基于固废堆肥施用的沙土养分调节及改性效能研究

    顾雯曦 周继豪 刘杰

    

    

    

    摘 ?????要：固废堆肥以其经济高效的特点可作为良好的土壤有机改良剂。在控制安全施用量的前提下，将堆肥产物与沙土以不同比例复混构建沙肥复合基质，并通过盆栽试验，从理化性质、养分含量、微生态特征、植物生长状况等角度全面考察了新基质的土壤-植物效应，综合评价了施用固废堆肥对沙土的养分调节及改性效果，指出固废堆肥对沙土改良具有较大的应用潜力和实用价值。

    关 ?键 ?词：固废堆肥;沙土改良;盆栽试验;土壤-植物效应

    中图分类号：TE992.3 ???????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2018）03-0462-05

    Abstract： Solid waste compost can be used as a good organic soil conditioner due to its economical and efficient characteristics. Under the premise of controlling the application rate at a safe range， the compost and the sandy soil were compounded in different proportions to construct the sand-fertilizer composite matrix， and the pot experiment was carried out to comprehensively examine the soil-plant effects of the matrix from the perspectives of physicochemical properties， nutrient content， micro-ecological characteristics and plant growth status. The nutrient regulation and modification effects of solid waste compost on sandy soil were systematically evaluated. The results showed that solid waste compost has great application potential and practical value for sandy soil improvement.

    Key words： Solid waste compost; Sandy soil improvement; Pot experiment; ?Soil-plant effects

    傳统沙质土壤理化性质欠佳，营养元素匮乏，基本属于无有机质的土壤环境，不能作为植被栽培基质。以厨余垃圾、污水处理污泥和粪便残渣等为主的固体废物具有较高的回收利用价值，固废垃圾通过好氧堆肥处理可以转化为生态绿化用的有机腐殖质资源。腐熟较好的堆肥产物不含病原菌和寄生虫卵，原料中不稳定的有机物可以转变为对土壤无害的稳定腐殖质[1]。姜应和[2]等人认为堆肥施用与土壤后可带来大量的有机质，碱解N、有效P、速效K等植物养分，并在一定程度上可为植物生长提供必需的B、Mo、Zn、Mn等微量元素，促进植物体生长发育。同时大量研究表明，施用固废堆肥增加了土壤微生物种群数量，其中放线菌、纤维素分解菌和亚硝酸氧化菌等增加明显，且微生物活性得到激励[3，4]。田波[3]和Pascual[5]等的研究表明施用污泥堆肥可以提高过氧化氢酶、磷酸酶等多种土壤酶的活性，促进有机氮磷养分向更利于植物吸收利用的有效态转化。

    因此，利用固废堆肥对沙质土进行改性处理有望得到综合性能较好的改良土壤，使其适宜于植物生长，这对于改善我国广大沙土区域内环境和生态自持能力具有重要的现实意义。本文采用厨余、污泥和粪渣的混合堆肥产物作为改良剂，对供试沙土进行改性试验研究，通过盆栽试验，从理化性质、养分含量、微生态特征、植物生长状况等方面综合考察改性基质的土壤-植物效应，综合评价固废堆肥对沙质土壤的改良效果和工程应用潜力。

    1 ?实验部分

    1.1 ?试验材料

    供试沙土取自南海某岛礁表层0～20 cm处珊瑚砂土壤。供试堆肥产物由陆军勤务学院军事固体废弃物处治研究室提供，是以餐厨垃圾、粪渣和污泥的混合物为原料，经过27 d的好氧共堆肥过程后粉碎、过筛而制备[6]。供试植物为多年生黑麦草，草种来自市场贩售的进口黑麦草种子。

    1.2 ?试验装置

    试验所用光照植物培养架2台，为自行设计加工。架体尺寸2 200 mm×60 mm×1 800 mm，铁材质，承载平板为平面钢化玻璃。架体分上下两层，每层配有均匀布置的日光灯8只，管壁亮度>1 200 lux。试验所用植物培养花盆购于市场，PP5聚丙烯塑料材质，质地较软，规格为140 mm×125 mm×85 mm，体积1.0 L。

    1.3 ?试验设计

    试验设计为7个不同水平的处理，分别在珊瑚砂中掺入0%、5%、10%、20%、30%、40%、50%（质量比，以湿重计）的堆肥产物，应用复合基质对黑麦草进行50 d的盆栽试验，每个处理作3组对照。试验每个处理中砂肥复合基质设计填充量为0.7 L。依据珊瑚砂和堆肥产物各自容重，将质量比折算为体积比，具体掺混方案见表1。

    1.4 ?分析方法

    基质容重、孔隙度和最大持水量的测定采用环刀法，参照Tian等人[7]的研究，其它理化指标的测定参照《土壤检测》（NY/T 1121-2006）[8]中的方法。基质细菌、真菌、放线菌的测定采用平板计数法，分别选择牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、Martin-孟加拉红琼脂培养基和高氏1号琼脂培养基[9]。基质呼吸强度的测定参照《土壤与环境微生物研究法》[10]，基质呼吸强度的测定采用碱吸收法。叶绿素含量的测定采用80%丙酮提取法[11]。

    1.5 ?数据分析

    数据的处理分别采用Excel 2013和Origin Pro 8.5软件进行统计分析和绘图。

    2 ?结果与讨论

    2.1 ?施用堆肥对沙土理化性质和养分含量的影响

    2.1.1 ?对沙土理化性质的影响

    土壤pH对植物营养元素可利用性起着重要影响作用，过碱性或酸性的pH可诱导元素缺乏[12]。原沙土的pH为9.3而呈强碱性，势必对植物的生长产生不利影响。由表2可知，经过50 d黑麦草种植试验，未掺堆肥的JZ0处理pH较种植前有所下降，而高堆肥含量时复合基质的pH明显降低。当堆肥掺量大于20%时，共堆肥产物的加入可以明显降低复合基质的pH，使其更接近于一般植物生长的适宜pH范围（6～8）[12]。共堆肥产物的引入引起混合基质中可溶性盐含量EC的提高，但均小于4.0 mS·cm-1而处于安全阀值内[1]。容重、孔隙度和持水量均是土壤重要的基本物理性质。容重指反映了土壤的结构性和松紧性，而孔隙良好的土壤对于调节土壤环境、保持肥力和植物根系发育具有重要作用。土壤保水能力对土壤供水和植物吸水具有重要意义，与土壤质地和孔隙度有关，可用最大持水量来表征[13]。随着堆肥掺量的增加，容重持续下降，孔隙度和最大持水量持续升高。堆肥掺量从0增加到50%时，容重由1.52 g·cm-3降至0.42 g·cm-3，孔隙度由36.12%升至66.38%，最大持水量由20.83%升至89.03%。这说明共堆肥产物的施用可以显著改善沙土的质地，降低容重，提升孔隙度，提高土壤保水能力。

    2.1.2 ?对沙土养分含量的影响

    不同堆肥含量的复合基质中主要养分含量见表3。经过50 d盆栽试验，堆肥产物掺量从0增加至50%时，复合基质5种主要养分显著增加。根据全国第二次土壤普查及有关标准[14]，当堆肥掺量为20%时，除速效钾含量处于优II级水平外，其余养分含量均达到优I级标准;當堆肥掺量大于30%时，各处理的复混基质完全达到最高养分水平。

    2.2 ?施用堆肥对沙土微生态特征的影响

    土壤中一切生化过程都是基于酶促反应进行的，涉及有机质分解、营养成分转化、污染物降解和生态修复等过程，由土壤微生物和酶组成的土壤微生态是评价土壤质量的重要指标[15]。为期50 d的黑麦草培植过程是沙肥复合基质形成和沙土肥力演变的过程，复合基质中各类微生物和酶是这一过程的推动者和活性库，对沙土结构改善和养分提升具有重要作用。

    2.2.1 ?不同堆肥施用量对沙土微生物区系的影响由表4可知，掺入堆肥产物可以显著提升沙土中微生物数量。

    掺量为0的JZ0处理微生物总量最少，为0.09×108 CFU·g-1，极显著低于其它处理。堆肥掺量为5%的JZ5中微生物总量也处于较低水平，为0.31×108 CFU·g-1。随着堆肥掺量的增加，微生物总量呈增加趋势，当堆肥掺量为40%时，基质中微生物总量最多，达到1.72×108 CFU·g-1;其次是掺量为50%的处理，微生物总量为1.42×108 CFU·g-1;堆肥掺量为10%、20%、30%的处理中含有的微生物总量为（1.12～1.22）×108 CFU·g-1，处于中等水平。由各处理中不同微生物的数量可知，同一堆肥掺量下，基质微生物中细菌数量最多。Jindo等[16]认为细菌是土壤中最活跃的生物因素，广泛参与有机质分解、腐殖质合成以及各类矿质元素转化，对土壤作用强度和影响最大。表4还可以看出堆肥的掺入可在一定程度上提升沙土中放线菌数量，但当掺量大于20%时，对放线菌的影响不明显。同一堆肥掺量下各处理中真菌数量最少，不同处理间堆肥掺量小于10%和大于10%的处理真菌数量呈极显著差异，其中JZ0和JZ5中真菌数量最少，掺量大于10%时，沙土中真菌数量显著增大。

    2.2.2 ?不同堆肥施用量对沙土呼吸强度的影响

    土壤呼吸是指土壤中生物活动导致二氧化碳释放的过程，主要包括微生物活动和根系呼吸等，土壤呼吸强度是反映土壤微生物总活性和土壤质量的重要指标，可用于表征土壤物质代谢强度[16]。图1反映了不同堆肥掺量对沙土呼吸强度的影响情况。JZ10～JZ50处理，尤其是JZ20、JZ30和JZ40处理，其复合基质的呼吸强度较高，与JZ0和JZ5处理存在极显著差异（p<0.01）。其中JZ20和JZ30的呼吸强度最高，未掺堆肥的JZ0和掺量为5%的JZ5呼吸强度最低，分别为1.46、1.8 μg·g-1·h-1。土壤微生物活动和根系呼吸作用共同影响呼吸强度的大小，以上结果说明，未掺堆肥或堆肥掺量较低（<5%）的处理基质微生物新陈代谢作用较弱，植物根系发育不良，而随着堆肥掺量的增加，基质呼吸强度显著提高，微生物活动和植物根系生长加强，这在一定程度了反映了沙土的改良效果。

    2.3 ?施用堆肥对植物生长特性的影响

    2.3.1 ?不同堆肥施用量对植物出苗率和株高的影响

    以不同堆肥掺量的复合基质种植黑麦草，各处理出苗率及培养50 d后的株高情况如图2所示。

    15～20 ℃环境下，所有处理供试黑麦草种子在播下后3～4 d萌芽。由图2（a）可知，堆肥掺量为0%～30%的各处理黑麦草出苗率均大于90%，在p<0.05水平上无显著性差异，堆肥掺量增加至40%、50%时，JZ40和JZ50的出苗率有所下降，分别为84.4%和82.2%。这说明，堆肥掺量对黑麦草种子出苗率影响不大。由图2（b）可知，各掺肥复合基质的黑麦草株高均极显著高于对照JZ0（p<0.01），其中堆肥掺量为30%时黑麦草株高最高，显著高于其它处理（p<0.05）。以上结果表明，单纯沙土基质中营养成分匮乏，培养出的植株矮小，而掺加堆肥可以有效提升基质植物株高。

    2.3.2 ?不同堆肥施用量对植物生物量的影响不同堆肥掺量的各处理中黑麦草地上以及地下部分生物量差异显著（表5）。

    地上部分方面，JZ20～JZ50复合基质中植株鲜、干重极显著高于JZ0、JZ5、JZ10，其中对照JZ0处理中植株地上部分鲜重、干重最小，堆肥掺量为30%的JZ30处理最大，其鲜、干重分别是JZ0的7.73、7.83倍。JZ5、JZ10地上部分生物量比对照JZ0有一定程度的提高，但提升幅度远小于JZ20～JZ50处理。各处理黑麦草地下部分生物量的变化与地上部分有着相似的趋势。JZ30和JZ20地下部分的鲜重、干重最高，两者间无显著性差异（p<0.01）。当堆肥掺量较低（≤10%）或不掺肥时，黑麦草根系发育不完全，JZ0、JZ5和JZ10中黑麦草地下部分生物量最低，极显著低于其他4组处理。

    2.3.3 ?不同堆肥施用量对植物叶绿素含量的影响

    植物生长发育以及生物量的积累与光合作用密切相关，而叶绿素是植物进行光合作用的关键，绿色植物可利用叶绿素将CO2和H2O转化为有机物并且储存能量。由图3可知，堆肥产物的添加可以显著提高黑麦草叶片中叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）含量。未掺肥的JZ0中叶片叶绿素含量最低，添加少量堆肥后，JZ5、JZ10中叶片叶绿素含量分别提升15.7%和32.2%。堆肥掺量≥20%时，各处理的叶绿素含量大幅度提高，JZ20～JZ50分别较JZ0提高1.06、1.68、1.56、1.24倍，其中JZ30的叶绿素含量最高，达到2.33 mg·g-1。

    3 ?結 论

    （1）堆肥产物施用使珊瑚砂理化性质得到显著改善，其pH降低、EC在安全范围内小幅升高、容重降低、孔隙度和持水量增加;复合基质中主要养分显著增加，堆肥掺量≥20%时，砂肥基质各养分总量基本或完全达到最高养分土壤水平。

    （2）堆肥产物施用显著增加了基质中微生物数量和活性，但对植物出苗率无显著影响，此外可大幅提升植物株高、生物量和叶绿素含量，对植物生长发育有明显促进作用。其中，堆肥掺量为30%时复合基质和供试植物的各项指标综合评价最优。

    参考文献：

    [1]周继豪， 沈小东， 张平， 等. 基于好氧堆肥的有机固体废物资源化研究进展[J]. 化学与生物工程， 2017， 34（2）： 13-18.

    [2]姜应和， 周莉菊. 污泥在森林及园林绿地的利用研究概况[J]. 草原与草坪， 2004 （4）： 7-11.

    [3]田波， 时连辉， 周波， 等. 不同施用方式下污泥堆肥对土壤性质和草坪生长的影响[J]. 水土保持学报， 2012， 26（2）： 116-120.

    [4]于芳芳， 常智慧， 韩烈保. 城市污泥和污泥堆肥在草坪的利用研究进展[J]. 草业学报， 2011， 20（5）： 259-265.

    [5]Pascual I， Antolín M C， García C， et al. Effect of water deficit on microbial characteristics in soil amended with sewage sludge or inorganic fertilizer under laboratory conditions[J]. Bioresource Technology， 2007， 98（1）： 29-37.

    [6]周继豪， 沈小东， 李永青， 等. 厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥研究及其在南海岛礁的适用性分析[J]. 环境污染与防治， 2017（9）： 987-991.

    [7]Tian Y， Sun X， Li S， et al. Biochar made from green waste as peat substitute in growth media for Calathea rotundifola cv. Fasciata[J]. Scientia Horticulturae， 2012， 143： 15-18.

    [8]NY/T 1121—2012. 土壤检测[S].

    [9]钱存柔， 黄仪秀. 微生物学实验教程[M]. 北京： 北京大学出版社， 2010.

    [10]李振高， 骆永明. 土壤与环境微生物研究法[M]， 北京： 科学出版社， 2008.

    [11] Ahmed H F S， El-Araby M M I. Evaluation of the influence of nitrogen fixing， phosphate solubilizing and potash mobilizing biofertilizers on growth， yield， and fatty acid constituents of oil in peanut and sunflower[J]. African Journal of Biotechnology， 2015， 11 （43）： 10079-10088.

    [12]Lakhdar A， Rabhi M， Ghnaya T， et al. Effectiveness of compost use in salt-affected soil[J]. Journal of hazardous materials， 2009， 171（1）： 29-37.

    [13]李慧君， 殷宪强， 谷胜意， 等. 污泥及污泥堆肥对改善土壤物理性质的探讨[J]. 陕西农业科学， 2004 （1）： 29-31.

    [14]全国土壤普查办公室. 中国土壤普查数据[M]. 北京： 中国农业出版社， 1997.

    [15]李文斌， 李新平， 李海洋， 等. 不同掺沙比例对烟区黏质土壤微生态特征的影响[J]. 西北农林科技大学学报 （自然科学版）， 2012， 11： 014.

    [16]Jindo K， Chocano C， Melgares de Aguilar J， et al. Impact of Compost Application during 5 Years on Crop Production， Soil Microbial Activity， Carbon Fraction， and Humification Process[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis， 2016， 47 （16）： 1907-1919.