污泥堆肥替代氮肥對石灰性褐土肥力、小麥產量和品質的影響

徐富錦，常會慶

(河南科技大學農學院，河南 洛陽 471003)

化肥的使用對我國糧食作物增產的貢獻巨大，其中，氮素又是限制作物產量的主要元素之一[1]。我國是肥料消費大國，氮肥消費量約占世界氮肥消費量的35%。雖然高投入的氮肥保證了作物產量，但我國氮肥平均利用率僅約為30%[2]，氮肥的過量施用會導致氮肥利用效率低下，并且氮素流失會造成一系列環(huán)境問題[3]。大量研究[4]表明，有機投入品的施用或配施能顯著增加土壤養(yǎng)分供應強度，調節(jié)養(yǎng)分釋放速率，緩解土壤氮素淋失，有利于培肥土壤和增加作物產量。因此，合理的替代施肥是提高氮肥利用率、實現化肥施用零增加目標和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

我國污泥產量巨大[5]，其無害化與資源化處置迫在眉睫。國家《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》明確提出污泥無害化處理滿足相關標準后，可用于土地改良、園林綠化和農業(yè)利用等。目前，歐美國家用來改善土壤或作為農作物肥料的污泥堆肥比例約為60%[6]，而我國污泥堆肥后農用率不高[7]，但污泥堆肥作為一種無害化處理的有機物料，其氮、磷、有機質含量豐富，適量施用有利于作物產量和品質的提高[8]，并且隨著城市污泥堆肥在農用率、環(huán)境效應和控制標準要求方面的提高，污泥堆肥中重金屬含量在逐年降低，重金屬風險在降低。所以污泥堆肥施用越來越受到人們的重視[9]。然而，過量施用污泥堆肥也會導致土壤碳、氮、磷大量累積，增加其淋失風險和對環(huán)境的危害[10]。因此，選擇合理的污泥堆肥替代氮肥比例是其安全施用的重要依據。

小麥是北方石灰性土壤(包括石灰性褐土)上種植的主要作物類型，與水稻、油葵等作物相比，其對重金屬的富集積累作用較弱[11]。石灰性褐土麥田廣泛分布于中國干旱和半干旱地區(qū)，其鹽基飽和度高，呈中性至堿性反應，且無害化污泥堆肥在該類土壤上農用的風險低[12]。因此，采用田間試驗，通過設置不同比例污泥堆肥替代氮肥施用，開展污泥堆肥替代氮肥施用對石灰性褐土養(yǎng)分、氮素利用效率、養(yǎng)分淋失風險以及小麥產量和品質等參數的綜合影響，旨在為石灰性褐土篩選適宜的污泥堆肥替代氮肥比例提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試地點與材料

試驗于河南科技大學開元農場開展，該農場位于河南省西部的洛陽市(34°41′ N、112°27′ E)，試驗點地處溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年均氣溫為12.2～24.6 ℃，無霜期在210 d以上，年降水量為528～800 mm，日照時數為2 200～2 300 h，年均濕度為60%～70%。供試土壤類型為褐土，土壤質地為壤土，其容重為1.44 g·cm-3，比重為2.58，孔隙度為43.99%，陽離子交換量為31.89 cmol·kg-1，電導率為1.01 mS·cm-1。所選污泥堆肥中鎘、汞、鉛、鉻和砷含量分別為2.17、0.058、80.80、232.87和27.95 mg·kg-1，符合GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》。供試作物為豫麥58，化學肥料為尿素(N質量含量為46%)、過磷酸鈣(P2O5質量含量為16%)和氯化鉀(K2O質量含量為60%)。土壤和污泥堆肥基本理化性質見表1。

表1 土壤和污泥堆肥基本理化性質

1.2 試驗設計

采用田間試驗開展研究，試驗共設置7個處理：不施氮肥(WN)、常規(guī)施化肥(S0)、污泥堆肥替代氮肥20%(S1)、污泥堆肥替代氮肥50%(S2)、污泥堆肥替代氮肥100%(S3)、污泥堆肥替代氮肥200%(S4)和污泥堆肥替代氮肥300%(S5)。各處理除氮肥施用量不同外，磷、鉀肥施用量均一致，P2O5和K2O 施用量分別為90和60 kg·hm-2。每個處理設置3次重復，采用完全隨機區(qū)組設計，每個小區(qū)面積為2 m2。其中，常規(guī)施氮肥處理以1/3氮肥作為追肥，且S1、S2處理追肥量與常規(guī)施肥處理一致，其余處理不追肥；將各處理剩余氮肥作為基肥一次性施入。磷、鉀肥均作為基肥一次性施入大田。小麥播種采用人工開溝進行，播種量為15 kg·hm-2；在小麥拔節(jié)期開溝撒施追肥，具體施肥方案及施肥量見表2。試驗期間按當地大田管理方式進行常規(guī)管理。

表2 不同處理施肥量

1.3 樣品采集與分析

在小麥拔節(jié)期和成熟期，每個小區(qū)按5點法采集表層(0～20 cm)土樣，剔除石礫和植物殘根等雜物，混合密封后帶回實驗室，一部分土壤樣品置于4 ℃ 條件下保存，用于土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮測定：采用氯化鉀浸提-蒸餾法測定；一部分土壤樣品經風干、研磨后分別過 0.85和0.12 mm孔徑篩后用于土壤理化指標測定：pH值采用V(水)∶m(土)= 2.5∶1電位法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮含量采用半微量開氏法測定；土壤速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度計法測定。詳細測定方法見文獻[13]。小麥收獲時，將地上部分小麥全部收獲，按小區(qū)分開單獨脫粒考種。人工脫粒后曬干稱重記產，同時記錄每個小區(qū)的穗數、穗粒數和千粒重。利用近紅外分析儀(DA7250)測定小麥品質指標(淀粉、蛋白質、濕面筋、干面筋含量)。

1.4 數據處理與分析

1.4.1土壤肥力評價

根據全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準和文獻[14-15]，并結合生產實際，將土壤pH值、有機質、全氮、速效磷和速效鉀分為3個等級，確定土壤養(yǎng)分等級評價標準(表3)。其中，全國第二次土壤普查分級標準將土壤酸堿性分為強酸性(<4.5)、弱酸性(4.5～<5.5)、微酸性(5.5～<6.5)、中性(6.5～<7.5)、堿性(7.5～<8.5)和強堿性(≥8.5)6級。

表3 土壤養(yǎng)分分級標準

結合實際情況，選取pH值、有機質、全氮、速效磷和速效鉀5個指標對開元農場褐土進行綜合肥力評價。為了消除參評指標間的量綱差異，對選定的5項土壤養(yǎng)分指標進行標準化處理，將其轉化為肥力系數(fertility coefficient，FC，CF)[16]：

(1)

式(1)中，CF,i為分肥力值；xa、xp分別為相應土壤養(yǎng)分缺乏、豐富的臨界值；xc為xa、xp的平均值。對于土壤pH值而言，xa、xp分別取值4.5、8.5。

土壤綜合肥力評價方法：采用修正的內梅羅(Nemerow)指數法[17]計算土壤綜合肥力指數(integrated fertility index，IFI，IIF)：

(2)

式(2)中，IIF,i,a和IIF,i,min分別為針對各項土壤養(yǎng)分指標測算的綜合肥力指數中的平均值和最小值；n為參與評價的土壤養(yǎng)分指標個數，取值為5。根據綜合肥力指數值將土壤綜合肥力分為4個等級：<0.9，貧瘠；0.9～<1.8，一般；1.8～<2.7，肥沃；≥2.7，很肥沃。

1.4.2氮肥利用率相關計算[18]

氮肥偏生產力(PFP，kg·kg-1)等于施氮區(qū)產量除以施氮量；氮肥農學效率(AE，kg·kg-1)等于施氮區(qū)籽粒產量與不施氮區(qū)籽粒產量差值除以施氮量。

1.4.3養(yǎng)分淋失風險評價

有機指數通常用作表征土壤環(huán)境狀況，可用來反映外源有機物添加導致的土壤有機碳淋失潛在風險。土壤中營養(yǎng)積累的潛在風險評價采用單因子指數法和綜合污染指數法[19]。全氮評價標準值為4.85 mg·g-1[20]。有機指數計算公式為

IO=wTOC×wTN×0.95。

(3)

式(3)中，IO為有機指數；wTOC為土壤總有機碳質量含量實測值，%；wTN為土壤總氮質量含量實測值，%。有機指數評價標準見表4。

表4 有機指數評價標準

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Si為標準指數(單因子指數)；Ci為評價因子i的實際測定值，Cs為評價因子的標準評價值；FF為綜合污染指數；F為n項污染物污染指數平均值；Fmax為最大單項污染指數。

采用Excel 2010進行數據整理與統(tǒng)計分析，采用SPSS 17.0進行數據方差分析和相關性分析，不同處理間采用最小顯著差數法(LSD)進行差異顯著性檢驗(P<0.05)，采用Origin 2021作圖。

2 結果與分析

2.1 污泥堆肥替代氮肥對表層土壤養(yǎng)分含量及肥力的影響

在小麥拔節(jié)期和成熟期不同污泥堆肥替代氮肥處理土壤pH及養(yǎng)分含量變化見圖1。

各處理代號含義見表2。就同一生育期而言，直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理間某指標差異顯著(P<0.05)。

污泥堆肥替代氮肥后土壤pH較S0處理呈下降趨勢，其中，拔節(jié)期各污泥堆肥替代處理土壤pH較S0處理顯著降低0.08～0.15個單位，成熟期未出現顯著變化。污泥堆肥替代氮肥增加了拔節(jié)期和成熟期表層土壤硝態(tài)氮含量，其中，在拔節(jié)期，當替代氮肥比例超過20%時，表層土壤硝態(tài)氮含量較常規(guī)施肥處理分別顯著增加24.29%、50.00%、135.71%和202.38%；在成熟期，僅S2、S3處理表層土壤硝態(tài)氮含量較S0處理分別顯著增加33.14%和139.36%，其余處理沒有顯著變化。污泥堆肥替代氮肥顯著降低拔節(jié)期表層土壤銨態(tài)氮含量，相較于S0處理，各污泥堆肥替代處理土壤銨態(tài)氮含量顯著降低28.40%～53.44%；在成熟期，污泥堆肥替代氮肥顯著增加表層土壤銨態(tài)氮含量，各污泥堆肥替代處理土壤銨態(tài)氮含量較S0處理顯著增加99.99%～135.31%。另外，污泥堆肥不同比例替代氮肥增加了拔節(jié)期和成熟期土壤有機碳、全氮、速效磷和速效鉀含量(圖1)，其中，各污泥堆肥替代處理土壤速效磷和速效鉀含量均較常規(guī)施肥處理顯著增加，且當替代氮肥比例超過50%時，土壤全氮含量增加顯著。在拔節(jié)期，污泥堆肥替代氮肥各處理土壤有機碳含量較S0處理分別顯著增加24.04%～159.08%；在成熟期，當替代氮肥比例超過50%時，土壤有機碳含量較S0處理顯著增加38.55%～70.65%。在拔節(jié)期，污泥堆肥替代氮肥處理均顯著增加土壤綜合肥力指數；在成熟期，土壤綜合肥力指數在替代氮肥比例超過20%時較S0處理顯著增加13.79%～34.48%。

2.2 不同污泥堆肥替代處理土壤氮肥利用率

AE和PFP反映了氮肥吸收對作物產量的影響。圖2表明，隨著污泥堆肥替代氮肥比例的增加，氮肥偏生產力和氮肥農學效率先增加后降低。與S0處理相比，S1處理氮肥農學效率顯著增加43.33%，其余處理顯著降低46.81%～115.14%(P<0.05)，且各處理之間差異顯著。圖2還顯示，S1處理氮肥偏生產力略高于S0處理，但并未表現出顯著性差異，其他污泥堆肥替代處理相較于S0處理顯著降低10.82%～75.41%。

各處理代號含義見表2。就同一指標而言，直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理間該指標差異顯著(P<0.05)。

2.3 污泥堆肥替代氮肥對土壤養(yǎng)分淋失風險的影響

污泥堆肥替代氮肥增加石灰性褐土綜合肥力的同時，還增加了土壤養(yǎng)分累積風險(圖3)。圖3顯示，在小麥拔節(jié)期和成熟期，污泥堆肥替代氮肥后土壤綜合污染指數(FF)均小于1.0，全氮單因子指數(Si)均小于0.5。

各處理代號含義見表2。Si為全氮單因子指數，IO為有機指數，FF為綜合污染指數。就同一指標而言，直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理間該指標差異顯著(P<0.05)。

在拔節(jié)期和成熟期，當替代氮肥比例超過50%時，土壤全氮單因子指數較S0處理分別顯著增加75.00%～93.75%和33.33%～66.67%(P<0.05)，土壤綜合污染指數較S0處理分別顯著增加115.38%～123.08%和30.77%～61.54%，但均屬于Ⅰ級清潔類型。就土壤有機碳而言，在拔節(jié)期污泥堆肥替代氮肥后，S2處理土壤有機碳的有機指數(IO)較常規(guī)施肥處理增加48.51%，其他替代處理顯著增加67.86%～495.83%，其中，S5處理土壤有機碳的有機指數為0.20，屬于Ⅲ級中度污染，說明此時土壤碳素淋失風險較大；在成熟期，當污泥堆肥替代氮肥比例超過50%時，土壤有機碳的有機指數顯著增加96.00%～153.33%，此時土壤有機碳為Ⅱ級較清潔類型，說明此時土壤碳素的淋失風險較常規(guī)施肥處理升高。

2.4 污泥堆肥替代氮肥對小麥產量及品質的影響

小麥產量3要素由穗粒數、穗數和千粒重構成。由表5可知，隨著污泥堆肥替代氮肥比例的提高，小麥穗粒數和產量都呈先增加后降低趨勢。與S0處理相比，各污泥堆肥替代處理穗數較S0處理顯著降低7.82 %～21.68%(P<0.05)，但S1、S2處理小麥穗粒數顯著增加7.58%和11.41%，另外，S3處理小麥千粒重顯著增加3.28%。S1處理小麥產量比S0處理增加2.17%，其余處理小麥產量均顯著降低。這說明隨著污泥堆肥替代氮肥比例的提高，冬小麥產量先增加后減少，整體表現為當污泥堆肥替代氮肥比例為20%時小麥產量可實現穩(wěn)產高產。

表5 不同污泥堆肥替代處理小麥產量及其構成

污泥堆肥替代氮肥對小麥籽粒淀粉、蛋白質、干面筋和濕面筋含量變化的影響見表6。由表6可知，隨著污泥堆肥替代氮肥比例的增加，小麥籽粒中淀粉和蛋白質含量呈增加趨勢，但差異不顯著；且污泥堆肥替代氮肥后小麥籽粒中濕面筋含量較S0處理有所降低，但僅S3處理顯著降低13.45%；隨著污泥堆肥替代氮肥比例的增加，小麥籽粒中干面筋含量呈現先增加后降低趨勢，當替代比例超過50%時，籽粒干面筋含量有所降低，但均未達到顯著水平?？梢姡勰喽逊侍娲侍幚砜傮w上不會對小麥品質造成顯著影響。

表6 污泥堆肥替代氮肥對小麥籽粒品質的影響

3 討論

3.1 污泥堆肥替代氮肥對土壤肥力和氮肥利用效率的影響

適當比例的污泥堆肥替代氮肥有利于土壤有機質、全量養(yǎng)分及有效養(yǎng)分含量的維持和提高，減少化肥施用的同時提升土壤肥力[21]。筆者研究中，土壤銨態(tài)氮含量在小麥生育期先降低后升高，可能是小麥進入養(yǎng)分吸收和干物質積累高峰的拔節(jié)期后，對土壤銨態(tài)氮吸收量大，導致銨態(tài)氮含量降低，但拔節(jié)期追施氮肥后提高了土壤銨態(tài)氮含量；在成熟期土壤硝態(tài)氮含量較低，可能是因為有機氮礦化過程中釋放氮素緩慢，再加上作物吸收利用及淋溶損失所致[22]。筆者研究得出，表層土壤有機碳、全氮和速效磷含量隨污泥堆肥替代氮肥比例的增加而增加，且當替代比例超過50%時增加趨勢更為明顯，這與孟繁宇等[23]在對污泥堆肥改良鹽堿土研究中得到的結論相吻合，說明污泥堆肥投入到農田是提高肥力的有效途徑。另外，有研究表明，污泥堆肥施入土壤對土壤速效鉀含量沒有影響，速效鉀含量甚至有降低趨勢[24]。筆者研究結果顯示，土壤速效鉀含量隨污泥堆肥替代氮肥比例的升高而增加，此與黃林等[25]的田間定位試驗結果相一致。筆者課題組對污泥堆肥施用后重金屬積累情況的研究表明，隨著污泥替代比例的增加，土壤和小麥籽粒中重金屬含量呈增加趨勢，但在污泥堆肥最大施用量條件下，土壤中砷、鎘、鉛和鉻含量分別為14.52、0.15、38.42和91.09 mg·kg-1，均未超過GB 15618—2018《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》規(guī)定的篩選值，且該處理小麥籽粒中砷、鎘、鉛和鉻含量分別為0.07、0.06、0.09和0.30 mg·kg-1，也未超過GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》的限值，說明污泥堆肥在試驗施用期間對土壤和農作物比較安全，梁麗娜等[26]的定位試驗也驗證了這一點。

研究[27]表明糧食作物氮肥農學效率為10～30 kg·kg-1，氮肥偏生產力為40～70 kg·kg-1較為適宜。筆者研究中只有污泥堆肥替代氮肥20%處理的氮肥偏生產力和氮肥農學效率在適宜范圍內，其他處理均偏低，說明污泥堆肥或農業(yè)投入品替代氮肥比例并非越高越好，而且筆者研究中當季氮肥農學效率隨污泥堆肥替代比例增加呈現先升高后降低的現象，污泥堆肥替代氮肥20%處理氮肥農學效率和氮肥偏生產力最高，這一結果與申長衛(wèi)等[28]研究得到的有利于提高小麥氮肥利用率的有機替代比例結果相似。將合理比例的污泥堆肥作為農業(yè)投入品應用于旱地農田，可在產量、品質上表現出良好作用，且有利于后茬作物對養(yǎng)分的需求[29]。筆者研究結果顯示，污泥堆肥替代氮肥20%處理小麥產量和品質略有增加，表明污泥堆肥替代氮肥20%在保證小麥產量的同時能夠實現農田氮肥減施，邢鵬飛等[30]的多年田間試驗也證實30%有機肥替代無機肥能保證小麥產量。

3.2 污泥堆肥替代氮肥對土壤養(yǎng)分淋失風險的影響

污泥堆肥農田利用后能增加土壤肥力，但過量投入也會造成大量有機碳、氮、磷等元素累積，增加養(yǎng)分淋失風險，導致面源污染危害。筆者研究中污泥堆肥替代氮肥比例達100%時，土壤有機碳的有機指數達到Ⅱ級，屬于較清潔類型，說明此污泥堆肥施用量已存在土壤有機碳的淋失風險。李培培等[31]的土壤淋溶模擬試驗表明，土壤氮、磷等養(yǎng)分含量的淋出量與污泥堆肥施用量之間存在顯著相關，且氮素淋溶風險較高。而在筆者研究中，污泥堆肥替代氮肥后各處理土壤全氮單因子指數均小于0.5，即清潔類型，說明污泥堆肥替代氮肥對石灰性土壤氮素淋失風險小。另外，劉利花等[32]對螻土上長期施肥土壤磷素淋溶趨勢的研究證實，當土壤速效磷含量超過23 mg·kg-1時，就存在磷素淋溶的可能，而筆者課題組前期通過污泥堆肥施用的盆栽試驗，得出速效磷淋失的臨界值為28.57 mg·kg-1[33]。筆者研究田間試驗中，當污泥堆肥替代氮肥后土壤速效磷含量均超過該值，且當污泥堆肥替代氮肥比例超過20%時，土壤速效磷含量均大于30 mg·kg-1，在土壤養(yǎng)分等級中達到豐富等級，說明污泥堆肥替代氮肥造成石灰性褐土中磷素的淋失風險仍值得關注。

4 結論

(1)污泥堆肥替代氮肥施用對提高土壤養(yǎng)分含量及綜合肥力的效果優(yōu)于常規(guī)施肥處理，可以改善石灰性褐土的養(yǎng)分和肥力狀況。

(2)污泥堆肥替代氮肥后石灰性褐土氮素的淋失風險較小，當污泥堆肥替代氮肥比例超過50%時，石灰性褐土有機碳淋失風險升高。

(3)污泥堆肥替代20%氮肥處理，有利于小麥產量、氮肥偏生產力和氮肥農學效率提高，可作為石灰性褐土麥田污泥堆肥施用的優(yōu)選措施。