為促進污泥產品土地利用資源化科學發(fā)展及應用，設置0、9、18、27 t/hm2 共4個施肥水平，通過單季小白菜農用，研究生物碳土(好氧堆肥)和有機營養(yǎng)土(高級厭氧消化工藝)兩種北京城市生活污泥產品對植物肥效和土壤質量的影響。結果表明：有機營養(yǎng)土和生物碳土均能提升小白菜的養(yǎng)分吸收，施肥量越高，全氮吸收量越高，有機營養(yǎng)土、生物碳土的T3處理較CK分別提升23.7%、14.2%；對小白菜重金屬吸收的影響很小，未表現(xiàn)出明顯的植物重金屬富集特征，均滿足《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB-2762-2017)限值標準；對小白菜的生長具有顯著促進作用，在0~27 t/hm2范圍內，產量隨著施肥梯度不斷增加，肥料貢獻率不斷升高，同施肥梯度下，生物碳土的增產效果優(yōu)于有機營養(yǎng)土，兩種產品最佳施用量均在18~27 t/hm2，可維持較高的肥料利用率；有機營養(yǎng)土和生物碳土對土壤全氮、NH3-N、NO3-N、全磷、有效磷、有機質的提升效果尤為明顯，均能對土壤質量的改善起到積極效果；從土壤環(huán)境影響來看，在本試驗施肥梯度下，除全鎘和全鉻，其它重金屬指標均在各施肥處理土壤中無顯著差異，未出現(xiàn)土壤重金屬明顯累積趨勢，滿足《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準》(試行)(GB 15618-2018)要求，土壤環(huán)境良好。

城鎮(zhèn)生活污泥經無害化、穩(wěn)定化進行土地利用是解決污泥產品重要的形式之一，污泥中大部分的氮磷、有機質等營養(yǎng)成分均來自于土壤，因此將富含碳氮磷營養(yǎng)元素的污泥回歸土壤，是實現(xiàn)資源循環(huán)利用的重要途徑。好氧發(fā)酵、厭氧消化是國內外應用廣泛的污泥無害化、穩(wěn)定化處理手段，污泥經處理后產品屬于一種類有機肥功能的新型物料。相關研究表明，污泥產品利用可顯著提升地力條件，改善土壤結構，提升土壤酶活，起到培肥改土效果。但也有其它研究顯示，污泥連續(xù)施用會造成土壤及植物的重金屬污染，造成食品安全和環(huán)境風險，導致污泥產品認可度低。污泥經處理雖然達到相關資源化利用標準，但在實際推廣應用過程中壁壘重重，同時鑒于缺乏國家層面的科學的土地利用環(huán)境風險體系和管理體系等落地政策的有力支撐，污泥土地利用多重因素受限導致我國污泥土地利用資源化一直處于瓶頸階段。

因此，為污泥產品土地利用提供科學依據(jù)，推動土地利用資源化方式發(fā)展，本研究通過污泥產品單季小白菜農用，利用好氧堆肥和高級厭氧消化工藝處理后北京城市生活污泥產品，旨在從產品肥效和環(huán)境影響兩個角度，研究污泥產品對植物生長和土壤環(huán)境的影響，以期為不同污泥產品土地利用的發(fā)展提供科學支撐。

01 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市大興區(qū)龐各莊鎮(zhèn)北頓垡村，屬于溫帶大陸性半濕潤季風氣候，四季分明，雨熱同季，但降雨時間分布不均，季風較多，多年平均降水量549.5mm，年降水多集中在6月至9月，土壤類型為粘質砂土。

1.2 試驗設計

試驗設計污泥產品2種，產品來源于北京排水集團龐各莊污泥處置廠，一種為城鎮(zhèn)生活污泥經好氧堆肥發(fā)酵工藝生產的生物碳土產品，另一種為城鎮(zhèn)生活污泥經高級厭氧消化工藝（熱水解+厭氧消化）生產的有機營養(yǎng)土產品。產品特性如表1、表2所示。

每種產品設置1個空白（ck）處理，3個施肥處理T1、T2、T3，分別為9、18、27 t/hm2 (干基)。其中，不施肥處理，耕地后按10cm行距開深3cm的播種條溝并條播小白菜種子（CK）；施肥處理組，首先進行土表撒施，再人工進行表土翻耕（0~15cm），最后按CK組方法進行種子播撒。各處理間等量播種。每個處理3次重復，小區(qū)面積為4m×3m。小白菜種植期限為2個月，5月底播撒，7月底收獲。

1.3 檢測指標

1.3.1 土壤指標

在小白菜播種前和收獲后，按五點取樣法采集表層（0~20cm）土壤，自然風干后磨碎過篩，測定土壤pH、全鹽、CEC、密度、全氮、全磷、全鉀、有機質、有效NH3-N、有效NO3--N、有效磷、速效鉀、全鎘、全鉻、全鉛、全汞、全砷、全銅、全鋅、全鎳，文中數(shù)據(jù)以干重計。

1.3.2 植物指標

在小白菜成熟期，按五點取樣法取地上部葉片，105℃條件下殺青30min，再于70℃條件下烘干至恒重，粉碎后過篩，測定全氮、全磷、全鉀、全鎘、全鉻、全鉛、全汞、全砷、全銅、全鋅、全鎳，文中營養(yǎng)指標含量以干重計，重金屬含量以鮮重計。

1.3.3 產量

在小白菜收獲前一天，每個小區(qū)按1m2，選定3組長勢均勻且有代表性的樣方，收獲地上部后稱鮮重，進行測產，文中數(shù)據(jù)以鮮重計。

1.4 指標計算方法

1.4.1 肥料利用率

分別用肥料農學利用率、肥料偏生產力和肥料貢獻率等指標表征肥料利用效率。

肥料農學利用率（kg/kg）=（肥料處理產量-不施肥處理產量）/施肥處理的養(yǎng)分（N、P2O5、K2O）施用量（1）

肥料偏生產力（kg/kg）=施肥處理產量/施肥處理的養(yǎng)分（N、P2O5、K2O）施用量 （2）

肥料貢獻率=（施肥處理產量-不施肥處理產量）/施肥處理產量×100%（3）

1.4.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析、制圖采用Microsoft Excel 2010，方差分析采用SPSS18.0軟件，多重比較采用Duncan新復極差法，P<0.05，不同小寫字母表示處理間差異顯著。

02 結果與分析

2.1 污泥產品施用對小白菜生長效果的影響

2.1.1 不同污泥產品對小白菜養(yǎng)分吸收的影響

由表3可知，兩種污泥產品對小白菜地上部養(yǎng)分吸收規(guī)律不同，有機營養(yǎng)土對小白菜的全氮的養(yǎng)分吸收顯著影響，生物碳土對全氮吸收影響不顯著，但從變化趨勢分析，兩種產品變化一致，表現(xiàn)為施肥量越高，全氮吸收量越高，有機營養(yǎng)土、生物碳土的T3處理較CK分別提升23.7%、14.2%。但兩種產品不同施肥處理對全磷吸收影響不顯著，并沒有出現(xiàn)與全氮相似的變化趨勢。從全鉀來看，有機營養(yǎng)土T2、T3與CK、T1表現(xiàn)顯著差異，呈現(xiàn)施肥量越高，全鉀降低的趨勢，生物碳土各處理間差異不顯著。

2.1.2 不同污泥產品對小白菜重金屬吸收的影響

不同污泥產品對小白菜八項重金屬吸收的影響略有差異。由表4可知，有機營養(yǎng)土各處理對總汞、總鉻影響不顯著，其他重金屬，施肥處理均與不施肥處理差異顯著，不同施肥梯度間，除總砷T2與T1、T3差異顯著，其他重金屬均差異不顯著；生物碳土各處理對總銅影響不顯著，其他處理，除總鋅外，施肥處理均與不施肥處理差異顯著。但總體來看，不同污泥產品的不同施肥梯度對小白菜重金屬吸收的影響很小，從變化趨勢來看，雖然變化不完全一致，但大多數(shù)重金屬呈現(xiàn)施用污泥產品后重金屬降低的趨勢，未表現(xiàn)出明顯的植物重金屬富集特征，均滿足《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762-2017）中重金屬限值標準。

2.1.3 不同污泥產品對小白菜產量的影響

由圖1可知，有機營養(yǎng)和生物碳土兩種產品對小白菜的生長具有顯著促進作用。從產量來看，兩種產品在0~27 t/hm2 (干基)施肥量范圍內，小白菜產量隨著施肥梯度增高，產量增加，但在施肥量18 t/hm2和27 t/hm2兩個處理間，均表現(xiàn)差異不顯著。從兩種產品增產效果來看，兩者T3較CK分別提升200.0%、372.4%。表明兩種產品均能對小白菜增產，生物碳土增產效果好于有機營養(yǎng)土，同時，結合實際產量，兩種產品最佳施用量均應在18~ 27 t/hm2。

2.1.4 污泥產品對小白菜肥料利用率的影響

有機營養(yǎng)土和生物碳土均顯著影響了小白菜的肥料利用率（見表5）。隨著兩種產品施用量的增加，肥料利用率的變化趨勢一致，其中，肥料貢獻率不斷升高，但T2、T3之間變化不大；肥料農學利用率先增高，后顯著降低；肥料偏生產力則隨著施用量增高而不斷降低，在施肥量超過18 t/hm2時，下降顯著?？傮w而言，兩種產品的施用量18~27 t/hm2，可維持較高的肥料利用率。

2.2 污泥產品施用對小白菜種植土壤質量的影響

2.2.1 不同污泥產品施用對小白菜土壤理化性狀的影響

由表6可知，有機營養(yǎng)土和生物碳土均對土壤全鹽影響較大，有機營養(yǎng)土T3較CK呈顯著差異；生物碳土T2、T3較CK均呈顯著差異。對pH影響較小，對土壤CEC、容重、密度無顯著影響。

2.2.2 不同污泥產品施用對土壤養(yǎng)分的影響

有機營養(yǎng)土和生物碳土均對土壤養(yǎng)分影響較大（見表7）。其中，較不施肥處理，全氮、全磷、有效

NH3-N、有效NO-3-N均有顯著差異，有機質、有效磷、速效鉀差異不顯著。從變化趨勢來看，除全鉀和速效鉀無一致變化規(guī)律外，其它各指標均較CK均有提升，且呈隨著施肥量增加而增加趨勢。對土壤全氮、NH3-N、NO-3-N、全磷、有效磷、有機質的提升效果尤為明顯。表明施用兩種產品均對土壤質量的改善起到積極效果。

2.2.3 不同污泥產品施用對土壤重金屬的影響

從土壤環(huán)境影響來看，由表8可知，除全鎘和全鉻，其他重金屬指標均在各施肥處理土壤中無顯著差異。有機營養(yǎng)土施用后，全鎘T3較其他它處理呈顯著差異，全鉻不同處理間略有差異；生物碳土施用后，全鎘T2、T3較其他呈顯著差異，全鉻各處理無顯著差異。從各重金屬含量來看，本試驗下不同產品、不同施用量對土壤重金屬無明顯累積趨勢。從總體來看，滿足《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準》（試行）(GB 15618-2018)要求，土壤環(huán)境良好。

03 討論

3.1 污泥產品施用對小白菜肥效的影響

污泥中含有豐富的氮磷、有機質等營養(yǎng)成分，污泥產品合理的土地利用能對土壤起到培肥改土的效果。本試驗也表明施用污泥產品可提高植物的養(yǎng)分吸收，提高植物產量，同時促進土壤氮磷、有機質的提升，對土壤地力的提升起到積極促進作用。

從養(yǎng)分吸收量變化趨勢來看，分析由于污泥產品中主要以氮磷含量為主，鉀含量較低，同時小白菜屬于葉菜類蔬菜，其生長對氮素更為敏感，從氮素吸收規(guī)律來看，與楊麗標在污泥產品西芹試驗研究的結果一致，隨著污泥施用的增加，西芹氮素吸收量遞增，同時該研究也得出單施污泥條件下，氮磷礦化速率最高為22.75%和7.28%，且隨著用量增加，單季礦化率降低。而本研究磷素吸收量未表現(xiàn)因污泥中磷素投入量增加而小白菜中磷素增加的趨勢，可能與其生長周期短，而磷的礦化速度慢，投入的磷素未能及時轉變?yōu)橹参镂盏男螒B(tài)。并且，楊桐桐在污泥產品施用對高羊茅的研究中也表明，污泥產品施用有利于高羊茅對氮磷鉀的吸收，但這種促進作用在試驗初期較為緩慢，后期顯現(xiàn)比較明顯。說明污泥產品與化肥產品有別，養(yǎng)分具有緩釋效果，隨著養(yǎng)分逐漸轉變?yōu)榭衫脩B(tài)，推斷其肥效的后勁更足。

從增產的角度來看，本研究表明兩種污泥產品在一定施肥量下，隨著施肥量增高，產量逐漸增加，并且通過肥料利用率分析，也充分展現(xiàn)了污泥產品的肥料可替代特征，這與前人在污泥農學應用中得出的相關結論基本一致，許曉玲研究表明，連續(xù)三茬施用污泥堆肥能提高大豆產量，最高增產率達到50.7%。楊麗標研究表明，單施污泥堆肥即可滿足西芹正常生長需求，且比化肥更能提高作物產量，增產幅度為12.6%~34%。但從增產效果來看，生物碳土優(yōu)于有機營養(yǎng)土，推斷可能由于兩種不同的污泥處理工藝下，產品中養(yǎng)分形態(tài)數(shù)量差異，生物碳土在短期內能釋放更多養(yǎng)分，促進植物生長。但本試驗基于一次小白菜試驗，尚不能完全判定兩種產品的適用性，后續(xù)研究還需要進行不同作物、不同時間尺度、與化肥產品的對比等進一步試驗。

3.2 污泥產品施用對土壤質量的影響

從土壤肥力改善的角度來看，本研究表明污泥產品施用對土壤全氮、NH3-N、NO3-N、全磷、有效磷、有機質的提升效果尤為明顯，對土壤質量的改善起到積極效果。這與前人在農學試驗研究的相關結果一致，楊麗標研究表明污泥產品施用可較大幅度提高土壤速效氮、磷含量，改善土壤肥力。冀拯宇在連續(xù)3年施用無害化污泥堆肥對沙質潮土肥力的影響中表明，施用達到國家標準的無害化污泥堆肥，可在短期內提升土壤肥力質量，改善土壤微生物特性。郭康莉連續(xù)4年污泥產品施用長期定位試驗中表明，施用污泥產品處理土壤SOC、全氮和土壤綜合肥力指數(shù)均顯著升高，連續(xù)施用量45t/hm2（含水率33.1%）效果最為顯著。楊桐桐在污泥產品對沙荒地改良研究中表明，污泥產品施用可顯著提升土壤全氮、全磷、全鉀和有機質，其中有機質增長最為顯著。朱琳瑩在污泥產品鹽堿地研究中表明，污泥產品施用可降低鹽堿土pH和總鹽含量，提高土壤養(yǎng)分及酶活，增加土壤微生物量碳和土壤微生物量氮。

同時在試驗過程中，也發(fā)現(xiàn)施肥后土壤中全鹽量增加、硝態(tài)氮增加的現(xiàn)象，這是由于污水和污泥處理過程中，藥劑的增加導致污泥中可溶性鹽份含量會高于常規(guī)土壤中鹽含量，而鹽分過高會造成細胞失水，進而影響地上植物生長，雖然在本試驗中未出現(xiàn)影響植物生長的現(xiàn)象，但不排除長期施用出現(xiàn)鹽分累積，仍需進一步持續(xù)研究。同時，污泥產品中養(yǎng)分的釋放，產生硝態(tài)氮也會影響面源水體和植物中硝酸鹽的含量，進而可能造成水體污染和食品安全問題。因此，污泥產品的施用量、施用年限等科學施用方法，在土地利用過程中也至關重要。

3.3 污泥產品施用對植物食品安全和土壤環(huán)境的影響

污泥產品農用一直是社會關注的重點，關鍵問題是污泥產品中重金屬是否影響食品質量安全和土壤環(huán)境安全。而本研究表明不同污泥產品的不同施肥梯度對小白菜重金屬吸收和土壤重金屬累積影響很小，大多數(shù)沒有顯著變化。從研究結果來看，與前人在研究中表明污泥產品施用對土壤和植株中重金屬累積明顯，且隨施用量增加而增加的結論不一致，但也有研究表明雖然連續(xù)施用后部分重金屬出現(xiàn)一定累積，但土壤和植物籽粒均符合國家標準限值。從原因來看，不同試驗選擇不同區(qū)域的污泥產品，試驗材料質量不一。而本研究選取的是2020年北京城市生活污泥產品，隨著社會的變遷和城市管網(wǎng)的優(yōu)化，污水質量在逐步提升，污泥泥質也在變好，并且隨著處理工藝管理的提升，污泥產品質量也在不斷優(yōu)化，據(jù)北京污泥產品檢測統(tǒng)計，污泥產品中重金屬呈逐年降低趨勢，當前重金屬含量不但能達到且優(yōu)于國家相關利用標準限值。同時，重金屬的形態(tài)也會影響植物對重金屬的吸收，眾所周知，重金屬主要以離子態(tài)形式被植物吸收，說明本試驗中重金屬有效態(tài)比例低，而重金屬以殘渣態(tài)的形式存在對植物基本無效。從當前主流的污泥無害化、穩(wěn)定化處理工藝來看，污泥的堆肥處理、熱水解+厭氧消化處理等工藝均能顯著降低交換態(tài)重金屬含量，張含研究表明高級厭氧消化有利于污泥中其它形態(tài)重金屬逐漸向殘渣態(tài)轉化，從而降低其遷移性與生態(tài)風險。孫雪萍研究污泥經熱水解處理后，重金屬主要以殘渣態(tài)形式存在，潛在遷移性大大降低。馮春在污泥堆肥后重金屬形態(tài)研究中表明堆肥過程顯著降低交換態(tài)重金屬含量，具有一定的鈍化作用。王社平在城市污泥堆肥后重金屬形態(tài)變化研究中表明堆肥處理能達到重金屬鈍化目的，減少生物毒性。高定研究表明堆肥處理可降低污泥中重金屬活性，是降低污泥在土地利用中重金屬污染風險的途徑。當然，研究的時間尺度也是影響試驗結果的一個重要因素，Muchuweti在連續(xù)多年的污泥定位試驗中表明，重金屬在土壤中累積明顯，玉米中Cd、Cu、Pb、Zn富集較為嚴重。翟麗梅在5年施用污泥農用對作物和土壤中汞影響的研究中表明隨著施用年限增加汞累積量顯著增加，且主要在表層，當污泥中的Hg含量低于污泥農用時污染物控制標準限值（GB 18918-2002）時，在用量低于2400t/(hm2·年)條件下,連續(xù)5年施用并未對小麥和玉米地上部Hg含量產生顯著影響。因此，污泥的土地利用是一把雙刃劍，既不能完全肯定其安全性，也不能忽視其風險性，應理性看待其毒性計量，充分信任當前污泥處理技術發(fā)展的可靠性和政府在不斷的環(huán)境治理工作中對水體管控的有效性，污泥產品的質量安全正在不斷提升，污泥產品土地利用應得到科學推廣。

04 結論

（1）有機營養(yǎng)土和生物碳土均能提升小白菜的養(yǎng)分吸收，表現(xiàn)為施肥量越高，全氮吸收量越高，有機營養(yǎng)土、生物碳土的T3處理較CK分別提升23.7%、14.2%。不同污泥產品的不同施肥梯度對小白菜重金屬吸收的影響很小，從變化趨勢來看，雖然變化趨勢不一致，但大多數(shù)重金屬呈現(xiàn)施用污泥產品后重金屬降低的趨勢，未表現(xiàn)出明顯的植物重金屬富集特征，均滿足《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB-2762-2017）中重金屬限值標準。

（2）有機營養(yǎng)和生物碳土對小白菜的生長具有顯著促進作用。在0~27 t/hm2施肥量范圍內，小白菜產量隨著施肥梯度增加而不斷增高，肥料貢獻率不斷升高，同施肥梯度下，生物碳土的增產效果優(yōu)于有機營養(yǎng)土，兩種產品最佳施用量均在18~27 t/hm2，可維持較高的肥料利用率。

（3）有機營養(yǎng)土和生物碳土對土壤全氮、NH3-N、NO3-N、全磷、有效磷、有機質的提升效果尤為明顯，均能對土壤質量的改善起到積極效果。從土壤環(huán)境影響來看，在本試驗施肥梯度下，除全鎘和全鉻，其它重金屬指標均在各施肥處理土壤中無顯著差異，未出現(xiàn)土壤重金屬明顯累積趨勢，滿足《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準》（試行）(GB 15618-2018)要求，土壤環(huán)境良好。