川中丘陵區農村生活污水資源化利用后的土壤養分特征

李 杉馬鑫文吳 勇高東東肖 杰

(1.成都理工大學 環境與土木工程學院,四川 成都610059;2.四川省生態環境科學研究院,四川 成都610000)

自農村“廁所革命”以來,四川省部分農村生活環境有所改善,同時在某種程度上也導致了污水更加集中排放的現象,造成了環境困擾。三格化糞池具有操作簡便,無害化處理效果好等特點[1],是農村主要使用的廁改處理。生活污水經過三格化糞池的充分水解后,其中蟲卵等有害物質的活性基本被消除,有機成分被降解為含氮磷等的無機組分。若將出水大量集中排放至土壤中,可能會超過土壤的環境容量;一部分可能進入地下水,導致地下水水質惡化。因此,經處理后的生活污水是否可資源化地用于補充土壤中氮磷等組分是本文研究的主要問題。前人[2]論述了農村生活污水資源化利用的可行性,認為資源化利用是農村生活污水處理的終極目標和最佳選擇,污水資源化利用首先應發展灌溉。張增偉等[3]使用將處理后的生活污水用于田間試驗并對土壤的理化性質變化進行分析,結果表明隨土層深度增加,其有機質含量與對照組相比降低了21%,但并未對氮磷等營養組分的變化情況進行研究。李欣[4]使用不同負荷的厭氧池處理生活污水,并將出水用于大田試驗,得出試驗的最佳水力負荷為0.002 m3/(m2·d)的結論,發現若負荷繼續升高,地下水存在被污染的風險。Liu[5]回收生活污水,用其直接灌溉龍尾草,發現其對總磷、磷酸鹽、總氮、氨、COD和BOD的去除率分別為83.2%,82.3%,76.3%,96.2%,73.5%和85.8%。錢靖華等[6]使用活性污泥法處理生活污水,將其資源化利用于北京一生態度假村中,結果表明此方法可以減少灌溉用水量,每年可減少2.89×105m3地下水開采量。綜上所述,研究農村生活污水資源化利用對土壤養分的影響是有意義的。

目前對于川中丘陵地區生活污水資源化利用的研究不多[7-8],其中分析土壤養分三維變化特征的也較少[9-10]。故本文重點討論生活污水經三格化糞池處理和資源化利用前后,不同用地類型土壤養分的三維變化特征。在綜合考慮主客觀因素的基礎上,結合層次分析法(AHP)[11]和主成分分析法(PCA)[12]計算各養分指標的權重,對生活污水不同施用處理的結果進行評分,對不同深度的土壤層分別評分,對比土壤養分的變化特征,為農村生活污水的無害化處理和資源化利用提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于四川省資陽市安岳縣某農村,地屬川中丘陵區(105°11′20″E,29°52′21″N)。區域海拔為380～450 m,地貌類型為淺切丘陵,稻田分布較為集中。研究區為亞熱帶濕潤季風氣候,四季分明,日照相對較少,多年平均氣溫7.3℃;無霜期313 d;相對濕度82%。域內多年平均雨量958 mm。降雨量季節分配差異較大。區內土壤主要為紫色土和水稻土。耕地土壤呈紅棕色,表層疏松多孔,通透性良好,耕植土層厚度約10—40 cm;林地土壤多為紫紅、紅棕色,土層孔隙度較小。通過走訪調查得知村內缺乏排水系統,雨水和污水直接排入房屋旁邊溝,沿邊溝或水泥路面排至就近的水體或土體中,對環境造成污染,直接威脅居民飲水、食品安全和水體環境健康。

1.2 研究方法

使用三格化糞池改善了研究區的生活環境。安裝三格式化糞池進行厭氧處理,安裝集水池收集第三格出水。試驗場所設在耕地和林地。布設管道后利用水泵將處理后的污水抽至耕地和林地進行施用。試驗前,對處理后的生活污水中的COD、氮磷和重金屬含量進行檢測;對試驗區土壤各項指標的背景值進行檢測。

試驗區耕地種植制度為夏季種植玉米(用水定額40 m3/hm2,保證率90%),秋季種植紅薯,冬季種植油菜;林地植物為香椿樹和雜草。耕地和林地分別設置6個和8個試驗小區域,各區域有效面積4 m2,間隔1 m。耕地區設計3個處理(G1,G2,G0),其中G0為空白對照,即不做施用處理。G1,G2每次對應的施用量分別為12.5和25 L/m2。林地試驗設計4個處理(L1,L2,L3,L0),其中L0為空白對照,主要依賴天然降雨。L1,L2,L3每次對應的施用量分別為12.5,25.0和37.5 L/m2。每個處理均設置2次重復,分別在2021年7月30日、9月15日和10月15日施用,共3次,即G1和L1總施用量為37.5 L/m2,G2和L2總施用量為75 L/m2,L3總施用量為112.5 L/m2。施用結束后,于2021年11月29日采取土樣。根據試驗區實際情況和土壤性質,本研究對0—20 cm和20—40 cm土層深度分別進行取樣研究。試驗場地布置情況如圖1所示。

圖1 試驗場地布置示意圖

1.3 樣品采集與分析

每個樣品由5～7個子樣品混勻組成,2個重復處理區域的土樣混合為一個樣品。土樣經自然風干、磨碎后,分別過1 mm和0.074 mm篩備用,對其養分指標進行檢測。全氮采用凱氏法;堿解氮采用標準酸滴定法;全磷采用紫外分光光度法,速效磷采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法;有機質采用重鉻酸鉀稀釋熱法;速效鉀采用醋酸銨浸取—火焰光度計法。

2 數據處理與分析

使用統計學軟件對試驗數據進行處理。結合綜合層次分析法(AHP)與主成分分析法(PCA)從對權重進行計算并進行等級評價,本試驗土壤養分等級評價標準詳見表1。

表1 土壤養分等級評價標準

土壤各指標標準參考《土壤農化分析》(第3版)[13]及第2次國土壤普查評級。

運用層次分析法(AHP)計算各指標主觀權重WA[14]。結合當地土壤具體情況,以土壤養分含量作為指標層(有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀),計算出不同指標對于目標層的權重。根據1—9級標度[15],專家構建了各指標的判斷矩陣詳見表2[16]。將判斷矩陣每一行進行幾何平均、歸一化得到各指標要素的權重ω和最大特征根λmax。結果詳見表2。為確保矩陣評價矛盾性在合理范圍內,對其進行一致性檢驗,計算公式為:

表2 各土壤養分指標判斷矩陣及主觀權重

式中:CI為一致性指標;RI為隨機性指標(表3);n為要素數量[15]。

經計算,λmax=6.15,CI=0.0297,查表3得6階矩陣RI為1.24,故一致性比率CR=0.0240＜0.10,判斷矩陣通過一致性檢驗。

表3 平均隨機一致性指標

運用主成分分析法(PCA)計算各指標客觀權重Wp時[17],將0—20 cm和20—40 cm的土壤指標數據分別進行主成分提取分析及權重計算。分別選取特征值大于1,累計貢獻率＞85%的前兩個主成分詳見表4。0—20,20—40 cm土壤各指標成分矩陣詳見表5。根據兩不同深度土壤指標各自的分析結果分別進行各養分指標權重的計算,公式(2)為計算公式。再將求得的權重歸一化,得到最終結果。式中:C1,C2,C3分別表示表5中各指標對應兩個主成分的系數;λ1,λ2分別為表4中兩主成分的特征值;V1,V2表示主成分1,主成分2的方差貢獻率。

表4 土壤各指標主成分特征值提取

表5 土壤各養分指標成分矩陣

將AHP和PCA分析所得的權重值用“乘法”集成法綜合處理[18],將綜合權重乘以各因子與最高標準值的比值即為最終評價得分值。得分計算公式為:

式中:ai為AHP中第i項指標最終權重值;bi為PCA中第i項指標最終權重值;Pi為第i項指標測定值;Pmax為第i項指標最大值;K為最終得分值。

3 結果與分析

3.1 土壤養分含量分析

經處理后的生活污水中,COD、總氮、總磷、氨氮濃度分別為241.8,260,14.2和250 mg/L,均遠超過排放標準(DB51/2626-2019);重金屬銅、鋅、砷的濃度分別為0.008 7,0.005 2和0.005 8 mg/L。在檢測范圍內未測出鉻和鎘,可認為幾乎不含有這兩種重金屬。對試驗前后土壤的各指標檢測結果詳見表6。

3.1.1 土壤重金屬的變化 由圖2可以看出,將處理后的生活污水不等量地施用于耕地和林地后,不同深度土層的重金屬含量值均未超標,且對照組的含量普遍高于施用組。與背景值相比(圖3),試驗后各重金屬含量均有減少的現象。生活污水中重金屬含量極少,生活污水的施用能對土壤重金屬產生淋濾作用,施用生活污水灌溉后表層土壤中重金屬含量有所降低。在誤差范圍內,由于試驗期間氣候、人為耕作等因素的影響,變化規律不盡明顯,但從試驗數據可知生活污水的資源化利用不會造成土壤重金屬含量增加。

圖2 林地與耕地試驗后重金屬含量柱狀圖

3.1.2 不同土壤類型養分的垂向變化 由表6可見,

表6 各施用方式下不同深度土壤養分含量

除全磷以外,耕地和林地在各施用處理下0—20 cm土壤的養分含量均高于20—40 cm,說明土壤養分的改善是由表層向深層進行。這是由于全磷含量受土壤水分以及酸堿度控制,與現有研究結論相符[19]。在耕地中,在0—20 cm土層,與G0相比,G1處理下的各養分含量有不同程度的增加,其中速效磷含量增加最多,為26%;G2處理下,除堿解氮外,其余養分含量有不同程度增加,其中速效磷含量增加最多,為30%。在20—40 cm土層,與G0相比,G1處理下的各養分含量均有不同程度的增加,其中速效磷含量增加最多,為21%;G2處理下,僅全磷和速效磷的含量有微量的增加,均提升了3%。各處理下的深淺土層養分含量均比背景值高。

在林地中,在0—20 cm土層,與L0相比,L1處理下,僅速效磷含量有10%的增加,其余養分含量均比施用前有所減少;L2處理下各指標含量均減少;L3處理下僅全氮含量增加28%,其余養分含量也都減少。林地的3個處理使0—20 cm土層的堿解氮含量減少最多,約為30%。各處理下的養分含量均比背景值低。在20—40 cm土層,與L0相比,L1處理下,各養分指標的含量均有不同程度的增加,其中依舊是速效磷增加最多,為21%;L2處理下僅全氮含量有微量增加,其余均比施用前有所減少;L3處理下各指標含量均減少。L2,L3處理使20—40 cm土層的堿解氮含量減少最多,約為37%(L2),53%(L3)。各處理下的養分含量均比背景值高。

綜上所述,在生活污水資源化利用下,耕地對提升土壤有機質、全氮、全磷、速效磷、速效鉀有明顯的效果;林地在少量施用下,對提升20—40 cm除速效鉀外其余土壤養分的效果較好。

3.2 AHP-PCA結果

由表7可看出,各指標在AHP中權重值高的在PCA中不一定也高,將兩種方法結合可以較為全面地反映問題。

表7 各評價方法權重值

根據公式(3)計算得到綜合權重以及各施用處理得分(K值),將表2代入模型計算得到各等級對應得分區間分別為優(1.00～0.68),良(0.68～0.24),中(0.42～0.24),差(＜0.24)。在生活污水不同處理的資源化利用下,除L3得分為“良”(表層土為0.68分、深層土為0.59分)外,其余處理皆為“優”。在0—20 cm土層中,得分大小排序為G1(0.94)＞G0(0.83)＞G2(0.82),L0(0.87)＞L2(0.69)=L1＞L3(0.68),可見耕地最佳施用為G1,林地最佳施用為L0;在20—40 cm土層中,得分大小排序為:G1(0.98)＞G0(0.93)＞G2(0.76),L1(0.92)＞L0(0.84)＞L2(0.70)＞L3(0.59),可見該深度土壤中,耕地最佳施用處理為G1,林地最佳施用處理為L1。此模型使不同用地類型的試驗結果可進行直接比較?？梢娚顪\土層中,耕地的得分都比林地高,即養分改善情況均優于林地。這種差距在0—20 cm土層中更為明顯。

4 討論

本研究涉及多變量和多指標,從各指標檢測值可直觀地得出部分規律。但養分指標、用地類型、污水施用量等因素對結果的影響錯綜復雜,難以盡數表述到位。為進一步對比每種施用處理的綜合效果,采用了AHP-PCA結合的方法,將6種養分指標進行降維分析,優化了權重,將復雜的結果簡單化,同時實現了將不同用地類型土壤的施用結果可進行直接比較,結果較為準確直觀。由上文可知,在生活污水不同處理的資源化利用下,除L3土壤養分評價等級為“良”外,其余生活污水利用處理在各深度土層皆為“優”。說明生活污水中較高的氮、磷、銨鹽等組分對土壤養分有一定的補充作用。農村生活污水無害化處理后的利用對于土壤養分是有利而無害的。

研究區的氣候特征明顯,試驗階段包含了降雨豐富的時期。有研究表明降雨對紫色土表層的速效養分流失影響較大[20]。本次所選耕地整體有一定坡度,試驗區位于坡體末端,降雨徑流攜帶的養分易聚集于試驗區的表層土壤中,且在強降雨時,試驗區土壤水分入滲受到限制,壤中流產流和養分淋失顯著減少[21];試驗期連續耕作又使得作物根系吸收了深層土壤中的部分養分。以上可能成為耕地養分表層大于深層的原因。且生活污水的適量施用會改善作物根際通氣性[22],增強作物對土壤中養分的吸收能力,由此從土壤的角度來看,G0土壤養分得分大于G2。本文試驗時間為2021年7—10月,此時正值玉米成熟期,對氮、磷營養元素吸收最為強烈時期,選擇該時段進行試驗具有一定典型性和代表性。預測在耕地玉米作物的整個生長時期,作物對土壤中氮、磷養分的吸收量會更多,表層和深層土壤養分含量差距會更為明顯;20—40 cm土層中,G0與G2得分差距也會更為明顯。

目前對于林地污水灌溉的研究較少,通常需要經歷較長時間才能在植被上產生明顯效果[23]。在本研究的林地區域,20—40 cm土層的L1得分最高,說明深層土壤適量施用有助于養分的改善,而0—20 cm土層的L0得分最高,說明林地表層土壤的施用效果較差。與耕地不同,林地無法將吸收的養分進行收割帶走,而是通過新陳代謝全部歸還給土壤并聚集于表層;而深層土壤容重大,孔隙率小,膠結能力較差,地表養分不易到達,需要一定量的施用促進養分垂向遷移。

耕地與林地的對照組雖無施用處理,但各養分含量依舊比背景值有所增加,說明施用一定程度增加了土壤的通透性,加之試驗期間耕地輪作等人為影響,使得相鄰無施用區域也隨之受益。本試驗結果可為川中紅層丘陵地區的生活污水無害化處理和資源化利用提供有效參考。

5 結論

(1)在生活污水資源化利用的不同處理下,除L3土壤養分評價等級為“良”外,其余生活污水利用處理皆為“優”。經處理后的生活污水在多種施用處理下,耕地對提升土壤有機質、全氮、全磷、速效磷、速效鉀有明顯的效果;林地在少量施用下,對提升20—40 cm除速效鉀外其余土壤養分的效果較好。耕地中,各施用處理土壤養分評價得分大小排序表現為:G1＞G0＞G2;林地中,20—40 cm土層表現為:L1＞L0＞L2＞L3;0—20 cm土層為:L0＞L2＞L1＞L3。各種施用處理中,對于耕地,G1最佳;對于林地,L0最佳。短期來看,農村生活污水資源化利用下,適量施用可改善耕地土壤的養分,對于林地無需施用土壤養分就可較好保持。

(2)綜合層次分析法與主成分分析法各自的優勢,對生活污水資源化利用下的土壤養分變化進行綜合評分,可將耕地林地的試驗效果進行直觀的得分比較,為農村生活污水的無害化處理和資源化利用提供數據支撐。