连续施用堆肥污泥提高小麦-玉米轮作下酸性水稻土肥力

徐富锦，常会庆，潘亚杰，李岚坤

(河南科技大学 农学院/牡丹学院，河南 洛阳 471023)

0 引言

中国污泥产量巨大，预计2025年干污泥产量将达到851.97×104t[1]，因此，污泥的处置和利用已经成为当前的热点环境问题之一。由于污泥中含有大量的有机质、氮、磷、钾和微量元素等养分，因此具有较高的农用潜力[2]。虽然污泥施用有增加土壤和作物重金属积累的风险[3]，但随着中国对污泥农用控制标准的严格要求，污泥中重金属含量呈现降低趋势，因此污泥农用越来越受到人们的重视[4]。目前，污泥填埋仍是中国污泥处置的主要方法，但不少国家的污泥土地利用比例已高于填埋处置[5]。大量研究表明：无害化处理后的堆肥污泥作为肥料施用，能改善土壤孔隙度、持水能力等物理性状[6]，同时具有增加土壤微生物活性、促进根系生长、增强作物光合作用和提高土壤养分供应等作用，从而可明显提高作物产量[7-9]。

堆肥污泥可广泛施用于不同作物和土壤类型中，而且都表现出提高土壤肥力、增加作物产量的作用。如在沙质潮土[10]和灌漠土[11]上施用恰当比例的堆肥污泥后，玉米、小麦、龙葵[12]等植物与对照相比显著增产，而且对土壤和作物重金属也没有产生明显影响[13]；水稻田中污泥的施用也可以显著增加水稻产量[14]。另外，污泥农用还会改变土壤的酸碱特征，同时对土壤的碳组分等特征产生影响[15]。但是，当污泥过量施用时也会增加土壤养分的淋失和重金属的积累风险。

水稻的多年种植，使土壤pH值出现明显下降，导致土壤酸化严重，而通过小麦、玉米旱作模式的变化，增施堆肥污泥，则有助于土壤酸化的改善[16]。因此，本研究选择酸性旱作水稻土为供试土壤，通过连续施用堆肥污泥，明确不同污泥施用量对土壤酸碱和养分特征的影响，可为后续进一步评估堆肥污泥施用的养分淋失等风险提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试堆肥污泥取自洛阳市某污泥处理厂，该污泥经好氧高温发酵后制备而成，堆肥污泥的基本理化性质如下：有机质41.40%(质量分数)、pH7.74、全氮20.15 g/kg、全磷15.32 g/kg、全钾2.17 g/kg。所选堆肥污泥重金属含量符合《农用堆肥污泥中污染物控制标准》(GB 4284—2018)所规定的值(镉、汞、铅、铬、砷含量分别小于3 mg/kg、3 mg/kg、300 mg/kg、500 mg/kg、30 mg/kg)。供试小麦、玉米品种分别为豫农035、郑单958。

1.2 试验设计与处理

试验在河南科技大学农场开展，试验点(34°41′N；112°27′E)地处温带大陆性季风气候区，年均气温12.2～24.6 ℃，无霜期210 d以上，年降水量、日照时间和年均相对湿度分别为528～800 mm、2 200～2 300 h和60%～70%。

供试酸性水稻土取自河南省驻马店市某水稻田，基本理化性质如表1所示，将上述土壤风干后过2 mm筛(除去杂草、砂砾等物质)，取10 kg土壤放置于高40 cm、直径30 cm的塑料盆钵中。土壤中堆肥污泥添加量参照《农用堆肥污泥中污染物控制标准》(GB 4284—2018)设置，污泥添加量分别为0 t/ha (对照，CK)、3.75 t/ha (处理1，A1)、7.50 t/ha (处理2，A2)、37.50 t/ha (处理3，A3)和75.00 t/ha (处理4，A4)(上述施用量均按照大田表层土质量为2.25×106kg折算)。盆栽试验连续2年(2016—2017年)种植冬小麦-夏玉米，每年6月份种植玉米，玉米收获后于10月份种植小麦，每盆小麦保留10株，玉米1株。每个处理重复3次，随机排列在温室中，并且只在小麦季每盆施加尿素(科密欧化学试剂，分析纯，氮质量分数46.00%)2.60 g，过磷酸钙(大茂化学试剂，实验纯，有效磷质量分数16.00%)4.20 g，氯化钾(大茂化学试剂，分析纯，钾质量分数60.00%)1.30 g。

表1 供试土壤的基本理化性质

1.3 样品采集与分析

土壤样品在作物收获后采集，土壤样品风干后，分别过0.85 mm和0.15 mm土筛后备用。土壤pH值、有机碳含量、全氮含量等基本理化指标参照文献[17]方法测定。

土壤综合肥力评价方法：采用内梅罗(Nemoro)指数法计算土壤综合肥力指数(integrated fertility index, IFI)[5]。将土壤pH值、有机碳、全氮、速效磷和速效钾的含量等指标代入下列公式，计算其分肥力系数IFIi：

其中：IFIi为分肥力系数；x为土壤各指标测定值；xa为分级标准下限；xp为分级标准上限；xc介于分级标准上、下限间；IFIi平均为土壤各指标分肥力均值；IFIi最小为土壤各指标分肥力最小值；n为测定指标个数。根据IFI值可将土壤肥力分为4类[18]。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel软件进行数据处理，采用SPSS 17.0软件进行数据方差分析，不同处理间采用最小显著差数法(least significant difference,LSD)进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 添加堆肥污泥对土壤pH值和有机碳含量的影响

表2为不同年份、季节堆肥污泥添加对土壤pH值和SOC含量影响。由表2可知：同一生长季土壤pH值和有机碳(soil organic carbon,SOC)含量随堆肥污泥施用量及施用年限的增加而增大。与CK相比，2016年小麦季堆肥污泥添加处理为A3、A4时，土壤pH值分别显著升高了0.21和0.38(P<0.05)；2017年小麦季各污泥添加处理的土壤pH值升高了0.11～0.65(P<0.05)；在两年玉米季中，各处理土壤pH值相较于CK分别增加了0.27～0.72和0.34～0.99。相同污泥施用条件下，小麦季2017年各处理土壤pH值高于2016年，且2017年A2、A3、A4处理土壤pH值显著高于2016年；同样在玉米季，2016年和2017年各处理土壤pH值较CK显著增加，且2017年A2、A3、A4处理土壤pH值均显著高于2016年。

表2 不同年份、季节堆肥污泥添加对土壤pH值和SOC含量影响

与CK相比，2016年小麦季A3处理和玉米季A4处理的土壤SOC含量分别显著增加了18.78%和22.54%(P<0.05)；2017年小麦季A3、A4处理显著增加了17.94%和19.24%，玉米季则在A4处理达到差异显著。小麦季A3、A4处理在两年都较其余各处理的SOC含量显著增加，且同一处理两年之间没有显著差异；玉米季A4处理在两年都较其余各处理的SOC含量显著增加，且在2017年显著高于2016年。说明添加一定量堆肥污泥有提高土壤pH值和肥力的作用。

2.2 添加堆肥污泥对土壤碱解氮含量和全氮含量的影响

表3为不同年份、季节堆肥污泥添加对土壤碱解氮含量和全氮含量的影响。由表3可知：污泥施用可有效增加土壤中氮素含量。同一生长季土壤碱解氮含量和全氮含量均随堆肥污泥施用量的增加而呈升高趋势。与CK相比，两年小麦季A3处理碱解氮含量显著增加，而两年玉米季各施用污泥处理的碱解氮含量分别升高了11.20%～33.34%和11.18%～38.30%(P<0.05)。相同污泥施用条件下，小麦季2017年各处理土壤碱解氮含量均高于2016年；而在玉米季，只有2017年A4处理碱解氮含量显著高于2016年。与CK相比，两年小麦季A3处理土壤全氮含量分别显著升高了23.08%和41.90%(P<0.05)；2016年玉米季A3处理土壤全氮含量显著升高了15.00%；2017年玉米季则在A4处理时显著升高了50.60%。两年玉米季土壤全氮含量均在A3处理时开始出现显著变化，且同一处理在年季之间差异显著。

表3 不同年份、季节堆肥污泥添加对土壤碱解氮含量和全氮含量的影响

2.3 添加堆肥污泥对土壤速效磷含量和全磷含量的影响

表4为不同年份、季节堆肥污泥添加对土壤速效磷含量和全磷含量的影响。由表4可知：同一生长季土壤速效磷含量及全磷含量均随堆肥污泥施用量及施用年限的增加呈升高趋势。与CK相比，2016年小麦季和玉米季土壤速效磷含量在A3、A4处理时分别显著升高了29.50%和41.18%、27.49%和37.32%；2017年小麦季和玉米季均在A2处理时显著增加。相同污泥施用条件下，小麦季2017年各处理土壤速效磷含量高于2016年，且2017年A4处理速效磷含量显著高于2016年；玉米季两年土壤速效磷含量均在A3处理时显著增加，且同一处理在年季之间差异显著。同样，与CK相比，两年小麦季土壤全磷含量均在A2处理时显著升高了13.75%和26.51%(P<0.05)；2016年玉米季A3处理的土壤全磷含量显著升高；2017年玉米季则是A2处理开始显著升高。相同污泥施用条件下，小麦季2017年各处理土壤全磷含量高于2016年，且A2、A3、A4处理在年季之间差异显著；同样在玉米季，2017年各处理土壤全磷含量均高于2016年，且2017年A4处理显著高于2016年。

表4 不同年份、季节堆肥污泥添加对土壤速效磷含量和全磷含量的影响

2.4 添加堆肥污泥对土壤速效钾含量的影响

表5为不同年份、季节堆肥污泥添加对土壤速效钾含量的影响。由表5可知：同一生长季土壤中，随着堆肥污泥施用量的增加，速效钾含量呈升高趋势，且随施用年限的增加逐渐累积。相较于CK处理，2016年小麦季和玉米季A2处理土壤速效钾含量开始出现显著增加；2017年小麦季和玉米季A3、A4处理速效钾含量分别显著升高了43.75%和84.89%、54.21%和101.85%(P<0.05)。小麦季两年土壤速效钾含量在A3、A4处理显著增加，且同一处理下两年速效钾含量之间差异显著；玉米季，2017年A3、A4处理土壤中速效钾含量显著高于2016年同一处理速效钾含量。

表5 不同年份、季节堆肥污泥添加对土壤速效钾含量的影响 mg/kg

2.5 施用堆肥污泥对土壤综合肥力指数影响的综合评价

图1 同一处理不同生长季、不同年份土壤综合肥力指数

图1为同一处理不同生长季、不同年份土壤综合肥力指数。由图1可知：堆肥污泥添加量的增加使土壤综合肥力指数表现出增加的趋势，且同一生长季相同污泥施用条件下，2017年综合肥力指数高于2016年。本文堆肥污泥施用条件下，土壤综合肥力指数IFI为1.01～1.53，与CK相比，2016年小麦季和玉米季A2处理时开始显著增加；2017年玉米季IFI在A1处理时显著增加；2017年小麦季IFI在A3处理时较CK显著增长。小麦季A3、A4处理在两年都较其他各处理IFI显著增加，但同一处理两年IFI之间没有显著差异；玉米季相同污泥施用条件下，2017年各处理IFI均高于2016年。相同污泥施用条件下，玉米季土壤肥力低于小麦季，当小麦季堆肥污泥添加量达37.50 t/ha时，土壤肥力提升最大。添加堆肥污泥短期内可有效提高土壤肥力。

3 讨论

3.1 添加堆肥污泥改变土壤酸碱度和养分特征

污泥的施用会改变土壤的酸碱特征，本研究中堆肥污泥添加提高了酸性水稻土壤的pH值，原因在于堆肥污泥自身的碱度对土壤酸度起到了一定的中和缓冲作用，还有可能是堆肥污泥进入土壤后通过有机质分解碱性物质来升高土壤的pH值[19-20]。但也有研究表明污泥施用后土壤pH值会降低，如文献[21]的田间定位试验结果表明：施用城市堆肥污泥后土壤pH值呈下降趋势，可见污泥施用对土壤pH值的不同影响与堆肥污泥成分、原料、土壤类型及其基本理化性质有关。另外，本研究中同一年小麦季土壤的pH值均大于玉米季，可能是由于种植玉米之前小麦的根茬留在土壤里，而根茬分解释放麦根酸，导致pH值降低[22]。

有研究表明：堆肥污泥在草地[23]、林地[24]以及耕地土壤[25]上施用后，土壤有机质、全氮、有效磷等养分含量有明显增加的趋势，且上述土壤养分参数均随堆肥污泥用量和施用年限增加而增加。本研究也有类似的结果，原因在于堆肥污泥本身带入土壤的养分有时会大于作物吸收利用的量[26]，另外，添加堆肥污泥使土壤中微生物增多，难溶性养分分解速率增大，从而提高土壤有效养分含量，但有时污泥施用后，土壤中氮素含量的增加大于碳素的增加，导致土壤C/N(质量比，下同)的降低，主要是堆肥污泥自身的C/N低所致[27]，而低的C/N会促使土壤微生物矿化作用释放出氮，为作物的生长提供更多养分[28-30]。文献[31-33]研究表明：堆肥污泥的施用对土壤中速效钾含量没有影响或有降低趋势。土壤速效钾含量随着堆肥污泥用量增加呈现增加趋势，原因与污泥中钾的含量有关。

3.2 添加堆肥污泥增加土壤养分淋失风险

污泥具有良好的培肥土壤作用，但长期或过量施用后，土壤中养分的累积也会导致淋失风险。土壤中氮、磷的淋失与污泥类型及施用量、土壤结构及类型、植物种类等因素有关[34]。如文献[35]中淋溶模拟试验发现，当堆肥污泥应用到林地时，土壤中大量氮、磷随着降雨淋失，当污泥添加量控制在占原土壤质量的40%以下时，试验淋洗液中氨氮质量浓度高达1.208 mg/L。文献[36]进行了污泥添加后土壤磷素淋失临界值的研究，发现污泥施用后石灰性土壤磷素淋失临界值为28.57 mg/kg，超出此临界值将增大磷素淋失的风险。而本研究的供试土壤为酸性土壤，污泥施用的氮、磷淋失临界值仍需根据土壤的理化特征进一步确定。此外，污泥的大量施用也会导致重金属积累风险，由于本研究连续两年施用堆肥污泥，土壤中Pb、As、Cr、Cd、Hg等重金属的含量均未超过《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)的筛选值(结果待发表)，故堆肥污泥短期使用的重金属风险并未在本文中进行讨论，但污泥安全施用年限依然是下一步研究重点，尤其是不同类型土壤对堆肥污泥有不同的容纳量。因此，应根据作物类型、土壤养分需求量、堆肥污泥类型等综合考虑堆肥污泥施用的风险，才能为污泥的合理使用提供更全面合理的依据。

4 结论

酸性水稻土中添加37.50～75.00 t/ha堆肥污泥，能显著改善土壤酸化特征，并提高当季土壤有机碳含量。堆肥污泥添加量为37.50 t/ha时，可显著增加土壤养分，提升土壤肥力。因此，建议短期可考虑堆肥污泥作为酸性水稻土的改良剂施用。