施用不同污泥堆肥对土壤理化性质及微生物活性的影响1)

董晓芸 柯凯恩 胡自航 郑景明

(森林资源生态系统过程北京市重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)

蒋丽伟 张家琦

(国家林业和草原局调查规划设计院)

随着城市化进程的日益加快，世界范围内的污泥产量也逐渐增加。目前对污泥进行资源化利用的方法主要是土地利用[1]。在土壤肥力较低时，施加污泥堆肥有利于土壤中营养元素的增加，且成本较低[2]。林地土壤一般具有非常薄的酸性腐质层[3]，土壤持水性、养分持久性均较低[4]。施用污泥堆肥可以为林地提供有机性基质，改善土壤质量[5]。相对污泥堆肥农用，污泥堆肥在林地施用的安全性更高，原因是林产品不进入人类食物链，且森林生态系统具有较强的自我修复功能[6]。国际上虽有污泥堆肥在林地利用的历史及相关研究报道，但国内关于污泥堆肥在林地利用的研究非常少见。研究污泥堆肥林地施用对土壤的影响可以为污泥资源化利用提供参考。

施用污泥堆肥会改善土壤理化性质，增加土壤中氮、磷、钾、有机碳质量分数[3]。以往研究表明，施用污泥堆肥能增加土壤多种酶活性[7]。土壤酶参与土壤系统中诸多重要代谢过程[8]，其对土壤环境变化敏感，反映土壤肥力状况变化[9]。土壤酶活性与土壤总有机碳(TOC)、全氮、全磷等呈正相关[10]。施用污泥堆肥还可以增加土壤微生物碳、氮质量分数，且土壤微生物碳、氮质量分数受施用污泥堆肥量和施用时间的影响[11]。重金属是限制污泥施用的重要指标，污泥中含有大量重金属，但经过堆肥处理后的污泥可以大幅度减少污泥中的重金属、潜在污染物、细菌病原体等有害物质[12]。虽然较多试验研究了施用污泥对土壤各项指标的影响[13]，但少有研究监测土壤酶、土壤微生物、土壤理化性质的连续动态变化[14]。

本研究重点探讨了施用混合堆肥后林地土壤养分指标随时间的变化趋势；不同种类的污泥产品对林地土壤酶活性的影响；土壤酶活性与土壤有机碳、土壤pH等土壤理化指标的相关关系；土壤中重金属随施肥时间的变化。为污泥林地利用、施用污泥堆肥改良退化土壤提供参考。

1 研究区概况

试验区位于北京市大兴区北臧镇平原造林示范区，地理中心坐标为39°40′N、116°14′E。试验区占地10 hm2，为2012年营造的块状混交人工林。该地区属大陆性季风气候，年平均气温为8.5 ℃。一般6月开始进入盛夏，7、8月平均气温为23 ℃，最冷季节平均气温为-8.8 ℃，无霜期较短，初霜开始于10月下旬，次年3月下旬终止。土壤多为河流冲击的沙壤土，主要土壤类型有轻壤质褐潮土、厚层红黄土、沙壤土等，有机碳质量分数较低[15]。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验污泥堆肥产品由北京排水集团提供，包括3种类型：污泥、园林废弃物混合产品(污泥A)——污泥中添加园林废弃物，如林木修枝剩余物，进行混合堆置，处理一定时间得到的混合物；污泥好氧堆肥产品(污泥B)——用含水率低于40%的污泥置于大棚内进行条垛式堆肥处理，自然腐熟后获得的干污泥；污泥热水解-厌氧堆肥产品(污泥C)——污泥经过高温热水解处理后，经厌氧消化、脱水后得到的干污泥。供试污泥产品的理化性质及重金属质量分数见表1。

表1 供试污泥产品的基本理化性质及主要重金属质量分数

2.2 试验设计

2019年5月，将林地划分为面积大致相等(约3公顷)的3块区域，作为3种不同肥料的试验小区，每个区域里设3块20 m×20 m的试验样地进行施肥处理，并预留1块对照样地(CK)，各样地间设置5 m的缓冲带，防止各小区间相互影响。样地设置完毕后，采集样地表层土壤进行试验前土壤背景理化性质测定(表2)。

表2 样地土壤的基本理化性质

2019年6月，对试验样地进行施肥处理，3种污泥产品施用量均为30 t·hm-2(按其污泥干基计算)，施肥方式为撒施，即将污泥堆肥产品撒施到土壤表面后，使用机器翻耕将肥料与样地表层土壤混合均匀。

施肥林地平衡15 d后，从6月至10月每月末采集1次土壤样品。采样方法：用土钻在每块样地里随机取5个土壤深度(h)为0

2.3 监测指标及测定

土壤酶活性测定：土壤酶活性参照《土壤微生物生态学及其实验技术》测定[16]。使用靛酚比色法测定脲酶活性；磷酸苯二钠比色法测定碱性磷酸酶活性；TTC比色法测定脱氢酶活性；高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性；二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性。

土壤理化指标及微生物碳、氮活性测定：土壤基本理化性质的测定参照《土壤农业化学分析》[17]，其中，重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤总有机碳；将土壤全氮、全磷、全钾消煮后，使用流动分析仪(仪器型号为Auto Analyzer 3)进行测定其质量分数；氯仿熏蒸法测定土壤微生物量碳、氮活性。

土壤重金属测定：采用HNO3-HF-HCl微波消解法(仪器型号为Mars6)提取土样中8种重金属(Cr、Pb、Cu、Zn、Cd、Ni、Mn，As)后，使用电感耦合等离子体质谱仪(仪器型号为ICP-OES)测定其质量分数。

2.4 数据处理

对土壤酶活性、土壤理化指标、重金属进行相关性分析、单因素方差分析，并采用邓肯法(α=0.05)进行组间平均值差异显著性检验。采样时间和施肥处理对土壤指标的影响通过SPSS进行重复测量方差分析。

3 结果与分析

3.1 施用污泥对土壤微生物酶的影响

6—10月，碱性磷酸酶活性受污泥堆肥处理和采样时间显著影响(P<0.05)，CK与污泥A、B、C处理的碱性磷酸酶活性均有所提高。CK及污泥A、B、C处理时碱性磷酸酶活性从6月到8月呈逐渐上升的趋势，在8月达到最高值。污泥B处理时，碱性磷酸酶活性均高于CK，表明污泥B处理能更有效地提高碱性磷酸酶活性，并促进土壤植物吸收有机磷的效率，这是因为污泥B含有最高的磷活性。

连续监测期间，过氧化氢酶受采样时间显著影响(P<0.05)，CK及污泥A、B、C处理的过氧化氢酶活性均呈先上升后下降的趋势，各处理间差异不显著。随着时间的变化，污泥A、B、C处理的过氧化氢酶活性均比CK略高，表明污泥的施用可明显提高土壤过氧化氢酶活性。

蔗糖酶活性受采样时间变化显著影响(P<0.05)，污泥堆肥处理对其无显著影响。虽不同处理下蔗糖酶总的变化趋势基本一致，但是变化幅度有所差异。CK的蔗糖酶活性逐月递减；污泥A、B处理的蔗糖酶活性前3个月都呈逐月递减的趋势，9月份有所上升，且施肥处理的蔗糖酶高于CK。10月份，所有处理的蔗糖酶活性均有所下降，经过施肥处理的蔗糖酶活性仍高于CK，表明施肥处理能一定程度提高土壤蔗糖酶活性。

6—10月，采样时间对脱氢酶有显著影响(P<0.05)；污泥堆肥处理对脱氢酶的变化无显著影响。CK及污泥A、B、C处理的脱氢酶活性总体呈下降趋势。6—8月，除污泥B处理的脱氢酶活性7月份比6月份高，CK及污泥A、C处理时的脱氢酶活性均呈逐月下降趋势；8—10月，所有处理的脱氢酶活性均无显著变化。除7月外，污泥A、B、C处理的脱氢酶活性都高于CK，表明施用污泥能整体提高土壤脱氢酶活性。

6—10月，采样时间对脲酶活性有显著影响(P<0.05)，污泥堆肥处理对其无显著影响。所有处理的脲酶活性变化趋势一致，均逐月递减。9—10月，污泥B、C处理的脲酶活性高于CK，表明污泥B、C更能促进土壤中含氮化合物水解，从而提高土壤氮活性。具体见表3。

表3 同一污泥处理方式不同采样时间的5种土壤酶活性

月份脱氢酶活性/mg·g-1CK污泥A污泥B污泥C脲酶活性/mg·g-1CK污泥A污泥B污泥C6(2.10±0.13)a(3.24±1.97)a(2.43±0.35)a(5.20±1.61)a(0.53±0.01)ab(0.52±0.03)a(0.53±0.02)a(0.54±0.04)a7(1.59±0.14)b(2.26±0.22)ab(3.31±1.36)a(1.56±0.44)b(0.55±0.03)a(0.52±0.01)a(0.52±0.06)a(0.52±0.39)a8(0.92±0.18)c(0.96±0.07)b(0.93±0.14)b(0.94±0.23)b(0.46±0.04)b(0.45±0.05)b(0.48±0.01)a(0.45±0.06)b9(0.85±0.19)c(0.91±0.06)b(0.86±0.24)b(0.86±0.21)b(0.36±0.02)c(0.31±0.03)c(0.36±0.02)b(0.38±0.02)bc10(1.06±0.46)c(1.24±0.54)b(1.23±0.56)b(1.14±0.62)b(0.30±0.08)c(0.29±0.03)c(0.34±0.02)b(0.35±0.03)c

3.2 施用污泥对土壤微生物碳、氮的影响

土壤微生物碳(MBC)、微生物氮(MBN)受污泥堆肥处理、采样时间影响显著(P<0.05)。6—10月，MBC、MBN总趋势为不断增加，CK及污泥A、B、C处理的MBC分别增加39%、74%、118%、99%；MBN分别增加5%、49%、57%、76%。MBC、MBN反映土壤微生物新陈代谢的强度、植物吸收养分的状况。施肥处理的MBC、MBN均比CK高，表明施肥可增加土壤的养分。3类堆肥处理中，污泥C处理的MBC、MBN均最高，表明污泥C的肥力最好(表4)。

表4 同一污泥处理方式不同采样时间的微生物碳、氮

3.3 污泥施用对土壤理化指标的影响

如表5，所有样地的土壤N、P、TOC均受污泥处理影响显著(P<0.05)。相比污泥C处理的样地，其余样地6、9月N、P、K、TOC均有所增加。污泥C处理的样地N、P、TOC明显高于其余3个处理样地，表明施用污泥C更有助于提高土壤中的营养物质。CK、污泥A、B处理时样地的N、P、K、TOC变化趋势一致且处理间无显著差异。6、9月，所有处理的pH均有所增加。方差分析结果表明，pH只受时间变化的显著影响(P<0.05)。污泥是生活污水的沉淀物，含有一定的盐分，施入土壤后盐分对土壤肥力的影响可通过土壤电导率(EC)反映。6月份，污泥A、B、C处理的土壤电导率高于CK；9月份，污泥A、B、C处理的土壤电导率与CK无显著差异，说明污泥的施用没有对土壤产生盐害。

表5 不同污泥处理方式同一采样时间的理化指标

3.4 污泥施用对重金属的影响

监测时间段内，大部分重金属呈上升趋势，少数呈下降趋势(表6)。对于铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)、锌(Zn)，6、9月3种污泥处理与CK间均无显著差异，说明3种污泥堆肥的施用对土壤中这4种重金属总量的影响较小。对于铬(Cr)、锰(Mn)，6、9月，污泥C处理与CK、污泥A、B处理差异显著(P<0.05)；污泥A、B处理均低于CK，污泥C处理时均高于CK。对于镉(Cd)，6月，3种污泥处理与CK差异不显著；9月，3种污泥处理与CK差异显著(P<0.05)。3种污泥处理的Cd和砷(As)均高于CK，表明本研究的3种污泥堆肥产品中，Cd和As相对其他元素更容易在土壤中积累。本试验使用的污泥堆肥产品中主要重金属未超过《城镇污水处理厂污泥处理林地用泥质》(CJ/T 362—2011)规定的参考标准值；施加到林地后，土壤重金属也没有超过国家《土壤环境质量标准-农用地土壤污染风险管控标准》(GB 4284—2018)，并未造成污染。

表6 同一采样时间不同污泥施用处理的土壤重金属质量分数

3.5 土壤微生物指标及土壤营养元素的相关关系

土壤酶、微生物活性受土壤营养元素的影响较大。由表7可以看出，碱性磷酸酶与MBC、MBN、P、TOC；脲酶与N；过氧化氢酶与MBN、N、TOC；蔗糖酶与N、TOC；蔗糖酶与N、TOC；MBC与MBN、N、P、pH、TOC；MBN与MBC、N均呈显著正相关。表明污泥堆肥的施用会对土壤营养元素造成影响，从而影响土壤微生物的活性。

表7 土壤酶与土壤物理化学、生物学指标的相关性

4 结论与讨论

4.1 土壤微生物活性因子、土壤营养元素随时间变化的影响因素

本研究发现，土壤微生物活性受时间变化、土壤营养元素的影响较大。除碱性磷酸酶，其余4种酶的活性10月份均低于6月份，表明温度影响微生物活性，温度越高，微生物加速繁殖；而碱性磷酸酶受温度影响较小。脲酶与土壤氮质量分数密切相关，脲酶能提高氮素的利用率并促进土壤氮素循环。氮、磷质量分数有所下降也是引起脲酶活性降低的原因。蔗糖酶活性与TOC质量分数呈显著正相关，污泥C处理时的TOC、蔗糖酶活性高于其他3个处理，且9、10月污泥A、B、C处理时的蔗糖酶活性均高于CK，说明污泥施用能提高蔗糖酶活性。脲酶、蔗糖酶的变化与王艮梅等[18]研究的杨树人工林下相应土壤酶活性季节变化趋势相同。土壤过氧化氢酶的活性在夏季最高，秋季温度降低，过氧化氢酶活性下降，这与鲁萍等[19]研究的土壤过氧化氢酶活性最大值出现在8月的结果一致。碱性磷酸酶受土壤磷质量分数影响较大，磷质量分数高的土壤，其碱性磷酸酶活性更高，这与刘玉槐[20]的研究结果一致。施用污泥堆肥前2个月3种污泥处理的脱氢酶活性高于CK，随着时间推移，经过施肥处理的脱氢酶活性降低至与CK相近，这与滕应等[21]的研究结果一致。这是因为施用污泥堆肥短暂增强了土壤微生物氧化还原能力，但施肥后期土壤pH、铵盐的增高抑制了土壤脱氢酶活性的增加[22]，且铜离子(Cu2+)的变化也会影响脱氢酶在测定过程中的显色反应[23]。

以往研究表明，土壤酶活性的时间动态变化是土壤酶对土壤理化性质、土壤类型、植被、气候等综合环境因素适应性的表现。杨万勤等[24]对北碚缙云山森林生态系统中4种群落的过氧化氢酶、转化酶、蛋白酶、酸性磷酸酶活性的分布特征和季节动态进行了研究，结果表明，土壤酶活性的季节变化规律明显,不同的酶类，季节变化规律不同，但均在冬季活性最低，说明土壤酶活性的季节动态变化与土壤环境温度的季节变化、酶本身的性质有关。土壤酶活性也受土壤酸碱环境影响。本研究中，10月各种土壤酶的活性均低于6月，除受温度影响，也因为10月的土壤pH值略高于6月，而土壤酶更适合pH较低的土壤环境。土壤pH对有机大分子物质的生物降解、矿化过程有着强烈影响，并以这2种方式对酶活性产生影响：一是通过影响微生物种类，从而影响微生物释放酶的数量、种类；二是直接影响土壤酶参与生化反应的速度[25]。孙鹏跃等[26]在对华北落叶松人工林地土壤养分与土壤酶季节变化及关系的研究中发现，土壤pH值越低，其过氧化氢酶活性越高。

4.2 不同污泥堆肥对土壤微生物活性及土壤营养元素的影响

本研究发现，施用污泥堆肥会提高土壤微生物碳、氮的活性。土壤微生物碳与TOC质量分数呈显著正相关，微生物碳的增加与土壤中的碳增加有关，土壤微生物氮活性与土壤全氮质量分数密切相关。由此说明，施用污泥堆肥对土壤碳、氮的提高有重要作用，与连鹏等[27]得出施用污泥堆肥会增加土壤微生物碳、氮活性的结果一致。

本研究中，在30 t·hm-2施用量时，污泥堆肥对提高土壤养分有积极影响，不同类型的污泥产品效果不同。污泥C更有利于增加土壤N、P质量分数。经过污泥堆肥处理的TOC质量分数均高于CK，说明3种污泥堆肥的施用都有助于提高土壤总有机碳。这是因为污泥堆肥中含有较高的有机碳成分，施入土壤后不但提高了土壤养分，也调节土壤C与N质量分数比值，进一步促进胞外代谢酶参与土壤养分循环过程[28]。张强等[29]在污泥施用对林地土壤影响的研究中也指出，施用污泥堆肥会增加土壤中全氮、全磷、总有机碳的质量分数且对植物生长不产生盐害，本试验结果与其研究结果一致。

污泥堆肥施用有助于提高MBC、MBN质量分数，且随时间的增加而增加。王季斐等[30]在其研究中得出，外源碳添加到稻田土壤后，主要以易被微生物利用可溶性碳的形式存在于土壤水溶液中，随着土壤微生物对碳的利用转化为MBC。刘恋等[31]观察到，向土壤添加有机肥料会增加MBC，且MBC与TOC呈显著正相关。有机碳的增加给土壤微生物提供了繁殖所需的能源、营养，刺激土中微生物的活性，增强微生物对碳、氮的固持。当地降水主要集中在7、8月，而取土期9月的降水较少，土壤干湿交替可以促进土壤中氮的矿化，使更多的矿质态氮被土壤中的微生物所固持。

本研究连续监测了5个月3种污泥堆肥对土壤理化性质、微生物活性的影响，发现微生物活性受时间影响显著，施用污泥堆肥显著提高土壤酶活性和土壤C、N质量分数，微生物碳、微生物氮活性提高最明显，最大可分别提高118%、126%；土壤酶中碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性提高最明显，最大可分别提高39%、8%。施用污泥堆肥还可提高土壤N、K、TOC质量分数，其中污泥C的施用效果最好。研究发现，微生物活性与多种土壤营养元素显著相关，表明在施用污泥堆肥时添加土壤营养元素，可进一步影响微生物活性。研究表明，3种污泥堆肥均不会造成土壤重金属总量超标。为更加全面了解污泥堆肥施用对林地土壤的影响，今后将设置不同施肥量梯度及更长的监测时间以保证得到更准确的评价结果。