施污泥對鹽堿土理化性質的影響范文

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《環境科學與技術雜志》2014年第S1期

1測定指標及方法

土壤和污泥基本理化性質的測試方法參照《土壤農化分析》（第三版）；總磷、總鉀、總銅、總鉛、總鉻、總砷、總鋅、總鎳采用HNO3-HF-HClO4微波消解ICP-AES法；重金屬形態采用BCR四步連續提取法，將土壤中重金屬分為：可交換與碳酸鹽結合態、鐵-錳-氫氧化物結合態、有機物與硫化物結合態、殘渣態，并采用ICP-AES測定各形態重金屬含量。小麥種子發芽試驗：小麥種子為東北農業大學農學院小麥組06-4069號。供試土壤取經風干研磨后的0.25mm標準篩下物。改良初期共設12個處理，包括蒸餾水對照、鹽堿土對照及脫水污泥與鹽堿土混合樣品10個（污泥體積比分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%），每個樣品取10g，加蒸餾水10mL，其他試驗土壤為孵育試驗花盆中的改良土壤。上述每個處理3個重復，每個重復均用4分法從純凈種子中選取種子50粒放入培養皿，種子之間保持1~5倍的間距。培養皿用酒精擦洗消毒，濾紙作床放置于25℃恒溫箱中。發芽過程中注意每天定時加水、通氣，并記錄種子逐日發芽情況。當胚根突破種皮，長度為種子長度一半時計為發芽種子。待發芽結束后統計發芽率、發芽勢，3個重復取平均值。發芽率=（n/N）100%（1）式（1）中：n為種子正常發芽粒數（計數時間：第8天），N為供試種子總數。發芽勢=（A/N）100%（2）式（2）中：A為發芽種子數達高峰時正常發芽種子數（計數時間：第5天）。

2結果與討論

2.1污泥改良對土壤鹽堿化特征參數的影響土壤容重、pH值、水溶性鹽含量、堿化度通常是表示土壤鹽堿化程度的重要參數，這些指標值越高表明鹽堿化程度越高，越不利于植物生長。圖1表明以污泥為改良劑可有效減低土壤容重、pH值和堿化度，改善土壤的鹽堿化狀況。由圖1（a）可知：未經改良的鹽堿土即使通過物理翻混，仍然維持較高的容重，在20個月的孵育時間內始終在1.31~1.35g/cm3之間。隨著污泥投加比例的增加，土壤容重不斷降低，尤其是污泥比例超過30%的改良土壤容重降低更為明顯。這與之前研究總結的土壤有機質含量增加與容重的變化呈顯著的線性相關這一結論相一致[13]。隨著孵育時間的延長，一次污泥改良后的土壤在植物生長期結束后土壤容重均有回升的趨勢，這與有機物的不斷礦化關系密切。在二次污泥改良后土壤容重繼續降低。圖1（b）表明：隨著污泥投加比例的增加土壤pH值顯著降低；污泥投加比超過30%，可降低pH值1個單位以上，唐銀健等在施用污泥堆肥改良堿性灘涂土時也得到了相似的結果[14]。隨著孵育時間的延長，土壤pH值基本維持下降；在一次改良后8~20個月之間土壤pH值為先升高再降低的趨勢，其原因可能是在有機質分解和硝化作用中產生了有機酸[12]，有機酸不斷產生和分解的過程導致了pH值的波動。圖1（c）表明：污泥改良可增加土壤水溶性鹽含量。一次改良后的20個月內，污泥投加量在20%以下的土壤中含鹽量有略微增加的趨勢；而投加量在30%以上的土壤中含鹽量卻不斷降低，可能的原因是低污泥投加量的土壤由于物理性質改良效果不明顯而出現返鹽現象，而高污泥投加量的土壤由于其容重降低明顯，土壤孔隙率增高以及作物生長期植物的覆蓋作用使得土壤排鹽效果增強。經過二次污泥改良后的土壤含鹽量進一步增加。然而，土壤堿化度隨污泥添加比例的增加明顯降低（圖1（d）），說明盡管污泥可增加土壤的水溶性鹽含量，但可有效降低土壤陽離子交換量中交換性鈉的比例。一次污泥改良后，隨著孵育時間的延長土壤堿化度變化不大；經二次改良后土壤堿化度進一步降低。

2.2污泥改良對鹽堿化土壤養分性質的影響

2.2.1有機質土壤有機質是植物所需各種礦物營養的重要來源。由圖2可知：土壤有機質隨污泥投加量的增加而增加，但隨著孵育時間的延長，由于有機物的礦化作用，改良后土壤有機質均有所降低，且高污泥投加量的土壤有機質礦化率也越高，這與之前的研究結果基本一致[15]。在孵育期15d內有機物降解速率最快，3個月內，污泥投加比例在30%以上的改良土壤中有機物達到基本穩定。8個月后，30%以下污泥處理的土壤已接近原土的有機質水平，而50%以上處理的土壤有機質約為對照土壤有機質含量的2倍左右。二次改良后的土壤中有機質又明顯增加，并隨時間的延長繼續降低。

2.2.2氮磷鉀氮磷鉀是植物生長的最重要的三大營養元素。圖3表明，土壤總氮、總磷隨著污泥投加比例的增加而增加，且投加比例超過30%增加趨勢更為明顯，這與李偉等在研究污泥改良石灰性土壤中得到的結論相吻合[16]?？傗浐渴芪勰喔牧加绊戄^小，說明原土壤中鉀鹽含量豐富，這也是蘇打鹽堿化土壤的一個重要特征。一次改良后的20個月內，土壤總氮磷鉀在基本不變的基礎上略有降低，二次改良后有明顯增加，說明污泥可視為氮磷鉀的穩定供給源。由圖3可知：土壤速效氮磷鉀也隨著污泥投加比例的增加而增加。一次改良后8個月內，速效氮在污泥投加比例較高的情況下增加明顯，隨后逐漸減低，說明污泥在土壤中有緩釋氮肥的作用，但緩釋肥效持續時間有限。二次改良后又明顯增加。污泥量在30%以下的土壤速效磷含量維持穩定，而50%以上污泥投加的土壤速效磷處于較高的水平。一次改良后20個月內始終處于增加狀態，約為孵育初期的0.5~1.5倍。說明污泥不僅可以增加土壤有效磷肥含量，還具有緩釋磷肥的作用[17]，且肥效期較長。土壤速效磷含量在二次改良后繼續增加。一次改良后土壤速效鉀含量在整個孵育期內變化不明顯；經過二次改良后明顯增加。

2.3污泥改良對鹽堿土中重金屬的影響

盡管生物對許多微量重金屬元素都有一定量的要求，但是由于重金屬的穩定性和富集性，環境中過多的重金屬將會對生命活動起限制作用。由表1可知，原泥中Cu、Pb、As、Zn、Ni、Cr總量均低于《城鎮污水處理廠污泥處置土地改良用泥質》（CJT291-2008）標準。圖4表明，即使是連續2年污泥投加量為70%的改良土壤中重金屬總量仍低于《土壤環境質量標準（GB15618-1995）》（二級旱地土壤pH>7.5）最高允許濃度值。其中：改良土壤中Zn含量隨污泥添加比例的增加明顯增加，而Cr、Cu、Ni、Pb、As含量略有增加，原因是污泥中Zn含量遠遠高于土壤背景值。一次改良后，隨孵育時間的延長，土壤中各重金屬總量均有所降低，說明較長的孵育期更有助于重金屬的遷移。重金屬在土壤中的形態一定程度上決定了它的生物有效性。低污泥投加比例的改良土壤中Zn主要以殘渣態存在，占總量的60%以上；隨著污泥投加量的增加，鐵錳氧化物結合態和可交換態與碳酸鹽結合態的Zn含量均增加明顯。一次改良孵育8個月后，污泥投加比例在30%以下的土壤中，其鐵錳氧化物結合態和可交換態與碳酸鹽結合態的Zn基本消失，20個月后有機物與硫化物結合態的Zn明顯降低。二次改良后，各污泥改良土壤中Zn含量均明顯增加，9個月后仍以鐵錳氧化物結合態的Zn降低明顯。一方面活性較強形態的Zn可能被植物利用，另一方面向更穩定的形態轉化。污泥改良后土壤中Cr和Cu在土壤環境中主要以殘渣態存在，占總量的80%~90%，其次是有機物與硫化物結合態，占總量的8%~15%，且隨孵育時間的變化不明顯。Ni和Pb在改良土壤中殘渣態比例占總量的50%~69%，其次是有機物與硫化物結合態和鐵錳氧化物結合態。一次改良后經過8個月的孵育期，所有改良土壤中的重金屬僅可提取到殘渣態和有機態的Ni和Pb，說明改良土壤中重金屬的遷移性有所降低。二次改良后，20%以上投加比例的土壤中，鐵錳氧化物結合態和可交換態與碳酸鹽結合態的Ni增加明顯，且9個月后仍以這2種形態的Ni降低為主，而Pb的增加則以殘渣態為主，且隨時間變化不明顯。30%以下污泥投加比例改良后的土壤中殘渣態的As占總量的80%~95%以上，其次是鐵錳氧化物結合態的As；當污泥投加量大于50%時，改良土壤中出現有機態和可交換態與碳酸鹽結合態的As。2次污泥改良后，可交換態與碳酸鹽結合態的As含量不但隨著污泥投加比例的增加而增加，而且隨孵育時間的延長也出現增加的趨勢?？梢娢勰喔牧己笸寥乐兄亟饘僭鼗钚暂^強的是Zn、Ni和As，在土地利用時必須要引起足夠的重視，而Cu、Pb和Cr以穩定態為主，環境毒性相對較小，該結論在之前的研究中也得到過類似的驗證[18]。

2.4污泥改良鹽堿土對小麥發芽生長的影響

2.4.1對小麥種子發芽的影響種子發芽可以一定程度上診斷鹽堿良效果和土壤的污染程度，污泥投加比例對小麥種子發芽的影響見圖5。研究過程中蒸餾水（對照）處理的平均發芽率超過90%并達到相對穩定，說明隨機選取的種子平均質量較好，可用于進一步的發芽試驗研究。圖5表明隨著污泥投加比例的增加，種子的發芽率也有所提高。污泥體積比在30%~60%之間，小麥種子發芽率超過60%。鹽堿土對照處理和脫水污泥對照處理的小麥種子發芽率均不超過50%。但是繼續加大污泥投加量并超過60%，表現出種子發芽時間推遲，平均發芽率降低，其原因可能是由于污泥中的有害組分對種子發芽起了抑制作用[19-20]。一次改良后，隨著改良土壤孵育時間的延長，各處理的種子發芽率均有所提高。改良后90d，污泥投加量在30%~50%之間的改良土壤中小麥種子發芽率接近70%，240d可提高到70%以上，在20個月的孵育期末接近80%。二次改良初期，小麥種子發芽情況與一次改良初期相近，經過9個月的孵育期，種子發芽率可達到75%左右，說明污泥的穩定化有利于土壤環境的改善，促進種子發芽，而污泥對作物種子發芽的抑制作用主要表現在改良初期，具有暫時性而非永久性[21]，因此在播種前3個月進行污泥改良，可一定程度上提高種子的發芽率。

2.4.2對小麥生長的影響連續2年污泥改良的小麥盆栽試驗表明：出苗期，以污泥投加比為30%和50%的長勢最好；一次改良條件下，70%污泥投加的土壤中第二年種植小麥的長勢好于第一年。但是兩年盆栽試驗各處理都出現病蟲害導致的小麥出苗2個月后逐漸變黃，枯萎的現象，至抽穗期只有30%和50%污泥處理的土壤中種植的小麥結有麥穗，但產量較低，相對鹽堿土對照處理的小麥生長情況仍有一定的改善。

3結論

（1）脫水污泥投加比例達到30%即可有效降低鹽堿化土壤容重和pH值，增加土壤養分含量，隨著污泥投加量的增加效果更加明顯。（2）短期內污泥改良對鹽堿土中重金屬的影響較小，Cu、Ni、Pb和Cr多為穩定的殘渣態，環境毒性相對較小，而As雖然總量很低，但可交換態與酸溶態含量有所增加，在土地利用時應該引起足夠的重視，高活性形態的Zn雖含量較高，但仍在控制標準以內。（3）以小麥種子發芽和生長狀況作為判斷污泥改良效果和土壤污染的手段發現：30%~50%的污泥投加量可有效促進小麥種子在鹽堿土環境中發芽并長勢較好。隨著污泥的不斷穩定化，高污泥投加量對種子發芽的抑制作用得到緩解，種子發芽率可提高到70%以上。

作者：孟繁宇姜珺秋 趙慶良王琨 魏亮亮馬立鄭振單位：哈爾濱工業大學市政環境工程學院哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室哈爾濱排水責任有限公司哈爾濱工業大學材料科學與工程學院