探讨:污泥产品对小白菜肥效和土壤质量的影响

发布时间:2022-09-13 来源:米乐M6官网首页 作者:m6米乐在线入口

  为促进资源化科学发展及应用,设置0、9、18、27 t/hm2 共4个施肥水平,通过单季小白菜农用,研究生物碳土(好氧堆肥)和有机营养土(高级厌氧消化工艺)两种北京城市生活污泥产品对植物肥效和土壤质量的影响。结果表明:有机营养土和生物碳土均能提升小白菜的养分吸收,施肥量越高,全氮吸收量越高,有机营养土、生物碳土的T3处理较CK分别提升23.7%、14.2%;对小白菜重金属吸收的影响很小,未表现出明显的植物重金属富集特征,均满足《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB-2762-2017)限值标准;对小白菜的生长具有显著促进作用,在0~27 t/hm2范围内,产量随着施肥梯度不断增加,肥料贡献率不断升高,同施肥梯度下,生物碳土的增产效果优于有机营养土,两种产品最佳施用量均在18~27 t/hm2,可维持较高的肥料利用率;有机营养土和生物碳土对土壤全氮、NH3-N、NO3-N、全磷、有效磷、有机质的提升效果尤为明显,均能对土壤质量的改善起到积极效果;从土壤环境影响来看,在本试验施肥梯度下,除全镉和全铬,其它重金属指标均在各施肥处理土壤中无显著差异,未出现土壤重金属明显累积趋势,满足《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(试行)(GB 15618-2018)要求,土壤环境良好。

  城镇生活污泥经无害化、稳定化进行土地利用是解决污泥产品重要的形式之一,污泥中大部分的氮磷、有机质等营养成分均来自于土壤,因此将富含碳氮磷营养元素的污泥回归土壤,是实现资源循环利用的重要途径。好氧发酵、厌氧消化是国内外应用广泛的污泥无害化、稳定化处理手段,污泥经处理后产品属于一种类有机肥功能的新型物料。相关研究表明,污泥产品利用可显著提升地力条件,改善土壤结构,提升土壤酶活,起到培肥改土效果。但也有其它研究显示,污泥连续施用会造成土壤及植物的重金属污染,造成食品安全和环境风险,导致污泥产品认可度低。污泥经处理虽然达到相关资源化利用标准,但在实际推广应用过程中壁垒重重,同时鉴于缺乏国家层面的科学的土地利用环境风险体系和管理体系等落地政策的有力支撑,污泥土地利用多重因素受限导致我国污泥土地利用资源化一直处于瓶颈阶段。

  因此,为污泥产品土地利用提供科学依据,推动土地利用资源化方式发展,本研究通过污泥产品单季小白菜农用,利用好氧堆肥和高级厌氧消化工艺处理后北京城市生活污泥产品,旨在从产品肥效和环境影响两个角度,研究污泥产品对植物生长和土壤环境的影响,以期为不同污泥产品土地利用的发展提供科学支撑。

  研究区位于北京市大兴区庞各庄镇北顿垡村,属于温带大陆性半湿润季风气候,四季分明,雨热同季,但降雨时间分布不均,季风较多,多年平均降水量549.5mm,年降水多集中在6月至9月,土壤类型为粘质砂土。

  试验设计污泥产品2种,产品来源于北京排水集团庞各庄污泥处置厂,一种为城镇生活污泥经好氧堆肥发酵工艺生产的生物碳土产品,另一种为城镇生活污泥经高级厌氧消化工艺(热水解+厌氧消化)生产的有机营养土产品。产品特性如表1、表2所示。

  每种产品设置1个空白(ck)处理,3个施肥处理T1、T2、T3,分别为9、18、27 t/hm2 (干基)。其中,不施肥处理,耕地后按10cm行距开深3cm的播种条沟并条播小白菜种子(CK);施肥处理组,首先进行土表撒施,再人工进行表土翻耕(0~15cm),最后按CK组方法进行种子播撒。各处理间等量播种。每个处理3次重复,小区面积为4m×3m。小白菜种植期限为2个月,5月底播撒,7月底收获。

  在小白菜播种前和收获后,按五点取样法采集表层(0~20cm)土壤,自然风干后磨碎过筛,测定土壤pH、全盐、CEC、密度、全氮、全磷、全钾、有机质、有效NH3-N、有效NO3--N、有效磷、速效钾、全镉、全铬、全铅、全汞、全砷、全铜、全锌、全镍,文中数据以干重计。

  在小白菜成熟期,按五点取样法取地上部叶片,105℃条件下杀青30min,再于70℃条件下烘干至恒重,粉碎后过筛,测定全氮、全磷、全钾、全镉、全铬、全铅、全汞、全砷、全铜、全锌、全镍,文中营养指标含量以干重计,重金属含量以鲜重计。

  在小白菜收获前一天,每个小区按1m2,选定3组长势均匀且有代表性的样方,收获地上部后称鲜重,进行测产,文中数据以鲜重计。

  肥料农学利用率(kg/kg)=(肥料处理产量-不施肥处理产量)/施肥处理的养分(N、P2O5、K2O)施用量(1)

  肥料偏生产力(kg/kg)=施肥处理产量/施肥处理的养分(N、P2O5、K2O)施用量 (2)

  肥料贡献率=(施肥处理产量-不施肥处理产量)/施肥处理产量×100%(3)

  数据分析、制图采用Microsoft Excel 2010,方差分析采用SPSS18.0软件,多重比较采用Duncan新复极差法,P<0.05,不同小写字母表示处理间差异显著。

  由表3可知,两种污泥产品对小白菜地上部养分吸收规律不同,有机营养土对小白菜的全氮的养分吸收显著影响,生物碳土对全氮吸收影响不显著,但从变化趋势分析,两种产品变化一致,表现为施肥量越高,全氮吸收量越高,有机营养土、生物碳土的T3处理较CK分别提升23.7%、14.2%。但两种产品不同施肥处理对全磷吸收影响不显著,并没有出现与全氮相似的变化趋势。从全钾来看,有机营养土T2、T3与CK、T1表现显著差异,呈现施肥量越高,全钾降低的趋势,生物碳土各处理间差异不显著。

  不同污泥产品对小白菜八项重金属吸收的影响略有差异。由表4可知,有机营养土各处理对总汞、总铬影响不显著,其他重金属,施肥处理均与不施肥处理差异显著,不同施肥梯度间,除总砷T2与T1、T3差异显著,其他重金属均差异不显著;生物碳土各处理对总铜影响不显著,其他处理,除总锌外,施肥处理均与不施肥处理差异显著。但总体来看,不同污泥产品的不同施肥梯度对小白菜重金属吸收的影响很小,从变化趋势来看,虽然变化不完全一致,但大多数重金属呈现施用污泥产品后重金属降低的趋势,未表现出明显的植物重金属富集特征,均满足《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中重金属限值标准。

  由图1可知,有机营养和生物碳土两种产品对小白菜的生长具有显著促进作用。从产量来看,两种产品在0~27 t/hm2 (干基)施肥量范围内,小白菜产量随着施肥梯度增高,产量增加,但在施肥量18 t/hm2和27 t/hm2两个处理间,均表现差异不显著。从两种产品增产效果来看,两者T3较CK分别提升200.0%、372.4%。表明两种产品均能对小白菜增产,生物碳土增产效果好于有机营养土,同时,结合实际产量,两种产品最佳施用量均应在18~ 27 t/hm2。

  有机营养土和生物碳土均显著影响了小白菜的肥料利用率(见表5)。随着两种产品施用量的增加,肥料利用率的变化趋势一致,其中,肥料贡献率不断升高,但T2、T3之间变化不大;肥料农学利用率先增高,后显著降低;肥料偏生产力则随着施用量增高而不断降低,在施肥量超过18 t/hm2时,下降显著。总体而言,两种产品的施用量18~27 t/hm2,可维持较高的肥料利用率。

  由表6可知,有机营养土和生物碳土均对土壤全盐影响较大,有机营养土T3较CK呈显著差异;生物碳土T2、T3较CK均呈显著差异。对pH影响较小,对土壤CEC、容重、密度无显著影响。

  有机营养土和生物碳土均对土壤养分影响较大(见表7)。其中,较不施肥处理,全氮、全磷、有效

  NH3-N、有效NO-3-N均有显著差异,有机质、有效磷、速效钾差异不显著。从变化趋势来看,除全钾和速效钾无一致变化规律外,其它各指标均较CK均有提升,且呈随着施肥量增加而增加趋势。对土壤全氮、NH3-N、NO-3-N、全磷、有效磷、有机质的提升效果尤为明显。表明施用两种产品均对土壤质量的改善起到积极效果。

  从土壤环境影响来看,由表8可知,除全镉和全铬,其他重金属指标均在各施肥处理土壤中无显著差异。有机营养土施用后,全镉T3较其他它处理呈显著差异,全铬不同处理间略有差异;生物碳土施用后,全镉T2、T3较其他呈显著差异,全铬各处理无显著差异。从各重金属含量来看,本试验下不同产品、不同施用量对土壤重金属无明显累积趋势。从总体来看,满足《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(试行)(GB 15618-2018)要求,土壤环境良好。

  污泥中含有丰富的氮磷、有机质等营养成分,污泥产品合理的土地利用能对土壤起到培肥改土的效果。本试验也表明施用污泥产品可提高植物的养分吸收,提高植物产量,同时促进土壤氮磷、有机质的提升,对土壤地力的提升起到积极促进作用。

  从养分吸收量变化趋势来看,分析由于污泥产品中主要以氮磷含量为主,钾含量较低,同时小白菜属于叶菜类蔬菜,其生长对氮素更为敏感,从氮素吸收规律来看,与杨丽标在污泥产品西芹试验研究的结果一致,随着污泥施用的增加,西芹氮素吸收量递增,同时该研究也得出单施污泥条件下,氮磷矿化速率最高为22.75%和7.28%,且随着用量增加,单季矿化率降低。而本研究磷素吸收量未表现因污泥中磷素投入量增加而小白菜中磷素增加的趋势,可能与其生长周期短,而磷的矿化速度慢,投入的磷素未能及时转变为植物吸收的形态。并且,杨桐桐在污泥产品施用对高羊茅的研究中也表明,污泥产品施用有利于高羊茅对氮磷钾的吸收,但这种促进作用在试验初期较为缓慢,后期显现比较明显。说明污泥产品与化肥产品有别,养分具有缓释效果,随着养分逐渐转变为可利用态,推断其肥效的后劲更足。

  从增产的角度来看,本研究表明两种污泥产品在一定施肥量下,随着施肥量增高,产量逐渐增加,并且通过肥料利用率分析,也充分展现了污泥产品的肥料可替代特征,这与前人在污泥农学应用中得出的相关结论基本一致,许晓玲研究表明,连续三茬施用污泥堆肥能提高大豆产量,最高增产率达到50.7%。杨丽标研究表明,单施污泥堆肥即可满足西芹正常生长需求,且比化肥更能提高作物产量,增产幅度为12.6%~34%。但从增产效果来看,生物碳土优于有机营养土,推断可能由于两种不同的污泥处理工艺下,产品中养分形态数量差异,生物碳土在短期内能释放更多养分,促进植物生长。但本试验基于一次小白菜试验,尚不能完全判定两种产品的适用性,后续研究还需要进行不同作物、不同时间尺度、与化肥产品的对比等进一步试验。

  从土壤肥力改善的角度来看,本研究表明污泥产品施用对土壤全氮、NH3-N、NO3-N、全磷、有效磷、有机质的提升效果尤为明显,对土壤质量的改善起到积极效果。这与前人在农学试验研究的相关结果一致,杨丽标研究表明污泥产品施用可较大幅度提高土壤速效氮、磷含量,改善土壤肥力。冀拯宇在连续3年施用无害化污泥堆肥对沙质潮土肥力的影响中表明,施用达到国家标准的无害化污泥堆肥,可在短期内提升土壤肥力质量,改善土壤微生物特性。郭康莉连续4年污泥产品施用长期定位试验中表明,施用污泥产品处理土壤SOC、全氮和土壤综合肥力指数均显著升高,连续施用量45t/hm2(含水率33.1%)效果最为显著。杨桐桐在污泥产品对沙荒地改良研究中表明,污泥产品施用可显著提升土壤全氮、全磷、全钾和有机质,其中有机质增长最为显著。朱琳莹在污泥产品盐碱地研究中表明,污泥产品施用可降低盐碱土pH和总盐含量,提高土壤养分及酶活,增加土壤微生物量碳和土壤微生物量氮。

  同时在试验过程中,也发现施肥后土壤中全盐量增加、硝态氮增加的现象,这是由于污水和污泥处理过程中,药剂的增加导致污泥中可溶性盐份含量会高于常规土壤中盐含量,而盐分过高会造成细胞失水,进而影响地上植物生长,虽然在本试验中未出现影响植物生长的现象,但不排除长期施用出现盐分累积,仍需进一步持续研究。同时,污泥产品中养分的释放,产生硝态氮也会影响面源水体和植物中硝酸盐的含量,进而可能造成水体污染和食品安全问题。因此,污泥产品的施用量、施用年限等科学施用方法,在土地利用过程中也至关重要。

  污泥产品农用一直是社会关注的重点,关键问题是污泥产品中重金属是否影响食品质量安全和土壤环境安全。而本研究表明不同污泥产品的不同施肥梯度对小白菜重金属吸收和土壤重金属累积影响很小,大多数没有显著变化。从研究结果来看,与前人在研究中表明污泥产品施用对土壤和植株中重金属累积明显,且随施用量增加而增加的结论不一致,但也有研究表明虽然连续施用后部分重金属出现一定累积,但土壤和植物籽粒均符合国家标准限值。从原因来看,不同试验选择不同区域的污泥产品,试验材料质量不一。而本研究选取的是2020年北京城市生活污泥产品,随着社会的变迁和城市管网的优化,污水质量在逐步提升,污泥泥质也在变好,并且随着处理工艺管理的提升,污泥产品质量也在不断优化,据北京污泥产品检测统计,污泥产品中重金属呈逐年降低趋势,当前重金属含量不但能达到且优于国家相关利用标准限值。同时,重金属的形态也会影响植物对重金属的吸收,众所周知,重金属主要以离子态形式被植物吸收,说明本试验中重金属有效态比例低,而重金属以残渣态的形式存在对植物基本无效。从当前主流的污泥无害化、稳定化处理工艺来看,污泥的堆肥处理、热水解+厌氧消化处理等工艺均能显著降低交换态重金属含量,张含研究表明高级厌氧消化有利于污泥中其它形态重金属逐渐向残渣态转化,从而降低其迁移性与生态风险。孙雪萍研究污泥经热水解处理后,重金属主要以残渣态形式存在,潜在迁移性大大降低。冯春在污泥堆肥后重金属形态研究中表明堆肥过程显著降低交换态重金属含量,具有一定的钝化作用。王社平在城市污泥堆肥后重金属形态变化研究中表明堆肥处理能达到重金属钝化目的,减少生物毒性。高定研究表明堆肥处理可降低污泥中重金属活性,是降低污泥在土地利用中重金属污染风险的途径。当然,研究的时间尺度也是影响试验结果的一个重要因素,Muchuweti在连续多年的污泥定位试验中表明,重金属在土壤中累积明显,玉米中Cd、Cu、Pb、Zn富集较为严重。翟丽梅在5年施用污泥农用对作物和土壤中汞影响的研究中表明随着施用年限增加汞累积量显著增加,且主要在表层,当污泥中的Hg含量低于污泥农用时污染物控制标准限值(GB 18918-2002)时,在用量低于2400t/(hm2·年)条件下,连续5年施用并未对小麦和玉米地上部Hg含量产生显著影响。因此,污泥的土地利用是一把双刃剑,既不能完全肯定其安全性,也不能忽视其风险性,应理性看待其毒性计量,充分信任当前污泥处理技术发展的可靠性和政府在不断的环境治理工作中对水体管控的有效性,污泥产品的质量安全正在不断提升,污泥产品土地利用应得到科学推广。

  (1)有机营养土和生物碳土均能提升小白菜的养分吸收,表现为施肥量越高,全氮吸收量越高,有机营养土、生物碳土的T3处理较CK分别提升23.7%、14.2%。不同污泥产品的不同施肥梯度对小白菜重金属吸收的影响很小,从变化趋势来看,虽然变化趋势不一致,但大多数重金属呈现施用污泥产品后重金属降低的趋势,未表现出明显的植物重金属富集特征,均满足《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB-2762-2017)中重金属限值标准。

  (2)有机营养和生物碳土对小白菜的生长具有显著促进作用。在0~27 t/hm2施肥量范围内,小白菜产量随着施肥梯度增加而不断增高,肥料贡献率不断升高,同施肥梯度下,生物碳土的增产效果优于有机营养土,两种产品最佳施用量均在18~27 t/hm2,可维持较高的肥料利用率。

  (3)有机营养土和生物碳土对土壤全氮、NH3-N、NO3-N、全磷、有效磷、有机质的提升效果尤为明显,均能对土壤质量的改善起到积极效果。从土壤环境影响来看,在本试验施肥梯度下,除全镉和全铬,其它重金属指标均在各施肥处理土壤中无显著差异,未出现土壤重金属明显累积趋势,满足《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(试行)(GB 15618-2018)要求,土壤环境良好。

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