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城市污泥腐殖酸有机肥对油菜生长发育及土壤性质的影响

2024-01-05 70 上传者：管理员

摘要：以漳州东墩生活污水处理厂的城市污泥为原料，利用超声辅助碱破解法提取腐殖酸，添加到鸡粪中制备污泥腐殖酸有机肥，并开展其对油菜生长发育及土壤性质的影响研究。结果表明，城市污泥腐殖酸有机肥作底肥能够提高油菜可溶性糖、VC含量，降低硝酸盐含量，从而提升油菜品质，但不会对油菜产生重金属累积危害。城市污泥腐殖酸有机肥具有较好的培肥效应，可提高土壤有机质、全磷和全氮含量，短期施用之后不会造成土壤重金属污染。本研究结果可为城市污泥腐殖酸有机肥在油菜等蔬菜种植中推广使用提供试验依据。

关键词：
土壤性质
城市污泥
油菜
生长发育
腐殖酸有机肥
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城市污泥是城市生活、生产等污水通过厌氧、好氧、沉降、脱水等处理过程中产生的副产物，既含有大量有机质、氮、磷等营养成分，又含有重金属、有机污染物和病原菌等有害物质[1]。随着经济的快速发展、人口的迅速增加和城市化进程的推进，污泥产量日益增加。城市污泥属于二次污染物，人们常采用直接填埋、干燥后焚烧利用其热能、热解产生有机组分再利用[2]等方法进行处理。由于城市污泥含有有机质、氮、磷等营养成分，将其发酵堆肥进行利用是目前污泥资源化利用最普遍的方法。污泥发酵堆肥操作简单，成本低，但相比于无机肥，污泥堆肥制得的有机肥肥效相对较低，长期施用还可能导致园林、农田等土壤产生重金属污染[3,4]。因此，需要开发污泥复合有机肥，提高污泥的资源化利用率。

城市污泥除了含有机质、氮、磷等营养物质外，还富含对农作物生长和土壤改良具有重要作用的腐殖酸[5,6]。腐殖酸分子拥有羧基、羟基等官能团，能与土壤中金属离子和黏土矿物质形成复合絮状凝胶体，增加土壤孔隙度，提高土壤交换容量，增强土壤保肥能力[7,8,9]。此外，腐殖酸对土壤重金属离子具有较强的络合作用，可防止其进入植物体中。因此，农作物施用腐殖酸可以提高肥效，有效防止重金属污染。有研究表明，污泥腐殖酸具有较强的络合能力[9]。因此，从污泥中提取腐殖酸，用于生产腐殖酸有机肥，可以提高污泥肥料品质，扩大污泥资源化产品市场，具有重要的环境效益和经济效益。

油菜为十字花科芸薹属叶菜类蔬菜，适应性强，VC、可溶性糖等营养成分含量高，还兼具散血消肿、清热解毒等功效，深受人们喜爱[10]。然而，在油菜栽种过程中，长期施用化肥会导致油菜维生素、可溶性糖含量下降，并累积硝态氮[11]。有研究表明，油菜等叶菜类蔬菜的硝态氮约占人体摄入总硝态氮量的81.2%。人体内累积较多的硝态氮会导致血氧浓度下降，引起头痛、头晕等神经受损症状，增加癌变风险，危害人体健康[12]。为此，本文采用超声辅助碱破解法从漳州东墩生活污水处理厂的城市污泥中提取腐殖酸，添加到鸡粪中制备城市污泥腐殖酸有机肥，并应用在油菜上研究其对油菜品质、产量及土壤肥力、重金属累积的影响，以期为城市污泥腐殖酸有机肥的推广应用提供依据。

1、材料与方法

1.1 试验材料

城市污泥采自漳州东墩生活污水处理厂，在Na OH浓度为15%、泥液比为1∶5、超声温度35℃、超声时间45 min的条件下提取污泥腐殖酸，提取率约为10%。将漳州市龙海区农益蔬菜专业合作社的干化鸡粪和污泥腐殖酸按10∶1的比例混合均匀得到城市污泥腐殖酸有机肥。供试材料的基本理化性质见表1。

表1 供试材料基本理化性质

1.2 试验设计

试验共设3个处理，分别为不施肥作空白对照（CK）、施用城市污泥腐殖酸有机肥4 500 kg/hm2作为底肥（A）、施用鸡粪有机肥4 500 kg/hm2作为底肥（B）。每个处理设3次重复，共9个小区，小区面积均为30 m2(1.5 m×20.0 m）。各处理小区随机排列。

1.3 试验实施

试验在漳州市龙海区农益蔬菜专业合作社进行。城市污泥腐殖酸有机肥和鸡粪有机肥于2022年9月14日一次性撒施后耕翻入土，9月20日播种，分别在苗期（10月27日）、蕾薹期（11月16日）各施入尿素1次（撒施尿素750 kg/hm2）。本试验各处理除所用底肥不同外，其他田间管理措施一致。

1.4 测定内容及方法

2022年12月20日收割测量油菜产量。油菜鲜样洗净后，油菜叶片的叶绿素含量采用丙酮乙醇混合液法测定[13],VC含量采用2,6-二氯靛酚法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[14]，硝酸盐含量采用酚二磺酸比色法测定[11]。采集蔬菜、土壤样品，土壤有机质、全氮、全磷、全钾等养分采用《土壤农业化学常规分析方法》[15]的方法测定；土壤重金属（Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn）采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002)[16]的方法测定；油菜叶片重金属（Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn）采用《食品卫生检验方法理化部分（一）》[17]的方法测定。

2、结果与分析

2.1 对油菜生长发育的影响

叶绿素是进行光合作用的一类色素，叶片中的叶绿素将二氧化碳和水转化成有机物和氧气，有机物储存于植物体中，从而促进植物生长。因此，叶绿素是植物生长的一个重要指标参数，叶绿素含量越高，越有利于植物生长。叶绿素不溶于水，但溶于乙醇、丙酮等有机溶剂中，因而一般采用丙酮乙醇混合液法测定植物叶片叶绿素含量。由表2可知，在施肥量相同的情况下，以处理A（城市污泥腐殖酸有机肥作底肥）油菜叶绿素含量最高，达到1.76 mg/cm2，分别较CK（不施肥）和处理B（鸡粪有机肥作底肥）油菜叶绿素含量提高24.82%和11.39%。处理A油菜小区平均产量最高，为35.4 kg，分别较处理B、CK提高7.93%和23.34%。由此可见，施用城市污泥腐殖酸有机肥提高了油菜叶片叶绿素含量，有利于光合作用产生更多有机物，从而有效地促进油菜生长。

表2 不同处理油菜产量、叶绿素和营养成分含量

2.2 对油菜品质的影响

硝酸盐含量是油菜的一个重要品质参数。油菜易富集硝酸盐，但硝酸盐被人体摄入后会形成具有较大毒性的亚硝酸盐，可对人体产生一定的危害[11]。基于此，世界卫生组织规定，居民每天硝酸盐的摄入量（ADI）限值为3.6 mg/kg体重。我国则将蔬菜、水果等食物硝酸盐含量划分为4级标准：<432 mg/kg为1级标准（轻度污染）；432～<785 mg/kg为2级标准（中度污染）；785～<1 440 mg/kg为3级标准（重度污染）；1 440～<3 100 mg/kg为4级标准（严重污染）。本试验结果（表2）表明，CK油菜的硝酸盐含量最高，属于2级，中度污染，而处理A油菜的硝酸盐含量最低，属于1级，符合蔬菜硝酸盐含量的卫生标准。这主要是因为城市污泥腐殖酸有机肥中含有氮、磷等植物生长所需元素存在于腐殖酸等有机物中。因此，相比于无机肥，城市污泥腐殖酸有机肥在土壤中的矿化过程较为缓慢，一般要借助土壤中的微生物分解转化成无机氮、无机磷才被油菜等作物吸收。此外，施用城市污泥腐殖酸有机肥还能显著提高油菜可溶性糖、VC含量。处理A油菜的可溶性糖、VC含量分别为0.92%、429.7 mg/kg，分别较处理B提高10.84%和3.52%。由此表明，底肥施用城市污泥腐殖酸有机肥4 500 kg/hm2可提高油菜可溶性糖、VC含量，降低硝酸盐的含量，从而提高油菜的品质。

2.3 对油菜重金属含量的影响

污泥腐殖酸、鸡粪等有机肥由于在来源、发酵工业等方面都会导致自身含有一定量的重金属元素。施用后，可能被油菜等作物的根系吸收后进入植物体内，带来一定的重金属污染风险。本试验中，以处理B（施用鸡粪有机肥）油菜中各种重金属含量均最高，其中重金属Hg的含量略高于《农产品安全质量无公害蔬菜安全要求》（GB 18406.1—2001）标准[18]规定的最大限定值外，Cr、Cd、As和Pb含量低于该标准规定的最大限定值。处理A（施用城市污泥腐殖酸有机肥）油菜重金属含量均低于上述标准规定的最大限定值（表3），没有使蔬菜受到重金属污染。因此，城市污泥腐殖酸有机肥作为底肥且施用量控制在4 500 kg/hm2以内，不会对油菜等蔬菜产生危害，可以保证蔬菜质量安全。

表3 不同处理油菜重金属含量

2.4 对土壤性质的影响

城市污泥腐殖酸有机肥含有大量的有机质、氮和磷养分，对改善土壤肥力具有重要的作用。有机质是表征土壤肥力的一个重要指标。土壤中的有机质被微生物转化为小分子有机物、无机氮、无机磷等营养成分，这些成分能够促进油菜等农作物生长。由表4可知，不同有机肥作底肥施用，土壤有机质有不同程度的提高，以处理A（城市污泥腐殖酸有机肥作底肥）土壤有机质含量最高，达13.5 g/kg。全氮是土壤无机氮和有机氮的总合，全磷是土壤无机磷和有机磷的总合，土壤中的有机氮、有机磷可在微生物等作用下转化为无机氮和无机磷。因此，全氮和全磷是土壤肥力的重要参数。油菜施用有机肥有利于提升土壤全氮和全磷含量。本试验中，处理A土壤全氮和全磷含量最高，分别为0.98 g/kg、485 mg/kg，分别较处理B提高7.69%和11.49%。

表4 不同处理土壤养分含量

钾元素是油菜等农作物茎、叶中含量较多的元素之一。钾元素能促进农作物的细胞增殖，体内水分的流动，缓解强光、干旱等恶劣环境导致的损害，使农作物正常生长。土壤是农作物钾元素主要来源，全钾是土壤肥力的指标之一。本试验中，油菜施用有机肥后土壤全钾含量降低，处理A（城市污泥腐殖酸有机肥作底肥）土壤全钾含量最低，仅为4.48%。因此，施用有机肥时须适当补充钾肥，以利于油菜等农作物生长。

城市污泥腐殖酸有机肥含有羟基、羰基、羧基等基团，对重金属离子具有一定的络合吸附能力。结合控制施用量和使用间隔期，一般不会对植物和土壤造成重金属污染。本试验中，施用有机肥的土壤重金属含量略有增加（表5），但不同处理土壤中重金属的含量均低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）标准中的农用土壤污染风险管制值[19]，表明短期施用城市污泥腐殖酸有机肥不会对土壤造成重金属污染。

表5 不同处理土壤重金属含量

3、结论与讨论

利用城市污泥制备腐殖酸有机肥，并开展其对油菜生长发育及土壤性质的影响研究。结果显示，施用城市污泥腐殖酸有机肥4 500 kg/hm2作基肥能增强油菜根系活力，促进其生长，增产效果显著。城市污泥腐殖酸有机肥含有有机质和氮、磷、钾等成分，有利于促进营养均衡，提升油菜品质，而且不会产生砷、汞、铅等重金属污染风险。城市污泥腐殖酸有机肥具有培肥土壤效应，可提高土壤有机质、全氮和全磷含量，适量施用之后不会造成土壤重金属污染，可在蔬菜种植中推广使用。

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