不同有机物料对滩涂土壤重金属含量及有效性的影响

朱晓雯+黄顾林+左文刚

摘要：沿海滩涂是重要后备耕地资源，但新围垦滩涂并非农用耕地，须投入大量有机物料加以熟化改良。实施大面积滩涂土壤改良过程中，廉价有机物料的来源及其重金属含量成为新围垦滩涂土壤改良的限制因素。采用生活污泥、牛粪及中药渣3类有机物料改良新围垦滩涂土壤，对改良过程中滩涂土壤的重金属含量及黑麦草对重金属的吸收进行比较研究。结果表明，施用牛粪、中药渣对滩涂土壤全量Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb均无显著影响。施用牛粪增加了滩涂土壤有效态Cu、Zn、Ni、Cd的含量，施用中药渣使得滩涂土壤有效态Ni、Cd含量稍有上升。施用生活污泥增加了滩涂土壤全量Cu、Zn；随着污泥施用量的增加，滩涂土壤有效态Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb的含量均呈上升趋势，其中有效态Mn含量上升幅度较小，其余重金属有效态含量上升幅度均较大。施用牛粪、中药渣对黑麦草地上部和根系重金属含量均无明显影响。施用生活污泥增加了黑麦草地上部重金属（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd和Pb）含量；随污泥施用量的增加，根系Mn、Zn、Cu、Ni含量呈先上升后下降趋势，Cd和Pb含量呈上升趋势。施用生活污泥后在滩涂土壤上种植的黑麦草植株各重金属的含量均未超标，但应用生活污泥改良滩涂土壤过程中的重金属环境安全性问题，仍值得深入研究。

关键词：滩涂土壤；有机物料；资源化利用；无害化处理；重金属；土壤环境安全有效性

中图分类号： S156.91 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）11-0467-04

中国耕地资源紧缺，随着人口的不断增长，工矿、交通、城市建设用地的不断增加，人地矛盾空前严峻[1]。我国东部沿海每年可以形成约2万hm2的淤泥质滩涂，改造后可为全国特别是沿海省份的长期发展提供最实际的后备耕地资源[2]。沿海滩涂土壤属于特殊原始土壤，最显著的特征就是盐分含量偏高，有机质含量极低，耕作层次尚未形成，结构差、保水通气性差，养分含量低且易流失、供应能力差，微生物区系组成单一[3-4]，须要通过投入大量有机物料加以熟化改良。研究表明，有机质可通过改善土壤的理化性状、改变土壤盐分运动状况，促进土壤脱盐，抑制土壤返盐，中和土壤碱度，从而减轻盐分对作物的危害[5]。土壤有机质含量与土壤脱盐率和作物产量呈正相关，与土壤返盐率呈负相关[6]。土壤有机质与土壤养分含量的增加有密切的联系[7]，有机质分解后可提供多种养分，特别是氮素，因为滩涂土壤矿物质一般不含氮。此外，有机质也是滩涂土壤中磷、硫、钙以及微量元素的重要来源。在大面积新围垦滩涂土壤改良过程中，廉价有机物料的来源及其重金属含量是新围垦滩涂土壤改良的限制因素。前期研究表明，施用生活污泥、牛粪和中药渣等廉价有机物料，均可增加滩涂土壤有机质含量，降低土壤含盐量及pH值，改善土壤氮磷養分的供应，从而促进黑麦草植物的生长[8]。这3种有机物料都可用于新围垦滩涂的改良，对滩涂围垦初期土壤肥力形成有明显的效果。然而，目前对生活污泥农用的意见分歧较大，争议的焦点是部分生活污泥可能含有较多的重金属等污染物。同时，有机质的大量施用可能会对土壤重金属的存在形态产生影响[9]，从而可能增加植物对重金属累积以及重金属污染环境的风险。本研究以生活污泥、牛粪和中药渣3种有机废弃物料作为有机肥源改良新围垦滩涂土壤，对改良过程中重金属在滩涂土壤及黑麦草中的累积进行对比研究，旨在获得科学依据的基础上，积极地实施廉价有机物料资源化利用战略，为解决我国土地资源严重不足和有机废弃物料难以处理的迫切问题提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2011—2012年在江苏省如东县兆盈垦区试验田（121° 23'23″E，32° 20'03″N）进行。试验区为新围垦第3年的滩涂，属淤涨型的淤泥质海岸，滨海相地貌，地势平坦，地面高程3.0 m；属亚热带湿润季风气候，具有明显的过渡性海洋性和季风性，四季分明，降水量主要集中在6—8月份。试验区浅层土层中地下水均为第四系孔隙潜水类型，层状分布，主要补给来源为地表水及大气降水。供试生活污泥、牛粪和中药渣于2011年8月分别取自如东生活污水处理厂、如东某奶牛场及如东某中药厂，基本理化性质见表1，其中生活污泥中重金属元素含量均低于建设部颁布的GB/T 24600—2009《城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质》国家标准。

1.2 试验设计

采用田间随机区组试验，各小区面积均为4.0 m×4.0 m。试验按有机物料干基不同施用量，设5个处理，分别为0、30、75、150、300 t/hm2，各处理重复3次。2011年9月将生活污泥、牛粪、中药渣按不同用量施入滩涂土壤小区，自然风干后于10月20日利用旋耕机将生活污泥、牛粪、中药渣与0～20 cm耕层土壤拌匀，10月25日每小区播入35 g黑麦草种子。于2012年3月26日（播种后150 d）采集土壤和黑麦草植株样品，分析土壤重金属全量和有效态含量，并对黑麦草植株的地上和地下部重金属含量进行比较研究。

1.3 测定方法

采用HCl-HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法和DTPA浸提-原子吸收分光光度法，分别测定土壤Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb的全量和有效态含量。采用干灰化法-原子吸收分光光度法，测定黑麦草植株重金属Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb的含量[10]。试验数据采用Microsoft Excel（2010）和SPSS 13.0 统计软件进行统计分析，LSD法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同有机物料对滩涂土壤重金属全量的影响

施用生活污泥、牛粪和中药渣对滩涂土壤全量重金属（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd和Pb）的影响见图1。总体来看，施用牛粪、中药渣对滩涂土壤Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb的全量，均无显著影响。试验条件下，施用生活污泥对Mn、Ni、Cd、Pb的全量无显著影响，但显著增加了滩涂土壤Cu、Zn的全量。施用生活污泥各处理（30、75、150、300 t/hm2）滩涂土壤全Cu含量分别比对照增加0.6%、9.1%、22.0%、54.3%；全Zn含量分别比对照增加31.9%、69.2%、191.6%、292.4%。

2.2 不同有机物料对滩涂土壤有效态重金属含量的影响

施用生活污泥、牛粪和中药渣对滩涂土壤有效态重金属（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb）的影响见图2。随牛粪施用量（30、75、150、300 t/hm2）的增加，滩涂土壤有效态Cu、Zn、Ni、Cd的含量呈逐渐上升趋势，有效态Mn、Pb含量无显著变化。施用中药渣后，滩涂土壤有效态Ni、Cd的含量稍有上升，有效态Zn、Cu、Mn、Pb含量无显著变化。随生活污泥施用量（30、75、150、300 t/hm2）的增加，滩涂土壤有效态Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb的含量均呈上升趋势，除有效态Mn含量上升幅度较小外，其余重金属有效态含量上升幅度均较大。

2.3 不同有机物料对黑麦草重金属吸收的影响

施用生活污泥、牛粪和中药渣对成熟期黑麦草地上部和根系重金属（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd和Pb）吸收的影响见图3和图4。施用牛粪、中药渣对黑麦草地上部和根系重金属吸收均无明显影响。随生活污泥施用量的增加，黑麦草地上部重金属含量呈上升趋势，黑麦草根系重金属（Mn、Zn、Cu、Cd）含量呈先上升后下降趋势，当污泥用量150 t/hm2的处理达到最大值；根系Pb含量随污泥用量的增加呈上升趋势。

3 讨论与小结

沿海新围垦滩涂土壤的培肥熟化，须投入大量有机物料。廉价优质的有机物料成为滩涂土壤改良的重要限制因素之一。生活污泥、牛粪、中药渣3种有机废弃物均可用于新围垦滩涂土壤的改良，对滩涂围垦初期土壤肥力形成有明显的效果。然而，这3类有机物料，尤其生活污泥中含有的重金属是污泥农用的主要障碍。以往的大量研究表明，施用生活污泥、牛粪等有机物料均能增加土壤中重金属的含量[11-12]，其主要原因是这些有机物料中含有一定量的重金属[13-14]。本研究表明，施用牛粪、药渣对滩涂土壤重金属（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb）全量无显著影响，而施用生活污泥显著增加了滩涂土壤Cu、Zn的全量，滩涂土壤Cu、Zn全量的增加主要由生活污泥带入。施用牛粪、中药渣对黑麦草地上部和根系重金属含量均无明显影响。施用生活污泥显著增加了黑麦草地上部和根系重金属含量，主要是因为生活污泥的施用增加了土壤有效态重金属的含量，这与前人研究结果[15-16]一致。施用生活污泥后在滩涂土壤上种植的黑麦草成熟期体内各重金属的含量均未超标（GB 13078—2001《饲料卫生标准》）。而黑麦草通常被认为是重金属超积累植物[17-18]，常常被用于土壤重金属生物修复的研究[19]。那么，应用污泥改良滩涂土壤后种植一般农作物，农产品的重金属含量是否超标，值得深入研究。

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