环境科学  2017, Vol. 38 Issue (4): 1647-1653   PDF    
施用不同污泥堆肥品对土壤温室气体排放的影响
杨雨浛1 , 易建婷1 , 张成1,2 , 陈宏1,2 , 木志坚1,2     
1. 西南大学资源环境学院, 重庆 400715;
2. 重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆 400715
摘要: 通过田间试验,分别施加两种不同的污泥堆肥品(A:含生物质炭堆肥品,B:不含生物质炭堆肥品)和不同施肥量,分析土壤CO2、CH4和N2O动态变化特征和排放系数,研究施用污泥堆肥品对土壤温室气体排放的影响.结果表明,土壤CO2和CH4排放主要集中在生长期,生物质炭堆肥品低施用量能减少CO2排放,而高施肥量增加CO2排放.CH4排放主要为负值,总体表现为土壤吸收CH4,对照处理吸收量远高于其他处理(P < 0.01),A组处理CH4吸收量随施肥量的增加而增加(P < 0.05).N2O排放集中在发芽期和幼苗期,施肥量越高,排放量越大(P < 0.01).污泥堆肥品农用过程排放的温室气体主要是N2O,施用A、B两种污泥堆肥品的土壤N2O排放系数分别为1.02%~1.90%和1.28%~2.93%.生物质炭堆肥品具有显著的碳减排效果,其温室气体排放量比不含生物质炭堆肥品的土壤低19.49%~35.56%,且对于N2O的减排效果较CH4更为显著.
关键词: 污泥堆肥品      土壤      温室气体      排放特征      生物质炭     
Effect of Application of Sewage Sludge Composts on Greenhouse Gas Emissions in Soil
YANG Yu-han1 , YI Jian-ting1 , ZHANG Cheng1,2 , CHEN Hong1,2 , MU Zhi-jian1,2     
1. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China;
2. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, Chongqing 400715, China
Abstract: Effect of application of sewage sludge compost on the emission of greenhouse gas from soil was investigated by analyzing the dynamic characteristics and emission factor of CO2, CH4 and N2O in soil after spiking two different composts (A:compost with biochar, B:compost without biochar) with varying fertilizing amount into soil. The results indicated that emissions of CO2 and CH4 mainly occurred in the plant growth period with low fertilizer amount of biomass charcoal compost reducing CO2 emissions, and high application content increasing CO2 emissions. CH4 emission fluxes showed negative values, indicating that soil could adsorb CH4, and the adsorbing amount for control was significantly higher than those for other treatments (P < 0.01). The absorbing amount in treatment A increased with the fertilizing amount (P < 0.05). N2O emissions mainly occurred at the germination and seedling stages, and emission fluxes increased with the fertilizing amount (P < 0.01). N2O was considered as the main generated greenhouse gas during agricultural process with sludge compost, and its emission factor from sludge compost soil was 1.02%-1.90% (A compost) and 1.28%-2.93% (B compost), respectively. Biochar could significantly reduce the carbon emission, as the total greenhouse gas released from soil with biochar compost was 19.49% to 35.56% less than that in soil without biochar, which was more obvious for N2O emission reduction (compared with CH4 mitigation).
Key words: sludge compost product      soil      greenhouse gas      emission characteristics      biochar     

我国城市污水处理规模连年增长,污泥产量已突破3 000万t (含水率80%).污泥成分复杂,含多种有害成分,未经处理会对环境产生二次污染[1].在现有的处置方式中,污泥堆肥处置被认为是适合我国国情的处置方式之一[2],堆肥及其土地利用也被认为是一种具有成本效益的有机废物处理和再利用的方式[3].污泥经堆肥处置后可应用于农田[4]、菜地[5]、林地[6]等,不仅能够保水保肥、增强土壤养分、改善土壤性状[7]、为作物提供充分的N、P、K等植物营养元素和有机质[8],还能促进土壤有机碳积累,提高地上生物量,促进作物生长.

随着我国新环保法的颁布和“水十条”的实施,污泥堆肥后进行土地利用将是我国污泥处理处置与资源化的主要方式之一.但污泥堆肥品施入土壤后也可能产生二次污染,如增加土壤重金属含量,同时由于污泥堆肥品富含C、N等有机物质,施入土壤后会在一定程度上增加CH4、CO2和N2O等温室气体排放.农业土壤固碳是一种有效的温室气体减排手段[9],而生物质炭因其含碳量高、比表面积大、疏松多孔等特性,已成为农田固碳减排研究中的热点. Zhang等[10]在施加氮肥的水稻土中添加40 t·hm-2麦秆生物质炭,发现其比未添加生物质炭的土壤CH4排放量增加34%,N2O则降低了40%~50%;张斌等[11]连续两年观测发现,在施氮肥条件下生物质炭能连续显著减排N2O,且降幅高达66%.目前关于污泥堆肥后施入土壤的重金属污染问题进行了较多的研究[12~14],而针对污泥堆肥品施入土壤后温室气体排放方面的研究还很缺乏.因此,本文通过施用两种污泥堆肥品,探讨不同污泥堆肥品对土壤温室气体 (CH4、N2O和CO2) 排放的影响,分析其排放特征和排放系数,以期为研究不同污泥堆肥品农用过程中温室气体的排放特征和控制提供基础数据.

1 材料与方法 1.1 试验材料与试验设计

本试验于2015年7月10日~8月14日于西南大学试验大棚中进行,选用耐热且早熟的不结球白菜 (Brassica campestris ssp. chinensis Makino) 为供试蔬菜,播种前浸种催芽.试验周期为35 d,分为发芽期 (1~5 d)、幼苗期 (6~18 d)、生长期 (19~33 d) 以及收获期 (34~35 d).按照施肥、间苗、翻耕、灌溉等传统管理模式管理菜地,播种当天堆肥品以基肥的形式一次性施入土壤表层15 cm以上,后期不追肥.种植密度为40穴·m-2,每穴3株,播种至出苗期间覆盖遮阳网,分别于发芽期第1 d和第3 d间苗,每天上午08:00前浇水灌溉,作物成熟后收割.

试验堆肥品为自制污泥堆肥产品,按照质量比分别将A类堆肥品 (污泥:秸秆:生物质炭=20 :5 :1)、B类堆肥品 (污泥:秸秆=4 :1) 混合后放入自制堆肥箱 (有效尺寸为0.90 m×0.45 m×0.71 m),采用强制通风+人工翻堆的方式进行好氧堆肥,堆肥产品仅限于本次试验使用.

试验所用污泥取自重庆市某污水处理产脱水污泥,秸秆来自西南大学农场,水稻生物质炭为市面贩售.结合试验土壤肥力设置8种处理 (以施氮量计):CK1、CK2(不施肥),A1、A2、A3(施氮量分别为100、200、300 kg·hm-2),B1、B2、B3(施氮量分别为100、200、300 kg·hm-2).试验小区面积为1 m2,试验小区之间用PVC板隔开深入土壤表层30 cm,板隔绝地表径流.除CK1处理,其他处理均种植供试蔬菜,两种堆肥品及原材料基本性质如表 1所示.

表 1 堆肥品与原材料的基本性质 Table 1 Basic properties of composting product and original material

1.2 气体样品采集与分析

温室气体采集采用组合静态箱[15],由箱体和底座两部分构成,箱体由不透明PVC圆柱管制成,内径为39 cm,高30 cm.箱面上分别开有小孔连接气压缓冲袋与三通阀,以便维持气压平衡与气体采集.采样时将采样箱扣在底座凹槽部位,液封以隔绝箱体内外气体交换.蔬菜种植第1周每天采样,之后每3 d采一次.气样由60 mL注射器进行采集,每间隔5 min采集1次,共采集4次,20 h内完成气样测定.采用日本岛津GC-2014气相色谱仪进行测定,定量分析检测污泥堆肥品施入土壤后CH4、CO2和N2O浓度,结合色谱峰面积和标气浓度计算出样品中各气体浓度,从而得出气体排放通量 (f) 和累积排放量 (Q),计算公式[15]如下:

式中,f为气体排放通量,mg·(m2·h)-1Q为气体累积排放量,mg·kg-1h为静态箱的高度,m;Δct为单位时间内气体样的浓度变化值;M为1 mol CH4、CO2或N2O对应的C或者N的摩尔质量,g·mol-1为绝对温度的校正系数;T1T2分别为采集第一个、最后一个样品时采样箱内的气体温度,℃;i为取样次数;t为相邻两次测定的时间间隔,h;A为表面积,m2.

1.3 土壤样品采集与分析

土壤样品分别在试验开始前、施加堆肥品后和不结球白菜收获时采集.采用五点“X”法采集土样,混合均匀后采用四分法取样,测定土壤pH值、总碳 (TC)、总氮 (TN) 和总有机碳 (TOC) 等指标.

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0和SAS 21分别进行Duncan's多重比较和单因素方差分析,采用Excel 2007进行数据整理与统计分析,采用Origin 8.5绘制图形.

2 结果与讨论 2.1 土壤TN、TC、TOC等变化特征及作物生长情况

不同处理土壤理化指标如表 2所示.作物收获时,土壤TOC含量较施肥初期下降29.46%~41.79%,TN含量则下降20.07%~41.44%,TC含量较原始土壤增加3.26%~10.09%.污泥堆肥施用土壤后使其深度稳定化和矿化,使得有机质含量增加[16],有利于土壤改良和植物生长.施加两种堆肥品后,作物生长情况有一定差异.其中,CK1处理未种植作物,CK2处理作物生长稀疏,种子发芽率仅为10%~20%,约4%~6%的作物株高达18 cm. A1和B1处理的作物生长较为茂盛,约60%~75%的作物株高达18 cm. A3和B3处理的作物生长茂盛,约75%~85%的作物株高达18 cm. A2和B2处理的作物生长最茂盛,约85%~100%的作物株高达18 cm.两种堆肥品处理中,施氮量为200 kg·hm-2的作物生长最为茂盛,表明污泥堆肥品能增加土壤肥力,促进作物生长,但施肥量超过一定程度反而会影响作物生长.

表 2 土壤pH值、TN、TC、TOC等变化特征1) Table 2 Variation characteristics of pH, TN, TC, TOC in the soil

2.2 CH4排放通量和累积排放量

各处理中CH4平均排放通量在-0.078~0.006 mg·(m2·h)-1之间,总体上在发芽期波动较大,幼苗期变化幅度相对较小 (图 1).除CK1、CK2处理外,CH4排放总体上集中在生长期内,第18~24 d排放速率较高,这与钟佳等[17]关于污泥堆肥品施用于樱桃萝卜地的研究结果相似. A1、B2处理CH4累积排放量分别为6.73 mg·kg-1和2.20 mg·kg-1,整个土地利用过程表现为排放CH4(图 2). A2、A3、B1、B3、CK1、CK2处理CH4累积排放量均为负值,CH4吸收量分别为1.05、39.49、39.26、29.49、71.39、36.62 mg·kg-1.这与环境条件有关,试验在7月进行,土壤通透性较好,甲烷氧化细菌活性高,导致CH4排放主要为负值,表现为土壤吸收CH4能力增强且呈弱吸收状况.其中CK1处理CH4吸收量远高于其他处理 (P < 0.01),说明裸地主要是CH4的“汇”,而种植作物具有促进CH4排放的功能.

图 1 不同施肥处理CH4排放通量 Fig. 1 Emission fluxes of CH4 under different fertilization treatments

图 2 不同施肥处理CH4累积排放量 Fig. 2 Cumulative emissions of CH4 under different fertilization treatments

A1、A2、A3处理的CH4累积排放量随施肥量的增加呈递减趋势 (P < 0.05),即CH4吸收量随施肥量的增加而增加.这主要是由于生物质炭通过自身固碳作用将土壤碳素稳定化,同时,随着施肥量的增加,较多的生物质炭为甲烷氧化细菌供能,土壤Eh下降,甲烷氧化细菌活动旺盛,大部分CH4被氧化.刘皓等[18]关于生物质炭施用于菜地的研究表明,在相同原料情况下,CH4吸收量随生物质炭添加量的增加而增加,增大生物质炭含量能增强其固碳效果. A1处理CH4累积排放量比B1处理高82.86%,而A2、A3处理CH4累积排放量分别比B2、B3处理低52.27%和25.32%.秦晓波等[19]认为生物质炭能改善土壤通透性能、降低水溶性有机碳,从而有效减少稻田CH4排放,而Zhang等[10]、张斌等[11]的研究表明低生物质炭施用量能显著促进土壤CH4排放,这可能与土壤pH值升高,产甲烷菌活性增强有关.

2.3 CO2排放通量和累积排放量

各处理CO2排放通量总体呈现先增加后减小的变化趋势 (图 3),平均排放通量在0.214~0.796 mg·(m2·h)-1之间. CO2排放量主要集中在生长期 (18 d以后),在18~27 d内具有较高的排放速率,可能是由于蔬菜作物随生长周期变化而不断增大,土壤呼吸速率随之增强[20].生长期的CO2排放量约占总排放量的48%~67%,污泥施肥量越高,CO2排放量越大.

图 3 不同施肥处理下CO2排放通量 Fig. 3 Emission fluxes of CO2 under different fertilization treatments

A1~A3处理CO2累积排放量分别为362.40、589.67、770.37 mg·kg-1,B1~B3处理分别为503.84、607.54、588.81 mg·kg-1(图 4),均高于CK1、CK2处理 (163.78 mg·kg-1、245.30 mg·kg-1),表明施加污泥堆肥品增加了土壤CO2排放.其中,A1和A2处理CO2累积排放量分别比B1、B2处理降低了28.1%和2.9%,说明生物质炭堆肥品能减少CO2排放,这与生物质炭本身的固碳作用有关.生物质炭通过提高土壤氧化稳定性、降低矿化速度、增加土壤有机碳库[21],吸附有机物、参与土壤团聚体的形成来抑制原有机质分解,从而抑制CO2排放,这与成功等[22]关于添加生物质炭有利于降低农田土壤CO2排放量的研究一致.但A3处理CO2累积排放量却比B3处理增加了30.8%,表明施肥量超过一定范围后,由于有机质含量增多,为微生物的活动创造了良好的条件,增加微生物群落[23],促进了原有机质的分解.由此推测生物质炭堆肥品对土壤CO2排放可能具有双重作用,其影响作用因生物质炭种类、施加量、土壤类型等因素而异,影响机制需要进一步研究分析.

图 4 不同施肥处理下CO2累积排放量 Fig. 4 Cumulative emissions of CO2 under different fertilization treatments

2.4 N2O排放通量和累积排放量

各处理N2O平均排放通量在0.226~1.062 mg·(m2·h)-1之间 (图 5),A1、A2和A3处理N2O排放通量总体呈现先增后减的变化趋势,幼苗期 (6~18 d) 内达到峰值后开始下降,35 d后排放量均趋于0.其累积排放量主要集中在发芽期和幼苗期 (前18 d),分别为202.63、278.43、378.31 mg·kg-1,占总排放量的84.13%、85.51%和75.92%.何闪英等[24]在将污泥堆肥品施用于番茄地时也发现,N2O排放量主要集中在前20 d. B1、B2和B3处理N2O排放通量总体呈现降低趋势,幼苗期变化平缓,进入生长期后均持续下降,其累积排放量主要集中在前24 d,分别为255.68、363.60、584.38 mg·kg-1,占总排放量的92.4%、95.6%和97.4%.

图 5 不同施肥处理下N2O排放通量 Fig. 5 Emission fluxes of N2O under different fertilization treatments

添加同种堆肥品的情况下,N2O排放量受施肥量影响,施肥量越高,排放量越大 (P < 0.01).熊舞等[25]在研究菜地氮肥用量与N2O排放关系时也发现,在氮肥施用水平小于1 733 kg·(hm2·a)-1时,N2O总排放量与氮肥施用量呈指数函数关系,而与是否加入硝化抑制剂无关.这可能是由于施氮量过高,植物系统无法全部吸收利用,多余的氮肥进入土壤系统,使得土壤铵态氮和硝态氮含量增加,硝化作用和反硝化作用增强,从而促进N2O的排放.

邱炜红等[26]在研究施加氮肥蔬菜地与裸地N2O排放量时发现裸地土壤N2O排放量远大于蔬菜地.在本研究中,CK1和CK2处理N2O排放峰值出现在幼苗期,生长期相对平缓,其累积排放量为182.68 mg·kg-1和154.94 mg·kg-1(图 6),分别占其他6种处理N2O平均排放量的53.13%、45.06%,可见裸地N2O排放量也不容忽视. CK1和CK2处理间无显著性差异 (P>0.05),说明在不施加污泥堆肥品的情况下,是否种植作物对土壤N2O的排放没有显著影响,这与López-Fernández等[27]关于种植玉米的研究结果一致.

图 6 不同施肥处理下N2O累积排放量 Fig. 6 Cumulative emissions of N2O under different fertilization treatments

B1、B2和B3处理的N2O累积排放量分别比A1、A2和A3处理多26.18%、30.59%和54.47%,表明生物质炭堆肥品相比无生物质炭堆肥品具有一定的N2O减排作用.这与Zhang等[10]、张斌等[11]关于麦秆生物质炭减排N2O的研究结果相似.这可能是由于堆肥品中含有生物质炭的比表面积较大,N2O被表面吸附,也可能是由于生物质炭引起土壤氧扩散增强或者影响了N2O还原酶的活性,从而抑制硝化反硝化作用.

2.5 温室气体排放系数和排放量

A1~A3处理N2O排放系数约为1.02%~1.90%,B1~B3处理N2O排放系数为1.28%~2.93%,均随施肥量的增加而增大. N2O排放系数总体上 (B3处理除外) 低于van Beek等[28]估算的因施用氮肥引起的土壤N2O排放系数 (2.2%~2.7%),但高于万合锋等[29]对于猪粪堆肥品施用于蔬菜地时N2O的排放系数 (0.18%~0.74%),这可能是施加了不同肥料存在的差异,堆肥品种类对于N2O排放的影响机制需进一步研究. CH4排放主要为负,在此不作讨论.

根据IPCC 2014年第5次报告中温室气体增温潜势表示方式,将不同处理排放的温室气体以CO2当量表示 (表 3).堆肥品农用过程中排放的温室气体排放主要是N2O,8种处理中N2O排放量占温室气体排放量的百分比均高达99.90%.施用同种堆肥品情况下,施肥量越大,其排放当量越大.同时,在相同施肥量的情况下,施加生物质炭堆肥品的处理 (A1、A2和A3) CO2当量比无生物质炭堆肥品的处理 (B1、B2和B3) 少19.49%~35.56%(P < 0.05),说明生物质炭的添加具有明显的碳减排作用,且对于N2O的减排效果较CH4更为显著. CK1、CK2处理的CO2排放当量分别占A、B组处理平均排放量的51.60%、44.34%,说明裸地温室气体减排潜力也不容忽视.

表 3 不同处理温室气体排放系数和排放量1) Table 3 Accumulative emission and emission factor of the greenhouse gas under different fertilization treatments

3 结论

(1) CH4排放主要集中在生长期,CH4累积排放量主要为负,总体表现为土壤吸收CH4,同时作物生长能够促进CH4排放. CH4吸收量受施肥量的影响,生物质炭堆肥品施用量越高,CH4吸收量越大.

(2) CO2排放主要集中在生长期,污泥施肥量越高,CO2排放量越大.生物质炭堆肥品低施用量能减少CO2排放,而高施肥量增加CO2排放.

(3) N2O排放量主要集中在发芽期和幼苗期,施肥量越高,排放量越大.施加含生物质炭堆肥品的土壤N2O排放系数更低,含生物质炭和不含生物质炭堆肥品的土壤N2O排放系数分别为1.02%~1.90%和1.28%~2.93%.

(4) 施加含生物质炭的污泥堆肥品具有一定的碳减排效果,其CO2排放当量比不含生物质炭堆肥品的土壤低19.49%~35.56%,且对于N2O的减排效果较CH4更显著.

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