施用生活污泥对土壤环境及农产品安全潜在风险的研究

王相召

摘 要：生活污泥是污水净化过程中的副产品，将生活污泥应用于农业生产是实现其资源化利用的重要途径。然而，生活污泥中含有的重金属和抗生素及有机污染物等污染物已成为限制其资源化利用的重要因素之一。该文分析了国内外利用生活污泥概况，阐述了生活污泥资源化利用的可行性，分析了生活污泥施用对土壤环境及农产品安全潜在风险问题。

关键词：生活污泥;资源化利用;环境;影响

中图分类号 X53文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）12-0130-003

生活污泥的产生量每年正以飞快的速度增长[1]。生活污泥中含有丰富的有机物及无机养分，农林复合处理已成为当前其资源处置的重要途径。但是，城市生活污泥由于来源复杂，含有一定量的重金属及有机污染物等，不科学的施用会造成土壤及生态环境污染。土地利用越来越被认为是一种积极、有效、极具前景的污泥处理方法，该方法主要利用污泥恢复和改良受损土壤，如废弃土地和荒地，园林绿化建设和林地应用[2]。生活污泥中含有一定的氮磷钾养分，施入土壤后对培肥地力具有良好的效果。生活污泥中富含大量的有机质，施用后可以显著改善土壤的物理性质，提高土壤孔隙度，增加土壤的保水性。但由于生活污泥中含有重金属和有机污染物等有毒有害物质，不合理的施用具有较高的环境污染风险。

目前，对农用后污泥环境影响风险评估的研究还很薄弱[3]，污泥施用造成的土壤污染风险尚未通过长期田间试验进行分析和评估。许多学者虽对污泥的国内使用进行了相关研究，但对污泥应用多年后土壤-作物重金属的积累特征研究仍较少[4]。因此，分析生活污泥施用对土壤环境及农产品品质的潜在影响，对于生活污泥的安全合理施用具有一定的借鉴意义。

1 施用生活污泥对土壤环境的影响

1.1 对土壤理化性质的影响 生活污泥农用能够改善土壤的理化性质。相关研究表明：污泥处理土壤中总氮和有机质含量的逐年变化较小，土壤有效磷和速效钾含量逐年增加，但土壤有效磷含量低于鸡粪，有效钾含量低于秸秆处理[5]。盆栽有机土在温室中盆栽，土壤容重随污泥量的增加而减少，减少率为5.4%～26.2%，pH值从8.08下降到6.75，有机质含量大幅度增加[6]。含有大量有机物的污泥不仅降低了土壤容重，还提高了土壤中骨料的稳定性，增加了土壤保水能力[7]。相关研究表明，0.5%的污泥施用，增加了土壤持水能力，并随着污泥量的加大而增加[8-9]。污泥堆肥的氮利用率低于尿素氮的氮利用率[10]。土壤电导率随着高容量污泥堆肥的增加而增加[11]。可以看出，污泥施用于土壤后，土壤的有效养分，有机质和CEC得到了明显改善，土壤对酸碱的缓冲能力得到了提高。提供营养素交换和吸附的活跃点，从而提高了肥料的利用率[12]。

1.2 对土壤生物学特性的影响 施用生活污泥有助于提高土壤环境中微生物与酶的活性。一般而言，土壤环境中微生物的活性大小与土壤养分水平的高低呈正相关关系。生活污泥的施加，增加了土壤有机质的含量[13]，土壤有机质为各种微生物及酶活动提供了丰富的碳源。研究表明：在不同地区、不同土壤环境背景值下，施入生活污泥对土壤微生物活性和酶活性的影响不同[14]。盆栽土培研究表明：土壤中施入一定量的生活污泥有助于提高土壤的养分水平，有利于提高土壤环境中脲酶和多酚氧化酶等活性。研究表明：污泥施用量的提高，有助于增加植物根际土壤中真菌、放线菌等数量[15]。在合理的生活污泥与化肥的配施田间下试验中，土壤多酚氧化酶和中性磷酸酶的活性呈现增高趋势，在污泥安全利用的同时，改善了土壤的微生态环境[16]。

1.3 对土壤重金属含量的影响 生活污泥的施用存在潜在的重金属污染风险。土壤中重金属的迁移以液相形式为主，污泥中含有一定量的重金属，连续的施用会造成土壤和植物系统中重金属污染的风险[17]。因此，生活污泥严禁用于无公害蔬菜的生产基地。相关研究表明：随着生活污泥的施用，土壤中重金属Cu、Zn在耕层土层中具有不断累积的风险。随著污泥施用量的增加，土壤中大量Cu、Zn的积累风险越高。相关田间试验研究表明：土壤中重金属等元素可以在土壤和植物可食部分之间的转移[8]。施用4.5～36t/hm2污泥后，小麦籽粒中的 Zn、Cu含量以及玉米粒中 Zn、Cr含量的显着增加，其他痕量元素（ Cu、Cd、Pb、As、Hg）的含量未显著增加。通过长期定位试验发现：经过7年的高容量或低容量城市污泥施用于土壤后，Zn、Cu、Cd等重金属在0～10cm处停留[9]。污泥造林过程中土壤中重金属含量必然会增加[18]。土壤中Cd、Pb等重金属元素，在施用堆肥污泥后含量增加[19]。因此，在污泥堆肥过程中，应严格控制重金属在作物中的积累，特别是可食部分中重金属的积累[20-21]，加强监测[22-23]。

2 施用生活污泥对作物产量及农产品重金属含量的影响

生活污泥的施用可以提高作物产量。梁丽娜等[24]报道：施用污泥有助于促进作物生长。研究表明，施加污泥后的第2季小麦产量增加28.9%～30.8%，污泥与复合肥配合施用具有良好的增产效果[25]。污泥作为肥料可以增加水稻和大豆对氮、磷、钾的吸收，具有明显的增产效果。在常规施肥的基础上添加污泥有机肥，可以显着提高糙米的产量和营养品质。研究还发现，适量施用污泥大米可加速绿化，增加分蘖，增加体内叶绿素含量。然而，与化肥相比，施用污泥的处理相对较晚，但如果过量施用污泥，则大米的分蘖无法控制，导致出生延迟，空粒率大幅增加，产量显着下降[26]。在田间试验中，污泥的施用可以提高作物的养分和产量[27]。在盆栽试验中，最佳污泥量可以显着提高油菜籽的产量。适当施用污泥可以提高蔬菜的质量指标。通过研究污泥施肥处理下的作物籽粒重金属含量发现：作物籽粒中Cr、As、Zn和Ni含量随施用年限的增加而增加，Cr、Hg含量下降，Pb、Cu含量基本不变。另外，与《粮食卫生标准》（GB2715-2005）和《食品卫生标准》（GB2762-2005）中对杂粮作物中重金属含量的限制标准比较，污泥处理下的作物籽粒中Cd、Pb、Hg含量均在限制范围内，符合安全标准[27]。

3 展望

生活污泥施用可在一定程度上增加作物的产量，提高農业综合经济效益。然而，生活污泥的应用对于土壤的物理和化学性质以及作物品质有一定的影响。长期施用生活污泥会导致土壤和作物中重金属的积累。生活污泥的应用可以改变土壤的环境条件，如土壤容重，孔隙度，田间持水量，土壤团聚稳定性以及饱和水力传导率。含有高浓度重金属的生活污泥会破坏土壤的某些物理和化学性质。在将堆肥处理的污泥施用于土壤之后，土壤由于其大量有机物质而变松，可耕种性变好，并且保水性和保水性也将得到很好的改善。污泥中较高的重金属含量是制约污泥农用的一大因素，所以污泥的资源化利用的过程中应当注意重金属在植物体内的累积，避免因农业使用过剩污泥而导致作物重金属含量超标的现象。因此，污泥农业资源化利用一项是具有发展前景的产业。但同时也应看到，污泥在农业资源化利用过程中对土壤环境及农产品安全等的潜在问题。

参考文献

[1]丘锦荣.不同玉米品种对新鲜城市污泥处理效果的初步研究[J].环境科学学报，2013，11：2987-2992.

[2]周立祥，胡霭堂，戈乃玢.苏州市生活污泥成分性质及其对蔬菜和菜地土壤的影响[J].南京农业大学学报，1994，02：54-59.

[3]李琼.人工湿地植物—薏米对生活污水中Cr6+的净化机理研究[D].南宁：广西大学，2013.

[4]王敦球.城市污水污泥农用资源化研究[J].重庆环境科学，1999，06：50-52.

[5]王媛.城市污泥及其复合肥对小麦、大豆种苗生长影响的研究[D].大连：辽宁师范大学，2014.

[6]欧根能，宁平，杨月红，等.污泥堆肥农用对蔬菜生长状况及重金属吸收的影响[J].安徽农业科学，2009，05：2159-2162.

[7]Mays D.A.，G.L.Terman and J.C.Duggan.Municipal compost：effect on crop yield and soil properties[J].Journal of Environmental Quality，2003，2（1）：89-92.

[8]梁丽娜，黄雅曦，杨合法，等.污泥农用对土壤和作物重金属累积及作物产量的影响[J].农业工程学报，2009，06：81-86.

[9]林云琴.城市污泥好氧堆肥过程中重金属的形态转化[J].生态环境，2008，03：940-943.

[10]陈茂林.城市污泥中重金属形态及生物可利用性研究[D].南京：河海大学，2006.

[11]杨海霞.污泥制肥工艺及优化条件的实现[D].济南：山东大学，2013.

[12]李梦红，黄现民，诸葛玉平.污泥农用对土壤中各形态重金属含量变化的影响[J].安徽农业科学，2008，23：10156-10158.

[13]李海波，柳青.中国城市污泥资源化利用研究进展[J].三峡环境与生态，2008，02：42-47.

[14]Debosz K.，Petersen S.O.，Kure L.K.and Ambus P.Evaluating effects of sewage sludge and household compost on soil physical，chemical and microbiological properties[J]. Applied Soil Ecology，2002，19（3）：237-248.

[15]Bhogal A.，Nicholson，F.A.，Chambers，B.J.And Shepherd M.A.Effects of past sewage sludge additionson heavy metal availability in light textured soils：implications for crop yields and metal uptakes[J]. Environmental Pollution.2003，121（3）：413-423.

[16]Schaecke W.，Tanneberg H.and Schilling，G.Behavior of heavy metals from sewage sludge in a Chemozem of the dry belt in Saxony-Anhalt/Germany[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2012，165（5）：609-617.

[17]张丛光，邱凌，迟慧智，等.生物炭-污泥耦合农用效应及其分析[A].中国环境科学学会.2016中国环境科学学会学术年会论文集（第三卷）[C].中国环境科学学会，2016：6.

[18]McGrath S.P.and Cegarra J.Chemical extractability of heavy metals during and after long- term applications of sewage sludge to soil[J]. Journal of Soil Science.1992，43：313-321.

[19]丘锦荣，郭晓方.城市污泥农用资源化研究进展[J].农业环境科学学报，2010，S1：300-304.

[20]李梦红.污泥农用后土壤中重金属对小麦和玉米品质的影响及评价[J].作物杂志，2010，05：26-29.

[21]黄雅曦.城市污水污泥重金属控制机理及堆肥利用的研究[D].中国农业大学，2004.

[22]胡玖坤，许景钢.污泥的处理方法和农用资源化展望[J].东北农业大学学报，2005，06：820-824.

[23]赵鸣，吴广芬.污泥资源化利用的途径与分析[J].环境科学与技术，2005，02：92-94，119-120.

[24]梁丽娜.污泥农用对土壤和作物重金属累积及作物产量的影响[J].农业工程学报，2009，06：81-86.

[25]易红星，王建龙.我国污泥农用资源化的处置方法[J].石河子大学学报（自然科学版），2004，03：273-276.

[26]申荣艳，骆永明.城市污泥的污染现状及其土地利用评价[J].土壤，2006，05：517-524.

[27]朱启红.污泥农用资源化研究现状[J].农机化研究，2006，12：22-24.

（责编：张宏民）