污泥对土壤磷的影响

污泥对土壤磷的影响

随着城市发展过程的加快和人口的增加，生活污水排放的数量日益增加，导致污泥产量迅速增加。“十一五”期间中国的污水处理能力要求达到70%,到时将产生更多的污泥,因此妥善处置污泥已是一个亟待解决的环境问题。城市生活污泥作为一种污水处理过程中的副产物,其中除含有高量的有机质外,还含有大量氮、磷等养分,且含量高于一般的农家肥(猪粪和牛粪),因此污泥农用越来越受到各国的重视。杜兵等研究表明,同国外相比北京市某典型污水处理厂酚类、酞酸酯类、多环芳烃类均处于污染程度较低的水平;更有证据表明,我国城市污泥中重金属平均含量普遍较低,基本未超过农用标准(GB18918-2002),且呈现逐渐下降的趋势。因此科学合理开展城市污泥农用是避免土壤和农产品污染的重要途径。污泥中含有大量磷元素,且主要以无机磷形态存在,占总磷量比例达到61%以上;一些地区污泥中潜在生物有效磷达到69.6%~86.6%。现阶段污泥农用的研究多以氮元素为污泥施入量的控制元素,少数对污泥磷的农用也未从作物需磷量的角度进行研究,导致污泥农用后大量的磷在土壤表层富集,增加了磷的环境风险。从作物需求量角度合理利用污泥中的磷,不仅能降低污泥的单次施用量,还能在一定程度上节省磷矿资源。为此,为合理利用污泥中的磷,避免其过量施用产生的环境风险,研究了污泥堆肥施用后与作物吸收和环境风险相关的土壤Olsen-P和CaCl2-P含量的变化特征,并从作物需磷量的角度研究了污泥磷的肥效,制定了污泥作为磷肥合理利用的途径。1材料和方法1.1培养精制有机肥试验包括盆栽和好气培养两部分。供试土壤取自国家褐潮土北京昌平长期定位试验站,为褐潮土,质地为重壤;精制有机肥由鸡粪发酵加工而成;污泥堆肥(以生活污泥经发酵加工而成,含水量10%)。土壤及有机肥料及污泥养分含量见表1。1.1.1试验设计与施入白菜(Brassicapenkinensis)品种为京华4号,属晚熟种。2007年8月15号播种,11月7号收获,每盆土6kg,土壤水分保持在田间持水量的60%。试验共设15个处理,5次重复,各处理磷(包括污泥、鸡粪、磷酸一铵)、钾肥统一作底肥一次性施入,其中钾肥用量为K2O300kg/hm2;化学氮肥分3次施用,总用量为N315kg/hm2,其中底肥施用105kg/hm2,每隔1月追施105kg/hm2,共追肥2次;另外在P2O5180、360kg/hm2水平下设置了磷酸一铵和污泥堆肥混施,混施比例分别为1∶1和1∶3(按P2O5计算)。具体试验方案见表2。为了解污泥堆肥供磷的动态过程,在白菜的生长期内分别对施用污泥堆肥、化肥、鸡粪3种肥料等磷量(P2O5为180kg/hm2)处理的土壤进行分次取样测定。取样日期为2008年9月6日、9月21日、9月30日、10月10日、10月22日、11月6日。1.1.2污泥和鸡粪用量的确定采用好气培养方法将污泥、鸡粪、土样风干后,混匀,磨细,过1mm筛。试验设空白、污泥堆肥、鸡粪3个处理,3次重复。每个处理施加等磷量(P2O50.214g/tube)的污泥和鸡粪,即每管污泥和鸡粪用量分别为4.35g和5g。每个培养管中污泥和鸡粪分别以约10%的干重比与50.0g土壤混匀,之后分别加入蒸馏水15mL(采取边加水边混匀的方法),置于恒温箱中培养,培养温度30℃,定期称重补足水分。从培养之日起,于第0、14、28、42、56、70d取样测定。1.2土壤cacl2-p及土壤磷酸酶活性测定土壤Olsen-P用0.5mol/LNaHCO3浸提,钼锑抗比色法测定;土壤CaCl2-P用0.01mol/LCaCl2浸提,液土比10∶1,钼锑抗比色法测定;土壤磷酸酶用磷酸苯二钠法测定。植物全磷采用H2SO4-H2O2消解,钼锑抗比色法测定。2结果与分析2.1污泥磷施用量由肥料效应函数图(图1)可见,当P2O5用量为90、180、270kg/hm2时,施用污泥堆肥白菜产量依次占磷酸一铵的55%、64%、74%;占鸡粪的92%、76%、94%;3种磷处理条件下,施用污泥和磷酸一铵之间产量差异显著(P<0.05)。污泥堆肥和磷酸一铵等磷量混施(P2O5总量为180kg/hm2),白菜产量高于等磷量单施污泥处理产量的58%;当污泥磷施用量达到磷酸一铵中磷含量的3倍时(P2O5360kg/hm2),白菜产量与等量混施相比增加了20%;但是,污泥堆肥与磷酸一铵混施处理的白菜产量与等磷单施磷酸一铵处理的白菜产量差异不显著(P<0.05)。根据函数计算结果,磷酸一铵(x)为305kg/hm2,其白菜产量(y1)达到最高值为28056kg/hm2;当鸡粪(x)为362kg/hm2时,其(y2)最高值为23563kg/hm2;污泥堆肥(x)值为995kg/hm2时,产量(y3)为31954kg/hm2。根据以上试验结果,磷酸一铵(P2O5270kg/hm2)与污泥堆肥(P2O51080kg/hm2)的白菜产量差异不显著。由此推算,在等产量情况下,污泥中磷的肥效仅是磷酸一铵中磷肥肥效的25%左右。2.2施肥处理对西瓜含量的影响根据P2O5施用量与白菜吸磷量之间的函数关系图(图2)可知,P2O5用量为90、180、270kg/hm2时,白菜吸磷量的高低顺序为:磷酸一铵>鸡粪>污泥堆肥;施用污泥堆肥白菜吸磷量显著(P<0.05)低于施用磷酸一铵处理。污泥堆肥和磷酸一铵等磷量混施(P2O5180kg/hm2)条件下白菜吸磷量显著(P<0.05)高于单施污泥堆肥处理,而与单施磷酸一铵处理差异不显著;当污泥施用量达到磷酸一铵中含磷量的3倍时(P2O5360kg/hm2),白菜吸磷量比单施等磷量的磷酸一铵降低了10.9%;各施肥处理条件下白菜磷含量差异不明显。可见,由白菜干重计算而得的白菜吸磷量的差异主要是由白菜生物量的差异产生。2.3各处理对蔬菜生长过程中os的影响培养试验表明,与空白相比施用污泥堆肥与鸡粪后能显著提高土壤中Olsen-P含量(图3)。等磷量的情况下,鸡粪处理土壤中Olsen-P含量相当于污泥处理的3倍。随着培养时间延长,施用鸡粪处理土壤中Olsen-P含量呈现下降趋势,下降幅度达22.6%,而污泥堆肥处理条件下土壤中的Olsen-P含量呈现比较平稳的趋势;施用污泥后土壤CaCl2-P含量显著(P<0.05)低于施用鸡粪处理(图3),并与空白差异不显著。在P2O5施用量为180kg/hm2处理条件下,对白菜生长过程中土壤中有效态P的动态监测结果(图4)表明,3种肥料处理间土壤Olsen-P含量为:磷酸一铵>鸡粪>污泥堆肥,差异达到显著水平(P<0.05)。白菜生长进入莲座期,3种施肥处理土壤Olsen-P含量均呈下降趋势,以施化肥下降最明显;白菜结球初期,经再次追施氮肥,各施肥处理中土壤Olsen-P含量都明显下降;白菜成熟期,以污泥堆肥的Olsen-P含量最高,为5.73mg/kg,显著高于(P<0.05)鸡粪和化肥处理。污泥堆肥与磷酸一铵等磷量混施条件下能显著提高白菜生长前期土壤中Olsen-P含量。白菜生长过程中各处理土壤CaCl2-P含量较低,差异不显著。图5看出,白菜收获后各处理土壤Olsen-P含量显著(P<0.05)高于对照;在施磷量P2O590kg/hm2的条件下,3种肥料处理土壤Olsen-P含量差异不显著,而在施磷量为P2O5180、270mg/hm2的条件下,磷酸一铵和污泥堆肥处理中白菜收获后土壤中Olsen-P含量显著(P<0.05)高于施用鸡粪的处理。白菜收获后,各处理土壤CaCl2-P含量差异不显著。白菜生长过程中作物吸磷量测定结果(图6)表明,施磷量为P2O5180kg/hm2条件下,白菜生长期内,磷的吸收量顺序为:磷酸一铵>鸡粪>污泥+磷酸一铵>污泥堆肥;污泥与磷酸一铵混合显著(P<0.05)提高了作物磷的吸收量。白菜收获后有效磷含量鸡粪处理低于污泥堆肥处理(图5),可能与鸡粪处理白菜生长过程中吸磷量较高有关。2.4污泥堆肥与鸡粪磷酸酶活性的变化培养试验结果(图7)表明,与空白对照(CK)相比,鸡粪和污泥都能提高土壤中磷酸酶的活性,污泥堆肥处理下的磷酸酶活性是CK处理的2倍,在整个培养过程中差异均达极显著水平(P<0.01)。在鸡粪处理下,随着培养时间的延长,磷酸酶活性呈现大幅度下降趋势,施用污泥堆肥后磷酸酶活性呈现较稳定的趋势,污泥堆肥与鸡粪在培养的前30d差异显著(P<0.05),之后则差异不显著。当施磷量为P2O5180kg/hm2时,白菜生长前期,各处理土壤磷酸酶活性都较低,进入卷心期后,磷酸酶活性上升较快,以污泥堆肥上升的最高,其次是鸡粪和化肥;结球中期土壤磷酸酶活性达到最高,污泥堆肥处理达到0.38mg/g,鸡粪和化肥分别达到0.30和0.24mg/g,之后磷酸酶活性呈现下降的趋势(图8)。但是,只有施用污泥堆肥处理相对于CK处理磷酸酶活性显著增加(P<0.05)。不同施肥处理在白菜收获后土壤磷酸酶活性有不同程度的提高(图9)。施用鸡粪的土壤在白菜收获后磷酸酶活性显著高于(P<0.05)施用污泥和磷酸一铵的处理;P2O5用量达270mg/kg的污泥堆肥处理中,白菜收获后污泥处理的磷酸酶活性显著降低(P<0.05)。3污泥和磷酸一铵混施对蔬菜产量和氧代谢风险的影响Kidd等人在西班牙北部田间试验研究结果表明,与对照相比,长期施用污泥能显著提高土壤中Olsen-P的含量。本结果同样表明,施用污泥能显著增加土壤中Olsen-P含量,而对土壤CaCl2-P含量影响不显著。在白菜生长期间,施用污泥与施用磷酸一铵和鸡粪相比,前期土壤Olsen-P含量较低,在白菜生长后期有所上升,这可能与作物生长后期施用污泥处理土壤Olsen-P含量增加可能与土壤中磷酸酶活性有关;白菜吸磷量也是单施污泥显著低于磷酸一铵处理。可见,利用污泥作为磷肥其后效明显,但前期会导致白菜生长吸磷不足。白菜生长后期施用污泥处理的土壤中磷酸酶活性显著高于等磷量的鸡粪和磷酸一铵处理,有研究表明,土壤中的有机磷主要是通过磷酸酶的转化被植物吸收利用,因而施用污泥能显著(P<0.05)提高土壤磷酸酶活性。施用污泥虽然能显著提高土壤Olsen-P含量,但单施污泥的白菜产量显著(P<0.05)低于单施磷酸一铵和单施鸡粪处理。当施磷量为P2O5360kg/hm2时,污泥和磷酸一铵3∶1混施处理白菜产量与等磷量磷酸一铵处理差异不显著(P>0.05),而单施污泥处理要达到这一产量水平,其施入土壤中的P2O5量需达到1080kg/hm2,这一污泥施入量导致白菜收获后土壤中残留的Olsen-P含量达到17.5mg/kg,是污泥和磷酸一铵3∶1混施Olsen-P残留量(7.55mg/kg)的2.3倍;但这2种施肥处理CaCl2-P的含量差异不显著(P<0.05)。土壤速效磷是表征土壤供磷能力和确定磷肥用量和流失风险的重要指标。英国洛桑站Broadbalk长期定位试验结果显示,土壤磷酸盐潜在淋失临界值为60mg/kg,当土壤Olsen-P含量高于这一临界值时,排出水的总磷含量呈直线增加。根据钟晓英等对我国23个土壤磷素淋失风险评估表明,不同土壤磷酸盐淋失临界值差异很大,Olsen-P为30.0~157mg/kg,而CaCl2-P为0.14~3.87mg/kg。同时根据已有对白菜田间施用磷肥淋溶风险的研究结果表明,P2O5施用量超过360