城市污泥發(fā)酵物連續(xù)施用對(duì)沙質(zhì)潮土土壤質(zhì)量的影響.pdf

1、城市生活污泥發(fā)酵物應(yīng)用于土壤改良，對(duì)有效消控城市污泥和改善土壤質(zhì)量具有重要意義。本論文以河南省沙質(zhì)潮土為研究對(duì)象，通過(guò)2013-2016年4年8季田間連續(xù)定位試驗(yàn)結(jié)合盆栽模擬試驗(yàn)，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(jiǎn)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(duì)土壤基本理化性質(zhì)、土壤肥力、土壤酶活性及微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響特征

2、，以期為污泥發(fā)酵物培肥沙質(zhì)潮土提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)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(zhì)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(jī)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(shí)，經(jīng)過(guò)4年8季定位試驗(yàn)，耕層土壤重金屬含量未發(fā)現(xiàn)顯著增加，遠(yuǎn)低于土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在本研究條件下污泥發(fā)酵物培肥沙質(zhì)潮土具有環(huán)境安全性。
　　2.土壤活性有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)氮各組分含量呈現(xiàn):顆粒態(tài)

4、有機(jī)氮(PON)＞輕組有機(jī)氮(LFON)＞溶解性有機(jī)氮(DON)＞微生物生物量氮(SMBN)。污泥發(fā)酵物促進(jìn)顆粒態(tài)有機(jī)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(guò)程中，顆粒態(tài)有機(jī)氮和微生物生物量氮

5、對(duì)土壤活性有機(jī)氮庫(kù)存穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用，而溶解性有機(jī)氮更容易被吸收利用，能代替部分礦質(zhì)養(yǎng)分供給植物和微生物生長(zhǎng)所利用。通過(guò)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(jī)氮組分以活性有機(jī)氮組分形式存在，從而提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力。
　　3.土壤15N豐度變化特征可作為污泥發(fā)酵物對(duì)沙質(zhì)土壤質(zhì)量提升效果的指示指標(biāo)。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(jié)果表明，土壤15N豐度與土壤環(huán)境條件、土壤活性有機(jī)氮組分含量及分配存在顯著相關(guān)性，表明土壤δ15N變化可用于指示沙質(zhì)潮土培肥過(guò)程中土壤活性有機(jī)氮組分含量及轉(zhuǎn)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(guò)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(guān)性分析表明，土壤酶與土壤活性有機(jī)氮組分含量及分配顯著相關(guān)，說(shuō)明土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程受多種代謝酶共同參與調(diào)節(jié)，同時(shí)，土壤氮酶與土壤

8、15N豐度相關(guān)性均高于與其他土壤活性有機(jī)氮組分的相關(guān)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(guò)程。主成分分析和冗余分析證實(shí)，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(guān)性，污泥發(fā)酵物改善土壤環(huán)境條件，進(jìn)而調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程。
　　5.施用污泥發(fā)酵物對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)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(xì)菌豐度

9、，污泥發(fā)酵物施用量達(dá)45t·hm-2時(shí)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(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)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(zhǎng)代謝?；谔幚睃c(diǎn)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(jìn)微生物群落結(jié)構(gòu)向養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程有關(guān)的物種組成轉(zhuǎn)變，促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)和能量代謝相關(guān)基因表達(dá)，同時(shí)，污泥發(fā)酵物施入改善了土壤環(huán)境條件、提高氮素供應(yīng)是微生物的群落結(jié)構(gòu)和基因差異表達(dá)的間接誘導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)性的前提下，施用污泥發(fā)酵物可顯著改善沙質(zhì)潮土土壤物理特性，提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和土壤氮庫(kù)存，對(duì)沙質(zhì)潮土土壤質(zhì)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(guò)分析微生物參與養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程的代謝特征、物種組成和基因表達(dá)特征可證實(shí)，污泥發(fā)酵物改善了土壤微生物學(xué)特性，促進(jìn)微生物群落結(jié)構(gòu)組成以參與養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程的物種為主