用生活污泥的對(duì)照處理田菁植株地上部及根系N含量分別為16.1、7.4 g/kg，施用生活污泥各處理(30、75、150、300 t/hm2)田菁植株地上部N含量分別比對(duì)照增加5.3%、16.9%、26.7%、31.4%；根系N含量分別比對(duì)照增加12.8%、19.6%、22.3%、37.1%。未施用生活污泥的對(duì)照處理田菁植株地上部及根系P含量分別為0.63、0.62 g/kg，施用生活污泥各處理(30、75、150、300 t/hm2)田菁植株地上部P含量分別比對(duì)照增加74.7%、83.3%、86.8%、90.3%；根系P含量分別比對(duì)照增加35.3%、49.5%、47.7%、88.3%。

3.5 生活污泥對(duì)綠肥植物田菁吸收金屬的影響

應(yīng)用生活污泥改良灘涂土壤過(guò)程中，田菁植株對(duì)金屬Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn的吸收情況見(jiàn)圖6。隨著污泥施用量的增加，田菁植株地上部Cd、Mn、Zn含量呈上升趨勢(shì)。其中，當(dāng)污泥施用量達(dá)75 t/hm2時(shí)田菁植株地上部Zn含量顯著比對(duì)照增加51.0%，污泥用量達(dá)150 t/hm2時(shí)田菁地上部Cd、Mn含量顯著比對(duì)照分別增加55.7%、107.6%。隨著生活污泥施用量的增加，田菁植株根系Zn含量呈上升趨勢(shì)。

當(dāng)污泥施用量達(dá)30 t/hm2時(shí)田菁根系Cr、Zn含量顯著比對(duì)照增加174.3%、92.6%。試驗(yàn)條件下，田菁植株地上部Cr、Cu、Fe、Ni、Pb及根系Cd、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb含量則無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

3 討論與結(jié)論

應(yīng)用生活污泥可實(shí)現(xiàn)灘涂土壤理化性狀的改善。因有待培肥的灘涂土壤面積較大，若采用商品有機(jī)肥作為有機(jī)肥源成本巨大。廉價(jià)且可獲經(jīng)濟(jì)返補(bǔ)的符合國(guó)家農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)的生活污泥，有機(jī)質(zhì)含量高于豬糞和牛糞[18-19]，同時(shí)還含有N、P等植物所需的其他養(yǎng)分[20-21]，是灘涂土壤改良的廉價(jià)優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥源。本研究證實(shí)，灘涂表層土壤鹽分含量隨污泥施用量的增加呈逐漸下降趨勢(shì)。施用生活污泥除了顯著增加土壤有機(jī)碳含量外，還可明顯降低pH值。前人研究也發(fā)現(xiàn)施用生活污泥可降低土壤pH值[22-24]。其原因可能是由于污泥自身具有較低的pH值，以及改良過(guò)程中污泥及綠肥有機(jī)質(zhì)的降解會(huì)釋放有機(jī)酸，導(dǎo)致土壤pH值下降[22]。灘涂土壤N、P等有效養(yǎng)分含量也隨污泥施用量增加呈上升趨勢(shì)。生活污泥能夠改善土壤肥力曾被廣泛報(bào)道[22-24]。在本研究中，75 t/hm2污泥處理的土壤堿解氮、有效磷含量分別比對(duì)照土壤增加183.9%、140.3%。

應(yīng)用生活污泥增加了田菁植株地上部Cd、Mn、Zn含量及根系Cr、Zn含量。前人將污泥施用于一般農(nóng)田土壤，發(fā)現(xiàn)西蘭花體內(nèi)Ni、Pb的含量，大豆體內(nèi)的Cu、Mo含量均有所增加[25]。此外，生活污泥施用于一般農(nóng)田，也增加了小麥谷粒及辣椒果實(shí)中的Zn、Cu含量[26]。在本研究條件下，當(dāng)污泥用量達(dá)75 t/hm2時(shí)田菁植株地上部Zn含量顯著高于對(duì)照；污泥用量達(dá)150 t/hm2時(shí)，田菁地上部Cd、Mn含量顯著高于對(duì)照；污泥用量達(dá)30 t/hm2時(shí)，田菁根系Cr、Zn含量顯著高于對(duì)照。

在灘涂土壤改良過(guò)程中，生活污泥的確起到了“原始肥力驅(qū)動(dòng)”的作用。最初施用的生活污泥迅速支撐了第1季綠肥黑麥草的生長(zhǎng)，黑麥草生物量累積后經(jīng)原地還田腐解后形成土壤有機(jī)質(zhì)，又使得第2季綠肥田菁生物量得以大量積累，且隨著污泥施用量的增加，田菁生物量呈逐漸上升趨勢(shì)。試驗(yàn)條件下，施用污泥各處理田菁生物量平均增加115.2%。再將田菁原地還田腐解形成土壤有機(jī)質(zhì)，如此循環(huán)往復(fù)，將可迅速提升灘涂土壤有機(jī)質(zhì)的自積累，從而實(shí)現(xiàn)低投入下灘涂土壤肥力的快速形成。

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