施用污泥堆肥对土地安全性的影响

秦伟

［关键词］施用污泥堆肥；土地；安全性；影响效应

随着城市化快速发展，城市污水越来越多，在现有技术条件下，城市污水处理能力和技术水平也在不断提升，使得全球乃至全国范围内污泥产量大大增加[1]。目前，就国内而言，主要通过土地利用方式最大化利用污泥资源，当土壤肥力不足时，通过施用污泥堆肥，即可增加土壤中的相关营养元素，使土壤保持更为持久的养分，进一步改善土壤质量，为林木、农作物、水草资源健康、良性生长提供有机基质。在此背景下，全国水务行业需要迫切、有效解决城市污水处理问题及污泥资源合理利用问题。但由于现有技术工艺条件限制，有些污泥处理设施并不能完全彻底处理污泥中的重金属，若将其用于农地、林地或耕地，可能会破坏土地土壤营养平衡，造成土壤重金属富集，不利于土地安全，也会影响人类身体健康，更会严重影响土壤利用及植物生长[2]。

1. 研究区概况

研究区位于广东省廉江市新民镇内，试验时间为2022年2月至6月。试验站地理坐标为21°25′至21°55′N、109°45′至110°30′E。试验区性质为块状混交人工林实验区，总占地面积为15 hm²，于2021年营造。试验区域气候属亚热带季风气候，年平均降水量在1600～1650 mm之间，雨量充沛，日照充足，年平均气温达22.4℃，空气平均相对湿度为79%。从本区土地资源基本情况来看，廉江市新民镇土壤大致分为旱地土壤、自然土壤及水稻土三类，有机碳质量分数相对较低。其中，本区最主要的农耕地为水稻土，而旱地土壤（基水地堆叠土）与自然土壤（赤红壤）均属于香洲区特有的土壤类型及南亚热带的代表性土壤，其广泛分布于廉江市新民镇海岛地区和丘陵台地。

2. 试验材料与方法

2.1 试验材料

本试验供试材料中所用污泥堆肥产品均由珠海市供水与排水治污中心提供，主要包括污泥A、污泥B及污泥C三种不同产品，具体如下：

（1）污泥A：分别由园林废弃物与污泥混合物组合而成（将林木修枝剩余物如园林废弃物等添加到污泥中，通过混合堆置处理一段时间，得到污泥堆肥A混合产品）。

（2）污泥B：主要成分为污泥好氧堆肥（将含水量≤40%的污泥统一放置到实验大棚内进行自然腐熟处理，通过“条垛式”堆肥后最终得到干污泥堆肥B）。

（3）污泥C：厌氧堆肥-热水解污泥产品（在高温实验条件下，对污泥产物进行高温热水解，并经厌氧消化和脱水处理之后，获得干污泥C）。以下表1所述数据为本研究供试三种不同污泥堆肥产品的重金属质量分数与理化性质参数。

2.2 试验设计

于2022年2月，将本研究试验区划分为三块约3公顷（面积大致相同）的试验区域，依次采用上述三种不同的供试污泥堆肥材料进行施肥处理，每个小试验区均设有三个不同的污泥堆肥试验样地，面积均为25 m×25 m，同时预留一块CK实验对照样地。试验过程中，为有效避免各试验样地小区之间相互干扰、相互影响和作用，另将约5m大小的缓冲带设置于三种不同的污泥堆肥试验样地之间。待缓冲带及试验样地均设置完备之后，依次按照试验要求，规范采集各试验样地中表层土壤[3]，并进行施用污泥堆肥试验前土壤背景理化性质测定。如下表2所示为三块不同的试验样地土壤理化性质参数。

2021年3月，对三块试验土地分别进行污泥堆肥施肥处理，试验过程中，按照污泥堆肥污泥干基计算污泥A、污泥B及污泥C三种不同产品的施用量，均为35t· hm^-2，三种污泥堆肥施用方式为“撒施”，即在各试验区土地的土壤表面撒施污泥堆肥产品之后，再使用机器进行翻耕处理，并将三试验区各样地表层土壤与相应污泥堆肥产品均匀混合到一起[4]。

连续施用污泥堆肥15d且当试验区土地营养属性平衡之后，从3月开始到6月于每月月末对试验样地土壤样品进行1次采集，共4次。施用污泥堆肥土地土壤样品具体采样方法如下：

（1）采用土钻在每块试验田中随机钻取5个土样，土壤样品钻取采集深度约为20 cm。

（2）待所有土样均匀混合之后记为一个土壤样本，每个试验区施用污泥堆肥土壤样品采集处理均连续进行3次重复。

（3）最后，将所取所有土样进行过筛（2 cm）处理，并保存于4℃左右的冷藏冰箱环境中，主要用于试验指标测定，如试验区土地土壤酶活性、氮活性及微生物碳等生化指标，另一部分施肥土样经风干处理后再次过筛（约0.25 mm）处理，主要用于测定其土壤理化性质。

（4）根据上述试验测定结果，评价分析施用污泥堆肥对土地安全性的影响效应及程度。

2.3 监测指标及测定方法

2.3.1监测试验区土壤酶活性

本研究试验过程中均按照姚槐应，黄昌勇等人编写的《土壤微生物生态学及其实验技术》一书（科学出版社，2006年）中关于土地土壤酶活性测定要求进行生物学试验测定。其中，本试验区土壤脲酶活性、碱性磷酸酶活性分别采用靛酚比色法和磷酸苯二钠比色法进行测定，而本试验区土壤脱氢酶活性与过氧化氢酶活性分别采用TTC比色法及高錳酸钾滴定法测定，另外本试验区土地土壤蔗糖酶活性采用二硝基水杨酸比色法测定[5]。

2.3.2 监测试验区微生物碳、氮活性及相关理化指标

本研究试验过程中均按照鲁如坤等人编写的《土壤农业化学分析方法》一书（中国农业科技出版社，2000年）中关于土地土壤微生物碳、氮活性及相关理化指标测定要求进行生物学、理化性质试验测定。其中，土壤总有机碳成分和微生物量碳、氮活性分别采用外加热法-重铬酸钾容量法和氯仿熏蒸法测定，即将本研究试验区内采样土地土壤全磷、氮、钾进行消煮处理后，再使用Auto Analyzer 3 型（德国进口全自动）流动分析仪对试验区土壤理化指标及微生物碳、氮活性成分的质量分数进行测定[6]。

2.3.3监测试验区土壤重金属含量

本研究基于Mars6型试验仪器设备，采用HNO3-HF-HCl 微波消解法对所提取土样中的Cr（铬）、Pb（铅）、Cu（铜）、Zn（锌）、Cd（镉）、Ni（镍）、Mn（锰），As（砷）这八种不同的重金属含量进行测定，并使用仪器型号为ICP-OES的电感耦合等离子体质谱仪对试验所提取土地土壤样本中8种重金属的质量分数进行测定[7]。

2.4 数据处理

本研究试验所得相关数据如试验区土壤酶活性、试验区微生物碳、氮活性及相关理化指标和试验区土壤重金属含量等试验指标均进行单因素方差分析和相关性分析[8]，同时采用邓肯法（α= 0.05）进行三组间安全性指标平均值差异显著性检验。施用污泥堆肥和试验样本采样时间处理对土地安全性指标的影响均通过统计学软件SPSS29.0进行重复测量方差分析，P＜0.01为对比差异具有非常显著的统计学意义。

3. 试验结果与分析

3.1 施用污泥堆肥对土地（土壤）微生物酶的影响

2～6月，试验土地碱性磷酸酶活性显著受土样采样时间及污泥堆肥施用、处理方式影响（P＜0.01），且CK实验对照样地与污泥堆肥A、B、C处理的碱性磷酸酶活性均有所改善和提升。从具体数据来看，在2～4月份，试验土地污泥堆肥A、B、C处理时的碱性磷酸酶活性与CK实验对照样地土壤的碱性磷酸酶活性均有一定的上升变化趋势，其中，两种土地类型的碱性磷酸酶活性达到最高值时为8月份。据数据观测结果可知，在污泥堆肥B施用处理时，试验土地土壤中的碱性磷酸酶活性均高于CK实验对照样地，这就表明，污泥堆肥B处理更能够有效地改善并提升土地的碱性磷酸酶活性，并促使土壤植物快速、有效、充分地吸收污泥堆肥中的有机磷，这是由于污泥堆肥B处理中富含极高的磷活性。

3.2 施用污泥堆肥对土地（土壤）微生物碳、氮的影响

试验发现，土壤采样时间、污泥堆肥处理均会显著影响本试验区域土地土壤中的MBN（微生物氮）和MBC（微生物碳）。具体来看，2～6月，本试验区域土地土壤中的微生物氮和微生物碳总体上都在持续增加，污泥堆肥A、B、C所有处理的土壤微生物碳及CK实验对照样地土壤微生物碳分别增长约40.1%、75.2%、119.0% 及98.5%；而微生物氮则分别增加约6.2%、51.0%、58.4%和75.9%。通过数据可以看出，土壤微生物氮和微生物碳的增加均反映了本试验区域土地土壤中的植物吸收养分能力及施用污泥堆肥后土壤微生物新陈代谢的强度状况。数据表明，经过施用堆肥处理后的试验区域土地土壤微生物碳、微生物氮均高于CK实验对照样地土壤（P＜0.05），这就说明施用污泥堆肥可增加土地养分。下表3类不同污泥堆肥供试材料中，施用污泥堆肥C处理后的试验区域土地土壤微生物碳、微生物氮含量最高，彰显了其具有更高的肥力价值，详见表3：

3.3 施用污泥堆肥对土地（土壤）相关理化指标的影响

从下表4统计数据可以看出，本研究三块试验样地中土壤N（氮）、P（磷）、TOC（总有机碳）均显著受污泥堆肥处理方式影响（P＜0.01）。对比来看，经污泥堆肥A、B处理的试验样地，较污泥堆肥C处理后的试验样地，其土壤中的N（氮）、P（磷）、TOC（总有机碳）等成分在2～5月均有不同程度的上升，这就说明，通过施用污泥堆肥C，更能够增加本研究试验样地土壤中的营养物质，且污泥堆肥A、B处理的试验样地与CK实验对照样地土壤中N（氮）、P（磷）、TOC（总有机碳）等成分的变化发展趋势基本保持一致，各污泥堆肥处理间对比也无明显差异（P＞0.05）。但在2、5月，本研究污泥堆肥A、B、C所有處理的pH值均显著上升，经对土地（土壤）相关理化指标单因素方差分析表明，污泥堆肥A、B、C所有处理的试验样地pH值仅受时间变化波动因素显著影响（P＜0.01）。

据分析，污泥堆肥是一种特殊的沉淀物，它是由生活污水沉淀混合而成，因此其中富含大量的盐分，当这些污泥堆肥被施用到土地土壤中时，污泥堆肥中的大量盐分就会显著影响土地中土壤的肥力，并通过EC（土壤电导率）加以体现[9]。本研究数据显示，在2月份，污泥堆肥A、B、C所有处理的试验样地土壤EC值均明显高于CK实验对照样地（P＜0.01）；而在5月份，污泥堆肥A、B、C所有处理的试验样地土壤EC却与CK实验对照样地无明显差异（P＞0.05），这说明施用污泥堆肥，对本研究试验样地土壤均未形成盐害，土地安全性较高。

3.4 施用污泥堆肥对土地（土壤）重金属的影响

在试验监测过程中发现，施用污泥堆肥后少数试验区域土壤中的重金属含量在下降，但多数呈上增变化发展趋势（见下表5）。据分析，对于Zn、Ni、Cu、Pb这四种重金属物质而言，在2、5月份，通过污泥堆肥A、B、C所有处理的试验样地土壤与CK实验对照样地并无明显差异（P＞0.05），这就表明，施用三种污泥堆肥，对本试验区域土地中土壤所含铜、镍、铅、锌这四种重金属总量的影响少之甚少。

对于Mn、Cr而言，在2、5月份，通过污泥堆肥C处理后的试验样地土壤与CK实验对照样地以及经污泥堆肥A、B处理后的土地具有明显差异（P＜0.01）；另外，经污泥堆肥A、B处理后的土地，铬、锰两种重金属的总量均低于CK实验对照样地（P＜0.05），而经污泥堆肥C处理后的土地，铬、锰两种重金属的总量均高于CK实验对照样地（P＜0.05）。

对于Cd金属元素，在2月，经污泥堆肥A、B、C处理后的土地与CK实验对照样地对比差异不显著（P＞0.05）；6月份，经污泥堆肥A、B、C处理后的土地与CK实验对照样地对比差异十分显著（P＜0.01）。此外，经污泥堆肥A、B、C处理后的土地中Cd和As重金属物质的总量均明显高于CK实验对照样地（P＜0.01），这充分表明，在本研究供试污泥堆肥A、B、C三种处理条件下，Cd和As这两种重金属元素相比其他铜（Cu） 、镍（Ni） 、铅（Pb） 、锌（Zn）等重金属元素而言，更容易在试验土地土壤中堆积。

但经过测定分析，通过施用本研究所采用的三种污泥堆肥A、B、C供试材料后，试验区土地土壤中的主要重金属总量均未超过CJ/T 362-2011所规定的土地安全性阈值；将其施用到林地、耕地类型的土地中后，土壤中所积累的相关重金属也均未超过国家现行GB4284-2018所规定的土地“安全性”阈值，且未对试验区域土地土壤造成破坏和污染。

4. 结论

本研究针对施用污泥堆肥对土地安全性的影响进行了实验研究，试验数据分析结果表明：

（1）施用污泥热水解堆肥、污泥好氧堆肥可提高土地土壤MBN、MBC含量，且施用污泥堆肥后，试验区土地土壤中的TOC、K及N含量也显著增加。

（2）三种污泥堆肥供试量为35t· hm^-2，施用后，试验区土壤Cu、Ni、Pb及Cd、Cr、Mn、As等八种重金属质量分数均未超标，表明污泥堆肥产品安全用量阈值为35t· hm^-2，若按现有安全用量施加污泥堆肥，并不会污染和破坏土壤有机质，安全性高，值得推广应用。