腐熟污泥施用对土壤有机-无机碳组分的影响

2020-08-26常会庆王启震陈鲜妮

农业机械学报 2020年8期

常会庆王启震吴杰陈鲜妮

(河南科技大学农学院，洛阳 471023)

0 引言

土壤中有机碳、无机碳组分是土壤的重要组成部分，土壤有机碳不仅是植物重要的养分来源，还可为土壤中动物和微生物的生长发育提供能源[1]，在调节土壤环境、改善土壤结构及减少环境负面影响等方面发挥了重要作用[2-4]。因存在方式和化学性质不同，土壤不同组分有机碳的生物有效性和肥力功能存在差异，能反映不同的稳定机制[5]。因此，通常按照种类、活性、形态等方式把有机碳分为不同的类型[6-8]，其中土壤有机碳(Soil organic carbon，SOC)、易氧化有机碳(Readily oxidizable carbon，ROC)、可溶性有机碳(Dissolved organic carbon，DOC)和腐殖质碳(Humus carbon，HSC)是上述类型的典型碳组分。土壤无机碳(Soil inorganic carbon，SIC)主要是指土壤风化成土过程中形成的发生性碳酸盐矿物态碳[9]，其含量变化是判断土壤形成、发生与分类的重要指标[10]，也是影响土壤pH值、供肥能力及土壤环境质量的主要因素[11]。土壤活性无机碳(Active inorganic carbon，AIC)为土壤中未与土壤粘粒部分紧密结合、易发生化学反应的碳酸盐，是土壤碳酸盐反应的指标，其含量变化同样在评价土壤质量方面具有重要作用[12]。因此，土壤碳组分特征变化，尤其是外源有机物农用对土壤有机碳、无机碳组分的影响值得研究[13]。

目前，添加或配施不同类型有机物料对单一土壤有机碳产生的影响已有不少报道。例如，在小麦-玉米种植模式下，秸秆直接还田、秸秆转化为食用菌基质出蘑后菌渣还田和秸秆过腹还田3种秸秆还田模式的碱性土壤中有机碳质量分数分别增加9.0%、23.9%和26.7%，同时也提高了土壤溶解性有机碳、微生物量碳和易氧化态碳等活性碳组分含量[14]。稻田中化肥和生物碳、玉米秸秆、鲜牛粪或松针配施下，土壤微生物量碳、可溶性有机碳显著大于不施肥处理和单施化肥处理[15]。可见，土壤中有机物料的添加有利于不同有机碳组分的增加。

污泥作为一种有机物料，其无害化处理后农用是有效消纳污泥的方式之一。我国污泥中有机质平均含量一般在38%以上[16]，施入无害化污泥可直接或间接地调控土壤有机质的输入及其转化[17]，施用污泥对土壤有机碳组分的提升作用已得到证实[18-20]。我国土壤类型多样，土壤性质差异较大，污泥施用对不同酸碱性土壤有机碳的影响差异，尤其对土壤中无机碳组分及pH值的影响尚缺乏研究，而这些问题正是污泥改良酸碱性土壤质量的重要依据。为此，本研究以典型的碱性潮土(碱性壤土)和酸性黄棕壤(酸性砂土)为研究对象，通过连续两年施用不同量的腐熟污泥，探究污泥添加对上述土壤有机碳、无机碳组分的影响，旨在为土壤的污泥资源化农用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试污泥

供试无害化污泥取自洛阳市某污泥处理厂，该污泥为经过好氧高温堆肥后制备而成的腐熟污泥，污泥基本指标为：有机质质量分数42.28%、无机碳质量分数6.20%、pH值7.75、全氮质量比20.24 g/kg、全磷质量比15.23 g/kg、全钾质量比5.40 g/kg。所选污泥重金属含量符合《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284—2018)所规定的值(镉、汞、铅、铬、砷质量比分别小于3、3、300、500、30 mg/kg)。

1.2 试验地点

试验在河南科技大学农场开展，该农场位于河南省洛阳市(34°41′N，112°27′E)，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、日照时数和年均相对湿度分别为：528～800 mm、2 200～2 300 h、60%～70%。

1.3 试验设计

供试碱性壤土和酸性砂土分别取自河南省洛阳市的碱性潮土和驻马店市的酸性黄棕壤，两种土壤的基本理化性质如表1所示。将上述大田表层土壤风干后过2 mm筛(除去杂草、砂砾等物质)，取10 kg过筛土壤放置于高40 cm、直径30 cm的塑料盆钵中。根据不同污泥施用量，试验设置的5个处理分别为0、3.75、7.5、37.5、75 t/hm2(按照每公顷大田表层土质量为2.25×106kg折算)，编号分别为CK、H1、H2、H3、H4。盆栽试验于2015年10月10日播种小麦，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，连续轮作两年。供试小麦、玉米品种分别为豫农035、郑单958，仅在小麦季添加污泥，并且每盆施加尿素2.60 g，过磷酸钙4.2 g，氯化钾1.3 g，施入的肥料与污泥、土壤均匀混合，每盆种植小麦10株、玉米1株。每个处理重复3次，随机排列在温室中。

表1 供试两种土壤的基本理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of two kinds of soil

1.4 样品采集与分析

土壤样品于2017年10月8日玉米收获后采集，采集的土壤样品风干后分别过0.85、0.15 mm土筛备用。土壤pH值、土壤有机碳含量、溶解性有机碳含量、无机碳含量等指标参照《土壤农化分析》[21]方法测定。土壤易氧化有机碳(ROC)含量：取0.85 mm风干土样2 g于150 mL锥形瓶中，准确加入25 mL 333 mmol/L的高锰酸钾溶液，100 r/min振荡1 h后，在离心机上2 000 r/min离心5 min，取上清液用去离子水以1∶250的比例稀释，在分光光度计上以565 nm波长比色，并计算土壤易氧化有机碳含量[22]。土壤活性碳酸盐(AIC)含量：称取2 g过0.85 mm筛的风干土样，置于50 mL离心管中，加入25 mL 0.1 mol/L pH值为9的(NH4)2C2O4， 200 r/min振荡2 h后，立即3 000 r/min离心20 min，转移10 mL悬浮液于150 mL三角瓶中，加入3 mol/L H2SO4溶液5 mL，用80℃水浴锅进行升温，趁热用0.02 mol/L K2MnO4溶液滴定，并计算土壤活性碳酸钙含量。

各有机碳的分配比例为不同有机碳组分占土壤有机碳(SOC)百分比。

1.5 数据处理与分析

利用Excel软件进行数据处理，采用SPSS 17.0软件进行数据方差分析和相关性分析，不同处理间采用最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验(P<0.05)，采用OriginPro 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 污泥添加对土壤有机碳组分的影响

污泥添加后两种土壤的SOC、ROC、DOC和HSC等有机碳组分变化见表2。随着腐熟污泥施加量的增加，两种土壤中各有机碳组分含量随污泥施用量的增加呈上升趋势。与CK相比，酸性砂土和碱性壤土中H2、H3、H4处理的SOC含量均显著增加，两种土壤的增加范围分别为31.89%～82.39%和25.83%～84.36%(P<0.05)。在碱性壤土中，当污泥施用量大于等于3.75 t/hm2时，土壤中ROC和DOC含量均显著高于CK处理，其增幅为24.26%～49.26%和130.00%～340.00%(P<0.05)，而在酸性砂土中污泥施用量大于等于7.5 t/hm2时，上述两种有机碳分别显著增加了16.53%～25.62%和58.33%～158.33%(P<0.05)。与CK相比，酸性砂土添加污泥后，H3、H4处理的HSC含量分别显著增加了23.08%和30.77%(P<0.05)，而碱性壤土H2、H3、H4处理的HSC含量分别显著增加39.22%、215.69%和354.90%(P<0.05)。两种土壤各有机碳组分含量由大到小依次为SOC、ROC、HSC、DOC。

表2 土壤中有机碳组分质量比Tab.2 Contents of organic carbon components in soil g/kg

2.2 土壤有机碳组分之间的相关性及分配比例

两种土壤中SOC、ROC、DOC和HSC之间均呈极显著正相关关系(表3)，说明各有机组分间存在明显的依存关系。添加污泥不但影响土壤中各有机碳组分含量，还会影响其分配比例，土壤各有机碳组分占土壤SOC的分配比例，更能体现有机物添加引起土壤质量的变化[23-24]。对于碱性壤土而言，随着污泥施用量的增加，各处理ROC的分配比例降低(H1处理除外)(表4)。各添加污泥处理的DOC分配比例较CK显著增加(P<0.05)，但它们之间差异不显著；H3、H4处理的HSC分配比例较CK显著增加(P<0.05)。与CK处理相比，酸性砂土H3、H4处理的ROC分配比例显著降低(P<0.05)；污泥添加增加了DOC的分配比例，但降低了HSC的分配比例，H4处理的DOC分配比例较CK显著增加了39.02%(P<0.05)；H3、H4处理的HSC分配比例较CK显著下降了23.26%和27.91%(P<0.05)。

表3 两种土壤各有机碳组分间的相关系数Tab.3 Correlation coefficient of organic carbon components in two kinds of soil

表4 两种土壤各有机碳组分的分配比例Tab.4 Distribution ratio of organic carbon componentsin two kinds of soil %

2.3 污泥添加对土壤无机碳组分的影响

腐熟污泥添加对两种土壤无机碳组分的影响见表5。碱性壤土中腐熟污泥的施用，使得土壤中无机碳(SIC)和活性无机碳(AIC)含量均降低；而酸性砂土中腐熟污泥的施用提高了土壤中的SIC和AIC含量。与CK相比，碱性壤土H2、H3、H4处理的SIC含量均显著降低(P<0.05)，但污泥添加并没有显著降低各处理的AIC含量。与CK相比，酸性砂土H3、H4处理土壤中的SIC含量显著增加了48.31%和56.36%，H2、H3、H4处理的AIC含量也显著增加(P<0.05)。两种土壤中SIC和AIC之间均存在正相关关系(图1)，其中碱性壤土决定系数为0.53(P<0.05)，而酸性砂土决定系数为0.76(P<0.01)。

图1 无机碳质量比和活性无机碳质量比的关系Fig.1 Relationship between soil inorganic carbon and active inorganic carbon

2.4 污泥添加对土壤pH值的影响及土壤无机碳与pH值、有机碳的关系

随着污泥施用量的增加，碱性壤土pH值呈现下降趋势，而酸性砂土pH值呈上升趋势(图2，图中不同小写字母表示处理间差异显著，P<0.05)。各添加污泥处理较CK显著增加了酸性砂土的pH值，增幅为0.32～0.91(P<0.05)；碱性壤土添加污泥的各处理与CK相比均显著降低了土壤pH值，下降幅度为0.19～0.39(P<0.05)。可见，随着污泥施用量的增加，会使两种土壤的pH值趋向中性发展。在污泥施用量相同的条件下，碱性壤土pH值降幅均低于酸性砂土pH值的增幅。研究表明土壤中SIC与pH值之间存在一定的关系[25]，污泥添加后土壤SIC和pH值的相关性分析表明，碱性壤土和酸性砂土SIC和pH值之间均存在极显著正相关关系(P<0.01)(图3)。土壤中SOC和SIC之间存在一定的相关作用[26]。本研究中，污泥添加影响了土壤中SOC和SIC变化，但它们在两种土壤中的相关关系存在差异(图4)。碱性壤土中SOC和SIC之间并没有显著的正相关关系(P>0.05)，而在酸性砂土中SOC和SIC之间存在极显著的正相关关系(P<0.01)。

图2 污泥添加对pH值的影响Fig.2 Influence of sludge addition on pH value

图3 无机碳质量比和pH值的关系Fig.3 Relationship between inorganic carbon and pH value

图4 有机碳质量比和无机碳质量比的关系Fig.4 Relationship between organic carbon and inorganic carbon

3 讨论

本研究连续两年在碱性壤土和酸性砂土施用不同量的腐熟污泥，均增加了土壤不同有机碳组分含量。研究表明，由于腐熟污泥中含有丰富的有机物，因此施加污泥在提高土壤各有机碳组分含量的同时，促进了土壤颗粒对碳的固定[27-28]。有机肥的增施也表现出类似结果，宋震震等[29]通过长期定位试验发现，施用有机肥显著增加黑土活性有机碳各组分含量。另外，有机废弃物的施加对促进土壤各种形态腐殖质含量的增加有重要作用[30-31]。土壤中增加的有机碳可以通过矿化和生物分解等作用产生CO2，参与部分碳酸钙的形成或分解，而且不同土壤、气候等条件下有机碳的增加会导致土壤中无机碳向不同方向演变，即通过“SOCCO2SIC”的微碳循环系统发生碳的固定和转移[32-33]。曾骏等[34]研究表明，在pH值为8.8的碱性土壤上长期施用农肥可增加0～30 cm土层有机碳含量，但同时减少了土壤中无机碳含量。荣井荣等[35]长期在灰漠土施用有机肥的结果也表明，0～60 cm土层土壤无机碳含量随施肥年限的延长先降低后又趋于稳定，而有机碳含量则随施肥年限的延长显著增加。上述研究结果的原因在于有机肥料的施用增加了土壤有机碳含量，经土壤微生物利用后所释放的CO2增多，造成土壤中CO2分压增大、土壤pH值降低，从而引起土壤CaCO3含量的减少。本研究在碱性壤土上施用腐熟污泥后，也表现出有机碳增加而无机碳减少现象，原因在于碱性条件下更容易促进土壤溶液中的CO2和水作用形成H2CO3，然后通过生产的H2CO3与CaCO3反应会导致土壤碳酸钙和pH值的下降，该结果也证实了SOC对SIC的溶蚀具有驱动作用[36]，因此导致在碱性土壤上有机碳和无机碳之间呈现负相关关系。

另一方面，土壤有机肥的施用为无机碳的转移提供了物质基础，并且促进土壤无机碳和有机碳累积的生物化学环境[37-38]。原因在于，有机肥的施用促进了土壤呼吸和微生物分解量的增加，进而促进原生碳酸盐风化和大气中CO2消耗，使原生碳酸盐向次生碳酸盐转化(通常称为无机碳)，因此会使土壤无机碳增加，使得土壤有机碳和无机碳之间存在正相关关系[39-40]。与碱性壤土中腐熟污泥添加后无机碳的变化趋势相反，本研究在酸性砂土中添加腐熟污泥同时增加土壤中的有机碳和无机碳含量，且有机碳和无机碳之间呈现极显著正相关关系。原因在于，酸性砂土中污泥施用增加了土壤中的有机碳含量，有机碳的增加会促进微生物的数量和活性增大，而微生物能够分解有机质产生CO2，这部分CO2和无机碳中来自于土壤母质的碳产生位置替换[41]，促使来自作物残留中的碳或土壤有机碳分解产生的碳渐渐取代土壤母质碳，即原生碳酸盐向次生碳酸盐转化。另外，酸性砂土中腐熟污泥的施用增加了土壤活性无机碳，而增加活性碳的分解使交换性Ca2+增加，从而导致土壤盐基饱和度的增大而引起土壤pH值的升高，这显然与土壤的复钙(生物的和化学的)作用有关[33]。可见，腐熟污泥在酸、碱性不同的土壤上连续施用后导致土壤无机碳效应的变化趋势存在差异，碱性壤土上施用污泥趋向于无机碳的溶蚀，而在酸性砂土上施用则会导致原生无机碳向次生碳酸钙转换。根据本试验中腐熟污泥施用对酸碱性不同土壤产生的不同碳效应的结果，在生产实践中，可以利用污泥来培肥或调控土壤中碳库质量的变化，同时可以通过腐熟污泥添加来改善酸性土壤的酸化现象。

土壤中不同有机碳组分占总有机碳含量比例变化与有机物料添加的种类、数量、土壤性质和作物种类等有关[42]，同时受土壤微生物活性变化的影响[43]。易氧化有机碳分配比例可用于表征土壤有机碳的稳定性，土壤ROC分配比例越高，说明土壤碳的活性越大，稳定性越差，不利于土壤有机质的积累[44]。本研究中两种土壤的ROC分配比例都随污泥施用量增加呈降低的趋势，且在酸性土壤中都低于CK处理，说明两种土壤随着腐熟污泥增加，土壤有机碳的稳定性增加。土壤可溶性有机碳分配比例反映了土壤中最为活跃的碳组分占土壤有机碳的比例，其大小对土壤生物化学反应影响较大[45]，较高的DOC分配比例有利于养分分解供作物吸收利用，提高土壤生产力；但较高的DOC分配比例将会加大DOC随径流流失的风险，降低了土壤有机碳稳定性，不利于土壤碳的稳定[44]。本研究发现，腐熟污泥农用增加了两种土壤DOC分配比例，有利于土壤生产力的提高，该原因与污泥施入土壤后降低土壤对DOC的淋溶作用，提高了土壤DOC组分含量，从而导致上述有机碳组分相对含量也有所提高有关[2]。腐殖质碳分配比例直接关系到土壤的肥力性状[46]，腐熟污泥添加到石灰性土壤中，增加了土壤中腐殖质碳分配比例，但在酸性土壤中却表现出相反趋势，这可能与不同酸、碱性土壤类型对腐殖质及活性腐殖质组分碳分配比例影响不同有关[7]。上述腐熟污泥添加对不同有机碳组分分配比例的影响机制仍需长期田间试验加以验证。