施污泥对盐碱土理化性质的影响范文

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《环境科学与技术杂志》2014年第S1期

1测定指标及方法

土壤和污泥基本理化性质的测试方法参照《土壤农化分析》（第三版）；总磷、总钾、总铜、总铅、总铬、总砷、总锌、总镍采用HNO3-HF-HClO4微波消解ICP-AES法；重金属形态采用BCR四步连续提取法，将土壤中重金属分为：可交换与碳酸盐结合态、铁-锰-氢氧化物结合态、有机物与硫化物结合态、残渣态，并采用ICP-AES测定各形态重金属含量。小麦种子发芽试验：小麦种子为东北农业大学农学院小麦组06-4069号。供试土壤取经风干研磨后的0.25mm标准筛下物。改良初期共设12个处理，包括蒸馏水对照、盐碱土对照及脱水污泥与盐碱土混合样品10个（污泥体积比分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%），每个样品取10g，加蒸馏水10mL，其他试验土壤为孵育试验花盆中的改良土壤。上述每个处理3个重复，每个重复均用4分法从纯净种子中选取种子50粒放入培养皿，种子之间保持1~5倍的间距。培养皿用酒精擦洗消毒，滤纸作床放置于25℃恒温箱中。发芽过程中注意每天定时加水、通气，并记录种子逐日发芽情况。当胚根突破种皮，长度为种子长度一半时计为发芽种子。待发芽结束后统计发芽率、发芽势，3个重复取平均值。发芽率=（n/N）100%（1）式（1）中：n为种子正常发芽粒数（计数时间：第8天），N为供试种子总数。发芽势=（A/N）100%（2）式（2）中：A为发芽种子数达高峰时正常发芽种子数（计数时间：第5天）。

2结果与讨论

2.1污泥改良对土壤盐碱化特征参数的影响土壤容重、pH值、水溶性盐含量、碱化度通常是表示土壤盐碱化程度的重要参数，这些指标值越高表明盐碱化程度越高，越不利于植物生长。图1表明以污泥为改良剂可有效减低土壤容重、pH值和碱化度，改善土壤的盐碱化状况。由图1（a）可知：未经改良的盐碱土即使通过物理翻混，仍然维持较高的容重，在20个月的孵育时间内始终在1.31~1.35g/cm3之间。随着污泥投加比例的增加，土壤容重不断降低，尤其是污泥比例超过30%的改良土壤容重降低更为明显。这与之前研究总结的土壤有机质含量增加与容重的变化呈显著的线性相关这一结论相一致[13]。随着孵育时间的延长，一次污泥改良后的土壤在植物生长期结束后土壤容重均有回升的趋势，这与有机物的不断矿化关系密切。在二次污泥改良后土壤容重继续降低。图1（b）表明：随着污泥投加比例的增加土壤pH值显著降低；污泥投加比超过30%，可降低pH值1个单位以上，唐银健等在施用污泥堆肥改良碱性滩涂土时也得到了相似的结果[14]。随着孵育时间的延长，土壤pH值基本维持下降；在一次改良后8~20个月之间土壤pH值为先升高再降低的趋势，其原因可能是在有机质分解和硝化作用中产生了有机酸[12]，有机酸不断产生和分解的过程导致了pH值的波动。图1（c）表明：污泥改良可增加土壤水溶性盐含量。一次改良后的20个月内，污泥投加量在20%以下的土壤中含盐量有略微增加的趋势；而投加量在30%以上的土壤中含盐量却不断降低，可能的原因是低污泥投加量的土壤由于物理性质改良效果不明显而出现返盐现象，而高污泥投加量的土壤由于其容重降低明显，土壤孔隙率增高以及作物生长期植物的覆盖作用使得土壤排盐效果增强。经过二次污泥改良后的土壤含盐量进一步增加。然而，土壤碱化度随污泥添加比例的增加明显降低（图1（d）），说明尽管污泥可增加土壤的水溶性盐含量，但可有效降低土壤阳离子交换量中交换性钠的比例。一次污泥改良后，随着孵育时间的延长土壤碱化度变化不大；经二次改良后土壤碱化度进一步降低。

2.2污泥改良对盐碱化土壤养分性质的影响

2.2.1有机质土壤有机质是植物所需各种矿物营养的重要来源。由图2可知：土壤有机质随污泥投加量的增加而增加，但随着孵育时间的延长，由于有机物的矿化作用，改良后土壤有机质均有所降低，且高污泥投加量的土壤有机质矿化率也越高，这与之前的研究结果基本一致[15]。在孵育期15d内有机物降解速率最快，3个月内，污泥投加比例在30%以上的改良土壤中有机物达到基本稳定。8个月后，30%以下污泥处理的土壤已接近原土的有机质水平，而50%以上处理的土壤有机质约为对照土壤有机质含量的2倍左右。二次改良后的土壤中有机质又明显增加，并随时间的延长继续降低。

2.2.2氮磷钾氮磷钾是植物生长的最重要的三大营养元素。图3表明，土壤总氮、总磷随着污泥投加比例的增加而增加，且投加比例超过30%增加趋势更为明显，这与李伟等在研究污泥改良石灰性土壤中得到的结论相吻合[16]。总钾含量受污泥改良影响较小，说明原土壤中钾盐含量丰富，这也是苏打盐碱化土壤的一个重要特征。一次改良后的20个月内，土壤总氮磷钾在基本不变的基础上略有降低，二次改良后有明显增加，说明污泥可视为氮磷钾的稳定供给源。由图3可知：土壤速效氮磷钾也随着污泥投加比例的增加而增加。一次改良后8个月内，速效氮在污泥投加比例较高的情况下增加明显，随后逐渐减低，说明污泥在土壤中有缓释氮肥的作用，但缓释肥效持续时间有限。二次改良后又明显增加。污泥量在30%以下的土壤速效磷含量维持稳定，而50%以上污泥投加的土壤速效磷处于较高的水平。一次改良后20个月内始终处于增加状态，约为孵育初期的0.5~1.5倍。说明污泥不仅可以增加土壤有效磷肥含量，还具有缓释磷肥的作用[17]，且肥效期较长。土壤速效磷含量在二次改良后继续增加。一次改良后土壤速效钾含量在整个孵育期内变化不明显；经过二次改良后明显增加。

2.3污泥改良对盐碱土中重金属的影响

尽管生物对许多微量重金属元素都有一定量的要求，但是由于重金属的稳定性和富集性，环境中过多的重金属将会对生命活动起限制作用。由表1可知，原泥中Cu、Pb、As、Zn、Ni、Cr总量均低于《城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质》（CJT291-2008）标准。图4表明，即使是连续2年污泥投加量为70%的改良土壤中重金属总量仍低于《土壤环境质量标准（GB15618-1995）》（二级旱地土壤pH>7.5）最高允许浓度值。其中：改良土壤中Zn含量随污泥添加比例的增加明显增加，而Cr、Cu、Ni、Pb、As含量略有增加，原因是污泥中Zn含量远远高于土壤背景值。一次改良后，随孵育时间的延长，土壤中各重金属总量均有所降低，说明较长的孵育期更有助于重金属的迁移。重金属在土壤中的形态一定程度上决定了它的生物有效性。低污泥投加比例的改良土壤中Zn主要以残渣态存在，占总量的60%以上；随着污泥投加量的增加，铁锰氧化物结合态和可交换态与碳酸盐结合态的Zn含量均增加明显。一次改良孵育8个月后，污泥投加比例在30%以下的土壤中，其铁锰氧化物结合态和可交换态与碳酸盐结合态的Zn基本消失，20个月后有机物与硫化物结合态的Zn明显降低。二次改良后，各污泥改良土壤中Zn含量均明显增加，9个月后仍以铁锰氧化物结合态的Zn降低明显。一方面活性较强形态的Zn可能被植物利用，另一方面向更稳定的形态转化。污泥改良后土壤中Cr和Cu在土壤环境中主要以残渣态存在，占总量的80%~90%，其次是有机物与硫化物结合态，占总量的8%~15%，且随孵育时间的变化不明显。Ni和Pb在改良土壤中残渣态比例占总量的50%~69%，其次是有机物与硫化物结合态和铁锰氧化物结合态。一次改良后经过8个月的孵育期，所有改良土壤中的重金属仅可提取到残渣态和有机态的Ni和Pb，说明改良土壤中重金属的迁移性有所降低。二次改良后，20%以上投加比例的土壤中，铁锰氧化物结合态和可交换态与碳酸盐结合态的Ni增加明显，且9个月后仍以这2种形态的Ni降低为主，而Pb的增加则以残渣态为主，且随时间变化不明显。30%以下污泥投加比例改良后的土壤中残渣态的As占总量的80%~95%以上，其次是铁锰氧化物结合态的As；当污泥投加量大于50%时，改良土壤中出现有机态和可交换态与碳酸盐结合态的As。2次污泥改良后，可交换态与碳酸盐结合态的As含量不但随着污泥投加比例的增加而增加，而且随孵育时间的延长也出现增加的趋势。可见污泥改良后土壤中重金属元素活性较强的是Zn、Ni和As，在土地利用时必须要引起足够的重视，而Cu、Pb和Cr以稳定态为主，环境毒性相对较小，该结论在之前的研究中也得到过类似的验证[18]。

2.4污泥改良盐碱土对小麦发芽生长的影响

2.4.1对小麦种子发芽的影响种子发芽可以一定程度上诊断盐碱良效果和土壤的污染程度，污泥投加比例对小麦种子发芽的影响见图5。研究过程中蒸馏水（对照）处理的平均发芽率超过90%并达到相对稳定，说明随机选取的种子平均质量较好，可用于进一步的发芽试验研究。图5表明随着污泥投加比例的增加，种子的发芽率也有所提高。污泥体积比在30%~60%之间，小麦种子发芽率超过60%。盐碱土对照处理和脱水污泥对照处理的小麦种子发芽率均不超过50%。但是继续加大污泥投加量并超过60%，表现出种子发芽时间推迟，平均发芽率降低，其原因可能是由于污泥中的有害组分对种子发芽起了抑制作用[19-20]。一次改良后，随着改良土壤孵育时间的延长，各处理的种子发芽率均有所提高。改良后90d，污泥投加量在30%~50%之间的改良土壤中小麦种子发芽率接近70%，240d可提高到70%以上，在20个月的孵育期末接近80%。二次改良初期，小麦种子发芽情况与一次改良初期相近，经过9个月的孵育期，种子发芽率可达到75%左右，说明污泥的稳定化有利于土壤环境的改善，促进种子发芽，而污泥对作物种子发芽的抑制作用主要表现在改良初期，具有暂时性而非永久性[21]，因此在播种前3个月进行污泥改良，可一定程度上提高种子的发芽率。

2.4.2对小麦生长的影响连续2年污泥改良的小麦盆栽试验表明：出苗期，以污泥投加比为30%和50%的长势最好；一次改良条件下，70%污泥投加的土壤中第二年种植小麦的长势好于第一年。但是两年盆栽试验各处理都出现病虫害导致的小麦出苗2个月后逐渐变黄，枯萎的现象，至抽穗期只有30%和50%污泥处理的土壤中种植的小麦结有麦穗，但产量较低，相对盐碱土对照处理的小麦生长情况仍有一定的改善。

3结论

（1）脱水污泥投加比例达到30%即可有效降低盐碱化土壤容重和pH值，增加土壤养分含量，随着污泥投加量的增加效果更加明显。（2）短期内污泥改良对盐碱土中重金属的影响较小，Cu、Ni、Pb和Cr多为稳定的残渣态，环境毒性相对较小，而As虽然总量很低，但可交换态与酸溶态含量有所增加，在土地利用时应该引起足够的重视，高活性形态的Zn虽含量较高，但仍在控制标准以内。（3）以小麦种子发芽和生长状况作为判断污泥改良效果和土壤污染的手段发现：30%~50%的污泥投加量可有效促进小麦种子在盐碱土环境中发芽并长势较好。随着污泥的不断稳定化，高污泥投加量对种子发芽的抑制作用得到缓解，种子发芽率可提高到70%以上。

作者：孟繁宇姜珺秋 赵庆良王琨 魏亮亮马立郑振单位：哈尔滨工业大学市政环境工程学院哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨排水责任有限公司哈尔滨工业大学材料科学与工程学院