石灰性土壤添加污泥后土壤的肥力特征及磷素淋失臨界值

常會慶，吳 杰，王啟震，焦常鋒，朱曉輝，王 浩

（河南科技大學農學院，洛陽市共生微生物與綠色發展重點實驗室，洛陽市植物營養與環境生態重點實驗室，洛陽471000）

0 引 言

中國年城市污泥產量巨大，預計到2020年，污泥產量將達6 000萬t～9 000萬t[1]。因此，污泥的無害化與資源化處置迫在眉睫。污泥無害化處理后農用是消納污泥的有效手段[2-4]。目前，歐美國家用來改善土壤或作為農作物肥料的污泥比例約占60%[5]，而中國污泥農用率不足10%[6]，但中國污泥和主要有機肥所含養分相比，其氮、磷、有機質含量豐富，因而可以作為植物生長所需的養分源[7-8]。雖然污泥連續施用有增加土壤－植物系統中重金屬含量的風險[9]，但隨著城市污泥在農用、環境效應和控制標準的嚴格要求，污泥中重金屬的含量在逐年降低，所以污泥農用越來越受到人們的重視[10]。

研究表明城市污泥的土地利用有利于不同類型土壤和作物上養分含量的增加[11-12]，但由于污泥來源、施用土壤和作物類型不同，其施用效果存在差異[13-14]。石灰性土壤是廣泛分布于中國干旱和半干旱地區的土壤類型之一，由于石灰性土壤中鹽基高度飽和，呈中性至堿性反應，對污泥中重金屬有較強的吸附沉淀作用[15]。因此，該類土壤可作為污泥農用的“首選”土壤類型，有必要深入研究污泥添加對小麥-玉米輪作模式下石灰性土壤養分特征的影響，以及其可能導致的磷淋失風險。

關于淋失失風險閾值的研究較多[16-17]，但多集中在磷肥過量施用所導致的磷淋失風險[18-19]，而污泥施用對石灰性土壤中磷淋失風險的研究還鮮有報道。因此，本研究通過在石灰性土壤中連續添加污泥，研究其對石灰性土壤養分狀況、肥力特征的影響，同時探討污泥添加對石灰性土壤中磷素淋失臨界值的影響，以期為污泥在石灰性性土壤中的合理施用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本試驗在河南科技大學農場開展，該農場位于河南省西部的洛陽市（34°41′N、112°27′E），試驗點地處溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫12.2～24.6℃，無霜期210 d以上，年降水量、日照和年均濕度分別為528～800 mm、2 200～2 300 h和60%～70%。供試土壤取自河南科技大學農場大田20 cm的表層土，風干后過2 mm篩（除去雜草、砂礫等），土壤的基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗采用高40 cm，直徑30 cm的塑料盆缽。污泥不同添加量水平參照《農用污泥中污染物控制標準》（GB4284-2018）規定的污泥施用量（7.50 t/hm2），設置的5個處理分別為0（Control）、3.75（H1）、7.50（H2）、37.5（H3）、75.0 t/hm2（H4）。污泥的施用量為折算成大田的施用量（按照大田表層土質量為2.25×106kg/hm2計算）。所選污泥為經過好氧高溫堆肥制備的腐熟污泥，其重金屬含量符合《農用污泥中污染物控制標準》（GB4284-2018）所規定的值（鎘、汞、鉛、鉻、砷含量分別小于3、3、300、500、30 mg/kg），污泥的基本理化性質如表1所示。

表1 土壤和腐熟污泥基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soil and decomposed sludge

取10 kg過篩土壤放置于盆缽中，依據大田作物傳統施肥量，每盆施用尿素2.60 g，過磷酸鈣4.2 g，氯化鉀1.3 g，再施入不同處理量的污泥，使肥料、污泥和土壤均勻混合。每個處理重復3次，隨機排列在溫室中，土壤含水率調節為80%的田間持水量，土壤田間持水量為19.67%。依據北方典型的輪作種植模式，以冬小麥-夏玉米為供試作物，冬小麥和夏玉米品種分別為豫農035和鄭單958，每盆留10株小麥（或1株玉米）。試驗于2015年10月10日播種小麥，于2016年6月1日收獲小麥后種植玉米，玉米收獲時間為2016年10月8日，作物生長期間的平均氣溫和降雨量分別為14.9℃和631.2 mm。

1.3 樣品采集與分析

待作物成熟后，收集土壤樣品風干后，分別過0.85和0.12 mm的土篩后備用。土壤基本理化性質的測定參照《土壤農業化學分析方法》[20]：pH值采用水土質量比5:1的電位法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮采用凱氏定氮法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法；土壤全磷采用HClO4-HSO4消解，鉬銻抗比色法測定；土壤Olsen-P采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用CH3COONH4浸提，火焰光度計法測定。土壤CaCl2-P采用CaCl2溶液提取，鉬銻抗比色法測定。

土壤綜合肥力評價方法：采用內梅羅指數法計算土壤綜合肥力指數（integrated fertility index，IFI）[21]。將土壤pH、有機質、全氮、Olsen-P和速效鉀含量代入下列公式計算其分肥力系數IFIi：

式中IFIi為分肥力系數；x表示土壤各指標測定值；IFIi平均和IFIi最小分別是土壤各指標的分肥力均值與最小值；N表示土壤指標個數；xa、xc、xp為分級標準下限、中值和上限，分級標準參考第二次全國土壤普查標準（表2）。根據IFI值將土壤肥力分為4個等級[22]（表3）。

1.4 磷風險值的計算

根據2 a研究中土壤有效磷Olsen-P與可溶性磷CaCl2-P之間的關系，以不偏離突變點為基礎，使高Olsen-P含量與CaCl2-P之間的關系方程斜率最大，決定系數R2最高，而低Olsen-P含量與CaCl2-P之間的關系方程斜率最小，再根據2個方程計算土壤磷酸鹽淋失臨界值或突變點[23]。

表2 土壤性質的分級標準Table 2 Grading criteria for soil properties

表3 土壤肥力的分級標準Table 3 Classification standard of soil fertility

1.5 數據統計分析

采用軟件SPSS17.0進行相關的統計分析，多重比較選用Duncan法進行檢驗（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 污泥添加對土壤化學性質的影響

2.1.1 污泥添加對土壤pH值和有機質的影響

污泥添加對土壤pH值的影響見表4。相同年份條件下，玉米季土壤pH值高于小麥季。2016年各處理之間土壤pH值差異不顯著（P＞0.05）。2017年，小麥季的H3、H4處理與Control相比，土壤pH值顯著降低0.26和0.31個單位（P＜0.05），玉米季各施用污泥處理的pH值分別顯著降低了0.19、0.24、0.28、0.39個單位（P＜0.05）。可見，2 a連續污泥施用，石灰性土壤pH呈下降趨勢，而且隨著污泥添加量增加呈現pH值下降越明顯的趨勢。隨污泥添加量增加，土壤有機質含量表現出增加的趨勢（表4）。2016年小麥季的H3和H4處理與無污泥添加相比，土壤有機質含量顯著增加了68.44%和28.77%（P＜0.05），其他添加污泥處理與無污泥添加處理相比差異不顯著（P＞0.05）；2016年玉米季的H3、H4處理，土壤有機質顯著增加了32.63%和48.41%（P＜0.05），且兩處理之間差異顯著，而其他處理之間無顯著差異；2017年小麥季的H3和H4兩處理，土壤有機質含量顯著增加了61.77%和128.57%（P＜0.05）；玉米季的H2、H3和H4處理，土壤有機質含量顯著增加25.86%，54.75%和84.59%（P＜0.05）。可見，隨著污泥施用年限的增長，土壤有機質不斷積累。

表4 不同處理對土壤pH及氮磷鉀的影響Table 4 Effects of different treatments on soil pH values and N-P-K content

2.1.2 污泥添加對土壤全氮和堿解氮的影響

2 a小麥-玉米輪作過程中，土壤全氮與堿解氮隨污泥添加量的增加而增加（表4）。和Control相比，2016年小麥季的H3和H4處理，土壤全氮顯著增加43.10%、62.07%（P＜0.05），玉米季H2、H3和H4處理的全氮顯著增加了31.25%、37.5%和72.92%（P＜0.05）；2017年小麥季H2、H3和H4處理的全氮增加量分別為17.74%、61.29%、104.84%（P＜0.05），玉米季污泥添加各處理全氮增加量分別為14.58%、35.42%、83.33%、133.33%（P＜0.05）。相同年份當污泥添加量相同時，玉米季土壤全氮含量小于小麥季，并且土壤全氮隨著污泥施用年限的增加而增加。同一輪作季，土壤堿解氮含量隨污泥施用量的增加而增加（表4）。和Control相比，2016年小麥季的H2、H3和H4處理和玉米季的H3和H4處理，土壤堿解氮的含量顯著增加，其中小麥季H2、H3、H4處理的堿解氮增加量分別為64.32%、87.57%、131.03%（P＜0.05），玉米季H3、H4處理的堿解氮增加量分別為32.80%和133.33%（P＜0.05）。2017年小麥季與玉米季的H2、H3、H4，土壤堿解氮的含量較Control顯著增加，其中小麥季土壤堿解氮增加量分別為11.97%、44.26%、182.53%（P＜0.05），玉米季土壤的堿解氮增加量分別為68.42%、102.11%、131.58%（P＜0.05）。同一輪作季當污泥添加量相同時，小麥季土壤的堿解氮含量高于玉米季，且2017年土壤堿解氮含量高于2016年。

2.1.3 污泥添加對土壤全磷、有效磷變化

土壤全磷與有效磷的變化與土壤中氮素變化趨勢相似，也均表現出隨污泥添加量的增加而上升趨勢（表4）。2 a小麥季的H2、H3、H4處理與Control相比，土壤全磷含量顯著增加了12.66%、13.92%、25.32%（2016年）和14.46%、40.96%、62.65%（2017年）（P＜0.05）；玉米季的H3和H4處理較Control處理，土壤全磷顯著增加了23.94%、29.58%和39.19%、79.73%（P＜0.05）。同樣，在同一輪作季當污泥添加量相同時，玉米季土壤全磷含量小于小麥季，并且2017年土壤全磷含量大于2016年。與Control相比，2016年H2、H3和H4處理土壤有效磷在小麥分別顯著增加36.62%、74.21%、109.72%，玉米季增加75.71%、202.14%、320.95%（P＜0.05）。2017年小麥季與玉米季土壤的有效磷含量，與Control相比，小麥季H2、H3、H4處理的土壤有效磷分別增加31.60%、150.12%、275.18% （P＜0.05），玉米季 H1、H2、H3、H4處理的土壤有效磷分別增加50.14%、66.62%、251.68%、307.40%（P＜0.05）。可見，隨著污泥的連續農用，土壤中有效磷有明顯的累積效應。

2.1.4 污泥添加對土壤速效鉀影響

污泥中鉀含量較氮、磷含量相對低，本研究中污泥添加也會增加土壤速效鉀含量，且土壤速效鉀含量隨污泥添加量的增加而增加（表4）。2016年小麥季的H2、H3、H4處理較Control相比，土壤速效鉀顯著增加6.94%、25.15%、34.87%（P＜0.05），玉米季H1和H2與Control間無顯著差異，但H3和H4處理可以使土壤速效鉀顯著增加23.07%和38.14%（P＜0.05）。與Control相比，2017年小麥季H1、H2、H3、H4處理土壤速效鉀分別增加6.46%、9.95%、28.64%、38.60%（P＜0.05），玉米季H2、H3、H4處理速效鉀分別增加4.15%、24.34%、39.49%（P＜0.05）。同一輪作季當污泥添加量相同時，小麥季土壤速效鉀含量高于玉米季，并隨污泥的連續使用土壤速效鉀也存在積累效應。

2.2 土壤養分與污泥累積用量之間的相關性

小麥-玉米2 a輪作中，污泥的連續施用與小麥和玉米季石灰性土壤中氮、磷的相關關系見圖1。2 a小麥和玉米季污泥的累積施用量與土壤全氮存在正相關關系：小麥季 R2=0.97～0.99（P＜0.01），玉米季 R2=0.89（P＜0.05）～0.97（P＜0.01），隨著污泥施用年限的增加，玉米季土壤全氮與污泥添加量之間的相關性由顯著變為極顯著。2 a小麥與玉米季土壤堿解氮與污泥累積施用量之間同樣存在正相關關系：小麥季R2=0.84（P＜0.05）～0.94（P＜0.01），玉米季 R2=0.82（P＜0.05） ～0.94（P＜0.01），小麥季二者間關系隨著污泥累積施用量的增加由顯著變為極顯著，但玉米季由極顯著變為顯著相關。同樣，土壤中全磷在2 a小麥和玉米季含量變化與污泥累積施用量之間存在正相關關系：小麥季R2=0.82（P＜0.05）～0.97（P＜0.01），玉米季R2=0.92（P＜0.05）～0.99（P＜0.01），相同生長季節，土壤全磷與污泥累積施用量之間相關性由顯著變為極顯著。土壤中有效磷在2 a小麥和玉米季的含量變化與污泥累積施用量之間也表現出正相關關系：小麥季R2=0.93～0.99（P＜0.01），玉米季R2=0.91（P＜0.05）～0.97（P＜0.01），僅2017年玉米季土壤有效磷與污泥累積施用量之間相關性表現為顯著水平，其余3季均為極顯著水平。

2.3 污泥施用對土壤綜合肥力指數影響

Two-way ANOVA分析表明，污泥添加量和季節對土壤IFI影響極顯著（F=112和46，P＜0.01），且二者對土壤IFI影響存在顯著交互作用（F=2.26，P＜0.05）。污泥添加量的增加會促使土壤IFI表現出增加的趨勢（表5）。與不添加污泥相比，2016年小麥季的H2、H3、H4處理的IFI分別顯著增加了13.04%、27.17%、38.04%（P＜0.05），且這3個處理之間的IFI也存在顯著性差異；2016年玉米季各處理間的IFI差異顯著，和不添加相比，H1、H2、H3和H4處理的IFI分別增加了5.33%、12%、33.33%、50.67%（P＜0.05）；同樣2017年小麥季各處理的土壤IFI也均達到了顯著差異，與Control相比，H1、H2、H3和H4處理的IFI分別增加了6.38%、13.83%、39.36%、48.94%；2017年玉米季，H3和H4處理間的IFI差異不顯著（P＞0.05），但顯著高于其他處理（P＜0.05）。污泥添加后土壤的IFI與土壤肥力分級標準（表3）相比，小麥季土壤肥力達到一般土壤肥力狀況（0.9～1.8），而且隨著污泥添加量的增加，玉米季土壤的肥力狀況也由貧瘠向一般轉變。

2.4 土壤磷素淋失臨界值確定

通過分析污泥添加后石灰性土壤中Olsen-P與CaCl2-P含量變化，并建立兩者之間的線性關系（圖2），可以得出石灰性土壤CaCl2-P含量隨著Olsen-P含量的上升而上升，且CaCl2-P含量的變化呈現出突變上升的趨勢，采用分段的線性擬合方程計算出石灰性土壤的Olsen-P突變點，其兩段方程見圖2。線性方程之間的突變點為有效磷質量分數28.57 mg/kg，該值可作為石灰性土壤磷素淋失的臨界值。結合圖1中污泥添加量與Olsen-P的關系，可計算出當年或當季土壤達到臨界值的污泥施用量為61.39 t/hm2。

圖2 Olsen-P與CaCl2-P的關系Fig.2 Relationship between Olsen-P and CaCl2-P

3 討 論

連續2 a在石灰性土壤中施用污泥會導致土壤pH的降低，pH的降低幅度隨著污泥添加量的增加而增加，其原因在于污泥中有機質在土壤降解過程會分泌出大量的有機酸，會導致土壤pH降低[24]。因此，施入土壤中的污泥越多，其產生的有機酸越多，土壤pH降低幅度越大。另外，高的污泥添加量使土壤的硝化作用增加，也是導致pH降低的原因之一[25]。不同土壤類型上添加污泥都會改善土壤的養分狀況[24,26-28]，提高土壤肥力[29-32]。沙土與壤土的蔬菜栽培試驗中，當污泥用量為4 kg/m2時，2種土壤的有機質比對照分別增加了56.3%和38.7%，氮、磷、鉀含量增加的幅度為10%～30%[33]。胡學峰等[34]在褐土性土與石灰性褐土上施用污泥處理，在收獲5茬油菜后，2種土壤的速效氮含量比不施污泥處理平均分別增加了44.3%與26.2%；土壤Olsen-P和速效鉀含量平均分別增加了154.4%、129.7%和38.7%、27.9%。石灰性土壤上施加城市污泥后也發現，土壤中有機質、全氮、全磷、土壤速效氮和Olsen-P含量與Control相比都達到了顯著水平，且隨著污泥添加量的增加，其含量增大，但土壤全鉀和速效鉀含量并未顯著受到污泥添加的影響[35-36]。本研究發現，2 a污泥的累積農用與石灰性土壤上養分變化關系密切，在污泥用量≥37.5 t/hm2時，土壤各養分和肥力指數便會顯著增加，這主要是由于污泥的連續施用會使土壤中養分得到不斷補充和釋放,從而提高土壤養分含量[24]。

污泥農用在增加土壤-作物供肥能力同時，往往會由于污泥的過量施用而導致上述養分產生淋失風險。目前對土壤養分淋失臨界值的研究主要是對磷素臨界值的確定，例如Hesketh等[37]通過對土壤磷素淋失研究發現，土壤磷素會在某一含量時促使土壤磷素淋失量突然增加，該突變點的土壤Olsen-P含量被稱為磷素淋失臨界值。Olsen-P表示土壤中可被植物吸收利用的磷，包含水溶性及吸附態磷，而CaCl2-P則主要表示土壤溶液中的磷，即水溶性磷[38]。鐘曉英等[23]運用相關性分析建立了23種土壤中CaCl2-P與Olsen-P含量間的線性關系，發現當Olsen-P含量達到某一值時，CaCl2-P含量會突變上升,而該突變點所表示的Olsen-P含量可代表土壤磷素淋失的臨界值。不同的土壤類型，其磷素臨界值也存在著較大差異，李學平等[39]在室內對3種類型的土壤進行了磷素淋失臨界值的研究，發現當土壤Olsen-P質量分數在60～115 mg/kg之間時，將增大磷素淋失的風險。王彩絨等[40]對蔬菜地土壤的磷臨界值研究表明，土壤中Olsen-P質量分數為60 mg/kg時，磷素就會出現淋失風險。土壤磷素淋失臨界值大小受土壤性質影響[23]，這是由于不同的土壤類型其磷酸鹽數量、種類及形態存在差異，使得各類土壤的磷臨界值也不相同[40]。土壤pH值變化直接影響到土壤磷素淋失臨界值，趙小蓉等[16]研究發現，土壤pH與土壤磷素淋失臨界值之間呈拋物線關系，并在pH值為6時臨界值最高，若土壤的pH值大于6時，其臨界值將會隨著土壤pH的增加而下降。本研究的石灰性土壤pH值為7.61，運用傳統CaCl2-P含量突變表示土壤磷素淋失臨界值所對應的土壤磷素淋失臨界值為28.57 mg/kg。

4 結 論

連續2 a在石灰性土壤上施用污泥，土壤pH值隨污泥施用量的增加而降低；土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀和土壤綜合肥力指數會隨污泥施用量的增加表現出升高趨勢，尤其當污泥用量大于等于37.5 t/hm2時，土壤養分和綜合肥力指數與對照相比顯著增加。污泥添加后石灰性土壤上磷素淋失的Olsen-P風險值為28.57 mg/kg，此時不施肥的污泥累積施用量為61.39 t/hm2。因此，污泥農用改善石灰性土壤養分狀況的同時，需要注意污泥過量施用造成的養分淋失風險。