城市污泥發(fā)酵物連續(xù)施用對沙質潮土土壤質量的影響.pdf

1、城市生活污泥發(fā)酵物應用于土壤改良，對有效消控城市污泥和改善土壤質量具有重要意義。本論文以河南省沙質潮土為研究對象，通過2013-2016年4年8季田間連續(xù)定位試驗結合盆栽模擬試驗，在小麥-玉米輪作制度下，研究了添加不同量城市生活污泥發(fā)酵物（簡稱污泥發(fā)酵物）(SW)0t·hm-2(CK)、15t·hm-2(SW1)、30thm-2(SW2)和45t·hm-2(SW3)對土壤基本理化性質、土壤肥力、土壤酶活性及微生物群落結構和功能的影響特征

2、，以期為污泥發(fā)酵物培肥沙質潮土提供科學依據(jù)。主要研究結果如下:
　　1.施用污泥發(fā)酵物顯著改善了土壤肥力和環(huán)境質量。連續(xù)定位施用污泥發(fā)酵物能夠提高土壤含水量，降低土壤pH，提高土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)和速效磷和鉀含量。與CK相比，污泥發(fā)酵物處理土壤SOC、TN和綜合肥力指數(shù)(IFI)分別增加了121.2％～265.8％、93.1％～284.3％和25.31％～55.51％,均隨污泥發(fā)酵物施入量增加而顯著增加(P＜0.05

3、)，培肥效果顯著;同時，經(jīng)過4年8季定位試驗，耕層土壤重金屬含量未發(fā)現(xiàn)顯著增加，遠低于土壤環(huán)境質量二級標準，在本研究條件下污泥發(fā)酵物培肥沙質潮土具有環(huán)境安全性。
　　2.土壤活性有機氮組分含量隨污泥發(fā)酵物施入量的增大而增加，土壤活性有機氮組分在土壤全氮中的分配受污泥發(fā)酵物施入量影響顯著。污泥發(fā)酵物各處理土壤活性有機氮組分含量均顯著提高(P＜0.05)，且與污泥發(fā)酵物施用量呈正比。施用污泥發(fā)酵物處理中活性有機氮各組分含量呈現(xiàn):顆粒態(tài)

4、有機氮(PON)＞輕組有機氮(LFON)＞溶解性有機氮(DON)＞微生物生物量氮(SMBN)。污泥發(fā)酵物促進顆粒態(tài)有機氮和微生物生物量氮分配，較CK處理，SMBN/TN分別顯著增加了0.8～5.4倍(P＜0.05)，而PON/TN增加幅度較小。污泥發(fā)酵物處理降低了LFON/TN和DON/TN分配，分別顯著降低了17.3％～33.4％和38.5％～71.3％(P＜0.05)，表明在施用污泥發(fā)酵物培肥土壤過程中，顆粒態(tài)有機氮和微生物生物量氮

5、對土壤活性有機氮庫存穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用，而溶解性有機氮更容易被吸收利用，能代替部分礦質養(yǎng)分供給植物和微生物生長所利用。通過冗余分析表明，施用污泥發(fā)酵物改善土壤pH和土壤含水量等理化條件，有利于土壤有機氮組分以活性有機氮組分形式存在，從而提高土壤養(yǎng)分供應能力。
　　3.土壤15N豐度變化特征可作為污泥發(fā)酵物對沙質土壤質量提升效果的指示指標。與CK處理相比，施用污泥發(fā)酵物SW1、SW2和SW3處理分別顯著降低了土壤15N豐度41.4

6、％、47.7％和59.9％(P＜0.05);通徑分析和冗余分析結果表明，土壤15N豐度與土壤環(huán)境條件、土壤活性有機氮組分含量及分配存在顯著相關性，表明土壤δ15N變化可用于指示沙質潮土培肥過程中土壤活性有機氮組分含量及轉化特征。
　　4.施用污泥發(fā)酵物顯著影響了土壤胞外酶活性。較CK處理，SW3處理土壤蔗糖酶、β-葡糖苷酶和β-纖維二糖甘酶活分別顯著增加了64.6％、89.8％和202.6％(P＜0.05);脲酶、乙酰葡糖氨糖苷酶

7、和芳香胺基酶分別增加了110.3％、357.8％和116.9％(P＜0.05);磷酸酶顯著增加了10.6％(P＜0.05)。污泥發(fā)酵物處理顯著降低土壤氧化酶活性，較CK處理，污泥發(fā)酵物處理酚氧化酶和過氧化物酶活分別降低了28.5％～35.4％和31.1％～43.9％(P＜0.05)，污泥發(fā)酵物處理間差異不顯著。相關性分析表明，土壤酶與土壤活性有機氮組分含量及分配顯著相關，說明土壤養(yǎng)分循環(huán)過程受多種代謝酶共同參與調節(jié)，同時，土壤氮酶與土壤

8、15N豐度相關性均高于與其他土壤活性有機氮組分的相關性(R2=0.995)，可見土壤15N豐度與土壤氮酶活性變化高度一致，可指示土壤氮養(yǎng)分循環(huán)過程。主成分分析和冗余分析證實，土壤酶活性與污泥發(fā)酵物施入量和環(huán)境條件改變存在顯著相關性，污泥發(fā)酵物改善土壤環(huán)境條件，進而調節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)過程。
　　5.施用污泥發(fā)酵物對土壤細菌群落結構和代謝功能影響顯著。污泥發(fā)酵物處理降低土壤OTUs、Chao1豐度和香濃多樣性指數(shù)，施入量增加降低細菌豐度

9、，污泥發(fā)酵物施用量達45t·hm-2時效果最為顯著(P＜0.05)，Chao1指數(shù)和香濃多樣性指數(shù)分別降低了8.69％和3.50％(P＜0.05)。較CK處理，污泥發(fā)酵物高施入量處理（SW2和SW3），變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、變形菌門中α變形菌綱和γ變形菌綱、芽孢桿菌綱(Bacilli)、擬桿菌門incertae_sedis菌綱、黃色單胞菌目(Xanthomonadales)和紅螺菌目

10、(Rhodospirillales)和芽孢桿菌目(Bacillales)不同分類水平物種均具有最高豐度，較CK處理，豐度分別增加了27.30％、100.07％、27.52％、81.53％、106.94％、108.45％、44.40％、80.25％和93.06％(P＜0.05)。而CK處理下，放線菌門（Actinobacteria）、酸酐菌門（Acidobacteria）、Candidatus Saccharibacteria和疣微菌門(

11、Verrucomicrobia)具有較強的環(huán)境適應能力，豐度分別為29.93％、12.22％、1.20％和1.38％，表明污泥發(fā)酵物施用抑制了其生長代謝?；谔幚睃c之間物種組成差異性分析和冗余分析可知，污泥發(fā)酵物高施用量促進微生物群落結構向養(yǎng)分循環(huán)過程有關的物種組成轉變，促進養(yǎng)分循環(huán)和能量代謝相關基因表達，同時，污泥發(fā)酵物施入改善了土壤環(huán)境條件、提高氮素供應是微生物的群落結構和基因差異表達的間接誘導因素，其中土壤DOC、DON含量及養(yǎng)分

12、水平是影響物種組成的主要環(huán)境因素。
　　綜上所述，在確保污泥發(fā)酵物施用量不存在環(huán)境風險性的前提下，施用污泥發(fā)酵物可顯著改善沙質潮土土壤物理特性，提高土壤養(yǎng)分供應能力和土壤氮庫存，對沙質潮土土壤質量提升效果顯著，連續(xù)4年8季連續(xù)施用污泥發(fā)酵物后，以45t·hm-2施入量效果最佳，通過分析微生物參與養(yǎng)分循環(huán)過程的代謝特征、物種組成和基因表達特征可證實，污泥發(fā)酵物改善了土壤微生物學特性，促進微生物群落結構組成以參與養(yǎng)分循環(huán)過程的物種為主