全 文 ：污泥土地利用对农作物及土壤的影响研究 3
王　新 3 3 　陈　涛　梁仁禄　周启星　
(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程开放研究实验室 , 沈阳 110016)
【摘要】　以沈阳北部污水处理厂污泥为研究对象 ,开展了污泥土地利用对农作物及土壤环境影响的研究.
结果表明 ,污泥土地利用可提高土壤中 N、P 及有机质含量. 污泥用量为 22. 5t·hm - 2和 45t·hm - 2时有利于
作物生长发育 ,使水稻生物量与对照相比分别增加了 11. 48 %、11. 83 %. 污泥施用量只要控制在 45t·hm - 2
以内 ,污泥中的重金属不会对土壤、农产品质量及地下水产生不良的影响.
关键词 　污泥 　土地利用 　作物 　土壤 　环境影响
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 02 - 0163 - 04 　中图分类号 　X703 　文献标识码 　A
Effects of land utilization of sewage sludge on crops and soils. WAN G Xin ,CHEN Tao ,L IAN G Renlu ,ZHOU
Qixing ( Open L aboratory of Terrest rial Ecological Process , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016) .2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (2) :163～166.
Effects of land utilization of sewage sludge on crops and soil environment were studied using sewage sludge from
the Northern Shenyang Plant of Wastewater Treatment . The results showed that contents of nitrogen ,phospho2
rus and organic matter in the soil were increased after the utilization of sewage sludge ,thus being advantageous to
growth and development of crops. The biomass of rice after having applied 2215 and 45t·hm - 2 of sewage sludge
was increased by 11148 %～11183 % compared with the control. There was no evident harmful effect of heavy
methals from sewage sludge on quality of soil environment ,agricultural products and underground water when the
application of sewage sludge was controlled within the range of 45t·hm - 2 .
Key words 　Sewage sludge , Land utilization , Crop , Soil , Environmental impact .
3 国家重点基础研究发展规划项目 (973) 、中国科学院”污染生态化
学”百人计划项目及沈阳北部污水处理厂科研资助项目.3 3 通讯联系人.
2001 - 05 - 28 收稿 ,2001 - 08 - 24 接受.
1 　引 　　言
城市污泥是指城市污水处理厂的初沉池污泥和
剩余活性污泥的总称. 随着城市化的进一步发展及
城市污水处理行业的兴起和壮大使城市污泥产量越
来越多. 自 20 世纪 80 年代以来 ,欧美国家等城市污
泥产出量大增 ,欧盟 12 国年产污泥 6. 5 ×106t (干
重) ,美国 5. 4 ×106t (干重) [4 ] ,我国污泥年产量达
1. 0 ×108t 以上[9 ] ,沈阳北部污水处理厂日处理污水
4. 0 ×106t ,日产污泥 70t ,年产污泥 2. 56 ×104t (干
重) . 随着污泥量的日益增加 ,如何有效处置与利用
污泥是经济发展中面临的重大课题. 目前国际上常
用的污泥处置方法有污泥土地利用、焚烧、填埋等 ,
污泥中由于含有大量植物必需的养分 ,同时污泥的
施用可改善土壤理化性状 ,因此污泥土地利用倍受
国内外关注[10 ,11 ] ,英国、法国、瑞士、瑞典和荷兰等
国城市污泥土地利用率达到 50 %左右 ,卢森堡达
80 %以上[6 ] ,我国城市污泥土地利用与国外相比还
有一定的差距. 污泥土地利用除可为植物生长提供
充足的养分外 ,污泥中还含有重金属等有毒有害物
质 ,对土壤及农作物产生不利的影响[13～15 ] ,为此开
展了污泥土地利用对农作物及土壤影响的研究 ,为
沈阳北部污水处理厂污泥合理利用提供科学依据.
2 　材料与方法
211 　供试污泥
供试污泥选用沈阳北部污水处理厂污水处理过程中产
生的污泥 . 污泥主要营养成分及重金属含量的分析测定结果
见表 1.
表 1 　污泥养分及重金属含量
Table 1 Contents of nutrients and heavy metals in sewage sludge
项目
Item
污　泥
Sewage sludge
农用污泥中污染物控制标准
Control standards of pollutants in
sewage sludge for agricultural use
( GB4284284)
有机质 O. M. ( %) 35. 58
全 N TN ( %) 2. 26
全 P TP ( %) 1. 51
全 K TK ( %) 0. 82
Cd(mg·kg - 1) 5. 03 5. 0
Pb(mg·kg - 1) 253. 64 300
Cu(mg·kg - 1) 169. 99 250
Zn (mg·kg - 1) 292. 54 500
应 用 生 态 学 报 　2002 年 2 月 　第 13 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2002 ,13 (2)∶163～166
212 　供试土壤
供试土壤选择中国科学院沈阳生态站草甸棕壤 ,土壤基
本理化性质见表 2.
表 2 　试验用土壤基本理化性质
Table 2 Basic physical and chemical properties in the test soil
p H 有机质
O. M.
( %)
CEC
(cmol·kg - 1)
沙粒
Sand
( %)
粉粒
Silt
( %)
粘粒
Clay
( %)
6. 5 1. 55 23. 7 21. 4 46. 5 32. 1
213 　供试作物
供试作物为水稻 ,品种为 241 # ,5 月下旬栽种水稻 ,观察水
稻全生育期生长状况 ,秋后收获植物样品 ,供试验分析用.
214 　试验方法
本研究开展了盆栽试验及渗漏试验. 水稻盆栽试验有 5
种处理 ,污泥施用量分别为 0、22. 5、45、120、225t·hm - 2 ,每
一处理重复 3 次. 污泥按设计浓度与土壤充分混均 ,装入φ
= 15cm ,H = 20cm 瓷盆中 ,平衡 2 周后栽种水稻. 污泥渗漏
试验用 PVC 管 ,φ= 15cm , H = 100cm ,底部装筛网及粗砂 ,
粗砂厚度为 10cm ,粗砂上装 1mm 网筛的草甸棕壤 ,浇水沉
实 ,厚度 80cm. 实验设 3 个处理 ,污泥施用量分别为 0、45、
120t·hm - 2 ,污泥按设计用量施入表土中 ,并与表土充分混均.
每天灌水量 300ml ,施污泥后 15、30、60、90d 取渗漏水样 ,并测
定渗漏水中 NO -3 2N 含量.
215 　分析方法
污泥有机质含量采用重铬酸钾法 [7 ] . 全 P 采用 3 酸 (硝
酸2高氯酸2氢氟酸)消煮 ,钼锑抗比色法 [7 ] . 全 N 采用半微量
凯式定氮法[7 ] . 全 K采用 3 酸 (硝酸2高氯酸2氢氟酸) 消煮 ,
火焰光度法[7 ] . 速效 N 采用碱解扩散法 [7 ] . 土壤、水稻、污泥
中重金属元素 Cd、Pb、Cu、Zn 全量采用日立 18080 原子吸收
分光光度法测定.
3 　结果与讨论
311 　施用污泥对土壤养分含量的影响
污泥施入土壤后可改变土壤的物理、化学及微
生物特性. 污泥施用 1 年后 ,采集土壤样品 ,测定土
壤养分含量 (表 3) . 由表 3 可见 ,施用污泥 1 年后 ,
两种不同处理量土壤有机质含量比对照分别增加了
16. 39 %和 63. 05 % (t 检验结果差异显著) ,土壤中
的速效 N、全 N、全 P 含量比对照明显增加 (差异极
显著 ) , 与对照相比分别增加 71. 2 %和 180 %、
61. 29 %和 132 %、124. 8 %和 293. 6 % ,说明污泥土
地利用确实提高了土壤养分含量 ,改善了土壤肥力
水平.
312 　施用污泥对土壤重金属含量的影响
污泥施入土壤的同时有毒有害的重金属元素也
随之进入土壤中 ,污泥中不仅含有作物生长所需的
N、P、K等营养物质 ,还含有有毒有害的重金属元
素 ,污泥施入土壤后其重金属含量变化见表 4.
表 3 　施用污泥 1 年后对土壤养分含量的影响
Table 3 Effects of sewage sludge utilization on soil nutrients after one
year
污泥施用量
Sewage sludge amounts
(t·hm - 2)
有机质
O. M.
( %)
速效 N
Available N
(mg·kg - 1)
全 N
Total N
( %)
全 P
Total P
( %)
0 6. 181 82. 661 0. 155 0. 125
45 7. 194 3 141. 516 3 3 0. 250 3 3 0. 281 3 3
120 10. 078 3 231. 451 3 3 0. 360 3 3 0. 492 3 33α< 0. 05 , 3 3α< 0. 01. 下同 The same below.
表 4 　污泥处理的土壤重金属含量变化
Table 4 Concentrations of heavy metals in the soil used by sewage
sludge( mg·kg - 1)
污泥施用量
Sewage sludge amounts
(t·hm - 2)
Cd Pb Cu Zn
0 0. 135 19. 75 14. 70 42. 99
22. 5 0. 196 3 3 22. 26 14. 78 42. 43
450 0. 190 3 3 22. 32 15. 43 44. 84
120 0. 249 3 3 23. 28 16. 12 62. 44 3 3
225 0. 253 3 3 24. 30 3 3 17. 76 3 88. 59 3 3
土壤环境质量标准 0. 3 300 100 250
Environmental quality
standards for soils
( GB2151821995)
　　随着污泥施用量的增加 ,土壤中 4 种重金属元
素 (Cd、Pb、Cu、Zn) 含量基本呈递增趋势 ,而 Cd、Zn
元素表现得更明显. 污泥不同处理土壤 Cd 含量比
对照增加 40. 7 %～87. 4 % (与对照相比差异极显
著) ,土壤 Zn 只有 120 和 225 t·hm - 2处理差异极显
著 ,比对照分别增加 45. 24 %和 106 % ,但土壤 Cd、
Zn 含量并没有超出国家土壤环境质量标准 ( Cd
0. 3、Zn 250mg·kg - 1) . 当污泥施用量为 225t·hm - 2
时 , 土壤重金属元素 Cd、Pb、Cu、Zn 含量还有
15. 67 %、91. 9 %、82. 24 %、64. 56 % ,达到土壤环境
质量标准 ,Cd 将是 4 种元素中最先达到土壤环境质
量标准的元素. 因此 ,污泥中 Cd 含量的多少是沈阳
北部污水处理厂污泥土地利用的限制性元素. 如从
污染排放的源头加以治理 ,污泥土地利用前景将更
加广阔.
313 　污泥土地利用对农作物生长发育的影响
污泥土地利用后土壤中的养分含量与对照相比
发生了变化. 养分含量的改变势必影响作物生长及
生物产量 ,污泥不同处理量对水稻生长发育及生物
量的影响见图 1. 盆栽试验结果表明 (图 1) ,污泥用
量在 22. 5t·hm - 2 、45 t·hm - 2时 ,其株高比对照分别
高出 7、5. 83cm (t 检验差异显著) ,生物量比对照分
别增加 11. 83 %和 11. 48 %(t 检验差异显著) . 而污
泥施用量在 120 和 225t·hm - 2时 ,作物生长出现贪
青现象 ,主要是这两种处理提供的养分含量过多 ,造
461 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
成植物突长 ,生物产量降低. 据报道 ,城市污泥中含
有丰富的 N、P 和有机质[1 ] ,可提高作物产量 ,而且
还能改善作物的品质[5 ] ,污泥土地利用后 ,水稻糙
米蛋白质含量提高 6 %～10 % ,小麦籽实蛋白质含
量提高 9. 7 % , 玉米蛋白质含量提高 14. 5 %～
23. 7 %. 只要污泥能够合理利用 ,不仅能提高作物产
量 ,同时又能改善农作物的品质.
图 1 　污泥不同处理量对水稻株高 (a)和地上部生物量 (b)的影响
Fig. 1 Effects of different amounts of sewage sludge on rice height and
aboveground biomass.
314 　污泥土地利用对农产品质量的影响
目前 ,在化学肥料充足而有机肥料缺乏的情况
下 ,污泥不乏为一种廉价且易得到的有机肥料. 污泥
土地利用不但使土壤重金属含量发生变化 ,同时也
影响作物体内重金属含量. 因此 ,土壤长年大量施用
污泥对农产品质量的影响是令人关注的重要问题.
它不仅关系到污泥土地利用的应用前景 ,同时也关
系到人类自身健康.
由表 5 可知 ,随着污泥施用量的增加 ,直观显示
水稻籽实重金属含量略有变化 ,但经统计分析表明
只有在 120、225t·hm - 2污泥施用量时 ,籽实 Pb 含量
与空白相比差异显著 ,其它元素差异不显著. 在设计
的污泥浓度范围内籽实重金属元素含量均未超过食
品卫生标准. 对水稻而言 ,重金属元素大部分积累在
水稻根系中[8 ] ,因此在施用污泥的土壤上应选择栽
种重金属富集量少的农作物 (特别是籽实部分积累
量少的) ,尽量减少重金属进入食物链循环. 实验结
果进一步说明了城市污水处理厂所产生的污泥可以
土地利用 ,但要合理施用 ,严格控制使用量 ,以确保
土壤不受污染 ,农产品安全卫生.
表 5 　不同处理水稻籽实重金属含量
Table 5 Heavy metals contents in rice grain with different treatment
( mg·kg - 1)
污泥施用量
Sewage sludge (t·hm - 2)
Cd Pb Cu Zn
0 0. 054 0. 256 3. 11 23. 01
22. 5 0. 058 0. 198 3. 04 23. 10
45 0. 054 0. 249 3. 11 23. 97
120 0. 057 0. 348 3 3 3. 09 21. 80
225 0. 057 0. 338 3 3 2. 97 26. 67
限量标准1) Tolerance limit of
heavy metals in foods
0. 2 0. 4 10 50
1)食品中 Cd、Pb、Cu 限量卫生标准执行 GB15201294. Tolerance limit
of Cd ,Cu in foods carry out GB15201294 ,食品中 Zn 限量卫生标准执
行 GB13106291. Tolerance limit of Zn in foods carry out GB13106291.
315 　污泥土地利用对地下水的影响
在充分利用污泥中 N 素作为资源的同时 ,应注
意防止 N 素 ,尤其是 N 素中硝态氮的淋失. 污泥中
的 N 素以有机及无机状态存在 ,它们与土壤胶体间
发生着各种物理、化学等综合作用 ,一部分 N 素形
成 N2 、N2O 逸散到大气中 ,另一部分经硝化作用形
成硝态氮 ,随水在土壤中移动 ,污染地下水[3 ] . 由于
其易溶性及不易被土壤吸附的特性 ,若污泥施用量
不当 ,将对地下水构成威胁. 因此 ,为能客观、准确地
反映污泥不同处理量能否对地下水产生不良的影
响 ,我们开展了污泥渗漏实验 ,实验结果见图 2.
图 2 　不同处理渗漏水硝态氮含量
Fig. 2 NO -3 2N content of leaching water with different treatment .
　　由图 2 可见 ,15d 时污泥不同处理量 NO -3 2N 含
量与对照相比并无增加 ,NO -3 2N 的淋失还需要一定
的时间 (每天 300ml 的灌溉量及仅施入表层 20cm) .
30 天时 NO -3 2N 淋失量有所增加 ,但只有 45t·hm - 2
处理 NO -3 2N 淋失量最多 ,待 60d 时 ,120t·hm - 2处
理 NO -3 2N 淋失量达到最大 ,且渗漏水 NO -3 2N 含量
已超过国家地表水 Ⅰ、Ⅱ类水质标准 (10mg·L - 1 ,
GHZB 121999)及地下水 Ⅰ、Ⅱ水质标准 (2 和 5mg·
L - 1) ,但并没有超过地下水 Ⅲ类 (以人体健康基准
5612 期 　　　　　　　　　　　　　王 　新等 :污泥土地利用对农作物及土壤的影响研究 　　　　　　　　
值为依据)水质标准 (20mg·L - 1 , GB/ T 标准 148482
93 ) ,此实验结果与曹仁林[2 ]实验结果相一致. 90d
时污泥不同处理量 NO -3 2N 含量与对照接近. 因此 ,
只要污泥用量控制在 45t·hm - 2 ,不会导致 NO -3 2N
对地下水的不良影响. 有资料表明 ,在等 N 量的施
肥条件下 ,施无机氮肥产生 NO -3 2N 下渗的现象较
污泥明显得多[12 ] ,因此 ,污泥土地利用比施用化肥
对地下水的污染危害程度低.
4 　结 　　论
411 　污泥土地利用 ,可不同程度地提高土壤 N、P
及有机质含量. 污泥不同处理量有机质含量比对照
增加 16. 39 %和 63. 05 % ,全 N、全 P 含量比对照增
加 61. 29 %和 132 %、124. 8 %和 293. 6 % ,土壤各种
养分含量呈明显递增的趋势.
412 　污泥投加到土壤中 ,确实使土壤中的重金属元
素 Cd、Pb、Cu、Zn 含量不同程度地有所增加 ,尤其是
Cd、Zn 元素比对照分别增加 40. 74 %～ 87. 4 %、
413 %～106 %. Cd 元素的潜在污染危害应引起重
视.
413 　污泥用量在 22. 5 和 45t·hm - 2时 ,促进了作物
的生长发育 ,使作物株高和生物量都好于对照. 在设
计的污泥浓度范围内重金属在作物体内的积累量并
未超过食品中重金属限量标准 ,农产品没有质的改
变.
414 　污泥施用量限制在 45t·hm - 2的范围内 ,其重
金属不会对沈阳地区的土壤、农作物、地下水及周围
环境产生不良的影响. 因此 ,只要污泥合理使用 ,不
但可增加土壤肥力、提高作物产量、改善作物品质 ,
且不会对土壤和作物构成污染危害.
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作者简介 　王 　新 ,女 ,1961 年生 ,副研究员 ,主要从事污染
生态学研究 ,发表论文 20 余篇.
661 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷