施用城市污泥对土壤生态系统影响的研究进展

生态环境学报 2012, 21(1): 172-179 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@基金项目：中国林科院森林生态环境与保护研究所基本科研业务费专项资金项目（CAFRIFEEP201106）作者简介：卢振兰（1964年生），女，副教授，硕士研究生，主要从事环境生态与环境管理方面的研究。

E-mail ：fensemao@ *通信作者：白莉萍。

E-mail ：blp95@ 收稿日期：2011-11-24施用城市污泥对土壤生态系统影响的研究进展卢振兰1,2，刘锐敏1,2，白莉萍2*，陆海波2，刘慧文2，宋金洪3，陈彩云2，伏亚萍2，刘昕21. 吉林农业大学资源与环境学院，吉林 长春 130118；2. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所/国家林业局森林生态环境重点实验室，北京 100091；3. 吉林省环境监测中心站，吉林 长春 130011摘要：城市污泥的合理处置已成为目前环境科学研究领域中的重要课题。

因污泥富含有机质和有效营养成分，对土壤改良有积极的促进作用，所以污泥的土地利用普遍被认为是一种积极、有效的处置方式。

鉴于此，本文就国内外施用城市污泥对土壤生态系统的-影响及相关的过程和机理进行了综述。

结果显示，施用污泥可改善土壤理化性质，提高土壤有机质和氮、磷等养分元素的含量，其改良作用因污泥类型而异。

污泥对土壤重金属的积累有所影响，特别是在酸雨频发地区或者长期施用污泥，可能会带来重金属Gu 污染的环境风险。

污泥普遍有利于提高土壤酶活性，譬如土壤淀粉酶、脲酶和蔗糖酶活性，但污泥施用过量或时间延长，则会抑制多酚氧化酶和磷酸酶的活性，而污泥对过氧化氢酶的影响则不大。

污泥对土壤微生物特性短期内有积极的影响，但长期则有负面作用。

施用污泥可导致土壤动物活性的增加，但也会对一些土壤动物产生毒性，譬如异壳介虫属和弹尾目昆虫，而且污泥毒性不仅取决于污泥用量，土壤类型也起着重要作用。

基于上述分析和评述，提出了未来研究展望如下：⑴针对污泥施用后土壤生态系统生物、物理和化学过程和机理进行系统、综合的基础研究；⑵对污泥土地利用进行长期的系统定位试验和环境监测，并对之进行环境风险评价；⑶对污泥稳定化处理技术的创新及其应用研究。

关键词：城市污泥；土壤生态系统；理化性质；土壤酶；土壤微生物；土壤动物中图分类号：X171 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2012）01-0172-08城市污泥是污水处理厂在废水处理过程中所产生的沉淀物质，是由有机残片、细菌菌体、无机颗粒及胶体等组成的极其复杂的非均质体，因污泥含有一些难降解的有机物、病原菌、寄生虫卵及重金属等有毒有害物质，若处理不当会造成二次环境污染[1]。

因此，对城市污泥进行合理处置已成为目前环境科学研究领域中的重要课题[2]。

研究表明，中国城市污泥(不包括工业污泥)的有机质平均含量达到384 g·kg -1，全氮、全磷和全钾分别为27、14.3和7 g·kg -1；有机质、全氮、全磷比纯猪粪分别高出1/3 ~ 2/3，尤其近年来，城市污泥中重金属含量越来越低，有利于促进城市污泥的土地利用[3]。

污泥的土地利用不仅能改善土壤的理化性质，减少环境的二次污染，而且能够实现污泥的资源化、无害化、稳定化和减量化处置的目标[2]。

以往国内外对施用城市污泥后土壤生态环境效应方面的研究，大多集中在土壤理化性质[4-12]、土壤重金属富集污染[13-22]以及有机质污染[23,24]等方面。

近年来，国内外开始关注污泥应用后土壤生态系统过程和机理的变化，特别是土壤酶学、土壤微生物学等的变化。

本文就近年来国内外施用污泥后对土壤生态系统产生的影响研究进行综合分析和评述，旨在提高对污泥土地利用中土壤生态系统过程和机理的认知，从而为合理、安全处置城市污泥提供一定的理论依据。

1 施用污泥对土壤理化性质的影响1.1 污泥对土壤物理性质的影响通常，污泥施用会改善土壤物理特性。

张增强等[9,10]的研究发现，在华北潮土上施用堆肥污泥后，随堆肥污泥施用量的增加，土壤的水分含量和持水量明显增加。

而且，施用污泥一方面可增加土壤总孔隙容积，改善孔隙大小的分布，减少土壤地面冲刷以及田间径流引起的植物养分损失；另一方面，增加土壤的持水能力和土壤的透水性，防止土壤表面板结，改良土壤结构，使土壤疏松，从而给土壤水分和空气以快速进出的通道，有利于团粒形成，提高团粒的水稳性[8]。

而土壤中水稳性团粒总量的增加，主要原因是由于污泥中的脂肪、蜡质以及水溶性多糖等物质的缘故，加之污泥中含有聚丙烯酰胺，其聚合性能较强，使土壤团粒结构发生明显变化，同时由于其具有较强的疏水性，从而使团粒水稳性能显著增强，土壤团粒水稳性能的增强对土壤卢振兰等：施用城市污泥对土壤生态系统影响的研究进展 173性质、土壤肥力及环境保护有重要意义[12]。

研究表明，在黑麦草上施用污泥，土壤容重下降[7]。

堆肥污泥用于改良垃圾填埋场土壤后，亦能改善土壤孔隙度和土壤容重[6]。

随着污泥施用量的增加，土壤容重最大可降低14.8%，水稳性团粒总量可达31.5%[11]。

张增强等[9,10]的研究显示，随污泥堆肥使用量的增加，土壤容重减少、孔隙度增加，可能与污泥堆肥含有较高的有机质有关。

另有研究显示，土壤容重的降低，也可能是由于团聚体结构以及一些结构参数的变化而引起的[8,12]。

1.2 污泥对土壤化学性质的影响1.2.1 污泥对土壤重金属含量的影响污泥中的重金属种类很多，如Pb、Cd、Hg、Cr、Ni、Cu、Zn、As等，将对土壤、水体及食物链带来污染，而人们较为关注的主要为Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn，而不同种类的重金属在污泥中的质量分数不同，Cu和Cr的质量分数高于Pb、As 和Cd的质量分数，主要因污水处理厂、污水来源和污水处理工艺不同而异[25]。

另外，不同国家、不同城市的污泥重金属含量范围变化很大，我国城市污泥重金属含量普遍低于英美等发达国家，而且其中的重金属含量呈现逐渐降低的趋势[26]。

研究表明，施用污泥对土壤重金属积累有一定的作用[15-18,20,22]。

施用堆肥污泥可显著提高土壤中Zn，Cu和Pb重金属的含量[15]。

而且随着污泥施用量的增加，土壤重金属含量呈上升趋势，但不同重金属元素的增加幅度有所不同[22]。

污泥施用后，就Pb、Cu、Zn、Cd含量增幅比较而言，Cd元素的增加幅度较大，超过了土壤环境质量二级标准[20]。

另外，在南美无树木的草原地区，选择三种有代表性的原始土壤，进行两种类型污泥的修复（即纯污泥和含30%干灰的污泥），一年后，Zn的形态趋向于无机态的转化，无机态锌占总锌含量的41% ~ 76%，而且可交换态锌和无机态锌的含量取决于土壤pH 值，而不是土壤类型[27]。

关于土壤中重金属向下迁移的风险，目前研究结论不一。

譬如，施用污泥于黑麦草地，污泥施用量在4.0 ~ 8.0 kg·m-2时，增加了0 ~ 20 cm土层Fe、Cu、Zn的含量，而重金属元素Ni、Pb、Cr、As和Hg与对照无显著差异，各重金属元素均未向土壤下层迁移，未对土壤造成污染[7]。

另有研究表明，虽然污泥含有很大比例的金属元素，但并没有影响到土壤中金属的固定能力，在中性石灰性土壤中，施用污泥就重金属迁移方面不会对环境构成严重危害[28]。

然而，通过模拟土柱淋溶实验的结果表明，堆肥污泥会明显增加土壤中Cu的总量，但大部分集中在40 cm以上的土壤中，而且耕作层土壤中Cu 的形态发生了明显变化，其中易被植物利用的酸溶/可交换态和可还原态Cu有了明显的增加，与去离子水相比，模拟酸雨（pH = 4.5）会使土壤中Cu的淋溶强度增加，并更能促使其向下迁移，在一定程度上增强了Cu污染土壤及地下水的风险[21]。

此外，采用长期使用消化污泥的土壤（每2年施用一次，施用超过10年，种植玉米或土豆）用来盆栽3种植物（两种野生植物，即条叶庭芥和岩玫瑰，另一种植物为玉米），对照土壤来自未施用污泥的蓝桉树林地，结果表明，长期使用污泥的土壤中，Cu、Zn全量以及EDTA浸提有效态Cu、Zn的浓度都显著增加，而且土壤重金属（Cu、Mn、Zn）和P的形态也发生了改变，与对照相比，酸浸提态（Mn，Zn）、还原态（Mn，Zn）和氧化态（Cu，Zn）金属的相对含量较大，并且发现无机态P占优势，对长期使用污泥的土壤溶液进行分析，凸显了PO4和Cu浸出的风险[13]。

由此可见，污泥土地利用的最佳施用量因土壤、植物和施用用途而异。

适量施用污泥，短期内引起土壤重金属污染的风险较小。

长期使用污泥或者在酸雨频发地区施用污泥，应充分考虑重金属Cu带来的环境风险。

1.2.2 污泥对土壤有机质和氮、磷的影响一般情形下，污泥土地利用可提高土壤有机质和氮、磷等养分元素的含量[4,5,7,11,29]。

污泥中含有大量的速效氮、磷，能被植物吸收，而且污泥中有机态氮、磷的含量较高，施入土壤后有机氮、磷逐渐矿化，肥效持续时间长，对土壤具有良好的培肥作用[11]。

研究表明，污泥施用后，氮、磷养分元素及有机质含量与污泥用量之间呈极显著正相关关系[5]。

随着污泥施用量的增加，土壤中全氮、速效氮、全磷、速效磷、有机质含量及阳离子交换量也相应地增加[7,29]。

其中，污泥施用后（污泥施用量为30、60、90、120 t·hm-2）土壤有机质、全氮及全磷较对照（不用污泥）分别提高了 2.50%~52.05%、32.00%~95.30%及75.43%~236.25%[4]。

而且，土壤有机质和速效氮、磷、钾养分的含量，随施用量增加效应的提高，其效果可持续相当长的时间，施用等量污泥对于养分相对贫瘠的褐土性土的养分提高量要大于石灰性褐土[30]。

不同的污泥类型对土壤改良作用有所不同。

譬如，堆肥污泥和热干化污泥都有助于提高土壤有机质含量和腐殖质成分，改善腐殖化程度，对土壤质量和肥力有积极的作用，但是堆肥污泥的作用则较热干化更为有效，其中可能存在着腐熟和降解性的问题，即热干化污泥应用于土壤中，存在一个更高的矿化过程[31]。

此外，不同污泥类型的运用对土壤表层氮素有效性的影响亦存在着差异，即施用热干化、堆肥及厌氧消化污泥（也就是新鲜污泥）后，NH4–N和NO3–N的浓度呈现最显著的差异，究其原因则归因于在污泥修复土壤的最初三周内有机174 生态环境学报第21卷第1期（2012年1月）物质的转化，即在施用热干化污泥和堆肥污泥的土壤，初期显示硝酸铵含量较高，而在5个月后，施用厌氧消化污泥的土壤中NH4–N和NO3–N的浓度最高，由此可见，堆肥和热干化过程影响了不同类型污泥中氮素的生物利用性[32]。