施用污泥制有机营养土对沙地国槐榆树林土壤理化性质的影响

杨文彬,王海东,彭祚登*,马富亮,孙 昱,孙文彦,彭玉信

1.北京林业大学林学院,北京 100083

2.北京城市排水集团有限责任公司,北京 100044

3.北京市黄垡苗圃,北京 102602

城市排水污泥是污水处理厂在污水净化处理过程中产生的固态、半固态及液态废弃物，是由有机残片、无机颗粒、胶体以及细菌体等组成的成分极为复杂的非均质体[1-3]。我国排水污泥年产生量每年以10%的速率递增[4,5]。这些污泥中含有寄生虫、病菌、重金属、多环芳烃等有机污染物以及盐类物质等多种有毒有害物质，且容易发生腐烂发臭，若得不到良好的处理，这些物质必然会对自然环境造成更加严重的污染，并对人类以及动植物产生不良影响[6]。城市排水污泥中含有大量的N、P、K 等植物营养元素及丰富的有机质，若经过恰当的处理可制成有机肥，施于土壤中可提高土壤肥力，促进植物生长，且减少污泥对环境的二次污染，因此，制成有机肥料被认为是目前城市污泥消纳较好的途径之一[7]。

目前，与污泥制各种产品有关的研究较多，但大多都集中在污泥堆肥方面，如张增强等研究表明施用城市污泥堆肥可以明显增加土壤的水分含量及田间持水量[8]；宋小英等将城市污泥堆肥与园土、炉渣混合作为荷花无土栽培基质，结果表明施用该基质使土壤容重降低，土壤孔隙度升高[9]；杨桐桐等在研究中指出施用城市污泥堆肥产品后，土壤pH 值下降到6.0～7.0 之间，更利于高羊茅生长[10]；谭国栋等研究表明在沙土和壤土中施用不同用量的污泥堆肥产品后，两种土壤中有机质、N、P、K 含量均高于未施用的对照处理等[11]。近年来，污泥好氧堆肥制成的有机肥存在占地面积较大、工作环境恶劣、产生氨气等大量刺激性气体等诸多问题[12]，阻碍了污泥的农林资源化进程，而新兴的污泥高级厌氧消化技术有效解决了这些问题。经过高温热水解、厌氧消化、板框脱水、破碎处理后的污泥脱水性和稳定性大大提高，异味减小，能够更好的实现污泥稳定化、减量化、无害化和资源化目标[13-15]。本文针对与污泥高级厌氧消化技术相关的研究较少，其施用效果不明，选取污泥经高级厌氧消化技术制成的有机营养土为对象，研究不同施用量下对北京平原沙地土壤理化性质的影响，以期为在沙土林地施用高级厌氧消化污泥制有机营养土的利用标准制定提供科学的依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于北京市大兴区北臧村镇永定河河滩沙地平原造林地块（39°39′4.63″～39°40′48.60″N，116°13′42.15″～116°14′27.17″E），区域属暖温带半湿润大陆季风气候，年平均气温为11.6 ℃，年平均降水量556 mm，降水主要集中在7～9 月份[16,17]。试验区位于永定河中上游冲积平原，地势较为平坦，土壤为冲积性砂质壤土，土壤通气透水性好，蓄水保肥能力较差[10]。研究选取5 年生榆树、国槐人工林地，榆树、国槐株行距均为4 m，林木长势及管护措施等一致。

1.2 供试材料

供试污泥制有机营养土来自北京城市排水集团高碑店再生水厂，为城镇再生水厂污泥经过高温热水解预处理后再经厌氧消化处理生产的污泥产品（类有机肥料），其具体性质如表1 所示。

表1 供试城市排水污泥基本理化性质Table 1 The physical and chemical properties of municipal sewage sludge were tested

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组试验设计，参照《城镇污水处理厂污泥处置林地用泥质》（CJ/T 362）中的相关规定，将污泥制有机营养土的林地施用量设为6 个水平，分别为0 kg/株（CK）、15 kg/株（T1）、30 kg/株（T2）、45 kg/株（T3）、60 kg/株（T4）、75 kg/株（T5），每种处理3 次重复，

每个试验地设置18 个试验小区（各小区代表每个处理的各个重复），在每个小区内选择10 株长势基本一致的林木进行试验。本试验于2017 年7 月进行试验布设，采取穴施的方法，根据树木的滴水线情况选择距树基40 cm 距离，在林木两侧各向外挖一个深度30 cm 左右，长度、宽度各40 cm的施穴，按照不同处理的施用量将污泥制有机营养土平均分配施用于两施穴内，施用后均用林地土壤覆盖，并立即灌溉。

在各树种试验区施营养土前进行本底土壤样品采集，在各试验区中随机选取3 个样点，在样点处挖50 cm 深的土壤剖面，以0～20 cm 和20～40 cm 两个层次分层进行土壤取样。样地基本理化性质本底值如表2 所示。之后于2019 年7 月进行第二次土壤取样，分别于每个处理选择3 株样本树，在距林木两施穴20 cm 左右处（即距林木基部60 cm）挖土壤剖面进行环刀和袋装土取样，将同一棵样本树的同一土层土样进行充分混合装入塑封袋中，并进行编号。取样结束后将装有土样的环刀和袋装土装入箱中带回实验室，及时用天平称取环刀及湿土质量；袋装土自然风干，之后过筛后放入密封袋中备用。

表2 供试林地土壤基本理化性质Table 2 供试林地土壤基本理化性质

1.4 测定指标及方法

土壤容重、孔隙度及田间持水量用环刀法测定后计算；土壤pH 采用电位法进行测定[19]；土壤阳离子交换量采用EDTA—铵盐快速法测定[19]；土壤电导率采用电极法进行测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化—外加热法进行测定[20]；土壤碱解氮采用碱解—扩散法进行测定[20]；土壤速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法进行测定[20]。

1.5 数据处理

使用Microsoft Excel 2016 进行数据计算和图表绘制，用SPSS18.0 软件进行单因素方差分析和显著性检验（P＜0.05），多重比较采用最小显著性差异法（LSD）。

2 结果与分析

2.1 施用污泥制有机营养土对土壤物理性质的影响

由图1（a）可得，榆树林地土壤0～20 cm 土层深度土壤容重在施用污泥制有机营养土后逐渐减小，当施用量达到T3 时与CK 相比差异显著，当施用量继续增加至T4、T5 时，其容重继续减小，与CK 相比差异显著；20～40 cm 处土壤容重在施有机营养土后也逐渐减小并且在T5 处理达到最小，与CK 相比差异显著。国槐林地土壤0～20 cm 土层深度的土壤容重与榆树林地变化趋势相同，都是在施有机营养土后逐渐减小，并且在T4、T5 处理显著低于CK；20～40 cm 处土壤容重在施有机营养土后变化较小，各处理间差异均不显著。由图1（b）可知，榆树林地土壤0～20 cm 土层深度土壤孔隙度在施有机营养土后逐渐增加，并且在T4、T5 时与CK 相比差异显著；20～40 cm 处土壤孔隙度在施有机营养土后也逐渐增加，并且在T5 时与CK 相比差异显著。国槐林地土壤0～20 cm 土层深度的土壤孔隙度在施有机营养土后也逐渐增加，并且在T5 时与CK 相比差异显著；20～40 cm 处土壤孔隙度在施有机营养土后与CK 相比变化较小，各处理间差异不显著。

图1 施用污泥制有机营养土对土壤容重（a）和孔隙度（b）的影响Fig.1 Effects of sludge application on soil bulk density(a)and porosity(b)

2.2 施用污泥制有机营养土对林地土壤化学性质的影响

2.2.1 对土壤酸碱性及阳离子交换能力的影响 施有机营养土对土壤pH 值和阳离子交换量的影响见表3。由表3 可知，榆树林地土壤0～20 cm 土层深度土壤pH 值在6.94～7.00 之间，各处理间无显著差异；20～40 cm 处土壤pH 值在6.92～7.03 之间，各施有机营养土处理pH 值均高于未施有机营养土对照，但不存在显著差异。国槐林地土壤0～20 cm 土层深度土壤pH 值在7.11～7.25 之间，20～40 cm处土壤pH 值在7.14～7.25 之间，在这两个土层深度土壤pH 值随施用量增加均基本呈现逐渐增大的趋势，但各处理之间差异均不显著。

表3 施用污泥制有机营养土对林地土壤养分含量的影响Table 3 Effect of sludge on soil nutrient content in forest land

表3 施用污泥制有机营养土对林地土壤pH 值和阳离子交换量的影响Table 3 Effects of sludge on pH value and cation exchange capacity of forest soil

榆树林地土壤0～20 cm 土壤阳离子交换量在施有机营养土后有一定程度增加并且在T5时达到最大值，与CK 相比差异显著；20～40 cm 处土壤阳离子交换量在施有机营养土后变化较小，各施用量下与CK 相比均无显著差异。国槐林地土壤0-20cm 土层深度土壤阳离子交换量在5.78～6.79 cmol/kg之间，20～40 cm 处土壤阳离子交换量在6.27～8.14 cmol/kg 之间，在两个土层深度各处理之间均无显著差异。

2.2.2 对土壤有效养分的影响 榆树0～20 cm 土层各施有机营养土处理土壤有机质含量均大于未施有机营养土对照，其中T5 处理达到最大值，并显著高于对照及其他施有机营养土处理；20～40 cm 土层各处理间差异不显著。国槐0～20 cm 土层土壤有机质含量随施用量增加呈现先增大后减少的趋势，且各施有机营养土处理均大于对照，但处理间差异不显著；20～40 cm 土层土壤有机质含量随施用量增加也呈现先增大后减少的趋势，并且在T3 时达到最大值，与CK 相比差异显著。榆树0～20 cm 土层各施有机营养土处理土壤碱解氮含量均大于未施有机营养土对照，其中T5 处理达到最大值，并显著高于未施有机营养土对照及T1 处理，与对照相比增大了109.70%；20～40 cm 土层在各施用量下碱解氮含量有所下降，但不存在显著差异。国槐0～20 cm 土层在施有机营养土后各施用量下碱解氮都高于CK，但差异均不显著；20～40 cm 土层土壤在各施用量下碱解氮含量变化较小，与CK 相比均不存在显著差异。榆树0～20 cm 土层在施有机营养土后速效钾含量都高于CK 并且在T5 时达到最大，与CK 相比差异显著；20～40 cm 土层在施有机营养土后各处理速效钾含量均高于CK，并且在T5 时达到最大，与CK 相比差异显著。国槐两个土层在施有机营养土不同处理下土壤速效钾含量均有所下降，但不存在显著差异。

2.2.3 对土壤电化学性质的影响 土壤电导率是反映土壤电化学性质和肥力特性的基础指标。由图2可知，榆树林地土壤0～20 cm 土层深度土壤电导率在T1-T4 时与CK 相比差异较小，在T5 时骤增，与CK 相比差异显著；20～40 cm 处土壤电导率在施有机营养土后与CK 相比差异较小。国槐林地土壤0～20 cm 土层深度的土壤电导率变化趋势与榆树相同，都是在T1-T4 时变化较小，在T5 时骤增，与CK 相比差异显著，20～40 cm 处土壤电导率在各处理下与CK 相比差异均不显著。

图2 林地施污泥制有机营养土对土壤电导率的影响Fig.2 Effect of sludge production of organic nutrient soil on soil electrical conductivity

2.3 施用污泥制有机营养土对林地土壤肥力影响的综合分析

土壤肥力是反映土壤理化性状的综合指标，以测定的土壤各项理化性质指标经标准化处理后进行主成分分析，可以就施用有机营养土的不同处理对国槐和榆树林地土壤肥力的影响进行综合评价。相关矩阵的特征根、各主成分的方差贡献率及累积贡献率如表4 所示。

表4 土壤理化性质指标的主成分分析参数Table 4 Principal component analysis parameters of soil physical and chemical properties

在榆树林地土壤0～20 cm 深度，前2 个主成分方差贡献率分别达到74.585%和22.387%，方差累计贡献率达到了96.972%，并且2 个特征根都大于1，因此选取前两个主成分来综合反映林地土壤肥力状况；在20～40 cm 深度，前2 个主成分方差贡献率分别达到54.588%和35.78%，方差累计贡献率达到了90.368%，并且2 个特征根都大于1，因此也选取前2 个主成分来综合反映林地土壤肥力状况。在国槐林地土壤0～20 cm 深度，前2 个主成分方差贡献率分别达到52.259%和23.24%，方差累计贡献率达到了75.708%，并且2 个特征根都大于1，因此选取前2 个主成分来综合反映林地土壤肥力状况；在20～40 cm 深度，前3 个主成分方差贡献率分别达到50.072%、20.89 和16.36%，方差累计贡献率达到了87.321%，并且3 个特征根都大于1，因此也选取前3 个主成分来综合反映林地土壤肥力状况。

根据各主成分得分系数以及标准化的原始变量可以计算出各个处理的主成分得分，根据计算2个树种施有机营养土的处理林地土壤理化指标的综合主成分得分（表5）。这一得分反映了土壤肥力综合水平，综合得分越高，则林地质量水平越好，若综合主成分得分为正，则该林分林地土壤肥力在平均水平之上；反之则在平均水平之下。可以看到，在榆树土壤0～20 cm 深度，各处理相比较T5＞T4＞T3＞T1＞T2＞CK，可见各个施用量下土壤肥力状况都优于CK 并且T5 下土壤肥力状况最优；20～40 cm 深度各处理相比较T5＞T1＞T2＞T3＞T4＞CK，可见各个施用量下土壤肥力状况都优于CK，并且也是T5 下土壤肥力状况最优。国槐土壤0～20 cm 深度，各处理相比较T5＞T4＞T3＞T1＞T2＞CK，可见国槐与榆树变化趋势相同，都是在各个施用量下土壤肥力状况都优于CK 并且T5 下土壤肥力状况最优；20～40 cm 深度各处理相比较T2＞T4＞T3＞T3＞CK＞T5，可见除T5 外，其他施用量下土壤肥力状况都优于CK 并且T2 下土壤肥力状况最优，而T5 处理土壤肥力状况综合得分小于未施有机营养土处理，即在T5 施用量下国槐林地土层20～40 cm 的土壤质量有所下降。

表5 土壤肥力各主成分得分Table 5 Principal component scores of soil fertility

3 讨论与结论

3.1 讨论

土壤物理性质很大程度上决定了土壤化学性质及生物过程，是评价林地土壤肥力的基础[21,22]。肖俊波等研究表明，施用污泥堆肥可以降低土壤容重，增加孔隙度，使土壤变得更加疏松多孔，结构变得更加良好[23]。在本研究中，施有机营养土后榆树林地和国槐林地的土壤容重与对照相比都显著减小，土壤孔隙度都显著增大，表明施用污泥制有机营养土可以改良北京平原沙地土壤的物理性质，使其变得更加疏松透气，这与肖俊波的研究结果相同。

土壤化学性质直接影响土壤微生物活动和植物生长发育，可作为评价土壤肥力水平的重要依据[26-28]。在本研究中，与对照相比，各树种施有机营养土处理pH 没有显著变化，这可能是因为供试污泥制有机营养土的pH（7.50）与各树种林地土壤pH 本底值相差不大。阳离子交换量（CEC）在一定程度上可以反映土壤缓冲能力的大小和保肥性的高低[29]，本研究中榆树林地在T5 施用量下阳离子交换量显著高于CK，表明T5 施用量可以提高榆树林地的土壤缓冲能力与保肥能力，其他处理对榆树林地和国槐林地的土壤缓冲和保肥能力能力影响不大。施有机营养土后榆树林地土壤中有机质、碱解氮和速效钾含量均有不同程度提升，并且在T5 处理提升效果最明显，说明施用污泥制有机营养土可以提高榆树林地土壤中的养分含量，这与刘玉奇等人的研究结果相一致[30]。而施有机营养土后国槐土壤中速效钾和碱解氮含量有所下降，可能是由于施用污泥制有机营养土后，土壤中的酶活性增强，微生物数量种类增加，从而加速了土壤养分循环，促进了林木养分吸收，进而导致了土壤中的速效钾以及碱解氮含量的下降[31,32]。

土壤电导率（EC）反映土壤中的水溶性盐含量，是表征植物生长的重要因素之一[24]，本研究中施用污泥制有机营养土后，榆树和国槐0～20 cm 土层土壤电导率都在T5 处理显著高于未施有机营养土对照，分别达到120.12 和137.17 μs/cm，且测得各树种林地土壤中电导率最高值为138.53 μs/cm，有研究表明一般土壤电导率低于1500 μs/cm 适于植物正常生长发育[25]，因此施有机营养土后各树种林地土壤中电导率水平对林木生长不会产生影响。

本研究利用主成分分析方法综合分析了土壤基本理化性质对不同施有机营养土处理条件下各树种林地土壤肥力状况的影响，结果表明榆树林地土层0～20 cm和20～40 cm以及国槐林地土层0～20 cm在各个施用量下土壤肥力状况综合得分都高于CK 并且在T5 时得分最高，说明施用污泥制有机营养土对榆树、国槐林地土壤质量有一定的提升作用，而国槐林地土层20～40 cmT5 施用量下的土壤肥力状况综合得分低于CK，这可能与土壤的养分循环加快，林木生长活动增强而导致林木吸收养分含量增加有关，而施用污泥制有机营养土后林木—土壤养分循环规律还有待进一步研究。此外，在本研究中，T5 施用量能显著改善土壤的理化性质，提高土壤肥力，是本研究中最适宜的施用量，但T5施用量是本研究设置的最高施用量，至于更高施用量下土壤理化性质的变化情况，以及各施用量下的其它土壤因素如土壤重金属、土壤酶和土微生物的变化情况，以及林木—土壤养分循环规律等，将是今后需要进一步研究的问题。

3.2 结论

（1）施用污泥制有机营养土可以改良北京平原沙地土壤的物理性质，使其容重显著减小，孔隙度显著上升，且均在60 kg/株、75 kg/株的高施用量下效果最好；

（2）施用城市排水污泥制有机营养土对于国槐和榆树林地土壤pH 值没有明显的影响；75 kg/株施用量会显著增加土壤中的阳离子交换量，提高土壤的缓冲能力和保肥能力；施有机营养土对于林地土壤养分积累有一定的影响，施有机营养土后土壤中有机质、速效钾及碱解氮含量有所增长，并且在单株施用量75 kg 时达到最大；施用城市排水污泥制有机营养土后国槐和榆树林地土壤电导率均在正常范围内，对林木生长不会产生负面效应；

（3）利用主成分分析方法综合分析了土壤基本理化性质对不同施有机营养土处理条件下国槐和榆树林地土壤肥力状况的影响，结果表明试验地各施用量下的土壤肥力状况都优于CK 并且在60 kg/株、75 kg/株的高施用量下效果最好。