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图3 污泥堆肥多次周期性施用过程中重金属释放量衡算
6.污泥堆肥田间施用中重金属的释放、迁移与分配
由于污泥堆肥实际施用场景中影响因素较多,如地表径流、植物种植、间歇性降雨灌溉等,因此,通过田间实验(图4),分析污泥堆肥多年周期性施用的情景下,污泥堆肥的施用对土壤中重金属总量、浸出特性以及植物体内重金属含量的影响。
图4 田间试验实际场景图
研究结果显示,污泥堆肥施用率、污泥堆肥施用次数对土壤重金属总量有显著影响。当污泥堆肥施用率为33吨/公顷(每年施用2次)时,明显增加了土壤中Cd和Cu的浓度。污泥堆肥次数的增加明显增加了土壤(尤其是污泥堆肥施用层0~10 cm土壤)中重金属含量。在3年的污泥堆肥施用时间里,不同施肥处理及施肥次数对植株(水稻,小麦)秸秆和果实内的重金属含量无明显影响。水稻及小麦对重金属的吸收与土壤中重金属总量、在自然条件下的可释放量和土壤主要pH范围内最大释放量无显著相关性。
当污泥堆肥为33吨/公顷(每年施用2次)时,3年的施用明显增加了污泥堆肥施用层(0~10cm)土壤中重金属Cd、Cr、Cu和Pb在碱性条件下的浸出浓度,这与溶解性有机物浓度的增加有关,重金属As和Ni在整个pH范围内的浸出浓度均有所增加。由于土壤的主要pH范围大约为5
表2 污泥堆肥田间施用对植物和表层土壤的影响
结论
(1)污泥堆肥中有机物和铁水合氧化物的含量均明显高于土壤,有利于重金属固定;与此同时,污泥堆肥中各种重金属总量均高于对照土壤,土地利用会增加土壤中重金属总量。污泥堆肥和土壤中重金属赋存的化学形态基本一致,Cr、Cu和Cd主要吸附在固体有机物表面,Ni和Pb主要吸附在固体有机物和铁铝氧化物表面,As主要吸附在铁铝氧化物表面,同时易与钙离子和磷酸根形成共沉淀。
(2)pH、有机物组成含量变化、氧化还原条件改变是影响污泥堆肥中重金属释放的主要因素。碱性条件下颗粒态有机物向溶解性有机物转化,重金属与溶解性有机物络合,释放能力增强。
(3)旱田的氧化性条件促进了溶解性有机碳的降解,强化了Cd和Cu在颗粒态有机碳上的吸附固定。水田的还原性条件下,Fe(III)被还原为Fe(II),铁的水合氧化物含量降低,对As的吸附能力减弱。
(4)污泥堆肥的多次施用增加了土壤有机质含量,提升了微生物活性对土壤中氧气的消耗能力,强化了还原性条件的形成。在还原性条件下,As的浸出浓度上升约1个数量级,累积释放量可达到总量的15.7%,因此在降雨丰富及连续灌溉等易形成还原性条件的土壤环境中,不宜施用富含As的污泥堆肥。对于有机质含量低的土壤,污泥堆肥多次施用可增强有机质对重金属Cd、Cu、Pb的吸附固定。
(5)污泥堆肥的3年田间施用显著提升了污泥堆肥施用层(0~10 cm)土壤中溶解性有机质、腐殖酸、铁水合氧化物含量,有机物含量的上升及其在碱性条件的溶解,导致重金属在偏碱性环境中释放能力显著高于对照土壤。污泥堆肥的施用对小麦及水稻中重金属含量无显著影响。表层0~10 cm土壤对重金属的阻滞固定能力强,10~20 cm的土壤中重金属含量及释放特性未受到污泥堆肥施用的影响。
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