施用污泥堆肥對(duì)土地安全性的影響

秦偉

［關(guān)鍵詞］施用污泥堆肥；土地；安全性；影響效應(yīng)

隨著城市化快速發(fā)展，城市污水越來越多，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，城市污水處理能力和技術(shù)水平也在不斷提升，使得全球乃至全國范圍內(nèi)污泥產(chǎn)量大大增加[1]。目前，就國內(nèi)而言，主要通過土地利用方式最大化利用污泥資源，當(dāng)土壤肥力不足時(shí)，通過施用污泥堆肥，即可增加土壤中的相關(guān)營養(yǎng)元素，使土壤保持更為持久的養(yǎng)分，進(jìn)一步改善土壤質(zhì)量，為林木、農(nóng)作物、水草資源健康、良性生長提供有機(jī)基質(zhì)。在此背景下，全國水務(wù)行業(yè)需要迫切、有效解決城市污水處理問題及污泥資源合理利用問題。但由于現(xiàn)有技術(shù)工藝條件限制，有些污泥處理設(shè)施并不能完全徹底處理污泥中的重金屬，若將其用于農(nóng)地、林地或耕地，可能會(huì)破壞土地土壤營養(yǎng)平衡，造成土壤重金屬富集，不利于土地安全，也會(huì)影響人類身體健康，更會(huì)嚴(yán)重影響土壤利用及植物生長[2]。

1. 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省廉江市新民鎮(zhèn)內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)間為2022年2月至6月。試驗(yàn)站地理坐標(biāo)為21°25′至21°55′N、109°45′至110°30′E。試驗(yàn)區(qū)性質(zhì)為塊狀混交人工林實(shí)驗(yàn)區(qū)，總占地面積為15 hm²，于2021年?duì)I造。試驗(yàn)區(qū)域氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均降水量在1600～1650 mm之間，雨量充沛，日照充足，年平均氣溫達(dá)22.4℃，空氣平均相對(duì)濕度為79%。從本區(qū)土地資源基本情況來看，廉江市新民鎮(zhèn)土壤大致分為旱地土壤、自然土壤及水稻土三類，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低。其中，本區(qū)最主要的農(nóng)耕地為水稻土，而旱地土壤（基水地堆疊土）與自然土壤（赤紅壤）均屬于香洲區(qū)特有的土壤類型及南亞熱帶的代表性土壤，其廣泛分布于廉江市新民鎮(zhèn)海島地區(qū)和丘陵臺(tái)地。

2. 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)供試材料中所用污泥堆肥產(chǎn)品均由珠海市供水與排水治污中心提供，主要包括污泥A、污泥B及污泥C三種不同產(chǎn)品，具體如下：

（1）污泥A：分別由園林廢棄物與污泥混合物組合而成（將林木修枝剩余物如園林廢棄物等添加到污泥中，通過混合堆置處理一段時(shí)間，得到污泥堆肥A混合產(chǎn)品）。

（2）污泥B：主要成分為污泥好氧堆肥（將含水量≤40%的污泥統(tǒng)一放置到實(shí)驗(yàn)大棚內(nèi)進(jìn)行自然腐熟處理，通過“條垛式”堆肥后最終得到干污泥堆肥B）。

（3）污泥C：厭氧堆肥-熱水解污泥產(chǎn)品（在高溫實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)污泥產(chǎn)物進(jìn)行高溫?zé)崴?，并?jīng)厭氧消化和脫水處理之后，獲得干污泥C）。以下表1所述數(shù)據(jù)為本研究供試三種不同污泥堆肥產(chǎn)品的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與理化性質(zhì)參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2022年2月，將本研究試驗(yàn)區(qū)劃分為三塊約3公頃（面積大致相同）的試驗(yàn)區(qū)域，依次采用上述三種不同的供試污泥堆肥材料進(jìn)行施肥處理，每個(gè)小試驗(yàn)區(qū)均設(shè)有三個(gè)不同的污泥堆肥試驗(yàn)樣地，面積均為25 m×25 m，同時(shí)預(yù)留一塊CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地。試驗(yàn)過程中，為有效避免各試驗(yàn)樣地小區(qū)之間相互干擾、相互影響和作用，另將約5m大小的緩沖帶設(shè)置于三種不同的污泥堆肥試驗(yàn)樣地之間。待緩沖帶及試驗(yàn)樣地均設(shè)置完備之后，依次按照試驗(yàn)要求，規(guī)范采集各試驗(yàn)樣地中表層土壤[3]，并進(jìn)行施用污泥堆肥試驗(yàn)前土壤背景理化性質(zhì)測(cè)定。如下表2所示為三塊不同的試驗(yàn)樣地土壤理化性質(zhì)參數(shù)。

2021年3月，對(duì)三塊試驗(yàn)土地分別進(jìn)行污泥堆肥施肥處理，試驗(yàn)過程中，按照污泥堆肥污泥干基計(jì)算污泥A、污泥B及污泥C三種不同產(chǎn)品的施用量，均為35t· hm^-2，三種污泥堆肥施用方式為“撒施”，即在各試驗(yàn)區(qū)土地的土壤表面撒施污泥堆肥產(chǎn)品之后，再使用機(jī)器進(jìn)行翻耕處理，并將三試驗(yàn)區(qū)各樣地表層土壤與相應(yīng)污泥堆肥產(chǎn)品均勻混合到一起[4]。

連續(xù)施用污泥堆肥15d且當(dāng)試驗(yàn)區(qū)土地營養(yǎng)屬性平衡之后，從3月開始到6月于每月月末對(duì)試驗(yàn)樣地土壤樣品進(jìn)行1次采集，共4次。施用污泥堆肥土地土壤樣品具體采樣方法如下：

（1）采用土鉆在每塊試驗(yàn)田中隨機(jī)鉆取5個(gè)土樣，土壤樣品鉆取采集深度約為20 cm。

（2）待所有土樣均勻混合之后記為一個(gè)土壤樣本，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)施用污泥堆肥土壤樣品采集處理均連續(xù)進(jìn)行3次重復(fù)。

（3）最后，將所取所有土樣進(jìn)行過篩（2 cm）處理，并保存于4℃左右的冷藏冰箱環(huán)境中，主要用于試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定，如試驗(yàn)區(qū)土地土壤酶活性、氮活性及微生物碳等生化指標(biāo)，另一部分施肥土樣經(jīng)風(fēng)干處理后再次過篩（約0.25 mm）處理，主要用于測(cè)定其土壤理化性質(zhì)。

（4）根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，評(píng)價(jià)分析施用污泥堆肥對(duì)土地安全性的影響效應(yīng)及程度。

2.3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)及測(cè)定方法

2.3.1監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)土壤酶活性

本研究試驗(yàn)過程中均按照姚槐應(yīng)，黃昌勇等人編寫的《土壤微生物生態(tài)學(xué)及其實(shí)驗(yàn)技術(shù)》一書（科學(xué)出版社，2006年）中關(guān)于土地土壤酶活性測(cè)定要求進(jìn)行生物學(xué)試驗(yàn)測(cè)定。其中，本試驗(yàn)區(qū)土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性分別采用靛酚比色法和磷酸苯二鈉比色法進(jìn)行測(cè)定，而本試驗(yàn)區(qū)土壤脫氫酶活性與過氧化氫酶活性分別采用TTC比色法及高錳酸鉀滴定法測(cè)定，另外本試驗(yàn)區(qū)土地土壤蔗糖酶活性采用二硝基水楊酸比色法測(cè)定[5]。

2.3.2 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)微生物碳、氮活性及相關(guān)理化指標(biāo)

本研究試驗(yàn)過程中均按照魯如坤等人編寫的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》一書（中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000年）中關(guān)于土地土壤微生物碳、氮活性及相關(guān)理化指標(biāo)測(cè)定要求進(jìn)行生物學(xué)、理化性質(zhì)試驗(yàn)測(cè)定。其中，土壤總有機(jī)碳成分和微生物量碳、氮活性分別采用外加熱法-重鉻酸鉀容量法和氯仿熏蒸法測(cè)定，即將本研究試驗(yàn)區(qū)內(nèi)采樣土地土壤全磷、氮、鉀進(jìn)行消煮處理后，再使用Auto Analyzer 3 型（德國進(jìn)口全自動(dòng)）流動(dòng)分析儀對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤理化指標(biāo)及微生物碳、氮活性成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定[6]。

2.3.3監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)土壤重金屬含量

本研究基于Mars6型試驗(yàn)儀器設(shè)備，采用HNO3-HF-HCl 微波消解法對(duì)所提取土樣中的Cr（鉻）、Pb（鉛）、Cu（銅）、Zn（鋅）、Cd（鎘）、Ni（鎳）、Mn（錳），As（砷）這八種不同的重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，并使用儀器型號(hào)為ICP-OES的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對(duì)試驗(yàn)所提取土地土壤樣本中8種重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定[7]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本研究試驗(yàn)所得相關(guān)數(shù)據(jù)如試驗(yàn)區(qū)土壤酶活性、試驗(yàn)區(qū)微生物碳、氮活性及相關(guān)理化指標(biāo)和試驗(yàn)區(qū)土壤重金屬含量等試驗(yàn)指標(biāo)均進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析[8]，同時(shí)采用鄧肯法（α= 0.05）進(jìn)行三組間安全性指標(biāo)平均值差異顯著性檢驗(yàn)。施用污泥堆肥和試驗(yàn)樣本采樣時(shí)間處理對(duì)土地安全性指標(biāo)的影響均通過統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS29.0進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析，P＜0.01為對(duì)比差異具有非常顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 施用污泥堆肥對(duì)土地（土壤）微生物酶的影響

2～6月，試驗(yàn)土地堿性磷酸酶活性顯著受土樣采樣時(shí)間及污泥堆肥施用、處理方式影響（P＜0.01），且CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地與污泥堆肥A、B、C處理的堿性磷酸酶活性均有所改善和提升。從具體數(shù)據(jù)來看，在2～4月份，試驗(yàn)土地污泥堆肥A、B、C處理時(shí)的堿性磷酸酶活性與CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地土壤的堿性磷酸酶活性均有一定的上升變化趨勢(shì)，其中，兩種土地類型的堿性磷酸酶活性達(dá)到最高值時(shí)為8月份。據(jù)數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)果可知，在污泥堆肥B施用處理時(shí)，試驗(yàn)土地土壤中的堿性磷酸酶活性均高于CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地，這就表明，污泥堆肥B處理更能夠有效地改善并提升土地的堿性磷酸酶活性，并促使土壤植物快速、有效、充分地吸收污泥堆肥中的有機(jī)磷，這是由于污泥堆肥B處理中富含極高的磷活性。

3.2 施用污泥堆肥對(duì)土地（土壤）微生物碳、氮的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤采樣時(shí)間、污泥堆肥處理均會(huì)顯著影響本試驗(yàn)區(qū)域土地土壤中的MBN（微生物氮）和MBC（微生物碳）。具體來看，2～6月，本試驗(yàn)區(qū)域土地土壤中的微生物氮和微生物碳總體上都在持續(xù)增加，污泥堆肥A、B、C所有處理的土壤微生物碳及CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地土壤微生物碳分別增長約40.1%、75.2%、119.0% 及98.5%；而微生物氮?jiǎng)t分別增加約6.2%、51.0%、58.4%和75.9%。通過數(shù)據(jù)可以看出，土壤微生物氮和微生物碳的增加均反映了本試驗(yàn)區(qū)域土地土壤中的植物吸收養(yǎng)分能力及施用污泥堆肥后土壤微生物新陳代謝的強(qiáng)度狀況。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過施用堆肥處理后的試驗(yàn)區(qū)域土地土壤微生物碳、微生物氮均高于CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地土壤（P＜0.05），這就說明施用污泥堆肥可增加土地養(yǎng)分。下表3類不同污泥堆肥供試材料中，施用污泥堆肥C處理后的試驗(yàn)區(qū)域土地土壤微生物碳、微生物氮含量最高，彰顯了其具有更高的肥力價(jià)值，詳見表3：

3.3 施用污泥堆肥對(duì)土地（土壤）相關(guān)理化指標(biāo)的影響

從下表4統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，本研究三塊試驗(yàn)樣地中土壤N（氮）、P（磷）、TOC（總有機(jī)碳）均顯著受污泥堆肥處理方式影響（P＜0.01）。對(duì)比來看，經(jīng)污泥堆肥A、B處理的試驗(yàn)樣地，較污泥堆肥C處理后的試驗(yàn)樣地，其土壤中的N（氮）、P（磷）、TOC（總有機(jī)碳）等成分在2～5月均有不同程度的上升，這就說明，通過施用污泥堆肥C，更能夠增加本研究試驗(yàn)樣地土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，且污泥堆肥A、B處理的試驗(yàn)樣地與CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地土壤中N（氮）、P（磷）、TOC（總有機(jī)碳）等成分的變化發(fā)展趨勢(shì)基本保持一致，各污泥堆肥處理間對(duì)比也無明顯差異（P＞0.05）。但在2、5月，本研究污泥堆肥A、B、C所有處理的pH值均顯著上升，經(jīng)對(duì)土地（土壤）相關(guān)理化指標(biāo)單因素方差分析表明，污泥堆肥A、B、C所有處理的試驗(yàn)樣地pH值僅受時(shí)間變化波動(dòng)因素顯著影響（P＜0.01）。

據(jù)分析，污泥堆肥是一種特殊的沉淀物，它是由生活污水沉淀混合而成，因此其中富含大量的鹽分，當(dāng)這些污泥堆肥被施用到土地土壤中時(shí)，污泥堆肥中的大量鹽分就會(huì)顯著影響土地中土壤的肥力，并通過EC（土壤電導(dǎo)率）加以體現(xiàn)[9]。本研究數(shù)據(jù)顯示，在2月份，污泥堆肥A、B、C所有處理的試驗(yàn)樣地土壤EC值均明顯高于CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地（P＜0.01）；而在5月份，污泥堆肥A、B、C所有處理的試驗(yàn)樣地土壤EC卻與CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地?zé)o明顯差異（P＞0.05），這說明施用污泥堆肥，對(duì)本研究試驗(yàn)樣地土壤均未形成鹽害，土地安全性較高。

3.4 施用污泥堆肥對(duì)土地（土壤）重金屬的影響

在試驗(yàn)監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，施用污泥堆肥后少數(shù)試驗(yàn)區(qū)域土壤中的重金屬含量在下降，但多數(shù)呈上增變化發(fā)展趨勢(shì)（見下表5）。據(jù)分析，對(duì)于Zn、Ni、Cu、Pb這四種重金屬物質(zhì)而言，在2、5月份，通過污泥堆肥A、B、C所有處理的試驗(yàn)樣地土壤與CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地并無明顯差異（P＞0.05），這就表明，施用三種污泥堆肥，對(duì)本試驗(yàn)區(qū)域土地中土壤所含銅、鎳、鉛、鋅這四種重金屬總量的影響少之甚少。

對(duì)于Mn、Cr而言，在2、5月份，通過污泥堆肥C處理后的試驗(yàn)樣地土壤與CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地以及經(jīng)污泥堆肥A、B處理后的土地具有明顯差異（P＜0.01）；另外，經(jīng)污泥堆肥A、B處理后的土地，鉻、錳兩種重金屬的總量均低于CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地（P＜0.05），而經(jīng)污泥堆肥C處理后的土地，鉻、錳兩種重金屬的總量均高于CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地（P＜0.05）。

對(duì)于Cd金屬元素，在2月，經(jīng)污泥堆肥A、B、C處理后的土地與CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地對(duì)比差異不顯著（P＞0.05）；6月份，經(jīng)污泥堆肥A、B、C處理后的土地與CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地對(duì)比差異十分顯著（P＜0.01）。此外，經(jīng)污泥堆肥A、B、C處理后的土地中Cd和As重金屬物質(zhì)的總量均明顯高于CK實(shí)驗(yàn)對(duì)照樣地（P＜0.01），這充分表明，在本研究供試污泥堆肥A、B、C三種處理?xiàng)l件下，Cd和As這兩種重金屬元素相比其他銅（Cu） 、鎳（Ni） 、鉛（Pb） 、鋅（Zn）等重金屬元素而言，更容易在試驗(yàn)土地土壤中堆積。

但經(jīng)過測(cè)定分析，通過施用本研究所采用的三種污泥堆肥A、B、C供試材料后，試驗(yàn)區(qū)土地土壤中的主要重金屬總量均未超過CJ/T 362-2011所規(guī)定的土地安全性閾值；將其施用到林地、耕地類型的土地中后，土壤中所積累的相關(guān)重金屬也均未超過國家現(xiàn)行GB4284-2018所規(guī)定的土地“安全性”閾值，且未對(duì)試驗(yàn)區(qū)域土地土壤造成破壞和污染。

4. 結(jié)論

本研究針對(duì)施用污泥堆肥對(duì)土地安全性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：

（1）施用污泥熱水解堆肥、污泥好氧堆肥可提高土地土壤MBN、MBC含量，且施用污泥堆肥后，試驗(yàn)區(qū)土地土壤中的TOC、K及N含量也顯著增加。

（2）三種污泥堆肥供試量為35t· hm^-2，施用后，試驗(yàn)區(qū)土壤Cu、Ni、Pb及Cd、Cr、Mn、As等八種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)均未超標(biāo)，表明污泥堆肥產(chǎn)品安全用量閾值為35t· hm^-2，若按現(xiàn)有安全用量施加污泥堆肥，并不會(huì)污染和破壞土壤有機(jī)質(zhì)，安全性高，值得推廣應(yīng)用。