川中丘陵区农村生活污水资源化利用后的土壤养分特征

李 杉马鑫文吴 勇高东东肖 杰

(1.成都理工大学 环境与土木工程学院,四川 成都610059;2.四川省生态环境科学研究院,四川 成都610000)

自农村“厕所革命”以来,四川省部分农村生活环境有所改善,同时在某种程度上也导致了污水更加集中排放的现象,造成了环境困扰。三格化粪池具有操作简便,无害化处理效果好等特点[1],是农村主要使用的厕改处理。生活污水经过三格化粪池的充分水解后,其中虫卵等有害物质的活性基本被消除,有机成分被降解为含氮磷等的无机组分。若将出水大量集中排放至土壤中,可能会超过土壤的环境容量;一部分可能进入地下水,导致地下水水质恶化。因此,经处理后的生活污水是否可资源化地用于补充土壤中氮磷等组分是本文研究的主要问题。前人[2]论述了农村生活污水资源化利用的可行性,认为资源化利用是农村生活污水处理的终极目标和最佳选择,污水资源化利用首先应发展灌溉。张增伟等[3]使用将处理后的生活污水用于田间试验并对土壤的理化性质变化进行分析,结果表明随土层深度增加,其有机质含量与对照组相比降低了21%,但并未对氮磷等营养组分的变化情况进行研究。李欣[4]使用不同负荷的厌氧池处理生活污水,并将出水用于大田试验,得出试验的最佳水力负荷为0.002 m3/(m2·d)的结论,发现若负荷继续升高,地下水存在被污染的风险。Liu[5]回收生活污水,用其直接灌溉龙尾草,发现其对总磷、磷酸盐、总氮、氨、COD和BOD的去除率分别为83.2%,82.3%,76.3%,96.2%,73.5%和85.8%。钱靖华等[6]使用活性污泥法处理生活污水,将其资源化利用于北京一生态度假村中,结果表明此方法可以减少灌溉用水量,每年可减少2.89×105m3地下水开采量。综上所述,研究农村生活污水资源化利用对土壤养分的影响是有意义的。

目前对于川中丘陵地区生活污水资源化利用的研究不多[7-8],其中分析土壤养分三维变化特征的也较少[9-10]。故本文重点讨论生活污水经三格化粪池处理和资源化利用前后,不同用地类型土壤养分的三维变化特征。在综合考虑主客观因素的基础上,结合层次分析法(AHP)[11]和主成分分析法(PCA)[12]计算各养分指标的权重,对生活污水不同施用处理的结果进行评分,对不同深度的土壤层分别评分,对比土壤养分的变化特征,为农村生活污水的无害化处理和资源化利用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省资阳市安岳县某农村,地属川中丘陵区(105°11′20″E,29°52′21″N)。区域海拔为380～450 m,地貌类型为浅切丘陵,稻田分布较为集中。研究区为亚热带湿润季风气候,四季分明,日照相对较少,多年平均气温7.3℃;无霜期313 d;相对湿度82%。域内多年平均雨量958 mm。降雨量季节分配差异较大。区内土壤主要为紫色土和水稻土。耕地土壤呈红棕色,表层疏松多孔,通透性良好,耕植土层厚度约10—40 cm;林地土壤多为紫红、红棕色,土层孔隙度较小。通过走访调查得知村内缺乏排水系统,雨水和污水直接排入房屋旁边沟,沿边沟或水泥路面排至就近的水体或土体中,对环境造成污染,直接威胁居民饮水、食品安全和水体环境健康。

1.2 研究方法

使用三格化粪池改善了研究区的生活环境。安装三格式化粪池进行厌氧处理,安装集水池收集第三格出水。试验场所设在耕地和林地。布设管道后利用水泵将处理后的污水抽至耕地和林地进行施用。试验前,对处理后的生活污水中的COD、氮磷和重金属含量进行检测;对试验区土壤各项指标的背景值进行检测。

试验区耕地种植制度为夏季种植玉米(用水定额40 m3/hm2,保证率90%),秋季种植红薯,冬季种植油菜;林地植物为香椿树和杂草。耕地和林地分别设置6个和8个试验小区域,各区域有效面积4 m2,间隔1 m。耕地区设计3个处理(G1,G2,G0),其中G0为空白对照,即不做施用处理。G1,G2每次对应的施用量分别为12.5和25 L/m2。林地试验设计4个处理(L1,L2,L3,L0),其中L0为空白对照,主要依赖天然降雨。L1,L2,L3每次对应的施用量分别为12.5,25.0和37.5 L/m2。每个处理均设置2次重复,分别在2021年7月30日、9月15日和10月15日施用,共3次,即G1和L1总施用量为37.5 L/m2,G2和L2总施用量为75 L/m2,L3总施用量为112.5 L/m2。施用结束后,于2021年11月29日采取土样。根据试验区实际情况和土壤性质,本研究对0—20 cm和20—40 cm土层深度分别进行取样研究。试验场地布置情况如图1所示。

图1 试验场地布置示意图

1.3 样品采集与分析

每个样品由5～7个子样品混匀组成,2个重复处理区域的土样混合为一个样品。土样经自然风干、磨碎后,分别过1 mm和0.074 mm筛备用,对其养分指标进行检测。全氮采用凯氏法;碱解氮采用标准酸滴定法;全磷采用紫外分光光度法,速效磷采用碳酸氢钠提取—钼锑抗比色法;有机质采用重铬酸钾稀释热法;速效钾采用醋酸铵浸取—火焰光度计法。

2 数据处理与分析

使用统计学软件对试验数据进行处理。结合综合层次分析法(AHP)与主成分分析法(PCA)从对权重进行计算并进行等级评价,本试验土壤养分等级评价标准详见表1。

表1 土壤养分等级评价标准

土壤各指标标准参考《土壤农化分析》(第3版)[13]及第2次国土壤普查评级。

运用层次分析法(AHP)计算各指标主观权重WA[14]。结合当地土壤具体情况,以土壤养分含量作为指标层(有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾),计算出不同指标对于目标层的权重。根据1—9级标度[15],专家构建了各指标的判断矩阵详见表2[16]。将判断矩阵每一行进行几何平均、归一化得到各指标要素的权重ω和最大特征根λmax。结果详见表2。为确保矩阵评价矛盾性在合理范围内,对其进行一致性检验,计算公式为:

表2 各土壤养分指标判断矩阵及主观权重

式中:CI为一致性指标;RI为随机性指标(表3);n为要素数量[15]。

经计算,λmax=6.15,CI=0.0297,查表3得6阶矩阵RI为1.24,故一致性比率CR=0.0240＜0.10,判断矩阵通过一致性检验。

表3 平均随机一致性指标

运用主成分分析法(PCA)计算各指标客观权重Wp时[17],将0—20 cm和20—40 cm的土壤指标数据分别进行主成分提取分析及权重计算。分别选取特征值大于1,累计贡献率＞85%的前两个主成分详见表4。0—20,20—40 cm土壤各指标成分矩阵详见表5。根据两不同深度土壤指标各自的分析结果分别进行各养分指标权重的计算,公式(2)为计算公式。再将求得的权重归一化,得到最终结果。式中:C1,C2,C3分别表示表5中各指标对应两个主成分的系数;λ1,λ2分别为表4中两主成分的特征值;V1,V2表示主成分1,主成分2的方差贡献率。

表4 土壤各指标主成分特征值提取

表5 土壤各养分指标成分矩阵

将AHP和PCA分析所得的权重值用“乘法”集成法综合处理[18],将综合权重乘以各因子与最高标准值的比值即为最终评价得分值。得分计算公式为:

式中:ai为AHP中第i项指标最终权重值;bi为PCA中第i项指标最终权重值;Pi为第i项指标测定值;Pmax为第i项指标最大值;K为最终得分值。

3 结果与分析

3.1 土壤养分含量分析

经处理后的生活污水中,COD、总氮、总磷、氨氮浓度分别为241.8,260,14.2和250 mg/L,均远超过排放标准(DB51/2626-2019);重金属铜、锌、砷的浓度分别为0.008 7,0.005 2和0.005 8 mg/L。在检测范围内未测出铬和镉,可认为几乎不含有这两种重金属。对试验前后土壤的各指标检测结果详见表6。

3.1.1 土壤重金属的变化 由图2可以看出,将处理后的生活污水不等量地施用于耕地和林地后,不同深度土层的重金属含量值均未超标,且对照组的含量普遍高于施用组。与背景值相比(图3),试验后各重金属含量均有减少的现象。生活污水中重金属含量极少,生活污水的施用能对土壤重金属产生淋滤作用,施用生活污水灌溉后表层土壤中重金属含量有所降低。在误差范围内,由于试验期间气候、人为耕作等因素的影响,变化规律不尽明显,但从试验数据可知生活污水的资源化利用不会造成土壤重金属含量增加。

图2 林地与耕地试验后重金属含量柱状图

3.1.2 不同土壤类型养分的垂向变化 由表6可见,

表6 各施用方式下不同深度土壤养分含量

除全磷以外,耕地和林地在各施用处理下0—20 cm土壤的养分含量均高于20—40 cm,说明土壤养分的改善是由表层向深层进行。这是由于全磷含量受土壤水分以及酸碱度控制,与现有研究结论相符[19]。在耕地中,在0—20 cm土层,与G0相比,G1处理下的各养分含量有不同程度的增加,其中速效磷含量增加最多,为26%;G2处理下,除碱解氮外,其余养分含量有不同程度增加,其中速效磷含量增加最多,为30%。在20—40 cm土层,与G0相比,G1处理下的各养分含量均有不同程度的增加,其中速效磷含量增加最多,为21%;G2处理下,仅全磷和速效磷的含量有微量的增加,均提升了3%。各处理下的深浅土层养分含量均比背景值高。

在林地中,在0—20 cm土层,与L0相比,L1处理下,仅速效磷含量有10%的增加,其余养分含量均比施用前有所减少;L2处理下各指标含量均减少;L3处理下仅全氮含量增加28%,其余养分含量也都减少。林地的3个处理使0—20 cm土层的碱解氮含量减少最多,约为30%。各处理下的养分含量均比背景值低。在20—40 cm土层,与L0相比,L1处理下,各养分指标的含量均有不同程度的增加,其中依旧是速效磷增加最多,为21%;L2处理下仅全氮含量有微量增加,其余均比施用前有所减少;L3处理下各指标含量均减少。L2,L3处理使20—40 cm土层的碱解氮含量减少最多,约为37%(L2),53%(L3)。各处理下的养分含量均比背景值高。

综上所述,在生活污水资源化利用下,耕地对提升土壤有机质、全氮、全磷、速效磷、速效钾有明显的效果;林地在少量施用下,对提升20—40 cm除速效钾外其余土壤养分的效果较好。

3.2 AHP-PCA结果

由表7可看出,各指标在AHP中权重值高的在PCA中不一定也高,将两种方法结合可以较为全面地反映问题。

表7 各评价方法权重值

根据公式(3)计算得到综合权重以及各施用处理得分(K值),将表2代入模型计算得到各等级对应得分区间分别为优(1.00～0.68),良(0.68～0.24),中(0.42～0.24),差(＜0.24)。在生活污水不同处理的资源化利用下,除L3得分为“良”(表层土为0.68分、深层土为0.59分)外,其余处理皆为“优”。在0—20 cm土层中,得分大小排序为G1(0.94)＞G0(0.83)＞G2(0.82),L0(0.87)＞L2(0.69)=L1＞L3(0.68),可见耕地最佳施用为G1,林地最佳施用为L0;在20—40 cm土层中,得分大小排序为:G1(0.98)＞G0(0.93)＞G2(0.76),L1(0.92)＞L0(0.84)＞L2(0.70)＞L3(0.59),可见该深度土壤中,耕地最佳施用处理为G1,林地最佳施用处理为L1。此模型使不同用地类型的试验结果可进行直接比较。可见深浅土层中,耕地的得分都比林地高,即养分改善情况均优于林地。这种差距在0—20 cm土层中更为明显。

4 讨论

本研究涉及多变量和多指标,从各指标检测值可直观地得出部分规律。但养分指标、用地类型、污水施用量等因素对结果的影响错综复杂,难以尽数表述到位。为进一步对比每种施用处理的综合效果,采用了AHP-PCA结合的方法,将6种养分指标进行降维分析,优化了权重,将复杂的结果简单化,同时实现了将不同用地类型土壤的施用结果可进行直接比较,结果较为准确直观。由上文可知,在生活污水不同处理的资源化利用下,除L3土壤养分评价等级为“良”外,其余生活污水利用处理在各深度土层皆为“优”。说明生活污水中较高的氮、磷、铵盐等组分对土壤养分有一定的补充作用。农村生活污水无害化处理后的利用对于土壤养分是有利而无害的。

研究区的气候特征明显,试验阶段包含了降雨丰富的时期。有研究表明降雨对紫色土表层的速效养分流失影响较大[20]。本次所选耕地整体有一定坡度,试验区位于坡体末端,降雨径流携带的养分易聚集于试验区的表层土壤中,且在强降雨时,试验区土壤水分入渗受到限制,壤中流产流和养分淋失显著减少[21];试验期连续耕作又使得作物根系吸收了深层土壤中的部分养分。以上可能成为耕地养分表层大于深层的原因。且生活污水的适量施用会改善作物根际通气性[22],增强作物对土壤中养分的吸收能力,由此从土壤的角度来看,G0土壤养分得分大于G2。本文试验时间为2021年7—10月,此时正值玉米成熟期,对氮、磷营养元素吸收最为强烈时期,选择该时段进行试验具有一定典型性和代表性。预测在耕地玉米作物的整个生长时期,作物对土壤中氮、磷养分的吸收量会更多,表层和深层土壤养分含量差距会更为明显;20—40 cm土层中,G0与G2得分差距也会更为明显。

目前对于林地污水灌溉的研究较少,通常需要经历较长时间才能在植被上产生明显效果[23]。在本研究的林地区域,20—40 cm土层的L1得分最高,说明深层土壤适量施用有助于养分的改善,而0—20 cm土层的L0得分最高,说明林地表层土壤的施用效果较差。与耕地不同,林地无法将吸收的养分进行收割带走,而是通过新陈代谢全部归还给土壤并聚集于表层;而深层土壤容重大,孔隙率小,胶结能力较差,地表养分不易到达,需要一定量的施用促进养分垂向迁移。

耕地与林地的对照组虽无施用处理,但各养分含量依旧比背景值有所增加,说明施用一定程度增加了土壤的通透性,加之试验期间耕地轮作等人为影响,使得相邻无施用区域也随之受益。本试验结果可为川中红层丘陵地区的生活污水无害化处理和资源化利用提供有效参考。

5 结论

(1)在生活污水资源化利用的不同处理下,除L3土壤养分评价等级为“良”外,其余生活污水利用处理皆为“优”。经处理后的生活污水在多种施用处理下,耕地对提升土壤有机质、全氮、全磷、速效磷、速效钾有明显的效果;林地在少量施用下,对提升20—40 cm除速效钾外其余土壤养分的效果较好。耕地中,各施用处理土壤养分评价得分大小排序表现为:G1＞G0＞G2;林地中,20—40 cm土层表现为:L1＞L0＞L2＞L3;0—20 cm土层为:L0＞L2＞L1＞L3。各种施用处理中,对于耕地,G1最佳;对于林地,L0最佳。短期来看,农村生活污水资源化利用下,适量施用可改善耕地土壤的养分,对于林地无需施用土壤养分就可较好保持。

(2)综合层次分析法与主成分分析法各自的优势,对生活污水资源化利用下的土壤养分变化进行综合评分,可将耕地林地的试验效果进行直观的得分比较,为农村生活污水的无害化处理和资源化利用提供数据支撑。