施用污泥堆肥对玉米产量及土壤性质的影响

黄雅曦，李 季，李国学，杨合法，高 巍，黄 妍

（1.黑龙江大学农业资源与环境学院，哈尔滨 150080；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100094；3.中国农业大学曲周实验站，河北 邯郸 057250；4.黑龙江省经济作物指导站，哈尔滨 150090）

污泥是污水处理后的附属品，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。污泥的成分非常复杂，除含有大量的水分（93%～99%）外，还含有大量的有机质、难降解的有机物、多种微量元素、病原微生物和寄生虫卵、重金属等成分。

根据我国2006年《中国水资源公报》统计，由于我国经济和城市的快速发展，废污水排放量逐年增长，2006年全国废污水排放总量为731亿t，其中工业废水占2/3，第三产业和城镇居民生活污水占1/3。截至2005年年底，中国城市污水处理率已达52%，因此，如何将产量巨大、成分复杂的污泥无害化、资源化，已成为世界环境界深为瞩目的课题之一。污泥中由于含有大量的植物必需养分[1]，对作物起到良好的增产效果[2]，污泥农用是最有发展前景的一种处置方法[3-4]。污泥中的重金属如Zn、Cu量大时会对环境造成危害，本研究针对污泥堆肥用于农作物，探索污泥农用对作物及土壤环境的影响，为污泥农用提供科学依据和途径。

1 材料与方法

1.1 供试材料

土壤为碱性沙壤土；

消化污泥取自太原市杨家堡污水处理厂；

污泥堆肥为：污泥+玉米芯+粉煤灰（粉煤灰占堆肥全部物料干重的20%）；污泥肥料取自太原市杨家堡污泥堆肥示范厂；

秸秆有机肥取自中国农业大学河北曲周实验站。

土壤及污泥的基础理化性质见表1。

表1 供试土壤及污泥基础理化性质Table 1 Foundational chemical and physical characters of tested soil and sewage sludge

1.2 供试作物

玉米为农大108（第二茬作物）。

2 试验方案

试验在中国农业大学河北曲周实验站进行，每个小区面积为40.60 m2，具体方案如下：

CK空白对照（不施肥）；

①化肥对照，碳酸铵1.125 t·hm-2、过磷酸钙1.125 t·hm-2、硫酸钾 0.15 t·hm-2，追施尿素 0.375 t·hm-2；② 消化污泥（含水 56%）22.5 t·hm-2，追施尿素 0.3 t·hm-2；③ 污泥堆肥（含水 45%）15 t·hm-2，追施尿素 0.3 t·hm-2；④ 污泥肥料 1.5 t·hm-2，追施尿素 0.3 t·hm-2；⑤ 秸秆有机肥 7.5 t·hm-2，追施尿素0.3 t·hm-2；肥料全部用作底肥，6个处理，3次重复。结果取平均值。

3 测定项目及方法

3.1 污泥和土壤养分的测定

有机质含量的测定采用重铬酸钾法；全P的测定采用HClO4-H2SO4消煮，钼镝抗比色法；全N的测定采用半微量凯式定氮法；速效K的测定采用NH4OAc浸提，火焰光度法；速效P的测定采用NaHCO3浸提，钼镝抗比色法；碱解N的测定采用NaOH水解，标准酸滴定法[5]。

3.2 土壤、污泥中重金属全量的测定

所有试验器皿全部在10%HNO3溶液中浸泡24 h，并用去离子水洗净，试剂均为优级纯。称取土壤或污泥样品0.1000 g于30 mL聚四氟乙烯坩埚中，用二次去离子水润湿，然后加入7 mL HF溶液和1 mL浓HNO3溶液，在电热板上消煮蒸发近干时，取下坩埚，冷却后，沿坩埚壁再加入5 mL HF溶液，继续消煮近干，取下坩埚，冷却后，加入2 mL HClO4，继续消煮到不再冒白烟，坩埚内残渣呈均匀的浅色。取下坩埚，加入1：1 HNO31 mL，加热溶解残渣，至溶液完全澄清后，转移至25 mL容量瓶中，用二次去离子水定容摇匀，立即转移到聚乙烯小瓶中，原子吸收分光光度法测定。全部消煮过程采用ESS-1土壤标准样品进行质量监控[6]。

3.3 玉米籽粒中的重金属元素全量的测定

所有试验器皿全部在10%HNO3溶液中浸泡24 h，并用去离子水洗净，试剂均为优级纯。样品采用湿灰化法处理，将小麦或玉米籽粒研磨过60目筛，称取0.500～1.000 g于100 mL高型硬质型烧杯中，加入5～10 mL浓HNO3，盖上表面皿浸泡过夜，置电热板上微火加热，至颗粒溶化，再加5～10 mL浓HNO3、3～5 mL HClO4，摇匀，逐渐升温继续加热，此溶液变稠，颜色变棕红，注意防止炭化。继续加入5～10 mL HNO3，如溶液仍有变棕红、炭化趋势，再滴加浓HNO3，加热消解至溶液变成透明无色，继续加热至溶液冒浓厚白烟，并出现粉红色或黄色残渣为止，取出冷却，转入25 mL容量瓶中，用二次去离子水定容摇匀，转移至聚乙烯小瓶中备用，原子吸收分光光度法测定。

4 结果与分析

4.1 玉米收货后不同施肥处理对土壤养分状况的影响

玉米收获后，土壤各养分含量情况见表2。各施肥处理的有机质含量均高于不施肥空白对照，以施用污泥堆肥的处理含量最高，但经F检验差异不显著；各处理间全氮和全磷数值接近；速效钾的含量施用化肥、消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料、秸秆有机肥各处理分别比对照增加了14.04%、9.44%、6.21%、13.20%、9.74%；碱解氮的含量各施肥处理分别比对照增加了9.72%、15.17%、14.80%、22.68%、14.19%；速效磷的含量各处理分别比对照增加了71.74%、16.30%、32.17%、22.39%；各种养分含量的各处理间差异未达到极显著水平。试验说明，污泥土地利用根施用其他有机肥一样，既可增加作物生长所需养分，又有一定的培肥地力的作用，可满足后茬作物生长的营养需求。

表2 玉米收获后土壤理化性质Table 2 Chemical and physical character of soil after reaping corn

4.2 玉米收货后不同施肥处理对土壤及作物重金属含量的影响

4.2.1 不同施肥处理对土壤重金属含量的影响

玉米收获后的重金属变化情况见表3。Cu元素含量的变化趋势是污泥堆肥＞消化污泥＞化肥＞秸秆有机肥＞污泥肥料＞不施肥空白对照；Mn元素含量的变化趋势是消化污泥＞污泥肥料＞污泥堆肥＞秸秆有机肥＞化肥＞不施肥空白对照；Zn元素含量的变化趋势是秸秆有机肥＞消化污泥＞污泥肥料＞污泥堆肥＞化肥＞不施肥空白对照；Pb元素含量的变化趋势是秸秆有机肥＞消化污泥＞化肥＞污泥堆肥＞污泥肥料＞不施肥空白对照；Cd元素的含量变化趋势是污泥堆肥＞化肥＞消化污泥＞污泥肥料＞不施肥空白对照＞秸秆有机肥。应用SAS统计LSD法进行F检验可知，各处理间差异均未达到极显著水平。

表3 玉米收获后土壤重金属含量Table 3 Content of soil heavy metals after reaping corn （mg·kg-1）

4.2.2 玉米籽粒种种金属的含量

由表4可知，各施肥处理玉米籽粒的重金属含量Cu为消化污泥＞污泥堆肥＞化肥＞污泥肥料＞不施肥空白对照＞秸秆有机肥；Mn的含量为秸秆有机肥＞消化污泥＞化肥＞不施肥空白对照＞污泥堆肥＞污泥肥料；Zn的含量为化肥＞污泥堆肥＞消化污泥＞污泥肥料＞不施肥空白对照＞秸秆有机肥；但各处理数值极为接近，经SAS统计检验各处理间差异不显著。Cd的含量均未超过0.02 mg·kg-1；Pb未检出，各元素均低于国家标准。由此可见，施用消化污泥、污泥堆肥与污泥肥料，与常规施肥一样（化肥、秸秆有机肥），即可以满足作物生长的营养需求，又不会在作物可食用部分造成重金属元素超标。

表4 玉米籽粒重金属含量变化Table 4 Content of heavy metal in corn seed （mg·kg-1）

4.3 不同施肥处理对作物生长和总产量的影响

4.3.1 不同施肥处理对作物产量的影响

污泥堆肥作为有机肥料含有大量的有机物质，这些物质在土壤中经微生物的活动分解转化产生大量的维生素、腐殖酸和激素等物质，能促进作物生长发育。在这些物质的刺激下，作物的根系生长旺盛，提高对养分（特别是P、K）的吸收能力；同时增强作物的光合作用，提高光和能力，使作物根系发达，生长健壮，叶色浓绿，干物质积累多，成穗率高，从而使产量提高。

玉米产量结果见图1。由图1可知，与对照相比，施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的玉米产量分别增加了32.55%、24.63%、41.92%；与施用秸秆有机肥相比，施用消化污泥和污泥堆肥的玉米产量分别减少了4.03%、9.76%，施用污泥肥料的玉米产量增加了2.75%；与施用化肥的处理相比，施用消化污泥和污泥堆肥的玉米产量分别减少了4.03%和9.76%，施用污泥肥料的玉米产量增加了2.75%。

图1 玉米总产量的变化Fig.1 Variety of total corn yield

4.3.2 不同施肥处理对作物产量构成因素的影响

玉米产量一般是由穗粗、行穗数、秃尖、千粒重等因素决定。从表5中影响玉米产量的要素穗粗、行穗数、穗行数、秃尖、千粒重等指标看出，施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的穗粗分别比对照提高了2.65%、1.39%和3.09%，虽然低于施用化肥和秸杆有机肥的处理，但数值很接近；施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的行粒数与对照相比分别提高了3.66%、10.50%和12.21%，施用污泥堆肥和污泥肥料的处理分别高于施用秸杆有机肥的处理4.46%和6.07%。秃尖长是反映作物营养状况的重要指标，秃尖长越短，说明作物的营养状况越好。施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的处理与对照相比分别降低了32.28%、28.35%和53.54%，与施用化肥的处理相比，分别降低了20.37%、15.74%和45.37%，施用消化污泥与污泥堆肥的处理分别比施用秸秆有机肥的处理增加了3.61%、9.64%，施用污泥肥料的处理比施用秸秆有机肥的处理降低了28.92%。施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的千粒重与对照相比分别增加了5.79%、4.37%和6.37%，与施用化肥的处理相比分别增加了0.44%、1.06%、1.05%，与施用秸杆有机肥的处理相比，分别增加了1.94%、0.57%和2.55%。

表5 玉米产量影响指标的变化Table 5 Effective index variety of corn yield

续 表

4.3.3 对作物生物性状的影响

不同施肥处理对玉米生物性状的影响见表6。由穗长、株高、穗干重、芯重来看，各施肥处理的数值接近，且都明显高于对照，在4种供试有机肥中，污泥肥料的增产效果明显好于消化污泥、污泥堆肥和秸秆有机肥。

表6 对玉米生物性状的影响Table 6 Effect of corn biological character

从小麦和玉米的总产量以及生物性状和产量构成因素的各项指标来看，施用消化污泥、污泥堆肥和污泥肥料的处理均明显高于对照，虽然各处理低于施用化肥的处理，但是由于化肥是一种速效肥，所以在第一茬口的小麦试验中，差异明显，消化污泥、污泥堆肥和秸秆有机肥都是有机缓效肥，所以在第二茬口的玉米试验中，各项指标差异不明显，而污泥肥料是一种速效兼缓效肥，不但含有大量的速效营养物质，而且养分全面，因此在供试的四种有机肥料中，其增产效果最好。

5 讨论

活性污泥中含有大量的微生物及营养成分，对土壤的改良和植物的生长均有促进作用，因此被考虑直接施用于土壤和农田。研究表明，污泥的施用可以改善土壤的物理、化学和生物性质，使土壤有机质明显增加，同时对不同的作物及植物有增产和改善品质的作用[7]，所以，污泥被直接用在了育苗、改良土壤、农田等，均获得了较为明显的效果。有研究表明，施用适量污泥后，明显地增加了土壤有机质的含量，有效地改善了土壤结构、水利学及化学性质，由此带来的容重降低，孔隙度、团聚体稳定度以及持水量和导水性的增加，对农业生产起到了积极的作用[1,8-12]。

城市污泥具有较复杂的元素组成，含有大量的有机物质、氮和灰分元素，这决定了城市污泥非常适合作为农业及城市绿化中非传统有机肥而得到广泛应用[13]。将城市污泥作为资源，探索其利用途径及降低对环境的消极作用，是在稳定中保护生态系统的重要手段[14-15]。利用原始状态的或者是添加有机添加物的城市污泥做有机肥，是城市污泥处置方法之一。在效果方面，城市污泥的肥料价值不次于传统的有机肥料和化学肥料。

6 结 论

在各种施肥处理施用1年的情况下，玉米收获后各处理间土壤重金属含量值差距微小，与土壤基础含量差异均不显著；施用消化污泥、污泥堆肥、污泥肥料的处理，土壤中作物所需养分含量增加；改善了作物的生长性状，各处理小麦和玉米均比对照显著增产。说明消化污泥、污泥堆肥、及污泥肥料与化肥和其他有机肥一样，是一种长效肥，既可增加作物生长所需养分，又有一定的培肥地力的作用，可以满足后茬作物生长的营养需求。但对土壤和地下水的长期影响，应作进一步的研究。

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