摘要：為研究城市污泥施用對(duì)喀斯特地區(qū)石漠化土壤質(zhì)量的改良效果，以石漠化土壤和城市污泥為試驗(yàn)材料，采用模擬土壤熟化試驗(yàn)，分析了20%～75%比例的污泥添加對(duì)土壤持水性能、養(yǎng)分、重金屬含量及微生物生物量的影響。結(jié)果表明：隨著污泥用量的增加，土壤飽和含水率增加了22.04%～67.07%，持水時(shí)間延長了5.19～16.25d;土壤有機(jī)碳、氮、磷含量及微生物生物量也顯著增加。但土壤微生物生物量不是隨污泥施用比例的增加而增加，在污泥施用比例為20%～35%范圍內(nèi)，土壤微生物生物量顯著高于高比例的污泥添加。50%～75%的污泥施用還導(dǎo)致Cd和Zn超過土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。因此，適量的城市污泥施用可改善土壤持水性能、提高土壤肥力，以20%～35%比例為宜。

　　關(guān)鍵詞：石漠化;城市污泥;持水性能;土壤養(yǎng)分;土壤微生物生物量

　　石漠化是喀斯特地區(qū)普遍存在的一種類似荒漠化景觀的土地退化現(xiàn)象[1]。由于喀斯特特殊的自然環(huán)境特征，以及人類不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，喀斯特地區(qū)水土流失頻發(fā)，表層土壤資源減少，巖石逐漸裸露，土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷等養(yǎng)分含量顯著降低，植物生長及生物量積累受到抑制[2]，土地生產(chǎn)力衰退甚至喪失。貴州省是喀斯特地貌最集中的地區(qū)，喀斯特面積占全省面積的73.8%[3]，石漠化導(dǎo)致的區(qū)域土壤質(zhì)量退化，使當(dāng)?shù)剞r(nóng)林業(yè)生產(chǎn)受到威脅，地區(qū)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益受到嚴(yán)重影響[4]。

　　隨著城市化進(jìn)程的加快，城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥量劇增，其傳統(tǒng)的處理方式如衛(wèi)生填埋、焚燒等由于土地資源短缺、污染物易滲漏污染地下水，焚燒成本高且易產(chǎn)生大氣污染等逐漸受到限制[5]，尋求安全合理的處置方法成為環(huán)保熱點(diǎn)[6]。污泥中富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷等營養(yǎng)元素[7]，其中豐富的速效氮和速效磷能夠被植物直接吸收利用，有機(jī)態(tài)的氮和磷施入土壤后逐漸礦化，有機(jī)物在分解的同時(shí)形成一部分腐殖質(zhì)，使養(yǎng)分穩(wěn)定持續(xù)緩釋[8]，在土壤改良方面效果較好[9]。

　　在礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)中，污泥施用可改善土壤肥力，豐富的有機(jī)質(zhì)還能改良礦山廢棄地的理化性質(zhì)、防治水土流失，有利于迅速恢復(fù)植被，并提高礦區(qū)土壤微生物活性[10]，若能合理利用于喀斯特地區(qū)，將對(duì)石漠化土壤質(zhì)量改善具有重要現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)外對(duì)于城市污泥在砂土、鹽堿土以及礦區(qū)廢棄地的修復(fù)方面均有報(bào)道[11-15]，主要集中于城市污泥對(duì)土壤的養(yǎng)分改善方面。但是，由于含有重金屬等有害物質(zhì)，污泥的利用須以不造成土壤環(huán)境污染為前提，對(duì)污泥的施用量進(jìn)行合理控制。

　　目前，關(guān)于城市污泥對(duì)喀斯特石漠化土壤質(zhì)量的改善尚鮮見報(bào)道。因此，該研究以石漠化區(qū)土壤為對(duì)象，研究不同比例的底泥添加對(duì)土壤持水性能、養(yǎng)分、重金屬及微生物生物量的影響，分析污泥施用對(duì)石漠化土壤質(zhì)量的影響，為城市污泥在石漠化區(qū)的土地利用提供科學(xué)依據(jù)。

　　1材料與方法

　　1.1試驗(yàn)地概況

　　土壤樣品于2017年5月采自貴州省黔西南州興仁縣郊(東經(jīng)105°18′～106°06，北緯25°44′～26°13′)，平均海拔1359m，年均氣溫為15.2℃，年均降水量1315.3mm。土壤類型為黃壤。植被主要是以刺梨(Rosaroxbunghii)、鐵線蓮(Clem-atisuncinata)為主的藤刺灌叢。采樣區(qū)植被和土壤覆蓋率約70%，巖石裸露率約30%，土層厚度20～40cm。采用五點(diǎn)法隨機(jī)采樣，采樣深度0～20cm。

　　1.2試驗(yàn)材料

　　供試污泥為貴陽市小河污水處理廠的脫水污泥，含水率約60%，pH7.87～7.90，有機(jī)質(zhì)含量262.70g·kg-1，全氮含量3.46g·kg-1，全磷含量108.24g·kg-1，全鉀含量2.19g·kg-1，堿解氮含量1.101g·kg-1，速效磷含量0.187g·kg-1，速效鉀含量0.097g·kg-1。

　　1.3試驗(yàn)方法

　　將采集的土壤和污泥樣品在室溫(約25°C)下風(fēng)干，研磨后分別過2mm篩。將風(fēng)干后的污泥分別以質(zhì)量比0(CK)、20%(T1)、25%(T2)、35%(T3)、50%(T4)、75%(T5)的比例均勻混合于土壤，裝入直徑18cm、高12cm的塑料花盆中，混合樣品總質(zhì)量2.5kg。室溫下放置平衡45d，每個(gè)處理3次重復(fù)，平衡期間保證含水量保持在飽和持水量的70%左右。

　　平衡結(jié)束后取出0.5g，一部分過2mm篩后保存在4℃冰箱，用于測(cè)定微生物生物量碳和氮，另一部分用于養(yǎng)分指標(biāo)測(cè)定。污泥與土壤混合基質(zhì)的持水性能測(cè)定參照霍曉君等[16]的方法。裝置由鐵架臺(tái)、滴定管、塑料杯等組成。分別稱取50g污泥與土壤的混合樣品CK、T1、T2、T3、T4、T5，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，裝于直徑約9.0cm的硬質(zhì)塑料杯，底部預(yù)先均勻扎出透水的小孔。

　　樣品表面平鋪1層尼龍紗網(wǎng)，紗網(wǎng)上平鋪1層濾紙，用6支50mL酸式滴定管同時(shí)均勻向裝有樣品的塑料杯中滴水，滴下的水通過濾紙后均勻滲入土壤。樣品達(dá)到飽和時(shí)，水便從杯底的小孔滲出，此時(shí)停止加水，待杯底小孔停止?jié)B水時(shí)稱質(zhì)量，然后將樣品置于室內(nèi)(室溫約25°C)自然蒸發(fā)。計(jì)算樣品的飽和含水率，并統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間的樣品質(zhì)量，分析各處理的持水能力。

　　1.4項(xiàng)目測(cè)定

　　樣品中指標(biāo)測(cè)定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法》[17]。pH測(cè)定采用電位法;有機(jī)碳含量測(cè)定采用重鉻酸鉀法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量后換算;全氮含量測(cè)定采用凱氏定氮法;全磷含量測(cè)定采用氫氧化鈉堿熔，鉬銻抗比色法;全鉀含量測(cè)定采用氫氧化鈉堿熔，火焰光度法;堿解氮含量測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法;速效P含量測(cè)定采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法;速效K含量測(cè)定采用乙酸銨浸提，火焰光度法。

　　1.5數(shù)據(jù)分析

　　數(shù)據(jù)經(jīng)MicrosoftExcel2010軟件整理后，利用SPSS19.0forWindows軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用一元方差分析(One-wayANOVA)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)進(jìn)行雙尾顯著性檢驗(yàn)，所有檢驗(yàn)的顯著性水平如無特殊說明均為P=0.05。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1污泥添加對(duì)石漠化土壤持水性能的影響

　　石漠化土壤飽和含水率為46.68%，持水時(shí)間13.21d，施用城市污泥后，飽和含水率及持水時(shí)間均顯著增加，且增加程度隨污泥施用量遞增。添加20%～75%的污泥，混合土壤飽和含水率提高了22.04%～67.07%，持水時(shí)間延長5.19～16.25d。說明城市污泥的施用，能夠顯著提高土壤飽和含水率，延長其持水時(shí)間，顯著改善其持水性能。

　　2.2污泥添加對(duì)石漠化土壤pH、養(yǎng)分及重金屬含量的影響

　　添加城市污泥后，土壤pH有所降低。隨著污泥施用比例的增加，土壤有機(jī)碳(TOC)含量增加了1.93～31.48倍，全氮(TN)含量增加了1.10～3.06倍，全磷(TP)含量增加了1.63～27.43倍，堿解氮(AN)含量增加了1.64～3.55倍，速效磷(AP)含量增加了22.90～56.04倍。

　　由于污泥中全鉀(TK)含量與土壤中的含量相差不大，速效鉀(AK)含量低于土壤，添加20%～35%的城市污泥，全鉀含量?jī)H增加了4.12%～8.25%，污泥添加比例為25%時(shí)最高。速效鉀含量則隨污泥添加量的增加而降低，降低幅度為6.76%～34.18%。

　　可見，城市污泥的添加能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分含量。隨著污泥施用比例的增加，土壤總Cu、Zn、Cd和Pb含量均顯著增加。總Cu含量增加了3.14%～31.56%，總Zn含量增加了20.38%～124.83%，總Cd增加了3.00～15.27倍，總Pb增加了1.95%～46.48%。

　　污泥中總Cr和總Ni的含量低于對(duì)照土壤，因此污泥的添加未增加土壤中Cr和Ni的含量。污泥添加量為50%，總Cd含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)(GB15618-2018)》7.83%;污泥添加量為75%時(shí)，總Cd含量超標(biāo)32.83%，總Zn含量超標(biāo)6.67%，其它添加比例條件下，重金屬含量均未超標(biāo)。

　　2.3污泥添加對(duì)石漠化土壤微生物生物量的影響

　　城市污泥的添加，顯著增加了土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)的含量，但不是隨污泥的增加而增加。污泥添加比例為20%～35%時(shí)，MBC含量和MBN含量隨污泥添加比例的增加而增加，而污泥添加比例超過35%時(shí)，MBC含量和MBN含量開始下降：MBC含量從對(duì)照土壤的4.39倍下降到3.25倍，MBN含量從對(duì)照土壤的2.50倍下降到1.53倍。

　　對(duì)照土壤中，MBC/TOC為0.95，污泥添加比例為20%～35%時(shí)，增加到1.06～1.24，污泥添加比例為50%和75%時(shí)，下降到0.23和0.10。MBC含量和MBN含量均在污泥添加比例為35%時(shí)最高，而MBC/TOC在污泥添加比例為25%時(shí)最高。可見高比例的污泥添加，雖然大大增加了有機(jī)質(zhì)含量，但可供直接利用的碳并未顯著增加。

　　從相關(guān)性分析可知，MBC含量與pH、有機(jī)碳含量、總磷含量、堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量呈正相關(guān)，MBN含量與總氮含量、總磷含量、堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量呈正相關(guān)，MBC含量與MBN含量也存在正相關(guān)關(guān)系。MBC/TOC與污泥用量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，與MBC含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

　　3討論與結(jié)論

　　3.1污泥添加對(duì)石漠化土壤持水性能的影響

　　持水性能是土壤的重要物理性質(zhì)，而石漠化區(qū)土壤持水能力較差[18]，該研究主要研究污泥添加對(duì)土壤飽和含水率及持水時(shí)間的變化，分析污泥施用對(duì)土壤持水性能的影響。飽和含水率能夠反映土壤容納水分的能力[16]，該研究中，土壤飽和含水率隨污泥的施用比例的增加而增加，這可能與污泥中有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。飽和含水率與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性分析結(jié)果表明，二者之間呈顯著正相關(guān)，說明混合基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量越高，其飽和含水率就越高，與張鴻齡[19]的研究結(jié)果相同。

　　因此，污泥添加由于提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，對(duì)改善土壤持水性能有積極作用。土面蒸發(fā)直接影響著土壤的持水時(shí)間，該研究發(fā)現(xiàn)，污泥施用在一定程度上減緩了土壤蒸發(fā)速率，增加了其在自然條件下的持水時(shí)間，且隨底泥添加比例增加，持水時(shí)間呈增加趨勢(shì)，與其他學(xué)者施用城市污泥和污泥堆肥能顯著提高土壤含水率和持水性能的試驗(yàn)結(jié)果類似[20]。ZEBARTH等[21]和HANEY等[22]的研究結(jié)果也表明污泥土地利用能使土壤的保水時(shí)間更長。

　　該研究中，飽和含水率和土壤持水時(shí)間隨著城市污泥添加比例的增加而顯著增加，可能與污泥本身的物理性質(zhì)及組成有關(guān)。劉純甫等[23]認(rèn)為，城市污泥中有機(jī)質(zhì)含量較高，相當(dāng)一部分呈膠體狀態(tài)，由于膠體的比表面積較大，在表面張力作用下吸附的水分較多，加之膠體本身具有親水性，因此富含有機(jī)質(zhì)的土壤蒸發(fā)失水需做較多的功而有助于抑制和減緩?fù)寥浪�分蒸發(fā)。

　　另外，富含膠體的土壤由于膠體團(tuán)聚而容易結(jié)塊，表層土壤水分蒸發(fā)后，表層的結(jié)塊能夠阻止下層土壤水分蒸發(fā)[22]，從而使得持水時(shí)間相對(duì)較長。城市污水污泥富含的有機(jī)膠體還能降低土壤容重，增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和孔隙率[24]，進(jìn)而提高土壤表面水分的滲透性，使其快速滲透到深層，進(jìn)一步減少水分蒸發(fā)。

　　3.2污泥添加對(duì)石漠化土壤pH、養(yǎng)分及重金屬含量的影響

　　添加城市污泥后，pH有所降低，可能是由于試驗(yàn)過程中，污泥中有機(jī)質(zhì)的降解形成了一定數(shù)量的有機(jī)酸[25]，ASIK等[11]在沙土中施用污泥的研究得出相同結(jié)果，USMAN等[26]也發(fā)現(xiàn)在石灰性土壤中添加污泥后，降低了土壤pH。城市污泥添加于土壤能夠顯著增加有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分含量[27]。

　　有機(jī)質(zhì)含量直接影響著土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)及保水保肥能力[28];氮、磷含量的增加能夠改善土壤養(yǎng)分狀況。該研究發(fā)現(xiàn)，隨著污泥用量的增加，各養(yǎng)分含量增加顯著：土壤有機(jī)碳增加了1.93～31.49倍，全氮增加了1.10～3.06倍，堿解氮增加了1.64～3.55倍，全磷增加了1.63～27.43倍，速效磷增加了22.90～56.04倍。相關(guān)性分析結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)及氮、磷含量與污泥的添加量呈顯著正相關(guān)。

　　不同污泥添加量之間，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮和速效磷含量差異顯著，但低用量(20%～30%)不如高用量(50%～75%)處理間的差異顯著。然而，城市污泥中除含有有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素外，還含有重金屬等有毒有害物質(zhì)[29]，污泥施用在提高土壤肥力的同時(shí)也將重金屬帶入土壤。該研究發(fā)現(xiàn)，隨著污泥施用比例的增加，土壤總Cu、Zn、Cd和Pb含量均顯著增加。

　　污泥添加量為50%，總Cd含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)(GB15618-2018)》7.83%;污泥添加量為75%時(shí)，總Cd含量超標(biāo)32.83%，總Zn含量超標(biāo)6.67%，其它處理中土壤重金屬含量未超標(biāo)。嚴(yán)格控制好污泥的施用量，才不會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬污染。

　　3.3污泥添加對(duì)石漠化土壤微生物生物量的影響

　　土壤微生物能夠通過其代謝活動(dòng)參與和促進(jìn)土壤中的物質(zhì)循環(huán)，影響土壤肥力[8]，是反映土壤質(zhì)量狀況的重要指標(biāo)。城市污泥中豐富的有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)元素能夠?yàn)橥寥牢⑸�物提供養(yǎng)分，加之污泥中本身含有豐富的微生物，其施用能夠顯著提高微生物的數(shù)量[30]。已有研究表明，污泥施用能夠增加土壤微生物生物量[31]，低劑量的施用使土壤微生物生物量及活性增加量顯著高于高劑量的處理[32]。

　　該研究得到相同結(jié)果，城市污泥的添加顯著增加了土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)的含量，但不是隨污泥施用比例的增加而增加。污泥添加比例為20%～35%時(shí)，MBC含量和MBN含量隨污泥添加比例的增加而增加，添加比例超過35%時(shí)，MBC含量和MBN含量均開始下降。相關(guān)性分析結(jié)果表明，MBC含量和MBN含量與有機(jī)碳含量、總磷含量、堿解氮含量、速效磷含量等養(yǎng)分呈正相關(guān)，高比例添加時(shí)其含量降低可能跟土壤中重金屬含量的增加有關(guān)[33]。

　　作為土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分，土壤微生物生物量是土壤中易于利用的養(yǎng)分庫及有機(jī)物分解和礦化的動(dòng)力，其中MBC約占土壤有機(jī)碳的1%～4%，其含量表征著土壤活性有機(jī)碳的儲(chǔ)量[34]。對(duì)照土壤中，微生物生物量與有機(jī)碳的比值(MBC/TOC)為0.95，污泥添加比例為20%～35%時(shí)，增加到1.06～1.24，但污泥添加比例為50%和75%時(shí)反而低于對(duì)照土壤。MBC含量和MBN含量均在污泥添加比例為35%時(shí)最高，而MBC/TOC在污泥添加比例為25%時(shí)最高。

　　相關(guān)性分析結(jié)果表明，MBC/TOC與污泥用量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，與MBC含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

　　說明高比例的污泥添加雖然大大增加了有機(jī)質(zhì)含量，但可供直接利用的碳并未顯著增加，與ASENSIO等[35]的研究結(jié)果一致。因此，城市污泥施用，能夠提高土壤持水能力、土壤養(yǎng)分及微生物生物量，但土壤微生物生物量不是隨污泥施用比例的增加而增加，在污泥施用比例為20%～35%范圍內(nèi)，MBC含量和MBN含量顯著高于50%和75%的添加;高比例的污泥添加，雖然能夠大大增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，但并未顯著增加可供直接利用的碳。同時(shí)，高比例的污泥施用可能導(dǎo)致土壤重金屬污染。適量的城市污泥施用可提高土壤肥力，但并不是污泥施用量越大土壤質(zhì)量越好。

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　　農(nóng)業(yè)土壤方向論文范文：施肥對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響

　　摘要：當(dāng)前我國化肥的生產(chǎn)量和使用量均居世界第一位，由于化肥生產(chǎn)原料和生產(chǎn)工藝的影響，一些化肥產(chǎn)品中含有有毒重金屬、有機(jī)物和無機(jī)酸等成分，長期不合理施用化肥導(dǎo)致了污染物在土壤中的累積，嚴(yán)重影響了土壤的生態(tài)環(huán)境,使糧食、蔬菜、水果等農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬、硝酸鹽等有害物質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全受到嚴(yán)重威脅。本文分析了化肥污染土壤的原因和特點(diǎn)，并提出了減輕化肥污染土壤生態(tài)環(huán)境的技術(shù)和措施。