（环境科学专业论文）生活污泥熟化滩涂土壤的机理及环境效应.pdf

t h ee n v i r o n m e n t a la p p l i c a t i o no fm u n i c i p a ls e w a g es l u d g ei n a m e n d m e n to ft i d a lf l a ts o i l a bs t r a c t t h ec u l t i v a t e dl a n dr e s o u r c e si nc h i n aw e r ev e r ys c a r c e ，a n dt h ee a s t e r nc o a s t a lb e a c hc o u l d b e u s e da sa ni m p o r t a n ta r a b l el a n dr e s e r v e h o w e v e r , a m e n d i n gt i d a lf l a t s o i lt om e e tt h e r e q u i r e m e n to fa g r i c u l t u r a lu s en e e d sh e a v yi n p u to fo r g a n i cm a r e r - s o ，c h e a p a n dh i g hq u a l i t y o r g a n i cm a t e r i a l sb e c o m ea ni m p o r t a n tl i m i t i n g f a c t o ri nt h em a t u r a t i o no ft i d a lf l a ts o i l m u n i c i p a ls e w a g es l u d g e ，w h i c hm e e t sn a t i o n a ls t a n d a r df o ra g r i c u l t u r a lu s e ，i sc h a r a c t e r i z e db y g o o da d h e s i o na n dh i g hc o n t e n to fo r g a n i cm a t t e r s e w a g es l u d g ec o u l da c c e l e r a t et h ef o r m a t i o n o fo r g a n i ca n di n o r g a n i cc o m p l e x e si ns o i l s ，a l s oc o u l dp r o m o t et h ef o r m a t i o no fw e l l 。s t r u c t u r e d s o i l u pt od a t e ，l a r g ea m o u n to fs e w a g es l u d g eh a s n o tb e e np u tt or a t i o n a lu s ei ns p i t eo f i nt h i s s t u d y , t h es e w a g es l u d g e ，w h i c hf i t st h en a t i o n a ls t a n d a r df o rl a n da m e n d m e n t ，w a s u s e da st h e m a t e r i a lt oi n v e s t i g a t ei t sp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nt i d a lf i a ts o i lr e m e d i a t i o n af i e l de x p e r i m e n t w i t hc o m p l e t er a n d o md e s i g nw a sc a r r i e do u ti nt i d a lf l a ta n dt h ee f f e c to fs e w a g es l u d g e a p p l i c a t i o no ns o i lp r o p e r t i e sa n dr y e g r a s sg r o w t hw a sa n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h ee n v i r o n m e n t a l i m p a c to fh e a v y m e t a l si nt h es l u d g ew a sa s s e s s e di nt h es t u d y m a i nr e s u l t so b t a i n e ds h o w e da s f o l l o w i n g ( 1 ) w i t h t h ea p p l i c a t i o no fs l u d g e ，b u l kd e n s i t ya n dp a r t i c l ed e n s i t yd e c r e a s e d t h eq u a n t i t yo f s o i lw a t e r - s t a b l ea g g r e g a t e s e s p e c i a l l y 0 2 5 m ma g g r e g a t e s ，i n c r e a s e d s o i lp hd e c r e a s e d g r a d u a l l y t h ec o n t e n to fs o i lo r g a n i cm a t t e r ，t o t a ln i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u s ，a v a i l a b l en i t r o g e n ， a v a i l a b l ep h o s p h o r u sa n dc a t i o ne x c h a n g ec a p a c i t ys h o w e da nu p w a r dt r e n d w h i l et h ec o n t e n t o ft o t a ld o t a s s i u ma n da v a i l a b l ep o t a s s i u mh a dn os i g n i f i c a n tc h a n g e s h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o n o fs e w a g es l u d g ei n c r e a s e de ca n ds o l u b l es a l tc o n t e n ti nt h es o i l ( 2 ) w i t ht h ei n c r e a s e o fs e w a g es l u d g e a p p l i c a t i o nr a t e ，t h e a m o u n to fb a c t e r i aa n d a c t i n o m y c e si nt i d a lf l a ts o i ls h o w e das i g n i f i c a n tu p w a r dt r e n d s o i lu r e a s ea c t i v i t y , c a t a l a s e a c t i v i t ya n dp e r o x i d a s ea c t i v i t ya l s oi n c r e a s e d ( 3 ) t h eb i o m a s so fr y e g r a s sp l a n tw a ss i g n i f i c a n t l ye n h a n c e db ya p p l y i n gs e w a g es l u d g e i n t o i i i t i d a lf l a ts o i l w i t ht h ei n c r e a s eo fs l u d g ea p p l i c a t i o nr a t e ，t o t a lr o o tl e n g t h ，r o o ts u r f a c ea r e a ， m e a nd i a m e t e ra n dr o o tv o l u m eo fr y e g r a s si n c r e a s e d f u r t h e r m o r e ，t h ec o n t e n to fna n dpi nt h e s h o o ta n dr o o to fr y e g r a s sw a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e r ( 4 ) t h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l ，i n c l u d i n gn i ，c u ，c d ，c ra n dz n ，i ns h o o ta n dr o o to fr y e g r a s s s e e d l i n g si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs e w a g es l u d g ea p p l i c a t i o nr a t e t h ec o n t e n to fh e a v y m e t a l si nr y e g r a s sr o o t sw a sh i g h e rt h a nt h a ti na b o v e g r o u n dp a r t t h et o t a la m o u n to fh e a v y m e t a l si n v o l v e di nt h es l u d g ea f t e rt h ea p p l i c a t i o no fs e w a g es l u d g e ，e x i s t e dm a i n l yi nr e s i d u a l f o r m ，a n de f f e c t i v ef o r mm a i n t a i n e di nl o wl e v e l s t h ee n v i r o n m e n t a lr i s ko fh e a v ym e t a l sf r o m t h es l u d g ec o u l db er e d u c e db yc o n t r o l l i n g a p p l i c a t i o nr a t e k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ，t i d a lf l a ts o i l ，a m e n d m e n t ，e n v i r o n m e n t a la p p l i c a t i o ne f f e c t s 工v 目录 摘要l a b s t r a c t i i i 1 文献综述1 1 1 滩涂土壤熟化的意义及途径1 1 1 1 滩涂土壤熟化的意义1 1 1 2 滩涂土壤快速熟化的困难1 1 1 3 滩涂土壤快速熟化的途径2 1 2 生活污泥资源化利用的研究现状4 1 2 1 生活污泥的性质4 1 2 2 生活污泥处理处置现状6 1 3 以生活污泥作为有机肥源熟化滩涂土壤的可行性9 1 4 土壤重金属存在形态1 0 1 5 我国土壤环境质量分类和标准分级1 1 1 5 1 土壤环境质量分类1 1 1 5 2 土壤环境标准分级1 1 1 6 本研究的目的和内容一1 2 2 材料与方法1 3 2 1 试验区概况1 3 2 2 材料1 3 2 3 试验设置1 4 2 3 12 0 1 0 年试验1 4 2 3 22 0 1 1 年试验1 4 2 4 测定方法1 4 3 生活污泥对滩涂土壤理化性状的影响1 7 3 1 施用生活污泥对滩涂土壤物理性质的影响1 7 3 1 1 施用生活污泥对滩涂土壤容重、密度的影响1 7 3 1 2 施用生活污泥对滩涂土壤团聚体分布的影响1 7 3 2 施用生活污泥对滩涂土壤养分含量的影响1 8 3 2 1 施用生活污泥对滩涂土壤氮素含量的影响1 8 3 2 2 施用生活污泥对滩涂土壤磷素含量的影响一1 9 3 2 3 施用生活污泥对滩涂土壤钾素含量的影响2 0 3 3 施用生活污泥对滩涂土壤有机质含量的影响2 1 3 4 施用生活污泥对滩涂土壤p h 、e c 及盐分含量的影响2 1 3 4 施用生活污泥对滩涂土壤阳离子交换量( c e c ) 及交换性盐基的变化2 2 3 5 小结2 3 4 施用生活污泥对滩涂土壤部分生物学特性的影响2 5 4 1 施用生活污泥对滩涂土壤细菌、放线菌数量的影响2 5 4 2 施用生活污泥对滩涂土壤酶活性的影响2 5 4 3 土壤酶活性与土壤性质的关系 4 4 小结 5 施用生活污泥对滩涂土壤重金属环境效应的影响 5 1 施用生活污泥对滩涂土壤n i 、c u 、c d 、c r 、z n 全量的影响一 s 2 生活污泥中n i 、c u 、c d 、c r 、z n 施入滩涂土壤后的存在形态 5 3 施用生活污泥对滩涂土壤n i 、c u 、c d 、c r 、z n 有效性的影响 5 4 小结 6 生活污泥的环境生物学效应一 6 1 施用生活污泥对滩涂种植黑麦草生长的影响 6 1 1 施用生活污泥对黑麦草植株生物量的影响 6 1 2 施用生活污泥对黑麦草植株分蘖、株高的影响 6 1 3 施用生活污泥对黑麦草植株根系生长的影响 6 2 施用生活污泥对黑麦草养分吸收的影响 6 2 1 施用生活污泥对黑麦草n 素吸收的影响 6 2 2 施用生活污泥对黑麦草p 素吸收的影响 6 2 3 施用生活污泥对黑麦草k 素吸收的影响 6 3 施用生活污泥对黑麦草植株重金属累积的影响 6 4 小结 7 结论与展望一 参考文献一 附录 致谢 攻读学位期间发表的学术论文目录 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 2 8 2 8 3 1 3 1 3 1 3 4 3 5 3 7 3 7 3 7 3 8 3 8 3 9 3 9 4 0 4 0 4 1 4 2 4 5 4 7 5 3 5 7 5 8 5 9 汪莉生活污泥熟化滩涂土壤的机理及环境效应 1 文献综述 1 1 滩涂土壤熟化的意义及途径 1 1 1 滩涂土壤熟化的意义 ( 1 ) 滩涂是重要的后备耕地资源 我国随着人口的不断增长，交通、工矿、城市建设用地的不断增加，人均耕地在迅速 减少，已经接近保证粮食安全的下限。“耕地占补平衡”是我国土地管理法确立的占 用耕地补偿制度，是我国严格耕地保护必须长期坚持的一项基本制度，是指非农业建设经 批准占用耕地，要按照“占多少，补多少”的原则，补充数量和质量相当的耕地，做到“占 一补一”e l i 。 滩涂是重要的后备耕地资源。中国的海涂主要分布在北起辽宁、南至广东、广西和海 南的海滨地带，是海岸带的一个重要组成部分，总面积约为2 1 7 0 4 万h m 2 。江苏省滩涂约 占全国海涂总面积的1 4 左右，总面积为6 5 2 0 6k m 2 2 o 历史上，我国滩涂围垦面积达1 0 0 0 多万h m 2 。近5 0 年来，滩涂围垦作为实现“耕地占补平衡”的有效手段得到了迅速发展， 我国通过滩涂围垦新增了1 1 0 1 2 0 万h m 2 土地 3 】o ( 2 ) 滩涂土壤熟化是国家战略的需求 2 0 0 9 年6 月，国务院常务会议正式将“沿海大开发”列为国家战略。战略要求：2 0 1 0 年 - - 2 0 2 0 年，江苏沿海滩涂围垦总规模2 7 0 万亩，其中6 0 用于农业。沿海滩涂土壤属于 滨海盐土类型，由于长期受海洋潮汐的影响，盐渍化作用导致土壤盐分含量偏高、土体发 育不明显、理化性状差、肥力水平低下。因此，加快涂土壤熟化进程，排除不利于农业生 产的障碍因子，提高土地产出率和经济效益，是“沿海大开发”国家战略的首要任务。 1 1 2 滩涂土壤快速熟化的困难 滩涂土壤可在自然植被、降水和人类活动下实现脱盐与土壤养分积累过程。自然条件 下，滩涂围垦后，脱离了海水的浸渍，开始着生盐生植物，在自然降水和人为冲洗条件下， 盐分逐渐降低，着生的盐生自然植被也发生演替，即由光板地_ 盐篙群落_ 獐毛草群落_ 茅草芦苇群落_ 人工栽培植物；土壤由滨海盐土演变为脱盐潮土，即由滨海盐土_ 强盐渍 2 扬州大学硕士学位论文 化土_ 中度盐渍化土_ 轻度盐渍化土一脱盐潮土。由于我国淡水资源的限制，利用淡水快 速洗盐及种稻降盐实施大面积滩涂土壤熟化均不现实。因此，充分考虑自然、社会经济条 件，结合滩涂围垦农业综合开发目标，制定切实可行的综合改土技术方案对于我国滩涂土 壤快速熟化、为我国滩涂资源深度开发奠定良好的基础是十分必要的。 ( 1 ) 土壤盐分含量问题 沿海滩涂土壤最显著的特征就是盐分含量偏高，土壤盐分含量 4 0p m 的污泥矿物颗粒、动植物和塑料等分解碎片组成，生物絮凝体组分主要 由絮凝的污泥细菌构成，胶体组分主要由呈胶体状态的有机物和未絮凝的细菌分解残片组 成，可溶性组分则主要包括可溶性的有机物质( 大多数分子量 0 2 5 r a m 水稳性团聚体比例有所上升，土壤结构向良性 发展。同时土壤透气度增大，涵养水分和供应植物所需水分的能力提高。土壤容重、土粒 密度有所降低，下降幅度随生活污泥施用量的增加而增大。跟对照相比，污泥施加量6 0 0 t h m 2 处理容重、土粒密度分别下降“1 和1 1 7 。 ( 2 ) 由于生活污泥呈弱酸性，滩涂土壤呈碱性，因此两者混合后使土壤有所p h 降低。 但，滩涂土壤e c 和水溶性盐随着污泥施用量的增加而显著提高。污泥施用量6 0 0t h m 2 的 处理，水溶性盐含量比对照增长了2 5 5 ，意味着一次大量污泥的施用可能会加重滩涂土 壤的盐渍化。 ( 3 ) 土壤中阳离子交换量与施用的污泥量呈正相关。施用6 0 0t h m 2 污泥的处理可显 著提高土壤的c e c ，效果明显好于其他用量处理，而其他用量处理间无显著差异。 ( 4 ) 施用污泥可显著增加滩涂土壤中氮、磷、有机质含量。但由于滩涂土壤本身含 钾量较高而污泥中的含钾量不高，因此施用污泥对滩涂土壤全钾、速效钾的含量均无显著 影响。 汪莉生活污泥熟化滩涂土壤的机理及环境效应2 5 4 施用生活污泥对滩涂土壤部分生物学特性的影响 4 1 施用生活污泥对滩涂土壤细菌、放线菌数量的影响 施用生活污泥对滩涂土壤微生物数量的影响见表4 1 。随着污泥施用量的增加，滩涂 土壤的细菌、放线菌数量呈显著上升的趋势。不施用污泥的对照土壤，其细菌、放线菌数 量分别为5 7 1 0 、1 2 1 0 4 个g 。施用污泥后，各处理( 7 5 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0t h m 2 ) 土壤 细菌数量分别比对照增加0 5 、3 6 、5 0 、9 7 倍，放线菌数量分别比对照增加1 4 6 、7 0 3 、 1 4 4 6 、3 7 3 0 倍。土壤细菌作为土壤中最活跃的微生物，可分解有机物料带来的大量可溶 性物质，并可提高土壤通气性。因为生活污泥含有一定量的有机物和养分，施入滩涂后为 微生物提供了充足的能源和养分，激发了细菌的生长和繁育，从而极大地增加细菌的数量 9 0 1 。污泥的施用，有助于滩涂土壤中细菌、放线菌等有益菌群变为优势菌群，有望在一定 程度上增加生长在滩涂土壤上的作物抗病性，减少病害发生。 表4 - 1 生活污泥对滩涂土壤微生物生物量的影响 t a b l e4 - 1c h a n g e so fs o i lm i c r o o r g a n i s mb i o m a s sf o ra p p l i c a t i o no fs l u d g e 注：应用l s d 法检验处理间差异程度，同列不同字母表示差异显著( p o 0 5 ) 。 4 2 施用生活污泥对滩涂土壤酶活性的影响 施用生活污泥对滩涂土壤脲酶活性的影响见图4 1 。试验所测脲酶活性以单位土壤培 养一天生成的n h 4 + - n 的毫克数表示。施用生活污泥对滩涂土壤脲酶的活性有明显促进作 用，即随着生活污泥施用量的增加，滩涂土壤脲酶活性呈逐渐上升的趋势。未施用生活污 2 6扬州大学硕士学位论文 泥的对照土壤脲酶活性仅为1 4 0m g ( g d ) ，施用生活污泥各处理( 7 5 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0t h m 2 ) 的土壤脲酶活性分别比对照增加7 7 4 、9 7 。6 、1 1 0 7 和1 2 7 。差异性分析表明，对照 处理的脲酶活性与施用污泥的其它处理间差异显著，但添加量不同的处理之间差异不显 + 一 者。 巴b 三1 面1 5 三譬 廷受1 0 溢3 蓉 0 5 0 o o7 51 5 03 0 06 0 0 污泥施用量( 舳2 ) r a t eo fs e w a g es l u d g ea p p l i e d 图4 1 施用生活污泥对滩涂土壤脲酶活性的影响 f i g 4 1c h a n g e so fu r e a s ea c t i v i t yf o ra p p l i c a t i o no fs l u d g e 施用生活污泥对滩涂土壤过氧化氢酶活性的影响见图4 2 。试验所测的过氧化氢酶活 性以单位土壤消耗的0 0 0 2m o l l k m n 0 4 毫升数表示。试验条件下，滩涂土壤过氧化氢酶 活性随生活污泥施用量的增加而增强。施用生活污泥使得滩涂土壤过氧化氢酶活性均显著 高于对照处理，比对照增加4 4 4 7 2 4 ，但污泥施用量1 5 0 、3 0 0 、6 0 0t h m 2 的三个处理 间在土壤过氧化氢酶方面的活性差异未达显著水平。 汪莉生活污泥熟化滩涂土壤的机理及环境效应 2 7 掣电 号日 鼍。 誊爱 鋈基 酶云 蓑萎 污泥施用量( t m m 2 ) r a t eo fs e w a g es l u d g ea p p l i e d 图4 2 施加污泥对