2017, Vol. 38
2. 郑州市污水净化有限公司, 郑州 450000;
3. 四川农业大学环境学院, 成都 611130
, HUANG Lin2 , GUO Kang-li1 , ZHANG Xue-ling3 , YANG Jun-cheng1 , JIANG Hui-min1
, ZHANG Jian-feng1
2. Sewage Purification Co., Ltd., of Zhengzhou City, Zhengzhou 450000, China;
3. College of Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
土壤有机碳作为衡量土壤质量高低的重要指标，可以对土壤质量和作物生产力产生有益的影响[1].但是多数研究认为，只有活性有机碳参与植株生长的养分供应，并易受到农业管理措施的影响.土壤活性有机碳组分通常可用微生物量碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳等来进行表征[2]，直接参与土壤生物化学转化过程，并且被认为是比土壤总有机碳对不同农业管理方式响应更敏感的碳库指标[3].但这些活性有机碳组分周转快，能够提高土壤有机碳活跃性，促进土壤养分的供应和循环，却不能揭示土壤有机碳库的固存特征，所以土壤有机碳库的变化还需考虑惰性碳组分的长期累积[3].另外，有学者提出土壤活性有机碳占总有机碳的比值对土壤碳库质量的变化非常敏感，可以用来指示土壤质量的变化[4].目前，以Blair等[5]提出的联合土壤有机碳库及其组分计算的碳库管理指数在不同施肥方式下碳库变化的国内外研究中应用最为广泛.经过堆肥等无害化处理后的城市生活污泥是一种新型有机物料[6~8]，具有提高土壤有机碳含量[9]，增大土壤对养分的吸附[10]，改善土壤物理性状等效果[11]，能为植物生长提供良好的生存环境.污泥土地利用直接或间接地调控土壤有机质的输入，一定程度上影响土壤有机碳的积累和矿化.因此，研究土壤有机碳在污泥施用条件下的动态变化，对于实现土壤有机碳库的正向培育具有重要意义.近年来，国内外学者对于污泥土地利用的研究主要集中在土壤总有机碳和腐殖态碳的变化上[12, 13].如Fernández等[14]发现在砂壤连续多年施用堆肥污泥后，污泥矿化作用低，有机碳损失少，促进了碳的固定.然而对土壤活性有机碳组分及土壤碳库管理指数的影响未有深入研究，尤其是典型的沙质潮土.
河南省是我国粮食生产核心区，但该地区土地沙化问题严重，其沙质潮土面积高达1 000万亩.沙化土地因其自身养分及有机质含量低，不利于作物生长，严重制约了当地的农业生产[15].改良沙化土壤质量，提升有机质内在活性是建立粮食安全长效机制的国家重大战略需求，因此，本文采用田间连续定位试验，以连续3 a施用无害化污泥的河南沙质潮土为研究对象，分析土壤耕层范围内土壤总有机碳、活性有机碳组分及碳库管理指数的变化特征，以期为无害化污泥改良沙质潮土、提高土壤质量提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 供试污泥供试的无害化污泥由郑州市污水净化有限公司提供，是郑州市污水管网分开后处理生活污水产生的污泥，并将秸秆、花生壳等辅料按照一定比例与污泥混合，接入枯草芽孢杆菌、黑曲霉和嗜热侧孢霉等混合菌剂，通过好氧发酵、高温堆肥等工艺处理后制成的商业化产品.含水率为33.08%，pH为8.05，有机质(SOM) 为223.92 g·kg-1，有机碳(TOC) 为129.88 g·kg-1，全氮(TN) 为17.60 g·kg-1，C/N=7.4，全磷(TP) 为9.86 g·kg-1，全钾(TK) 为13.90 g·kg-1，可溶性有机碳(DOC) 含量2 972 mg·kg-1，DOC/TOC=2.3%，易氧化有机碳(LOC) 含量=15.8g·kg-1，LOC/TOC=12.17%.无害化污泥中主要的重金属元素的含量如表 1所示，均低于《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284-84) 所规定的值，符合污泥农用的标准.
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表 1 供试无害化污泥重金属和有机污染物含量/mg·kg-1 Table 1 Content of heavy metals and organic pollutants in the test non-hazardous sewage sludge/mg·kg-1 |
1.2 供试基地
本试验基地位于河南省开封市农林科学研究院试验田(东经114.27°，北纬34.77°)，地处暖温带大陆性季风气候区，年均气温为14.52℃，年均无霜期为221 d，年均降水量为627.5 mm，降水多集中在夏季7、8月.土壤类型为沙质潮土.试验前土壤耕层(0~20 cm) 的基本理化性质为:含水率5.87%，pH 8.42，SOM 12.10 g·kg-1，TN 0.44 g·kg-1，速效磷(AP)13.25 mg·kg-1，速效钾(AK)40.32 mg·kg-1.重金属全量为: Cr 26.71 mg·kg-1，Ni 12.31 mg·kg-1，Cu 9.77 mg·kg-1，Zn 28.90 mg·kg-1，Cd 0.14 mg·kg-1，Pb 13.95 mg·kg-1.试验区种植制度为玉米小麦轮作，供试作物为当地主栽品种，小麦品种为“开麦18”，玉米品种为“开玉15”.
1.3 试验设计本试验从2012年10月开始，到2015年9月已连续种植3 a作物.试验设计4个处理，分别为: ①单施化肥(CK)，② CK+无害化污泥15 t·hm-2(W1)，③ CK+无害化污泥30 t·hm-2 (W2)，④ CK+无害化污泥45 t·hm-2 (W3)，每个处理重复3次，区组随机排列.田间每个小区用水泥墙分割，小区面积为5m2.按照当地农民习惯施肥水平在小麦季和玉米季分别施N 225 kg·hm-2，施P2O5 86 kg·hm-2，施K2O 113 kg·hm-2，肥料分别施用尿素，磷酸一铵和氯化钾，由开封市农林科学研究院提供.种植小麦和玉米前，无害化污泥随肥料一次性以基肥形式，采用撒施的方法均匀施于土壤表层，通过多次翻耕与耕层土壤混合均匀.无害化污泥施用量参考周东兴等[16]推荐施用量0~60 t·hm-2.其他大田管理措施如灌溉，病虫害防治等均与当地农民习惯一致.
1.4 试验方法 1.4.1 土壤采集于2015年9月玉米收获期采集耕层0~20 cm土壤样品，通过“四分法”分取两份，一份带回实验室，自然风干，除去作物根系、侵入体及残留的污泥，过2 mm筛后备测pH、有机质、全氮、速效磷和速效钾等指标；另一份用白色棉布袋装取，放入4℃冰盒保存，带回实验室用于测定土壤微生物量碳、土壤可溶性有机碳以及土壤铵态氮和硝态氮.
1.4.2 分析方法(1) 测定方法
土壤pH采用水土比5:1梅特勒pH计(FE20) 测定[17]；土壤有机质采用重铬酸钾容量法[17]；土壤全氮采用凯氏定氮法[17]；土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提分光光度计比色法[17]；土壤速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度计测定的方法[17]；土壤铵态氮、硝态氮采用KCl溶液浸取新鲜土样(水土比5:1) 连续流动分析仪测定法[18]；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法测定[19].
土壤易氧化有机碳用KMnO4氧化法测定:称取约含15 mg碳的土壤样品于50 mL塑料旋盖的离心管中，加入25 mL 333 mmol·L-1 KMnO4，常温静置24 h，然后在2 000 r·min-1下离心5 min，将上清液用去离子水稀释500倍，在分光光度计565 nm下测定稀释样品的吸光率，由不加土壤的空白与土壤样品的吸光率之差，计算出KMnO4浓度的变化，进而计算出被氧化碳含量或有机质即活性有机质含量(氧化过程1 mmol·L-1 KMnO4消耗9 mg C)[20].
土壤可溶性有机碳测定:称取新鲜土样25 g，加入50 mL高纯水，200 r·min-1振荡2 h，转移至50 mL离心管，在10 000 r·min-1下离心15min，用带有孔径为0.45 μm的滤膜进行抽滤，滤液直接在岛津TOC-VCPH有机碳分析仪上测定.
(2) 土壤碳库管理指数以及碳库有效率计算方法
以试验周围撂荒地土壤为参考土壤(CK0)，它不耕作不施肥, 与样品土壤类型相同、位置相近、受人为干扰和影响最小.其总有机碳含量为5.91 g·kg-1，活性有机碳含量为2.01 g·kg-1.碳库管理指数[20]和碳库有效率计算方法如下:
碳库指数(CPI)=样品总有机碳含量(g·kg-1)/参考土壤总有机碳含量(g·kg-1)
碳库活度(L)=样本中的易氧化有机碳含量(LOC)/样本中的非活性有机碳含量(NLOC为总有机碳和易氧化有机碳之差)
碳库活度指数(LI)=样本碳库活度(L)/参考土壤碳库活度(L0)
基于以上参数可以得到碳库管理指数(CPMI):
CPMI=CPI×LI×100
微生物量熵=微生物量碳含量(SMBC)/总有机碳含量(TOC)×100%
易氧化有机碳有效率=易氧化有机碳含量(LOC)/总有机碳含量(TOC)×100%
可溶性有机碳有效率=可溶性有机碳含量(DOC)/总有机碳含量(TOC)×100%
2 结果与分析 2.1 施用无害化污泥对土壤活性碳库各组分的影响 2.1.1 土壤活性碳库各组分含量由图 1可知，土壤活性碳库组分含量由高到低依次为:易氧化有机碳>微生物量碳>可溶性有机碳.较CK处理，W1、W2、W3处理土壤微生物量碳(SMBC) 分别显著升高了84.00%、141.61%和188.07%(P＜0.05)；土壤易氧化有机碳含量(LOC) 分别显著提高了109.58%、141.40%和185.39%(P＜0.05)，并且SMBC、LOC均随着污泥施用量的增大而显著提高；土壤可溶性有机碳(DOC) 分别显著提高了26.26%、48.87%和58.03%(P＜0.05)，其中W2、W3之间无显著差异，但均显著高于W1.
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图中竖棒表示标准偏差，不同小写字母表示各处理在P＜0.05水平差异显著，下同 图 1 不同处理下土壤活性碳库各组分含量 Fig. 1 Content of different forms of active carbon in soil of different treatments |
由图 2可知，通过土壤总有机碳(TOC) 与SMBC、DOC、LOC的曲线拟合，发现TOC与SMBC之间呈极显著相关(R2=0.95，n=12，P＜0.01)；与DOC之间呈极显著相关(R2=0.79, n=12，P＜0.01)；与LOC之间呈极显著相关(R2=0.86, n=12，P＜0.01).其中相关系数SMBC>LOC>DOC，说明SMBC对TOC贡献率最大，受TOC影响最显著.
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图 2 土壤活性碳库各组分与土壤总有机碳的相关性 Fig. 2 Correlation of the components of soil active carbon pools and soil total organic carbon |
由表 2可知，与CK处理相比较，A1(SMBC/TOC) W1、W2处理分别显著提高了20.77%和19.45%(P＜0.05)；A2(LOC/TOC) W1、W2处理分别显著提高了46.48%和26.49%(P＜0.05)；A3(DOC/TOC) W1、W2、W3处理分别显著降低了17.06%、26.85%和40.94%(P＜0.05).结果可以看出，随着污泥施用量的增大，A1、A2、A3都有下降趋势，W1处理均显著高于W3处理(P＜0.05).
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表 2 不同处理下土壤碳库各组分碳素有效率1)/% Table 2 Utilization ratio of different components of soil carbon in different treatments/% |
2.2 施用无害化污泥对土壤碳库管理指数的影响
由表 3可知，碳库指数(CPI) W1、W2、W3处理分别显著升高了52.69%、103.23%和167.74%(P＜0.05).碳库活度(L) W1、W2处理较CK分别显著升高了66.7%和67.8%(P＜0.05)，W3处理与CK无显著差异.碳库活度指数(LI) W1、W2处理较CK分别显著升高了31.1%和31.0%(P＜0.05)，W3处理与CK无显著差异.碳库管理指数(CMPI) W1、W2、W3处理较CK分别显著升高了153.45%、164.27%和195.40%(P＜0.05)，其中W3处理提升效果最为明显，显著高于W1和W2处理(P＜0.05)，表明在有机质含量低的沙质潮土上施用污泥有利于提高耕作层CMPI，其中45 t·hm-2污泥效果最为明显.另外发现CK的CMPI低于CK0.
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表 3 不同处理下土壤碳库管理指数 Table 3 CMPI of different treatments after continuous application of sludge |
2.3 土壤碳库各指标的主成分分析
主成分分析结果表明(图 3)，PCA1能解释72.72%，主要与TOC、土壤活性碳库组分(SMBC、DOC和LOC)、CMPI和DOC/TOC指标有关；PCA2能解释21.85%，主要与SMBC/TOC和LOC/TOC指标有关. PCA1主要代表污泥的不同的施用量，通过污泥施用量的不同把各组区分开来，很好地反映了施用不同量污泥后土壤碳库的变化.
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图 3 不同处理土壤碳库指标的主成分分析 Fig. 3 Principal component analyses (PCA) of soil carbon index from different treatments |
从表 4可以看出，LOC、SMBC与DOC之间存在极显著的相关关系，说明活性碳库各组分间存在相互转化的关系；LOC、SMBC、DOC与A1、A2之间均不存在显著关系，而与A3存在极显著性关系，说明A3是受土壤各种碳库各组分变化影响较敏感的部分；CMPI与LOC、SMBC、DOC均存在着极显著关系，而且与A1、A2、A3间也存在着显著关系，说明碳库管理指数可以作为反映土壤碳库变化情况最灵敏的指标.
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表 4 土壤活性碳库各组分、碳库管理指数及碳素有效率之间的相关系数1) Table 4 Correlation coefficients (r) between different components of soil active carbon, CMPI and the carbon utilization ratio |
2.5 土壤理化性质与土壤活性碳库组分的冗余分析
冗余分析结果表明(图 4)，RDA1能解释70.69%，主要与AK、TN、AP、pH和NO3-指标有关；RDA2能解释19.24%，主要与NH4+和C/N有关.在AK、TN、AP、pH和NO3-指标的影响下，施用污泥的处理与CK处理可以很好地被区分开，另外施用污泥不同处理相互之间也能被较好地区分开.采用RDA分析中每个因子单独解释的方法发现AK能解释土壤碳库指标变化的69.6%(P＜0.01)，TN能解释土壤碳库指标变化的68.4% (P＜0.01)；AP能解释土壤碳库指标变化的62.8%(P＜0.01)；pH能解释土壤碳库指标变化的62.3%(P＜0.01)；NO3-能解释土壤碳库指标变化的60.8%(P＜0.01)，说明污泥施用改变了土壤理化性质，进而能显著影响土壤碳库的组成.
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图中红箭头表示土壤理化因子，其中TOC指土壤总有机碳，SMBC指土壤微生物量碳，LOC值土壤易氧化有机碳，DOC指土壤可溶性有机碳 图 4 土壤碳库指标与土壤理化指标的冗余分析 Fig. 4 Redundancy analyses (RDA) between soil phycisal and chemical parameters and soil carbon index from different treatments |
土壤易氧化有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳与总有机碳相比能更客观地反映土壤质量及肥力状况，同时活性有机碳组分和输入到土壤中有机碳源的生物有效性密切相关[21].有研究发现，单施有机肥和有机肥-化肥的配合施肥对提高土壤中LOC的作用较单纯施用化肥更为显著；长期有机无机肥料配施可提高土壤SMBC、DOC含量以及CMPI[22~25].本研究发现施用无害化污泥后，土壤中TOC、LOC、SMBC均显著升高，且随着污泥用量增大而增加，说明无害化污泥不仅能够提高土壤有机质含量，而且也能够提高土壤活性碳组分含量，改善土壤有机碳质量.这和Antolín等[26]连续3 a在地中海壤土施用厌氧污泥试验与Pascual等[27]在壤土上施用厌氧污泥的室内培养试验的研究结果一致.这是因为无害化污泥中含有大量好氧活性物质，经过堆肥化处理后形成活性固体小颗粒，释放的LOC较多；同时，由于大量易氧化有机质的分解给微生物生长活动提供能源，促进了土壤中土著微生物的生长，加上污泥自身由于堆肥作用含有大量的微生物，导致污泥施入土壤极大地促进了土壤中的微生物量.并且，土壤有机质含量的提升可以提高土壤保水保肥的能力.本试验对象为沙质潮土，其自然淋溶能力较强，在施用污泥的处理其有机质含量显著增加，可以提高土壤保水保肥的能力，降低了沙质潮土对SMBC和LOC的淋溶，从而提高了施用污泥处理的SMBC和LOC含量.此外，也有学者报道污泥施用后由于土壤重金属含量的增加会降低SMBC的含量[28]，但在本研究中并未发现此类现象，主要是因为连续3 a定位试验后，经测定试验土壤重金属含量表明，各处理中W3处理土壤重金属含量达到最大值(Cu 28.97 mg·kg-1，Zn 75.95 mg·kg-1，Cd 0.25 mg·kg-1，Cr 69.60 mg·kg-1，Ni 19.67 mg·kg-1，Pb 19.73 mg·kg-1，均远低于国家土壤环境质量标准GB 15618-1995)，虽然其值较土壤原始值有不同程度的提升，但是均远小于其他学者研究中对SMBC造成抑制作用的重金属含量，如Charlton等[29]发现在长期施用污泥情况下土壤Cd含量只有超过3 mg·kg-1才会抑制微生物量碳.并且本试验还发现各处理中W3处理其SMBC也显著增加到最大值，所以本研究中施用15~45 t·hm-2污泥在沙化潮土上不存在土壤重金属对微生物的抑制作用.
有研究证明，DOC是土壤微生物可直接利用的有机碳源[30].本研究发现，污泥的施入显著增加了土壤中DOC的含量，这是因为污泥自身分解释放出了大量DOC并且施用污泥提高了土壤的保水保肥能力，降低了土壤对DOC的淋溶，从而有效地提高了土壤DOC含量.但施用45 t·hm-2污泥时DOC较30t·hm-2污泥处理无显著差异，这是因为增大污泥施用量时土壤中微生物大量生长，吸收利用了部分DOC，另外施用污泥可以显著提高植物量而高的植物生物量也会带走土壤更多的DOC.
有学者研究指出土壤活性碳组分含量占土壤总有机碳的百分率比活性碳的绝对含量更能体现土壤碳库的状况.由于土壤活性碳常与土壤总有机碳含量有较好相关性，因而采用活性碳占总有机碳百分率指标可以消除土壤总有机碳含量差异对活性碳的影响[4].土壤微生物量熵(SMBC/TOC) 变化反映了土壤中输入的有机质向微生物生物量碳的转化效率、土壤中碳的损失和土壤矿物对有机质的固定[31].土壤易氧化有机碳有效率(LOC/TOC) 在一定程度上可以反映土壤有机碳的质量和稳定程度, 该比例越高表示有机碳越易被微生物分解矿化、周转期较短或活性高；比例小则表示土壤有机碳较稳定不易被生物所利用[3].土壤可溶性有机碳有效率(DOC/TOC) 反映了土壤中最活跃部分的碳占总有机碳的比例，其值大小对土壤中生物化学反应意义重大.有学者研究发现，绿肥[32]、有机肥[33, 34]可以增加土壤LOC有效率以及微生物熵.本研究表明，施用污泥后各处理土壤LOC/TOC以及SMBC/TOC较CK均有升高趋势，其中W1、W2显著升高，这与Sciubba[35]等利用厌氧污泥进行试验的研究结果一致.这是因为一方面污泥自身释放的易氧化有机质被土壤所固持，提高了土壤有机质的含量和质量，促进了土壤微生物生长，提高了微生物活性，并降低了沙质潮土对SMBC和LOC的淋溶；另一方面，污泥中生物有效部分的腐殖质矿化能够给微生物新陈代谢提供能量，刺激微生物生长.但本研究也发现施用污泥土壤各处理DOC/TOC较CK均显著降低，这主要是因为施用污泥的处理极大地促进了微生物和植物的生长，而高的微生物量和植物量在生长过程中吸收利用了较多的DOC，导致污泥施用后土壤DOC的有效率较CK降低.
另外，本研究还发现施用污泥处理土壤LOC、DOC的有效率和微生物量熵随着污泥施用量的增大而减小，这是因为污泥施用量的增大虽然使SMBC、LOC、DOC的绝对含量提高了，但其自身带入了更多的稳定态的有机质被土壤吸附，导致其相对比例下降.本试验虽然没有测定污泥中有机质的形态，但是经许多学者研究表明污泥在好氧堆肥过程中其有机质转换为了更为稳定的状态，如木质素，纤维素，半纤维素等[8, 35].并且增大堆肥污泥施用量后，在给土壤提供大量易氧化有机碳的同时，也会增大土壤的电导率(CK: 55.34 μS·cm-1；W1: 71.42 μS·cm-1；W2: 80.73 μS·cm-1；W3: 86.78 μS·cm-1)，降低土壤pH (CK: 8.90；W1: 8.56；W2: 8.40；W3: 8.07)，这些环境因素会给土壤微生物造成生态压力，增加了维持生态平衡所需要的能量，导致土壤微生物活性降低[8]，也从另一角度也体现了增大污泥的施用量可以使土壤碳库更加稳定，更利于有机质的贮存.
3.2 施用无害化污泥对土壤碳库管理指数的影响分析土壤碳库活度和碳库活度指数反映了土壤碳素的活跃程度，活度越大，土壤有机碳越易被微生物分解.土壤碳库管理指数则可灵敏地反映农业生产措施对土壤肥力、土壤碳库动态变化的影响[36].本研究结果表明，污泥施用能显著提高土壤CMPI，其中以施用45 t·hm-2污泥表现最为突出.但随着污泥用量的增大，施用污泥处理土壤L和LI均降低且W3显著低于W1，表明增大污泥施用量会使土壤中微生物难利用的非活性有机碳含量增大，使得土壤稳定态碳含量增加，更有利于固定土壤碳，这与上述发现的土壤碳素有效率在高污泥施用量降低的规律一致.这可能是由于污泥经过好氧堆肥后，其有机质多为难降解的木质素，纤维素和半纤维素等，增大污泥施用量后，土壤中难降解的稳定态碳含量增大，导致其碳库活度及碳库活度指数降低.另外，有学者研究发现仅施化肥的土壤其碳库管理指数会下降[37]，本研究也得到一致的结果，发现CK处理其碳库管理指数仅为81.11，低于参考土壤样品CK0(碳库管理指数为100)，这是因为长期施用化学肥料后土壤活性碳组分消耗过快，活性碳组分的形成小于其消耗量导致的.
3.3 土壤活性碳库指标主成分分析、相关性分析和冗余分析由主成分分析可知，污泥施用后能够明显改变土壤活性碳库各指标的含量，并且不同的施用量下其碳库反映出不同的变化，这主要是由于污泥自身的性质以及土壤特性所导致.从相关性分析和冗余分析可以看出，CMPI与土壤碳库各指标和土壤理化性质均存在显著相关关系，说明CMPI可以作为反映沙质潮土土壤活性碳库和土壤肥力变化最为灵敏的指标，这和兰延等[38]在水稻土上的研究结果一致.
4 结论(1) 施用无害化污泥能够显著增加TOC、SMBC、LOC和DOC含量，且随着污泥施用量的增大而增加；土壤碳素有效率均随污泥用量增大而显著降低，说明污泥施用有利于提高土壤总有机碳和各活性碳库组分含量，并且增大污泥施用量提高了土壤腐殖化程度，有利于沙质潮土土壤有机碳的积累.
(2) 无害化污泥施用后，CMPI在W3处理提高最为显著，说明施用45 t·hm-2污泥对提升CMPI效果最好.
(3) 从土壤碳库各组分、碳素有效率间的相关性及与环境因子的冗余分析得出，用CMPI来表征土壤肥力的变化比用土壤总有机碳更灵敏、直接，能更好地反映出土壤养分及碳库的动态变化.
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