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高量施用堆肥污泥快速提高小麦-玉米轮作模式下酸性水稻土pH和碳组分活性的研究

王启震 常会庆 吴杰 徐晓峰

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高量施用堆肥污泥快速提高小麦-玉米轮作模式下酸性水稻土pH和碳组分活性的研究

    作者简介: 王启震 E-mail:1499369560@qq.com;
    通讯作者: 常会庆, E-mail:hqchang@126.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目 (41571319);国家重点研发计划 (2017YFD0801304)

Application of large amount of composting sludge to increase pH and active carbon fractions of acid paddy soil rapidly under wheat-maize rotation

    Corresponding author: CHANG Hui-qing, E-mail:hqchang@126.com ;
  • 摘要:   【目的】  污泥堆肥农用是资源化的主要途径,明确不同用量堆肥污泥对旱作条件下酸性水稻土有机-无机碳组分及pH的影响,可为堆肥污泥的农用提供科学依据。  【方法】  以酸性水稻土为供试土壤,连续进行了2年小麦-玉米轮作盆栽试验。参照GB4284-2018农用污泥施用标准,设置0、3.75、7.5、37.5和75 t/hm2共5个污泥施用量处理,每年10月份种植冬小麦前称取相应量污泥,与盆栽土壤均匀混合后装盆,连续种植冬小麦和夏玉米两季作物。分别在小麦、玉米收获后采集耕层土壤,分析水稻土中有机、无机碳组分和pH值,以及上述参数之间存在的相关关系。  【结果】  供试污泥堆肥用量处理下,土壤pH值随污泥施用量的增加而升高,污泥用量35.7 t/hm2处理的4个生长季土壤pH值较CK分别显著升高了0.21、0.51、0.40和0.70个单位 (P < 0.05)。污泥堆肥农用提高了酸性水稻土中有机碳 (SOC)、易氧化有机碳 (ROC)、可溶性有机碳 (DOC) 和腐殖质碳 (HSC) 含量,同时也提高了碳酸钙 (CC) 和活性碳酸钙 (ACC) 含量,且增加幅度随污泥施用量的增加而上升。污泥用量为75 t/hm2时,土壤各有机碳组分和无机碳组分均显著高于CK(P < 0.05);污泥施用量 ≥ 7.5 t/hm2时,土壤ROC、DOC含量均显著高于CK(P < 0.05);污泥用量 ≥ 3.75 t/hm2时,土壤碳酸钙含量均显著高于CK(P < 0.05)。碳库管理指数在污泥施用量 ≥ 7.5 t/hm2时显著增加 (P < 0.05)。碳酸钙含量和pH值在酸性水稻土上呈显著的正相关关系 (P < 0.05);有机碳和无机碳之间也呈现显著的正相关关系 (P < 0.05)。  【结论】  施用37.5~75 t/hm2生活堆肥污泥可在短期甚至当季显著增加旱作酸性水稻土中有机和无机碳总量和活性有机碳含量,提高土壤pH值,是改善旱作酸性水稻土质量的有效手段。综合之前对堆肥污泥农用在重金属积累、微生物多样性及养分淋失风险的研究,长期施用堆肥污泥对土壤环境的影响尚需进一步研究。
  • 图 1  不同轮作季节土壤碳酸钙、活性碳酸钙含量

    Figure 1.  The calcium carbonate and active calcium carbonate contents in soil during different seasons

    图 2  土壤碳酸钙与pH值的关系

    Figure 2.  Relationship between calcium carbonate and pH in soil

    图 3  土壤有机碳和无机碳的关系

    Figure 3.  Relationship between organic carbon and inorganic carbon contents in soil

    表 1  供试土壤和污泥的基本理化性质

    Table 1.  Physico-chemical properties of soil and compost sludge

    项目
    Intem
    有机质 (g/kg)
    OM
    总氮 (g/kg)
    Total N
    总磷 (g/kg)
    Total P
    pH值碱解氮 (g/kg)
    Available N
    有效磷 (g/kg)
    Available P
    碳酸钙 (g/kg)
    CC
    土壤 Soil18.02 ± 0.890.91 ± 0.060.81 ± 0.055.83 ± 0.340.091 ± 0.00332.51 ± 1.4513.83 ± 0.32
    污泥 Sludge414.23 ± 7.5620.15 ± 1.2315.32 ± 1.047.74 ± 0.032.02 ± 0.110.53+0.0386.52 ± 2.34
    注(Note):数据为平均数 ± 标准差 Data are mean ± standard deviation (n=3).
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    表 2  添加堆肥污泥对土壤pH值的影响

    Table 2.  Effects of compost sludge addition on soil pH

    污泥用量处理 (t/hm2)
    Sludge dosage
    20162017
    小麦季 Wheat season玉米季 Maize season小麦季 Wheat season玉米季 Maize season
    0 5.82 ± 0.027 c 5.23 ± 0.037 d 5.80 ± 0.023 d 5.21 ± 0.007 e
    3.75 5.87 ± 0.086 c 5.50 ± 0.026 c 5.91 ± 0.085 cd 5.55 ± 0.035 d
    7.5 5.91 ± 0.043 c 5.60 ± 0.019 c 6.00 ± 0.054 c 5.70 ± 0.064 c
    37.5 6.03 ± 0.022 b 5.74 ± 0.080 b 6.20 ± 0.092 b 5.91 ± 0.091 b
    75 6.21 ± 0.025 a 5.95 ± 0.073 a 6.45 ± 0.090 a 6.20 ± 0.031 a
    注(Note):同列数据后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 (P < 0.05) Values followed by different letters are significantly different among treatments(P < 0.05).
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    表 3  土壤中有机碳组分含量 (g/kg)

    Table 3.  Contents of organic carbon components in soil

    年份
    Year
    种植季
    Planting season
    污泥用量处理 (t/hm2)
    Sludge dosage
    SOCROCDOCHSCCPMI
    2016小麦季 WheatSeason09.53 ± 0.21 b2.25 ± 0.09 c0.015 ± 0.001 c1.99 ± 0.09 b100.00 ± 0.00 c
    3.759.66 ± 0.35 b3.37 ± 0.04 cb0.017 ± 0.001 bc2.01 ± 0.04 b175.57 ± 6.12 b
    7.510.08 ± 0.50 b3.76 ± 0.06 ab0.018 ± 0.001 b2.10 ± 0.10 b204.38 ± 11.11 ab
    37.511.32 ± 0.14 a4.00 ± 0.42 ab0.020 ± 0.001 b2.20 ± 0.01 b212.31 ± 36.17 ab
    7511.45 ± 0.37 a4.41 ± 0.07 a0.023 ± 0.001 a2.44 ± 0.05 a237.31 ± 5.53 a
    玉米季 MaizeSeason08.65 ± 0.07 b1.79 ± 0.04 c0.013 ± 0.000 d1.55 ± 0.06 d100.00 ± 0.00 c
    3.758.73 ± 0.15 b1.97 ± 0.07 c0.018 ± 0.001 c1.63 ± 0.04 cd112.25 ± 4.80 c
    7.59.00 ± 0.08 b2.51 ± 0.02 b0.020 ± 0.000 bc1.71 ± 0.02 bc153.51 ± 1.12 b
    37.59.15 ± 0.16 b2.69 ± 0.09 ab0.023 ± 0.000 ab1.83 ± 0.04 ab168.95 ± 6.41 ab
    7510.6 ± 0.42 a2.90 ± 0.12 a0.027 ± 0.002 a1.89 ± 0.06 a176.84 ± 7.49 a
    2017小麦季 WheatSeason09.98 ± 0.21 b3.93 ± 0.30 c0.014 ± 0.001 e2.42 ± 0.31 c100.00 ± 0.00 c
    3.7510.11 ± 0.35 b4.86 ± 0.32 b0.017 ± 0.001 d3.08 ± 0.37 bc146.61 ± 21.77 bc
    7.510.53 ± 0.50 b5.24 ± 0.19 b0.030 ± 0.001 c4.09 ± 0.32 b163.30 ± 17.88 b
    37.511.77 ± 0.14 a5.43 ± 0.05 b0.049 ± 0.000 b4.19 ± 0.42 b155.68 ± 3.05 b
    7511.90 ± 0.37 a6.53 ± 0.22 a0.056 ± 0.000 a6.83 ± 0.30 a225.17 ± 21.23 a
    玉米季 Maize Season09.10 ± 0.07 b2.88 ± 0.05 d0.012 ± 0.001 d2.21 ± 0.22 c100.00 ± 0.00 d
    3.759.19 ± 0.15 b3.01 ± 0.03 cd0.015 ± 0.001 cd2.46 ± 0.14 bc106.61 ± 2.20 cd
    7.59.46 ± 0.08 b3.14 ± 0.05 bc0.019 ± 0.001 bc2.83 ± 0.27 bc110.22 ± 1.15 bc
    37.59.61 ± 0.16 b3.28 ± 0.09 b0.024 ± 0.002 b3.35 ± 0.24 b118.56 ± 3.65 b
    7511.06 ± 0.42 a4.00 ± 0.08 a0.031 ± 0.003 a4.40 ± 0.55 a148.76 ± 4.24 a
    注(Note):SOC—有机碳 Soil organic carbon; ROC—易氧化有机碳 Readily oxidized carbon; DOC—易溶解有机碳 Dissolved organic carbon; HSC—腐殖质碳 Humic substances carbon; CPMI—碳库管理指数 Carbon pool management index; 同列数据后不同小写字母表示同一生长季各处理间存在显著差异 (P < 0.05) The different letters in the same column of same growing season indicate significant difference between different treatments at P < 0.05 level.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-22

高量施用堆肥污泥快速提高小麦-玉米轮作模式下酸性水稻土pH和碳组分活性的研究

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目 (41571319);国家重点研发计划 (2017YFD0801304)
  • 摘要:   【目的】  污泥堆肥农用是资源化的主要途径,明确不同用量堆肥污泥对旱作条件下酸性水稻土有机-无机碳组分及pH的影响,可为堆肥污泥的农用提供科学依据。  【方法】  以酸性水稻土为供试土壤,连续进行了2年小麦-玉米轮作盆栽试验。参照GB4284-2018农用污泥施用标准,设置0、3.75、7.5、37.5和75 t/hm2共5个污泥施用量处理,每年10月份种植冬小麦前称取相应量污泥,与盆栽土壤均匀混合后装盆,连续种植冬小麦和夏玉米两季作物。分别在小麦、玉米收获后采集耕层土壤,分析水稻土中有机、无机碳组分和pH值,以及上述参数之间存在的相关关系。  【结果】  供试污泥堆肥用量处理下,土壤pH值随污泥施用量的增加而升高,污泥用量35.7 t/hm2处理的4个生长季土壤pH值较CK分别显著升高了0.21、0.51、0.40和0.70个单位 (P < 0.05)。污泥堆肥农用提高了酸性水稻土中有机碳 (SOC)、易氧化有机碳 (ROC)、可溶性有机碳 (DOC) 和腐殖质碳 (HSC) 含量,同时也提高了碳酸钙 (CC) 和活性碳酸钙 (ACC) 含量,且增加幅度随污泥施用量的增加而上升。污泥用量为75 t/hm2时,土壤各有机碳组分和无机碳组分均显著高于CK(P < 0.05);污泥施用量 ≥ 7.5 t/hm2时,土壤ROC、DOC含量均显著高于CK(P < 0.05);污泥用量 ≥ 3.75 t/hm2时,土壤碳酸钙含量均显著高于CK(P < 0.05)。碳库管理指数在污泥施用量 ≥ 7.5 t/hm2时显著增加 (P < 0.05)。碳酸钙含量和pH值在酸性水稻土上呈显著的正相关关系 (P < 0.05);有机碳和无机碳之间也呈现显著的正相关关系 (P < 0.05)。  【结论】  施用37.5~75 t/hm2生活堆肥污泥可在短期甚至当季显著增加旱作酸性水稻土中有机和无机碳总量和活性有机碳含量,提高土壤pH值,是改善旱作酸性水稻土质量的有效手段。综合之前对堆肥污泥农用在重金属积累、微生物多样性及养分淋失风险的研究,长期施用堆肥污泥对土壤环境的影响尚需进一步研究。

    English Abstract

    • 污泥堆肥主要指来自于城市污水厂,是以生活污水为主要来源的无害化污泥。与工业污泥相比,生活污水产生的污泥有机质和氮、磷、钾等养分含量较高[1],重金属含量较低[2-3],农业消纳的环境风险也较低,因而,该类污泥合理农用是其资源化的重要途径[4-5]。我国每年的污泥产生量巨大,2020年污泥产量将达6.00 × 107 t[6]。欧美国家污泥的农用比例超过50%以上[7],我国污泥的农用比例也高达54%[8],但其施用量和改良土壤的效果还需要依据具体的土壤和作物条件来研究。水稻土是我国主要的土壤类型之一,在生产实践中常常会将水稻土改为旱作,以解决水稻土酸化以及重金属污染等问题[9-11]。水稻土旱作会导致土壤温度、水分、团聚体特征等因素的改变,引起土壤中有机碳含量显著降低[12-14]。施用有机肥或有机-无机肥配施等措施,可以增加土壤中有机碳或活性有机碳含量[15-16],由于不同有机物料性质不同,施入后对土壤有机碳组分的作用存在差异[17-19]

      土壤中有机、无机碳组分的变化影响着土壤理化、生物特征,进而影响着作物养分供应的持续性和稳定性[20-22]。堆肥污泥中所含大量有机物质会影响土壤中碳组分的输入及其转化[23],例如可以提高土壤易溶解和易氧化有机碳含量,也可以使土壤有机碳库更稳定[24],同时土壤有机碳组分的变化会对土壤无机碳组分产生直接或间接的影响,但堆肥污泥等有机物料施入酸碱性不同土壤后对有机-无机碳组分间的响应关系存在很大差异[25-26]

      我们研究旱作酸性水稻土上施用不同量堆肥污泥对土壤有机-无机碳组分的影响,旨在为堆肥污泥改善旱作酸性水稻土的碳库质量提供理论依据。

      • 供试堆肥污泥取自洛阳市某污泥处理厂,该污泥为经过好氧高温堆肥后制备而成的污泥,污泥基本指标如下表1。所选污泥镉、汞、铅、铬、砷含量分别为2.17、0.058、80.80、232.87、27.95 mg/kg,符合《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-2018) 所规定的A级污泥产物重金属的含量 (镉、汞、铅、铬、砷含量分别小于3、3、300、500、30 mg/kg),可用于耕地。供试小麦、玉米品种分别为豫农035、郑单958。

        表 1  供试土壤和污泥的基本理化性质

        Table 1.  Physico-chemical properties of soil and compost sludge

        项目
        Intem
        有机质 (g/kg)
        OM
        总氮 (g/kg)
        Total N
        总磷 (g/kg)
        Total P
        pH值碱解氮 (g/kg)
        Available N
        有效磷 (g/kg)
        Available P
        碳酸钙 (g/kg)
        CC
        土壤 Soil18.02 ± 0.890.91 ± 0.060.81 ± 0.055.83 ± 0.340.091 ± 0.00332.51 ± 1.4513.83 ± 0.32
        污泥 Sludge414.23 ± 7.5620.15 ± 1.2315.32 ± 1.047.74 ± 0.032.02 ± 0.110.53+0.0386.52 ± 2.34
        注(Note):数据为平均数 ± 标准差 Data are mean ± standard deviation (n=3).
      • 试验在河南科技大学农场开展,该农场位于河南省洛阳市 (34°41′N,112°27′E),试验点地处温带大陆性季风气候,年均气温12.2℃~24.6℃,无霜期210 天以上,年降水量、日照和年均湿度分别为、528~800 mm,2200~2300 h,60%~70%。

      • 酸性水稻土取自河南省驻马店市,土壤的基本理化性质如表1所示。将上述土壤风干后过2 mm筛 (除去杂草、砂砾等物质),取10 kg土壤放置于高40 cm、直径30 cm的塑料盆钵,供试作物为小麦、玉米。试验土壤中污泥不同添加量水平参照《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-2018),设置5个处理分别为:0 t/hm2 (CK)、3.75 t/hm2 (H1)、7.5 t/hm2 (H2)、37.5 t/hm2 (H3)、75 t/hm2 (H4)(按照大田表层土重量为2.25 × 106 kg折算),其中37.5 t/hm2和75 t/hm2用量的设置为上述标准5年规定施用量及其2倍用量,每年10月份种植冬小麦前称取相应量的污泥和肥料,每盆施加尿素2.60 g、过磷酸钙4.2 g、氯化钾1.3 g,、人工均匀混合,混合后的污泥和土壤一起装入盆后、种植冬小麦。盆栽试验连续进行了2年共4季作物,每年6月份种植玉米,玉米收获后于10月份种植小麦,每盆小麦保留10株,玉米1株。每个处理重复3次,在温室中随机排列。

      • 作物收获后采集耕层土壤,土壤样品风干后,分别过0.85 mm和0.15 mm土筛后备用。土壤pH值、有机碳、易溶解有机碳、碳酸钙等基本理化指标参照《土壤农化分析》方法测定[27];土壤易氧化有机碳采用333 mmol/L的高锰酸钾氧化法[28];活性碳酸钙 (ACC) 采用K2MnO4滴定法测定[29]

        土壤碳库指数及碳库管理指数 (Carbon pool management index,CPMI) 等相关指标参照沈宏等[30]的方法计算,其中参考土壤以对照处理土壤为基础。

        碳库指数 (CPI) = 处理土壤总有机碳含量/对照土壤总有机碳含量;

        碳库活度 (A) = 易氧化有机碳含量/(总有机碳含量-易氧化有机碳含量);

        碳库活度指数 (AI) = 样品土壤活度/对照土壤活度;

        碳库管理指数 (CPMI) = 碳库指数 × 碳库活度指数 × 100。

      • 利用Excel 2007进行数据处理,采用SPSS 17.0软件进行数据方差分析和相关性分析,不同处理间采用最小显著差数法 (Turkey) 进行差异显著性检验 (P < 0.05),采用OriginPro 8.5软件作图。

      • 表2可知,同一生长季节,土壤pH值随着污泥施用量的增加呈升高趋势。与CK相比,小麦季污泥高施用量处理 (37.5 t/hm2) 和超量施用处理 (75 t/hm2),2016、2017年土壤pH值均显著增加 (P < 0.05),减量处理 (3.75 t/hm2) 时,2016、2017年土壤pH值没有显著变化,常规量 (7.5 t/hm2) 则使2017年土壤pH值显著提高。玉米季4个污泥添加处理均显著提高了土壤pH值,且pH值的增加幅度随污泥用量显著增加 (P < 0.05)。可见,污泥用量和连续施用年限均影响着其改良土壤酸性的效果。

        表 2  添加堆肥污泥对土壤pH值的影响

        Table 2.  Effects of compost sludge addition on soil pH

        污泥用量处理 (t/hm2)
        Sludge dosage
        20162017
        小麦季 Wheat season玉米季 Maize season小麦季 Wheat season玉米季 Maize season
        0 5.82 ± 0.027 c 5.23 ± 0.037 d 5.80 ± 0.023 d 5.21 ± 0.007 e
        3.75 5.87 ± 0.086 c 5.50 ± 0.026 c 5.91 ± 0.085 cd 5.55 ± 0.035 d
        7.5 5.91 ± 0.043 c 5.60 ± 0.019 c 6.00 ± 0.054 c 5.70 ± 0.064 c
        37.5 6.03 ± 0.022 b 5.74 ± 0.080 b 6.20 ± 0.092 b 5.91 ± 0.091 b
        75 6.21 ± 0.025 a 5.95 ± 0.073 a 6.45 ± 0.090 a 6.20 ± 0.031 a
        注(Note):同列数据后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 (P < 0.05) Values followed by different letters are significantly different among treatments(P < 0.05).
      • 表3结果可知,随着堆肥污泥施加量的增加,土壤中4种有机组分含量均有所提高,且随污泥施用量的增加呈上升趋势。不同轮作季节下,与CK相比,超量施用处理 (75 t/hm2) 时,土壤SOC、DOC、ROC和HSC含量均显著增加,其各组分的增加幅度分别为19.24%~22.54%、13.33~300.00%、38.89%~96.00%和21.94%~182.23%;当污泥施用量超出常规量 (7.5 t/hm2) 时,土壤DOC的含量均显著高于CK,4个生长季DOC的增加幅度分别为20.00%~53.33%、53.85%~107.69%、114.29%~300.00%和58.33%~158.33%。土壤中各有机碳组分含量大小表现为:SOC > ROC > HSC > DOC。同种作物轮作季节下,相同污泥施用量土壤的SOC、ROC、DOC、HSC含量均随着污泥施用年限的增加而增加。土壤碳库管理指数 (CPMI) 可反映农业管理使土壤质量下降和更新的程度[31],该指数上升表明土壤肥力上升,反之则表明肥力下降[32]。由表3可以看出,随着污泥添加量增加,各生长季土壤碳库管理指数呈增长趋势,且按常规量 (7.5 t/hm2) 添加污泥时,各处理的碳库管理指数均显著大于CK处理,表明当常规量 (7.5 t/hm2) 污泥施用显著提高了土壤肥力。

        表 3  土壤中有机碳组分含量 (g/kg)

        Table 3.  Contents of organic carbon components in soil

        年份
        Year
        种植季
        Planting season
        污泥用量处理 (t/hm2)
        Sludge dosage
        SOCROCDOCHSCCPMI
        2016小麦季 WheatSeason09.53 ± 0.21 b2.25 ± 0.09 c0.015 ± 0.001 c1.99 ± 0.09 b100.00 ± 0.00 c
        3.759.66 ± 0.35 b3.37 ± 0.04 cb0.017 ± 0.001 bc2.01 ± 0.04 b175.57 ± 6.12 b
        7.510.08 ± 0.50 b3.76 ± 0.06 ab0.018 ± 0.001 b2.10 ± 0.10 b204.38 ± 11.11 ab
        37.511.32 ± 0.14 a4.00 ± 0.42 ab0.020 ± 0.001 b2.20 ± 0.01 b212.31 ± 36.17 ab
        7511.45 ± 0.37 a4.41 ± 0.07 a0.023 ± 0.001 a2.44 ± 0.05 a237.31 ± 5.53 a
        玉米季 MaizeSeason08.65 ± 0.07 b1.79 ± 0.04 c0.013 ± 0.000 d1.55 ± 0.06 d100.00 ± 0.00 c
        3.758.73 ± 0.15 b1.97 ± 0.07 c0.018 ± 0.001 c1.63 ± 0.04 cd112.25 ± 4.80 c
        7.59.00 ± 0.08 b2.51 ± 0.02 b0.020 ± 0.000 bc1.71 ± 0.02 bc153.51 ± 1.12 b
        37.59.15 ± 0.16 b2.69 ± 0.09 ab0.023 ± 0.000 ab1.83 ± 0.04 ab168.95 ± 6.41 ab
        7510.6 ± 0.42 a2.90 ± 0.12 a0.027 ± 0.002 a1.89 ± 0.06 a176.84 ± 7.49 a
        2017小麦季 WheatSeason09.98 ± 0.21 b3.93 ± 0.30 c0.014 ± 0.001 e2.42 ± 0.31 c100.00 ± 0.00 c
        3.7510.11 ± 0.35 b4.86 ± 0.32 b0.017 ± 0.001 d3.08 ± 0.37 bc146.61 ± 21.77 bc
        7.510.53 ± 0.50 b5.24 ± 0.19 b0.030 ± 0.001 c4.09 ± 0.32 b163.30 ± 17.88 b
        37.511.77 ± 0.14 a5.43 ± 0.05 b0.049 ± 0.000 b4.19 ± 0.42 b155.68 ± 3.05 b
        7511.90 ± 0.37 a6.53 ± 0.22 a0.056 ± 0.000 a6.83 ± 0.30 a225.17 ± 21.23 a
        玉米季 Maize Season09.10 ± 0.07 b2.88 ± 0.05 d0.012 ± 0.001 d2.21 ± 0.22 c100.00 ± 0.00 d
        3.759.19 ± 0.15 b3.01 ± 0.03 cd0.015 ± 0.001 cd2.46 ± 0.14 bc106.61 ± 2.20 cd
        7.59.46 ± 0.08 b3.14 ± 0.05 bc0.019 ± 0.001 bc2.83 ± 0.27 bc110.22 ± 1.15 bc
        37.59.61 ± 0.16 b3.28 ± 0.09 b0.024 ± 0.002 b3.35 ± 0.24 b118.56 ± 3.65 b
        7511.06 ± 0.42 a4.00 ± 0.08 a0.031 ± 0.003 a4.40 ± 0.55 a148.76 ± 4.24 a
        注(Note):SOC—有机碳 Soil organic carbon; ROC—易氧化有机碳 Readily oxidized carbon; DOC—易溶解有机碳 Dissolved organic carbon; HSC—腐殖质碳 Humic substances carbon; CPMI—碳库管理指数 Carbon pool management index; 同列数据后不同小写字母表示同一生长季各处理间存在显著差异 (P < 0.05) The different letters in the same column of same growing season indicate significant difference between different treatments at P < 0.05 level.
      • 土壤无机碳主要是指土壤风化成土过程中形成的发生性碳酸盐矿物态碳,通过用碳酸钙含量表征。土壤活性碳酸钙是指土壤中未与土壤粘粒部分紧密结合、易发生化学反应的碳酸盐。堆肥污泥添加对土壤有机碳组分产生影响的同时,也同样对土壤无机碳组分变化产生影响 (图1)。旱作的4个生长季,污泥添加后土壤碳酸钙含量在不同轮作季均随污泥施用量的增加而增加,与CK相比,污泥减量处理 (3.75 t/hm2) 使土壤碳酸钙含量分别显著增加了8.29%、1.73%、7.78%和3.89%,并且小麦季的增长幅度高于玉米季。土壤中活性碳酸钙的含量均随堆肥污泥施用量的增加而上升,与CK相比,超量施用处理 (75t/hm2) 使土壤活性碳酸钙含量分别显著升高了36.52%、13.84%、96.20%和14.65%,并且活性碳酸钙在小麦季的增长幅度高于玉米季。

        图  1  不同轮作季节土壤碳酸钙、活性碳酸钙含量

        Figure 1.  The calcium carbonate and active calcium carbonate contents in soil during different seasons

      • 土壤中无机碳与pH值、有机碳之间存在相关关系[33-34]。连续2年污泥施用,土壤碳酸钙和pH值之间呈现极显著的正相关关系 (P < 0.01)(图2)。酸性水稻土添加堆肥污泥提高了土壤中CaCO3含量,土壤pH值也逐渐升高。从两者的线性方程可知,土壤中无机碳含量每增加1 g/kg,土壤pH值可增加0.214个单位。土壤有机碳与无机碳之间同样呈现极显著的正相关关系 (P < 0.01)(图3)。土壤无机碳与有机碳的线性相关斜率为1.08,这表明本研究中土壤有机碳含量每提高1 g/kg,土壤无机碳也相应增加1.08 g/kg。

        图  2  土壤碳酸钙与pH值的关系

        Figure 2.  Relationship between calcium carbonate and pH in soil

        图  3  土壤有机碳和无机碳的关系

        Figure 3.  Relationship between organic carbon and inorganic carbon contents in soil

      • 堆肥污泥中含有丰富的有机物,施用大量堆肥污泥不但可以提高土壤总有机碳含量,而且促进土壤各种活性有机碳含量的增加,从而有利于提高土壤的碳库管理指数[35-37]。土壤易氧化有机碳 (ROC) 和溶解性有机碳 (DOM) 与总有机碳相比更能反映出土壤质量及肥力变化,易于促进土壤养分的供应和循环[38]。在本研究中,连续两年进行超量施用处理 (75 t/hm2),可显著提高有机碳中的活性有机碳组分含量 (表3),改善土壤有机碳质量。刘晓等[39]在小麦-玉米轮作体系的沙质潮土施用无害化污泥也得到了同样的结论。腐殖质 (humic substances,HS) 作为土壤中广泛存在的稳定高分子聚合物,也是土壤肥力的一项重要指标[40]。污泥堆肥过程是有机物的腐殖化过程,形成的腐殖质主要以胡敏酸为主[41]。因此,本研究堆肥污泥添加后导致土壤腐殖碳含量增加,并且常规量处理 (7.5 t/hm2) 与对照相比,腐殖质碳显著增加,有利于土壤中有机碳库的固存,但是其稳定性还需长期试验来证明。土壤碳库指数可以灵敏反映农业生产措施对土壤肥力,土壤碳库动态变化影响土壤质量[42]。本研究同一生长季随着污泥添加量增加,土壤碳库管理指数呈增加趋势,可见短期堆肥污泥的施用有利于供试土壤质量的提高和更新。但相同生长季在同一污泥施用条件下,土壤碳库管理指数并没有随着施用年份的增加而增加。原因在于污泥施用量的增大虽然使ROC、DOC的绝对含量提高,但污泥中稳定状态的有机碳如木质素、纤维素和本纤维素、腐殖质等占主导地位[43],增大污泥用量后,土壤中上述难于微生物降解的稳定态碳含量增大,导致其碳库活度及碳库活度指数降低,故碳库管理指数随年季呈降低趋势。

      • 长期施用有机肥可以影响土壤中无机碳在土壤剖面的淋溶或淀积[44]。本研究中堆肥污泥的连续添加不但使土壤中的活性碳酸钙和碳酸钙含量升高,同时也增加了土壤pH值,原因可能是活性碳酸钙的分解使交换性Ca2+增加,从而导致土壤盐基饱和度的增大而引起土壤pH值的升高,这显然与土壤的复钙 (生物的和化学的) 作用有关[45],小麦-玉米轮作的水稻土中无机碳和pH值之间呈极显著的正相关关系,进一步证明了土壤无机碳增大会引起土壤pH值的升高。通常有机物料对土壤pH值的影响与有机物料施入土壤后的行为有关,一方面,有机物质会发生腐解而产生有机阴离子,在土壤中这些阴离子会与铝铁氢氧化物中的OH-发生配位交换反应,使OH-增加,升高pH值[46];另一方面,通过络合作用降低土壤交换性离子含量,提高土壤的酸碱缓冲性能,从而减缓了土壤酸化进程[47-48],同时施用有机物料对土壤酸化的影响与有机物料的性质及土壤的初始pH值有关[49-50]。本研究中同种作物生长季,未施用污泥处理的pH值有降低趋势,说明单纯化肥施用会导致土壤的酸化趋势;施用堆肥污泥的处理,土壤pH值随污泥施用量增加而呈上升趋势。因此,在酸性水稻土上施用堆肥污泥,可以有效改善土壤的酸化趋势。本研究还发现,小麦季土壤的pH值比玉米季大,原因在于玉米季通常处于雨热同季,该阶段污泥中大量有机质加速分解,会产生更多的有机酸[51],从而导致土壤pH值在玉米季比小麦季低,另外由于种植玉米之前,小麦的根茬留在土壤里,而根茬在土壤微生物的分解下释放有机酸,也可能是使土壤pH值降低的原因之一[52]

      • 堆肥污泥富含有机质和氮、磷、钾等营养元素,因此污泥的施用有利于作物产量的增加,本研究在超量施用处理 (75 t/hm2) 条件下,所测定作物产量增加范围在4.32%~14.66%之间 (该结果未发表),但污泥中所含重金属仍是限制其农用的主要因素。已有研究发现,污泥大量施用会导致土壤中重金属的积累风险[53],还有研究证明大量施用污泥会导致土壤养分过量积累,引起淋溶风险[54-55],而且会对土壤微生物多样性产生影响[56]。本研究连续施用污泥2年,在超量施用处理 (75 t/hm2) 下,土壤重金属的含量为Cu 53.10 mg/kg、Pb 19.84 mg/kg、Cr 97.57 mg/kg、Cd 0.29 mg/kg、As 9.82 mg/kg(该结果未发表),均低于国家土壤环境质量标准 (GB 15618-2018) 规定的上限,可见大量施用污泥在短期内尚未造成土壤重金属的超标问题。由于堆肥污泥农用影响土壤pH值变化,而土壤pH值变化又直接影响到土壤养分的淋失[57],通过污泥过量施用后磷素淋失临界值的研究表明,石灰性土壤磷素淋失临界值为28.57 mg/kg,其对应的污泥施用量为61.39 t/hm2[4]。酸性水稻土由于本底碳酸盐含量和基性盐含量低,其导致养分淋失的临界值还需研究。另外,我们前期研究还发现,石灰性土壤上连续2年高量施用污泥 (37.5 t/hm2) 没有增加根际土壤中细菌的多样性,当超量施用污泥 (75 t/hm2) 时,显著降低了根际和非根际土壤中细菌的多样性指数[58]。因此,堆肥污泥作为土壤改良剂的施用量,短期内可以高达常规用量的5~10倍,此时不论对土壤酸性,还是有机碳总量及其活度都有十分显著的效果,但是由于其对微生物多样性和养分淋失产生的影响,具体施用量和施用间隔时间,还需要进一步研究。

      • 在旱作酸性水稻土上,施用质量合格的生活污泥堆肥35~75 t/hm2可在当年甚至当季显著提高土壤中有机碳、活性有机碳和无机碳含量和土壤pH值,是有效的酸性土壤改良剂,连续2年施用尚未发现重金属超标问题。结合前期堆肥污泥施用后土壤微生物多样性和养分淋失等参数影响的研究,高量施用污泥的间隔期还需进一步研究。

    参考文献 (58)
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