无害化污泥堆肥施用量对沙质潮土土壤活性有机碳组分的影响

郭康莉，冀拯宇，刘 晓，朱兴娟，姜慧敏，杨俊诚，李桂花*，张建峰*

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2.华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070）

土壤有机碳可用于表征土壤肥力高低和评价土壤质量好坏，在调节土壤环境条件、改善土壤结构、提供植物养分及减少环境负面影响等方面具有重要作用。有学者指出，土壤有机碳（SOC）具有高度异质性，不同活性组分有机碳因存在方式和化学性质不同，其生物有效性和肥力功能存在差异，能反映不同的稳定机制[1]。当前活性指标已发展了轻组有机碳（LFOC）、颗粒态有机碳（POC）、易氧化有机碳（ROC）、微生物量碳（SMBC）和可溶性有机碳（DOC）多项指标[2-3]。由于短时间内，土壤有机碳对人为活动和环境因子的变化响应不灵敏，而土壤活性碳指标能反映土壤质量和土壤总有机碳含量变化，且其容易受土壤管理措施的影响[4]，可用作指示不同农业管理方式的响应指标；同时，学者指出土壤活性碳占总有机碳的比值对土壤碳库质量的变化非常敏感，可用来指示土壤质量的变化[5]。

经过无害化处理最终符合相关土地利用标准的污泥堆肥是一种新型有机物料（简称污泥堆肥）。城市生活污泥中重金属的含量越来越低，有利于城市生活污泥的土地利用[6]，大量研究表明，污泥土地利用能提升土壤肥力[7-9]、提高土壤物理结构特征[10]以及微生物活性[11-12]。施入无害化污泥直接或间接地调控土壤有机质输入与转化，一定程度上影响土壤有机碳库存和转化，因此，研究污泥堆肥施用条件下土壤有机碳的动态变化，对于提升土壤质量具有重要意义。当前国内外学者对无害化污泥堆肥的研究主要集中在土壤总有机碳的变化上，如Tian等指出[13]，污泥堆肥含有大量难降解的有机物组分，土壤残留时间长达20年，能够促进土壤颗粒对碳的固存，可用于提升土壤质量[14-15]。Zoghlami等[16]通过向突尼斯沙质土壤施用城市污泥发现，污泥年施入量达80 t·hm-2时沙质土壤C/N值降低至15，促进土壤有机碳固定，减少有机碳的损失。然而对土壤活性碳组分及各组分在土壤总有机碳中的分配比例的影响尚未进行深入研究，尤其是典型的沙质潮土。

河南省作为我国重要的粮食生产核心区域，当前沙质潮土面积已达到66.7万hm2，沙质土壤有机碳含量低，物理结构遭到破坏，土壤保肥蓄水能力下降，养分供应能力弱，直接影响了国家农业可持续发展[17]。因此，本文采用田间连续定位试验，以施用不同量污泥堆肥的河南省沙质潮土为研究对象，通过研究多组分活性有机碳含量及其在土壤有机碳中的分配特征，以期为污泥堆肥培肥沙质潮土、提高土壤质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

本试验地设在河南省开封市农林科学研究院试验基地（114°27′E，34°77′N），无霜期年均 221 d，2012—2015年当地降雨及气温为：2012年平均气温15.38℃，平均降雨467.1 mm；2013年平均气温15.66℃，平均降雨335.3 mm；2014年平均气温15.87℃，平均降雨508.1 mm；2015年平均气温15.42℃，平均降雨583.6 mm。降雨主要集中在夏季7—8月，属于典型温带大陆性季风气候区。土壤类型为沙质潮土[18]。试验前土壤耕层0~20 cm基本理化性质测定结果为：含水率5.87%，pH 8.42，SOC12.10g·kg-1，全氮 0.44g·kg-1，C/N=27.50，速效磷（AP）13.25 mg·kg-1，速效钾（AK）40.32 mg·kg-1，土壤重金属本底含量如表1所示。

1.2 无害化污泥堆肥

试验所用无害化污泥堆肥由郑州市污水净化有限公司提供，以郑州市污水管网分开后单独处理生活污水产生的污泥与秸秆及花生壳等辅料按照一定的比例进行混合，接入枯草芽孢杆菌、黑曲霉和嗜热侧胞酶等混合菌剂，通过好氧发酵、高温堆肥等工艺处理后制成。所得污泥堆肥基本理化特性为：含水率33.08%，pH 8.05，SOC 223.92 g·kg-1，全氮（TN）17.6 g·kg-1，C/N=12.72，AP 559.43 mg·kg-1，AK 4 562.50 mg·kg-1。污泥堆肥中主要重金属和有机污染物含量如表1所示，符合《农用污泥中污染物控制标准》（GB 4284—1984）中的农田标准。

1.3 试验设计

田间试验开始于2012年10月，到2016年10月已连续种植4年8季作物。试验采用冬小麦-夏玉米轮作制度，供试作物小麦品种选用“开麦18”，玉米品种选用“开玉15”，均为当地主栽品种。试验设置4个处理：（1）单施化肥，CK；（2）化肥配施 15 t·hm-2污泥堆肥，SW1；（3）化肥配施 30 t·hm-2污泥堆肥，SW2；（4）化肥配施 45 t·hm-2污泥堆肥，SW3。污泥堆肥施入量以湿重形式计算。每个试验处理设置3次重复，共计12个试验小区，采用随机区组排列。试验小区之间用水泥墙隔断，每个小区面积为5 m2。根据当地农民施肥习惯，在小麦、玉米种植前分别施入N 225 kg·hm-2，P2O586 kg·hm-2，K2O 113 kg·hm-2，供试化肥分别为商品尿素、磷酸一铵和氯化钾。小麦和玉米种植前，污泥堆肥与化肥同时以基肥的形式施入，采用撒施法均匀施入到0~20 cm耕层土壤。其他大田管理措施均与当地农民习惯保持一致。

1.4 样品采集、测定项目与方法

1.4.1 土壤样品采集

土壤样品于2016年9月26日（第8季玉米收获期）用四分法采自耕层0~20 cm土壤，混合均匀的土样分为三份：一份送往开封市农林科学研究院试验室测定土壤含水率；一份带回实验室，自然风干后分别过2 mm和0.149 mm筛；一份置-20℃保存供土壤微生物量碳及土壤水溶性有机碳测定。

1.4.2 测定项目及方法

（1）土壤含水率、pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾等理化指标采用土壤农化分析常量分析法测定[19]。

（2）土壤活性有机碳库测定

轻组有机碳（Light fraction organic matter carbon，LFOC）[20]：采用相对密度 ρ=1.7 g·cm-3NaI溶液进行提取，用元素分析仪（EuroEA3000）测定轻组有机物中碳含量。

颗粒态有机碳（Particulate organic matter carbon，POC）[21]：采用 5 g·L-1六偏磷酸钠（HMP）溶液分散法，采用重铬酸钾-外加热法测定颗粒态土壤中的有机碳，即土壤颗粒态有机碳。

土壤微生物量碳（Soil microbial biomass nitrogen，SMBN）[22]：采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法，用TOC仪测定熏蒸、未熏蒸浸提液中土壤提取碳含量，两者差值乘以转化系数计算土壤微生物量碳。

土壤水溶性有机碳（Dissolved organic carbon，DOC）[23]：称取25.00 g过2 mm筛新鲜土，放入250 mL塑料瓶中，加入50 mL高纯水，在往复式振荡器（200 r·min-1）上振荡 2 h，高速离心机（10 000 r·min-1）离心15 min，用真空泵抽滤过0.45 μm膜，用Multi 2100 N/C TOC分析仪测定水溶性有机碳含量。

1.5 数据计算

LFOC 含量（g·kg-1）=轻组物质中有机碳含量×轻组物质占全土的质量分数

POC 含量（g·kg-1）=颗粒态土壤中有机质含量×颗粒态土壤占全土的质量分数

SMBC 含量（mg·kg-1）=（熏蒸测定值-未熏蒸测定值）×稀释倍数×浸提液体积×水分系数/（土壤质量×0.38）

表1 土壤和污泥堆肥重金属和有机污染物含量Table 1 Content of heavy metals and organic pollutants in the soil（initial values）and non-hazardous composted sewage sludge

土壤综合肥力指数（Soil integrated fertility index，IFI）采用内梅罗指数法对各处理下土壤肥力质量进行评价（参照张雪凌等[24]计算方法），本文选用土壤pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾作为分肥力指标，计算分肥力系数，利用修正的内梅罗公式计算土壤综合肥力指数。

1.6 数据分析

采用SPSS 19.0对数据进行方差齐次性检验，检验通过后（P>0.05），采用均值间最小差异显著性（LSD）检验，用F统计量进行多因素方差分析，采用Person进行相关性分析；Canoco 5.0做主成分分析（PCA）、冗余分析（RDA）以及相关统计分析；采用O－rigin 8.0进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 污泥堆肥对沙质潮土总氮、土壤有机碳及土壤综合肥力指数的影响

由表2可知，与CK相比，施用污泥堆肥显著增加了土壤全氮（TN）含量，SW1、SW2和 SW3处理显著增加了93.12%、148.73%和284.31%（P<0.05）。土壤有机碳（SOC）含量随污泥堆肥施入量增加而上升，分别增加了121.23%、163.18%和265.83%（P<0.05）。TN增幅高于SOC，导致土壤C/N随污泥堆肥施入量增加而降低，这有利于土壤微生物对土壤有机质的矿化代谢，为植物生长提供养分。较CK处理，堆肥产品施入促进土壤田间持水作用，土壤含水率增加了51.62%~233.04%，SW2、SW3处理与CK处理差异达显著水平（P<0.05），降低土壤 pH（P<0.05），增加土壤速效养分含量，在SW3处理时，速效磷（AP）和速效钾（AK）分别显著增加了190.92%和373.82%（P<0.05）。由表2可知，污泥堆肥能显著提高土壤综合肥力，较CK 处理，SW1、SW2和 SW3土壤综合肥力指数（IFI）分别增加了25.31%、38.23%和55.51%，均达显著性水平（P<0.05）。

2.2 污泥堆肥对沙质潮土活性碳库各组分的影响

2.2.1 土壤活性有机碳库各组分变化特征

由图1可知，土壤活性有机碳各组分含量：POC>LFOC>DOC>SMBC。较CK处理，SW1、SW2和SW3处理LFOC分别增加了 12.29%、36.72%和246.17%；POC分别增加了109.26%、137.73%和176.69%；SMBC增加了1.82、10.19倍和12.11倍；DOC增加了51.64%、83.78%和160.71%。各活性碳组分均随污泥堆肥施入量的增加而提高，活性有机碳各组分增加幅度呈现：SMBC>LFOC>POC>DOC，说明各活性碳组分中，SMBC受污泥堆肥影响最为显著，DOC所受影响最小。

2.2.2 土壤活性碳组分与土壤有机碳之间的相关性分析

由图2可知，土壤POC、SMBC和DOC活性碳组分与SOC呈极显著相关性，相关系数分别为0.839、0.776和0.780（P<0.01），LFOC与SOC呈显著相关性，相关系数为0.619（P<0.05），各活性碳组分与SOC的相关性依次为POC>DOC>SMBC>LFOC，说明活性碳组分与SOC的依存关系存在差异性。

2.2.3 活性有机碳各组分在SOC中的分配比例

由表 3可知，LFOC/SOC、POC/SOC和 DOC/SOC分配比例在SW1、SW2和SW3处理下均较CK有所降低，LFOC/SOC分配于SW1和SW2处理下显著低于CK，分别降低了49.78%和47.75%（P<0.05），其余各分配比例与CK不存在显著性差异；从SW1、SW2和SW3处理间活性有机碳分配比例变化特征可发现，污泥堆肥促进LFOC/SOC分配（P<0.05），对DOC/SOC分配特征影响不显著，而POC/SOC分配比例随污泥堆肥施入量增加而降低，各处理间差异不显著；污泥堆肥促进SMBC/SOC分配，SW2和SW3较CK显著增加了3.22倍和2.57倍（P<0.05）。

表2 污泥堆肥对土壤理化特性及肥力水平的影响Table 2 Soil physical，chemical properties and soil integrated fertility index under the treatments of composted sewage sludge

图1 施用污泥堆肥对土壤各活性有机碳库的影响Figure 1 Contents of different forms of soil active organic carbon under the treatments of composted sewage sludge

图2 土壤各活性碳组分与土壤有机碳相关性分析Figure 2 Correlation of the different forms of soil active organic carbon with soil organic carbon

2.3 土壤活性有机碳各组分之间及与IFI肥力指数、分配比例之间的相关性

由表4可知，土壤活性有机碳各组分之间均存在显著相关性（P<0.05），说明各活性碳组分含量受污泥堆肥影响一致；土壤活性碳库（LFOC除外）与土壤综合肥力因子相关性达极显著水平（P<0.01），说明活性碳库与IFI肥力综合指数变化一致，活性有机碳库不仅能够指示土壤有机碳的组成特征，同时可以表征污泥堆肥对土壤肥力的影响特征。表4相关性分析表明，土壤活性有机碳组分与碳组分分配比例的相关性存在差异。LFOC/SOC分配比例与各活性碳组分含量不存在相关性；POC/SOC分配比例与LFOC、SMBC和DOC呈显著性负相关关系（P<0.05）；SMBC/SOC分配比例与LFOC不相关，与其余碳组分呈极显著正相关（P<0.01）；DOC/SOC仅与POC存在显著负相关性（P<0.05）。

表3 施用污泥堆肥对土壤各活性碳组分分配比例影响情况（%）Table 3 Proportion of different forms of soil active organic carbon account for the soil organic carbon（%）

表4 土壤活性有机碳组分、IFI肥力因子及活性碳组分分配比例间相关性分析Table 4 Correlation coefficient between different forms of soil active organic carbon，IFI index and allocation efficiency of soil active organic carbon

2.4 土壤活性碳组分及其分配比例主成分分析

将收获期4个处理12个样本活性有机碳组分含量及其在SOC中的分配比例进行PCA排序（图3）。PCA排序图第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）的方差贡献率分别为58.57%和36.42%，累计贡献率达到94.99%，其中PC1主要与活性碳组分（SMBC、DOC和POC）、SMBC/SOC和DOC/SOC分配比例相关，PC2主要与LFOC和LFOC/SOC相关。可见PCA前两个排序轴涵盖样本绝大部分数据信息；由样本和活性碳组分及其分配比例分布特征可知，LFOC/SOC、POC/SOC和DOC/SOC分配比例在CK处理时最高，远高于平均分配比例；SW1和SW2处理时活性碳组分含量及其分配比例均较低，仅达到平均水平；活性有机碳各组分及SMBC/SOC分配比例在SW3处理点上具有最高载荷。PCA图中，从右到左能较好地将CK、SW1、SW2和SW3处理点区分开，其中，SW3处理点与CK处理点分隔最远，反映了污泥堆肥不同施用量对土壤活性有机碳及其分配比例的影响特征，说明高施入量污泥堆肥显著改变了土壤肥力水平。

图3 污泥堆肥处理土壤活性有机碳指标的主成分分析Figure 3 Principal component analyses（PCA）of different forms of soil active organic nitrogen and allocation efficiency of soil active organic nitrogen under composted sewage sludge treatments

2.5 土壤理化因子与土壤活性碳组分及分配比例的冗余分析

冗余分析表明（图4），第一排序轴（PC1）能解释60.07%，第二排序轴（PC2）解释8.90%，前两个排序轴累积解释68.97%的活性碳组分及分配比例与环境因子的关系，其中，分配比例LFOC/SOC、POC/SOC和DOC/SOC均与土壤pH呈正相关，土壤各活性碳组分及SMBC/SOC分配比例与其余土壤环境因子呈正相关，与pH负相关。进一步利用RDA内置偏蒙特卡罗置换检验可知每个环境指标所能解释的变化量，土壤环境因子IFI、AK、pH、AP和土壤水分单独解释土壤活性碳组分及其分配比例变化的64.3%、63.3%、61.8%、53.1%和47.4%（P<0.05），其中IFI单独解释能力最强，说明污泥堆肥改变了土壤肥力特征及土壤环境条件，进而能显著影响土壤活性碳的组成及其分配特征。

图4 土壤活性有机碳与土壤理化指标的冗余分析Figure 4 Redundancy analyses（RDA）between soil biochemical index and different forms of soil active organic nitrogen，allocation efficiency of soil active organic nitrogen under the composted sewage sludge treatments

3 讨论

3.1 施用污泥堆肥对土壤理化特性和肥力水平的影响

污泥堆肥显著增加土壤田间持水量，降低土壤pH，提高土壤养分含量，在施入量45 t·hm-2时沙质潮土质量提升效果最为显著。土壤肥力是众多物理、化学和生物学因子等基本性质的综合表现，是土壤质量的重要组成部分，选用pH、氮、磷、钾和有机质计算土壤肥力指数（IFI）可综合表征污泥堆肥对土壤肥力的影响特征[25]。本研究表明，污泥堆肥施入水平为45 t·hm-2时IFI指数最佳，说明污泥堆肥在该施入量下土壤肥力提高显著，可为植物生长提供丰富的养分。土壤主要养分指标的分析结果表明，连续施用污泥堆肥4年后，土壤TN和SOC均显著提升，在施入量为45 t·hm-2时达到最高水平，这是由于污泥堆肥含有丰富的有机物，施入量增加显著提升养分水平，说明增加农田的系统投入量是提高土壤肥力的有效途径[7，17]。本研究同时发现，施用污泥堆肥降低土壤C/N值，主要因为污泥堆肥自身C/N值低，可有效降低土壤C/N值，土壤C/N值是影响有机物矿化速率进而影响土壤有机质供肥能力的重要因素，是土壤微生物活性和土壤有机质矿化程度的重要评价指标。研究指出，土壤有机质的C/N值与其分解速度成反比关系，污泥堆肥施入降低土壤C/N值，多余的土壤氮素受土壤微生物调控作用而矿化释放氮，为作物提供养分[13，26]。

3.2 污泥堆肥对土壤活性碳组分和分配比例的影响

宋震震等[27]通过连续26年长期定位试验发现，长期施用有机肥显著增加黑土活性有机物各组分含量，50%有机肥和50%无机肥配施处理各活性有机物组分含量与全量施入有机肥处理效果相当，说明有机肥和化肥对活性有机物各组分的形成均发挥着重要作用。本研究结果表明，污泥堆肥施入提高沙质潮土土壤LFOC、POC、DOC和SMBC含量，与土壤有机碳变化趋势保持一致，主要因为污泥经堆肥处理后自身富含大量与活性有机物相似组分，施入土壤后直接以轻组和颗粒态有机物形式包裹在土壤大团聚体上，以一种非保护性有机碳组分形式存在，或以DOC形式溶出进入到土壤溶液中；另外，污泥堆肥为植物提供大量速效养分，可增加植物根系生物量，配施化肥可促进植物根茬和脱落物以轻组有机物的形式返还于土壤耕层，从而增加活性有机物含量。本研究土壤类型为沙质潮土，经污泥堆肥培肥后显著增加土壤有机物含量和土壤含水率，提高沙质潮土保水保肥能力可降低土壤对DOC的淋溶作用，从而提高土壤DOC组分含量[17]。有学者指出，土壤微生物对土壤碳和氮循环发挥着重要作用，在有机质分解过程中发挥约70%的作用，施用有机物可增加土壤活性有机物含量，进而影响土壤生物量及微生物群落结构组成[27]。Tian等[13]通过长期定位试验，借助13N稳定性同位素标记技术发现，农田土壤中施入无害化污泥可降低土壤微生物代谢熵（SMBC/SMBN），可有效减轻微生物生长压力，提高土壤微生物对碳和氮的代谢能力。本研究发现，污泥堆肥于 30 t·hm-2和 45 t·hm-2施入水平时显著增加SMBC含量，究其原因，污泥堆肥增加DOC含量，可供微生物直接吸收利用，从而增加微生物的生物量和代谢活性。

Leifeld等[5]指出土壤活性有机碳组分含量占总有机物含量的百分率可消除SOC含量差异对活性有机碳组分的影响，比各活性组分的绝对值更能体现土壤养分的储存情况。其中，颗粒态有机碳分配比例（POC/SOC）和轻组有机氮分配比例（LFOC/SOC）能反映土壤过渡态有机碳库储存情况，是其他活性有机碳库、微生物代谢主要物质和能量来源；土壤可溶性有机碳分配比例（DOC/SOC）反映了土壤中最为活跃碳组分占土壤有机碳的比例，其值大小对土壤生物化学反应影响较大。本研究发现，较CK处理，施用污泥堆肥降低LFOC/SOC、POC/SOC和DOC/SOC分配，随着污泥堆肥施入量增加，LFOC/SOC和DOC/SOC分配比例逐渐升高，但总体仍低于CK处理，这是因为施入污泥堆肥仅提高了土壤活性碳绝对含量，随着施入量增加，有机碳转化为活性有机碳的效率降低，Powleson等[15]指出，无害化污泥堆肥腐殖化程度较高，主要以稳定碳组分形式存在，进入土壤后短期分解量较少，从而降低活性有机碳组分的分配比例，同时，土壤颗粒态有机物和轻组有机物组分有机物中的C/N值含量较全土C/N值高，外源施入氮肥促进微生物对POC和LFOC代谢利用，从而降低POC和LFOC在SOC中的分配比例[28-30]。污泥堆肥处理显著增加微生物代谢活性并促进SMBC/SOC分配，主要因为污泥堆肥培肥土壤过程中土壤环境条件的改变为微生物生长代谢提供有利条件，从而促进土壤碳素整合到微生物碳库中[31]，McDowell等[32]和骆坤等[28]研究也发现，施入有机物可提高土壤微生物的生物量，刺激微生物对DOC的消耗，从而降低DOC在SOC中的分配比例。

通过主成分分析结果可知，施用无害化污泥堆肥处理明显改变土壤活性碳各组分含量及其分配比例，从培肥土壤角度出发，污泥堆肥施入量达45 t·hm-2时显著增加土壤各活性碳组分含量，提高土壤有机物中碳的质量；从分配比例出发，污泥堆肥高施入量降低活性有机碳的分配比例，说明污泥堆肥培肥土壤过程中，土壤有机碳主要以惰性有机碳形式存在，从另一个角度而言，增大污泥堆肥的施入量可以使土壤碳库更稳定，有利于土壤有机质的储存[17]。

3.3 土壤活性有机碳组分及其分配比例与环境因子的冗余分析

无害化污泥堆肥增加土壤速效养分，改善土壤物理环境条件，对土壤理化条件和肥力质量影响显著。冗余分析结果表明，提高土壤含水率可促进活性有机碳组分的形成，污泥堆肥降低土壤pH提高SMBC组分含量并促进SMBC/SOC分配，Liu等[31]研究指出，连续施用城市生活污泥可通过降低土壤pH从而影响土壤微生物的丰富度和均匀度，增加土壤碳循环优势物种的丰度。土壤IFI综合指数对土壤各活性碳组分具有较高的解释率，说明土壤活性碳含量不仅可以指示土壤质量受土壤管理措施的影响情况，而且可表征土壤肥力高低程度[4，33]。因此，合理施用无害化污泥堆肥能显著培肥与改良沙质潮土，提高土壤质量。

4 结论

（1）施用无害化污泥堆肥能改善土壤环境条件，提高沙质潮土TN、SOC含量和IFI综合肥力指数，培肥效果受施入量影响显著，于45 t·hm-2施入量下效果最佳。

（2）施用无害化污泥堆肥显著增加土壤活性有机碳含量；施入无害化污泥堆肥降低轻组有机碳、颗粒态有机碳以及溶解性有机碳在土壤有机碳中的分配比例，而显著增加土壤微生物量碳分配比例，主成分分析结果进一步表明，堆肥产品高施用量有利于提高土壤活性碳组分含量，并且增加施入量降低活性碳组分在土壤有机碳中的占比，有利于沙质潮土有机碳的积累。

（3）冗余分析表明，施用无害化污泥堆肥可改善土壤环境条件，从而影响土壤活性碳组分及其分配比例，其中土壤肥力因子综合指数（IFI）对活性碳组分变化解释率较高，说明堆肥产品施入改变了土壤活性有机碳各组分含量及其分配，是提升土壤肥力的一个重要原因。

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