干污泥和堆肥污泥施用于紅壤中N素的釋放特性

拜得珍

污泥中含有大量有機質(zhì)和N，P，K等植物所需礦質(zhì)營養(yǎng)元素，同時具有改良土壤的特性［1－4］，兼顧到環(huán)境生態(tài)效益與處置成本、經(jīng)濟效益之間的均衡，污泥農(nóng)用成為污泥處置最有效的措施之一［5－6］。污泥施用量一般是根據(jù)植物需肥特性而定。污泥中絕大部分氮是以有機氮（50%～90%）形式存在的，在一定的環(huán)境條件或微生物作用下經(jīng)礦化轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機態(tài)才能被植物吸收利用，因此，研究污泥中無機氮轉(zhuǎn)化的特性，不僅是衡量污泥的肥效高低和確定污泥科學施用的方法，而且也是評估污泥土地利用后氮素對環(huán)境潛在污染的基礎(chǔ)。關(guān)于污泥N素礦化和養(yǎng)分釋放的研究主要集中在中性或偏堿土壤上，污泥也大多是施用鮮污泥［6－9］。本研究在總結(jié)前人總結(jié)的基礎(chǔ)上，為紅壤地區(qū)污泥的科學利用進行理論探索，以期為發(fā)揮最大肥效并能最大限度降低其所帶來的環(huán)境風險提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及供試材料

試驗地設(shè)在福建農(nóng)林大學南區(qū)后山紅壤典型坡地，坡度為25°～30°，土壤質(zhì)地均勻，清理區(qū)內(nèi)雜草、林木及地表枯枝落葉層，模擬施肥溝，挖50cm×50 cm×15cm的小穴，間隔至少大于1m，周圍開挖截留溝，防止地表徑流進入施肥溝。

污泥來自廈門市海滄污水處理廠，供試土壤為砂壤土。新鮮污泥風干后粉碎過2mm篩稱為干污泥（DS），另一部份污泥與木屑（3∶1）混合堆肥處理后粉碎過2mm篩稱為堆肥污泥（CS）。干污泥和堆肥污泥有機質(zhì)分別為320.1和160.05g／kg，全氮含量分別為40.5和19.45g／kg，全磷含量分別為18.59和12.30g／kg，泥與堆肥污泥中N、有機質(zhì)等差異很大中，初步分析原因，除在堆肥污泥中混入木屑影響了N和有機質(zhì)含量外，也與污泥在堆肥過程中由于微生物的作用，部分有機質(zhì)的相態(tài)發(fā)生了變化，隨水汽及其它形式造成流失有關(guān)［10］。同時，堆肥過程中微生物的活動使部分氮元素的鹽類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氨類物質(zhì)以氨氣形式揮發(fā)到空氣中有關(guān)［10］，具體原因有待于進一步研究和論證。供試土壤和污泥理化性質(zhì)詳見表1。

表1 供試土壤和污泥基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

污泥處理方式為干污泥和堆肥污泥，污泥撒施指導施肥量按《GB4284—1984》規(guī)定，干污泥標準施入量為20和40t／hm2，堆肥污泥施用量為40和66 t／hm2。具體試驗方案為：其中DS（dry sewage）代表干污泥，CS（compost sewage）代表堆肥污泥。（1）CK：對照，不施污泥，重復3次；（2）DS10：微區(qū)撒施干污泥0.75kg，占表層土壤10%的質(zhì)量，即20 t／hm2，折 合 全 磷 371.8kg／hm2，有 效 磷 22.4 kg／hm2，重復3次；（3）DS20：微區(qū)撒施干污泥1.50 kg，占表層土壤20%的質(zhì)量，即40t／hm2，折合全磷743.6kg／hm2，有 效 磷 44.7kg／hm2，重 復 3 次；（4）CS20：微區(qū)撒施堆肥污泥1.50kg，占表層土壤20%的質(zhì)量，即40t／hm2，折合全磷492.0kg／hm2，有效磷81.2kg／hm2，重復3次；（5）CS33：微區(qū)撒施堆肥污泥1.50kg，占表層土壤33%的質(zhì)量，即66t／hm2，折合全磷811.8kg／hm2，有效磷 134.0 kg／hm2，重復3次。

將混配土壤于2008年3月11日隨機施入施肥溝并建立標簽，表層再覆蓋2～3cm的干土，以減少污泥礦化過程中N的氣態(tài)損失量。

1.3 樣品采集與測試

于施用污泥起的0，15，30，45，75和105d分別在施肥溝中心依次使用小鐵鏟采取0—15cm土層的混配土樣約100g進行樣品N釋放量的測定。

分析養(yǎng)分所用土樣為剔除根系和石塊后的鮮樣，無法立即分析時存放在－4℃冰箱中于48h內(nèi)分析完畢。各測試項目所用方法分別為土壤空隙和容重采用環(huán)刀法，pH值采用電位法，土壤全氮采用開氏法，堿解氮采用堿解擴散法，銨態(tài)氮采用靛酚藍比色法［11］；硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定［12－13］，養(yǎng)分釋放量計算方法為：

養(yǎng)分釋放量（%）＝100%×（各施肥處理土壤養(yǎng)分含量－空白處理土壤養(yǎng)分含量）／加入養(yǎng)分量［14－15］。

數(shù)據(jù)分析和制圖采用Excel軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理堿解氮濃度及釋放規(guī)律隨培養(yǎng)時間的變化

土壤堿解氮包括土壤中水溶性氮、交換性氮和易水解性有機態(tài)氮，還有相當一部分是來自土壤礦物固定態(tài)銨［16］，可作為土壤速效氮量的指標。污泥施入土壤后，由于微生物的作用可逐漸礦化釋放堿解氮，不同培養(yǎng)期養(yǎng)分含量和養(yǎng)分釋放量如圖1—2所示。由圖1—2可以看出，在培養(yǎng)期（前105d）由于污泥有機氮礦化，堿解氮含量和釋放量較對照處理都有所增高。其中，干污泥處理的混配土在前期培養(yǎng)（30d）內(nèi)堿解氮含量和堿解氮釋放量都明顯高于堆肥污泥含量和釋放量，具有明顯峰值，培養(yǎng)15d時堿解氮含量達到峰值 DS10（573.21±12mg／kg）和 DS20（971.10±21mg／kg），相應釋放量為 DS10（12.84%）和 DS20（10.10%），45d時出現(xiàn)低谷 DS10（202.42±14mg／kg）和DS20（185.32±22mg／kg）。分析原因為干污泥施用前期，干污泥含易于分解的有機氮多，易出現(xiàn)峰值，隨后難以分解的有機氮占重要成分，礦化率減少，養(yǎng)分釋放量相應地減少，而在45d左右時，由于隨污泥施用投入引起土壤微環(huán)境中微生物大量繁殖，使N素的生物固定大于礦化作用［14］，出現(xiàn)低谷。

堆肥污泥處理的混配土在培養(yǎng)期堿解氮含量和釋放量總體趨于上升但平緩，沒有明顯的峰值和低谷，75d后略有降低。CS20和CS33在培養(yǎng)期混配土堿解氮含量分別在82.89～217.6mg／kg和116.49～339.67mg／kg之間變化。在試驗期，累計釋放量分別為13.55%和15.68%。

不同配比的混配土在培養(yǎng)期堿解氮養(yǎng)分含量都大于對照含量（CK），并隨著配比的增大，混配土堿解氮含量也在增加（DS20＞DS10，CS33＞CS20），但當污泥用量超過一定配比，污泥有機氮礦化率與污泥施用量關(guān)系不大：CS20（13.55%）＜CS33（15.68%）。

圖1 混配土堿解氮含量變化

圖2 混配土堿解氮釋放量變化

2.2 不同污泥處理土壤中銨態(tài)氮隨培養(yǎng)時間的變化

從圖3—4可知，不同類型污泥銨態(tài)氮含量和釋放量變化規(guī)律是一致的，在15d時達到一個高峰，之后迅速降低，干污泥于45d，堆肥污泥于30d后，銨態(tài)氮含量分別接近對照，之后污泥氮含量以難礦化的有機氮為主，即使礦化形成的銨態(tài)氮也被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，因此混配土中銨態(tài)氮含量接近對照水平?；炫渫寥乐袖@態(tài)氮含量隨著配比的增加而增加（圖3），釋放量隨配比增加而減少（圖4），但無論是含量還是釋放量隨配比變化均不顯著（p＞0.05）。

圖3 混配土中銨態(tài)氮含量變化

圖4 混配土中銨態(tài)氮釋放量變化

2.3 混配土中硝態(tài)氮隨培養(yǎng)時間的變化

從圖5—6可見，污泥施用增加可土壤中硝態(tài)氮含量，隨配比的增加，硝態(tài)氮含量略有升高，但釋放量卻明顯降低。不同類污泥配比的混配土硝態(tài)氮含量和釋放量隨培養(yǎng)時間總體呈現(xiàn)降低趨勢。其中，DS10和DS20硝態(tài)氮含量隨培養(yǎng)時間增加—降低—接近對照，變化過程劇烈，在30d時達到一個高峰。堆肥污泥處理（CS20和CS33）的混配土隨培養(yǎng)時間平緩降低，沒有明顯的峰值，最終接近對照。施用堆肥污泥，硝態(tài)氮含量變化平緩的主要原因可能是堆肥污泥在堆肥過程中加入木屑等材料，隨堆肥進行而產(chǎn)生大量有益和有害的化感物質(zhì)［17］，這些化感物質(zhì)中存在的某些抑制性物質(zhì)阻礙硝化和反硝化作用，所以使堆肥配比處理的混配土硝態(tài)氮含量沒有明顯的峰值。但在45d時硝態(tài)氮含量突然降低而后又升高，尤其是CS33變化更為明顯，初步分析原因是由于對應的試驗時間恰遇連續(xù)幾天降雨，造成硝態(tài)氮的深層遷移或流失，而后隨堆肥污泥硝態(tài)氮的硝化反應，釋放量有所增加有關(guān)。本試驗的相關(guān)研究表明，施用堆肥污泥更易造成營養(yǎng)物質(zhì)的深層遷移，且與施肥量呈一定的正比例關(guān)系。

圖5 混配土中硝態(tài)氮含量變化

圖6 混配土中硝態(tài)氮釋放量變化

3 結(jié)論

（1） 污泥施用后，N養(yǎng)分釋放主要集中在前30d，之后明顯降低接近對照。干污泥處理下，堿解氮釋放峰值出現(xiàn)在第15d，堆肥污泥處理下土壤堿解氮含量和釋放量總體趨于上升但平緩，沒有明顯的峰值和低谷；干污泥處理和堆肥污泥處理下土壤銨態(tài)氮含量和釋放量變化規(guī)律一致，在15d時達到一個高峰，之后迅速降低，干污泥于45d，堆肥污泥于30d后，銨態(tài)氮含量分別接近對照；干污泥處理下土壤硝態(tài)氮含量隨培養(yǎng)時間增加—降低—接近對照，變化過程劇烈，在30d時達到一個高峰，堆肥污泥處理下土壤硝態(tài)氮含量和釋放量隨培養(yǎng)時間平緩降低，沒有明顯的峰值，最終接近對照。

（2）經(jīng)過105d試驗期，干污泥處理下土壤氮釋放量高于堆肥處理。

（3）污泥施肥量對土壤堿解氮、NH＋4—N和NO－3—N的含量和釋放量有一定影響，但效果不明顯（p＞0.05）。在供試條件下，隨配比的增大，各形態(tài)的養(yǎng)分含量略有增大而釋放量卻減小。

（4）無論是從氮肥效角度，還是氮釋放的環(huán)境風險角度考慮，污泥堆肥處理后施肥方式均優(yōu)于干污泥處理施肥方式。

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