文摘
有机土地应用土壤磷的影响和随后的垂直迁移到瓷砖排水评估在实验室设置。土,代表典型的“nonresponse”安大略省土壤所指定的安大略农业部、食品和农村事务部(OMAFRA),修改了厌氧消化的速度有机固体残8毫克公顷−1(干重)。在五个月,这些修改两个不同深度土壤样本顺序分离来确定各种无机磷和有机磷的缓冲池中,以评估在土壤剖面垂直迁移。分析了土壤渗滤液对可溶性活性磷。应用程序并没有显着影响的结果表明,有机土壤中磷的浓度并没有造成磷垂直迁移。溶性活性磷的浓度也没有显著受到有机固体的影响。
1。介绍
尽管这个词有机固体残,据悉现在只出现在20世纪,人类排泄物的概念应用到农业土地已经知道了数千年(1]。农业用地申请回收城市有机固体残被认为是一种可行的方法。有机固体残价值作为土壤改良剂(1)和宏观的来源和健康作物所需微量元素和有机物质(2,3]。
尽管直辖市,农民,和公众可能受益于使用有机农业土地,有些环境问题与此相关的实践。这些担忧之一是相对较高的总磷有机固体及其潜在迁移到表面,从biosolids-amended土地和地下水4)作为地表水的过多会导致富营养化(5]。许多污水处理厂(WWTPs)使用明矾或FeCl3三级处理沉淀磷,成为有机固体材料的一部分。进一步稳定,未经处理的污水或有机碱性稳定可能导致一些磷沉淀为Ca3(PO4)2。结果形式的磷可能不是生物学上可用,或者在形式阻碍迁移从应用程序(点6]。因此,总磷在有机固体可能不是相关考虑磷损失带来的风险领域的水生系统。相反,正确评估潜在的风险biosolids-derived磷接收水域,它可能是更重要的是要考虑不同分数的磷在土壤中有机固体和他们的行为(例如,迁移和转换)。
一般来说,磷有潜力被运送到水生系统通过三个主要途径:地表径流和侵蚀,地下流,和瓷砖排水4,7]。一个较小的程度上,它也可以经由风力侵蚀和沉积(8]。径流和侵蚀是土壤磷流失的重要途径(9,10],大部分磷损失从农业用地的研究致力于通过径流和侵蚀损失(11- - - - - -16]。应用城市有机固体残,具体来说,可以增加总磷(TP)径流从土壤在实验室昌盛17),尽管在农业土壤径流损失P可能依赖于稳定方法用于生产有机固体残(18- - - - - -20.]。这些损失仅代表水平移动通过地表径流磷,而垂直迁移通过土壤的磷层也可以促进磷逃离农田(21]。尤其重要的地区的小坡,浅层地下水的地区,干旱地区,或少风化土壤和有机土壤phosphorus-sorbing容量很低(22,23]。垂直迁移是一个潜在的路线磷损失在农业领域,然而,很少有研究考虑垂直磷迁移,没有发现考虑垂直迁移和演变的各种磷分数相关biosolids-amended土壤。
本研究的目的是确定,在实验室环境中,土地的应用有机固体残如何影响各种土壤中磷分数,与时间相关的转换之间的分数,和垂直磷对渗滤液的损失。
2。材料和方法
2.1。实验装置
为了研究垂直P迁移,在实验室建立了一系列土壤列(24]。实验室土柱由一系列的八个塑料列(7厘米直径,60厘米高度)。这些列有橡胶弹簧盒盖,一个塑料漏斗(外直径7厘米)插入到每一列的茎漏斗突出通过节流孔。底部10厘米的列(上方漏斗)充满了河流砾石提高渗滤液渗透土壤的排水和防止土壤流失漏斗。在砾石,每一列满了40厘米的土壤砂质壤土。土壤的容重1.4与3%的有机物和pH值为6.5,具有良好的排水。从“圆农场”商用安大略省布兰特福德,它被选为这是一个很好的代表在安大略省南部农场土壤。四个随机选择的列修改了3.65 g的厌氧消化有机固体(干重),相当于8毫克(干重)的速度哈−1。这是通过加入260毫升1.4%的有机固体残干物质在土壤中每一列应用和选择有机纳入5厘米。引用列浇灌了同样体积的蒸馏水(260毫升)。目前的研究中使用的有机固体残在安大略省南部污水处理厂生产。这个工厂的污水处理过程采用传统的二级活性污泥法与化学除磷和厌氧污泥消化。二级处理是通过沉淀除磷与铁(在形式的氯化铁)紧随其后的次氯酸钠消毒处理过的水。因此,沉淀FePO3最终变成了活性污泥的成分和有机固体残。厌氧消化污泥发生在密闭的反应堆超过两周的时间。有机生产在这个污水处理厂是用于农业用地或脱水和填埋。在安大略省,8毫克的有机固体(干重)每公顷的土地每5年是常见的应用速度(25)和用于其他类似的研究(26]。
2.2。抽样
一组初始的土壤样本(在有机固体应用程序之前)收集分析磷分数,包括奥尔森碳酸氢钠可抽出的磷。后续的样本集合进行周期性下降:两周,一个月,两个月,三个月,五个月后有机的应用程序。实验的时间近似安大略省南部的生长季节。在每一个采样周期,大约2 g是来自两个不同深度的土壤样本中土壤列(从顶部和3厘米35厘米从顶部)。由于1.4土壤容重,每个土壤样本的体积大约3厘米3。收集的样本在塑料列,钻孔提取土壤整除每一列,在每个深度,随后与硅酮胶封洞。每列水(约200毫升)添加到每周列。渗滤液收集的样本与减少周期性:1天,2周,1.5个月,2个月、3个月,5个月后有机的应用程序。所有抽样事件发生后第二天水被添加到列(24]。
2.3。化学分析
有机固体残、nonamended土壤和biosolids-amended土壤进行了分析(试剂和浓度是每次的形式表示)对各种无机(水溶性,蒸馏水;NH松散,1米4Cl;metal-bound, 1 M氢氧化钠;盐酸和calcium-bound, 0.5)和有机(不稳定,0.5 NaHCO3;中度不稳定,1 M盐酸;nonlabile,火山灰在555°C)磷形式使用顺序分馏过程。对水溶性磷、0.5克土样(干重)放入50毫升耐尔根离心管和25毫升蒸馏水补充道。上层被离心分离的固体残渣,透过一个0.22μm过滤器(纸过滤器),分析colorimetrically使用抗坏血酸,钼酸盐的方法。的残积土一直下一步分离,在过硫酸盐为nonlabile消化磷取代强酸消化(27]。分析了渗滤液的列显示可溶性活性磷(SRP)柯伐和Pierzynski[描述的过程27)这是一个改编自经典抗坏血酸的方法(28]。此外,奥尔森磷土壤测试是使用0.5 NaHCO决定3根据标准程序(27]。
2.4。建模P浓度
基于初始土壤磷和有机分析的结果,创建一个简单的模型来预测土壤磷增加有机固体残后的应用程序。预期的磷浓度()计算每个形式的磷基于每个表单的初始浓度土壤中(),每个表单的浓度在有机固体(),土壤的总质量()和有机固体添加的数量()如下。
2.5。统计分析
广义线性混合模型(GLMM)被用来比较大量的各种形式的磷在土壤biosolids-amended与参考土壤,在土壤表面与底部的土壤,并随着时间的推移。此外,GLMM可以与非高斯分布模型响应数据(例如,指数,对数正态)和模型残差相关性结构的多样性可以纵向相关变量(如高斯、复合对称,线性的,权力,和指数)。一般线性混合模型方差分析(PROC GLIMMIX, SAS 9.4, SAS研究所卡里,数控、美国)是用于检测的主要有机固体应用程序和位置的影响,以及这些因素之间的相互作用和时间,以确定的各种形式的P浓度跟随不同的轨迹对治疗的反应(有机和引用)或位置(顶部和底部)。这样的模型可以用来适合纵向模型数据,无论对纵向变量响应是线性的(在这里,时间)。GLIMMIX模型迭代运行,指定的不同组合协方差结构和响应变量分布。最终模型的基础上选择合适的(基于Akaike信息准则(AIC))和残差分布。
3所示。结果与讨论
初始土壤磷的结果分析(图1(一))透露,总磷浓度为0.226毫克/克的土壤。这个值在范围内与其他农业土壤(0.050毫克/克和1.000毫克/克)(29日,30.]。潜在的现成的分数由无机磷水溶性和有机不稳定的分数低于检出限(BDL)的方法就是0.005毫克/克。这可能表明一个重要的土壤的吸附能力,尽管这不是显式地测量。土壤无机松散(0.055毫克/克)和有机适度不稳定的分数(0.022毫克/克土),然而,代表生物利用率的主要部分分数。他们构成了超过31%的初始土壤中总磷浓度。该池的适度磷几乎是与其他研究相比两倍(31日],加强,土壤磷吸附能力高。相对无效磷分数,如无机calcium-bound土壤(0.019毫克/克)和有机nonlabile土壤(0.049毫克/克)分数,也小。他们最初的土壤中总磷浓度累积贡献大约13%。另外43%的初始土壤中总磷浓度是metal-bound磷分数所代表的土壤(0.115毫克/克),这是一小部分没有直接可用的植物,但在缺氧条件下可以释放生物可利用磷。奥尔森磷浓度(0.060毫克/克)表明,实验中使用的土壤相对富含磷和土壤将归类为“没有响应”(32)这意味着生产高产作物的土壤能够在很少或没有额外的磷肥。然而,这样的土壤可能增加磷迁移到周围水体的潜力(33]。
(一)
(b)
有机分析(图1 (b))透露,总磷的浓度(5.617毫克/克有机固体残)在有机固体残21倍高于初始土壤中总磷浓度。个人磷分数也大大超过最初的土壤。这表明这些有机施肥初始土壤的潜力。不同磷的分布分数导致了总磷浓度,然而,类似于之前观察土壤分布修正案。这种分布是意想不到的磷的有机分数会更大(相对于总P)相比,有机土壤。矿化的有机固体残馀的先进水平也许可以解释有机磷含量相对较低。相对无效磷的累积贡献分数,如无机calcium-bound有机固体(0.454毫克/克)和有机nonlabile有机固体(0.550毫克/克)分数,是17%。metal-bound磷分数(2.677毫克/克有机固体残)代表最大的磷池有机固体残,贡献了47%的总磷浓度。高metal-bound磷比例在有机固体残已经被其他研究报告(34,35]。这是符合除磷的污水处理过程。现成的水溶性有机固体(0.174毫克/克),无机松散(0.201毫克/克有机固体残),和有机不稳定(0.175毫克/克有机固体残)分数在有机固体残代表小池的磷。他们的总磷浓度累积贡献为10%。有机固体和土壤之间的差距最大的相对贡献的总磷被发现适度不稳定有机分数:1.385毫克/克有机固体(总磷的25%)和0.022毫克/克土壤总磷(8%)。这种高价值的适度不稳定有机分数预计是相对常见的有机固体(35]。
土壤样品分析的结果后有机固体应用见图2。在分析磷浓度分数的变化的统计显著性,混合模型的家庭始终导致最适合(基于AIC和残差分布)是那些符合对数正态分布的响应变量(P池)和模拟复合对称残差的协方差结构。所有报告的统计结果都基于此表格(表模型1)。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
一般趋势,所有P浓度分数不同(表1)。水溶性(图2(一个))和有机不稳定(图2 (e))磷分数随着时间的增加,显示出一些长期磷remobilisation潜力。虽然这些都显著增加,这些分数增加的最大数量仍然非常低,小于0.005毫克/克土壤(图2(一个))。
的松散磷浓度恒定的头两个月,然后在三个月内(图增加了50%2 (b))。松散磷浓度的增加是观察到的参考和biosolids-amended土壤,它可以解释在一定程度上减少了30%的磷metal-bound分数(图2 (c))而不是有机的应用程序。metal-bound磷随时间下降的治疗方法在两个顶部和底部的土柱。转换metal-bound磷的松散磷可能发生在缺氧条件下土壤内列。
在5个月期间,calcium-bound磷的浓度下降了35%(图2 (d))。calcium-bound分数构成主要磷酸盐成分的羟磷灰石矿物,这使得它相对稳定的分数(27]。随时间减少calcium-bound分数很难解释,可能需要进一步的调查。一般来说,磷羟基磷灰石构成分数导致过高的磷对生态系统的影响研究中,只有总磷测定。这种形式的解散大幅下降,土壤通常局限于一个博士目前研究中使用的砂质壤土土小缓冲能力,因此,有机酸的积累可能导致一些地方解散羟磷灰石分数。有机适度不稳定(图2 (f))和nonlabile(图2 (g))磷浓度也增加了5个月。无法解释的变化有机适度不稳定和有机nonlabile磷浓度。
本研究的主要目标之一是建立在实验室设置如果有机固体可能带来重大贡献不同的农业土壤磷分数。令人惊讶的是,池的磷的化学分析分数显示,没有统计上的显著差异引起的有机固体残馀的应用。之间没有统计上的显著差异biosolids-amended土壤和参考观察土壤磷池,也没有磷浓度随时间的变化在不同的治疗()。虽然一些形式的磷并显示一个与时间相关的改变,这是由于土壤中的化学和生物过程,而不是与有机的应用。同样的趋势也发生在治疗和参考实验列。因此,可以得出结论,没有任何可以衡量的增加发生在磷比例的有机固体应用程序(图2)。只有水溶性P不同/顶部和底部之间的时间()。虽然水溶性P增加随着时间在两个顶部和底部的土壤列,增加更大的土壤比深层土壤的一部分。
根据模型(表2),几乎所有的增加磷分数预计在5厘米的土壤列有机固体残后的应用程序(增加水溶性增加67%,4%为松散磷,metal-bound磷增加29%,增加27%的calcium-bound磷,磷有机不稳定会增加60%,增加77%有机适度不稳定磷,磷和有机nonlabile增加24%)。然而,预期增加大多数池接近或低于名义限制磷的检测分析。当磷浓缩整个列被认为是,每个部分都还小,相对增加的绝对增长低于检出限为所有池metal-bound磷除外。因此,该模型预测,应用有机固体残馀的适度高总磷浓度,在安大略省的推荐率,肥沃的土壤会导致没有可观的增加土壤磷池集成列,且仅略微可辨别的增加5厘米,顶部材料是最集中的地方。土地的应用有机固体残有趣的方面是,尽管他们相对较大的磷浓度的生物有效性和unbioavailable形式相比,土壤浓度,其影响在修改最终浓度土壤,由于应用程序限制利率,是相当有限的。从有机固体浓度变化百分比计算,土壤浓度,和应用程序转化为相对较小的标称浓度的增加土壤中磷的形式。的检测极限允许精确测量土壤P≥0.1毫克/公斤。浓度低于这个值的变化,因此土壤磷有机固体应用后仍然几乎不受影响。
实验设计占时间的变化和潜在的垂直迁移土壤中磷的列。列的狭窄直径是为了避免侧向逃的磷,磷限制潜在的移民分数垂直方向。获得的数据从上层和深度35厘米的列显示没有区别之间的任何一部分磷处理和未经处理的土壤。这表明,磷的垂直运输仍然微不足道的实验期间,无论磷比例。如前所述,P含量的变化列的顶部是低统计微不足道。这些营养素的可能迁移对列的较低的地区没有发生在本研究中。土壤吸附和生物都是固定的机制可以解释缺乏流动性。
在这个实验中使用的土壤和有机固体残代表一种坏的情况,也就是说,部分归功于富磷厌氧消化有机固体应用于土壤也部分归功于富磷,磷提供条件可能会迁移到土壤的排水系统而不是固定(33]。这不是观察到。因此,不太可能磷垂直迁移后将观察到的应用程序更多phosphorus-poor吸附磷的能力,较高的土壤或土壤中接受进一步处理,如碱性稳定或产生的有机固体干燥可能减少磷迁移。
为了占土壤中的磷运动列,实验室实验设置允许通过土壤水渗透的集合。这些土壤渗滤液biosolids-amended镇搜集的样本和参考列可溶性磷活性进行了分析。
可溶性活性磷的浓度在渗滤液收集样品从土壤biosolids-amended列被指出是非常接近的浓度可溶性活性磷在土壤渗滤液收集的样本参考列(图3)。在样品没有显著差异(,)。在磷浓度没有显著差异的渗滤液从biosolids-amended列和渗滤液从参考列符合缺乏统计的区别是各种形式的磷的浓度在biosolids-amended列和参考列(图2)。在五个月的研究,渗滤液从biosolids-amended土壤和参考列列证明磷浓度在0.039 - -0.054 mg / L。这些浓度远小于径流从biosolids-amended土壤中磷的浓度测量(17,20.,29日,36- - - - - -38]。但仍超过建议的最佳浓度限制潜在富营养化(低于0.025毫克/升在湖泊溪流和0.01 mg / L) (39]。水平移动P后不久,径流和侵蚀土地的应用程序似乎是一个更重要的潜在加载比垂直运输和地表水地下水转移。
4所示。结论
土壤分析的结果表明,磷浓度的几个分数随时间变化明显。水溶性、有机不稳定磷,松散磷浓度增加的5个月期间的实验。然而,这增加观察参考和biosolids-amended土壤和可以metal-bound磷分数下降的影响,而可能发生在缺氧条件下土壤内列。
之间没有统计上的显著差异biosolids-amended土壤和参考观察土壤磷池,也没有磷浓度随时间的变化在不同的治疗()。因此,可以得出结论,没有可以衡量的增加发生在任何部分由于有机固体残磷应用程序。因此,磷从biosolids-amended表面没有明显迁移到土壤剖面向地下瓷砖排水系统模拟在当前条件下的研究。这证实了可溶性活性磷的浓度之间缺乏显著性差异在渗滤液从不同的列。
提供实验室目前的研究证据表明,厌氧消化有机固体残磷浓度为5.6毫克/克或低于有机固体,当应用的速度8吨干(干重)哈−1砂质壤土土没有或最小坡度,不增加P浸出。
附加分
核心思想。我们检查了有机固体的影响对土壤磷分数在垂直配置文件。磷浓度的几个分数随时间变化明显。移动磷分数增加在五个月的实验。没有观察到土壤biosolids-amended和引用的区别。可以应用在特定条件下,有机固体残没有风险增加的P浸出。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
本文是可能由于提供的金融支持环境应用科学和管理研究生课程Yeates学校的研究生(YSGS)瑞尔森大学。