連續施用堆肥污泥提高小麥-玉米輪作下酸性水稻土肥力

徐富錦，常會慶，潘亞杰，李嵐坤

(河南科技大學 農學院/牡丹學院，河南 洛陽 471023)

0 引言

中國污泥產量巨大，預計2025年干污泥產量將達到851.97×104t[1]，因此，污泥的處置和利用已經成為當前的熱點環境問題之一。由于污泥中含有大量的有機質、氮、磷、鉀和微量元素等養分，因此具有較高的農用潛力[2]。雖然污泥施用有增加土壤和作物重金屬積累的風險[3]，但隨著中國對污泥農用控制標準的嚴格要求，污泥中重金屬含量呈現降低趨勢，因此污泥農用越來越受到人們的重視[4]。目前，污泥填埋仍是中國污泥處置的主要方法，但不少國家的污泥土地利用比例已高于填埋處置[5]。大量研究表明：無害化處理后的堆肥污泥作為肥料施用，能改善土壤孔隙度、持水能力等物理性狀[6]，同時具有增加土壤微生物活性、促進根系生長、增強作物光合作用和提高土壤養分供應等作用，從而可明顯提高作物產量[7-9]。

堆肥污泥可廣泛施用于不同作物和土壤類型中，而且都表現出提高土壤肥力、增加作物產量的作用。如在沙質潮土[10]和灌漠土[11]上施用恰當比例的堆肥污泥后，玉米、小麥、龍葵[12]等植物與對照相比顯著增產，而且對土壤和作物重金屬也沒有產生明顯影響[13]；水稻田中污泥的施用也可以顯著增加水稻產量[14]。另外，污泥農用還會改變土壤的酸堿特征，同時對土壤的碳組分等特征產生影響[15]。但是，當污泥過量施用時也會增加土壤養分的淋失和重金屬的積累風險。

水稻的多年種植，使土壤pH值出現明顯下降，導致土壤酸化嚴重，而通過小麥、玉米旱作模式的變化，增施堆肥污泥，則有助于土壤酸化的改善[16]。因此，本研究選擇酸性旱作水稻土為供試土壤，通過連續施用堆肥污泥，明確不同污泥施用量對土壤酸堿和養分特征的影響，可為后續進一步評估堆肥污泥施用的養分淋失等風險提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試堆肥污泥取自洛陽市某污泥處理廠，該污泥經好氧高溫發酵后制備而成，堆肥污泥的基本理化性質如下：有機質41.40%(質量分數)、pH7.74、全氮20.15 g/kg、全磷15.32 g/kg、全鉀2.17 g/kg。所選堆肥污泥重金屬含量符合《農用堆肥污泥中污染物控制標準》(GB 4284—2018)所規定的值(鎘、汞、鉛、鉻、砷含量分別小于3 mg/kg、3 mg/kg、300 mg/kg、500 mg/kg、30 mg/kg)。供試小麥、玉米品種分別為豫農035、鄭單958。

1.2 試驗設計與處理

試驗在河南科技大學農場開展，試驗點(34°41′N；112°27′E)地處溫帶大陸性季風氣候區，年均氣溫12.2～24.6 ℃，無霜期210 d以上，年降水量、日照時間和年均相對濕度分別為528～800 mm、2 200～2 300 h和60%～70%。

供試酸性水稻土取自河南省駐馬店市某水稻田，基本理化性質如表1所示，將上述土壤風干后過2 mm篩(除去雜草、砂礫等物質)，取10 kg土壤放置于高40 cm、直徑30 cm的塑料盆缽中。土壤中堆肥污泥添加量參照《農用堆肥污泥中污染物控制標準》(GB 4284—2018)設置，污泥添加量分別為0 t/ha (對照，CK)、3.75 t/ha (處理1，A1)、7.50 t/ha (處理2，A2)、37.50 t/ha (處理3，A3)和75.00 t/ha (處理4，A4)(上述施用量均按照大田表層土質量為2.25×106kg折算)。盆栽試驗連續2年(2016—2017年)種植冬小麥-夏玉米，每年6月份種植玉米，玉米收獲后于10月份種植小麥，每盆小麥保留10株，玉米1株。每個處理重復3次，隨機排列在溫室中，并且只在小麥季每盆施加尿素(科密歐化學試劑，分析純，氮質量分數46.00%)2.60 g，過磷酸鈣(大茂化學試劑，實驗純，有效磷質量分數16.00%)4.20 g，氯化鉀(大茂化學試劑，分析純，鉀質量分數60.00%)1.30 g。

表1 供試土壤的基本理化性質

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品在作物收獲后采集，土壤樣品風干后，分別過0.85 mm和0.15 mm土篩后備用。土壤pH值、有機碳含量、全氮含量等基本理化指標參照文獻[17]方法測定。

土壤綜合肥力評價方法：采用內梅羅(Nemoro)指數法計算土壤綜合肥力指數(integrated fertility index, IFI)[5]。將土壤pH值、有機碳、全氮、速效磷和速效鉀的含量等指標代入下列公式，計算其分肥力系數IFIi：

其中：IFIi為分肥力系數；x為土壤各指標測定值；xa為分級標準下限；xp為分級標準上限；xc介于分級標準上、下限間；IFIi平均為土壤各指標分肥力均值；IFIi最小為土壤各指標分肥力最小值；n為測定指標個數。根據IFI值可將土壤肥力分為4類[18]。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel軟件進行數據處理，采用SPSS 17.0軟件進行數據方差分析，不同處理間采用最小顯著差數法(least significant difference,LSD)進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 添加堆肥污泥對土壤pH值和有機碳含量的影響

表2為不同年份、季節堆肥污泥添加對土壤pH值和SOC含量影響。由表2可知：同一生長季土壤pH值和有機碳(soil organic carbon,SOC)含量隨堆肥污泥施用量及施用年限的增加而增大。與CK相比，2016年小麥季堆肥污泥添加處理為A3、A4時，土壤pH值分別顯著升高了0.21和0.38(P<0.05)；2017年小麥季各污泥添加處理的土壤pH值升高了0.11～0.65(P<0.05)；在兩年玉米季中，各處理土壤pH值相較于CK分別增加了0.27～0.72和0.34～0.99。相同污泥施用條件下，小麥季2017年各處理土壤pH值高于2016年，且2017年A2、A3、A4處理土壤pH值顯著高于2016年；同樣在玉米季，2016年和2017年各處理土壤pH值較CK顯著增加，且2017年A2、A3、A4處理土壤pH值均顯著高于2016年。

表2 不同年份、季節堆肥污泥添加對土壤pH值和SOC含量影響

與CK相比，2016年小麥季A3處理和玉米季A4處理的土壤SOC含量分別顯著增加了18.78%和22.54%(P<0.05)；2017年小麥季A3、A4處理顯著增加了17.94%和19.24%，玉米季則在A4處理達到差異顯著。小麥季A3、A4處理在兩年都較其余各處理的SOC含量顯著增加，且同一處理兩年之間沒有顯著差異；玉米季A4處理在兩年都較其余各處理的SOC含量顯著增加，且在2017年顯著高于2016年。說明添加一定量堆肥污泥有提高土壤pH值和肥力的作用。

2.2 添加堆肥污泥對土壤堿解氮含量和全氮含量的影響

表3為不同年份、季節堆肥污泥添加對土壤堿解氮含量和全氮含量的影響。由表3可知：污泥施用可有效增加土壤中氮素含量。同一生長季土壤堿解氮含量和全氮含量均隨堆肥污泥施用量的增加而呈升高趨勢。與CK相比，兩年小麥季A3處理堿解氮含量顯著增加，而兩年玉米季各施用污泥處理的堿解氮含量分別升高了11.20%～33.34%和11.18%～38.30%(P<0.05)。相同污泥施用條件下，小麥季2017年各處理土壤堿解氮含量均高于2016年；而在玉米季，只有2017年A4處理堿解氮含量顯著高于2016年。與CK相比，兩年小麥季A3處理土壤全氮含量分別顯著升高了23.08%和41.90%(P<0.05)；2016年玉米季A3處理土壤全氮含量顯著升高了15.00%；2017年玉米季則在A4處理時顯著升高了50.60%。兩年玉米季土壤全氮含量均在A3處理時開始出現顯著變化，且同一處理在年季之間差異顯著。

表3 不同年份、季節堆肥污泥添加對土壤堿解氮含量和全氮含量的影響

2.3 添加堆肥污泥對土壤速效磷含量和全磷含量的影響

表4為不同年份、季節堆肥污泥添加對土壤速效磷含量和全磷含量的影響。由表4可知：同一生長季土壤速效磷含量及全磷含量均隨堆肥污泥施用量及施用年限的增加呈升高趨勢。與CK相比，2016年小麥季和玉米季土壤速效磷含量在A3、A4處理時分別顯著升高了29.50%和41.18%、27.49%和37.32%；2017年小麥季和玉米季均在A2處理時顯著增加。相同污泥施用條件下，小麥季2017年各處理土壤速效磷含量高于2016年，且2017年A4處理速效磷含量顯著高于2016年；玉米季兩年土壤速效磷含量均在A3處理時顯著增加，且同一處理在年季之間差異顯著。同樣，與CK相比，兩年小麥季土壤全磷含量均在A2處理時顯著升高了13.75%和26.51%(P<0.05)；2016年玉米季A3處理的土壤全磷含量顯著升高；2017年玉米季則是A2處理開始顯著升高。相同污泥施用條件下，小麥季2017年各處理土壤全磷含量高于2016年，且A2、A3、A4處理在年季之間差異顯著；同樣在玉米季，2017年各處理土壤全磷含量均高于2016年，且2017年A4處理顯著高于2016年。

表4 不同年份、季節堆肥污泥添加對土壤速效磷含量和全磷含量的影響

2.4 添加堆肥污泥對土壤速效鉀含量的影響

表5為不同年份、季節堆肥污泥添加對土壤速效鉀含量的影響。由表5可知：同一生長季土壤中，隨著堆肥污泥施用量的增加，速效鉀含量呈升高趨勢，且隨施用年限的增加逐漸累積。相較于CK處理，2016年小麥季和玉米季A2處理土壤速效鉀含量開始出現顯著增加；2017年小麥季和玉米季A3、A4處理速效鉀含量分別顯著升高了43.75%和84.89%、54.21%和101.85%(P<0.05)。小麥季兩年土壤速效鉀含量在A3、A4處理顯著增加，且同一處理下兩年速效鉀含量之間差異顯著；玉米季，2017年A3、A4處理土壤中速效鉀含量顯著高于2016年同一處理速效鉀含量。

表5 不同年份、季節堆肥污泥添加對土壤速效鉀含量的影響 mg/kg

2.5 施用堆肥污泥對土壤綜合肥力指數影響的綜合評價

圖1 同一處理不同生長季、不同年份土壤綜合肥力指數

圖1為同一處理不同生長季、不同年份土壤綜合肥力指數。由圖1可知：堆肥污泥添加量的增加使土壤綜合肥力指數表現出增加的趨勢，且同一生長季相同污泥施用條件下，2017年綜合肥力指數高于2016年。本文堆肥污泥施用條件下，土壤綜合肥力指數IFI為1.01～1.53，與CK相比，2016年小麥季和玉米季A2處理時開始顯著增加；2017年玉米季IFI在A1處理時顯著增加；2017年小麥季IFI在A3處理時較CK顯著增長。小麥季A3、A4處理在兩年都較其他各處理IFI顯著增加，但同一處理兩年IFI之間沒有顯著差異；玉米季相同污泥施用條件下，2017年各處理IFI均高于2016年。相同污泥施用條件下，玉米季土壤肥力低于小麥季，當小麥季堆肥污泥添加量達37.50 t/ha時，土壤肥力提升最大。添加堆肥污泥短期內可有效提高土壤肥力。

3 討論

3.1 添加堆肥污泥改變土壤酸堿度和養分特征

污泥的施用會改變土壤的酸堿特征，本研究中堆肥污泥添加提高了酸性水稻土壤的pH值，原因在于堆肥污泥自身的堿度對土壤酸度起到了一定的中和緩沖作用，還有可能是堆肥污泥進入土壤后通過有機質分解堿性物質來升高土壤的pH值[19-20]。但也有研究表明污泥施用后土壤pH值會降低，如文獻[21]的田間定位試驗結果表明：施用城市堆肥污泥后土壤pH值呈下降趨勢，可見污泥施用對土壤pH值的不同影響與堆肥污泥成分、原料、土壤類型及其基本理化性質有關。另外，本研究中同一年小麥季土壤的pH值均大于玉米季，可能是由于種植玉米之前小麥的根茬留在土壤里，而根茬分解釋放麥根酸，導致pH值降低[22]。

有研究表明：堆肥污泥在草地[23]、林地[24]以及耕地土壤[25]上施用后，土壤有機質、全氮、有效磷等養分含量有明顯增加的趨勢，且上述土壤養分參數均隨堆肥污泥用量和施用年限增加而增加。本研究也有類似的結果，原因在于堆肥污泥本身帶入土壤的養分有時會大于作物吸收利用的量[26]，另外，添加堆肥污泥使土壤中微生物增多，難溶性養分分解速率增大，從而提高土壤有效養分含量，但有時污泥施用后，土壤中氮素含量的增加大于碳素的增加，導致土壤C/N(質量比，下同)的降低，主要是堆肥污泥自身的C/N低所致[27]，而低的C/N會促使土壤微生物礦化作用釋放出氮，為作物的生長提供更多養分[28-30]。文獻[31-33]研究表明：堆肥污泥的施用對土壤中速效鉀含量沒有影響或有降低趨勢。土壤速效鉀含量隨著堆肥污泥用量增加呈現增加趨勢，原因與污泥中鉀的含量有關。

3.2 添加堆肥污泥增加土壤養分淋失風險

污泥具有良好的培肥土壤作用，但長期或過量施用后，土壤中養分的累積也會導致淋失風險。土壤中氮、磷的淋失與污泥類型及施用量、土壤結構及類型、植物種類等因素有關[34]。如文獻[35]中淋溶模擬試驗發現，當堆肥污泥應用到林地時，土壤中大量氮、磷隨著降雨淋失，當污泥添加量控制在占原土壤質量的40%以下時，試驗淋洗液中氨氮質量濃度高達1.208 mg/L。文獻[36]進行了污泥添加后土壤磷素淋失臨界值的研究，發現污泥施用后石灰性土壤磷素淋失臨界值為28.57 mg/kg，超出此臨界值將增大磷素淋失的風險。而本研究的供試土壤為酸性土壤，污泥施用的氮、磷淋失臨界值仍需根據土壤的理化特征進一步確定。此外，污泥的大量施用也會導致重金屬積累風險，由于本研究連續兩年施用堆肥污泥，土壤中Pb、As、Cr、Cd、Hg等重金屬的含量均未超過《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618—2018)的篩選值(結果待發表)，故堆肥污泥短期使用的重金屬風險并未在本文中進行討論，但污泥安全施用年限依然是下一步研究重點，尤其是不同類型土壤對堆肥污泥有不同的容納量。因此，應根據作物類型、土壤養分需求量、堆肥污泥類型等綜合考慮堆肥污泥施用的風險，才能為污泥的合理使用提供更全面合理的依據。

4 結論

酸性水稻土中添加37.50～75.00 t/ha堆肥污泥，能顯著改善土壤酸化特征，并提高當季土壤有機碳含量。堆肥污泥添加量為37.50 t/ha時，可顯著增加土壤養分，提升土壤肥力。因此，建議短期可考慮堆肥污泥作為酸性水稻土的改良劑施用。