石灰性土壤添加污泥后土壤的肥力特征及磷素淋失临界值

常会庆，吴 杰，王启震，焦常锋，朱晓辉，王 浩

（河南科技大学农学院，洛阳市共生微生物与绿色发展重点实验室，洛阳市植物营养与环境生态重点实验室，洛阳471000）

0 引 言

中国年城市污泥产量巨大，预计到2020年，污泥产量将达6 000万t～9 000万t[1]。因此，污泥的无害化与资源化处置迫在眉睫。污泥无害化处理后农用是消纳污泥的有效手段[2-4]。目前，欧美国家用来改善土壤或作为农作物肥料的污泥比例约占60%[5]，而中国污泥农用率不足10%[6]，但中国污泥和主要有机肥所含养分相比，其氮、磷、有机质含量丰富，因而可以作为植物生长所需的养分源[7-8]。虽然污泥连续施用有增加土壤－植物系统中重金属含量的风险[9]，但随着城市污泥在农用、环境效应和控制标准的严格要求，污泥中重金属的含量在逐年降低，所以污泥农用越来越受到人们的重视[10]。

研究表明城市污泥的土地利用有利于不同类型土壤和作物上养分含量的增加[11-12]，但由于污泥来源、施用土壤和作物类型不同，其施用效果存在差异[13-14]。石灰性土壤是广泛分布于中国干旱和半干旱地区的土壤类型之一，由于石灰性土壤中盐基高度饱和，呈中性至碱性反应，对污泥中重金属有较强的吸附沉淀作用[15]。因此，该类土壤可作为污泥农用的“首选”土壤类型，有必要深入研究污泥添加对小麦-玉米轮作模式下石灰性土壤养分特征的影响，以及其可能导致的磷淋失风险。

关于淋失失风险阈值的研究较多[16-17]，但多集中在磷肥过量施用所导致的磷淋失风险[18-19]，而污泥施用对石灰性土壤中磷淋失风险的研究还鲜有报道。因此，本研究通过在石灰性土壤中连续添加污泥，研究其对石灰性土壤养分状况、肥力特征的影响，同时探讨污泥添加对石灰性土壤中磷素淋失临界值的影响，以期为污泥在石灰性性土壤中的合理施用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验在河南科技大学农场开展，该农场位于河南省西部的洛阳市（34°41′N、112°27′E），试验点地处温带大陆性季风气候，年均气温12.2～24.6℃，无霜期210 d以上，年降水量、日照和年均湿度分别为528～800 mm、2 200～2 300 h和60%～70%。供试土壤取自河南科技大学农场大田20 cm的表层土，风干后过2 mm筛（除去杂草、砂砾等），土壤的基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验采用高40 cm，直径30 cm的塑料盆钵。污泥不同添加量水平参照《农用污泥中污染物控制标准》（GB4284-2018）规定的污泥施用量（7.50 t/hm2），设置的5个处理分别为0（Control）、3.75（H1）、7.50（H2）、37.5（H3）、75.0 t/hm2（H4）。污泥的施用量为折算成大田的施用量（按照大田表层土质量为2.25×106kg/hm2计算）。所选污泥为经过好氧高温堆肥制备的腐熟污泥，其重金属含量符合《农用污泥中污染物控制标准》（GB4284-2018）所规定的值（镉、汞、铅、铬、砷含量分别小于3、3、300、500、30 mg/kg），污泥的基本理化性质如表1所示。

表1 土壤和腐熟污泥基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil and decomposed sludge

取10 kg过筛土壤放置于盆钵中，依据大田作物传统施肥量，每盆施用尿素2.60 g，过磷酸钙4.2 g，氯化钾1.3 g，再施入不同处理量的污泥，使肥料、污泥和土壤均匀混合。每个处理重复3次，随机排列在温室中，土壤含水率调节为80%的田间持水量，土壤田间持水量为19.67%。依据北方典型的轮作种植模式，以冬小麦-夏玉米为供试作物，冬小麦和夏玉米品种分别为豫农035和郑单958，每盆留10株小麦（或1株玉米）。试验于2015年10月10日播种小麦，于2016年6月1日收获小麦后种植玉米，玉米收获时间为2016年10月8日，作物生长期间的平均气温和降雨量分别为14.9℃和631.2 mm。

1.3 样品采集与分析

待作物成熟后，收集土壤样品风干后，分别过0.85和0.12 mm的土筛后备用。土壤基本理化性质的测定参照《土壤农业化学分析方法》[20]：pH值采用水土质量比5:1的电位法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮采用凯氏定氮法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法；土壤全磷采用HClO4-HSO4消解，钼锑抗比色法测定；土壤Olsen-P采用NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用CH3COONH4浸提，火焰光度计法测定。土壤CaCl2-P采用CaCl2溶液提取，钼锑抗比色法测定。

土壤综合肥力评价方法：采用内梅罗指数法计算土壤综合肥力指数（integrated fertility index，IFI）[21]。将土壤pH、有机质、全氮、Olsen-P和速效钾含量代入下列公式计算其分肥力系数IFIi：

式中IFIi为分肥力系数；x表示土壤各指标测定值；IFIi平均和IFIi最小分别是土壤各指标的分肥力均值与最小值；N表示土壤指标个数；xa、xc、xp为分级标准下限、中值和上限，分级标准参考第二次全国土壤普查标准（表2）。根据IFI值将土壤肥力分为4个等级[22]（表3）。

1.4 磷风险值的计算

根据2 a研究中土壤有效磷Olsen-P与可溶性磷CaCl2-P之间的关系，以不偏离突变点为基础，使高Olsen-P含量与CaCl2-P之间的关系方程斜率最大，决定系数R2最高，而低Olsen-P含量与CaCl2-P之间的关系方程斜率最小，再根据2个方程计算土壤磷酸盐淋失临界值或突变点[23]。

表2 土壤性质的分级标准Table 2 Grading criteria for soil properties

表3 土壤肥力的分级标准Table 3 Classification standard of soil fertility

1.5 数据统计分析

采用软件SPSS17.0进行相关的统计分析，多重比较选用Duncan法进行检验（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 污泥添加对土壤化学性质的影响

2.1.1 污泥添加对土壤pH值和有机质的影响

污泥添加对土壤pH值的影响见表4。相同年份条件下，玉米季土壤pH值高于小麦季。2016年各处理之间土壤pH值差异不显著（P＞0.05）。2017年，小麦季的H3、H4处理与Control相比，土壤pH值显著降低0.26和0.31个单位（P＜0.05），玉米季各施用污泥处理的pH值分别显著降低了0.19、0.24、0.28、0.39个单位（P＜0.05）。可见，2 a连续污泥施用，石灰性土壤pH呈下降趋势，而且随着污泥添加量增加呈现pH值下降越明显的趋势。随污泥添加量增加，土壤有机质含量表现出增加的趋势（表4）。2016年小麦季的H3和H4处理与无污泥添加相比，土壤有机质含量显著增加了68.44%和28.77%（P＜0.05），其他添加污泥处理与无污泥添加处理相比差异不显著（P＞0.05）；2016年玉米季的H3、H4处理，土壤有机质显著增加了32.63%和48.41%（P＜0.05），且两处理之间差异显著，而其他处理之间无显著差异；2017年小麦季的H3和H4两处理，土壤有机质含量显著增加了61.77%和128.57%（P＜0.05）；玉米季的H2、H3和H4处理，土壤有机质含量显著增加25.86%，54.75%和84.59%（P＜0.05）。可见，随着污泥施用年限的增长，土壤有机质不断积累。

表4 不同处理对土壤pH及氮磷钾的影响Table 4 Effects of different treatments on soil pH values and N-P-K content

2.1.2 污泥添加对土壤全氮和碱解氮的影响

2 a小麦-玉米轮作过程中，土壤全氮与碱解氮随污泥添加量的增加而增加（表4）。和Control相比，2016年小麦季的H3和H4处理，土壤全氮显著增加43.10%、62.07%（P＜0.05），玉米季H2、H3和H4处理的全氮显著增加了31.25%、37.5%和72.92%（P＜0.05）；2017年小麦季H2、H3和H4处理的全氮增加量分别为17.74%、61.29%、104.84%（P＜0.05），玉米季污泥添加各处理全氮增加量分别为14.58%、35.42%、83.33%、133.33%（P＜0.05）。相同年份当污泥添加量相同时，玉米季土壤全氮含量小于小麦季，并且土壤全氮随着污泥施用年限的增加而增加。同一轮作季，土壤碱解氮含量随污泥施用量的增加而增加（表4）。和Control相比，2016年小麦季的H2、H3和H4处理和玉米季的H3和H4处理，土壤碱解氮的含量显著增加，其中小麦季H2、H3、H4处理的碱解氮增加量分别为64.32%、87.57%、131.03%（P＜0.05），玉米季H3、H4处理的碱解氮增加量分别为32.80%和133.33%（P＜0.05）。2017年小麦季与玉米季的H2、H3、H4，土壤碱解氮的含量较Control显著增加，其中小麦季土壤碱解氮增加量分别为11.97%、44.26%、182.53%（P＜0.05），玉米季土壤的碱解氮增加量分别为68.42%、102.11%、131.58%（P＜0.05）。同一轮作季当污泥添加量相同时，小麦季土壤的碱解氮含量高于玉米季，且2017年土壤碱解氮含量高于2016年。

2.1.3 污泥添加对土壤全磷、有效磷变化

土壤全磷与有效磷的变化与土壤中氮素变化趋势相似，也均表现出随污泥添加量的增加而上升趋势（表4）。2 a小麦季的H2、H3、H4处理与Control相比，土壤全磷含量显著增加了12.66%、13.92%、25.32%（2016年）和14.46%、40.96%、62.65%（2017年）（P＜0.05）；玉米季的H3和H4处理较Control处理，土壤全磷显著增加了23.94%、29.58%和39.19%、79.73%（P＜0.05）。同样，在同一轮作季当污泥添加量相同时，玉米季土壤全磷含量小于小麦季，并且2017年土壤全磷含量大于2016年。与Control相比，2016年H2、H3和H4处理土壤有效磷在小麦分别显著增加36.62%、74.21%、109.72%，玉米季增加75.71%、202.14%、320.95%（P＜0.05）。2017年小麦季与玉米季土壤的有效磷含量，与Control相比，小麦季H2、H3、H4处理的土壤有效磷分别增加31.60%、150.12%、275.18% （P＜0.05），玉米季 H1、H2、H3、H4处理的土壤有效磷分别增加50.14%、66.62%、251.68%、307.40%（P＜0.05）。可见，随着污泥的连续农用，土壤中有效磷有明显的累积效应。

2.1.4 污泥添加对土壤速效钾影响

污泥中钾含量较氮、磷含量相对低，本研究中污泥添加也会增加土壤速效钾含量，且土壤速效钾含量随污泥添加量的增加而增加（表4）。2016年小麦季的H2、H3、H4处理较Control相比，土壤速效钾显著增加6.94%、25.15%、34.87%（P＜0.05），玉米季H1和H2与Control间无显著差异，但H3和H4处理可以使土壤速效钾显著增加23.07%和38.14%（P＜0.05）。与Control相比，2017年小麦季H1、H2、H3、H4处理土壤速效钾分别增加6.46%、9.95%、28.64%、38.60%（P＜0.05），玉米季H2、H3、H4处理速效钾分别增加4.15%、24.34%、39.49%（P＜0.05）。同一轮作季当污泥添加量相同时，小麦季土壤速效钾含量高于玉米季，并随污泥的连续使用土壤速效钾也存在积累效应。

2.2 土壤养分与污泥累积用量之间的相关性

小麦-玉米2 a轮作中，污泥的连续施用与小麦和玉米季石灰性土壤中氮、磷的相关关系见图1。2 a小麦和玉米季污泥的累积施用量与土壤全氮存在正相关关系：小麦季 R2=0.97～0.99（P＜0.01），玉米季 R2=0.89（P＜0.05）～0.97（P＜0.01），随着污泥施用年限的增加，玉米季土壤全氮与污泥添加量之间的相关性由显著变为极显著。2 a小麦与玉米季土壤碱解氮与污泥累积施用量之间同样存在正相关关系：小麦季R2=0.84（P＜0.05）～0.94（P＜0.01），玉米季 R2=0.82（P＜0.05） ～0.94（P＜0.01），小麦季二者间关系随着污泥累积施用量的增加由显著变为极显著，但玉米季由极显著变为显著相关。同样，土壤中全磷在2 a小麦和玉米季含量变化与污泥累积施用量之间存在正相关关系：小麦季R2=0.82（P＜0.05）～0.97（P＜0.01），玉米季R2=0.92（P＜0.05）～0.99（P＜0.01），相同生长季节，土壤全磷与污泥累积施用量之间相关性由显著变为极显著。土壤中有效磷在2 a小麦和玉米季的含量变化与污泥累积施用量之间也表现出正相关关系：小麦季R2=0.93～0.99（P＜0.01），玉米季R2=0.91（P＜0.05）～0.97（P＜0.01），仅2017年玉米季土壤有效磷与污泥累积施用量之间相关性表现为显著水平，其余3季均为极显著水平。

2.3 污泥施用对土壤综合肥力指数影响

Two-way ANOVA分析表明，污泥添加量和季节对土壤IFI影响极显著（F=112和46，P＜0.01），且二者对土壤IFI影响存在显著交互作用（F=2.26，P＜0.05）。污泥添加量的增加会促使土壤IFI表现出增加的趋势（表5）。与不添加污泥相比，2016年小麦季的H2、H3、H4处理的IFI分别显著增加了13.04%、27.17%、38.04%（P＜0.05），且这3个处理之间的IFI也存在显著性差异；2016年玉米季各处理间的IFI差异显著，和不添加相比，H1、H2、H3和H4处理的IFI分别增加了5.33%、12%、33.33%、50.67%（P＜0.05）；同样2017年小麦季各处理的土壤IFI也均达到了显著差异，与Control相比，H1、H2、H3和H4处理的IFI分别增加了6.38%、13.83%、39.36%、48.94%；2017年玉米季，H3和H4处理间的IFI差异不显著（P＞0.05），但显著高于其他处理（P＜0.05）。污泥添加后土壤的IFI与土壤肥力分级标准（表3）相比，小麦季土壤肥力达到一般土壤肥力状况（0.9～1.8），而且随着污泥添加量的增加，玉米季土壤的肥力状况也由贫瘠向一般转变。

2.4 土壤磷素淋失临界值确定

通过分析污泥添加后石灰性土壤中Olsen-P与CaCl2-P含量变化，并建立两者之间的线性关系（图2），可以得出石灰性土壤CaCl2-P含量随着Olsen-P含量的上升而上升，且CaCl2-P含量的变化呈现出突变上升的趋势，采用分段的线性拟合方程计算出石灰性土壤的Olsen-P突变点，其两段方程见图2。线性方程之间的突变点为有效磷质量分数28.57 mg/kg，该值可作为石灰性土壤磷素淋失的临界值。结合图1中污泥添加量与Olsen-P的关系，可计算出当年或当季土壤达到临界值的污泥施用量为61.39 t/hm2。

图2 Olsen-P与CaCl2-P的关系Fig.2 Relationship between Olsen-P and CaCl2-P

3 讨 论

连续2 a在石灰性土壤中施用污泥会导致土壤pH的降低，pH的降低幅度随着污泥添加量的增加而增加，其原因在于污泥中有机质在土壤降解过程会分泌出大量的有机酸，会导致土壤pH降低[24]。因此，施入土壤中的污泥越多，其产生的有机酸越多，土壤pH降低幅度越大。另外，高的污泥添加量使土壤的硝化作用增加，也是导致pH降低的原因之一[25]。不同土壤类型上添加污泥都会改善土壤的养分状况[24,26-28]，提高土壤肥力[29-32]。沙土与壤土的蔬菜栽培试验中，当污泥用量为4 kg/m2时，2种土壤的有机质比对照分别增加了56.3%和38.7%，氮、磷、钾含量增加的幅度为10%～30%[33]。胡学峰等[34]在褐土性土与石灰性褐土上施用污泥处理，在收获5茬油菜后，2种土壤的速效氮含量比不施污泥处理平均分别增加了44.3%与26.2%；土壤Olsen-P和速效钾含量平均分别增加了154.4%、129.7%和38.7%、27.9%。石灰性土壤上施加城市污泥后也发现，土壤中有机质、全氮、全磷、土壤速效氮和Olsen-P含量与Control相比都达到了显著水平，且随着污泥添加量的增加，其含量增大，但土壤全钾和速效钾含量并未显著受到污泥添加的影响[35-36]。本研究发现，2 a污泥的累积农用与石灰性土壤上养分变化关系密切，在污泥用量≥37.5 t/hm2时，土壤各养分和肥力指数便会显著增加，这主要是由于污泥的连续施用会使土壤中养分得到不断补充和释放,从而提高土壤养分含量[24]。

污泥农用在增加土壤-作物供肥能力同时，往往会由于污泥的过量施用而导致上述养分产生淋失风险。目前对土壤养分淋失临界值的研究主要是对磷素临界值的确定，例如Hesketh等[37]通过对土壤磷素淋失研究发现，土壤磷素会在某一含量时促使土壤磷素淋失量突然增加，该突变点的土壤Olsen-P含量被称为磷素淋失临界值。Olsen-P表示土壤中可被植物吸收利用的磷，包含水溶性及吸附态磷，而CaCl2-P则主要表示土壤溶液中的磷，即水溶性磷[38]。钟晓英等[23]运用相关性分析建立了23种土壤中CaCl2-P与Olsen-P含量间的线性关系，发现当Olsen-P含量达到某一值时，CaCl2-P含量会突变上升,而该突变点所表示的Olsen-P含量可代表土壤磷素淋失的临界值。不同的土壤类型，其磷素临界值也存在着较大差异，李学平等[39]在室内对3种类型的土壤进行了磷素淋失临界值的研究，发现当土壤Olsen-P质量分数在60～115 mg/kg之间时，将增大磷素淋失的风险。王彩绒等[40]对蔬菜地土壤的磷临界值研究表明，土壤中Olsen-P质量分数为60 mg/kg时，磷素就会出现淋失风险。土壤磷素淋失临界值大小受土壤性质影响[23]，这是由于不同的土壤类型其磷酸盐数量、种类及形态存在差异，使得各类土壤的磷临界值也不相同[40]。土壤pH值变化直接影响到土壤磷素淋失临界值，赵小蓉等[16]研究发现，土壤pH与土壤磷素淋失临界值之间呈抛物线关系，并在pH值为6时临界值最高，若土壤的pH值大于6时，其临界值将会随着土壤pH的增加而下降。本研究的石灰性土壤pH值为7.61，运用传统CaCl2-P含量突变表示土壤磷素淋失临界值所对应的土壤磷素淋失临界值为28.57 mg/kg。

4 结 论

连续2 a在石灰性土壤上施用污泥，土壤pH值随污泥施用量的增加而降低；土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、速效钾和土壤综合肥力指数会随污泥施用量的增加表现出升高趋势，尤其当污泥用量大于等于37.5 t/hm2时，土壤养分和综合肥力指数与对照相比显著增加。污泥添加后石灰性土壤上磷素淋失的Olsen-P风险值为28.57 mg/kg，此时不施肥的污泥累积施用量为61.39 t/hm2。因此，污泥农用改善石灰性土壤养分状况的同时，需要注意污泥过量施用造成的养分淋失风险。