川中丘陵區(qū)農(nóng)村生活污水資源化利用后的土壤養(yǎng)分特征

李 杉馬鑫文吳 勇高東東肖 杰

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院,四川 成都610059;2.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,四川 成都610000)

自農(nóng)村“廁所革命”以來(lái),四川省部分農(nóng)村生活環(huán)境有所改善,同時(shí)在某種程度上也導(dǎo)致了污水更加集中排放的現(xiàn)象,造成了環(huán)境困擾。三格化糞池具有操作簡(jiǎn)便,無(wú)害化處理效果好等特點(diǎn)[1],是農(nóng)村主要使用的廁改處理。生活污水經(jīng)過(guò)三格化糞池的充分水解后,其中蟲(chóng)卵等有害物質(zhì)的活性基本被消除,有機(jī)成分被降解為含氮磷等的無(wú)機(jī)組分。若將出水大量集中排放至土壤中,可能會(huì)超過(guò)土壤的環(huán)境容量;一部分可能進(jìn)入地下水,導(dǎo)致地下水水質(zhì)惡化。因此,經(jīng)處理后的生活污水是否可資源化地用于補(bǔ)充土壤中氮磷等組分是本文研究的主要問(wèn)題。前人[2]論述了農(nóng)村生活污水資源化利用的可行性,認(rèn)為資源化利用是農(nóng)村生活污水處理的終極目標(biāo)和最佳選擇,污水資源化利用首先應(yīng)發(fā)展灌溉。張?jiān)鰝サ萚3]使用將處理后的生活污水用于田間試驗(yàn)并對(duì)土壤的理化性質(zhì)變化進(jìn)行分析,結(jié)果表明隨土層深度增加,其有機(jī)質(zhì)含量與對(duì)照組相比降低了21%,但并未對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)組分的變化情況進(jìn)行研究。李欣[4]使用不同負(fù)荷的厭氧池處理生活污水,并將出水用于大田試驗(yàn),得出試驗(yàn)的最佳水力負(fù)荷為0.002 m3/(m2·d)的結(jié)論,發(fā)現(xiàn)若負(fù)荷繼續(xù)升高,地下水存在被污染的風(fēng)險(xiǎn)。Liu[5]回收生活污水,用其直接灌溉龍尾草,發(fā)現(xiàn)其對(duì)總磷、磷酸鹽、總氮、氨、COD和BOD的去除率分別為83.2%,82.3%,76.3%,96.2%,73.5%和85.8%。錢(qián)靖華等[6]使用活性污泥法處理生活污水,將其資源化利用于北京一生態(tài)度假村中,結(jié)果表明此方法可以減少灌溉用水量,每年可減少2.89×105m3地下水開(kāi)采量。綜上所述,研究農(nóng)村生活污水資源化利用對(duì)土壤養(yǎng)分的影響是有意義的。

目前對(duì)于川中丘陵地區(qū)生活污水資源化利用的研究不多[7-8],其中分析土壤養(yǎng)分三維變化特征的也較少[9-10]。故本文重點(diǎn)討論生活污水經(jīng)三格化糞池處理和資源化利用前后,不同用地類型土壤養(yǎng)分的三維變化特征。在綜合考慮主客觀因素的基礎(chǔ)上,結(jié)合層次分析法(AHP)[11]和主成分分析法(PCA)[12]計(jì)算各養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重,對(duì)生活污水不同施用處理的結(jié)果進(jìn)行評(píng)分,對(duì)不同深度的土壤層分別評(píng)分,對(duì)比土壤養(yǎng)分的變化特征,為農(nóng)村生活污水的無(wú)害化處理和資源化利用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省資陽(yáng)市安岳縣某農(nóng)村,地屬川中丘陵區(qū)(105°11′20″E,29°52′21″N)。區(qū)域海拔為380～450 m,地貌類型為淺切丘陵,稻田分布較為集中。研究區(qū)為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,四季分明,日照相對(duì)較少,多年平均氣溫7.3℃;無(wú)霜期313 d;相對(duì)濕度82%。域內(nèi)多年平均雨量958 mm。降雨量季節(jié)分配差異較大。區(qū)內(nèi)土壤主要為紫色土和水稻土。耕地土壤呈紅棕色,表層疏松多孔,通透性良好,耕植土層厚度約10—40 cm;林地土壤多為紫紅、紅棕色,土層孔隙度較小。通過(guò)走訪調(diào)查得知村內(nèi)缺乏排水系統(tǒng),雨水和污水直接排入房屋旁邊溝,沿邊溝或水泥路面排至就近的水體或土體中,對(duì)環(huán)境造成污染,直接威脅居民飲水、食品安全和水體環(huán)境健康。

1.2 研究方法

使用三格化糞池改善了研究區(qū)的生活環(huán)境。安裝三格式化糞池進(jìn)行厭氧處理,安裝集水池收集第三格出水。試驗(yàn)場(chǎng)所設(shè)在耕地和林地。布設(shè)管道后利用水泵將處理后的污水抽至耕地和林地進(jìn)行施用。試驗(yàn)前,對(duì)處理后的生活污水中的COD、氮磷和重金屬含量進(jìn)行檢測(cè);對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤各項(xiàng)指標(biāo)的背景值進(jìn)行檢測(cè)。

試驗(yàn)區(qū)耕地種植制度為夏季種植玉米(用水定額40 m3/hm2,保證率90%),秋季種植紅薯,冬季種植油菜;林地植物為香椿樹(shù)和雜草。耕地和林地分別設(shè)置6個(gè)和8個(gè)試驗(yàn)小區(qū)域,各區(qū)域有效面積4 m2,間隔1 m。耕地區(qū)設(shè)計(jì)3個(gè)處理(G1,G2,G0),其中G0為空白對(duì)照,即不做施用處理。G1,G2每次對(duì)應(yīng)的施用量分別為12.5和25 L/m2。林地試驗(yàn)設(shè)計(jì)4個(gè)處理(L1,L2,L3,L0),其中L0為空白對(duì)照,主要依賴天然降雨。L1,L2,L3每次對(duì)應(yīng)的施用量分別為12.5,25.0和37.5 L/m2。每個(gè)處理均設(shè)置2次重復(fù),分別在2021年7月30日、9月15日和10月15日施用,共3次,即G1和L1總施用量為37.5 L/m2,G2和L2總施用量為75 L/m2,L3總施用量為112.5 L/m2。施用結(jié)束后,于2021年11月29日采取土樣。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)實(shí)際情況和土壤性質(zhì),本研究對(duì)0—20 cm和20—40 cm土層深度分別進(jìn)行取樣研究。試驗(yàn)場(chǎng)地布置情況如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地布置示意圖

1.3 樣品采集與分析

每個(gè)樣品由5～7個(gè)子樣品混勻組成,2個(gè)重復(fù)處理區(qū)域的土樣混合為一個(gè)樣品。土樣經(jīng)自然風(fēng)干、磨碎后,分別過(guò)1 mm和0.074 mm篩備用,對(duì)其養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。全氮采用凱氏法;堿解氮采用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定法;全磷采用紫外分光光度法,速效磷采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀稀釋熱法;速效鉀采用醋酸銨浸取—火焰光度計(jì)法。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

使用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。結(jié)合綜合層次分析法(AHP)與主成分分析法(PCA)從對(duì)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià),本試驗(yàn)土壤養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表1。

表1 土壤養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

土壤各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)參考《土壤農(nóng)化分析》(第3版)[13]及第2次國(guó)土壤普查評(píng)級(jí)。

運(yùn)用層次分析法(AHP)計(jì)算各指標(biāo)主觀權(quán)重WA[14]。結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥谰唧w情況,以土壤養(yǎng)分含量作為指標(biāo)層(有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀),計(jì)算出不同指標(biāo)對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重。根據(jù)1—9級(jí)標(biāo)度[15],專家構(gòu)建了各指標(biāo)的判斷矩陣詳見(jiàn)表2[16]。將判斷矩陣每一行進(jìn)行幾何平均、歸一化得到各指標(biāo)要素的權(quán)重ω和最大特征根λmax。結(jié)果詳見(jiàn)表2。為確保矩陣評(píng)價(jià)矛盾性在合理范圍內(nèi),對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn),計(jì)算公式為:

表2 各土壤養(yǎng)分指標(biāo)判斷矩陣及主觀權(quán)重

式中:CI為一致性指標(biāo);RI為隨機(jī)性指標(biāo)(表3);n為要素?cái)?shù)量[15]。

經(jīng)計(jì)算,λmax=6.15,CI=0.0297,查表3得6階矩陣RI為1.24,故一致性比率CR=0.0240＜0.10,判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

運(yùn)用主成分分析法(PCA)計(jì)算各指標(biāo)客觀權(quán)重Wp時(shí)[17],將0—20 cm和20—40 cm的土壤指標(biāo)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行主成分提取分析及權(quán)重計(jì)算。分別選取特征值大于1,累計(jì)貢獻(xiàn)率＞85%的前兩個(gè)主成分詳見(jiàn)表4。0—20,20—40 cm土壤各指標(biāo)成分矩陣詳見(jiàn)表5。根據(jù)兩不同深度土壤指標(biāo)各自的分析結(jié)果分別進(jìn)行各養(yǎng)分指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算,公式(2)為計(jì)算公式。再將求得的權(quán)重歸一化,得到最終結(jié)果。式中:C1,C2,C3分別表示表5中各指標(biāo)對(duì)應(yīng)兩個(gè)主成分的系數(shù);λ1,λ2分別為表4中兩主成分的特征值;V1,V2表示主成分1,主成分2的方差貢獻(xiàn)率。

表4 土壤各指標(biāo)主成分特征值提取

表5 土壤各養(yǎng)分指標(biāo)成分矩陣

將AHP和PCA分析所得的權(quán)重值用“乘法”集成法綜合處理[18],將綜合權(quán)重乘以各因子與最高標(biāo)準(zhǔn)值的比值即為最終評(píng)價(jià)得分值。得分計(jì)算公式為:

式中:ai為AHP中第i項(xiàng)指標(biāo)最終權(quán)重值;bi為PCA中第i項(xiàng)指標(biāo)最終權(quán)重值;Pi為第i項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定值;Pmax為第i項(xiàng)指標(biāo)最大值;K為最終得分值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分含量分析

經(jīng)處理后的生活污水中,COD、總氮、總磷、氨氮濃度分別為241.8,260,14.2和250 mg/L,均遠(yuǎn)超過(guò)排放標(biāo)準(zhǔn)(DB51/2626-2019);重金屬銅、鋅、砷的濃度分別為0.008 7,0.005 2和0.005 8 mg/L。在檢測(cè)范圍內(nèi)未測(cè)出鉻和鎘,可認(rèn)為幾乎不含有這兩種重金屬。對(duì)試驗(yàn)前后土壤的各指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表6。

3.1.1 土壤重金屬的變化 由圖2可以看出,將處理后的生活污水不等量地施用于耕地和林地后,不同深度土層的重金屬含量值均未超標(biāo),且對(duì)照組的含量普遍高于施用組。與背景值相比(圖3),試驗(yàn)后各重金屬含量均有減少的現(xiàn)象。生活污水中重金屬含量極少,生活污水的施用能對(duì)土壤重金屬產(chǎn)生淋濾作用,施用生活污水灌溉后表層土壤中重金屬含量有所降低。在誤差范圍內(nèi),由于試驗(yàn)期間氣候、人為耕作等因素的影響,變化規(guī)律不盡明顯,但從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知生活污水的資源化利用不會(huì)造成土壤重金屬含量增加。

圖2 林地與耕地試驗(yàn)后重金屬含量柱狀圖

3.1.2 不同土壤類型養(yǎng)分的垂向變化 由表6可見(jiàn),

表6 各施用方式下不同深度土壤養(yǎng)分含量

除全磷以外,耕地和林地在各施用處理下0—20 cm土壤的養(yǎng)分含量均高于20—40 cm,說(shuō)明土壤養(yǎng)分的改善是由表層向深層進(jìn)行。這是由于全磷含量受土壤水分以及酸堿度控制,與現(xiàn)有研究結(jié)論相符[19]。在耕地中,在0—20 cm土層,與G0相比,G1處理下的各養(yǎng)分含量有不同程度的增加,其中速效磷含量增加最多,為26%;G2處理下,除堿解氮外,其余養(yǎng)分含量有不同程度增加,其中速效磷含量增加最多,為30%。在20—40 cm土層,與G0相比,G1處理下的各養(yǎng)分含量均有不同程度的增加,其中速效磷含量增加最多,為21%;G2處理下,僅全磷和速效磷的含量有微量的增加,均提升了3%。各處理下的深淺土層養(yǎng)分含量均比背景值高。

在林地中,在0—20 cm土層,與L0相比,L1處理下,僅速效磷含量有10%的增加,其余養(yǎng)分含量均比施用前有所減少;L2處理下各指標(biāo)含量均減少;L3處理下僅全氮含量增加28%,其余養(yǎng)分含量也都減少。林地的3個(gè)處理使0—20 cm土層的堿解氮含量減少最多,約為30%。各處理下的養(yǎng)分含量均比背景值低。在20—40 cm土層,與L0相比,L1處理下,各養(yǎng)分指標(biāo)的含量均有不同程度的增加,其中依舊是速效磷增加最多,為21%;L2處理下僅全氮含量有微量增加,其余均比施用前有所減少;L3處理下各指標(biāo)含量均減少。L2,L3處理使20—40 cm土層的堿解氮含量減少最多,約為37%(L2),53%(L3)。各處理下的養(yǎng)分含量均比背景值高。

綜上所述,在生活污水資源化利用下,耕地對(duì)提升土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效磷、速效鉀有明顯的效果;林地在少量施用下,對(duì)提升20—40 cm除速效鉀外其余土壤養(yǎng)分的效果較好。

3.2 AHP-PCA結(jié)果

由表7可看出,各指標(biāo)在AHP中權(quán)重值高的在PCA中不一定也高,將兩種方法結(jié)合可以較為全面地反映問(wèn)題。

表7 各評(píng)價(jià)方法權(quán)重值

根據(jù)公式(3)計(jì)算得到綜合權(quán)重以及各施用處理得分(K值),將表2代入模型計(jì)算得到各等級(jí)對(duì)應(yīng)得分區(qū)間分別為優(yōu)(1.00～0.68),良(0.68～0.24),中(0.42～0.24),差(＜0.24)。在生活污水不同處理的資源化利用下,除L3得分為“良”(表層土為0.68分、深層土為0.59分)外,其余處理皆為“優(yōu)”。在0—20 cm土層中,得分大小排序?yàn)镚1(0.94)＞G0(0.83)＞G2(0.82),L0(0.87)＞L2(0.69)=L1＞L3(0.68),可見(jiàn)耕地最佳施用為G1,林地最佳施用為L(zhǎng)0;在20—40 cm土層中,得分大小排序?yàn)?G1(0.98)＞G0(0.93)＞G2(0.76),L1(0.92)＞L0(0.84)＞L2(0.70)＞L3(0.59),可見(jiàn)該深度土壤中,耕地最佳施用處理為G1,林地最佳施用處理為L(zhǎng)1。此模型使不同用地類型的試驗(yàn)結(jié)果可進(jìn)行直接比較?？梢?jiàn)深淺土層中,耕地的得分都比林地高,即養(yǎng)分改善情況均優(yōu)于林地。這種差距在0—20 cm土層中更為明顯。

4 討論

本研究涉及多變量和多指標(biāo),從各指標(biāo)檢測(cè)值可直觀地得出部分規(guī)律。但養(yǎng)分指標(biāo)、用地類型、污水施用量等因素對(duì)結(jié)果的影響錯(cuò)綜復(fù)雜,難以盡數(shù)表述到位。為進(jìn)一步對(duì)比每種施用處理的綜合效果,采用了AHP-PCA結(jié)合的方法,將6種養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行降維分析,優(yōu)化了權(quán)重,將復(fù)雜的結(jié)果簡(jiǎn)單化,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了將不同用地類型土壤的施用結(jié)果可進(jìn)行直接比較,結(jié)果較為準(zhǔn)確直觀。由上文可知,在生活污水不同處理的資源化利用下,除L3土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)等級(jí)為“良”外,其余生活污水利用處理在各深度土層皆為“優(yōu)”。說(shuō)明生活污水中較高的氮、磷、銨鹽等組分對(duì)土壤養(yǎng)分有一定的補(bǔ)充作用。農(nóng)村生活污水無(wú)害化處理后的利用對(duì)于土壤養(yǎng)分是有利而無(wú)害的。

研究區(qū)的氣候特征明顯,試驗(yàn)階段包含了降雨豐富的時(shí)期。有研究表明降雨對(duì)紫色土表層的速效養(yǎng)分流失影響較大[20]。本次所選耕地整體有一定坡度,試驗(yàn)區(qū)位于坡體末端,降雨徑流攜帶的養(yǎng)分易聚集于試驗(yàn)區(qū)的表層土壤中,且在強(qiáng)降雨時(shí),試驗(yàn)區(qū)土壤水分入滲受到限制,壤中流產(chǎn)流和養(yǎng)分淋失顯著減少[21];試驗(yàn)期連續(xù)耕作又使得作物根系吸收了深層土壤中的部分養(yǎng)分。以上可能成為耕地養(yǎng)分表層大于深層的原因。且生活污水的適量施用會(huì)改善作物根際通氣性[22],增強(qiáng)作物對(duì)土壤中養(yǎng)分的吸收能力,由此從土壤的角度來(lái)看,G0土壤養(yǎng)分得分大于G2。本文試驗(yàn)時(shí)間為2021年7—10月,此時(shí)正值玉米成熟期,對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素吸收最為強(qiáng)烈時(shí)期,選擇該時(shí)段進(jìn)行試驗(yàn)具有一定典型性和代表性。預(yù)測(cè)在耕地玉米作物的整個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期,作物對(duì)土壤中氮、磷養(yǎng)分的吸收量會(huì)更多,表層和深層土壤養(yǎng)分含量差距會(huì)更為明顯;20—40 cm土層中,G0與G2得分差距也會(huì)更為明顯。

目前對(duì)于林地污水灌溉的研究較少,通常需要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間才能在植被上產(chǎn)生明顯效果[23]。在本研究的林地區(qū)域,20—40 cm土層的L1得分最高,說(shuō)明深層土壤適量施用有助于養(yǎng)分的改善,而0—20 cm土層的L0得分最高,說(shuō)明林地表層土壤的施用效果較差。與耕地不同,林地?zé)o法將吸收的養(yǎng)分進(jìn)行收割帶走,而是通過(guò)新陳代謝全部歸還給土壤并聚集于表層;而深層土壤容重大,孔隙率小,膠結(jié)能力較差,地表養(yǎng)分不易到達(dá),需要一定量的施用促進(jìn)養(yǎng)分垂向遷移。

耕地與林地的對(duì)照組雖無(wú)施用處理,但各養(yǎng)分含量依舊比背景值有所增加,說(shuō)明施用一定程度增加了土壤的通透性,加之試驗(yàn)期間耕地輪作等人為影響,使得相鄰無(wú)施用區(qū)域也隨之受益。本試驗(yàn)結(jié)果可為川中紅層丘陵地區(qū)的生活污水無(wú)害化處理和資源化利用提供有效參考。

5 結(jié)論

(1)在生活污水資源化利用的不同處理下,除L3土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)等級(jí)為“良”外,其余生活污水利用處理皆為“優(yōu)”。經(jīng)處理后的生活污水在多種施用處理下,耕地對(duì)提升土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效磷、速效鉀有明顯的效果;林地在少量施用下,對(duì)提升20—40 cm除速效鉀外其余土壤養(yǎng)分的效果較好。耕地中,各施用處理土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)得分大小排序表現(xiàn)為:G1＞G0＞G2;林地中,20—40 cm土層表現(xiàn)為:L1＞L0＞L2＞L3;0—20 cm土層為:L0＞L2＞L1＞L3。各種施用處理中,對(duì)于耕地,G1最佳;對(duì)于林地,L0最佳。短期來(lái)看,農(nóng)村生活污水資源化利用下,適量施用可改善耕地土壤的養(yǎng)分,對(duì)于林地?zé)o需施用土壤養(yǎng)分就可較好保持。

(2)綜合層次分析法與主成分分析法各自的優(yōu)勢(shì),對(duì)生活污水資源化利用下的土壤養(yǎng)分變化進(jìn)行綜合評(píng)分,可將耕地林地的試驗(yàn)效果進(jìn)行直觀的得分比較,為農(nóng)村生活污水的無(wú)害化處理和資源化利用提供數(shù)據(jù)支撐。