施用污泥制有機營養(yǎng)土對沙地苗圃土壤微生物的影響1)

孫文彥 彭祚登 王海東 熊建軍 賈清棋 彭玉信

(省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室(北京林業(yè)大學),北京 100083)(北京城市排水集團有限責任公司)(北京市黃垡苗圃)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化進程不斷加速,居民生活污水集中處理量越來越大。據(jù)報道[1-2],我國城鎮(zhèn)生活污泥年產(chǎn)生量以每年10%的速率遞增,城鎮(zhèn)生活排水污泥安全處置已成為我國亟待解決的環(huán)境問題之一,如何對污水凈化處理后產(chǎn)生的污泥進行無害化處置被廣泛關注。城鎮(zhèn)生活污泥中含有大量的N、P、K等植物營養(yǎng)元素及豐富的有機質(zhì),可通過一系列工藝制成污泥有機營養(yǎng)土,實現(xiàn)城市污泥的農(nóng)林業(yè)資源化利用[3-5]。

以往研究常使用堆肥的方法對污泥進行處理,以減少環(huán)境危害。從生物發(fā)酵的角度出發(fā),污泥堆肥可以分為厭氧和好氧堆肥2種。現(xiàn)代化堆肥多采用好氧堆肥的方式。使用高溫好氧堆肥能夠徹底分解污泥基質(zhì),有效縮短發(fā)酵周期,與厭氧堆肥相比該方式產(chǎn)生的臭味大大降低。但好氧堆肥制成的有機營養(yǎng)土產(chǎn)品存在含水率過高及易產(chǎn)生大量氨氣等具有刺激性氣味、氣體等諸多問題[6]。而經(jīng)過高溫熱水解、厭氧消化、板框脫水、破碎處理后制成的高級厭氧消化污泥有機營養(yǎng)土的脫水性和穩(wěn)定性大大提高,異味減小,能夠更好地實現(xiàn)城市污泥資源化利用,以達到污泥的穩(wěn)定化、減量化、無害化、資源化處理、處置目標[7-8]。

土壤微生物是土壤生物區(qū)系中最重要的功能組分,參與土壤有機質(zhì)分解及腐殖質(zhì)形成等過程,在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。相關研究表明,施用城市污泥有機營養(yǎng)土可顯著提升土壤中的微生物的數(shù)量及活性[9-10];也有部分研究表明,施用城市污泥有機營養(yǎng)土會增加土壤中重金屬含量,限制微生物的種類與活性[11]。解決城市污泥有機營養(yǎng)土施用對土壤微生物影響的問題,是城市污泥資源化利用的關鍵。周立祥等[12]研究表明,隨著城市污泥有機營養(yǎng)土施用量的增加,植物根際土壤中的真菌類、放線菌類、細菌、纖維分解菌、亞硝酸氧化自養(yǎng)菌的數(shù)量顯著增加;花莉[13]研究表明,施用城市污泥有機營養(yǎng)土后,植物根際土壤中的真菌和細菌數(shù)量都顯著增加;朱琳瑩[11]研究表明,施用城市污泥有機營養(yǎng)土改變了土壤細菌的種群類型及真菌分布的百分比;張鑫等[9]進行了盆栽試驗,其試驗結果表明,施用城市污泥有機營養(yǎng)土后,土壤樣品中細菌和真菌的優(yōu)勢菌群發(fā)生了改變。

我國的城市污泥處置問題越來越突出,而實現(xiàn)城市污泥的農(nóng)林業(yè)資源化利用是城市污泥處理的最好解決途徑之一。目前,城市污泥制有機營養(yǎng)土在林業(yè)上的應用尚未得到普遍推廣,與此相關的研究主要在于改善土壤質(zhì)量及促進林木生長等方面,從土壤微生物角度出發(fā)的研究較少。本研究采用磷脂脂肪酸標記法探究了施用不同梯度的城市污泥制有機營養(yǎng)土對北京平原沙地土壤微生物群落的影響,通過檢測及分析不同施用量梯度下苗圃土壤中微生物數(shù)量及多樣性變化,旨在探究城市污泥制有機營養(yǎng)土施用于北京平原沙地的可能性,為北京市生活污泥制有機營養(yǎng)土在農(nóng)林領域?qū)崿F(xiàn)資源化利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗地點位于北京市黃垡苗圃,該苗圃在北京市大興區(qū),屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,海拔14～52 m,四季分明,年平均氣溫11.6 ℃,年平均降水量556 mm,苗圃地土壤類型為砂土。

2 研究方法

2.1 城市污泥制有機營養(yǎng)土來源及成分

本試驗使用的污泥制有機營養(yǎng)土來自北京市大興區(qū)龐各莊污泥處置廠,由城市生活污水污泥經(jīng)濃縮、預脫水、熱水解、厭氧消化、板框脫水等一系列工藝處理制作而成。N、P、K等養(yǎng)分的質(zhì)量分數(shù)高達9.30%,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為4.32%,含水率約為60%,革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌質(zhì)量摩爾濃度分別為30.61、21.64 nmol·g-1,真菌、放線菌、叢枝菌根真菌質(zhì)量摩爾濃度分別為8.48、7.94、1.91 nmol·g-1。

2.2 試驗設計

試驗于2018年4月份布設,按照不同的有機營養(yǎng)土施用量設置4個處理梯度,分別為0(CK)、3 kg·m-2(T1)、6 kg·m-2(T2)、9 kg·m-2(T3),每個處理的小區(qū)面積為5 m2(1 m×5 m),每個處理設置3次重復。將有機營養(yǎng)土進行均勻撒施,撒施后立即將其翻耕至土壤10 cm處。2018年11月雨季結束后采集土壤深度(h)為0

2.3 測定指標方法

將鮮土樣帶回實驗室稱質(zhì)量,記錄原質(zhì)量(N);放入烘箱中150 ℃烘干12 h,取出后放入干燥箱恢復至室溫后稱質(zhì)量,計為N1;繼續(xù)放入烘箱中150 ℃烘干2 h,取出放入干燥箱恢復至室溫后稱質(zhì)量,計為N2。若N1和N2誤差在0.005 g間,則認為土樣已烘干,之后計算土壤含水率(P),公式如下:

P=(N-N2)/N2。

土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFA)采用Bossio et al.[14]的方法進行提取。稱取8 g冷凍干燥土樣于試管中,加入V(檸檬酸緩沖溶液(pH=4.0))∶V(氯仿)∶V(甲醇)=0.8∶1.0∶2.0的提取劑溶液,振蕩提取總脂類。經(jīng)過固相萃取硅膠柱分離去除中性脂、糖脂,得到磷脂。堿性甲酯化后,用Agilent7890A氣相色譜儀分析磷脂脂肪酸成分,內(nèi)標為正十九烷酸甲酯(19∶0),通過MIDI Sherlock軟件對各成分脂肪酸進行微生物的鑒定[14]。土壤微生物磷脂脂肪酸命名采用以下方法:X∶YωZ(c/t),其中X為脂肪酸分子的碳原子總數(shù);Y為不飽和烯鍵的數(shù)目;ω為甲基末端;Z為烯鍵或環(huán)丙烷鏈的位置;前綴a(anteiso)和i(iso)分別為支鏈的反異構和異構;cy為環(huán)丙基支鏈;后綴c和t分別為順式和反式同分異構體;10-me為在距分子末端第10個碳原子上有1個甲基基團[15]。此外,OH代表羥基;N為碳鏈上的N原子;alcohol代表醇類,化學式為-C2H5OH;DMA為二甲基乙酰胺。

土壤中直接提取磷脂類化合物,以準確表達微生物的生物量[15-18],具體見表1。

2.4 數(shù)據(jù)處理

計算各種土壤微生物的磷脂脂肪酸質(zhì)量摩爾濃度,公式如下:

樣品干質(zhì)量=試驗樣品鮮質(zhì)量-試驗樣品鮮質(zhì)量×土壤含水率;

式中,目標的反應值、內(nèi)標19:0的反應值、內(nèi)標19:0的質(zhì)量濃度、溶劑體積都是已測得的數(shù)據(jù),脂肪酸甲酯摩爾質(zhì)量需要根據(jù)各個脂肪酸分子式計算得出。

計算土壤中各個微生物的Shannon-Winner多樣性指數(shù)(H)、Simpson優(yōu)勢度(D)、Pielou均勻度指數(shù)(J),公式如下:

Shannon-Winner多樣性指數(shù)(H):H=-∑PilnPi;

Pielou均勻度指數(shù)(J):J=-(∑PilnPi)/lnS。

式中,Pi為特征脂肪酸占該試驗中總特征脂肪酸個數(shù)的比例;Pi=Ni/N,Ni為處理i的特征脂肪酸個數(shù),N為該試驗中總特征脂肪酸個數(shù);S為特征脂肪酸i在土樣中出現(xiàn)的次數(shù)。

本試驗所得數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進行單因素方差分析,并通過Duncon分析對數(shù)據(jù)進行多重比較。

表1 不同微生物類群的磷脂脂肪酸標記

3 結果與分析

3.1 污泥制有機營養(yǎng)土施用量對土壤微生物磷脂脂肪酸數(shù)量的影響

3.1.1不同施用量對土壤微生物磷脂脂肪酸質(zhì)量摩爾濃度的影響

不同施用量對北京平原沙地土壤耕作層微生物磷脂脂肪酸質(zhì)量摩爾濃度的影響見表2。隨施用量的增加,00.05)。隨著施用量的增加,20 cm0.05)。

3.1.2不同施用量對土壤細菌質(zhì)量摩爾濃度的影響

隨著施用量的增加,當土壤深度為0

隨著施用量的增加,與CK相比,當土壤深度為0

隨著施用量的增加,當土壤深度為0

3.1.3不同施用量對土壤真菌質(zhì)量摩爾濃度的影響

隨著施用量的增加,當土壤深度為0

3.1.4不同施用量對土壤真菌與細菌的質(zhì)量摩爾濃度比值的影響

隨著施用量的增加,當土壤深度為0

3.1.5不同施用量對土壤放線菌質(zhì)量摩爾濃度的影響

隨施用量的增加,當土壤深度為0

3.1.6不同施用量對土壤叢枝菌根真菌質(zhì)量摩爾濃度的影響

隨著施用量的增大,當土壤深度為00.05)。

表2 不同施用量時土壤微生物磷脂脂肪酸變化

處理m(革蘭氏陽性菌)∶m(革蘭氏陰性菌)0

注:CK.有機營養(yǎng)土施用量為0;T1.有機營養(yǎng)土施用量為3 kg·m-2;T2.有機營養(yǎng)土施用量為6 kg·m-2;T3.有機營養(yǎng)土施用量為9 kg·m-2;表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差;同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.2 不同施用量對土壤微生物多樣性的影響

3.2.1不同施用量對土壤微生物Shannon-Winner多樣性指數(shù)的影響

用Shannon-Winner多樣性指數(shù)描述不同施用量下土壤微生物的種類多樣性。當土壤深度為0

3.2.2不同施用量對土壤微生物Simpson優(yōu)勢度的影響

隨施用量的增加,土壤各層的微生物Simpson優(yōu)勢度指數(shù)變化趨勢和Shannon-Winner指數(shù)趨勢完全相同。在土壤深度為0

3.2.3不同施用量對土壤微生物Pielou均勻度指數(shù)的影響

微生物Peilou均勻度指數(shù)反映了土壤中全部微生物的個體分配狀況。在土壤深度為0

表3 不同施用量時土壤微生物多樣性的變化

4 結論與討論

磷脂脂肪酸生物標記的總量能基本反映土壤微生物總量[19]。本研究中,隨著施用量的增加,土壤深度為20 cm

革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌是土壤細菌的主要代表。研究表明,革蘭氏陽性菌更能適應饑餓環(huán)境,在肥力極低的土壤中,革蘭氏陽性菌的生長速度快于革蘭氏陰性菌[24]。因此,革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌的質(zhì)量摩爾濃度比值越低則表明土壤肥力越高。楊濤等[25]研究表明,城市排水污泥中含有大量N、P、K及豐富的有機質(zhì),施用后能夠顯著增加土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的含量。譚國棟等[26]研究表明,在沙土和壤土中施用不同用量的污泥堆肥產(chǎn)品后,2種土壤中有機質(zhì)、N、P、K質(zhì)量分數(shù)均高于未施用的對照處理。劉玉奇[27]通過完全隨機區(qū)組試驗證明,施加城市污泥堆肥產(chǎn)品對土壤有很好的改良作用,明顯提高了土壤中的有機質(zhì)以及N、P、K質(zhì)量分數(shù),且堆肥樣品中的堿解氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量分數(shù)顯著高于對照組土壤。本研究中,與CK相比,在T2施用量下,土壤深度為0

Nair et al.[28]研究發(fā)現(xiàn),真菌與細菌相比,其能更好地降解復雜化合物。此外,真菌還能與作物共生形成菌根,因此較高的農(nóng)田真菌與細菌的質(zhì)量摩爾濃度比值對植物生長具有重要促進作用。孫昱等[29]的研究表明,施用城市污泥有機營養(yǎng)土對油松的冠幅增長、葉片N吸收及榆樹徑向、高生長、光合作用有明顯的促進。Olivier et al.[30]研究發(fā)現(xiàn),施用污泥堆肥可顯著增加胭脂櫟葉片生物量和莖干的粗度、長度。本研究中,在土壤深度為0

生物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及健康程度的衡量指標[31-32]。孟令男[33]研究表明,施用一定量的污泥有機營養(yǎng)土可以顯著提升土壤中真菌及細菌的群落多樣性指數(shù)。在本研究中,T1、T2施用量對土壤中微生物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)的影響不顯著,而T3施用量能顯著提升土壤深度為0

本研究表明,T3施用量處理可以顯著提高土壤深度為0

綜上,在北京平原沙地土壤中施用不同質(zhì)量的城市排水污泥制有機營養(yǎng)土,通過采用磷脂脂肪酸標記法檢測并分析土壤中微生物總量、組成數(shù)量及微生物多樣性變化特征。研究發(fā)現(xiàn),施用一定質(zhì)量的城市污泥制有機營養(yǎng)土可以增加北京平原沙地土壤中微生物質(zhì)量摩爾濃度、放線菌質(zhì)量摩爾濃度、真菌質(zhì)量摩爾濃度、叢枝菌根真菌質(zhì)量摩爾濃度、革蘭氏陰性菌質(zhì)量摩爾濃度、革蘭氏陽性菌質(zhì)量摩爾濃度。土壤中的微生物數(shù)量整體在0