生活污泥对新围垦滩涂土壤肥力驱动及田菁生长的影响

吴 昊， 管永祥， 左文刚， 黄顾林， 柏彦超

(1.江苏省互联网农业发展中心，江苏南京 210036； 2.江苏省耕地质量与农业环境保护站，江苏南京 210036； 3.扬州大学环境科学与工程学院 / 江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，江苏扬州 225127； 4.江苏省镇江市耕地质量保护站，江苏镇江 212009)

随着人口不断增长，工矿、交通、城市建设用地不断增加，我国人均耕地在快速减少，严重威胁了国家的粮食安全[1]。中国东部沿海滩涂土地资源总面积约为217.04万hm2，主要分布在北起辽宁、南至广东、广西和海南的海滨地带，其改良后可作为重要的后备耕地资源[2]。近50年来，滩涂围垦作为实现“耕地占补平衡”的有效手段得到了迅速发展，我国通过滩涂围垦新增了110万～120万hm2土地[3]。按照目前我国入海河流泥沙的淤积速率，到2050年可再围垦100万～150万hm2土地。然而，新围垦滩涂土壤盐分含量高[4]，土壤水分和盐分的运动非常活跃[5]，不适合开展农业生产。此外，新围垦滩涂土壤层次发育不全，耕作层次尚未形成，有机质含量极低，养分种类少、供应能力差[6-7]。滩涂土壤快速改良的关键环节是大量增加其有机质含量。土壤有机质可促进土壤团聚体形成，改变盐分运动状况，抑制返盐，促进脱盐，从而减轻盐分对作物的危害，提高作物产量，达到改良滩涂土壤的目的[8]。土壤有机质是土壤肥力物质，与土壤养分含量的增加有密切的联系，可不断地供给作物所需的各种营养、改善作物营养水平[9]。

随着我国生活污水处理率的不断提高，生活污泥产生量也急剧增加，亟待无害化处置和资源化利用[10-11]。大量研究表明，施用适量生活污泥可明显增加土壤有机质含量，有效改善土壤结构性质、水力学性质等，由此带来的土壤理化性状的改善将对农业生产起积极作用[12-16]。然而，前人对污泥农用的研究主要集中于一般农田，对利用生活污泥改良滩涂土壤的应用效果及作用机理研究较少。本研究拟在重金属总量控制的前提下，采用符合农用标准的生活污泥一次性施用作为“原始肥力驱动剂”，使原本几乎没有肥力的滩涂土壤迅速获得支撑绿肥植物生长的能力，使绿肥生物量得以大量积累，经原地还田腐解后形成土壤有机质，如此循环往复，可迅速提升滩涂土壤有机质的自积累，从而实现低投入下滩涂土壤肥力的快速形成。研究结果将为沿海滩涂土壤的快速熟化提供科学依据和理论指导，为城市生活污泥安全合理农用提供理论依据和实践基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2011—2013年在江苏省如东县新围垦第4年的滩涂垦区试验田(32°20′03″ N，121°23′23″ E)进行。供试生活污泥于2011年8月取自如东生活污水处理厂。滩涂土壤、生活污泥的基本理化性质见表1，其中生活污泥符合建设部颁布的《城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质》(GB/T 24600—2009)国家标准。

1.2 试验设计

采用田间随机区组试验设计，各小区面积均为4.0 m×4.0 m。试验按生活污泥施用量设5个处理，分别为0、30、75、150、300 t/hm2，各处理重复3次。2011年10月20日将生活污泥施入各小区，并利用旋耕机将污泥与0～20 cm耕层土壤拌匀，2011年10月至2012年5月，每小区种植并还田第1季绿肥黑麦草。于2012年6月12日，每小区播入120 g田菁种子。于2012年9月22日(成熟期)采集土壤和田菁植株样品，进行测定和分析。

表1供试滩涂土壤、生活污泥的基本理化性质

1.3 测定方法

土壤水溶性总盐含量测定采用残渣烘干-质量法，有机质含量测定采用重铬酸钾外加热法，全N含量测定采用半微量凯氏法，全P含量测定采用H2SO4-HClO4消煮法，碱解氮含量测定采用碱解扩散法，速效磷含量测定采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法[17]。各小区采集田菁植株10株，清洗后用吸水纸吸干，称鲜质量。在通风干燥箱中105 ℃杀青 15 min，再于80 ℃条件下烘干至恒质量，称质量。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和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和Pb的含量[17]。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 生活污泥对滩涂土壤pH值及有机质含量的影响

随着污泥施用量的增加，滩涂土壤pH值呈逐渐下降趋势(图1-A)。未施用生活污泥的对照土壤pH值为8.52，施用生活污泥各处理(30、75、150、300 t/hm2)土壤pH值分别比对照降低0.5%、5.4%、9.0%、13.7%。随着生活污泥施用量的增加，滩涂土壤有机碳含量呈上升趋势(图1-B)。未施用生活污泥的对照土壤有机碳含量为2.52 g/kg。施用生活污泥各处理(30、75、150、30 t/hm2)土壤有机碳含量分别比对照增加59.5%、58.6%、119.8%、131.6%，其中污泥施用量达 30 t/hm2处理的土壤有机碳含量显著高于对照。

2.2 生活污泥对滩涂土壤EC值及盐分含量的影响

施用生活污泥对滩涂土壤EC值、盐分含量的影响见图2。随着生活污泥施用量的增加，滩涂土壤EC值呈明显下降趋势(图2-A)。未施用生活污泥的对照土壤EC值为 2.48 mS/cm，施用生活污泥各处理(30、75、150、300 t/hm2)EC值分别比对照降低27.1%、43.1%、49.6%、60.1%。污泥施用量达 30 t/hm2处理的土壤EC值即显著低于对照处理。应用生活污泥改良滩涂土壤过程中，滩涂土壤盐分含量的变化与EC值的变化完全一致(图2-B)。

2.3 生活污泥对滩涂土壤N、P养分供应的影响

随着生活污泥施用量的增加，滩涂土壤碱解氮、有效磷含量呈逐渐上升趋势(图3)。未施生活污泥的对照土壤碱解氮、有效磷含量分别为44.8、22.6 mg/kg。施用生活污泥各处理(30、75、150、300 t/hm2)土壤碱解氮分别达87.9、127.2、168.8、278.4 mg/kg，分别比对照增加96.2%、183.9%、276.8%、521.4%；各处理土壤有效磷含量分别达45.7、54.2、66.3、73.4 mg/kg，分别比对照增加102.6%、140.3%、193.9%、227.1%。污泥施用量达30 t/hm2处理的滩涂土壤有效磷含量显著高于对照；用量达75 t/hm2处理的滩涂土壤碱解氮含量显著高于对照。施用生活污泥对滩涂土壤碱解氮的增幅高于有效磷的增幅。

3.4 生活污泥对绿肥植物田菁生长的影响

3.4.1 生活污泥对田菁生长及产量的影响 不同用量生活污泥对绿肥植物田菁地上部及根干质量的影响见图4-A。田菁植株干质量随生活污泥施用量的增加呈逐渐上升趋势。未施生活污泥的对照处理田菁单株地上部及根系干质量分别为7.2、0.6 g，施用生活污泥各处理(30、75、150、300 t/hm2)田菁单株地上部干质量分别为32.8、40.3、45.9、109.9 g，分别比对照增加3.6、4.6、5.4、14.3倍；单株根系干质量分别为3.9、5.7、7.0、11.0 g，分别比对照增加5.5、8.5、10.7、17.3 倍。施用生活污泥对绿肥植物田菁生物量的影响见图4-B。随着生活污泥施用量的增加，田菁植物生物量呈逐渐上升趋势，污泥用量75 t/hm2及以上处理的田菁生物量显著高于对照处理。未施用生活污泥的对照田菁生物量为7.74 t/hm2，各污泥施用处理(30、75、150、300 t/hm2)的田菁生物量分别比对照增加了36.0%、81.6%、143.6%、199.6%。

3.4.2 生活污泥对田菁植株N、P养分吸收的影响 随着生活污泥施用量的增加，田菁植株地上部及根系N、P养分含量呈逐渐上升趋势(图5)。未施用生活污泥的对照处理田菁植株地上部及根系N含量分别为16.1、7.4 g/kg，施用生活污泥各处理(30、75、150、300 t/hm2)田菁植株地上部N含量分别比对照增加5.3%、16.9%、26.7%、31.4%；根系N含量分别比对照增加12.8%、19.6%、22.3%、37.1%。未施用生活污泥的对照处理田菁植株地上部及根系P含量分别为0.63、0.62 g/kg，施用生活污泥各处理(30、75、150、300 t/hm2)田菁植株地上部P含量分别比对照增加74.7%、83.3%、86.8%、90.3%；根系P含量分别比对照增加35.3%、49.5%、47.7%、88.3%。

3.5 生活污泥对绿肥植物田菁吸收金属的影响

应用生活污泥改良滩涂土壤过程中，田菁植株对金属Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn的吸收情况见图6。随着污泥施用量的增加，田菁植株地上部Cd、Mn、Zn含量呈上升趋势。其中，当污泥施用量达75 t/hm2时田菁植株地上部Zn含量显著比对照增加51.0%，污泥用量达150 t/hm2时田菁地上部Cd、Mn含量显著比对照分别增加55.7%、107.6%。随着生活污泥施用量的增加，田菁植株根系Zn含量呈上升趋势。

当污泥施用量达30 t/hm2时田菁根系Cr、Zn含量显著比对照增加174.3%、92.6%。试验条件下，田菁植株地上部Cr、Cu、Fe、Ni、Pb及根系Cd、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb含量则无明显变化趋势。

3 讨论与结论

应用生活污泥可实现滩涂土壤理化性状的改善。因有待培肥的滩涂土壤面积较大，若采用商品有机肥作为有机肥源成本巨大。廉价且可获经济返补的符合国家农用标准的生活污泥，有机质含量高于猪粪和牛粪[18-19]，同时还含有N、P等植物所需的其他养分[20-21]，是滩涂土壤改良的廉价优质有机肥源。本研究证实，滩涂表层土壤盐分含量随污泥施用量的增加呈逐渐下降趋势。施用生活污泥除了显著增加土壤有机碳含量外，还可明显降低pH值。前人研究也发现施用生活污泥可降低土壤pH值[22-24]。其原因可能是由于污泥自身具有较低的pH值，以及改良过程中污泥及绿肥有机质的降解会释放有机酸，导致土壤pH值下降[22]。滩涂土壤N、P等有效养分含量也随污泥施用量增加呈上升趋势。生活污泥能够改善土壤肥力曾被广泛报道[22-24]。在本研究中，75 t/hm2污泥处理的土壤碱解氮、有效磷含量分别比对照土壤增加183.9%、140.3%。

应用生活污泥增加了田菁植株地上部Cd、Mn、Zn含量及根系Cr、Zn含量。前人将污泥施用于一般农田土壤，发现西兰花体内Ni、Pb的含量，大豆体内的Cu、Mo含量均有所增加[25]。此外，生活污泥施用于一般农田，也增加了小麦谷粒及辣椒果实中的Zn、Cu含量[26]。在本研究条件下，当污泥用量达75 t/hm2时田菁植株地上部Zn含量显著高于对照；污泥用量达150 t/hm2时，田菁地上部Cd、Mn含量显著高于对照；污泥用量达30 t/hm2时，田菁根系Cr、Zn含量显著高于对照。

在滩涂土壤改良过程中，生活污泥的确起到了“原始肥力驱动”的作用。最初施用的生活污泥迅速支撑了第1季绿肥黑麦草的生长，黑麦草生物量累积后经原地还田腐解后形成土壤有机质，又使得第2季绿肥田菁生物量得以大量积累，且随着污泥施用量的增加，田菁生物量呈逐渐上升趋势。试验条件下，施用污泥各处理田菁生物量平均增加115.2%。再将田菁原地还田腐解形成土壤有机质，如此循环往复，将可迅速提升滩涂土壤有机质的自积累，从而实现低投入下滩涂土壤肥力的快速形成。

参考文献：

[1]Yu B H，Lu C H. Change of cultivated land and its implications on food security in China[J]. Chinese Geographical Science，2006，16(4)：299-305.

[2]Wang F，Wall G. Mudflat development in Jiangsu Province，China：Practices and experiences[J]. Ocean & Coastal Management，2010，53(11)：691-699.

[3]Cao W，Wong M H. Current status of coastal zone issues and management in China：a review[J]. Environment International，2007，33(7)：985-992.

[4]Jones S B，Robbins C W，Hansen C L. Sodic soil reclamation using cottage cheese(acid)whey[J]. Arid Soil Research and Rehabilitation，1993，7(1)：51-61.

[5]赵秀芳，杨劲松，姚荣江. 苏北典型滩涂区土壤盐分动态与水平衡要之间的关系[J]. 农业工程学报，2010，26(3)：52-57.

[6]柏彦超，汪 莉，陶天云，等. 施用生活污泥改良滩涂土壤理化性状的探讨[J]. 植物营养与肥料学报，2012，18(4)：1019-1025.

[7]姚荣江，杨劲松，陈小兵，等. 苏北海涂围垦区耕层土壤养分分级及其模糊综合评价[J]. 中国土壤与肥料，2009(4)：16-20.

[8]田忠孝，曹季江. 有机质改良盐碱土的初步研究[J]. 土壤肥料，1993(1)：16-19.

[9]孟京辉，陆元昌，刘 刚，等. 不同演替阶段的热带天然林土壤化学性质对比[J]. 林业科学研究，2010，23(5)：791-795.

[10]李 琼，徐兴华，韦东普，等. 城市污泥农用的环境效应及控制标准的研究进展[J]. 中国生态农业学报，2011，19(2)：468-476.

[11]乔显亮，骆永明. 我国部分城市污泥化学组成及其农用标准初探[J]. 土壤，2001，33(4)：205-209.

[12]周立祥，胡霭堂，戈乃玢，等. 城市污泥土地利用研究[J]. 生态学报，1999，19(2)：185-193.

[13]Bai Y C，Gu C H，Tao T Y，et al. Responses of ryegrass(LoliumperenneL.)grown in mudflats to sewage sludge amendment[J]. Journal of Integrative Agriculture，2014，13(2)：426-433.

[14]陈凌霞，黄 杰，魏 峰，等. 生活污泥长期施用对土壤理化性状的影响[J]. 上海农业科技，2005(2)：27-28.

[15]Bai Y C，Tao T Y，Gu C H，et al. Mudflat soil amendment by sewage sludge：soil physicochemical properties，perennial ryegrass growth，and metal uptake[J]. Soil Science and Plant Nutrition，2013，59(6)：942-952.

[16]Bai Y C，Gu C H，Tao T Y，et al. Growth characteristics，nutrient uptake，and metal accumulation of ryegrass (LoliumperenneL.) in sludge-amended mudflats[J]. Acta Agriculturae Scandinavica Section B-Soil and Plant Science，2013，63(4)：352-359.

[17]鲍士旦. 土壤农业化学分析[M]. 3版.北京：中国农业出版社，2000：25-403.

[18]Logan T J，Harrison B J. Physical characteristics of alkaline stabilized sewage sludge(N-Viro Soil)and their effects on soil physical properties[J]. Journal of Environmental Quality，1995，24(11)：153-164.

[19]Caravaca F，Garcia C，Hernandez M T，et al. Aggregate stability changes after organic amendment and mycorrhizal inoculation in the afforestation of a semiarid site with pinus halepensis[J]. Applied Soil Ecology，2002，19(3)：199-208.

[20]Shober A L，Stehouwer R C，Macneal K E. On-farm assessment of biosolids effects on soil and crop tissue quality[J]. Journal of Environmental Quality，2003，32(5)：1873-1880.

[21]Martinez F，Cuevas G，Calvo R，et al. Biowaste effects on soil and native plants in a semiarid ecosystem[J]. Journal of Environmental Quality，2003，32(2)：472-479.

[22]Moreno J L，Garcia C，Hernandez T，et al. Application of composted sewage sludges contaminated with heavy metals to an agricultural soil[J]. Soil Science and Plant Nutrition，1997，43(3)：565-573.

[23]Singh R P，Agrawal M. Effects of sewage sludge amendment on heavy metal accumulation and consequent responses of Beta vulgaris plants[J]. Chemosphere，2007，67(11)：2229-2240.

[24]Singh R P，Agrawal M. Effect of different sewage sludge applications on growth and yield ofVignaradiataL. field crop：metal uptake by plant[J]. Ecological Engineering，2010，36(7)：969-972.

[25]Sridhar B，Vincent R K，Roberts S J. Remote sensing of soybean stress as an indicator of chemical concentration of biosolid amended surface soils[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2011，13(4)：676-681.

[26]Li Q，Guo X Y，Xu X H，et al. Phytoavailability of copper，zinc and cadmium in sewage sludge-amended calcareous soils[J]. Pedosphere，2012，22(2)：254-262.