城市分散式粪便(如公厕、化粪池等)因为其性质和填埋处理的限制已经成为当前城市管理的一个难题，探索分散式粪便的科学处置已经成为一个刻不容缓的问题. 粪便中富含植物所需的营养元素及有机质，具有用作肥料的潜力，目前以填埋为主的处理方式造成了巨大的资源浪费. 以前的传统农业曾将粪便直接用于农田，但由于肥力低、使用不便且容易造成二次污染的问题，已经逐步被化肥取代. 但有机肥具有普通化肥无法比拟的优势，特别是可有效防止土壤的板结. 随着我国农业结构的调整，资源节约型和环境友好型的现代农业迅速发展，对有机肥的需求量剧增. 目前应用较多的有机肥来自禽、畜粪便，其中往往夹带饲料添加剂、兽药、雌激素^[1]等残留，因此可能对作物本身、生态环境以及人体健康造成一定的危害和风险. 突出的问题比如四环素、金霉素、土霉素等抗生素、饲料添加剂在蔬菜中的残留、累积^{[2, 3, 4]}； 禽畜粪便中抗生素对堆肥过程^[5]以及施肥土壤中微生物群落结构与功能的破坏^{[6, 7, 8]}以及禽畜粪便中As、Ni、Cd、Cr等重金属对土壤、地下水的污染^{[9, 10, 11, 12, 13]}，因此禽畜粪有机肥一直饱受诟病. 考虑到城市分散式粪便基本来源于健康人群，加之一般经过了较长时间的腐熟，相比之下可能没有禽畜粪便用作有机肥时存在的诸多问题，因此在用于有机肥方面可能更具潜力. 本研究将城市分散式粪便制成颗粒有机肥并进行小青菜施肥试验，探讨有机肥的肥力以及对土壤、地下水的环境影响，评价施肥后叶片表面的大肠菌群的积累，对于探索和推进城市粪便的资源化处置利用具有重要的意义.

城市分散式粪便中的粪渣通过吸粪车收集，经过粗格栅、一体式固液分离设备去掉粒径大于8 mm的残渣，然后通过投加0.5‰的聚丙烯酰胺对悬浮物进行絮凝后进入螺压脱水机造粒进行颗粒化，制成颗粒肥，处理流程如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 颗粒肥生产流程示意 Fig. 1 Flow chart of production of granular fertilizer from human feces

试验土壤取自宁波市郊某大田，较贫瘠且多年未耕种. 土壤经风干、磨碎过2 mm筛. 将颗粒肥和土壤按照1:5、1:4、1:3、1:2、1:1的肥土比混合. 分别取不同肥土比混合土壤3 kg置于花盆内，以不施肥为对照(CK)，每个处理设3个重复. 试验在塑料大棚中进行，花盆内的混合土壤经自来水喷雾并浸透约2/3，静置1d后点播小青菜种子15粒. 花盆采取随机排列布局，定期调换位置、定期喷雾灌溉，并尽可能保证外界环境条件相同. 2个月后收取小青菜地上部分后称其鲜重； 经105℃杀青30 min，75℃烘干至恒重后测其干重. 同时测定土壤的相关指标. 在试验结束前，加大喷雾量，使花盆底部有淋溶水流出，采集约2000 mL淋溶水，充分混匀后取200 mL到样品瓶，置于4℃冰箱存放并及时分析相关指标.

①土壤性质测定：含水率采用烘干法； 容重采用比重法和环刀法； 速效磷、有机质、氨氮、全钾分别采用国标NY/T 1121.7-2006、GB 9834-88、GB 7479-87、GB 9836-88方法测定.

②金属离子含量测定：风干过筛的一定量土壤参照原子吸收分光光度法(GB/T 17141-1997)中的预处理方法进行消解并经0.45 μm滤膜过滤. 参照规范^[14]中相关方法使用ICP(100DV型，铂金埃尔默，美国)测定Cu、Zn、总Cr、Ni、Cd、Pb的离子含量.

③淋溶液测定：淋溶氮、淋溶磷参照①中氨氮、速效磷的测定方法，金属离子测定方法同②.

④大肠菌群和大肠杆菌测定采用美国3M公司的试剂盒：每个处理各采集5片大小类似的叶片置于200 mL无菌水中反复振荡后取水样测定； 取各处理淋溶水1 mL(每个处理3次重复)垂直滴在测试片中央处测得淋溶水中菌落数量.

⑤数据采用SPSS 17.0进行Pearson相关性及显著性(双侧)分析.

图 2显示颗粒肥施用后小青菜生物量增加明显，且小青菜生物量与施肥量呈极显著相关(P < 0.01)，见表 1. 试验中分别观察小青菜地上部分和根部生物量变化，发现地上部分生物量比根部增加更显著(施用颗粒肥对根部的影响不显著，P > 0.05).

图 2

Fig. 2

图 2 颗粒肥施用比例对小青菜生物量的影响 Fig. 2 Effects of the ratio between granular fertilizer and soil on the growth of pakchoi

表 1(Table 1)

表 1 颗粒肥施用与植物、土壤和淋溶水中相关指标变化的相关性与显著性分析1) Table 1 Correlation analysis and significance test between fertilization and some index of vegetables, soil and leaching water 指标 根重 地上植株 植株总重 小青菜 Pearson系数 0.200 0.962 ** 0.961 ** 显著性(双侧) 0.703 0.002 0.002 指标 有机质 腐殖质 胡敏酸碳量 富里酸碳量 胡敏素碳量 含水率 Pearson系数 0.943 ** 0.944 ** 0.993 ** 0.976 ** 0.973 ** 0.869 * 显著性(双侧) 0.005 0.005 0.000 0.001 0.001 0.025 土壤 指标 总孔隙度 容重 氨氮 全钾 速效磷 镉 Pearson系数 0.962 ** -0.960 ** 0.977 ** 0.998 ** 0.957 ** 0.800 显著性(双侧) 0.002 0.002 0.001 0.000 0.003 0.056 指标 铅 铜 锌 总铬 镍 Pearson系数 -0.906 * 0.962 ** 0.968 ** -0.445 0.980 ** 显著性(双侧) 0.013 0.002 0.002 0.377 0.001 指标 镉 铅 铜 锌 总铬 镍 Pearson系数 0.346 a -0.077 0.858 * a 0.206 淋溶水 显著性(双侧) 0.502 a 0.884 0.029 a 0.696 指标 淋溶氮 淋溶磷 大肠杆菌 大肠菌群 Pearson系数 0.019 0.980 ** 0.615 0.678 显著性(双侧) 0.971 0.001 0.193 0.139 1)**表示在0.01水平上相关;*表示在0.05水平上相关;a代表未检出;负值代表负相关

表 1 颗粒肥施用与植物、土壤和淋溶水中相关指标变化的相关性与显著性分析1) Table 1 Correlation analysis and significance test between fertilization and some index of vegetables, soil and leaching water

图 3显示全钾和速效磷随肥土比增大而增大，且变化显著(P < 0.01)，而氨氮在肥土比为1:5至1:2时增加缓慢，这可能是因为测定的是速效成分，植株吸收较多而导致土壤中含量较少. 氨氮、全钾、速效磷含量与肥土比的相关系数分别为0.977^**、0.998^**、0.957^**，可见，颗粒肥施肥可以显著提高土壤中有关营养元素.

图 3

Fig. 3

图 3 颗粒肥施用对土壤氮磷钾的影响 Fig. 3 Effects of the ratio between granular fertilizer and soil on the content of nitrogen,phosphorus and potassium in soil

土壤有机质是土壤肥力的标志且直接影响着土壤的保水性、保肥性、缓冲性. 由表 1可知随肥土比增大，土壤中有机质显著增加(P < 0.05)，尤以1:1时效果最好. 据土壤有机质参考指标，肥土比大于1:3时即可保证土壤有机质含量处于中高水平(>2.5%)； 对土壤肥力影响最大的腐殖质亦有显著增加(图 4)，可见颗粒肥施用有助于土壤对腐殖质的积累. 史吉平等^[15]在用猪粪作为有机肥对不同土壤长期定位施肥后发现，施用有机肥或有机无机肥配施不仅影响土壤腐殖质含量，还影响土壤理化性质. 土壤胡敏素是土壤腐殖物质中的重要组成部分，且在土壤水溶液中是不溶的. 但有研究表明，胡敏素对土壤中的铜离子有明显的吸附作用^[16]. 本研究表明，颗粒肥施入后，胡敏素含量有明显升高(r=0.973^**)，可能会有利于固定土壤中的某些金属离子以免其进入淋溶水中.

图 4

Fig. 4

图 4 颗粒肥施用对土壤有机质的影响 Fig. 4 Effects of the ratio between granular fertilizer and soil on the organic matters in soil

土壤孔隙度是土壤结构的重要指标，孔隙分布改善有助于减少淋溶，促进土壤中热、气和水运动及植物根系的生长； 容重则主要影响种子出苗、耕作耗能和水气的通透. 图 5显示随肥土比增大，各处理土壤总孔隙度增加，容重下降. 这可能与施入后颗粒肥分解过程中大孔隙的形成、土壤中生物活动增强有关. 经相关性分析发现土壤总孔隙度、土壤容重与施肥量均呈极显著相关(P< 0.01)，见表 1. Rasool等^[17]通过对土壤连续32 a的施肥后发现有机肥可显著提高土壤总孔隙度，同时可看到土壤含水率也有较显著提高，说明颗粒肥中有机物的良好亲水性使土壤保水能力增强，也提高了土壤有效水含量.

图 5

Fig. 5

图 5 颗粒肥施用对土壤理化性质的影响 Fig. 5 Effects of the ratio between granular fertilizer and soil on the physical-chemical properties of soil

由表 1和表 2可知土壤中金属离子变化除Cu、Zn外并不明显. Cd在对照(CK)或施肥后均处于极微量水平； 随肥土比增大，Pb、总Cr含量减小，Ni有所增加，但三者均仅微量变化而并未显著累积； Cu、Zn含量随肥土比增大而增大且增量明显. 但根据土壤环境质量标准(GB 15618-1995)，除1:1时Ni稍高于标准外，其他均符合一级标准.

表 2(Table 2)

表 2 颗粒肥施用对土壤中金属离子的影响 Table 2 Effects of the ratio between granular fertilizer and soil on the metal ions in soil×10-1/mg ·kg-1 肥土比 Cd Pb Cu Zn 总 Cr Ni CK — 26.40 37.56 96.62 58.82 30.22 1：5 0.07 27.09 58.10 144.50 57.72 32.90 1：4 0.07 25.70 62.76 137.64 61.30 35.64 1：3 0.06 23.54 85.84 181.50 59.28 36.70 1：2 0.05 22.81 93.60 202.60 57.82 37.66 1：1 0.06 20.28 161.78 313.00 57.04 44.34

表 2 颗粒肥施用对土壤中金属离子的影响 Table 2 Effects of the ratio between granular fertilizer and soil on the metal ions in soil×10-1/mg ·kg-1

淋溶水中Zn离子变化显著(表 1、表 3)，根据地下水质标准(GB/T 14848-93)二类标准的Zn限值为≤ 0.5 mg ·L^-1，因此施入颗粒肥虽增加了地下水中Zn含量，但仍远未超标. 而Cd、Pb、Cu、总Cr及Ni含量与对照组基本无差别，处于痕量或极微量水平，不会对地下水造成不良影响.

表 3(Table 3)

表 3 颗粒肥施用对淋溶水中金属离子的影响 Table 3 Effects of the ratio between granular fertilizer and soil on the metal ions in leaching water×10-1/mg ·kg-1 肥土比 Cd Pb Cu Zn 总 Cr Ni CK — — — 0.046 — 0.008 1：5 0.002 — — 0.096 — 0.008 1：4 0.002 — 0.002 0.106 — — 1：3 0.002 — 0.002 0.100 — 0.006 1：2 — — — 0.116 — — 1：1 0.002 — — 0.117 — 0.013

表 3 颗粒肥施用对淋溶水中金属离子的影响 Table 3 Effects of the ratio between granular fertilizer and soil on the metal ions in leaching water×10-1/mg ·kg-1

表 1显示淋溶磷与肥土比呈极显著相关(P < 0.01)，说明颗粒肥施入可能使部分磷进入地下水中(图 6)，但目前地下水标准(GB/T 14848-93)中尚未列入磷的限制值. 氮和钾的淋溶量随着肥土比的增加而增大，但却始终小于对照组，说明施用颗粒肥后能有效降低土壤氮和钾的淋溶，使土壤保氮、保钾能力提高，从而降低了对地下水的影响.

图 6

Fig. 6

图 6 颗粒肥施用对土壤淋溶液的影响 Fig. 6 Effects of the ratio between granular fertilizer and soil on the leaching water

在对土壤淋溶液(图 7)的检测中仅肥土比1:1的处理中检出了大肠杆菌，而大肠菌群数则除肥土比1:1外，其他处理均小于对照. 据地下水水质标准(GB/T 14848-93)，肥土比小于1:2时水质达Ⅲ类标准，属“较好”，可见一定量的颗粒肥施用反而能降低土壤病原菌污染^[18]，降低对地下水的潜在危害.

图 7

Fig. 7

图 7 颗粒肥施用对淋溶水中大肠杆菌和大肠菌群的影响 Fig. 7 Effects of the ratio between granular fertilizer and soil on E. coli and coliform group in leaching water

试验在对小青菜叶片的检测中均未发现大肠杆菌和大肠菌群，说明施用颗粒肥未对小青菜造成病原菌污染.

有机肥可有效提高土壤肥力，包括提高土壤氮磷钾、有机质等营养元素含量及改善土壤孔隙结构^{[19, 20]}. 就肥效而言，小青菜生物量在5个施肥处理中均有显著增加(图 2)，表明在其整个生育期内，颗粒肥供氮磷钾平稳肥效理想，能满足植物生长需要. 土壤中全钾含量增加显著(表 1)，且有研究表明土壤中充足的磷会通过H₂PO^-₄与黏土矿物中的OH^-发生代换作用而增加黏土矿物的负电荷^[21]，从而促进土壤中钾素的固定. 土壤中氨氮和速效磷有不同程度增加(图 3)，但根据土壤肥力分级标准和土壤有效磷含量指标：氨氮属第“6”级，即较低水平； 速效磷含量属低供磷水平. 氮磷含量低主要是因为土壤取自贫瘠且多年未耕种大田，土壤本身并不含较高氮磷； 试验只进行了一茬，土壤耕期短，是导致虽磷钾变化显著但土壤累积不高的缘故. 因此，颗粒肥实际应用中可借鉴禽畜粪便-无机肥配施^[21]或多年连续施用来提高土壤中氮磷钾含量.

重金属对土壤的污染常是永久性且不可逆的，因此是有机肥施用安全性的研究重点. 如张春兰等^[22]用污泥做有机肥，发现施肥后Hg、Cd含量分别超过土壤环境质量国家标准的4倍和3倍，而施用垃圾堆肥后，Hg甚至高于背景值32倍. Wong等^[23]在猪粪和马粪堆肥对金合欢树苗生长情况的试验中发现土壤中重金属累积明显. Han等^[24]发现连续25 a施用猪粪(10 t ·hm^-2)导致土壤表层Cu、Zn出现明显富集，分别为对照的22.4和7.5倍. 本试验结果(表 1)虽土壤中Cu、Zn增加显著(P < 0.01)，但均符合国家二级标准，属尚清洁； 仅当肥土比高达1:1时Ni才稍高于一级标准. 但在实际中肥土比不可能达到1:1，且有机肥对重金属具有络合、螯合作用可降低其活性，从而影响微量元素有效性或毒性.

本试验结果显示淋溶水中所有金属离子指标均符合国家二类水质标准，对地下水无影响. 可见与禽畜粪有机肥和污泥有机肥相比，颗粒肥因其来源特殊所以更洁净，从根本上降低了对土壤和地下水的潜在影响.

导致水体富营养化的土壤养分流失取决于多种因素^[25]，但尤以化肥过施对地下水影响为甚，如王朝辉等^[26]选取了连施氮肥的常年露地、2 a和5 a大棚菜田中土壤进行分析，发现40 cm以下土壤中的硝态氮就很难被作物吸收，而多在深层土壤中累积. 由于蔬菜根系分布较浅，残留在土壤深层难以被重新利用的硝态氮将随雨水和灌溉水不断向土壤深层迁移，最终污染地下水环境. 相比于化肥，颗粒肥施用后能有效降低土壤氮淋溶. 尽管盆栽试验土层较浅仅相当于大田中的耕层，但在1:5时淋溶氮仍能较对照减少75%(图 6). 这为以产量为目标的“经济施氮量”和以环保为目标的“环保施氮量”的兼顾提供了解决思路，即可通过连施颗粒肥在保证土壤肥力的前提下有效降低土壤氮淋溶，消除对地下水的潜在危害.

由图 6可知，淋溶液中磷含量随施肥量增加而上升(r=0.980^**，表 1)，这可能是土壤中速效磷含量随颗粒肥施用量增加而显著增加(P < 0.01)，见表 1和图 3，并最终导致淋溶液中磷含量升高的原因，不过这也可能与盆栽试验土层较薄有关^[27].

试验中对小青菜叶片上大肠杆菌和大肠菌群做了检测，结果均未检出. 而Van Haute等^[28]发现若莴苣表面被微生物污染，紫外线或H₂O₂消毒不能有效清洗掉微生物. 可见对于叶菜类植物的施肥更需重视来自未腐熟粪便中的病原微生物的污染，因为仅重视食用前的清洗是无法达到安全卫生标准的，必须从有机肥处理阶段即开始控制微生物指标. 本试验的粪便来源于公厕或者小区中的化粪池，经腐熟等流程后制成颗粒肥，显著降低病原微生物的数量，因此可减轻对蔬菜植株外部的污染.

禽畜粪施用后易对蔬菜组织内部造成污染，如Zhou等^[29]用含Zn的猪粪种植青菜，发现猪粪Zn最高处理时青菜中Zn含量(以鲜重计，下同)为28.7 mg ·kg^-1，超过了我国食品卫生标准(20 mg ·kg^-1). Brochier等^[30]在法国伊夫林省的长达两年的试验中发现，大肠杆菌在茎和叶中较少，主要在作物根部中，因此可能不影响叶菜类植物的食用安全性. 本研究施用颗粒肥后，Cu和Zn质量浓度在土壤中均有提高(表 2)，但可以通过控制施肥比例降低对土壤的影响； 至于两种离子在小青菜内部的迁移规律，有待于进一步研究.

(1)城市分散式粪便制成颗粒肥后农用能显著提高小青菜产量，且不会对小青菜叶片造成大肠杆菌、大肠菌群等病原菌污染； 在适当比例的施肥水平下，也不会对淋溶水造成病原菌污染.

(2)颗粒肥的施入可明显改善土壤理化性质，增加土壤中氮磷钾、有机质、腐殖质等营养物质含量，提高土壤肥力和土壤孔隙度水平，降低土壤容重.

(3)颗粒肥施用短期内不会对土壤及淋溶水造成重金属离子污染； 而且施用颗粒肥能有效降低土壤中氮和钾的淋溶.