造紙廠污泥用于礦山廢棄地土壤改良的試驗研究

摘要：試驗將造紙廠污泥施用于礦山廢棄地，研究其對礦山廢棄地玉米產量及土壤理化性狀的影響。通過測定土壤及玉米籽粒中重金屬等有害物質的含量來對污泥應用的安全性進行評價。結果表明：污泥的施用可促進玉米產量的形成，并且與施用量呈正相關，其中XCL3處理的效果最好；污泥還可以顯著改善礦山廢棄地土壤理化性狀，平衡土壤酸堿度，調節水溶性鹽含量及陽離子交換量，增加有機質、氮、磷、鉀含量；施用污泥后土壤及玉米籽粒中重金屬均符合國家標準，不會對土壤環境造成危害，也不會通過食物鏈進入人體。

關鍵詞：污泥；玉米產量；土壤理化性質；重金屬含量

中圖分類號：S156；X752" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1674-1161（2023）05-0019-04

礦山廢棄地是一類特殊的退化生態系統，由于受到人為巨大干擾，其超出了原有生態系統的修復容限^[1]。礦山廢棄地分為精礦篩選后剩余巖石碎塊和低品味礦石堆積而成的廢石堆、尾礦砂形成的尾礦庫、矸石堆積的矸石山和剝離物壓占陡坡排巖場（排土場）^[2-3]。礦區廢棄地造成生態破壞的根源是土壤因子發生改變，即廢棄地土壤理化性質的變壞、養分的丟失及土壤中有毒有害物質的增加，使得礦山廢棄地不具備植被生長的基本條件。因此，土壤整治是礦區廢棄地生態恢復最重要的環節之一^[4]。

污泥雖是一種廢棄物，但其富含有機質及大量氮磷鉀等元素^[5]，可以直接用于土壤改良。實踐證明，使用污泥的地塊土壤容重減小，酸堿度更加穩定，能夠有效提高耕地質量^[6]。這樣不但可以消納大量的污泥，還可以利用污泥中含有的大量植物必需營養元素。同時污泥具有較高的腐殖質含量和較強的持水保水性，施用于礦山廢棄地可以有效改善土壤結構，增加土壤肥力，從而加速廢棄地植被恢復^[7]，重構廢棄地土壤生態系統，改善區域環境質量和景觀，并進一步通過種植帶來一定的經濟效益。

研究選擇撫順市琥珀造紙廠的污泥，并設計不同施用量。通過田間小區試驗來研究其對改良后的礦山廢棄地土壤理化性質、作物產量和重金屬含量的影響，以期為礦區生態環境修復工程提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤 為礦山廢棄地，面積約6.7 hm²。土壤基本理化性質為pH 8.3，有機質8.7 g/kg，陽離子交換量12.33 cmol/kg，水解性氮27.2 mg/kg，有效磷2 mg/kg，速效鉀18.8 mg/kg，水溶性鹽總量0.89 g/kg。

1.1.2 造紙廠污泥" 以造紙廠污泥為主要原料加工配制而成。其中，造紙廠污泥取自撫順琥珀造紙廠，其經堆肥發酵、固化、粉碎、篩分、調酸堿、調C/N比等工藝措施加工處理后再使用。

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 試驗設計 試驗采用隨機區組設計，設4個處理，分別為：CK，空白對照；XCL1，8 t/667 m²；XCL2，10 t/667 m²；XCL3，15 t/667 m²。3次重復。以玉米為指示作物。

1.2.2 測定方法與數據處理 土壤pH值測定應用酸度計法（水土比5∶1）；土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法；總氮（TN）測定應用半微量凱氏法一容量法；堿解氮（AN）、有效磷（AP）和速效鉀（AK）的測定應用提取比色法；總磷（TP）測定應用離子色譜法；總鉀（TK）測定應用乙酸銨提取一火焰光度法；土壤中重金屬含量總汞、總砷、總鉻的測定采用原子熒光法；鉛、鎘的測定采用石墨爐原子吸收分光光度法；植物中重金屬的測定采用《食品安全國家標準食品中鉛、汞等的測定》。

數據的分析處理和作圖應用SPSS 22.0和Microsoft Excel 2010軟件進行。

2 結果與分析

2.1 不同處理對玉米產量的影響

詳細數據見表1和圖1。

從表1和圖1看出，各處理與對照相比，均使玉米的產量有較大幅度的提高。其中，XCL3的產量最高，達到836.01 g，較CK，XCL1，XCL2增產率分別為30.83%，17.6%，7.85%；XCL2的產量為728.48 g，較CK，XCL1增產率分別為21.31%，9.04%；XCL1的產量為659.48 g，較CK增產率為11.25%；CK的產量最低，為574.89 g。各處理提高幅度由大到小的順序是：XCL3＞XCL2＞XCL1。從中可以看出，施用污泥可以提高玉米產量，顯示出良好的肥效作用，并且隨著污泥施用量的增加，玉米產量呈現穩步上升的趨勢。但是，污泥在玉米生產中的最佳施用量還有待進一步驗證。因此，進一步探討污泥農業利用的機理和技術是非常必要的。

2.2 不同處理對土壤理化性質的影響

數據見表2。

由表2可知，礦山廢棄地施用污泥可以改善土壤理化性質。隨著污泥施用量的增加，土壤pH值隨之降低，土壤由堿性調整至中性，同時，可溶性鹽含量呈下降趨勢，且均在合理范圍內（＜30 g/kg），不會對作物生長造成不良影響，而土壤陽離子交換量（CEC）呈明顯上升趨勢。施用污泥使土壤有機質、氮、磷、鉀含量增加，這與張書光^[8]利用城市污泥來改良礦山廢棄土壤理化性質的研究結果一致。其中XCL3處理水平使土壤有機質含量較CK（空白對照）分別提高了108.51%，106.89%，163.87%；同時還可以顯著提高土壤全氮、水解性氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀含量，與CK（空白對照）處理相比較，XCL3處理水平表現尤為顯著。

根據全國第二次土壤普查土壤養分分級標準，與CK（空白對照）處理相比，在種植玉米的土壤中，施用污泥各處理水平均使土壤有機質級別提升了一個等級，即從“缺”提升至“稍缺”水平。XCL3處理水平的土壤全氮及水解性氮含量均提升了一個等級，分別從“稍缺”提升至“中等”水平，從“極缺”提升至“缺”水平；土壤全磷及有效磷含量分別從“稍缺”提升至“中等”水平，從“極缺”提升至“缺”水平；土壤全鉀含量提升了兩個等級，從“缺”提升至“中等”水平；XCL3處理水平的土壤速效鉀含量提升了一個等級，從“極缺”提升至“缺”水平。

2.3 不同處理對土壤及植物重金屬含量的影響

2.3.1 不同處理對土壤重金屬含量的影響 污泥的污染特性主要因為污泥中含有重金屬、有機污染物和病原菌等有毒有害物質。污泥中含有多種重金屬，主要有 As，Cd，Cr，Pb 和Zn等，是污泥資源化利用的主要障礙^［9-11］。由于重金屬具有易累積、難遷移、危害大等特點，成為制約污泥農業利用的最主要因素^［9］，也是限制其土地利用的主要因素之一。試驗所用污泥是以造紙廠污泥為主要原料加工配制而成，因此，研究選取了鉛、鉻、汞、鎘、砷5項重金屬指標及苯并[a]芘進行了分析檢測，以便于評價該污泥在農業生產中應用的安全性、可行性。詳細數據見表3。

表3給出了在礦山廢棄地種植玉米試驗中不同處理土壤的重金屬及苯并[a]芘含量檢測結果以及評價標準。通過檢測結果與《土壤環境質量-農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）對相關指標的限值要求的對照及分析，可以看出種植玉米的各處理土壤重金屬及苯并[a]芘含量檢測結果均小于相對應的限值，符合國家標準，說明將污泥用于礦山廢棄地土壤改良是安全可行的，不會對土壤環境造成危害。但是，從表3的檢測結果看，與CK（空白對照）相比，施用污泥的各處理中，土壤重金屬的含量隨著污泥施用量的增加而逐漸增加，特別是鉛和總砷兩種重金屬含量的增加幅度較大，并且與CK（空白對照）相比，施用污泥各處理的檢測結果都形成了顯著差異，各處理間也形成了顯著差異。因此，在施用以造紙廠污泥為主要原料加工配制的污泥來來進行礦山廢棄地改良時，應進一步研究該污泥的施用對土壤重金屬含量累積效應的影響以及其影響的機理，尤其要特別關注鉛和總砷兩種元素，并進一步通過田間試驗來研究其用于改良礦山廢棄地的最佳施用量以及限量值，根據研究成果提出行之有效的技術措施來進行改進，減弱或消除其不利影響，從而實現改良礦山廢棄地的可持續性的良性循環。

2.3.2 不同處理對植物重金屬含量的影響" 詳細數據見表4。通過將表4所給出的玉米籽粒5項重金屬指標（鎘Cd、鉻Cr、鉛Pb、總汞Hg、總砷As）含量的檢測結果與國家相關標準對照，可以看出玉米籽粒中5項重金屬指標的含量均遠遠小于《食品安全國家標準食品中污染物限量GB 2762-2017》中對應的限值要求，符合國家標準，說明將污泥應用于改良礦山廢棄地土壤是安全可行的，不會通過食物鏈對人體造成不良影響。

由表4可知，污泥對玉米籽粒中重金屬含量的影響主要表現為對鉛和總砷兩種重金屬含量的影響，并且隨著污泥施用量的增加而增加，且均在XCL3處理水平時達最大值，并與空白對照形成顯著差異。這可能與不同的植物品種對不同重金屬的敏感性不同，從而造成了累積效應的不同。建議對其影響的機理進行進一步研究，并提出行之有效的改進措施，以減弱或消除其影響。

3 結論與討論

礦山廢棄地施用污泥能促進玉米生長發育，提高其產量形成因素，從而提高玉米產量。在試驗條件下，XCL3處理的效果最好，其效果好于其它處理，并且與污泥施用量呈正相關，其增產效果隨著污泥施用量的增加而增加。

1） 礦山廢棄地施用污泥可以顯著改善其土壤理化性狀，平衡土壤酸堿度，調節水溶性鹽含量及陽離子交換量，增加有機質含量，較大幅度增加了土壤中大量元素氮、磷、鉀的含量，特別是對氮、磷、鉀有效養分含量的增加，在充分保證土壤供給作物正常生長發育所需養分的同時，可以有效地提升土壤養分含量的等級級別，為污泥在土地復墾、土壤改良及中低產田改造等中的應用提供了理論依據。

2） 施用污泥增加了礦山廢棄地土壤重金屬的含量，且隨著污泥施用量的增加，礦山廢棄地土壤中重金屬含量也隨之增加，產生了累積效應。通過對不同處理礦山廢棄地土壤重金屬含量檢測結果與《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）中對土壤重金屬含量限值要求的數值對比，各處理的土壤重金屬含量均符合國家標準，均在安全范圍內，說明將污泥用于礦山廢棄地土壤改良是安全可行的，不會對土壤環境造成危害。

3） 各處理的玉米籽粒中5項重金屬指標的含量均遠遠小于《食品安全國家標準食品中污染物限量GB 2762-2017》中對應的限值要求，符合國家標準，說明將污泥應用于改良礦山廢棄地土壤是安全可行的，不會通過食物鏈影響對人體造成不良影響。

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Experimental Study on the Application of Paper Mill Sludge to Soil Improvement of Mine Abandoned Land

ZHOU Xiaoying， LI Jieying

（Fushun Mining Group Engineering Technology Research Center， Fushun Liaoning 113008， China）

Abstract： Paper mill sludge was applied to mine abandoned land in an experiment to study its effects on maize yield and soil physical and chemical properties. The safety of sludge application was evaluated by measuring the content of heavy metals and other harmful substances in soil and maize kernel. The results showed that： The application of sludge could promote the formation of maize yield， and was positively correlated with the application amount， among which XCL3 treatment had the best effect; Sludge can also significantly improve soil physical and chemical properties， balance soil pH， adjust water-soluble salt content and cation exchange capacity， and increase the content of organic matter， nitrogen， phosphorus and potassium; Heavy metals in soil and corn seeds after sludge application meet national standards， will not cause harm to the soil environment， and will not enter the human body through the food chain.

Key words：" sludge; maize yield; soil physical and chemical properties; heavy metal content

收稿日期：2023-04-05

作者簡介：周曉瑩（1971—），男，本科，農藝師，從事油頁巖及其廢棄物農業資源化利用研究。