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随着城市化的发展,如何处置大量增加的污泥已经成为一个重要问题,国际上污泥的处置方式主要有焚烧、填埋、土地利用等几种,其中污泥土地利用被认为是可持续的主要处置方式,被很多国家采纳[1]。相对农业土地而言,林地施用污泥更具可行性。第一,林地土壤通常相对贫瘠且较少施肥,而城市污泥含有丰富的植物生长所需养分,可补充林地生态系统中缺乏的营养元素,改善林地土壤质量,促进树木生长[2];第二,林业产品不直接进入食物链,健康风险减小[3];第三,中国是世界上人工林面积最大的国家,污泥产品在林地施用方面有着较好的前景。但污泥含有重金属等有害物质,可能会对植物、土壤动物和微生物造成影响,污泥产品的林地利用存在不确定的风险[4],风险大小往往和污泥类型、施用量等有关[5]。前人大多采用盆栽实验研究污泥施加对土壤性质的影响[6-7],其结果对指导林地施肥作用有限。本研究采用高级厌氧消化污泥与园林废弃物混合堆肥,在北京市平原造林区的榆树Ulmus pumila人工林林地进行了2 a的野外控制施肥试验,探讨污泥堆肥产品对林地土壤质量和安全的影响,以期为污泥堆肥产品的林地应用提供理论依据和技术支持。
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样地位于北京市大兴区北臧镇(39°40′N,116°14′E),为暖温带半湿润大陆季风气候,年平均气温为11.6 ℃,年平均降水量556 mm,林分为榆树人工林,属于2012年北京市平原造林示范区,土壤为冲积性砂质壤土,通气透水性好,蓄水保肥能力较差。施肥区面积约2 hm2,周围有铁栅栏围住。
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供试材料为高级厌氧消化污泥与园林废弃物混合堆肥(简称污泥堆肥),其中污泥来自北京市排水集团某污水处理厂,园林废弃物来自北京市园林绿化局。污泥与园林废弃物干质量比为3∶1,在污泥处置场车间内进行曝气好氧堆制[8]。污泥堆肥和林地土壤重金属情况见表1。
项目 pH 有机质质
量分数/%全氮质量分数/
(mg·kg−1)铬质量分数/
(mg·kg−1)铅质量分数/
(mg·kg−1)铜质量分数/
(mg·kg−1)锌质量分数/
(mg·kg−1)镉质量分数/
(mg·kg−1)镍质量分数/
(mg·kg−1)样地土壤 7.92 1.49 0.39 16.92 17.43 53.02 33.98 2.52 15.35 污泥堆肥 7.68 37.70 32.60 60.90 12.90 319.00 653.00 1.12 2.45 堆肥标准参考值 5.5~8.5 ≥18 − 1 000.00 1 000.00 1 500.00 2 000.00 20.00 200.00 说明:污泥混合堆肥林地施用限定值参考CJ/T 362−2011《城镇污水处置厂污泥处置 林地用泥质》;−表示没有相应标准值 Table 1. Heavy metal content and other characteristics in sewage sludge compost and forest soil for experiment
2017年5−6月进行林地施肥。采用随机区组试验设计,混合堆肥施用量按其中污泥含量计算,参照《城镇污水处理厂污泥处置 林地用泥质》中的相关规定(林地污泥最大施加量为30 t·hm−2·a−1),共设4个施肥梯度,施用量分别为0(ck)、15 (T1)、30(T2)、60 t·hm−2(T3) 4个水平,施肥林地每个固定样方面积为20 m×20 m,样方之间设置10 m的缓冲带,每个处理3个重复,共计12个样方。混合堆肥采用撒施方式,将污泥堆肥均匀在样方内铺开后,再用旋耕机将土肥混合均匀,混合深度为表层20 cm。
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土壤取样时间为2019年6月12日。采用五点取样法采取0~20 cm的表层土,将土样带回实验室,除去砂砾,风干后过2.00和0.25 mm筛待测。制备好的土壤样品首先进行硝酸-氟化氢-盐酸(HNO3-HF-HCl)混合酸微波消解(仪器型号为Mars6),然后采用电感耦合等离子体质谱仪(仪器型号为ICP-OES)测定重金属含量。共测量铬(Cr)、铅(Pb)、铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、镍(Ni)等6种重金属总量和形态。重金属形态包括弱酸提取态(F1)、可还原态(F2)、可氧化态(F3)、残渣态(F4),提取方法为BCR连续提取法[9]。
土壤微生物量碳(MBC)、土壤微生物量氮(MBN)测定采用氯仿熏蒸提取硫酸钾(K2SO4)法[10];土壤呼吸采用静态碱液吸收法[11];4种土壤酶活性,其中脲酶活性采用靛酚比色法测定,碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定,脱氢酶活性采用2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)比色法测定,蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸法测定[12]。
为了消除不同因子评价指标量纲对土壤酶因子载荷造成的影响,可在测定单个酶活性值的基础上计算出土壤酶指数(soil enzymes index,ISE)[13]。
脲酶、磷酸酶指数为升型分布函数:
脱氢酶和蔗糖酶为降型分布函数:
式(1)~(4)中:
$ {x}_{i} $ 表示土壤酶i的活性值,$ {x}_{i \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 和$ {x}_{i\mathrm{ }\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} $ 分别表示土壤酶i活性最大值和最小值,$ {w}_{i} $ 为土壤酶i的加权系数,$ {C}_{i} $ 为公因子方差,$ {C} $ 为公因子方差之和。 -
采用单因素方差分析(P<0.05)对不同施肥量水平下各指标进行统计分析。统计软件为R 3.5.3,绘图软件用Origin 2018。
1.1. 样地概况
1.2. 供试材料
1.3. 取样与指标测定
1.4. 数据处理
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由表2所示:施肥前土壤重金属质量分数从高到低依次为铬、锌、铜、铅、镍、镉;施加污泥堆肥2 a后,土壤中各重金属质量分数随施肥量的增加而增加,与对照相比增加了1%~44%。其中锌、铅、铬在各施肥梯度间差异均不显著(P>0.05),镉、镍和铜质量分数随施加量的增加变化较大,在T2或T3处理下与对照差异显著(P<0.05)。
处理 铬/(mg·kg−1) 铅/(mg·kg−1) 铜/(mg·kg−1) 锌/(mg·kg−1) 镉/(mg·kg−1) 镍/(mg·kg−1) ck 50.56±1.80 a 25.31±2.27 a 27.94±2.85 c 40.03±1.77 a 2.53±0.53 b 15.35±1.20 b T1 52.48±5.58 a 27.22±1.84 a 33.40±0.47 b 46.77±8.92 a 3.11±0.59 ab 16.92±0.41 ab T2 51.33±3.77 a 27.26±3.84 a 38.02±2.03 a 47.89±7.34 a 2.83±0.57 ab 17.77±1.15 a T3 51.00±4.39 a 27.50±2.65 a 39.12±2.01 a 49.57±7.76 a 3.60±0.16 a 17.11±0.89 ab GB 250 170 100 300 0.6 190 说明:GB为GB 15618−2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》中农用土地重金属污染风险筛选值;数值为平均值±标准 误,同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05) Table 2. Concentrations of six heavy metals in the soil tested
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由图1所示:施加污泥堆肥2 a后,6种重金属的形态质量分数分布均不相同,但6种重金属均以残渣态为主,其中镉和铜的残渣态质量分数随施肥量的增大有增多趋势但差异不显著。土壤中各形态金属质量分数随施加量变化趋势也不明显,其中锌的弱酸可提取态(F1)和可还原态(F2)质量分数随施肥量增大而增多。
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由表3所示:施加污泥堆肥2 a后,4种酶活性随施加量增大而表现出不同变化趋势。其中,脲酶活性随施肥量增加呈升高趋势,但各施加量之间差异不显著,且与土壤氮质量分数的相关性不显著(P=0.43);磷酸酶活性随施加量增加无显著变化趋势,且与土壤磷质量分数的相关性不显著(P=0.37);蔗糖酶整体随施加量增加而减少,但T1处理显著高于对照组(P<0.05),脱氢酶质量分数随施加量的增加而显著减少(P<0.05);磷酸酶各施加量间差异不显著(P>0.05)。土壤酶指数随污泥堆肥的施加量增大有所提高,其中T1和T2处理下的土壤酶指数相等,是对照的1.16倍,而T3处理比对照高,但比T1和T2略低。
处理 脱氢酶/(mg·g−1) 蔗糖酶/(mg·g−1) 脲酶/(mg·g−1) 磷酸酶/(mg·g−1) 土壤酶指数 ck 6.29±0.88 a 16.10±0.92 a 0.50±0.04 a 0.47±0.05 a 0.45 T1 4.22±0.51 b 18.71±2.96 b 0.51±0.10 a 0.44±0.07 a 0.52 T2 3.11±0.17 bc 14.60±1.92 a 0.48±0.10 a 0.47±0.02 a 0.52 T3 2.43±0.20 c 13.19±0.25 a 0.54±0.10 a 0.48±0.02 a 0.50 说明:数值为平均值±标准误,同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05) Table 3. Soil enzyme activity under different treatments
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由表4可见:施加污泥堆肥2 a后,微生物碳质量分数随施肥量有降低趋势但处理间差异不显著,T2处理达到最高值。微生物氮质量分数和土壤呼吸强度随施肥量增大也有升高趋势,但处理间差异不显著,两者都在T1达到最大值(表4)。
处理 微生物碳/
(mg·kg−1)微生物氮/
(mg·kg−1)土壤呼吸强度/
(mL·g−1·d−1)ck 44.27±3.40 a 3.93±1.31 a 23.33±10.60 a T1 32.22±3.35 a 4.30±0.92 a 26.60±9.90 a T2 48.04±2.21 a 3.28±1.44 a 25.20±10.10 a T3 34.11±2.19 a 4.01±1.68 a 23.33±7.05 a 说明:数值为平均值±标准误,同列相同小写字母表 示处理间差异不显著(P>0.05) Table 4. Soil microbial carbon and nitrogen and soil respiration