污泥改良沙質(zhì)土壤合適配比及對(duì)白菜生長的影響

史弋 王宇翔 夏瑜 何緒文

摘要：沙質(zhì)土壤涵水性能差，營養(yǎng)基質(zhì)缺乏，探索城市污泥改良沙質(zhì)土壤的可行性及合適配比具有重要實(shí)際意義。通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，研究在沙質(zhì)土壤中施入不同比例的城市污泥對(duì)土壤營養(yǎng)狀況及白菜（Brassica chinensis L.）生長的影響，并對(duì)改良后土壤中重金屬含量作出評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)污泥添加量在3%～10%時(shí)，可以明顯促進(jìn)白菜的發(fā)芽與生長，其中添加量為5%時(shí)效果最好，當(dāng)污泥添加量達(dá)到20%時(shí)就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用，白菜的發(fā)芽率和長勢均比對(duì)照組差。城市污泥的添加可促進(jìn)植株生長基質(zhì)中氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的提高，大幅度改善土壤營養(yǎng)狀況，但對(duì)鉀含量的提升效果不明顯。污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%以下時(shí)，復(fù)合基質(zhì)中重金屬含量均未超過GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)pH值大于7.5時(shí)的限值。由此可見，城市污泥改良沙質(zhì)土壤具有一定的可行性和前景。

關(guān)鍵詞：沙質(zhì)土壤;城市污泥;白菜;重金屬

中圖分類號(hào)： X703;S634.06? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）05-0136-04

收稿日期：2018-04-16

基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金（編號(hào)：8152025）;河北省科技計(jì)劃（編號(hào)：15274006D）。

作者簡介：史 弋（1993—），女，山西陽泉人，碩士研究生，研究方向?yàn)槲勰噘Y源化利用及工業(yè)水處理。E-mail：378994141@qq.com。

通信作者：何緒文，博士，教授，主要研究方向?yàn)樗幚砑爸亟饘傥廴拘迯?fù)。E-mail：810549047@qq.com。

土地沙漠化嚴(yán)重制約了農(nóng)林業(yè)的發(fā)展，我國沙漠化問題嚴(yán)重，每年因此造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，形勢十分嚴(yán)峻[1]。沙質(zhì)土壤具有持水能力差、營養(yǎng)基質(zhì)缺乏、生產(chǎn)力低下的特點(diǎn)。如何改良沙質(zhì)土壤，以適應(yīng)作物或防護(hù)林的生長是亟待解決的問題[2-3]。近年來，隨著城市污水處理力度和處理率不斷提高，城市污泥的產(chǎn)生量也急劇增加。目前城市污泥的處理方式主要有衛(wèi)生填埋、焚燒、建材利用等，而污泥的資源化利用，尤其是農(nóng)用資源化可以最大程度地利用其豐富的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分條件，對(duì)于改善土壤結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)狀況具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[4-5]。由于連續(xù)施用污泥會(huì)顯著增加土壤-植物系統(tǒng)中的重金屬含量，所以重金屬是限制污泥農(nóng)用的主要因素之一[6-7]。一些研究表明，污泥土地利用時(shí)重金屬含量并未超過《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》的限值，所以污泥農(nóng)用資源化具有一定的可能[8-9]。

基于上述背景，本試驗(yàn)選取了生長周期較短、適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)重金屬較為敏感的白菜（Brassica chinensis L.）[10-11]在污泥改良沙質(zhì)土壤的復(fù)合基質(zhì)上進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，分析污泥添加比例對(duì)其生長狀況、基質(zhì)中養(yǎng)分和重金屬含量的影響，以此探究城市污泥改良沙質(zhì)土壤的可行性和找尋最佳改良方案。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤 供試土壤取自北京市潮白河流域河床附近，土壤多細(xì)沙。試驗(yàn)前風(fēng)干、過10 mm篩并剔除根系石塊等雜物。供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

1.1.2 供試污泥 供試污泥取自北京市某污水處理廠脫水車間，按季度同期采集，每次連續(xù)取樣7 d。將采集好的污泥樣品混合后風(fēng)干、壓散，然后置于烘箱中，在（100±5） ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，最后研磨裝袋備用。供試污泥的基本理化性質(zhì)見表2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)污泥按占干質(zhì)量0%（對(duì)照）、3%、5%、10%、20%的比例與沙質(zhì)土壤在振蕩器上充分混合，混合后的土樣統(tǒng)稱為混合基質(zhì)，分別記作G0、G3、G5、G10和G20。其中G0為未添加污泥的對(duì)照組，其余為試驗(yàn)組。將混合基質(zhì)裝于高15 cm、底部直徑21.8 cm的栽培盆中，每盆基質(zhì)總質(zhì)量為1 kg。加入400 mL蒸餾水穩(wěn)定5 d后取200 g裝袋備用，其余用作盆栽試驗(yàn)。

試驗(yàn)選取白菜為供試植物，種子來源于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，品種為速生一號(hào)。試驗(yàn)中選取均勻、飽滿的種子在 0.05% 高錳酸鉀溶液中浸泡1 h，用蒸餾水沖洗3次[12]。種子播種深度為1.5 cm，播種量為20粒/盆，每2 d澆水1次，澆水量約為100 mL/盆，試驗(yàn)盆栽置于實(shí)驗(yàn)室保溫保濕棚內(nèi)種植 50 d。苗期內(nèi)每天計(jì)數(shù)發(fā)芽率，觀察植物長勢;生長完成后，將植物從土壤中分離出來，用清水沖洗干凈后測量植物株高與根長，再將植物于80 ℃烘干48 h后測量其干質(zhì)量。

1.3 分析方法

1.3.1 試驗(yàn)指標(biāo)測定方法 污泥中重金屬、含水率、有機(jī)質(zhì)、全氮、總磷、速效鉀的測定參照CJ/T 221—2005《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》。土壤中重金屬的測定參照NY/T 1613—2008《土壤質(zhì)量 重金屬測定 王水回流消解原子吸收法》;土壤中有機(jī)質(zhì)的測定參照NY/T 1121.6—2006《土壤檢測 第6部分：土壤有機(jī)質(zhì)的測定》中的重鉻酸鉀-硫酸油浴法;土壤中全氮的測定參照NY/T 53—1987《土壤全氮測定法（半微量開氏法）》;土壤中有效磷的測定參照NY/T 1121.7—2014《土壤檢測 第7部分：土壤有效磷的測定》中的碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法;土壤中速效鉀的測定采用聯(lián)合浸提-比色法（NY/T 1849—2010《酸性土壤 銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀的測定 聯(lián)合浸提-比色法》）。

1.3.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法 土壤重金屬評(píng)價(jià)方法選擇單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法[13]。

單因子指數(shù)法的計(jì)算公式如下：

式中：Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Ci為污染物i的實(shí)測含量（mg/kg）;Si為污染物i的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（mg/kg）。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法的計(jì)算公式如下：

式中：P為監(jiān)測點(diǎn)的綜合污染指數(shù);Pimax為i監(jiān)測點(diǎn)污染物單污染指數(shù)中的最大值;Piave為i監(jiān)測點(diǎn)所有污染物單污染指數(shù)平均值。

依據(jù)單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可將土壤重金屬污染劃分為5個(gè)等級(jí)，具體如表3所示。

GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的部分內(nèi)容如表4所示，本研究選用二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)pH值>7.5為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥改良沙質(zhì)土壤對(duì)植物生長狀況的影響

2.1.1 不同污泥配比對(duì)植物發(fā)芽的影響 苗期內(nèi)白菜種子的發(fā)芽率隨時(shí)間的變化結(jié)果如圖1所示。可以看出，白菜種子從播后3 d開始發(fā)芽，播后12 d時(shí)發(fā)芽完畢，發(fā)芽率排序：G3、G5>G10>G0>G20，最終只有G3和G5的發(fā)芽率達(dá)到100%，其中G5發(fā)芽較快，在播后7 d就全部發(fā)芽，G3在播后12 d全部發(fā)芽，由此可見，污泥施用量在3%～5%時(shí)可以明顯促進(jìn)種子發(fā)芽。而添加20%污泥的混合基質(zhì)中，白菜的發(fā)芽率僅為5%，故當(dāng)污泥施用量達(dá)到20%時(shí)就會(huì)抑制白菜種子的發(fā)芽，這可能是由于污泥施入量高時(shí)，土壤板結(jié)，透氣性差，對(duì)作物萌芽產(chǎn)生不利影響，也有研究表明，植物的胚根在突破種皮萌芽過程中，根系會(huì)大量吸水使重金屬在根系中大量積累，重金屬會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生脅迫作用[14-15]，此外污泥中其他有害元素的濃度過高也會(huì)影響植物的萌芽。

2.1.2 不同污泥配比對(duì)植物長勢的影響 從圖2可以看出，

植物的株高、根長隨污泥添加量的增加呈先增加后降低的趨勢。試驗(yàn)組G3、G5、G10的株高、根長均明顯高于對(duì)照組，表明污泥為沙質(zhì)土壤提供了養(yǎng)分，有利于植物積累有機(jī)質(zhì)而快速生長，其中G5基質(zhì)促進(jìn)作用最明顯，白菜的株高和根長分別比對(duì)照組高24.1%和55.0%，而G20基質(zhì)中白菜的生長明顯受到了抑制，長勢情況均比對(duì)照組差，說明過量的污泥影響植物的生長。植物的干質(zhì)量與有機(jī)物累計(jì)量呈正相關(guān)關(guān)系，反映了光合作用強(qiáng)度。由表5可知，添加3%～10%的污泥均能明顯提高植物干質(zhì)量，其中G5基質(zhì)植物干質(zhì)量最高，比對(duì)照組高了61.1%，這說明合理施用污泥可以改良土壤的物理性質(zhì)，增加土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量，促進(jìn)植物積累有機(jī)物。而當(dāng)污泥濃度高達(dá)20%時(shí)，植物干質(zhì)量明顯下降，分析發(fā)現(xiàn)可能是由于植物對(duì)高濃度的污泥產(chǎn)生的脅迫作用有一種自我保護(hù)機(jī)制[16-17]，植物可以通過調(diào)節(jié)光合作用細(xì)胞內(nèi)胞間CO2濃度來對(duì)抗高濃度污泥產(chǎn)生的不利影響，從而影響光合作用效率以及干質(zhì)量的積累。

2.2 不同污泥配比對(duì)土壤環(huán)境的影響

2.2.1 不同污泥配比對(duì)基質(zhì)pH值的影響 表6為種植前復(fù)合基質(zhì)pH值的情況，可以看出，未添加污泥時(shí)，沙質(zhì)土壤pH值為8.33，屬于弱堿性。研究表明，堿性過高對(duì)作物的生長不利[18]，主要由于堿性環(huán)境會(huì)影響磷及其他元素的生物有效性，并且堿性土壤膠團(tuán)上大量附著的鈉離子（Na+）會(huì)使土壤環(huán)境惡化，耕性不良，降低作物產(chǎn)量。從表6還可以看出，隨著污泥施入量的增加，復(fù)合基質(zhì)pH值逐漸降低，G20基質(zhì)pH值比對(duì)照組降低了0.8，這說明呈酸性的污泥（pH值=669）可以改變沙質(zhì)土壤的堿性環(huán)境，有利于作物對(duì)營養(yǎng)元素的吸收。

2.2.2 不同污泥配比對(duì)基質(zhì)養(yǎng)分變化的影響 有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀都是反映土壤肥力高低的重要指標(biāo)。表7為土壤營養(yǎng)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，表8是不同基質(zhì)中這4種指標(biāo)的含量情況以及各指標(biāo)等級(jí)情況?？梢钥闯?，復(fù)合基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的含量隨污泥添加量的增加而增加，從G0到G20，分別增長了12.9、16.8、46.6和2.7倍。G0基質(zhì)的有機(jī)質(zhì)和全氮含量均未達(dá)到土壤營養(yǎng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有效磷和速效鉀含量只達(dá)到五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。但當(dāng)分別添加3%、5%、10%、20%污泥后，其有機(jī)質(zhì)含量分別可達(dá)到四級(jí)、四級(jí)、二級(jí)、一級(jí)標(biāo)準(zhǔn);全氮含量除G3基質(zhì)為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)外，其余為一級(jí)標(biāo)準(zhǔn);有效磷含量均可達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn);速效鉀含量分別可達(dá)到四級(jí)、四級(jí)、三級(jí)、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，與其他指標(biāo)相比，污泥對(duì)土壤速效鉀含量的提升效果不明顯，這與城市污泥中鉀含量不高有關(guān)。所以，城市污泥是一種富含氮、磷和有機(jī)質(zhì)而鉀含量有限的肥料，施用時(shí)可依據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)補(bǔ)充鉀肥。

2.2.3 污泥改良沙質(zhì)土壤的重金屬含量評(píng)價(jià) 表9列出了施入不同比例污泥后，復(fù)合基質(zhì)中6種重金屬的含量，可以看出，隨污泥添加量的增加，重金屬含量也增加，G20基質(zhì)中6種重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量比對(duì)照組分別高0.55、515、36.79、5.38、22.11、27.63 mg/kg，Cu和Zn含量的增加明顯，這可能是由于污泥中這2種金屬的含量較多（表2）。除Cd外其他重金屬含量遠(yuǎn)低于GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)pH值>7.5時(shí)的限值， 但由于Cd含量接近標(biāo)準(zhǔn)限值，故必須考慮長期施用污泥帶來的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)[19]。

由于復(fù)合基質(zhì)pH值均大于7.5，故土壤重金屬含量的單因子評(píng)價(jià)和內(nèi)梅羅評(píng)價(jià)參照GB1 5618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)pH值>7.5。單因子評(píng)價(jià)及內(nèi)梅羅評(píng)價(jià)方法與公式見“1.3.2”節(jié)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表10和表11。

表10是各基質(zhì)中6種重金屬單因子和內(nèi)梅羅評(píng)價(jià)的結(jié)果，可以看出，G0～G5基質(zhì)單因子污染指數(shù)及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均小于0.7，屬于清潔狀態(tài)。G10和G20基質(zhì)中Cd的單因子污染指數(shù)小于1，屬于尚清潔狀態(tài)，但綜合污染指數(shù)均小于0.7，整體可以滿足土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)pH值>7.5時(shí)的限值。可見污泥含量在20%以下時(shí)重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)是可接受的，這可能是由于城市污泥來源于生活污水處理廠，重金屬含量本身較低。但反復(fù)使用污泥作為肥料時(shí)，重金屬的富集和遷移轉(zhuǎn)化問題還有待進(jìn)一步研究[20]。

3 結(jié)論

城市污泥改良沙質(zhì)土壤對(duì)白菜的發(fā)芽與生長存在不同程度的促進(jìn)或抑制作用，這與污泥的施入量有關(guān)。當(dāng)添加的污泥含量在3%～10%時(shí)，植株的發(fā)芽與生長得到促進(jìn);當(dāng)污泥含量達(dá)到20%時(shí)，種子的發(fā)芽受到抑制，長勢情況也明顯比對(duì)照組差;當(dāng)污泥含量為5%時(shí)，對(duì)白菜的發(fā)芽和生長最有利。

城市污泥的施入可以改善沙質(zhì)土壤的酸堿環(huán)境，隨著污泥施用比例的增加，土壤逐漸趨于中性，有利于提高其中微量元素的生物有效性。同時(shí)污泥富含氮、磷和有機(jī)質(zhì)，合理適量的施用可以增加土壤養(yǎng)分，改善土壤營養(yǎng)狀況，從而促進(jìn)植物生長。由于污泥中鉀含量有限，必要時(shí)可在施用過程中適當(dāng)補(bǔ)充鉀肥。

各復(fù)合基質(zhì)中6種重金屬的含量隨城市污泥添加量的增高而增高，但內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均滿足清潔標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，各基質(zhì)均未超出GB15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)pH值>7.5時(shí)的限值。但污泥作為肥料使用的過程中重金屬的富集和遷移問題應(yīng)當(dāng)引起重視和進(jìn)一步的研究。

綜上所述，城市污泥改良貧瘠的沙質(zhì)土壤是可行的，按適當(dāng)比例添加城市污泥可以提高土壤肥力并且明顯促進(jìn)植物的發(fā)芽和生長。

參考文獻(xiàn)：

[1]申源源，韋武思，孫榮國，等. 秸稈-膨潤土-PAM改良材料對(duì)沙質(zhì)土壤田間持水量的影響[J]. 西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，35（1）：43-48.

[2]張麗霞. 中國沙漠化土地成因及治理的主要模式[J]. 陜西林業(yè)科技，2016（3）：77-79.

[3]崔湘浩，李秀軍. 干旱、半干旱地區(qū)沙質(zhì)土壤的防滲節(jié)水技術(shù)研究[J]. 中國沙漠，2000，20（4）：458-460.

[4]丘錦榮，郭曉方，衛(wèi)澤斌，等. 城市污泥農(nóng)用資源化研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（增刊1）：300-304.

[5]宋秀蘭，李亞新. 污泥資源化技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 化工環(huán)保，2006，26（4）：291-294.

[6]Naylor C G，Mieure J P，Adams W J，et al.Biosolids applied to land：advancing standards and practices[M]. Washington D C：National Academy Press，2002：1576.

[7]Kidd P S，Domínguez-Rodríguez M J，Díez J C，et al. Bioavailability and plant accumulation of heavy metals and phosphorus in agricultural soils amended by long-term application of sewage sludge[J]. Chemosphere，2006，66（8）：1458-1467.

[8]武文飛，南忠仁，王勝利，等. 干旱區(qū)綠洲土壤Cd-Zn復(fù)合污染對(duì)胡蘿卜的影響及富集遷移規(guī)律[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，48（2）：1-14.

[9]楊 軍，郭廣慧，陳同斌，等. 中國城市污泥重金屬區(qū)域分布特征及變化趨勢[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（10）：2455-2461.

[10]歐根能，寧 平，楊月紅，等. 污泥、粉煤灰和石灰改良土壤對(duì)小白菜的影響[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（8）：84-88.

[11]陸雅婕，吳 笛，尹 穎，等. 重金屬和溴代阻燃劑復(fù)合污染對(duì)小白菜的生物效應(yīng)[J]. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2018，54（1）：196-204.

[12]曾正中，李國梁，茍劍鋒，等. 污泥改性黃土合適配比及作物盆栽實(shí)驗(yàn)[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10（8）：4473-4479.

[13]何緒文，房增強(qiáng)，王宇翔，等. 北京市某污水處理廠污泥重金屬污染特征、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（3）：1092-1098.

[14]梅麗娜，袁慶華，姚 拓，等. 不同品種苜蓿芽期對(duì)重金屬鎘的耐性研究[J]. 作物雜志，2010（2）：15-18.

[15]Soumaré M，Tack F M G，Verloo M G. Characterisation of Malian and Belgian solid waste composts with respect to fertility and suitability for land application[J]. Waste Management，2003，23（6）：517-522.

[16]李海華，劉建武，李樹人，等. 土壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染及作物富集研究進(jìn)展[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34（1）：30-34.

[17]王曉東，聶劍文，商侃侃. 污泥施用對(duì)4種綠化植物葉片性狀和光合作用的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（13）：44-50.

[18]張 浩，王正銀，董 燕，等. 砂質(zhì)土壤pH對(duì)中性緩釋復(fù)合肥養(yǎng)分釋放特性的影響研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2005，19（3）：9-12.

[19]王學(xué)禮，常青山，侯曉龍，等. 三明鉛鋅礦區(qū)植物對(duì)重金屬的富集特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19（1）：108-112.

[20]李 瓊，華 珞，徐興華，等. 城市污泥農(nóng)用的環(huán)境效應(yīng)及控制標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，19（2）：468-476.張小飛，王 海，邵 偉，等. 2種微孔吸附劑對(duì)秋季牛舍4種有害氣體的吸附效果[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（5）：140-144.