城市污泥與園林廢棄物堆肥混合添加對土壤改良的影響

司莉青,陳利民,鄭景明,周金星,彭霞薇(.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 00083； .北京奧北美林生物菌肥研究中心，北京 008)

由于長期人為干擾和日常管護(hù)不足，城市土壤退化嚴(yán)重，存在pH高、可利用養(yǎng)分含量低、質(zhì)地粘重、土壤板結(jié)等問題[1-3]。例如，北京城區(qū)各類型土壤的pH均大于8.0，有機(jī)質(zhì)、全氮含量顯著低于山地自然土壤，部分微量元素與山地土壤有明顯差異，土壤質(zhì)量有待改善[4]。改善城市土壤的途徑之一為有利于調(diào)整土壤結(jié)構(gòu)、增加其養(yǎng)分含量的各類有機(jī)肥料和添加劑，如有機(jī)堆肥、污泥等[5]。現(xiàn)階段園林廢棄物堆肥和城市污泥堆肥的資源化利用在國內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可[5-6]，堆肥后的園林廢棄物可作為肥料和土壤的調(diào)節(jié)劑，具有碳含量豐富且質(zhì)地疏松的特點(diǎn)；而質(zhì)地稠密的污泥含有植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，但其中較高的重金屬含量如不加處理則可能限制其利用。理論上，二者的合理混合利用能相互取長補(bǔ)短，從而提高堆肥的產(chǎn)品質(zhì)量，增加其改良土壤效果。目前對兩種廢棄物混合利用的研究已成為一種發(fā)展趨勢[7]，但相關(guān)研究還比較少。如何科學(xué)地調(diào)配污泥與園林廢棄物堆肥比例，研究其對土壤及植物的改良效果，是實(shí)踐中急需解決的問題。

污泥與園林廢棄物經(jīng)過合理的堆肥化處理后用于草坪或林地，可以改善植物生長的土壤條件。污泥還可以提高草坪草的抗逆性，可能是由于污泥含有多種營養(yǎng)元素和生物活性物質(zhì)[8]。研究表明，施用污泥與廢棄物混合堆肥，可以改善土壤的物理性質(zhì)，提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)土壤涵養(yǎng)水分，維持土壤溫度，減少土壤侵蝕和地表徑流[9-11]。雖然施加污泥可能會(huì)帶來重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，但利用植物對土壤的修復(fù)作用，特別是其對重金屬的吸附作用，可能達(dá)到降低污染風(fēng)險(xiǎn)、改良城市土壤的綜合效果。例如，利用超富集植物來修復(fù)重金屬污染地段[12]。但是超積累植物種并不多見，研究常見草種對重金屬的耐受能力及吸收能力，對于確定合理的含重金屬的堆肥施用量更具有現(xiàn)實(shí)意義。因此，本研究選取北京市常用綠化植物高羊茅(Festucaarundinace)為試驗(yàn)對象，用污泥與園林廢棄物產(chǎn)品以不同比例混合作為植物生長基質(zhì)，并設(shè)置不同的施用量進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)，探討兩者混合物對土壤改良的效果，同時(shí)監(jiān)測土壤的重金屬含量對植物的影響，為北京城市污泥與園林廢棄物的科學(xué)、安全、合理利用提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)，推動(dòng)園林廢棄物與污泥的循環(huán)利用。

1 材料和方法

1.1 材料

供試植物為市場購買的高羊茅，品種為獵狗5號(Houndog 5)，發(fā)芽率≥90%。城市污泥無害化產(chǎn)品(簡稱污泥)為北京市排水集團(tuán)提供的污泥堆肥產(chǎn)品，全氮和全磷含量分別為0.23和11.19 mg·g-1，pH 7.49，Pb、Cr、Cu和Zn含量分別為23.76、47.81、309.63、552.20 mg·kg-1。園林廢棄物堆肥產(chǎn)品(簡稱園肥)為北京奧北美林生物菌肥研究中心提供的園林廢棄物堆肥，全氮和全磷含量分別為0.17和9.89 mg·g-1，pH 9.14。盆栽試驗(yàn)的土壤取自北京市昌平區(qū)，土壤類型為潮土，養(yǎng)分含量較低，全氮和全磷含量分別為0.01和2.27 mg·g-1，pH 8.13。

1.2 方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 盆栽試驗(yàn)時(shí)間為2015年6-10月，采用口徑16 cm，高11 cm的塑料盆，將污泥與園肥裝盆時(shí)直接拌入盆栽土中。實(shí)驗(yàn)露天進(jìn)行，每盆播種200 粒高羊茅種子(高羊茅實(shí)際草坪播種量為0.045～0.050 kg·m-2，根據(jù)花盆面積為0.01 m2、高羊茅千粒重為0.002 kg左右計(jì)算，故每盆播種量約為200 顆)，每天定時(shí)、定量澆水，保持土壤水分充足。試驗(yàn)設(shè)置的4種混施配比分別為GF(100%園肥，C/N=15.9)、SSG-1(污泥和園肥體積比1∶3，C/N=12.5)、SSG-2(污泥和園肥體積比1∶1，C/N=11.9)、SS(100%污泥，C/N=9.9)。將每種配比的土肥混合物按照從低到高確定施用量，均有4個(gè)梯度(占花盆體積百分比)，分別為T1(施加量25%)、T2(施加量50%)、T3(施加量75%)、T4(施加量100%)；另外以100%的土壤為對照(CK)。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共計(jì)4種配比×4個(gè)施用量處理×3個(gè)重復(fù)+3盆對照=51盆。

1.2.2指標(biāo)測定及方法 土壤養(yǎng)分的測定：2015年6月1日將土肥混合物裝入花盆靜置，6月28日在花盆內(nèi)隨機(jī)取土3次，作為試驗(yàn)前土壤，播種10月1日試驗(yàn)完成，將整個(gè)花盆土壤全部倒出均勻取樣，進(jìn)行測定分析。土壤樣品風(fēng)干后過0.5 mm篩，裝袋保存，作分析用。土壤全氮、全磷采用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3，德國SEAL)；全鉀采用原子吸收光譜儀(TAS-990AFG，北京普析通用)；有機(jī)質(zhì)采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化法[12]；速效磷采用鉬銻抗比色法[13]。土壤物理性質(zhì)測定：稱取過2 mm篩的風(fēng)干土樣0.002 kg于50 mL的三角瓶中，加入10 mL的去離子水，得到水土之比為5∶1的懸濁液，封口振蕩30 min，用電導(dǎo)儀(MP521，上海三信)測電導(dǎo)率；稱取過2 mm篩的風(fēng)干土樣0.01 kg于50 mL三角瓶中，加入25 mL去離子水，封口振蕩30 min，用玻璃電極測pH。Cu、Zn、Pb、Cr重金屬的測定：將土壤樣品風(fēng)干并研磨成粉末，并過0.15 mm篩。準(zhǔn)確稱取0.001 kg樣品，用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸(10∶5∶5∶3)消解后，所得溶液用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀(Prodigy XP，北京利曼)測定重金屬濃度。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

采用R 3.2進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、Origin 2015軟件作圖，數(shù)據(jù)分析方法為單因素方差分析，差異顯著的進(jìn)行Duncan組間多重比較，顯著性水平設(shè)為0.05；聚類分析采用最短距離法。

2 結(jié)果和分析

2.1 污泥與園肥混合施用對土壤養(yǎng)分的影響

盆栽試驗(yàn)前后，隨施加量的增加養(yǎng)分含量也增加，T3、T4處理與對照相比差異顯著(P<0.05)(表1)；試驗(yàn)后養(yǎng)分含量總體降低，其中速效磷和有機(jī)質(zhì)的所有處理達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。SSG-1和SSG-2各處理的全氮、全磷和速效磷含量所處范圍在種植植物前高于GF(100%園肥)和SS(100%污泥)，而試驗(yàn)過程中下降幅度大，剩余量低于純廢棄物添加的處理，說明混合之后降解速度加快，有利于植物吸收利用。

2.2 污泥與園肥混合施用對土壤電導(dǎo)率和pH的影響

試驗(yàn)后各處理的電導(dǎo)率均顯著降低(P<0.05)，而CK則無明顯變化(圖1)；各配比的電導(dǎo)率在試驗(yàn)前后均在T3處理組達(dá)到最高值，且園林廢棄物的T3組達(dá)到最大值；盆栽試驗(yàn)結(jié)束后，所有處理組均在3 ms·cm-1以下，T3處理仍為最大值，T1為最小值；試驗(yàn)前CK的電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于其他各處理組，而試驗(yàn)后則與各配比的T1處理組基本相等。

所有配比的基質(zhì)在試驗(yàn)前后均呈弱堿性，污泥與園林廢棄物堆肥并沒有產(chǎn)生過多的酸性物質(zhì)(如腐殖酸等)(圖2)；除了純污泥，其他配比下的pH在試驗(yàn)后均降低(除T1處理)，同時(shí)，污泥比例增加，各處理pH整體降低，稀釋了本研究所用潮土的堿性，說明混施有助于改善土壤pH，但也有可能有植物參與的作用。

2.3 污泥與園肥混合施用對土壤重金屬的影響

整體來看，試驗(yàn)后4種重金屬的含量均明顯低于試驗(yàn)前，且大部分處理達(dá)到了顯著水平(P<0.05)(圖3)，說明高羊茅對重金屬具有吸附作用。各種配比條件下，隨施加量的增加，Zn和Cu的含量增加，而Pb和Cr的含量則降低。而試驗(yàn)前后純園肥中的Pb的含量無明顯差異，其他配比下均顯著降低，說明加入園林廢棄物堆肥對Pb的活性有抑制作用。

2.4 污泥與園肥混合施用后土壤性質(zhì)與植物相互影響的分析

污泥與園林廢棄物堆肥以不同比例混合對高羊茅的生長影響更明顯，但混合物施用量較低時(shí)起促進(jìn)作用，較高時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的抑制作用，且當(dāng)二者的配比為1∶1 的低施用量條件下高羊茅的生長指標(biāo)最高[14]。本研究表明，土壤理化性質(zhì)及重金屬指標(biāo)和植物萌發(fā)與生物量指標(biāo)可以歸為3組。第1組為種子的發(fā)芽率、重金屬Cr以及不同處理的施加量；第2組為重金屬Pb與土壤性質(zhì)；第3組為重金屬Zn和Cu。

高羊茅種子的發(fā)芽率與廢棄物的施加量以及Cr的含量相關(guān)性大(圖4)。考察不同施肥處理下種子萌發(fā)率的情況，高羊茅種子的發(fā)芽率均在T1處理組達(dá)到最大值，且隨施加量的增加而顯著降低，Cr含量在各配比的T1處理組達(dá)到最大值，說明高羊茅種子的發(fā)芽率與Cr含量正相關(guān)，與施用量負(fù)相關(guān)；第2類中高羊茅的總生物量與土壤全氮含量相關(guān)性最大?？疾觳煌幚硐赂哐蛎├鄯e總生物量的情況，最大值出現(xiàn)在SSG-2的T1處理組，全氮含量也是所有處理中最大，說明土壤氮含量對高羊茅的生長有正向影響作用；第3組可以看出重金屬Zn和Cu與植物無相關(guān)性，觀察植物性狀也發(fā)現(xiàn)結(jié)果無明顯的正負(fù)響應(yīng)關(guān)系。

圖1 污泥與園肥混合施用對土壤電導(dǎo)率的影響Fig. 1 Effects of mixed application of sludge and garden fertilizer on soil conductivity

同一處理不同小寫字母表示試驗(yàn)前后差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters of same treatment indicate significant difference between the pre- and post-test at the 0.05 level.

圖2 污泥與園肥混合施用對土壤pH的影響Fig. 2 Effects of mixed application of sludge and garden fertilizer on soil pH

3 討論

本研究供試土壤為北京市昌平區(qū)的潮土，礦物養(yǎng)分含量豐富，但是氮磷鉀有機(jī)質(zhì)等貧乏，重金屬Cr、Pb含量較高；污泥與園林廢棄物作為改良基質(zhì)施加后，相比于對照，養(yǎng)分含量均明顯提高，有效改善了土壤的養(yǎng)分狀況；且兩種廢棄物混合相比于單一的廢棄物施加效果更加明顯，結(jié)合高羊茅發(fā)芽和生長的情況，說明混合后的養(yǎng)分含量更適合植物的生長。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，加入園林廢棄物使得污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)釋放規(guī)律發(fā)生變化，更有利于植物的長期吸收利用。此外，混合施用后速效磷的含量相比于對照提高了4倍左右，而全磷的含量在相同處理下相比于純污泥則有所降低，這與其他相關(guān)研究的結(jié)果一致[15]，降低了磷淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。

土壤的水分、鹽分、有機(jī)質(zhì)含量等會(huì)影響土壤的電導(dǎo)率，肥料的鹽度也可以用電導(dǎo)率值來反映。一般認(rèn)為，基質(zhì)提取液[樣品∶去離子水=1∶5(w/w)]電導(dǎo)率在 0.5～1.5 ms·cm-1內(nèi)鹽度適中，在1.5～2.0 ms·cm-1內(nèi)為高鹽度，大于2.0 ms·cm-1時(shí)為鹽度過高[16]。研究發(fā)現(xiàn)，NaCl鹽脅迫處理時(shí)，花花柴(Kareliniacaspia)種子隨濃度的升高最終萌芽率逐漸降低[17]。本研究施用污泥與園林廢棄物堆肥的各個(gè)處理組均處于高鹽度范圍，但種植高羊茅后電導(dǎo)率均有所降低，且大部分都在2.0 ms·cm-1以下。土壤鹽分過高對植物生長會(huì)起到抑制作用，如T3處理組，而鹽分過低則植物生長所需有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)無法提供，如對照組。但長期施用是否會(huì)引起鹽分積累還需進(jìn)一步監(jiān)測，以防鹽分積累過高形成土壤次生鹽漬化，產(chǎn)生燒苗現(xiàn)象。

圖3 污泥與園肥混合施用對土壤重金屬含量的影響Fig. 3 Effects of mixed application of sludge and garden fertilizer on soil heary metal

不同小寫字母表示同一配比不同處理間差異顯著(P<0.05);不同大寫字母表示同一處理試驗(yàn)前后差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant difference among differe nt treatments of the same ratio at the 0.05 level. Different capital letters indicate significant difference between pre- and post-test.

圖4 土壤性質(zhì)與植物生長指標(biāo)的聚類分析Fig. 4 Cluster analysis on soil properties and plant growth index

限制污泥土地利用的重要因素之一是其重金屬含量，而重金屬最容易累積污染的地方是城市土壤[18]，因此污泥的質(zhì)量和施用量尤為關(guān)鍵。本研究使用的城市污泥Zn含量較高，可能是由于排水管道使用鍍鋅管造成的，而Cu、Pb、Cr的含量未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)(保障植物正常生長的土壤臨界值)，所以一次適量混合施用不會(huì)造成土壤重金屬污染。重金屬元素隨污泥與園林廢棄物堆肥的施入也進(jìn)入土壤，隨施用量的增加土壤中重金屬元素含量也會(huì)增加。因?yàn)楸狙芯康膶φ胀寥乐蠧r和Pb濃度較高，加入吸附力較強(qiáng)的園林肥后反而對Cr和Pb有一定的稀釋作用。同時(shí)，高羊茅作為北京城市園林綠化中常見的草坪草，對污染土壤重金屬有一定的吸收能力。種植高羊茅后，土壤中的重金屬濃度均有不同程度的降低，尤其是Pb的含量在試驗(yàn)后下降較為顯著，Zn和Cr次之，而Cu含量下降不明顯；說明高羊茅對不同重金屬的富集作用效果不同。有研究表明，長期使用消化污泥的土壤來進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，Cu、Zn全量以及有效態(tài)的濃度會(huì)顯著提高，與未施用污泥的對照相比，酸浸提態(tài)、還原態(tài)和氧化態(tài)金屬的相對含量較大[19]。還有研究表明,重金屬的形態(tài)對于植物對其的吸收利用有很大的影響。所以各種重金屬在土壤中的存在形態(tài)(如植物可利用態(tài))，可能比重金屬總的含量更重要[20]。pH、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量等是影響土壤中重金屬形態(tài)的主要因素[21-23]，能夠影響其在土壤中的移動(dòng)性和生物有效性[24]。本研究只是對高羊茅進(jìn)行了短期的盆栽試驗(yàn)，若要進(jìn)行長期林地施用，則應(yīng)對重金屬的總量和各種形態(tài)進(jìn)行分析，對各重金屬浸出的風(fēng)險(xiǎn)大小進(jìn)行監(jiān)測。

在廢棄物堆肥對植物生長的影響方面，本研究結(jié)果表明，種子發(fā)芽率與Cr的含量密切相關(guān)，而當(dāng)Cr含量較高時(shí)，發(fā)芽率低，二者表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤中的有機(jī)質(zhì)對Cr的吸附與螯合作用以及土壤中六價(jià)Cr還原為三價(jià)Cr具有促進(jìn)作用，在中性和堿性條件下，Cr3+以Cr(OH)3的形態(tài)沉淀[25]。本研究中，加入廢棄物后盆栽土壤的有機(jī)質(zhì)含量升高且pH均為堿性，兩者共同作用使得高羊茅發(fā)芽率增加；但并非有機(jī)質(zhì)越高、pH越大，發(fā)芽率就越高，其他重金屬對種子萌發(fā)也有著影響。本研究只推斷高羊茅的發(fā)芽跟重金屬Cr含量關(guān)系密切，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，尚無法解釋重金屬對植物生長的影響機(jī)理和作用方式，此方面有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

本研究以污泥與園林廢棄物堆肥按不同體積配比(1∶0、1∶3、1∶1和0∶1)混合作為改良基質(zhì)，分析其對種植高羊茅后盆栽土壤的改良以及對植物的影響。研究結(jié)論如下：

1)園林廢棄物與純污泥1∶1混合后，土壤pH顯著降低；混合物作為改良基質(zhì)加入后，土壤電導(dǎo)率先升高后降低至正常范圍。廢棄物堆肥施加可以改善土壤的鹽分狀況，且并未造成鹽分的累積。2)混合施用園林廢棄物與污泥后，土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯提高，尤其是速效磷含量增加顯著。這說明混合施用促進(jìn)了土壤微生物的作用，從而增加了土壤中磷的活性。3)混合物施用后，土壤重金屬Cr、Pb、Zn、Cu含量均降低，尤其是Pb的含量變化明顯，表明高羊茅對土壤重金屬有一定的吸附能力；高羊茅吸收Pb的能力最強(qiáng)，Zn、Cr次之，Cu最弱。

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