不同有機物料對灘涂土壤重金屬含量及有效性的影響

朱曉雯+黃顧林+左文剛

摘要：沿海灘涂是重要后備耕地資源，但新圍墾灘涂并非農(nóng)用耕地，須投入大量有機物料加以熟化改良。實施大面積灘涂土壤改良過程中，廉價有機物料的來源及其重金屬含量成為新圍墾灘涂土壤改良的限制因素。采用生活污泥、牛糞及中藥渣3類有機物料改良新圍墾灘涂土壤，對改良過程中灘涂土壤的重金屬含量及黑麥草對重金屬的吸收進行比較研究。結(jié)果表明，施用牛糞、中藥渣對灘涂土壤全量Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb均無顯著影響。施用牛糞增加了灘涂土壤有效態(tài)Cu、Zn、Ni、Cd的含量，施用中藥渣使得灘涂土壤有效態(tài)Ni、Cd含量稍有上升。施用生活污泥增加了灘涂土壤全量Cu、Zn；隨著污泥施用量的增加，灘涂土壤有效態(tài)Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb的含量均呈上升趨勢，其中有效態(tài)Mn含量上升幅度較小，其余重金屬有效態(tài)含量上升幅度均較大。施用牛糞、中藥渣對黑麥草地上部和根系重金屬含量均無明顯影響。施用生活污泥增加了黑麥草地上部重金屬（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd和Pb）含量；隨污泥施用量的增加，根系Mn、Zn、Cu、Ni含量呈先上升后下降趨勢，Cd和Pb含量呈上升趨勢。施用生活污泥后在灘涂土壤上種植的黑麥草植株各重金屬的含量均未超標(biāo)，但應(yīng)用生活污泥改良灘涂土壤過程中的重金屬環(huán)境安全性問題，仍值得深入研究。

關(guān)鍵詞：灘涂土壤；有機物料；資源化利用；無害化處理；重金屬；土壤環(huán)境安全有效性

中圖分類號： S156.91 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0467-04

中國耕地資源緊缺，隨著人口的不斷增長，工礦、交通、城市建設(shè)用地的不斷增加，人地矛盾空前嚴(yán)峻[1]。我國東部沿海每年可以形成約2萬hm2的淤泥質(zhì)灘涂，改造后可為全國特別是沿海省份的長期發(fā)展提供最實際的后備耕地資源[2]。沿海灘涂土壤屬于特殊原始土壤，最顯著的特征就是鹽分含量偏高，有機質(zhì)含量極低，耕作層次尚未形成，結(jié)構(gòu)差、保水通氣性差，養(yǎng)分含量低且易流失、供應(yīng)能力差，微生物區(qū)系組成單一[3-4]，須要通過投入大量有機物料加以熟化改良。研究表明，有機質(zhì)可通過改善土壤的理化性狀、改變土壤鹽分運動狀況，促進土壤脫鹽，抑制土壤返鹽，中和土壤堿度，從而減輕鹽分對作物的危害[5]。土壤有機質(zhì)含量與土壤脫鹽率和作物產(chǎn)量呈正相關(guān)，與土壤返鹽率呈負(fù)相關(guān)[6]。土壤有機質(zhì)與土壤養(yǎng)分含量的增加有密切的聯(lián)系[7]，有機質(zhì)分解后可提供多種養(yǎng)分，特別是氮素，因為灘涂土壤礦物質(zhì)一般不含氮。此外，有機質(zhì)也是灘涂土壤中磷、硫、鈣以及微量元素的重要來源。在大面積新圍墾灘涂土壤改良過程中，廉價有機物料的來源及其重金屬含量是新圍墾灘涂土壤改良的限制因素。前期研究表明，施用生活污泥、牛糞和中藥渣等廉價有機物料，均可增加灘涂土壤有機質(zhì)含量，降低土壤含鹽量及pH值，改善土壤氮磷養(yǎng)分的供應(yīng)，從而促進黑麥草植物的生長[8]。這3種有機物料都可用于新圍墾灘涂的改良，對灘涂圍墾初期土壤肥力形成有明顯的效果。然而，目前對生活污泥農(nóng)用的意見分歧較大，爭議的焦點是部分生活污泥可能含有較多的重金屬等污染物。同時，有機質(zhì)的大量施用可能會對土壤重金屬的存在形態(tài)產(chǎn)生影響[9]，從而可能增加植物對重金屬累積以及重金屬污染環(huán)境的風(fēng)險。本研究以生活污泥、牛糞和中藥渣3種有機廢棄物料作為有機肥源改良新圍墾灘涂土壤，對改良過程中重金屬在灘涂土壤及黑麥草中的累積進行對比研究，旨在獲得科學(xué)依據(jù)的基礎(chǔ)上，積極地實施廉價有機物料資源化利用戰(zhàn)略，為解決我國土地資源嚴(yán)重不足和有機廢棄物料難以處理的迫切問題提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2011—2012年在江蘇省如東縣兆盈墾區(qū)試驗田（121° 23'23″E，32° 20'03″N）進行。試驗區(qū)為新圍墾第3年的灘涂，屬淤漲型的淤泥質(zhì)海岸，濱海相地貌，地勢平坦，地面高程3.0 m；屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，具有明顯的過渡性海洋性和季風(fēng)性，四季分明，降水量主要集中在6—8月份。試驗區(qū)淺層土層中地下水均為第四系孔隙潛水類型，層狀分布，主要補給來源為地表水及大氣降水。供試生活污泥、牛糞和中藥渣于2011年8月分別取自如東生活污水處理廠、如東某奶牛場及如東某中藥廠，基本理化性質(zhì)見表1，其中生活污泥中重金屬元素含量均低于建設(shè)部頒布的GB/T 24600—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 土地改良用泥質(zhì)》國家標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗設(shè)計

采用田間隨機區(qū)組試驗，各小區(qū)面積均為4.0 m×4.0 m。試驗按有機物料干基不同施用量，設(shè)5個處理，分別為0、30、75、150、300 t/hm2，各處理重復(fù)3次。2011年9月將生活污泥、牛糞、中藥渣按不同用量施入灘涂土壤小區(qū)，自然風(fēng)干后于10月20日利用旋耕機將生活污泥、牛糞、中藥渣與0～20 cm耕層土壤拌勻，10月25日每小區(qū)播入35 g黑麥草種子。于2012年3月26日（播種后150 d）采集土壤和黑麥草植株樣品，分析土壤重金屬全量和有效態(tài)含量，并對黑麥草植株的地上和地下部重金屬含量進行比較研究。

1.3 測定方法

采用HCl-HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法和DTPA浸提-原子吸收分光光度法，分別測定土壤Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb的全量和有效態(tài)含量。采用干灰化法-原子吸收分光光度法，測定黑麥草植株重金屬Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb的含量[10]。試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel（2010）和SPSS 13.0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，LSD法檢驗差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機物料對灘涂土壤重金屬全量的影響

施用生活污泥、牛糞和中藥渣對灘涂土壤全量重金屬（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd和Pb）的影響見圖1。總體來看，施用牛糞、中藥渣對灘涂土壤Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb的全量，均無顯著影響。試驗條件下，施用生活污泥對Mn、Ni、Cd、Pb的全量無顯著影響，但顯著增加了灘涂土壤Cu、Zn的全量。施用生活污泥各處理（30、75、150、300 t/hm2）灘涂土壤全Cu含量分別比對照增加0.6%、9.1%、22.0%、54.3%；全Zn含量分別比對照增加31.9%、69.2%、191.6%、292.4%。

2.2 不同有機物料對灘涂土壤有效態(tài)重金屬含量的影響

施用生活污泥、牛糞和中藥渣對灘涂土壤有效態(tài)重金屬（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb）的影響見圖2。隨牛糞施用量（30、75、150、300 t/hm2）的增加，灘涂土壤有效態(tài)Cu、Zn、Ni、Cd的含量呈逐漸上升趨勢，有效態(tài)Mn、Pb含量無顯著變化。施用中藥渣后，灘涂土壤有效態(tài)Ni、Cd的含量稍有上升，有效態(tài)Zn、Cu、Mn、Pb含量無顯著變化。隨生活污泥施用量（30、75、150、300 t/hm2）的增加，灘涂土壤有效態(tài)Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb的含量均呈上升趨勢，除有效態(tài)Mn含量上升幅度較小外，其余重金屬有效態(tài)含量上升幅度均較大。

2.3 不同有機物料對黑麥草重金屬吸收的影響

施用生活污泥、牛糞和中藥渣對成熟期黑麥草地上部和根系重金屬（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd和Pb）吸收的影響見圖3和圖4。施用牛糞、中藥渣對黑麥草地上部和根系重金屬吸收均無明顯影響。隨生活污泥施用量的增加，黑麥草地上部重金屬含量呈上升趨勢，黑麥草根系重金屬（Mn、Zn、Cu、Cd）含量呈先上升后下降趨勢，當(dāng)污泥用量150 t/hm2的處理達到最大值；根系Pb含量隨污泥用量的增加呈上升趨勢。

3 討論與小結(jié)

沿海新圍墾灘涂土壤的培肥熟化，須投入大量有機物料。廉價優(yōu)質(zhì)的有機物料成為灘涂土壤改良的重要限制因素之一。生活污泥、牛糞、中藥渣3種有機廢棄物均可用于新圍墾灘涂土壤的改良，對灘涂圍墾初期土壤肥力形成有明顯的效果。然而，這3類有機物料，尤其生活污泥中含有的重金屬是污泥農(nóng)用的主要障礙。以往的大量研究表明，施用生活污泥、牛糞等有機物料均能增加土壤中重金屬的含量[11-12]，其主要原因是這些有機物料中含有一定量的重金屬[13-14]。本研究表明，施用牛糞、藥渣對灘涂土壤重金屬（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb）全量無顯著影響，而施用生活污泥顯著增加了灘涂土壤Cu、Zn的全量，灘涂土壤Cu、Zn全量的增加主要由生活污泥帶入。施用牛糞、中藥渣對黑麥草地上部和根系重金屬含量均無明顯影響。施用生活污泥顯著增加了黑麥草地上部和根系重金屬含量，主要是因為生活污泥的施用增加了土壤有效態(tài)重金屬的含量，這與前人研究結(jié)果[15-16]一致。施用生活污泥后在灘涂土壤上種植的黑麥草成熟期體內(nèi)各重金屬的含量均未超標(biāo)（GB 13078—2001《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》）。而黑麥草通常被認(rèn)為是重金屬超積累植物[17-18]，常常被用于土壤重金屬生物修復(fù)的研究[19]。那么，應(yīng)用污泥改良灘涂土壤后種植一般農(nóng)作物，農(nóng)產(chǎn)品的重金屬含量是否超標(biāo)，值得深入研究。

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