污泥保水功能的研究及應用初報

陳曉蓉，孫克君，王 俊，廖宗文

（1.華南農業大學 資源環境學院，廣東 廣州510642；2.廣州市園林科學研究所，廣東 廣州510170）

隨著社會的發展，水資源的短缺已經成為制約農業發展的一個障礙［1］，因而開發保水效果明顯且低廉的保水材料成為重要研究課題［2－3］。保水劑是重要的吸水保水材料，從20世紀60年代開始，已經在美國日本等發達國家開始研究［4－5］，但其高成本成為一個重要制約因素［6］，且保水劑的使用方式一般為與土壤混合［7］，尚未見對保水劑在土壤中不同層次放置的保水效果的研究報道。目前，對復合保水劑的研究中具有典型代表意義的是礦物/高分子超強吸水性樹脂［8－9］，而對于利用廢物特性進行保水功能開發的研究，尚顯薄弱。污泥作為一種急待處理的廢物，迫切需要尋求更多更新的有效處理技術［10］，其肥料化利用被認為是最有發展潛力的處理方式［11－13］。污泥本身有一定養分可以用作肥料，但由于其滯水性強［14－15］，干燥時外干硬內糊軟，成為干燥加工的難題。本研究擬使這一不利因素轉化為有利因素，開發污泥保水新功能，在促進污泥利用的同時，為復合保水劑提供一種新的廉價材料。目前，保水劑因為高成本等問題［16］，尚未廣泛使用，另一方面，僅把污泥視為廢棄物，對于其水分含量高，滯水性強的特點進行應用也尚未見報道。本文針對污泥這些特點，通過土培模擬試驗及盆栽研究污泥不同用量及土層不同放置方式對土壤水分保持及作物生長的影響，開發其保水新功能，既解決污泥處理難題又解決作物干旱缺水問題。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為取自華南農業大學農場的菜園土，播前養分狀況為：全氮2.63 g/kg，全磷1.51 g/kg，全鉀3.29 g/kg，p H 值為6.05，土壤質地為壤質黏土。供試城市污泥取自珠海，水分含量為78.24%，污泥含氮3.8 mg/kg，含五氧化二磷2.0 mg/kg，含氧化鉀3.8 mg/kg，有機質80.5%，p H 值為6.8。供試保水劑為美國商用保水劑（preli minary researc），吸水倍率為306.82，耐鹽倍率為44.78。供試玉米為華寶1號。

1.2 土培模擬實驗

2009年1月11日至1月29日，在實驗室中進行塑料杯土培模擬實驗，先在塑料杯底部開幾個氣孔，按表1實驗方案準備好相應量的保水劑或污泥，并與170 g土混合雙層或單層。單層為保水劑（污泥）平鋪于從塑料杯底部起1/3土壤處；雙層為平鋪（約1 c m厚）在1/3及2/3處；混合即保水劑（污泥）與土壤混合均勻。各處理浸泡于略低于土面的水中，24 h后懸空放置10 h，待土中重力水淋失，稱重，即為土壤田間持水量。放在28℃培養箱中，每24 h稱其重量，共觀察20 d，計算其含水量、失水量及失水率。

表1 土培模擬實驗

1.3 盆栽試驗

盆栽從2009年2月25日至6月5日種植100 d，根據土培模擬實驗結果選擇5個處理進行溫室盆栽試驗如表2所示，其中，保水劑的量減少為0.064%（2.56 g）是考慮到實際應用時一般都在2 g保水劑/株左右。這一用量較接近生產實際，因而與土柱模擬的高用量以便于比較效果有所不同。盆栽重點研究污泥與保水劑的差異以及同一污泥量條件下置于土層不同位置的保水效果。每個處理重復4次，每盆裝土4 kg，N，P，K用量分別為 N 150 mg/kg，P2O5100 mg/kg，K2O 120 mg/kg。污泥含 N 3.8 mg/kg，P2O52.0 mg/kg，K2O 3.8 mg/kg，有機質80.5%，p H值為6.8。污泥處理扣除其所含的N，P，K養分，全部肥料都作為基肥，一次性施入土壤。每盆播發芽玉米4顆，7 d后間苗，每盆定植3株，收獲后測定盆栽生物量及土壤含水量等。

表2 污泥保水性玉米盆栽試驗

葉綠素：用SPAD－502葉綠素測定儀測從頂部起首片成熟葉的中部［17－18］。

土壤含水率：均勻選取盆栽的5個點，用取土器取0—10 c m土樣，再用105℃烘干12 h測定土壤含水量。

盆栽水分管理：玉米苗期（前7 d）保持土壤表層濕潤以利活苗，之后待玉米葉子微卷則澆水，每次澆水200 mL，盆底無水分淋出。

2 結果與分析

2.1 土培模擬實驗

2.1.1 含水量分析 由圖1可知各處理的保水效果，0.64%保水劑處理含水量最高，其余各處理依次為：5%污泥單層＞5%污泥雙層＞3%污泥單層＞0.64%污泥單層＞0.64%污泥混合＞CK0。其中5%單層與5%雙層在1月15日后差異基本消失，兩曲線幾乎重合。圖1顯示了污泥用量及在土壤中放置方式2個因素均對保水性能產生影響，保水效果是這2因素共同作用結果，污泥用量越高，含水量則越高，且在土壤中分層放置優于全層混合。

2.1.2 累積失水量分析 由圖2可知，各處理的累積失水量是一個急劇上升再趨于平穩的動態過程。0.64%保水劑8 d后趨于平穩，CK0及0.64%污泥處理3 d后就趨于平穩，其余污泥處理7 d后趨于平穩，表明保水劑及高量的污泥處理累積失水是緩慢的過程。圖2進一步顯示污泥在土壤分層放置優于全層混合，雙層優于單層。失水量由高到低的規律為：0.64%保水劑單層＞5%污泥單層＞3%污泥單層＞5%污泥雙層＞CK0＞0.64%污泥全層混合＞0.64%污泥單層。可以得出含水量高，累積失水量也高（詳見圖3）。

圖1 各處理動態含水量變化

圖2 各處理累積失水量變化

2.1.3 失水率分析 失水率是累積失水量與含水量的比值，是兩者的綜合反映，所以更能說明各處理保水功能。從圖3可以看出，保水劑的失水率最低，其余CK0＞0.64%污泥全層混合＞0.64%污泥單層＞3%污泥單層＞5%污泥單層＞5%污泥雙層。失水率低表明吸水量大而失水量少且慢，由圖3可知保水劑失水率最低。高量的污泥及分層放置對失水率有明顯影響。高量5%和雙層放置處理的失水率在污泥各處理中最低。高量優于低量，雙層優于單層。表明通過污泥用量和分層放置兩方面的調控可以更好發揮其保水功能，使之更接近保水劑效果。

2.2 盆栽試驗

土培模擬的實驗結果顯示了污泥具有值得利用的保水功能，但在種植中的實際效果如何有待試驗證實，為此進行盆栽試驗。

由表3可知，土壤含水率是影響植株生長的一個很重要的指標［19］，由高至低依次為：T3＞CK1＞T1＞T2＞CK0，T3（高量、雙層處理）效果最好，這與上述土培實驗規律一致。盆栽土壤含水率與土培模擬含水量有一個重要的區別，前者的含水率還受作物吸收水分的影響。在作物生長量提高的情況下，尚有較高土壤含水率，更加顯示污泥保水效果，其保水能力不亞于保水劑。

水分脅迫對光合作用的影響是一個復雜的過程，它不但影響光合器官的形態構造，而且也影響光合作用的各種生理生化過程［20］。因此，葉綠素的測定也能在一定程度上體現作物水分狀況。從表3中可見，CK0的葉綠素含量最低，而保水材料中，污泥處理甚至比保水劑更能提高葉綠素含量。

就干重進行比較，污泥處理的植株干重及苞干重均優于對照，而保水劑處理，植株干重最大，苞干重卻最小。就總產量（植株＋苞重）進行比較，污泥處理的產量甚至高于保水劑處理。由此可見，污泥保水材料更有利于植株的均衡生長，尤其是苞重的增加。此外，污泥的用量和分層放置兩方面影響因素中，僅污泥用量影響明顯，高量污泥的增產效果最好，分層放置影響不明顯。這可能與盆栽的澆水、作物吸水條件有關。

綜合而言，高量且在土中分層放置的污泥處理更有利于土壤水分保持及植株生長。

3 討論

本項研究表明，污泥保水功能的開發是切實可行的，這為污泥的利用提供了一條新的功能化途徑，同時也為復合保水劑的研制提供了一種新的廉價材料，對于污泥治理及節水兩方面都有重要意義。

3.1 土培模擬實驗

土培模擬實驗的含水量、失水量及失水率結果都表明，污泥具有保水性能。雖然其效果不及保水劑，但價廉易得。可以通過適當增加用量及優化其在土層中的放置位置而提高其保水效果。與保水劑配合制成復合保水劑可望大幅降低保水劑的成本而保持較高的保水性能，值得進一步深入研究。

3.2 盆栽試驗

通過測定作物生物量和葉綠素等指標，可以看到，保水劑及污泥處理均優于對照，生物量增幅達0.14%～24.81%，而且污泥處理的增產效果超過保水劑。這與土培模擬試驗的結果不同。土培模擬實驗中保水劑的保水效果最好，而盆栽結果則是污泥處理效果更好。這種差別是由于兩者試驗的條件不同，模擬實驗沒有作物吸水影響亦無澆水過程。它可以反映污泥與保水劑的保水性能差異，但并不能反映兩者在作物生長吸水情況下的實際效果，這一效果與生長過程中的條件，主要是澆水條件有關。在輕微水分脅迫情況下（葉片微卷即澆水）污泥用量較大（1%），且分層（單或雙層）放置于土中，不僅有保水作用，而且還有托水作用，即使水分在一定土層中能較長時間保留，這樣可以減少養分隨水淋失，因而有較大的增產幅度，且收獲后在土中還有較高的水分含量。試驗表明，不僅污泥用量，而且污泥在土層的放置方式也對保水效果有重要影響。

3.3 污泥保水功能開發的前景

污泥保水功能的開發，在技術與經濟上有明顯優勢。污泥是一種急待處理的廢物，在大中城市尤甚［21］。一般每1 t污泥處置費用多達150元以上，基本上是負成本或0成本。而大多數城市污泥由于與工業排污分開，基本上沒有重金屬或有機污染物超標的問題。而作為保水材料使用，其用量比作肥料的用量更少，因而安全性更強。污泥若與保水劑結合制成復合保水劑使用，可望為污泥也為保水劑的使用提供更大的技術發展空間。污泥透水性差，使其干燥成為一個難題［22－24］，因而是一個明顯的不利因素，而從保水的角度看，這卻是一個值得開發的新功能。本研究的土培模擬實驗和盆栽試驗均表明，污泥保水功能的開發是可行的，對于污泥開發利用以及保水新材料的研發提供了新的思路和科學依據。

本文研究證實了污泥保水性能，并揭示了其效果與用量及土層放置位置有關。今后要開展進一步的研究，在更多土層試驗以及污泥土層中的構型，為進一步提升其保水效果提供更多的技術手段。

4 結論

（1）污泥具有保水功能，其用量和在土層中放置的位置對保水效果有重要的影響。

（2）污泥保水功能應用于玉米栽培有明顯增產效果，適當增加污泥用量及調整其在土層中的放置方式，增產效果不亞于保水劑。

（3）污泥保水功能的開發利用，對污泥的農用資源化及保水新材料的研制均有重要意義。

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