城市污泥施用对喀斯特石漠化土壤质量的改善

　　摘要：为研究城市污泥施用对喀斯特地区石漠化土壤质量的改良效果，以石漠化土壤和城市污泥为试验材料，采用模拟土壤熟化试验，分析了20%～75%比例的污泥添加对土壤持水性能、养分、重金属含量及微生物生物量的影响。结果表明：随着污泥用量的增加，土壤饱和含水率增加了22.04%～67.07%，持水时间延长了5.19～16.25d;土壤有机碳、氮、磷含量及微生物生物量也显著增加。但土壤微生物生物量不是随污泥施用比例的增加而增加，在污泥施用比例为20%～35%范围内，土壤微生物生物量显著高于高比例的污泥添加。50%～75%的污泥施用还导致Cd和Zn超过土壤质量标准。因此，适量的城市污泥施用可改善土壤持水性能、提高土壤肥力，以20%～35%比例为宜。

　　关键词：石漠化;城市污泥;持水性能;土壤养分;土壤微生物生物量

　　石漠化是喀斯特地区普遍存在的一种类似荒漠化景观的土地退化现象[1]。由于喀斯特特殊的自然环境特征，以及人类不合理的社会经济活动，喀斯特地区水土流失频发，表层土壤资源减少，岩石逐渐裸露，土壤有机质及氮、磷等养分含量显著降低，植物生长及生物量积累受到抑制[2]，土地生产力衰退甚至丧失。贵州省是喀斯特地貌最集中的地区，喀斯特面积占全省面积的73.8%[3]，石漠化导致的区域土壤质量退化，使当地农林业生产受到威胁，地区经济效益、社会效益和生态效益受到严重影响[4]。

　　随着城市化进程的加快，城市污水处理厂产生的污泥量剧增，其传统的处理方式如卫生填埋、焚烧等由于土地资源短缺、污染物易渗漏污染地下水，焚烧成本高且易产生大气污染等逐渐受到限制[5]，寻求安全合理的处置方法成为环保热点[6]。污泥中富含有机质、氮、磷等营养元素[7]，其中丰富的速效氮和速效磷能够被植物直接吸收利用，有机态的氮和磷施入土壤后逐渐矿化，有机物在分解的同时形成一部分腐殖质，使养分稳定持续缓释[8]，在土壤改良方面效果较好[9]。

　　在矿区生态恢复中，污泥施用可改善土壤肥力，丰富的有机质还能改良矿山废弃地的理化性质、防治水土流失，有利于迅速恢复植被，并提高矿区土壤微生物活性[10]，若能合理利用于喀斯特地区，将对石漠化土壤质量改善具有重要现实意义。国内外对于城市污泥在砂土、盐碱土以及矿区废弃地的修复方面均有报道[11-15]，主要集中于城市污泥对土壤的养分改善方面。但是，由于含有重金属等有害物质，污泥的利用须以不造成土壤环境污染为前提，对污泥的施用量进行合理控制。

　　目前，关于城市污泥对喀斯特石漠化土壤质量的改善尚鲜见报道。因此，该研究以石漠化区土壤为对象，研究不同比例的底泥添加对土壤持水性能、养分、重金属及微生物生物量的影响，分析污泥施用对石漠化土壤质量的影响，为城市污泥在石漠化区的土地利用提供科学依据。

　　1材料与方法

　　1.1试验地概况

　　土壤样品于2017年5月采自贵州省黔西南州兴仁县郊(东经105°18′～106°06，北纬25°44′～26°13′)，平均海拔1359m，年均气温为15.2℃，年均降水量1315.3mm。土壤类型为黄壤。植被主要是以刺梨(Rosaroxbunghii)、铁线莲(Clem-atisuncinata)为主的藤刺灌丛。采样区植被和土壤覆盖率约70%，岩石裸露率约30%，土层厚度20～40cm。采用五点法随机采样，采样深度0～20cm。

　　1.2试验材料

　　供试污泥为贵阳市小河污水处理厂的脱水污泥，含水率约60%，pH7.87～7.90，有机质含量262.70g·kg-1，全氮含量3.46g·kg-1，全磷含量108.24g·kg-1，全钾含量2.19g·kg-1，碱解氮含量1.101g·kg-1，速效磷含量0.187g·kg-1，速效钾含量0.097g·kg-1。

　　1.3试验方法

　　将采集的土壤和污泥样品在室温(约25°C)下风干，研磨后分别过2mm筛。将风干后的污泥分别以质量比0(CK)、20%(T1)、25%(T2)、35%(T3)、50%(T4)、75%(T5)的比例均匀混合于土壤，装入直径18cm、高12cm的塑料花盆中，混合样品总质量2.5kg。室温下放置平衡45d，每个处理3次重复，平衡期间保证含水量保持在饱和持水量的70%左右。

　　平衡结束后取出0.5g，一部分过2mm筛后保存在4℃冰箱，用于测定微生物生物量碳和氮，另一部分用于养分指标测定。污泥与土壤混合基质的持水性能测定参照霍晓君等[16]的方法。装置由铁架台、滴定管、塑料杯等组成。分别称取50g污泥与土壤的混合样品CK、T1、T2、T3、T4、T5，每个处理3个重复，装于直径约9.0cm的硬质塑料杯，底部预先均匀扎出透水的小孔。

　　样品表面平铺1层尼龙纱网，纱网上平铺1层滤纸，用6支50mL酸式滴定管同时均匀向装有样品的塑料杯中滴水，滴下的水通过滤纸后均匀渗入土壤。样品达到饱和时，水便从杯底的小孔渗出，此时停止加水，待杯底小孔停止渗水时称质量，然后将样品置于室内(室温约25°C)自然蒸发。计算样品的饱和含水率，并统计不同时间的样品质量，分析各处理的持水能力。

　　1.4项目测定

　　样品中指标测定参照《土壤农业化学分析法》[17]。pH测定采用电位法;有机碳含量测定采用重铬酸钾法测定有机质含量后换算;全氮含量测定采用凯氏定氮法;全磷含量测定采用氢氧化钠碱熔，钼锑抗比色法;全钾含量测定采用氢氧化钠碱熔，火焰光度法;碱解氮含量测定采用碱解扩散法;速效P含量测定采用NaHCO3浸提，钼锑抗比色法;速效K含量测定采用乙酸铵浸提，火焰光度法。

　　1.5数据分析

　　数据经MicrosoftExcel2010软件整理后，利用SPSS19.0forWindows软件进行数据分析，用一元方差分析(One-wayANOVA)对试验结果进行分析，同时进行双尾显著性检验，所有检验的显著性水平如无特殊说明均为P=0.05。

　　2结果与分析

　　2.1污泥添加对石漠化土壤持水性能的影响

　　石漠化土壤饱和含水率为46.68%，持水时间13.21d，施用城市污泥后，饱和含水率及持水时间均显著增加，且增加程度随污泥施用量递增。添加20%～75%的污泥，混合土壤饱和含水率提高了22.04%～67.07%，持水时间延长5.19～16.25d。说明城市污泥的施用，能够显著提高土壤饱和含水率，延长其持水时间，显著改善其持水性能。

　　2.2污泥添加对石漠化土壤pH、养分及重金属含量的影响

　　添加城市污泥后，土壤pH有所降低。随着污泥施用比例的增加，土壤有机碳(TOC)含量增加了1.93～31.48倍，全氮(TN)含量增加了1.10～3.06倍，全磷(TP)含量增加了1.63～27.43倍，碱解氮(AN)含量增加了1.64～3.55倍，速效磷(AP)含量增加了22.90～56.04倍。

　　由于污泥中全钾(TK)含量与土壤中的含量相差不大，速效钾(AK)含量低于土壤，添加20%～35%的城市污泥，全钾含量仅增加了4.12%～8.25%，污泥添加比例为25%时最高。速效钾含量则随污泥添加量的增加而降低，降低幅度为6.76%～34.18%。

　　可见，城市污泥的添加能够显著提高土壤有机质、氮、磷等养分含量。随着污泥施用比例的增加，土壤总Cu、Zn、Cd和Pb含量均显著增加。总Cu含量增加了3.14%～31.56%，总Zn含量增加了20.38%～124.83%，总Cd增加了3.00～15.27倍，总Pb增加了1.95%～46.48%。

　　污泥中总Cr和总Ni的含量低于对照土壤，因此污泥的添加未增加土壤中Cr和Ni的含量。污泥添加量为50%，总Cd含量超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB15618-2018)》7.83%;污泥添加量为75%时，总Cd含量超标32.83%，总Zn含量超标6.67%，其它添加比例条件下，重金属含量均未超标。

　　2.3污泥添加对石漠化土壤微生物生物量的影响

　　城市污泥的添加，显著增加了土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)的含量，但不是随污泥的增加而增加。污泥添加比例为20%～35%时，MBC含量和MBN含量随污泥添加比例的增加而增加，而污泥添加比例超过35%时，MBC含量和MBN含量开始下降：MBC含量从对照土壤的4.39倍下降到3.25倍，MBN含量从对照土壤的2.50倍下降到1.53倍。

　　对照土壤中，MBC/TOC为0.95，污泥添加比例为20%～35%时，增加到1.06～1.24，污泥添加比例为50%和75%时，下降到0.23和0.10。MBC含量和MBN含量均在污泥添加比例为35%时最高，而MBC/TOC在污泥添加比例为25%时最高。可见高比例的污泥添加，虽然大大增加了有机质含量，但可供直接利用的碳并未显著增加。

　　从相关性分析可知，MBC含量与pH、有机碳含量、总磷含量、碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量呈正相关，MBN含量与总氮含量、总磷含量、碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量呈正相关，MBC含量与MBN含量也存在正相关关系。MBC/TOC与污泥用量呈显著负相关(P<0.05)，与有机质含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量呈显著正相关，与MBC含量呈极显著正相关(P<0.01)。

　　3讨论与结论

　　3.1污泥添加对石漠化土壤持水性能的影响

　　持水性能是土壤的重要物理性质，而石漠化区土壤持水能力较差[18]，该研究主要研究污泥添加对土壤饱和含水率及持水时间的变化，分析污泥施用对土壤持水性能的影响。饱和含水率能够反映土壤容纳水分的能力[16]，该研究中，土壤饱和含水率随污泥的施用比例的增加而增加，这可能与污泥中有机质含量有关。饱和含水率与有机质含量相关性分析结果表明，二者之间呈显著正相关，说明混合基质中有机质含量越高，其饱和含水率就越高，与张鸿龄[19]的研究结果相同。

　　因此，污泥添加由于提高了土壤有机质含量，对改善土壤持水性能有积极作用。土面蒸发直接影响着土壤的持水时间，该研究发现，污泥施用在一定程度上减缓了土壤蒸发速率，增加了其在自然条件下的持水时间，且随底泥添加比例增加，持水时间呈增加趋势，与其他学者施用城市污泥和污泥堆肥能显著提高土壤含水率和持水性能的试验结果类似[20]。ZEBARTH等[21]和HANEY等[22]的研究结果也表明污泥土地利用能使土壤的保水时间更长。

　　该研究中，饱和含水率和土壤持水时间随着城市污泥添加比例的增加而显著增加，可能与污泥本身的物理性质及组成有关。刘纯甫等[23]认为，城市污泥中有机质含量较高，相当一部分呈胶体状态，由于胶体的比表面积较大，在表面张力作用下吸附的水分较多，加之胶体本身具有亲水性，因此富含有机质的土壤蒸发失水需做较多的功而有助于抑制和减缓土壤水分蒸发。

　　另外，富含胶体的土壤由于胶体团聚而容易结块，表层土壤水分蒸发后，表层的结块能够阻止下层土壤水分蒸发[22]，从而使得持水时间相对较长。城市污水污泥富含的有机胶体还能降低土壤容重，增加土壤团粒结构和孔隙率[24]，进而提高土壤表面水分的渗透性，使其快速渗透到深层，进一步减少水分蒸发。

　　3.2污泥添加对石漠化土壤pH、养分及重金属含量的影响

　　添加城市污泥后，pH有所降低，可能是由于试验过程中，污泥中有机质的降解形成了一定数量的有机酸[25]，ASIK等[11]在沙土中施用污泥的研究得出相同结果，USMAN等[26]也发现在石灰性土壤中添加污泥后，降低了土壤pH。城市污泥添加于土壤能够显著增加有机质、氮、磷等养分含量[27]。

　　有机质含量直接影响着土壤的团粒结构、物理性质及保水保肥能力[28];氮、磷含量的增加能够改善土壤养分状况。该研究发现，随着污泥用量的增加，各养分含量增加显著：土壤有机碳增加了1.93～31.49倍，全氮增加了1.10～3.06倍，碱解氮增加了1.64～3.55倍，全磷增加了1.63～27.43倍，速效磷增加了22.90～56.04倍。相关性分析结果表明，有机质及氮、磷含量与污泥的添加量呈显著正相关。

　　不同污泥添加量之间，有机质、全氮、全磷、碱解氮和速效磷含量差异显著，但低用量(20%～30%)不如高用量(50%～75%)处理间的差异显著。然而，城市污泥中除含有有机质和养分元素外，还含有重金属等有毒有害物质[29]，污泥施用在提高土壤肥力的同时也将重金属带入土壤。该研究发现，随着污泥施用比例的增加，土壤总Cu、Zn、Cd和Pb含量均显著增加。

　　污泥添加量为50%，总Cd含量超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB15618-2018)》7.83%;污泥添加量为75%时，总Cd含量超标32.83%，总Zn含量超标6.67%，其它处理中土壤重金属含量未超标。严格控制好污泥的施用量，才不会导致土壤重金属污染。

　　3.3污泥添加对石漠化土壤微生物生物量的影响

　　土壤微生物能够通过其代谢活动参与和促进土壤中的物质循环，影响土壤肥力[8]，是反映土壤质量状况的重要指标。城市污泥中丰富的有机质和矿质元素能够为土壤微生物提供养分，加之污泥中本身含有丰富的微生物，其施用能够显著提高微生物的数量[30]。已有研究表明，污泥施用能够增加土壤微生物生物量[31]，低剂量的施用使土壤微生物生物量及活性增加量显著高于高剂量的处理[32]。

　　该研究得到相同结果，城市污泥的添加显著增加了土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)的含量，但不是随污泥施用比例的增加而增加。污泥添加比例为20%～35%时，MBC含量和MBN含量随污泥添加比例的增加而增加，添加比例超过35%时，MBC含量和MBN含量均开始下降。相关性分析结果表明，MBC含量和MBN含量与有机碳含量、总磷含量、碱解氮含量、速效磷含量等养分呈正相关，高比例添加时其含量降低可能跟土壤中重金属含量的增加有关[33]。

　　作为土壤有机质的活性部分，土壤微生物生物量是土壤中易于利用的养分库及有机物分解和矿化的动力，其中MBC约占土壤有机碳的1%～4%，其含量表征着土壤活性有机碳的储量[34]。对照土壤中，微生物生物量与有机碳的比值(MBC/TOC)为0.95，污泥添加比例为20%～35%时，增加到1.06～1.24，但污泥添加比例为50%和75%时反而低于对照土壤。MBC含量和MBN含量均在污泥添加比例为35%时最高，而MBC/TOC在污泥添加比例为25%时最高。

　　相关性分析结果表明，MBC/TOC与污泥用量呈显著负相关(P<0.05)，与有机质含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量呈显著正相关，与MBC含量呈极显著正相关(P<0.01)。

　　说明高比例的污泥添加虽然大大增加了有机质含量，但可供直接利用的碳并未显著增加，与ASENSIO等[35]的研究结果一致。因此，城市污泥施用，能够提高土壤持水能力、土壤养分及微生物生物量，但土壤微生物生物量不是随污泥施用比例的增加而增加，在污泥施用比例为20%～35%范围内，MBC含量和MBN含量显著高于50%和75%的添加;高比例的污泥添加，虽然能够大大增加土壤有机质含量，但并未显著增加可供直接利用的碳。同时，高比例的污泥施用可能导致土壤重金属污染。适量的城市污泥施用可提高土壤肥力，但并不是污泥施用量越大土壤质量越好。

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