长期施用污泥对土壤-萝卜系统重金属积累及土壤养分含量的影响

2021-07-30董文张青王煌平罗涛

农业资源与环境学报 2021年4期

董文，张青，王煌平，罗涛

（1.福建农林大学资源与环境学院，福州 350002；2.福建省农业科学院土壤肥料研究所/福建省地力培育工程技术研究中心，福州 350013；3.福建省农业科学院农业生态研究所/福建省丘陵地区循环农业工程技术研究中心，福州 350013）

随着我国城市经济的快速发展以及城市人口增长，污水处理量越来越大，污泥的产量也急剧增加。GEP Research 发布的《全球及中国污泥处理处置行业发展研究报告（2018）》显示，2018 年中国污泥总产量为5 665 万t，比2017 年增长了3.3%。城市污泥的堆肥利用是目前最有发展前景、最经济有效，符合我国国情的处理方式之一[1-2]，在欧洲，这种污泥堆肥农用的历史已有多年[3]，尽管欧洲各国所采用的污泥处置方法差别很大，但污泥农用还是主要的处理方式之一[4]。我国城市污水处理厂的污泥含有一定量的有机质和氮磷钾等养分，其中有机物的含量一般为40%～70%，比一般农家肥要高[5]，因此污泥农用能够提高土壤养分，改善土壤结构，提高农作物产量[6-7]。但是污泥来源于各种生活污水和工业废水，含有各种重金属、有机污染物等有害物质，这些有害物质，尤其是重金属Pb、Cd、Ni、Cu、Zn 等造成的环境污染，一直是人们关心的问题[8]。

污泥中重金属含量是限制污泥农用的重要指标之一[9-10]。大量研究表明，污泥堆肥农用会使土壤中的重金属含量增加。许晓玲等[11]研究连续3 茬大豆施用污泥发现，土壤中重金属含量随着污泥堆肥用量的增加而增加，施用污泥堆肥显著增加了微量元素Cu 和Zn 的含量，对重金属Cd、Cr 和Pb 含量的影响不大。翟丽梅等[12]的研究表明，连续5 年施用污泥后，90%Hg 主要累积在表层土壤，污泥施用量低于18 t·hm-2时，土壤中Hg含量未超过土壤环境质量二级标准。

目前对污泥的研究多集中在短期施用对土壤和植物重金属富集的影响，对污泥长期农用下的土壤养分和重金属累积特征研究较少。鉴于此，本研究探讨连续10 年施用不同用量污泥对土壤养分及重金属（Pb、Cd、Cr、Ni、Cu 和Zn）含量的影响，旨在为长期合理施用污泥提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地位于福建省福州市闽侯县白沙镇溪头村福建省农业科学院土壤肥料研究所野外观测红壤肥力与生态环境站，供试土壤为黄泥土，供试污泥来自厦门生活污水处理厂。供试土壤和污泥理化性状及重金属含量见表1和表2。供试蔬菜品种为汉白玉萝卜（Raphanus sativusL.），下文表述中“萝卜叶”表示地上部，“萝卜”表示地下部。

表1 供试土壤和污泥理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the soil and sludge

表2 供试土壤和污泥重金属含量（mg·kg-1）Table 2 Contents of heavy metals in the soil and sludge（mg·kg-1）

1.2 试验方法

试验于2009—2019 年进行，每年种植一季，在种植前一次性施用污泥和肥料。试验采用田间小区试验，共5 个处理：①单施化肥（CK，尿素0.31 t·hm-2、钙镁磷肥0.87 t·hm-2、氯化钾0.38 t·hm-2）；②低量污泥（S1，4.5 t·hm-2）；③中量污泥（S2，9 t·hm-2）；④中高量污泥（S3，13.5 t·hm-2）；⑤高量污泥（S4，18 t·hm-2）。每个处理3 个重复，小区面积为9 m2，随机排列。污泥用量以对照处理的N、P2O5、K2O 养分量的70%为标准，不足的养分分别用尿素、过磷酸钙、氯化钾补充，超过不补。本论文中所用数据为最后一季测定结果。

1.3 测定方法

土壤pH 采用电位法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮采用凯氏法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；土壤全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法测定；土壤速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定；土壤全量重金属Pb、Cd、Cr、Ni 和Cu 采用微波消解-石墨炉原子吸收光谱法测定（PE900Z）；Zn 采用微波消解-火焰原子吸收光谱法测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013 进行数据整理分析及作图，SPSS 17.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 长期施用不同用量污泥对萝卜产量的影响

随着污泥施用量的增加，萝卜产量呈增加趋势（图1），虽然不同污泥施用量处理比对照降低3.72%～15.99%，但处理间差异不显著，这可能由于对照处理所用化肥的养分容易被萝卜直接吸收，而污泥中养分需要慢慢释放才能被萝卜吸收。可见长期施用污泥对萝卜产量影响不大。

图1 不同用量污泥长期施用下萝卜的产量Figure 1 Yield of radish after long-term application of sludge with different dosages

2.2 长期施用不同用量污泥对萝卜叶和萝卜重金属含量的影响

2.2.1 不同用量污泥对萝卜叶中重金属含量的影响

由表3 可知，连续10 年施用污泥后，萝卜叶中重金属含量均随着污泥施用量的增加而增加。其中，各处理的萝卜叶中Pb 含量差异不显著；高量污泥处理萝卜叶中Cd 含量与对照处理差异显著，比对照高53.8%，其他处理的萝卜叶中Pb 含量差异不显著；对照处理萝卜叶中Cr 含量与低量处理无显著差异，但显著低于其他污泥处理，中量、中高量和高量处理分别比对照高21.7%、52.1%和62.6%，且中高量与高量处理萝卜叶的Cr 含量显著高于中量和低量处理29.0%～39.4%；中量、中高量和高量处理萝卜叶中Ni含量显著高于对照处理831.5%、695.9%和705.5%，低量处理与对照处理无显著差异，污泥各处理间，高量处理Ni 含量显著高于低量与中量处理259.4%和75.7%，但与中高量无显著差异；不同用量污泥处理萝卜叶中Cu 含量均显著高于对照处理，比对照提高67.4%～148.7%，中量、中高量和高量处理之间无显著差异，但显著高于低量处理28.1%、43.7%和48.5%；低量污泥处理萝卜叶中Zn含量与对照处理无显著差异，其他用量污泥处理显著高于对照处理74.8%～435.0%，高量污泥处理显著高于其他污泥处理56.5%～206.1%。

表3 不同用量污泥长期施用下萝卜叶的重金属含量（mg·kg-1）Table 3 Heavy metal content of radish leaves under long-term application of sludge with different dosages（mg·kg-1）

2.2.2 不同用量污泥对萝卜重金属含量的影响

由表4 可知，连续10 年施用污泥后，萝卜中重金属含量都随着污泥施用量的增加而增加。其中，低量和中量污泥处理萝卜中Pb 和Cd 含量与对照之间无显著差异，但显著低于中高量和高量处理75.0%～240.0%、75.0%～180.0%；中高量和高量处理萝卜中Cr含量显著高于对照处理50.9%和56.0%，但与低量和中量污泥处理无显著差异；不同污泥用量处理萝卜中Ni 含量均显著高于对照420.0%～1 841.9%，且各处理之间均差异显著；除低量污泥处理萝卜中Cu、Zn含量与对照无显著差异外，其余污泥处理均显著高于对照处理156.6%～548.9%、99.3%～210.2%，高量污泥处理均显著高于其他处理115.1%～548.9%、32.2%～210.2%。高量污泥处理萝卜Pb、Cd和Cr的含量最高，分别为0.119、0.028 mg·kg-1和0.181 mg·kg-1，除高量处理Pb超标外，其余均未超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）的限量指标（Pb≤0.1 mg·kg-1、Cd≤0.1 mg·kg-1、Cr≤0.5 mg·kg-1）。可见连续施用10 年污泥后，萝卜中重金属含量有所增加，但除了高量污泥处理Pb超标外，其他处理都还在安全食用范围之内。

表4 不同用量污泥长期施用下萝卜中重金属含量（mg·kg-1）Table 4 Heavy metal content in radish under long-term application of different sludge dosages（mg·kg-1）

相关性分析（表5）表明，在长期施用污泥的条件下，污泥用量与萝卜叶中Pb含量的相关性不显著，但与其他重金属呈极显著正相关，相关系数达到0.690（Cd）、0.916（Cr）、0.914（Ni）、0.900（Cu）、0.927（Zn）；污泥用量与萝卜中重金属Pb、Cd、Cr、Ni、Cu 和Zn 都呈极显著正相关，相关系数分别达到0.923、0.921、0.805、0.980、0.886、0.919，说明长期施用污泥下，污泥施用量对萝卜重金属含量的影响较大。

表5 污泥用量与萝卜叶和萝卜重金属含量之间的相关关系Table 5 Correlation between sludge contents and heavy metal contents in leaf and radish

2.3 长期施用不同用量污泥对土壤重金属含量的影响

2.3.1 不同用量污泥对土壤重金属含量的影响

由表6可知，土壤中各重金属（Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn）的含量随污泥用量的增加而增加。其中，中高量和高量污泥处理土壤中Cd含量显著高于对照和低量处理，比对照提高31.7%和48.1%，比低量处理提高26.8%和42.7%，低量和中低量污泥处理土壤中Cd 含量与对照无显著差异。不同污泥用量处理土壤中Cr含量均显著高于对照处理，比对照提高115.1%～536.1%，且各处理间差异显著；中高量和高量处理Ni含量显著高于对照处理，比对照分别提高46.1%和72.7%，而低量和中量处理与对照无显著差异。对照处理土壤中Cu 含量与低量污泥处理相比，无显著差异，但中量、中高量和高量处理显著高于对照84.5%～265.2%，且不同污泥用量处理之间土壤Cu 含量差异显著。各处理间土壤Pb含量无显著差异。对照处理土壤中Zn含量与低量和中量处理无显著差异，与中高量和高量污泥处理差异显著，分别比对照提高52.3%和65.3%，中量处理土壤Zn含量与低量处理无显著差异，中高量和高量处理Zn 含量比低量处理显著提高37.4%和49.1%。可见，中高量和高量污泥连续施用10年能显著提高土壤中Cd、Cr、Ni、Cu、Zn的含量。

表6 不同用量污泥长期施用下土壤重金属含量（mg·kg-1）Table 6 Soil heavy metal contents under long-term application of sludge with different dosage（mg·kg-1）

连续10 年施用污泥后，4 个污泥处理的6 种重金属含量都随用量的增加而增加，其中，Pb、Cd、Cr、Ni、Cu和Zn含量分别比基础土壤增加37.85～49.02、0.12～0.20、91.14～282.48、32.18～56.79、37.07～123.65 mg·kg-1和53.43～110.08 mg·kg-1。各处理土壤中Cd 和Zn含量并未超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）；中高量和高量污泥处理土壤中Pb 含量超标（Pb≤70 mg·kg-1），中量、中高量、高量污泥处理土壤中Cr 和Cu 含量超标（Cr≤150 mg·kg-1、Cu≤50 mg·kg-1）；高量污泥处理土壤中Ni 含量超标（Ni≤60 mg·kg-1），对照与低量污泥处理各重金属含量均未超标。

2.3.2 污泥用量与土壤重金属含量的相关性

污泥施用量与土壤各重金属含量均呈正相关（表7），并达到显著或极显著水平。污泥用量与土壤中Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn 含量相关系数分别为0.639、0.861、0.975、0.839、0.960、0.808，除了与重金属Pb 含量呈显著相关（P<0.05）外，与其他重金属均达到极显著相关水平（P<0.01），表明污泥施用量对土壤中重金属累积影响较大。

表7 污泥用量与土壤重金属含量之间的相关关系Table 7 Correlation between sludge contents and soil heavy metal contents

2.4 长期施用不同用量污泥对土壤pH、有机质及氮磷钾的影响

2.4.1 不同用量污泥对土壤pH和有机质含量的影响

长期施用不同用量污泥均能显著提高土壤pH（表8），且随着污泥施用量的增加，土壤pH 有逐渐升高的趋势，污泥处理比对照提高了0.58～0.71 个单位。污泥各用量对土壤pH 的影响差异不显著，表明长期污泥施用量在4.5～18 t·hm-2之间时对土壤pH 无显著影响。与基础土壤相比，长期施用污泥的土壤pH 提高了0.23～0.36 个单位，而长期单施化肥的对照处理，其土壤pH 下降了0.35 个单位，说明长期单施化肥会降低土壤pH。

表8 不同用量污泥长期施用下土壤pH、有机质及氮磷钾含量Table 8 Soil pH,contents of organic matter and NPK under long-term application of sludge with different dosages

从表8可以看出，长期施用不同用量污泥均能提高土壤有机质含量，且有机质含量随着污泥施用量的增加而增加。中高量、中量和低量污泥处理的土壤有机质含量与对照处理无显著差异，高量污泥处理土壤有机质含量显著高于对照处理，高量污泥处理土壤有机质含量达24.60 g·kg-1，显著高于对照、低量和中量处理，与中高量污泥处理差异不显著，分别比对照、低量、中量及中高量处理提高20.1%、19.2%、13.6%和5.9%。

2.4.2 不同用量污泥对土壤氮磷钾含量的影响

与对照相比，长期施用不同用量的污泥均能增加土壤全量氮磷钾和速效氮磷钾含量，且总体上养分含量呈现随污泥施用量增加而增加的趋势（表8）。其中污泥处理的土壤全氮含量显著高于对照处理，比对照提高7.7%～15.4%，污泥各处理之间无显著差异。高量污泥处理的土壤全磷含量最高，中高量和高量污泥处理土壤全磷显著高于对照50.0%和83.3%，低量和中量处理与对照之间无显著差异，高量处理与中量和中高量处理之间无显著差异，但高量处理全磷含量显著高于低量处理。各处理间土壤全钾含量无显著差异，表明长期施用污泥对土壤全钾影响不大。

高量污泥处理碱解氮含量显著高于对照处理，其他污泥处理与对照并无显著差异，各污泥处理之间的碱解氮含量无显著差异。低量污泥处理有效磷含量稍高于对照，但与对照无显著差异，而其他污泥处理有效磷含量显著高于对照处理，比对照提高58.7%～138.2%，低量处理有效磷显著低于其他污泥处理，高量与中高量处理的有效磷含量无显著差异，但显著高于中量及低量污泥处理，说明施用高量污泥能显著提高土壤有效磷含量。各处理之间速效钾含量无显著差异。

3 讨论

3.1 长期施用污泥对土壤pH和养分含量的影响

我国的农田土壤酸化日趋严重[13]，土壤酸化不仅会严重危害农业生产，还会提升土壤中重金属活性，加重重金属污染危害程度[14]。王伯仁等[15]的研究发现，在18 年间施用化学氮磷钾肥料导致土壤pH 值下降了1.1个单位，造成了土壤酸化。本研究结果显示，连续10 年单施化肥处理的土壤pH 比基础土壤下降了0.35 个单位，施用污泥比单施化肥的土壤pH 值提高了0.58～0.71 个单位，且污泥施用量与土壤pH 呈极显著正相关，表明长期施用污泥可提高土壤pH值，缓解土壤酸化。这是由于污泥偏碱性且施用后增加了土壤中有机质的含量，从而提高了土壤的酸碱缓冲性能[16]，有利于提高土壤pH。

研究发现施用污泥可提高土壤有机质、全量养分及有效养分含量[17-19]。Veiga 等[20]在葡萄牙中部地区的Baixo Mondego 研究城市污水处理厂的堆肥污泥对玉米种植田土壤的长期影响，结果表明，与密集施用化肥相比，堆肥污泥提高了土壤有机质（由1.2%升至2.2%）、总磷（由1 134 mg·kg-1升至2 747 mg·kg-1）和有效磷（由98.44 mg·kg-1升至821.85 mg·kg-1）含量。康少杰[21]通过3 年试验研究发现，污泥处理下的土壤全氮和有机质含量逐年变化不明显，但均高于化肥和对照处理，土壤有效磷和速效钾含量明显提高。然而，本研究发现，长期施用污泥后土壤全量氮磷钾、速效氮磷钾含量都呈增加的趋势。

3.2 长期施用污泥对土壤重金属含量的影响

重金属在土壤中迁移性很小，不能被微生物降解，在土壤中累积、被植物吸收富集后，会通过食物链进入人体，具有潜在危害。研究结果显示，长期施用污泥后土壤中重金属Pb、Cd、Cr、Ni、Cu 和Zn 含量均高于对照，而且随着污泥施用量的增加，土壤中的重金属含量也逐渐增加，相关性分析表明，污泥施用量与土壤全量重金属Cd、Cr、Ni、Cu 和Zn 含量呈极显著正相关（P<0.01），表明污泥施用量对土壤全量重金属的影响很大，这与大多数研究者认为有机肥会增加农田重金属污染风险的观点一致。朱秀红等[22]研究施用不同比例（0、5%、10%、15%、20%）的城市污泥堆肥对土壤重金属含量的影响，结果表明，土壤中的重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd等含量均随污泥施用比例的增加逐渐升高，但均不超过污泥农用泥质B级标准。杨国航等[23]的研究表明，长期（8 年）污泥农用显著增加了土壤中Pb、Cd、Cu和Zn元素的总量，而对Ni元素的总量影响不显著。这主要与污泥来源不同且污泥中重金属含量差异较大有关。Veiga 等[20]的研究发现，长期（5 年）施用城市污水处理厂的堆肥污泥的农田土壤中Cu、Zn、Cd、Cr 等重金属含量明显高于施用化肥的土壤，对土壤具有长期风险。

3.3 污泥长期施用下的土壤安全和作物安全

由于不同地区的土壤重金属环境容量不同，即使施用符合标准《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》（CJ/T 309—2009）的污泥，各地施用年限的差异也很大。李桃等[24]以年施入污泥量7.5 t·hm-2·a-1计算，对山西省不同地市污泥的施用年限进行估算，研究结果显示，晋北地区大同市约为117 年，朔州市约为217 年，忻州市约为133 年，晋中地区太谷县约为6年，晋东南地区晋城市约为163 年，长治市约为29年。不考虑土壤重金属元素的输出及其他途径的输入，马闯等[25]按中国城市污泥重金属平均含量估算的结果表明，酸性和中性土壤上污泥土地利用安全施用年限为34 年，碱性土壤上为66 年。因此，在污泥长期农用时，首先要选用符合标准的污泥，其次在施用污泥提高土壤肥力的同时应兼顾施用污泥带来的土壤中重金属含量增加的风险，科学控制污泥的施用量。

本研究结果表明，连续10 年施用不同用量污泥后，土壤中各重金属（Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn）的含量随污泥用量的增加而增加，Pb、Cr、Ni和Cu在中量、中高量和（或）高量处理中超过国家土壤环境质量标准，其他重金属尚未超标，这可能与污泥本身的重金属含量、形态以及本试验用量不高有关。虽然土壤含有不同量的重金属，甚至Pb、Cr、Ni 和Cu 超标，但萝卜可食部位中的重金属含量，除高量污泥处理Pb超标外，其他处理均未超过食品安全国家标准。说明在本试验用量范围（4.5～18 t·hm-2）内连续施用污泥10年后，除高量污泥处理中萝卜Pb 超标外，其他处理的萝卜都是安全的，但土壤中已有4 种重金属显示超标，随着污泥施用年限增长，种植于其中的作物食品安全还应予充分重视。