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.