河道疏浚底泥農(nóng)業(yè)利用對土壤質(zhì)量的影響

楊 丹，范欣柯，劉 燕

(1.貴陽學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005；2.中國電建貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550083)

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河道疏浚底泥農(nóng)業(yè)利用對土壤質(zhì)量的影響

楊 丹1，范欣柯2，劉 燕1

(1.貴陽學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005；2.中國電建貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550083)

為研究河道疏浚底泥添加對土壤質(zhì)量的影響，采用模擬實驗分析了土壤理化性質(zhì)及微生物生物量C和N對不同添加比例河道疏浚底泥的響應(yīng)。結(jié)果表明，河道疏浚底泥添加使土壤飽和含水率增加4.2%～14.7%，持水時間延長1d～8d；土壤養(yǎng)分含量及重金屬含量與底泥添加比例呈顯著正相關(guān)，土壤微生物生物量C(MBC)和N(MBN)分別增加15.5%～35.8%和39.8%～66.1%。底泥與土壤混合比例達到1:1時，全量Cd含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2008)二級標(biāo)準(zhǔn)，有效態(tài)Cd含量也較高，土壤MBC和MBN開始下降。因此，河道底泥添加能夠改善土壤持水性能，提高土壤養(yǎng)分和微生物生物量，但高比例的底泥添加可能會導(dǎo)致土壤污染，底泥用于改善土壤質(zhì)量時，需控制好添加比例。

疏浚底泥；持水性能；速效養(yǎng)分；重金屬；土壤微生物生物量

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快，城市生活污水處理的壓力也隨之增加，部分城鎮(zhèn)污水收集處理系統(tǒng)相對滯后，一些生活污水及廢水直接進入河流、湖泊。由于污水中攜帶一定量的重金屬等污染物[1]，使受納水體不同程度受到污染。為改善河流、湖泊等水體水質(zhì)，許多城市河道進行了大規(guī)模的疏浚和清淤工程[2]，產(chǎn)生了大量的疏浚底泥。疏浚出的底泥中除含有豐富的氮、磷、有機質(zhì)等養(yǎng)分外，還含有重金屬等污染物質(zhì)，若處置不當(dāng)，在雨水沖刷及淋濾作用下易造成土壤和地下水污染。

目前，河道疏浚底泥大多被作為固體廢物堆放在陸地，未得到合理利用，且占用大量土地。而在一些生態(tài)脆弱區(qū)，如礦區(qū)排巖場、石漠化地區(qū)等，由于土源較少或土壤養(yǎng)分貧瘠，植物生長受到制約。河道底泥中含有豐富的氮、磷、有機質(zhì)等養(yǎng)分，正是植物生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，若將其用作改善土壤質(zhì)量的基質(zhì)，既能解決底泥的處置問題，又能滿足特定地區(qū)植物生長對土壤養(yǎng)分的需求。因此，土地利用是河道疏浚底泥資源化的一個有效途徑[3]。

雖然底泥能顯著改善土壤性質(zhì)和提高土壤肥力[4-8]，但由于其含有一定量的重金屬等污染物，也能改變土壤中重金屬含量和生物有效性[3]，對土壤微生物特性也可能產(chǎn)生不利影響[9-10]。國內(nèi)外研究者對于與河道疏浚底泥理化性質(zhì)相似的城市污泥在生態(tài)修復(fù)方面進行了大量的應(yīng)用研究[11-12]，但由于污泥對土壤環(huán)境的影響受其本身特性以及施用量的影響，因此同一污泥由于施用量的差異可能對土壤質(zhì)量產(chǎn)生不同效果。本文借鑒污泥土地利用的研究經(jīng)驗，以貴陽市南明河河道疏浚底泥為對象，研究不同比例的底泥添加對土壤理化性質(zhì)及微生物生物量碳和氮的影響，為河道疏浚底泥的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗供試土壤采自貴陽市云巖區(qū)周家山村蔬菜地，采樣深度0-20 cm；供試底泥為貴陽市南明河水口寺河段河道疏浚底泥，供試土壤與底泥的基本特征見表1。

表1 供試土壤和污泥的理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

將采集的土壤和底泥樣品在室溫(約25 ℃)下風(fēng)干，風(fēng)干后的底泥與土壤分別以質(zhì)量比0∶1(CK)、1∶3(T1)、1∶2(T2)、1∶1(T3)的比例混合均勻，裝入直徑18 cm、高12 cm的塑料花盆中，每盆裝土2.5 kg，加入蒸餾水至飽和含水率，室溫下放置平衡30d，中間不進行任何攪動，每個處理3次重復(fù)。平衡結(jié)束后分為兩份，一份用于測定土壤微生物生物量C和N；另一份風(fēng)干，測定其飽和含水率、持水時間、pH、有機質(zhì)、堿解N、速效P、速效K，全量Cu、Cd、Pb、Zn等。

1.3 土壤持水性能測定

底泥與土壤混合物的持水性能參照霍曉君等自制組裝的模擬自然降雨裝置測定，由鐵架臺、滴定管、塑料杯等組成[13](圖1)。塑料杯采用直徑為9.0 cm的硬質(zhì)塑料杯，底部均勻扎出小孔；滴定管采用50 ml酸式滴定管，用6支滴定管同時均勻向裝有樣品的塑料杯中滴水。實驗過程為：分別稱取100 g底泥與土壤的混合樣品CK、T1、T2、T3，每個處理三次重復(fù)，將樣品放入塑料杯中，樣品表面平鋪一層尼龍紗網(wǎng)，以防止泥土粘附在濾紙上；紗網(wǎng)上平鋪一層濾紙，保證從滴定管滴下的水先滲入濾紙后均勻滲入土壤。當(dāng)樣品水分達到飽和時，水便從杯底的小孔滲出，停止加水，待杯底小孔停止?jié)B水時稱重，然后將樣品置于室內(nèi)(室溫約25 ℃)自然蒸發(fā)。計算樣品飽和含水率，并通過統(tǒng)計不同時間的樣品含水量來分析其持水能力。

圖1 持水性能實驗裝置示意圖[13]Fig.1 The schematic diagram of experimental device for water-holding capacity

1.4 土壤理化性質(zhì)和微生物生物量測定

土壤pH測定采用電位法；有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀法；堿解氮含量采用堿解擴散法；速效P采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法；速效K采用乙酸銨浸提，火焰光度法；全量Cu、Cd、Pb、Zn采用HCl-HNO3-HClO4消解，原子吸收分光光度法測定；有效態(tài)Cd測定采用乙酸銨浸提，原子吸收分光光度法[14]。土壤微生物C的測定按照Vance等的研究中采用的方法[15]，微生物N的測定參照Joergensen和Brookes 的研究中的測定方法[16]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析利用 SPSS (19.0)，采用one-way ANOVA進行方差分析、并用 LSD 法進行多重比較，同時進行雙尾顯著性檢驗，所有檢驗的顯著性水平如無特殊說明均為P=0.05，采用OriginPro8.5軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 河道疏浚底泥添加對土壤持水性能的影響

不同添加比例的疏浚底泥對土壤飽和含水率和持水時間均有顯著影響(圖2)。與對照土壤(CK)相比，當(dāng)河道底泥與土壤混合比例為1∶1時，飽和含水率增加最多，達到78.94%，底泥與土壤混合比例為1∶2和1∶3時，飽和含水率分別增加6.02%和4.21%(圖2A)。可見河道疏浚底泥的施用比例越高，土壤能夠保留的水分越多。由圖2B可知，對照土壤的持水時間為20d，T1處理為21d，T2處理為26d，T3處理為28d，表明隨著底泥添加比例提高，土壤蒸發(fā)變慢，持水時間延長。

圖2 不同處理土壤飽和含水率和持水時間Fig.2 The saturated water content and the water-holding time of mixed-substrate under different treatments

綜上，河道疏浚底泥添加顯著提高了土壤飽和含水率及持水時間，且隨底泥的添加比例的提高，土壤飽和含水率的增加量與持水時間的增加天數(shù)越多，這可能與底泥中土壤有機質(zhì)含量有關(guān)(圖3)。

圖3 不同處理飽和含水率與土壤有機質(zhì)相關(guān)性分析Fig.3 The relationship between water-saturation coefficients and organic matter content in mixed-substrate under different treatments

2.2 河道疏浚底泥添加對土壤理化性質(zhì)的影響

由表2可知，河道疏浚底泥添加對土壤pH值無顯著影響，但有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀均顯著增加。當(dāng)河道底泥與土壤以1∶3比例添加時，土壤有機質(zhì)較對照增加了26.7%，底泥與土壤以1∶2比例添加時，增加了59.3%，底泥與土壤以1∶1比例添加時，增加了1.18倍。相關(guān)性分析表明土壤有機質(zhì)含量與底泥的添加比例呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

底泥添加后，堿解N的含量也大大提高，尤其是當(dāng)河道底泥與土壤以1∶1比例添加時，混合基質(zhì)中堿解N含量增加了22.94 mg/kg，T1和T2處理中分別增加7.44 mg/kg和12.06 mg/kg。T1處理中，速效磷含量是對照土壤的2.31倍，T2處理為2.56倍，當(dāng)?shù)啄嗯c土壤比例達到1∶1時，速效磷較對照土壤增加了4.09倍。T1處理中，速效鉀增加了66.6%，T2處理中增加了2.75倍，T3處理中增加了4.59倍。相關(guān)性分析表明堿解氮、速效磷、速效鉀等養(yǎng)分的增加量與底泥添加比例成正比。

表2 各處理土壤理化性質(zhì)

注：數(shù)據(jù)后不同字母表示同一列數(shù)據(jù)在P<0.05水平的差異性顯著。

2.3 河道疏浚底泥添加對土壤重金屬含量的影響

對照土壤(CK)中未檢測到Cd和Pb，隨著底泥添加比例提高，Cd和Pb含量顯著增加(表2)。T1處理中，混合基質(zhì)全Cu含量為31.63 mg/kg，T3處理中最高，達到50.02 mg/kg；全Zn含量也是T3處理中最高，達到99.36 mg/kg；全Pb含量在T3處理中達到35.85 mg/kg，全Cd為0.52 mg/kg，超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2008)二級標(biāo)準(zhǔn)，但低于《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB4284-84)。

表3 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)

可見隨著底泥添加比例的增加，土壤中幾種重金屬含量逐漸增加，在添加比例達到50%時，全Cd超標(biāo)30%。鑒于T3處理中全Cd含量超標(biāo)，進一步測定了有效態(tài)Cd含量，對照土壤中未檢測到有效態(tài)Cd，T1處理中Cd濃度為0.011 mg/kg，T2處理中為0.039 mg/kg，T3處理中為0.061 mg/kg(圖4)，土壤有效態(tài)Cd含量隨著底泥添加比例的提高呈顯著增加趨勢。

圖4 不同處理有效態(tài)Cd含量Fig.4 The available Cd content in mixed-substrate under different treatments

2.4 河道疏浚底泥添加對土壤微生物生物量C、N 的影響

由圖5可知，河道疏浚底泥添加的各處理中土壤微生物量C、N含量顯著高于對照。T1處理中MBC是對照的1.15倍，MBN是對照的1.41倍；T2處理中MBC高于對照35.8%，MBN高于對照66.1%；T3處理中MBC是對照的1.19倍，MBN是對照的1.44倍。T2處理中土壤微生物生物量增加最多，但繼續(xù)增加底泥用量，土壤微生物生物量開始下降。

圖5 各處理中土壤微生物生物量Fig.5 Soil microbial biomass under different treatments

3 討論

持水性能是土壤的一個重要物理性質(zhì)[17]，飽和含水率和持水時間反映了土壤容納和蓄持水分能力[13]。有研究表明，底泥添加能提高土壤飽和含水率、減緩?fù)撩嬲舭l(fā)、延長土壤持水時間[4-8]。本試驗發(fā)現(xiàn)，底泥的施用量越大土壤飽和含水率越高，持水時間越長，與ZabloDSi[4]和馬成澤[5]的研究結(jié)果相似。添加河道疏浚底泥后，土壤飽和含水率和持水時間隨著底泥添加比例的增加而增加，可能與底泥本身的成分及物理性質(zhì)有關(guān)[18]。首先，河道底泥中有機質(zhì)含量較高，相當(dāng)一部分呈膠體狀態(tài)，膠體本身具有親水性，因而富含有機質(zhì)的土壤有助于抑制和減緩?fù)寥浪值恼舭l(fā)[16,19]。其次，富含膠體狀態(tài)的土壤由于膠體的團聚容易結(jié)塊，當(dāng)表層土壤水分蒸發(fā)后，表層的結(jié)塊阻止了下層土壤的水分蒸發(fā)[8]，從而使持水時間相對較長。第三，河道底泥中富含的有機膠體能夠降低土壤容重，增加土壤團粒結(jié)構(gòu)和孔隙率[20]，表面水分的滲透性得到提高，能夠快速滲透到深層土壤，進一步減少水分蒸發(fā)。因此，河道疏浚底泥添加顯著提高了土壤飽和含水率，延長了土壤在自然條件下的持水時間，且隨著添加比例的增加，土壤飽和含水率和持水時間均呈增加趨勢。

土壤速效養(yǎng)分含量水平是反映土壤養(yǎng)分的供應(yīng)指標(biāo)，有機質(zhì)含量反映了土壤的潛在養(yǎng)分，直接影響著土壤的團粒結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)及保水保肥能力，并決定著土壤的抗逆性能和緩沖性能[21]；氮是影響植物生長最重要的養(yǎng)分限制因子[22]，其中堿解氮含量與土壤氮養(yǎng)分盈余直接呈正相關(guān)關(guān)系[23-24]，是反映土壤中氮素供應(yīng)的重要指標(biāo)；磷素以多種途徑參與植物體內(nèi)的新陳代謝活動，速效磷對于判斷土壤的磷素供應(yīng)狀況具有重要意義；速效鉀是土壤中活性最高的鉀，能很快地被植物吸收[25]。由于供試河道底泥養(yǎng)分含量較高，因此添加底泥后各處理中土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀含量顯著增加，與薄錄吉等[26]、朱廣偉等[27]的研究結(jié)果一致。

河道底泥中除豐富的有機質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分外，還含有一定量的重金屬，添加到土壤中后，若使土壤重金屬含量增加到一定水平，將導(dǎo)致土壤污染，影響植物生長。本試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)啄嗵砑颖壤_到50%時，土壤全Cd含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2008)二級標(biāo)準(zhǔn)，原因是供試底泥中本身Cd含量較高，高比例的底泥添加使進入土壤的重金屬較多。R Ganet等[7]的研究也發(fā)現(xiàn)湖庫底泥施用增加了農(nóng)田土壤重金屬含量，相關(guān)性分析表明重金屬含量與底泥添加比呈顯著正相關(guān)，尤其有效態(tài)重金屬是植物可直接吸收利用的部分，毒性較強，若其在土壤中的含量較高，將影響植物的生長發(fā)育[28-29]。

另外，土壤微生物生物量也是反映土壤質(zhì)量的一個重要指標(biāo)[30]，能夠為土壤質(zhì)量變化提供快速準(zhǔn)確的信息[31]，常用來指示土壤肥力和土壤健康狀況，通常質(zhì)量較好的土壤中含有較多的土壤微生物生物量。河道底泥添加后，土壤養(yǎng)分顯著增加，肥力狀況改善，因此微生物量C和N得到增加。T3處理中土壤微生物生物量開始下降，可能是由于底泥施用比例過高，土壤全Cd濃度較大而使土壤微生物生物量受到抑制。有研究表明，人類活動引起的土壤重金屬濃度升高對土壤微生物生物量有明顯的抑制作用[9-10,32]。張彥等[9]的研究表明，低濃度條件下，土壤重金屬對土壤微生物生物量無顯著影響，但閻姝等[33]的研究發(fā)現(xiàn)，與未受污染的土壤相比，重金屬污染條件下農(nóng)田土壤微生物生物量碳和氮顯著降低。張涪平等[34]的研究也表明，污染條件下，土壤微生物量碳、氮隨土壤重金屬含量的增加而逐漸降低。

4 結(jié)論

不同比例河道疏浚底泥添加后土壤理化性質(zhì)及土壤微生物生物量C和N的變化表明，河道疏浚底泥的添加能夠改善土壤持水性能，使土壤飽和含水率增加4.2%～14.7%，持水時間延長1d～8d，底泥的施用量越大土壤飽和含水率越高，持水時間越長；底泥添加后土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀含量顯著增加，土壤微生物生物量C和N分別增加15.5%～35.8%和39.8%～66.1%。但底泥與土壤混合比例達到1:1時，全量Cd含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2008)二級標(biāo)準(zhǔn)，有效態(tài)Cd含量也較高，土壤微生物生物量C和N開始下降，表明高比例的底泥添加使進入土壤的重金屬較多，并且抑制了土壤微生物生物量。因此，在利用河道疏浚底泥改善土壤質(zhì)量時應(yīng)控制好添加比例，避免重金屬的輸入可能帶來的土壤污染問題。

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Effects of Dredged Sediments Utilization in Agriculture on Soil Quality

YANG Dan1, FAN Xin-ke2, LIU Yan1

(1.College of Biological and Environmental Engineering, Guiyang University, Guiyang 550005, China; 2.PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550083, China)

In order to study the effect of dredged sediment utilization on soil quality, a simulation experiment was conducted, in which different proportions of dredged sediments were added to soil, and the response of soil physic-chemical properties, soil microbial biomass C and N were analyzed. The results showed that after dredged sediment utilization the saturated soil moisture content increased by 4.2%～14.7%, soil water-holding time prolonged 1 d～8 d. The results also indicated that soil nutrients and heavy metals content had significantly positive correlations with dredged sediments additive proportion. Soil microbial biomass C (MBC) and N (MBC) increased by 15.5%～35.8% and 39.8%～66.1% respectively. When the mix proportion of dredged sediment and soil reached 1:1, the content of total Cd in soil was higher than the standard value of Soil Environmental Quality Standard (GB15618-2008), and the available Cd content was higher than other treatments. Soil MBC and MBN started to decrease under this treatment. Therefore, dredged sediment utilization could improve water holding capacity of soil and increased soil nutrient, but a high proportion of dredged sediments addition would cause soil pollution. The additive proportion should be well controlled while dredged sediments were utilized in improving soil quality.

Dredged Sludge; Water-holding Capacity; Available Nutrient; Heavy-metal; Soil microbial biomass

2016-06-08

貴州省科學(xué)技術(shù)基金:“貴州省河道疏浚底泥污染與防治對策研究”(項目編號：黔科合J字[2013]2299號)；貴州省科學(xué)技術(shù)聯(lián)合基金：“河道底泥在貴州石漠化生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用研究”(項目編號：黔科合LH字[2014]7180號)；貴州省重點學(xué)科—生態(tài)學(xué)(項目編號：ZDXK[2013]08)資助。

楊 丹(1982-)，女，貴州興義人，高級工程師、博士。主要研究方向：農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境質(zhì)量評價與污染防治。

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1673-6125(2016)03-0050-06