施用城鎮(zhèn)生活污泥對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)及安全性的影響

武 升，張俊森，張杰瑜，王 強，張 震，李國亮，康婷婷，馬友華

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237158；3.蚌埠圻潤環(huán)境工程科技有限公司，安徽 蚌埠 233000；4.蚌埠市污泥處理處置及資源化利用工程技術(shù)研究中心，安徽 蚌埠 233000）

城鎮(zhèn)生活污泥是城鎮(zhèn)污水處理后的廢棄物。隨著我國城鎮(zhèn)生活水平的不斷提高，城鎮(zhèn)生活污泥大量產(chǎn)生，對生態(tài)環(huán)境造成潛在污染風(fēng)險，亟需無害化處置和資源化利用［1］。目前，國際上對城鎮(zhèn)生活污泥的處置以填埋、填海、焚燒和農(nóng)田利用4 種方式為主［2］。城鎮(zhèn)生活污泥中含有各種養(yǎng)分，這讓城鎮(zhèn)生活污泥堆肥資源化利用成為了可能［3-4］。英國、法國和荷蘭等國城鎮(zhèn)生活污泥土地利用率達到50%以上［5-6］。有研究表明［7］，污泥堆肥中具有豐富的有機質(zhì)，施入土壤經(jīng)微生物等分解后，可以轉(zhuǎn)化生成大量的腐殖酸和激素等物質(zhì)。施用適量生活污泥堆肥能夠有效改善土壤理化性狀，有利于作物生長與產(chǎn)量的提升［8-9］。然而，城鎮(zhèn)生活污泥中還存在重金屬、有機污染物等有毒有害物質(zhì)［10］，進入土壤環(huán)境后易被植物吸收富集［11-12］。研究表明［13-14］，施用污泥會增加植物及土壤重金屬積累，且重金屬含量隨施用量呈不斷上升趨勢。不合理施用會對土壤環(huán)境和農(nóng)作物品質(zhì)及安全性造成不利影響，但目前關(guān)于施用城鎮(zhèn)生活污泥對作物品質(zhì)及安全性的影響卻鮮有報道［15-16］。本研究基于城鎮(zhèn)生活污泥配施不同肥料類型及用量的大田試驗，開展城鎮(zhèn)生活污泥在小麥上的施用效果研究，探討施用城鎮(zhèn)生活污泥對小麥產(chǎn)量、品質(zhì)、重金屬及有機污染物含量的影響，旨在為城鎮(zhèn)生活污泥農(nóng)用的安全性及推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點選擇在安徽省蚌埠市龍子湖區(qū)。供試土壤類型為潮土，基本理化指標為：pH 值6.3，有機質(zhì)20.05 g/kg，全氮0.91 g/kg，有效磷35.58 mg/kg，速效鉀50 mg/kg，總汞0.238 mg/kg，總砷6.1 mg/kg，總鎘0.11 mg/kg，總鉛47.2 mg/kg，總鉻40.4 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試小麥品種為洛麥23，于2016 年11 月27 日種植，2017 年5 月30 日收獲。田間管理按小麥優(yōu)質(zhì)栽培管理措施進行。城鎮(zhèn)生活污泥來源于蚌埠市第二污水處理廠處理的城鎮(zhèn)生活污水，經(jīng)蚌埠圻潤環(huán)境工程科技有限公司再處理，各指標含量符合《農(nóng)用污泥污染物控制標準》（GB 4284-2018），可進行農(nóng)田土地利用，具體指標含量見表1；商品有機肥中有機質(zhì)含量大于45%，氮、磷、鉀的含量分別為N 2.41%，P2O51.71%，K2O 1.61%；供試當(dāng)?shù)厣弦患舅窘斩?，各養(yǎng)分含量為：全氮0.77%，全磷0.13%，全鉀1.80%。

表1 供試生活污泥與《農(nóng)用污泥污染物控制標準》指標比較

1.3 試驗設(shè)計

根據(jù)肥料類型與施肥量的不同，試驗設(shè)10 個處理，每處理重復(fù)3 次，小區(qū)面積為20 m2（4 m×5 m），共30 個小區(qū)，試驗各處理類型如表2 所示。

表2 試驗處理類型及氮磷鉀用量 （kg/hm2）

1.4 樣品檢測

土樣和水稻秸稈及城鎮(zhèn)生活污泥中的常規(guī)指標測定參照鮑士旦編著的《土壤農(nóng)化分析》［17］。重金屬測定采用4 種酸（HNO3、HF、HClO4、HCl）電熱板消解AAS 法［18］。小麥籽粒中濕面筋測定采用儀器法（GB/T 5506.2-2008）；淀粉測定采用酸水解法（GB 5009.9）；蛋白質(zhì)測定采用凱氏定氮法（GB 5009.5）；多環(huán)芳烴類有機污染物測定采用高效液相色譜法（GB 5009.265-2016）；酞酸酯類有機污染物測定采用氣相色譜-質(zhì)譜法（GB 5009.271）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2019 和Origin 8.0 軟件對數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生活污泥用量對小麥產(chǎn)量的影響

圖1 為不同生活污泥用量對小麥產(chǎn)量的影響。由圖1 可知，與空白不施肥（CK）處理相比，施用生活污泥及與化肥或商品有機肥等配施處理的小麥增產(chǎn)83.85%～144.59%。單施生活污泥（T2、T3）較空白不施肥（CK）處理小麥增產(chǎn)83.85%～139.04%，單施生活污泥6000 kg/hm2（T3）相對于單施生活污泥3000 kg/hm2（T2）處理顯著提高了小麥產(chǎn)量，說明施用生活污泥有助于提高小麥產(chǎn)量。

生活污泥與復(fù)合肥配施的結(jié)果顯示，在施用生活污泥2250 kg/hm2+復(fù)合肥450 kg/hm2（T6）的條件下，小麥產(chǎn)量顯著高于施用生活污泥750 kg/hm2+復(fù)合肥600 kg/hm2（T4）及施用生活污泥1500 kg/hm2+復(fù)合肥525 kg/hm2（T5）處理。本研究結(jié)果與李海英等［19］在施用不同配比用量的污泥復(fù)混肥后有助于小麥增量的結(jié)論一致。相同復(fù)合肥施用量條件下，施用生活污泥1500 kg/hm2（T5）的小麥產(chǎn)量高于施用水稻秸稈6000 kg/hm2（T8）處理；施用生活污泥2250 kg/hm2（T6）的小麥產(chǎn)量高于生活污泥750 kg/hm2+水稻秸稈6000 kg/hm2（T9）處理?？傮w來看，施用生活污泥有助于小麥產(chǎn)量的提高。在一定施用量內(nèi)，隨著生活污泥用量的增大，小麥產(chǎn)量也有所增加，這與陳同斌等［20］的研究結(jié)果一致。

2.2 不同生活污泥用量對小麥品質(zhì)的影響

圖2、3 分別為不同生活污泥用量對小麥籽粒干面筋、濕面筋、蛋白質(zhì)及淀粉含量變化的影響。由圖2、3 可知，與空白不施肥（CK）處理相比，施用生活污泥提高了小麥籽粒干面筋、濕面筋和淀粉含量，單施生活污泥6000 kg/hm2（T3）處理的小麥籽粒干面筋、濕面筋和淀粉含量分別提高了19.7%、15.2%和7.83%。隨著生活污泥施用量的增加，單施生活污泥6000 kg/hm2（T3）的小麥籽粒干面筋及濕面筋含量顯著高于單施生活污泥3000 kg/hm2（T2）處理。生活污泥2250 kg/hm2+復(fù)合肥450 kg/hm2（T6）配施條件下，小麥籽粒淀粉含量比空白不施肥（CK）處理提高了23.94%，且小麥籽粒淀粉含量顯著高于施用生活污泥750 kg/hm2+復(fù)合肥600 kg/hm2（T4）及施用生活污泥1500 kg/hm2+復(fù)合肥525 kg/hm2（T5）處理。在生活污泥施用750 kg/hm2+復(fù)合肥600 kg/hm2（T4）的配施條件下，小麥籽粒濕面筋、干面筋、淀粉的含量高于施用配施尿素112.5 kg/hm2（T1）處理，蛋白質(zhì)含量略有下降。復(fù)合肥與生活污泥及商品有機肥等配施條件下，配施生活污泥的小麥籽粒濕面筋、干面筋和淀粉含量相對更高。

2.3 不同生活污泥用量對小麥籽粒重金屬含量的影響

表3 為不同生活污泥用量對小麥籽粒重金屬含量的影響，參照《食品中污染物限量》GB 2762-2017 可知，各處理小麥籽粒Pb、Cd、As、Hg的含量均未超過國家限量標準。與單施生活污泥3000 kg/hm2（T2）處理相比，施用生活污泥6000 kg/hm2（T3）的小麥籽粒Cr、Pb、Cd 含量更高。相同復(fù)合肥施用水平下，施用生活污泥1500 kg/hm2+復(fù)合肥525 kg/hm2（T5）處理較施用復(fù)合肥525 kg/hm2+水稻秸稈6000 kg/hm2（T8）和商品有機肥1500 kg/hm2+復(fù)合肥525 kg/hm2（T7）處理的小麥籽粒Pb、Cd 含量最高。施用生活污泥750 kg/hm2+復(fù)合肥600 kg/hm2（T4）的小麥籽粒中Cr、Pb、As、Hg含量高于復(fù)合肥600 kg/hm2+尿素112.5 kg/hm2（T1）處理。本試驗表明：隨著生活污泥施用量的增大，小麥籽粒重金屬含量呈增加趨勢。

表3 不同施肥處理對小麥籽粒中重金屬含量的影響（mg/kg）

施用生活污泥750 kg/hm2+復(fù)合肥600 kg/hm2（T4）、復(fù)合肥525 kg/hm2+水稻秸稈6000 kg/hm2（T8）及生活污泥750 kg/hm2+復(fù)合肥450 kg/hm2+水稻秸稈6000 kg/hm2（T9）處理中，小麥籽粒Cr含量超過國家限量標準（1 mg/kg）。施用生活污泥堆肥會增加作物重金屬積累，但不同元素增幅存在差異［21］。也有文獻報道施入污泥后，小麥、玉米等農(nóng)作物籽粒中重金屬含量并未顯著增加［22-23］，這可能與施用的生活污泥類型及作物品種有關(guān)。施用生活污泥對小麥籽粒重金屬積累帶來不同程度的風(fēng)險，隨著用量的增加，小麥富集重金屬的可能性越高。由于重金屬具有累積性污染，生活污泥堆肥農(nóng)用時，應(yīng)在加強監(jiān)管的前提下，嚴格控制施用量，合理用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，避免造成食品安全問題。

2.4 不同生活污泥用量對小麥籽粒有機污染物含量的影響

表4、5 分別為不同生活污泥用量對小麥籽粒中多環(huán)芳烴類、酞酸酯類有機污染物含量的影響。由表4、5 可知，小麥籽粒中多環(huán)芳烴類、酞酸酯類有機物的含量均低于檢出限，符合食品安全國家標準。Jones 等［24］研究報道：施用污泥，小麥籽粒及牧草中有機污染物含量增加，連續(xù)施用會提高污染風(fēng)險。申榮艷等［25］研究發(fā)現(xiàn)：污泥的施用會不同程度增加植株及土壤中多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳經(jīng)等有機污染物的含量。馬晶晶［26］同樣報道了污泥中有機污染物對作物具有污染風(fēng)險。但Waqas等［27］研究表明：在多環(huán)芳烴類有機物污染的土壤中增施2%～10%熱干化污泥，可有效降低黃瓜對多環(huán)芳烴類有機污染物的富集。余杰等［28］分析了國內(nèi)外城市污泥中有機污染物現(xiàn)狀，針對我國環(huán)境現(xiàn)狀提出城市污泥中常見的多環(huán)芳烴及壬基苯酚類等有機污染物，應(yīng)作為典型的有機污染物加強研究。

表4 不同生活污泥用量對小麥籽粒中多環(huán)芳烴類有機污染物含量的影響 （mg/kg）

表5 不同生活污泥用量對小麥籽粒中酞酸酯類有機污染物含量影響 （mg/kg）

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

施用生活污泥有助于提高小麥產(chǎn)量，主要原因是生活污泥含有大量養(yǎng)分，有助于作物的生長發(fā)育及生物量積累，這與前人研究結(jié)果一致［29-30］。本研究發(fā)現(xiàn)：生活污泥2250 kg/hm2+復(fù)合肥（15-15-15）450 kg/hm2（T6）處理，更有助于增加小麥產(chǎn)量。生活污泥與傳統(tǒng)化肥及有機肥的合理配施是今后生活污泥資源化利用的方向之一，降低生活污泥造成環(huán)境風(fēng)險的同時，也利于農(nóng)田有機養(yǎng)分替代及化肥減量。施用生活污泥對小麥不同品質(zhì)指標提升效果不同。單施生活污泥6000 kg/hm2（T3）處理相對空白不施肥（CK）處理的小麥籽粒干面筋、濕面筋和淀粉含量分別提高了19.7%、15.2%和7.83%；生活污泥2250 kg/hm2+復(fù)合肥450 kg/hm2（T6）配施條件下，小麥籽粒淀粉含量比空白不施肥（CK）處理提高了23.94%。今后可針對不同作物品質(zhì)提升要求，開展施用生活污泥與傳統(tǒng)化肥及有機肥的合理配施試驗，研究最適宜的施肥方案。本試驗表明：與單施污泥3000 kg/hm2（T2）處理相比，施用污泥6000 kg/hm2（T3）的小麥籽粒Cr、Pb、Cd 含量更高，隨著生活污泥施用量的增大，小麥籽粒重金屬含量呈增加趨勢，這與戴亮等［31］的研究結(jié)論一致。但不同元素增幅存在差異，施用生活污泥750 kg/hm2+復(fù)合肥600 kg/hm2（T4）、復(fù)合肥525 kg/hm2+水稻秸稈6000 kg/hm2（T8）及生活污泥750 kg/hm2+復(fù)合肥450 kg/hm2+水稻秸稈6000 kg/hm2（T9）處理中，小麥籽粒Cr 含量均超過國家限量標準（1 mg/kg），這可能是因為施用化肥會引起土壤酸化，土壤中有效態(tài)重金屬含量提高，進而被小麥吸收富集；施用生活污泥一定程度上可以提高土壤pH 值，有助于抑制某些可溶性金屬有機配合物的形成［32］；生活污泥中的有機質(zhì)在分解過程中可生成不溶性鹽，從而降低重金屬Cr的有效性［33］，這與國內(nèi)王美等［21］及國外Lakhdar 等［34］研究結(jié)論類似。生活污泥農(nóng)用時，因重金屬具有累積性污染特性，在推廣上需延長試驗?zāi)晗?，連續(xù)監(jiān)測施用污泥后對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的影響。綜上分析，建議在生活污泥安全利用的前提下，單獨施用生活污泥6000 kg/hm2水平及生活污泥2250 kg/hm2+復(fù)合肥（15-15-15）450 kg/hm2配施用量，有助于小麥產(chǎn)量及品質(zhì)的提升。

目前，對于生活污泥產(chǎn)生的有機污染物風(fēng)險控制方面的報道較少，有機污染物在土壤和作物中的累積和富集是一個緩慢持續(xù)的過程，仍需要進行長期大田定位試驗，加強典型有機污染物的監(jiān)測。不同作物種類和不同類型有機污染物吸收和轉(zhuǎn)運的機理，以及與土壤中有機污染物濃度的關(guān)系，還有待進一步研究。生活污泥施用對農(nóng)田微塑料污染問題［35］，也還未在相應(yīng)法律法規(guī)中對其排放標準作出界定。新形勢下，應(yīng)針對我國生活污泥處理處置的現(xiàn)狀、技術(shù)和發(fā)展趨勢，加大對污泥減量化、資源化、無害化以及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新等新技術(shù)、政策與實踐的研究。加快對生活污泥處理處置方面的政策、建設(shè)、運行等相關(guān)標準的制定，推動生活污泥資源化利用。

3.2 結(jié)論

施用城鎮(zhèn)生活污泥有助于提高小麥產(chǎn)量。單施生活污泥（T2、T3）較空白不施肥（CK）處理小麥增產(chǎn)83.85%～139.04%，與單施生活污泥3000 kg/hm2（T2）處理相比，單施生活污泥6000 kg/hm2（T3）顯著提高了小麥產(chǎn)量。在一定范圍內(nèi)，小麥產(chǎn)量隨著污泥用量的增大而增加。

施用城鎮(zhèn)生活污泥有利于提升小麥籽粒品質(zhì)。與空白不施肥（CK）處理相比，單施生活污泥6000 kg/hm2（T3）處理的小麥籽粒干面筋、濕面筋和淀粉含量分別提高了19.7%、15.2%和7.83%。單施生活污泥6000 kg/hm2（T3）的小麥籽粒干面筋及濕面筋的含量顯著高于單施生活污泥3000 kg/hm2（T2）處理。

單施生活污泥6000 kg/hm2（T3）的小麥籽粒Cr、Pb、Cd 含量比單施生活污泥3000 kg/hm2（T2）處理高。部分施用生活污泥與復(fù)合肥配施（T4、T8、T9）處理的小麥籽粒中Cr 含量超過國家限量標準（1 mg/kg）。施用城鎮(zhèn)生活污泥的小麥籽粒中多環(huán)芳烴類、酞酸酯類有機污染物含量符合食品安全國家標準。

建議單獨施用生活污泥在6000 kg/hm2水平或生活污泥2250 kg/hm2+復(fù)合肥（15-15-15）450 kg/hm2配施的情況下安全利用。