史亞平,于海洋,宋開(kāi)付,馬 靜,徐 華*
城市污泥堆肥與氮肥配施對(duì)稻田CH4和N2O排放及水稻重金屬含量的影響①
史亞平1,2,于海洋1,2,宋開(kāi)付1,2,馬 靜1,徐 華1*
(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所),南京 210008;2中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
隨著城市污泥量的日益增大,污泥農(nóng)用備受關(guān)注。本研究通過(guò)田間原位試驗(yàn),以水稻為研究對(duì)象,觀測(cè)氮肥與污泥堆肥以不同比例(1︰0、0.75︰0.25、0.5︰0.5、0︰1)配合施用對(duì)稻田CH4和N2O排放以及植物重金屬累積的影響。結(jié)果表明:隨著污泥堆肥施用比例的增加,稻田CH4排放呈線性增加(<0.05,=0.967)。與施全量氮肥處理相比,施全量污泥堆肥處理顯著增加CH4排放118%(<0.05),而配施處理的CH4排放僅增加30% ~ 34%(>0.05)。與CH4相反,稻田N2O排放隨著污泥堆肥施用比例的增加而逐漸減少,與施全量氮肥處理相比,施全量污泥堆肥處理減少N2O排放39%(<0.05),配施處理N2O排放減少29% ~ 38%(<0.05)。施全量污泥堆肥處理的溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)與施全量氮肥處理相當(dāng),而配施處理的GHGI比施用全量污泥堆肥處理減少18% ~ 24%(<0.05)。各處理水稻產(chǎn)量無(wú)顯著差異(>0.05),各處理稻米中重金屬含量均在國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)。與施全量氮肥處理相比,施全量污泥堆肥處理稻米中Zn、Cr、Cu含量分別增加42%(<0.05)、103%(>0.05)和12%(>0.05),而配施處理稻米中的Zn、Cr、Cu含量分別增加19% ~ 27%(<0.05)、14% ~ 33%(>0.05)和4% ~ 7%(>0.05);Ni在稻米中未檢出;施全量污泥堆肥處理與配施處理稻米中的Cd含量相當(dāng),相對(duì)于施全量氮肥處理均增加了33%(>0.05)。但各處理上述重金屬含量均未超過(guò)食品安全標(biāo)準(zhǔn)。綜合以上研究結(jié)果,污泥堆肥與氮肥配施可作為稻田污泥堆肥推薦施用方式,但需要監(jiān)測(cè)土壤重金屬積累動(dòng)態(tài)。
尿素;污泥堆肥;稻田;甲烷;氧化亞氮;重金屬
隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和城市污水處理效率的提高,城市污泥產(chǎn)量也不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)城市污泥的年產(chǎn)量約為3 000 ~ 4 000萬(wàn)t[1],污泥處理處置成了亟待解決的重要問(wèn)題。城市污泥農(nóng)用是污泥資源化處置的有效方法之一[2]。我國(guó)污泥土地利用占污泥處理處置途徑的48%,其中農(nóng)用占44.83%[3]。城市污泥經(jīng)堆肥化處理后,病原菌、寄生蟲(chóng)卵等幾乎全部被殺死,重金屬含量也會(huì)降低,速效養(yǎng)分含量有所增加,所以將污泥經(jīng)過(guò)堆肥后農(nóng)用將成為我國(guó)今后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)污泥無(wú)害化、資源化、減量化的最合理的方式[4-5]。我國(guó)城市污泥堆肥中有機(jī)質(zhì)含量高[2],但是在堆肥過(guò)程中,氮素會(huì)大量損失,大大降低了堆肥的農(nóng)用價(jià)值,進(jìn)而限制了污泥堆肥的使用。污泥堆肥單方面施用可能達(dá)不到化肥或氮肥施用的效果,于是發(fā)展出污泥堆肥與化肥或氮肥配施的方式[6]。研究表明,施用污泥堆肥并適當(dāng)施用化學(xué)肥料以補(bǔ)充其所缺少的成分,可使土壤中有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量及作物產(chǎn)量增加[7-8]。
水稻是我國(guó)三大糧食作物之一,也是溫室氣體排放重要源。有機(jī)肥種類(lèi)和用量是影響稻田溫室氣體排放的重要因素。有研究表明,與單施化肥相比,單施綠肥、綠肥與化肥配施會(huì)導(dǎo)致稻田溫室氣體排放量增加[9];豬廄糞與化肥配施相比于單施化肥會(huì)顯著降低稻田的CH4和N2O排放,而牛廄肥、小麥秸稈分別與化肥配施相比于單施化肥增加了稻田CH4的排放,減少了N2O排放[10]。污泥堆肥中含有大量有機(jī)質(zhì),必然會(huì)影響稻田溫室氣體排放,而目前關(guān)于污泥堆肥施用及其與施用氮肥配施對(duì)稻田溫室氣體排放的影響還未見(jiàn)報(bào)道。
此外,污泥堆肥在堆腐發(fā)酵過(guò)程中會(huì)添加木屑、秸稈、菌劑等輔料,由于稀釋作用,降低了堆肥重金屬含量。并且研究發(fā)現(xiàn),污泥經(jīng)過(guò)堆肥處理后,Cd含量有所降低,Cr和Zn的總量也降低約50%[11]。但其施用于農(nóng)田中可能仍會(huì)引起土壤和作物中重金屬含量增加,最終危害人體健康。將污泥堆肥施于玉米田中發(fā)現(xiàn)土壤重金屬含量大于不施肥處理,且土壤中重金屬含量隨著城市污泥堆肥量的增加而增加[12];而將污泥堆肥全量施用于水稻田后發(fā)現(xiàn)水稻不同生育時(shí)期稻田土壤Cu、Zn和Pb含量顯著增加,但水稻籽粒中重金屬含量變化不大[13]。相對(duì)于污泥堆肥全量施用,將污泥堆肥與氮肥配施,既減少了污泥堆肥的施用量,同時(shí)也滿足了作物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需求,土壤及作物中重金屬積累量也必然會(huì)減少,而有關(guān)這方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。
本試驗(yàn)通過(guò)將不同比例的污泥堆肥和氮肥配施,研究其對(duì)稻田CH4和N2O排放、水稻產(chǎn)量以及重金屬含量的影響,進(jìn)而為污泥堆肥農(nóng)用的安全和適宜用量提供科學(xué)依據(jù)。
田間試驗(yàn)于2017年6月至11月在江蘇省句容市白兔鎮(zhèn)稻麥輪作田(31°58' N,119°18' E)進(jìn)行。供試土壤為發(fā)育于下蜀黃土的爽水性水稻土,土壤全碳含量為11.5 g/kg,全氮含量為1.3 g/kg。污泥堆肥的理化性質(zhì)見(jiàn)表1[14]。
表1 供試污泥堆肥的理化性質(zhì)
注:TOC為總有機(jī)碳;TN為總氮;TP為總磷;TK為總鉀。
本試驗(yàn)在前期試驗(yàn)[14]的基礎(chǔ)上針對(duì)氮肥和污泥堆肥配施的用量增加了不同比例配施處理,共5個(gè)處理,分別是:①CK:對(duì)照,尿素用量和污泥堆肥量都為0 kg/hm2(以N計(jì),下同);②U:全量氮肥處理,尿素氮施用量為240 kg/hm2;③U7.5O2.5,25% 的污泥堆肥氮與75% 的尿素氮配施,合計(jì)用氮量240 kg/hm2;④U5O5,50% 的污泥堆肥氮與50% 的尿素氮配施,合計(jì)用氮量240 kg/hm2;⑤O:全量污泥堆肥處理,污泥堆肥氮240 kg/hm2。每個(gè)處理3次重復(fù)。
污泥堆肥均作為基肥(按照不同處理基肥的比例)在6月下旬一次性施入,與0 ~ 20 cm原土壤混合翻施;而U、U7.5O2.5和U5O5處理氮肥施用量按基肥∶分蘗肥∶穗肥=2∶1∶1施用(施用時(shí)間分別為2017年6月26日、7月13日和8月10日)。其中,U7.5O2.5處理中基肥不足的氮量用尿素補(bǔ)足;O處理污泥堆肥做為基肥一次性施用,不施分蘗肥和穗肥。各處理磷肥和鉀肥作為基肥一次性施用,施用量為:過(guò)磷酸鈣(Ca(H2PO4)2)450 kg/hm2,氯化鉀(KCl)225 kg/hm2。本試驗(yàn)所用污泥堆肥主要以廢棄有機(jī)物料混合污泥厭氧發(fā)酵而成。供試水稻為揚(yáng)寧3號(hào),于2017年6月26日移栽,11月1日收獲。水稻生長(zhǎng)季田間水分管理與當(dāng)?shù)爻R?guī)一致,為間歇灌溉,即前期淹水(6月25日—7月17日)、中期烤田(7月20日—7月30日)、后期干濕交替(7月31日—9月22日)。
參考文獻(xiàn)[14]。
本試驗(yàn)5個(gè)處理稻田CH4的排放規(guī)律一致(圖1)。CH4排放通量在移栽初期緩慢上升,于移栽后22 d左右達(dá)到第一個(gè)峰值;于烤田期間迅速降低;于復(fù)水期間再次產(chǎn)生,并在移栽后65 d左右達(dá)到另一個(gè)峰值。CK、U、U7.5O2.5、U5O5、O處理CH4排放的兩次峰值分別為7.33、5.61、6.73、9.52、18.80 mg/(m2·h) 和2.57、2.31、3.33、2.94、4.77 mg/(m2·h);CH4排放通量于干濕交替期間再次降低,幾乎為0,且各處理CH4排放通量無(wú)顯著差異。與U處理相比,O處理CH4排放增加118%(0.05),而U7.5O2.5和U5O5處理CH4排放分別增加30% 和34%(0.05)(表2),即配施處理CH4排放顯著小于污泥堆肥全量施用。
5個(gè)處理的土壤氧化還原電位Eh也呈現(xiàn)一致的規(guī)律(圖2)。Eh在水稻移栽初期至持續(xù)淹水期間都很低,處于低氧化還原電位狀態(tài)(–180 ~ –146 mV);烤田期間,土壤Eh迅速升高(82 ~ 227 mV);烤田后復(fù)水時(shí)期,其值又再次降低;田面干濕交替直至排水落干期間,土壤Eh逐漸增加。水稻生長(zhǎng)季CK、U、U7.5O2.5、U5O5、O處理Eh平均值分別為–39、–39、–37、–37、–107 mV,與其CH4排放量呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05,=-0.949)。
圖1 水稻生長(zhǎng)季CH4排放通量的季節(jié)變化
表2 水稻生長(zhǎng)季 CH4 和N2O 排放量、水稻產(chǎn)量、綜合溫室效應(yīng)及溫室氣體排放強(qiáng)度
注:表中同列數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母不同表示處理間差異在<0.05水平顯著,下同。
5個(gè)處理的N2O排放通量也呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)(圖3)??咎锲陂g,N2O排放通量迅速增加并達(dá)到峰值,CK、U、U7.5O2.5、U5O5、O處理的峰值分別168、2 859、2 555、2 163、1 956 μg/(m2·h)(以N計(jì)),烤田期間的排放量分別占整個(gè)稻季的98%、97%、98%、94%、99%;其他時(shí)期,各處理N2O排放通量均較小。與U處理相比,O處理N2O排放減少39%(<0.05),而U7.5O2.5和U5O5處理N2O排放分別減少29% 和38%(<0.05)(表2)。水稻生長(zhǎng)季土壤中氮素的主要存在形態(tài)為NH4+-N,其含量顯著高于土壤NO– 3-N含量;O處理NO– 3-N含量峰值最大,U5O5處理NH4+-N含量最大;施用全量污泥堆肥以及堆肥配施處理生長(zhǎng)期內(nèi)NH4+-N、NO– 3-N總量大于CK和U處理(圖4)。5個(gè)處理N2O排放與NH4+-N、NO– 3-N含量無(wú)顯著相關(guān)性(>0.05)。
圖2 水稻生長(zhǎng)季土壤Eh變化
圖3 水稻生長(zhǎng)季N2O排放通量的季節(jié)變化
圖4 水稻生長(zhǎng)季土壤NH4+-N、NO– 3-N含量的季節(jié)變化
如表2所示,O與U處理水稻產(chǎn)量相當(dāng),均比CK高約19%(<0.05);與U處理相比,U7.5O2.5、U5O5處理水稻產(chǎn)量都增加了5%(>0.05)。與CK相比,稻季施肥顯著增加稻季綜合溫室效應(yīng)(GWP)及溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)(0.05);U和O處理GWP和GHGI相當(dāng)(>0.05),而相對(duì)于U處理,配施污泥堆肥與氮肥處理(U7.5O2.5、U5O5)卻顯著減少GWP 14% ~ 21%(<0.05)、GHGI 18% ~ 24%(<0.05)。
重金屬在水稻植株不同部位的含量不同:Cr、Cd含量在水稻植株各部位的順序?yàn)槎?殼>米;Ni含量在水稻植株各部位的順序?yàn)闅?稈>米;Cu、Zn含量在水稻植株各部位的順序?yàn)闅?米>稈(表3)。各重金屬在水稻植株的累積量基本隨污泥堆肥施用量增加而增加。稻米中,相較U處理,U7.5O2.5、U5O5、O處理Cr含量分別增加14%、33%、106%(>0.05),Cu含量分別增加4%、7%、12%(>0.05),Zn含量分別增加19%、27%、42%(>0.05),Cd含量均增加33%(>0.05),Ni含量在米中均未檢出。污泥堆肥與氮肥配施處理稻米中的重金屬含量均小于污泥堆肥全量施用處理(>0.05)。根據(jù)GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》[15]:Cd≤0.2 mg/kg、Cr≤1.0 mg/kg、Ni≤1.0 mg/kg、Zn≤50 mg/kg、Cu≤10 mg/kg,本試驗(yàn)所有處理稻米中重金屬含量都在國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)。
污泥堆肥中有機(jī)物質(zhì)含量較多,它們?cè)谕寥乐薪?jīng)過(guò)微生物的分解、轉(zhuǎn)化產(chǎn)生大量的維生素、腐殖酸物質(zhì)和激素[16],促進(jìn)作物生長(zhǎng)[12]。有研究表明,施用城市污泥復(fù)合肥在小麥和玉米生產(chǎn)中的增產(chǎn)效果優(yōu)于化肥[19-20]。污泥堆肥和氮肥配施對(duì)作物產(chǎn)量的影響未見(jiàn)報(bào)道。而大量研究表明,有機(jī)肥(牛糞肥、紫云英+稻草、紫云英+豬糞、商品有機(jī)肥)與氮肥配施能增加土壤中有機(jī)質(zhì)、各養(yǎng)分含量,從而增加水稻產(chǎn)量,其增產(chǎn)效果優(yōu)于有機(jī)肥全量施用以及氮肥全量施用[8,19-20]。本試驗(yàn)中污泥堆肥與氮肥配施處理的增產(chǎn)效果既大于全量氮肥施用處理,也大于全量污泥堆肥施用處理,主要因?yàn)榕涫┨幚碓谖勰喽逊首鳛榛室淮涡允┯玫幕A(chǔ)上還在作物生長(zhǎng)發(fā)育旺盛時(shí)期追施氮肥,這一措施既為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供了充足的有機(jī)質(zhì),還及時(shí)為作物的快速生長(zhǎng)提供了充足的氮肥。
以往大量研究表明,施用有機(jī)肥可以促進(jìn)稻田CH4排放[19-26]。有機(jī)肥不僅為土壤產(chǎn)甲烷菌提供豐富的產(chǎn)甲烷基質(zhì),有機(jī)肥的分解還消耗淹水土壤中O2、降低土壤Eh,為產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境條件,從而促進(jìn)稻田CH4的產(chǎn)生和排放[25]。污泥堆肥中含有大量有機(jī)質(zhì)(表1),施用后土壤Eh降低(圖2),促進(jìn)CH4排放(表2)。相對(duì)于污泥堆肥全量施用處理,污泥堆肥與氮肥配施處理減少了污泥堆肥施用量,稻田CH4排放量也隨之減少(表2)。
表3 重金屬在成熟期水稻植株不同部位的分布 (mg/kg)
有機(jī)肥對(duì)稻田N2O排放的影響較為復(fù)雜,可能與其碳氮組成及供氮能力有關(guān)[27]。城市污泥堆肥后,其可溶性有機(jī)碳含量增高(表1),翻耕施入稻田土壤后,導(dǎo)致土壤Eh下降,趨近于還原電位(圖2),不利于硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化作用,反而利于反硝化細(xì)菌進(jìn)行反硝化作用,從而降低了N2O/N2比率[27,29],最終導(dǎo)致N2O排放量的降低(表2)。相對(duì)于污泥堆肥全量施用處理,污泥堆肥與氮肥配施處理中的氮肥可為硝化和反硝化作用提供充足的反應(yīng)底物,從而增加N2O的排放(表2)。
稻田CH4與N2O排放存在互為消長(zhǎng)的關(guān)系[27],評(píng)估農(nóng)業(yè)措施時(shí)必須同時(shí)考慮對(duì)這兩種溫室氣體的綜合影響。與氮肥全量施用處理相比,污泥堆肥與氮肥配施處理N2O減小的增溫潛勢(shì)大于CH4增加的增溫潛勢(shì),總體上減少綜合溫室效應(yīng)14% ~ 21%;與全量污泥堆肥施用處理相比,污泥堆肥與氮肥配施處理CH4減小的增溫潛勢(shì)大于N2O增加的增溫潛勢(shì),總體上減少綜合溫室效應(yīng)14% ~ 20%(表2)。污泥堆肥與氮肥配施既有利于增產(chǎn),也有利于溫室氣體減排。
污泥農(nóng)用一直飽受爭(zhēng)議,因?yàn)槲勰嘀泻写罅康闹亟饘伲词乖诙逊屎笠膊荒苋コ齕30]。污泥堆肥施入土壤后存在一定的重金屬累積風(fēng)險(xiǎn),尤其是Zn、Cu等堆肥中含量較高且與土壤含量差異較大的重金屬累積風(fēng)險(xiǎn)更大。大量研究表明,水稻、小麥、大麥、油菜、蘿卜、青椒、青菜在施用污泥堆肥后,可食用部分中重金屬含量有所增加,但均低于國(guó)家食品污染物限量值,重金屬含量隨污泥堆肥施用量的減少而減少[31-33]。本研究中水稻不同部位重金屬含量基本隨著污泥堆肥量的增加而增加,各處理稻米的重金屬含量未超過(guò)國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)限值(表3),這說(shuō)明施用污泥堆肥短期內(nèi)重金屬累積風(fēng)險(xiǎn)較小,而長(zhǎng)期施用的風(fēng)險(xiǎn)還需要進(jìn)一步深入研究。此外,污泥堆肥與氮施配施處理的風(fēng)險(xiǎn)低于污泥全量施用處理,且有利于增產(chǎn)與溫室氣體減排,值得推薦。
污泥堆肥與氮肥配施處理,其水稻產(chǎn)量比全量氮肥及全量污泥堆肥施用處理高5%(>0.05);在稻季不改變溫室氣體的季節(jié)排放趨勢(shì),相對(duì)于全量污泥堆肥施用處理減少CH4排放39% ~ 41%(<0.05),相對(duì)于全量氮肥施用處理減少N2O排放29% ~ 38%(< 0.05);在全觀測(cè)期內(nèi),綜合溫室效應(yīng)、溫室氣體排放強(qiáng)度均顯著小于全量氮肥施用處理、全量污泥堆肥施用處理(<0.05)。稻米中,重金屬含量隨著污泥配施量的增加而增加。污泥堆肥與氮肥配施處理稻米中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd含量均小于全量污泥堆肥處理(Ni未檢出),且各重金屬含量都在食品安全限制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。
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Effects of Composted Sludge Combination with Urea on Greenhouse Gases Emissions from Paddy Soil and Heavy Metals Accumulation in Plant
SHI Yaping1,2, YU Haiyang1,2, SONG Kaifu1,2, MA Jing1, XU Hua1*
(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
With the increasing of municipal sludge, applying sludge in agriculture has been of great concern. A field experiment was conducted to investigate the effects of applying urea, composted sludge and its combination with urea on the methane and nitrous oxide emissions from paddy soils and heavy metals accumulation in soil and plant. Five treatments, i. e. , no fertilization (CK), urea(U), urea and composted sludge(U+O)with a ratio of 7.5︰2.5(U7.5O2.5), 5︰5(U5O5), and total composted sludge(O)were installed, and the N application rate in treatments U, U+O, and O was the same(N, 240 kg/hm2). As the amount of sludge compost increased, the emission of CH4increased linearly(<0.05,=0.967).Compared with treatment U, treatment O increased CH4emission by 118%(<0.05)and treatments U+O increased CH4emission by 30%–34%(>0.05). In contrast to the CH4, N2O emission reduced with the increasing composted sludge. Compared with treatment U, treatment O decreased N2O emission by 39%(<0.05), treatment U+O decreased by 29%–38%(<0.05). Treatments U and O had the same Greenhouse Gas Intensity(GHGI). Compared with treatment O, treatment U+O decreased GHGI by 18%–24%(<0.05). The rice yield was no significant difference among the treatments. Compared with treatment U, treatment O increased Zn by 42%(<0.05), Cr by 103%(>0.05), Cu by 12%(>0.05)in seed, treatment U+O increased Zn by 19%–27%(<0.05), Cr by 14%–33%(>0.05), Cu by 4%–7%(>0.05)in seed, Ni was not detected in seed. Compared with treatment U, treatments U+O and O increased Cd by 33%(>0.05). The heavy metal content in seed did not exceed the national standards. The combination of sludge compost and nitrogen fertilizer can be used as the recommended method for sludge compost in paddy field. But the soil heavy metal accumulation needs to be monitored.
Urea; Composted sludge; Paddy field; Methane; Nitrous oxide; Heavy metals
S511;X53
A
10.13758/j.cnki.tr.2020.01.016
史亞平, 于海洋, 宋開(kāi)付, 等. 城市污泥堆肥與氮肥配施對(duì)稻田CH4和N2O排放及水稻重金屬含量的影響. 土壤, 2020, 52(1): 113–118.
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0300105)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41671241;41571232)和中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所領(lǐng)域前沿項(xiàng)目(ISSASIP1652;ISSASIP1654)資助。
史亞平(1994—),女,安徽宣城人,碩士研究生,主要從事稻田溫室氣體排放研究。E-mail:ypshi@issas.ac.cn