活性污泥萃取液的安全性及對(duì)水稻苗期生長(zhǎng)和土壤環(huán)境的影響

童 彤，紀(jì)榮婷，許秋瑾*，宋永會(huì)，李小鷗，張 悅

1. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

2. 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042

3. 中農(nóng)國(guó)盛（北京）環(huán)境生態(tài)工程有限公司，北京 101500

4. 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)水工業(yè)分會(huì)，北京 100835

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及人們生活水平的逐步提高，城市污水產(chǎn)生量不斷增加，各地興建污水處理廠，伴隨產(chǎn)生的污泥也日益增多. 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，我國(guó)城市污水處理廠2 618座，污水日處理量為19 267×104m3，干污泥產(chǎn)生量高達(dá)1 162.77×104t[1]. 美國(guó)、巴西、中國(guó)、俄羅斯和日本等國(guó)家均是全球主要的污泥生產(chǎn)國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年底全球產(chǎn)生的城市污泥總量接近19×108t[2]. 如何安全處理處置城鎮(zhèn)生活污泥，已經(jīng)成為我國(guó)乃至全球污水處理中的關(guān)鍵技術(shù)難題. 沒(méi)有經(jīng)過(guò)合理處置的污泥直接進(jìn)入環(huán)境中，不但無(wú)法達(dá)到污水處理的目的，還會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成二次污染[3]. 因此，對(duì)污水廠污泥進(jìn)行“減量化、無(wú)害化、資源化”的處理尤為重要.

包括我國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家常用的污泥處理處置方法有水體消納、衛(wèi)生填埋、焚燒處理和土地利用等[4].其中，水體消納是污泥處置的權(quán)宜之計(jì)，并未從根本上解決環(huán)境污染問(wèn)題，這種方式現(xiàn)在已被淘汰. 衛(wèi)生填埋雖然對(duì)污泥的無(wú)毒無(wú)害化處理成本低，但填坑中的有毒有害物質(zhì)可能會(huì)通過(guò)雨水的侵蝕和滲漏作用進(jìn)而對(duì)地下水產(chǎn)生二次污染[5]. 此外，適宜污泥填埋的場(chǎng)所也因污泥的大量產(chǎn)生而越來(lái)越有限. 焚燒處理可以迅速和較大程度地使污泥減量化，但焚燒的成本是其他處理工藝的2~4倍[6]，且對(duì)技術(shù)有較高需求，焚燒后產(chǎn)生的SO2、NOx等有害氣體也會(huì)對(duì)大氣造成二次污染. 土地利用是大多數(shù)國(guó)家處理城市污泥的主要辦法，常見(jiàn)的處理方式為堆肥[7]. 污泥中含有大量的腐殖質(zhì)可以使土壤板結(jié)情況得到改善，同時(shí)污泥中豐富的有機(jī)質(zhì)、N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)具有肥效，是一種較好的肥料[8]. 城市污水處理廠污泥農(nóng)用是實(shí)現(xiàn)污泥“減量化、無(wú)害化、資源化”的一項(xiàng)具有潛力的技術(shù)措施，既能解決污泥出路問(wèn)題，又能開(kāi)發(fā)新資源、滿足可持續(xù)發(fā)展的需求. 但污泥中含有的病原菌、重金屬等物質(zhì)成為制約污泥農(nóng)用的重要因素[9-10]. 針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)外研究主要采用堿性穩(wěn)定化手段對(duì)污泥進(jìn)行“無(wú)害化”處理，其中污泥的堿性穩(wěn)定化[11]主要是向污泥中加入石灰或水泥窯灰等堿性物質(zhì)使其穩(wěn)定，利用強(qiáng)堿性和石灰放出的大量熱能殺滅病原體、降低惡臭和鈍化重金屬，同時(shí)通過(guò)高pH和高溫等因素應(yīng)力組合降解病原菌代謝產(chǎn)物，有效去除抗生素與抗性基因[12]等物質(zhì). 堿性穩(wěn)定化后的污泥可直接施用于土地，雖然我國(guó)要求污泥不能直接作為有機(jī)肥使用，但這種處理方法在澳大利亞等地正在使用[13].

實(shí)際上污泥的堿性穩(wěn)定化在國(guó)際上已有研究，但國(guó)內(nèi)相關(guān)的機(jī)理和應(yīng)用研究還很少. 活性污泥萃取液是通過(guò)污泥的堿性穩(wěn)定化手段使污泥無(wú)害化，同時(shí)通過(guò)多相混合、催化、生化反應(yīng)、萃取分離等步驟將城市污水廠污泥轉(zhuǎn)化成一種富鈣和氨基酸的萃取液，其安全性及應(yīng)用效果是當(dāng)前研究和應(yīng)用中的關(guān)注重點(diǎn).本研究通過(guò)重金屬含量測(cè)定和種子發(fā)芽生態(tài)毒理試驗(yàn)評(píng)估活性污泥萃取液的農(nóng)用安全性，并通過(guò)水稻苗期根箱試驗(yàn)，分析活性污泥萃取液施用對(duì)水稻苗期生長(zhǎng)及土壤環(huán)境的影響，旨在探明活性污泥萃取液的農(nóng)用安全性及應(yīng)用潛力，為污泥“減量化、無(wú)害化、資源化”和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)化發(fā)展提供理論和數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 供試材料

污水處理廠產(chǎn)生的污泥中加入熟石灰泥漿過(guò)濾，經(jīng)過(guò)堿熱裝置進(jìn)行解體、破碎、剝離、溶析，隨后進(jìn)行固液分離后可得到活性污泥萃取液. 供試材料?活性污泥萃取液由中農(nóng)國(guó)盛（北京）環(huán)境生態(tài)工程有限公司提供，已進(jìn)行批量化生產(chǎn)，具有均一化性質(zhì)，性質(zhì)穩(wěn)定，可重復(fù)生產(chǎn). 經(jīng)測(cè)試，活性污泥萃取液中富含大量有機(jī)質(zhì)、游離氨基酸、蛋白質(zhì)以及豐富的Ca2+等物質(zhì)，其中，萃取液中有機(jī)質(zhì)含量為45.8 g/L，游離氨基酸含量為4.3 g/L，總蛋白質(zhì)含量為23.47 g/L，可溶性蛋白含量為19.92 g/L，Ca2+含量為2.60 g/L. 此外，發(fā)現(xiàn)萃取液中含有一定濃度的植物生物刺激素，包括吲哚乙酸和羥基苯乙酸等，且有較高濃度的氨基酸螯合鈣，這些物質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)都具有促進(jìn)作用.

供試水稻品種為粳稻南粳9108.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1種子發(fā)芽試驗(yàn)

挑選飽滿均一的水稻種子在2%的NaClO溶液中表面消毒30 min，用蒸餾水反復(fù)沖洗，在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光催芽，挑選露白且長(zhǎng)勢(shì)一致的種子置于預(yù)先填充兩層定性濾紙的一次性塑料培養(yǎng)皿(直徑為6 cm)中，每皿20粒. 設(shè)置1個(gè)對(duì)照組和5個(gè)處理組. 對(duì)照組僅添加蒸餾水，各處理組分別添加不同濃度(0.33%、1%、3.3%、10%、100%)的活性污泥萃取液. 每組處理設(shè)3皿重復(fù)，各皿每日處理液添加量均為3 mL，用鋁箔覆蓋后置于培養(yǎng)箱中黑暗條件下培養(yǎng)，保持溫度(25±1) ℃. 連續(xù)觀察5 d，每日記錄發(fā)芽種子數(shù)，測(cè)定種子根長(zhǎng)，并計(jì)算種子發(fā)芽率(X)和發(fā)芽指數(shù)(GI).

式中：X為種子發(fā)芽率，%；N1為發(fā)芽種子數(shù)；N2為供試種子數(shù)；GI為發(fā)芽指數(shù)；Gt為第t天的發(fā)芽數(shù)；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù).

1.2.2根箱試驗(yàn)

根箱試驗(yàn)于2021年8—10月在安徽省黃山市生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所野外試驗(yàn)基地的日光溫室中進(jìn)行. 試驗(yàn)土壤采自基地附近的常規(guī)稻田(0~20 cm表層土壤)，土壤類(lèi)型為水稻土. 將取回的土壤樣品去除枝葉和石塊等雜質(zhì)，風(fēng)干磨碎，過(guò)20目(相當(dāng)于0.85 mm)篩，裝入用尼龍布分隔出根際、近根際和遠(yuǎn)根際區(qū)域的定制根箱(長(zhǎng)23 cm、寬18 cm、高23 cm)中，每個(gè)根箱裝土5.0 kg(干質(zhì)量). 根箱試驗(yàn)初始理化性質(zhì)：pH=5.7，可溶性有機(jī)碳含量為2.7 mg/L，電導(dǎo)率為105 μS/cm，硝態(tài)氮含量為3.58 mg/kg，銨態(tài)氮含量為14.52 mg/kg，土壤重金屬Hg、As、Cd、Pb、Cr的含量分別為0.024、7.32、0.052、9.84、19.03 mg/kg，均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中農(nóng)用地重金屬含量限值.設(shè)置5個(gè)處理組，包括CK(空白對(duì)照組，不施用任何肥料)、CF(常規(guī)施肥對(duì)照組，僅施用化肥)、LMF(化肥減氮30%配施低量萃取液)、HMF(化肥減氮30%配施高量萃取液)、MF(化肥減氮100%配施全量萃取液). 試驗(yàn)中使用尿素、磷酸二氫鉀和氯化鉀分別作為化肥中氮、磷、鉀的來(lái)源. 各試驗(yàn)組設(shè)置4個(gè)平行，養(yǎng)分施用量見(jiàn)表1.

表 1 不同處理的養(yǎng)分投入量Table 1 Fertilizer application rates for different treatments

溫室采用自然光照，設(shè)置溫度為(25±1) ℃、濕度為8%~14%. 水稻育苗至三葉一心后，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移栽至根箱中，每根箱4株. 自移栽至取樣前，各根箱始終保持1~2 cm的淺水層. 連續(xù)培養(yǎng)30 d后進(jìn)行水稻幼苗、根際、近根際和遠(yuǎn)根際土壤樣品的采集，用于后續(xù)水稻幼苗生長(zhǎng)性狀、土壤理化性質(zhì)及土壤微生物等指標(biāo)的測(cè)定.

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

活性污泥萃取液中重金屬Pb、Cd元素含量采用硝酸高氯酸消煮-原子吸收法測(cè)定. 其中，Pb的加標(biāo)回收率為96.1%，相對(duì)誤差為4.7%；Cd的加標(biāo)回收率為105.3%，相對(duì)誤差為6.3%. Cr元素含量采用王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定，其加標(biāo)回收率為106%，相對(duì)誤差為0.98%. Hg元素含量采用冷原子吸收分光光度法測(cè)定，其加標(biāo)回收率為108%，相對(duì)誤差為8%；As元素含量采用自動(dòng)化連續(xù)流動(dòng)式氫化物原子吸收光譜法測(cè)定，其加標(biāo)回收率為100%，相對(duì)誤差為1%.

植物的株高、莖寬和分蘗數(shù)指標(biāo)采用直接測(cè)量法測(cè)定；植株生物量(地上、地下)指標(biāo)采用烘干稱(chēng)重法測(cè)定.

土壤pH采用電位法(土水比1∶2.5)測(cè)定；土壤電導(dǎo)率采用土水比1∶1飽和泥漿法測(cè)定；土壤DOC(dissolved organic carbon，可溶性有機(jī)碳)含量采用TOC儀(耶拿multi N/C2100，德國(guó))測(cè)定.

土壤細(xì)菌微生物群落結(jié)構(gòu)測(cè)定：采用16S rRNA V4~V5區(qū) 的 特 異 性 引 物F515(5′-GTG CCA GCM GCC GCG G-3′)和R907(5′-CCG TCA ATT CMT TTR AGT TT-3′)對(duì)細(xì)菌16S rRNA進(jìn)行擴(kuò)增，利用每個(gè)樣品的引物序列中的特異性標(biāo)簽序列區(qū)分不同樣品，Illumina MiSeq測(cè)序結(jié)果采用QIIME軟件進(jìn)行分析.

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示. 采用SPSS 23.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用單因素方差分析中的LSD多重比較檢驗(yàn)不同處理間的結(jié)果差異顯著性，統(tǒng)計(jì)顯著性設(shè)為P<0.05. 采用Origin 2021軟件制圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥萃取液安全性分析

2.1.1污泥萃取液重金屬含量分析

活性污泥萃取液中的重金屬含量見(jiàn)表2，經(jīng)與《含氨基酸水溶肥料》(NY 1429—2010)中重金屬含量限值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，活性污泥萃取液中的重金屬含量均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，表明該污泥萃取液中的重金屬含量不會(huì)對(duì)其農(nóng)用產(chǎn)生影響.

2.1.2活性污泥萃取液施用對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響

種子萌芽和根部伸長(zhǎng)是植物生長(zhǎng)周期中最為關(guān)鍵和敏感的時(shí)期. 種子發(fā)芽和根伸長(zhǎng)試驗(yàn)是主要的高等植物毒理試驗(yàn)方法[14]，當(dāng)種子暴露于污染物或有害環(huán)境時(shí)，發(fā)芽和根伸長(zhǎng)常常受到抑制，一般表現(xiàn)為發(fā)芽率低、發(fā)芽指數(shù)低、根長(zhǎng)較短；當(dāng)環(huán)境無(wú)害時(shí)種子常表現(xiàn)出發(fā)芽率高、發(fā)芽指數(shù)高、根長(zhǎng)較長(zhǎng).

由表3可見(jiàn)，與CK相比，試驗(yàn)第2天3.3%濃度處理顯著促進(jìn)了種子萌發(fā)，剩余試驗(yàn)期間0.33%、1%、3.3%濃度處理均對(duì)水稻種子萌發(fā)表現(xiàn)出顯著的促進(jìn)作用(P<0.05)，其中3.3%濃度處理對(duì)水稻種子發(fā)芽的促進(jìn)效果表現(xiàn)最好. 10%濃度處理試驗(yàn)期間發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)與CK類(lèi)似. 100%濃度處理對(duì)水稻種子的發(fā)芽表現(xiàn)出明顯的抑制作用(P<0.05). 各濃度處理下根長(zhǎng)在試驗(yàn)第3天出現(xiàn)顯著差異. 與CK相比，第3天，1%、3.3%濃度處理下根長(zhǎng)顯著增加(P<0.05)；第4天，3.3%濃度處理下根長(zhǎng)顯著增加(P<0.05). 100%濃度處理在試驗(yàn)期間對(duì)根長(zhǎng)均表現(xiàn)出明顯的抑制作用(P<0.05).

通過(guò)種子發(fā)芽和根伸長(zhǎng)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，適宜濃度的活性污泥萃取對(duì)水稻種子無(wú)毒害作用. 低濃度活性污泥萃取液對(duì)種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和根長(zhǎng)均表現(xiàn)出顯著促進(jìn)作用，且其促進(jìn)效果隨著萃取液濃度的增加而逐漸增強(qiáng). 但當(dāng)萃取液濃度升至10%后，活性污泥萃取液對(duì)水稻種子萌發(fā)的促進(jìn)作用開(kāi)始減弱. 這主要是因?yàn)?，活性污泥萃取液中既含有種子生長(zhǎng)發(fā)育所需的有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)等物質(zhì)，又含有一些低濃度下激勵(lì)效應(yīng)和高濃度下抑制效應(yīng)的Ca2+等元素. 種子吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后能刺激細(xì)胞分裂生長(zhǎng)，分泌生長(zhǎng)刺激素類(lèi)物質(zhì)，從而促進(jìn)種子的萌發(fā)和生長(zhǎng). 同時(shí)低濃度活性污泥萃取液中的Ca2+可促進(jìn)細(xì)胞中的Ca2+參與脅迫信號(hào)的感受、傳遞、響應(yīng)與表達(dá)，進(jìn)而提高了植物抗逆性[15]. 謝文輝等[16]研究表明，與無(wú)鈣鹽環(huán)境相比，50 mmol/L的鈣鹽環(huán)境中葛藤種子萌發(fā)率顯著升高.活性污泥萃取液濃度過(guò)高時(shí)，其中的有機(jī)物、Ca2+等成分會(huì)超過(guò)種子所能承受閾值，致使種子產(chǎn)生過(guò)量活性氧自由基，破壞細(xì)胞膜，進(jìn)而造成細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)大量外滲和有毒物質(zhì)進(jìn)入[17]. 這與劉藝平等[18]研究中高濃度鈣鹽脅迫會(huì)對(duì)種子產(chǎn)生離子毒性、抑制種子萌發(fā)的結(jié)果一致. 試驗(yàn)研究結(jié)果表明，適宜濃度的活性污泥萃取液對(duì)種子發(fā)芽具有促進(jìn)作用且無(wú)毒性.

表 2 活性污泥萃取液中重金屬含量Table 2 Content of heavy metal elements in Activated sludge extract

2.2 活性污泥萃取液施用對(duì)水稻苗期生長(zhǎng)性狀的影響

水稻株高和分蘗數(shù)是影響水稻產(chǎn)量的重要因素.水稻分蘗數(shù)通過(guò)影響水稻產(chǎn)生的穗數(shù)從而影響水稻的產(chǎn)量，水稻株高會(huì)影響水稻接觸光照的多少，進(jìn)而影響水稻葉片的光合作用和干物質(zhì)積累[19]. 水稻莖稈形態(tài)[20]影響著水稻的抗倒伏能力，莖稈粗的水稻抗折力高、抗倒伏性強(qiáng).

?

由表4可見(jiàn)，施用活性污泥萃取液后，LMF、HMF、MF處理組水稻的株高、分蘗數(shù)、莖粗等生長(zhǎng)性狀指標(biāo)均呈增加趨勢(shì). HMF、MF處理組水稻的平均株高分別為41.00和40.25 cm，與CK相比存在顯著性差異(P<0.05)；LMF、HMF、MF處理組分蘗數(shù)較CK均顯著增加了20%(P<0.05)；MF處理組莖粗生長(zhǎng)量最大，平均生長(zhǎng)量為2.45 cm，與CK相比存在顯著性差異(P<0.05). 與CF相比，LMF、HMF、MF處理組水稻生長(zhǎng)量指標(biāo)均有一定程度的增加，其中HMF處理組株高與CF相比顯著增加了8.6%(P<0.05).這與有機(jī)肥在水稻生產(chǎn)中的研究結(jié)果相似，如唐雪[21]在有機(jī)肥對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和生理性狀的影響研究中發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥對(duì)水稻幼苗的莖蘗數(shù)、株高等生長(zhǎng)性狀具有促進(jìn)作用.

生物量可以反映出植物的物質(zhì)積累量，生物量越大，植株品質(zhì)越好[22]. 本研究中，HMF、MF處理組水稻地上部平均生物量(以干質(zhì)量計(jì))分別為0.95、1.04 g，與CK相比存在顯著性差異(P<0.05). LMF、HMF、MF處理組水稻地下部平均生物量較CK分別顯著增加了25.5%、34.0%、57.4%(P<0.05). 與CF相 比，HMF、MF處理組地上部生物量存在顯著性差異(P<0.05). MF處理組地下部生物量最高，為0.74 g，較CF顯著提高了48%(P<0.05). 研究結(jié)果表明，施用適宜濃度的活性污泥萃取液可提高水稻幼苗植株的地上部與地下部生物量，這種促進(jìn)效果與活性污泥萃取液的施用量有著密切關(guān)聯(lián). 這與楊利等[23]用有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥對(duì)小麥幼苗地上部與地下部生物量的結(jié)果類(lèi)似，推測(cè)活性污泥萃取液中含有與有機(jī)肥成分類(lèi)似的有機(jī)質(zhì)、微量元素等物質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)起促進(jìn)作用.

表 4 不同處理下水稻苗期生長(zhǎng)性狀Table 4 Growth traits of rice seedling stage under different treatments

2.3 活性污泥萃取液施用對(duì)土壤性質(zhì)的影響

土壤pH是影響土壤肥力的重要因素之一，其過(guò)低或過(guò)高都會(huì)影響作物生長(zhǎng). 土壤pH過(guò)低易引起土壤板結(jié)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)淋溶、土壤貧瘠化等問(wèn)題，不僅會(huì)造成作物生長(zhǎng)的必需元素缺失，還會(huì)破壞土壤環(huán)境，造成養(yǎng)分流失、地下水污染等環(huán)境問(wèn)題. 由圖1(A)可見(jiàn)，與CF相比，LMF、HMF、MF處理組土壤pH均有顯著性增加(P<0.05)，其中，根際土壤的pH分別增加了2.7%、5.2%、6.2%(P<0.05)，近根際土壤pH平均值分別為5.34、5.45、5.82，遠(yuǎn)根際土壤pH的增幅為0.51%~13.80%(P<0.05). 與CK相比，LMF、HMF、MF處理組根際土壤的pH均有顯著性差異(P<0.05)；近根際土壤中pH分別顯著減少了12.89%、11.09%、6.06%(P<0.05)；遠(yuǎn)根際土壤中，LMF處理組土壤pH降低了0.06(P<0.05)，HMF、MF處理組土壤pH分別增加了0.48和0.73(P<0.05). 水稻對(duì)土壤酸堿度的適宜性較強(qiáng)，最適宜生長(zhǎng)的土壤pH在6.5~7.5之間，此時(shí)各種營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用率最高，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育最為有利. 與常規(guī)施肥相比，配施活性污泥萃取液可以在一定范圍內(nèi)提高土壤pH，使土壤酸堿度接近水稻最適pH，本研究結(jié)果與有機(jī)肥不僅能提高土壤肥力，還能釋放堿性物質(zhì)中和土壤酸度、提高土壤pH[24]這一結(jié)論相似. 與CK、CF對(duì)比，各處理組土壤pH變化趨勢(shì)略有差異的主要原因是，化肥為強(qiáng)酸弱堿鹽，pH偏酸性，施用后會(huì)導(dǎo)致土壤pH下降. 而經(jīng)過(guò)堿性穩(wěn)定化的活性污泥萃取液可在一定程度上提高土壤pH，活性污泥萃取液和化肥配施對(duì)土壤pH有拮抗作用.

圖 1 不同施肥處理對(duì)土壤pH、電導(dǎo)率、DOC含量的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil pH, conductivity and DOC content

土壤電導(dǎo)率是影響植物和微生物活性的重要指標(biāo)，它能影響土壤養(yǎng)分和污染物的轉(zhuǎn)化，可反映一定條件下土壤鹽分的實(shí)際狀況[25]. 土壤鹽分是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育和微生物活動(dòng)的主要因素之一. 過(guò)多的土壤鹽分會(huì)導(dǎo)致土壤透氣和透水性差、表層易板結(jié)、養(yǎng)分降低等后果，嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育[26]. 由圖1(B)可見(jiàn)，與CK相比，在根際土壤中，HMF和MF處理組土壤電導(dǎo)率顯著降低(P<0.05)；近根際土壤中，LMF處理組電導(dǎo)率顯著增加4.7%(P<0.05)，MF處理組電導(dǎo)率顯著減少39.2%(P<0.05)；遠(yuǎn)根際土壤中各處理與CK相比均有顯著性減少，降幅為14.3%~38.7%(P<0.05). 根際、近根際、遠(yuǎn)根際土壤中，各處理下電導(dǎo)率與CF相比均有顯著性降低(P<0.05)，其中，MF處理組土壤電導(dǎo)率的降幅最大，各區(qū)域土壤中其降幅分別為54.6%、58.3%、66.3%(P<0.05). 與CF相比，施用活性污泥萃取液可顯著降低土壤電導(dǎo)率.

圖 2 不同施肥處理下土壤微生物群落的組成結(jié)構(gòu)Fig.2 Composition of soil microbial communities under different fertilization treatments

DOC是維持微生物生命活動(dòng)的重要養(yǎng)分，是土壤可利用養(yǎng)分庫(kù)中重要組成部分. 由圖1(C)可見(jiàn)，與CF相比，各區(qū)域土壤中，LMF、HMF、MF處理組DOC含量均有顯著性增加(P<0.05)，增幅最高可達(dá)68.0%.有研究表明，污泥既可以充當(dāng)DOC的來(lái)源，也可促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的溶解[27]，增加土壤DOC含量. 與CK相比，LMF、HMF處理組DOC含量卻有顯著性減少(P<0.05). 這可能與CK處理組植株長(zhǎng)勢(shì)較弱、吸收轉(zhuǎn)化有機(jī)碳能力有限、土壤殘留較多等原因相關(guān). 與有機(jī)肥相類(lèi)似，活性污泥萃取液的施用可以提供一定數(shù)量的溶解性有機(jī)碳. 喻惠玲等[28]在施用水溶性有機(jī)肥對(duì)稻田土壤砷鎘的提取效能研究中發(fā)現(xiàn)水溶性有機(jī)肥處理可顯著增加土壤DOC含量.

研究結(jié)果表明，活性污泥萃取液類(lèi)似于有機(jī)肥源，其在農(nóng)業(yè)上的施用能為作物提供生長(zhǎng)所需的礦質(zhì)養(yǎng)分，改善土壤環(huán)境，如優(yōu)化土壤物理性狀和結(jié)構(gòu)[29]，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育.

2.4 活性污泥萃取液施用對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤微生物[30]參與有機(jī)質(zhì)降解、養(yǎng)分循環(huán)等過(guò)程，是土壤生化反應(yīng)的推動(dòng)者和參與者，是土壤的重要組成部分，被視為土壤質(zhì)量變化最敏感的指標(biāo). 土壤菌群中的優(yōu)勢(shì)物種在很大程度上決定著微生物群落的生態(tài)結(jié)構(gòu)及功能，了解微生物群落的物種組成能有效地對(duì)群落結(jié)構(gòu)的形成及改變進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)改變外界因素后土壤微生物群落的功能方向.

由圖2可見(jiàn)，根際土壤中，與CK相比，各處理組疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia)的相對(duì)豐度均有顯著增加(P<0.05)，LMF處 理組 浮 霉菌 門(mén)(Planctomycetes) 的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05)，MF處理組Patescibacteria的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05). 與CF相比，各處理組疣微菌門(mén)的相對(duì)豐度也均有顯著增加(P<0.05)，LMF和HMF處理組厚壁菌門(mén)(Firmicutes)的相對(duì)豐度顯著減少(P<0.05)，LMF處理組擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05)，MF處理組Patescibacteria的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05).

近根際土壤中，與CK相比，各處理組變形菌門(mén)(Proteobacteria)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、疣微菌門(mén)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirae)的相對(duì)豐度均有顯著性增加(P<0.05)，厚壁菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著減少(P<0.05). HMF和MF處理組綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05)，LMF處理組擬桿菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05)，HMF處理組浮霉菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05).與CF相比，各處理組變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、放線菌門(mén)、硝化螺旋菌門(mén)的相對(duì)豐度均有顯著增加(P<0.05)，厚壁菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著減少(P<0.05). LMF和HMF處理組疣微菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著減少(P<0.05). LMF處理組Patescibacteria、綠彎菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05)，擬桿菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著減少(P<0.05).HMF處理組綠彎菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著減少(P<0.05)，浮霉菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05).

遠(yuǎn)根際土壤中，與CK相比，HMF處理組Patescibacteria、綠彎菌門(mén)、疣微菌門(mén)、硝化螺旋菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05)，厚壁菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著減少(P<0.05). MF處理組硝化螺旋菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05). 與CF相比，HMF處理組綠彎菌門(mén)、疣微菌門(mén)、硝化螺旋菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05)，厚壁菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著減少(P<0.05).MF處理組酸桿菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、硝化螺旋菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05).

由圖3可見(jiàn)，在根際區(qū)域，LMF和HMF處理組聚類(lèi)成一個(gè)類(lèi)群，CK、CF和MF處理組聚類(lèi)成一個(gè)類(lèi)群；近根際區(qū)域內(nèi)，LMF、HMF和MF處理組聚類(lèi)成一個(gè)類(lèi)群，CK、CF處理組聚類(lèi)成一個(gè)類(lèi)群；遠(yuǎn)根際區(qū)域內(nèi)，所有處理均可聚類(lèi)成一個(gè)類(lèi)群. 聚類(lèi)分析結(jié)果表明，施用活性污泥萃取液后，土壤近根際區(qū)域的菌群結(jié)構(gòu)變化最為明顯(見(jiàn)圖3). 研究表明，根系能通過(guò)調(diào)控根系分泌物的種類(lèi)和數(shù)量來(lái)影響根際微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性[31]，土壤微生物通過(guò)趨化感應(yīng)向富含根系分泌物的區(qū)域進(jìn)行富集和繁殖[32]. 但植物所產(chǎn)生的酸性根系分泌物可能會(huì)對(duì)根際區(qū)域的微生物產(chǎn)生抑制作用，而遠(yuǎn)根際作為遠(yuǎn)離根際的土壤區(qū)域受根系分泌物的影響較小. 因此，近根際土壤菌群變化應(yīng)最為顯著.

圖 3 不同施肥處理下土壤微生物群落的聚類(lèi)分析Fig.3 Cluster analysis of soil microbial communities under different fertilization treatments

與CK和CF相比，各處理組近根際土壤中相對(duì)豐度均顯著增加的菌群為變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、疣微菌門(mén)、放線菌門(mén)、硝化螺旋菌門(mén)，厚壁菌門(mén)的相對(duì)豐度則顯著減少. 這些菌群的變化對(duì)植物生長(zhǎng)起正向促進(jìn)作用，其中變形菌門(mén)多含植物益生菌，在土壤的碳、氮、硫循環(huán)中起關(guān)鍵作用[33]；疣微菌門(mén)的相對(duì)豐度和碳循環(huán)相關(guān)基因的表達(dá)呈正相關(guān). 與碳循環(huán)呈正相關(guān)的變形菌門(mén)、疣微菌門(mén)等菌群增加，可能與土壤DOC含量的升高存在關(guān)聯(lián). 土壤有機(jī)碳含量的增加提高了土壤養(yǎng)分含量，有利于菌群的生長(zhǎng)繁殖，菌群的分解代謝會(huì)促進(jìn)有機(jī)化合物和其他不溶物質(zhì)的降解，改善土壤環(huán)境. 酸桿菌門(mén)可參與植物殘?bào)w降解；放線菌門(mén)[34]的細(xì)菌多為腐生菌，有助于土壤的生物緩沖作用，拮抗土壤病原菌并促進(jìn)有機(jī)物的分解；硝化螺旋菌門(mén)是亞硝酸鹽氧化細(xì)菌，在農(nóng)業(yè)土壤的生物氮循環(huán)和硝化作用中發(fā)揮重要作用. 厚壁菌門(mén)常見(jiàn)于高鹽、干旱等脅迫環(huán)境，厚壁菌門(mén)的減少可以證明活性污泥萃取液對(duì)土壤的改良作用.

與CK、CF相比，根際土壤中，與碳循環(huán)呈正相關(guān)的疣微菌門(mén)相對(duì)豐度顯著增加的現(xiàn)象在LMF、HMF、MF處理組也均有體現(xiàn)；MF處理組Patescibacteria的相對(duì)豐度有顯著增加，Patescibacteria沒(méi)有可培養(yǎng)細(xì)菌，目前對(duì)其功能還不了解，但Patescibacteria菌門(mén)作為一種古菌菌門(mén)，多是原核生物，原核生物對(duì)有機(jī)肥的響應(yīng)常表現(xiàn)為自上而下的調(diào)控菌群結(jié)構(gòu)[35].遠(yuǎn)根際土壤中，與碳、氮循環(huán)相關(guān)的疣微菌門(mén)、硝化螺旋菌門(mén)相對(duì)豐度顯著增加的現(xiàn)象在HMF處理組亦有體現(xiàn). 此外，HMF處理組可吸收多種有機(jī)質(zhì)酸的綠彎菌門(mén)[36]的相對(duì)豐度顯著增加，綠彎菌門(mén)相對(duì)豐度的增加與污染土壤改良有關(guān).

施用活性污泥萃取液后，與土壤碳、氮循環(huán)及植物根系相關(guān)菌群的相對(duì)豐度顯著增加，常見(jiàn)脅迫環(huán)境的菌群相對(duì)豐度顯著減少，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)朝著有利于作物生長(zhǎng)和元素循環(huán)的方向改變.

3 結(jié)論

a) 活性污泥萃取液中Hg、As等重金屬含量遠(yuǎn)低于《含氨基酸水溶肥料》(NY 1429—2010)標(biāo)準(zhǔn)限值.0.33%~10%濃度的萃取液對(duì)水稻種子有促進(jìn)作用且無(wú)毒害，3.3%的萃取液對(duì)種子發(fā)芽和根伸長(zhǎng)的促進(jìn)作用最為顯著.

b) 活性污泥萃取液配施化肥對(duì)水稻幼苗的株高、分蘗數(shù)、莖寬、地上部生物量和地下部生物量均有促進(jìn)作用，同時(shí)還可以提高土壤pH，減少土壤鹽分，增加土壤DOC含量. 化肥減氮100%配施全量萃取液處理對(duì)水稻幼苗各生長(zhǎng)性狀的促進(jìn)效果和土壤改良效果最為顯著，其中pH提高13.8%，電導(dǎo)率降低66.3%，DOC含量增加68.0%.

c) 施用活性污泥萃取液后，土壤近根際區(qū)域的菌群結(jié)構(gòu)變化顯著. 與土壤碳、氮循環(huán)呈正相關(guān)的變形菌門(mén)、疣微菌門(mén)和硝化螺旋菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著增加，與土壤有機(jī)物分解及植物殘?bào)w降解功能相關(guān)的酸桿菌門(mén)及放線菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著增加，與土壤脅迫環(huán)境相關(guān)的厚壁菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著減少.

d) 配施活性污泥萃取液可以促進(jìn)水稻生長(zhǎng)、改善土壤環(huán)境，表現(xiàn)出與有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中相似的促進(jìn)作用，表明活性污泥萃取液可作為一種潛在的有機(jī)肥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn).