利用工農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)無土草皮卷基質(zhì)的配方研究

宋麗芬　陳軍霞　杜濱舵　史向群

摘要：將污泥、蘑菇渣和秸稈混合好氧發(fā)酵產(chǎn)物與不同比例的沙子混合，研究不同配方的基質(zhì)理化性質(zhì)及其對高羊茅草坪草生長的影響。結(jié)果表明，污泥：蘑菇渣：秸稈按干質(zhì)量1 ∶2 ∶2的比例混合持續(xù)發(fā)酵9 d，溫度達到50 ℃以上，發(fā)酵產(chǎn)品符合GB/T 23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》。基質(zhì)容重隨沙子添加比例的增加而增加，通氣孔隙度T4大于T1，毛管孔隙度T1>T2>T3與T4，T1和T2的總孔隙度高于T4。T1處理和T4處理間成坪天數(shù)差異不顯著，但顯著高于T2和T3處理。T1、T3、T4處理間成卷天數(shù)差異不顯著，但顯著高于T2處理。T2處理的地上生物量顯著高于其他3個處理，其次為T3處理，T1處理的地上和地下生物量最低。T2處理的密度最高，其次為T3處理，而T1和T4處理間差異不顯著。T2處理的葉綠素含量最高，其次為T3和T4，T1處理最低。T2和T3處理間根系活力差異不顯著，但高于T1和T4處理。而T1和T4處理間根系活力差異不顯著。綜合隸屬度由大到小的順序為T2>T3>T1>T4。試驗結(jié)果表明，最佳基質(zhì)配方為發(fā)酵產(chǎn)物、蛭石、沙子按照70 ∶20 ∶10（T2）體積比例混合。

關(guān)鍵詞：基質(zhì)復配；草皮卷；發(fā)酵；無土栽培

中圖分類號：S688.404+.7 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0166-04

傳統(tǒng)的草皮卷生產(chǎn)在草皮收獲時由于鏟走1層土壤，不僅增加草皮卷的質(zhì)量及運輸費用，也帶走了營養(yǎng)肥沃的表層土壤，破壞了原有土壤的理化性質(zhì)及土層結(jié)構(gòu)[1]。因此，無土基質(zhì)草皮卷的生產(chǎn)是未來草皮生產(chǎn)的新趨勢[2]。已有研究表明，無土基質(zhì)生產(chǎn)的草皮卷的生長指標、品質(zhì)指標、生長周期等都優(yōu)于土壤栽培方式[3-4]?？勺鳛闊o土栽培的有機工農(nóng)業(yè)廢棄物有椰子纖維、泥炭、蔗糖、堆置樹皮、鋸末屑、稻殼、蘑菇渣、腐殖質(zhì)、污泥等[5-6]。城市污泥是污水處理廠污水處理過程中產(chǎn)生的沉積物，含有氮、磷、鉀、有機質(zhì)及多種植物必需的微量元素[7]。然而，污泥中病菌、蟲卵、重金屬等有害物質(zhì)限制了其在農(nóng)業(yè)上的應用，如GB 4284—84《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》、GB/T 23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》、NY 525—2012《有機肥料》等國標對農(nóng)用污泥中有害物質(zhì)種類和含量進行了明確規(guī)定。因此，污泥配制草皮卷無土基質(zhì)前，有必要對污泥中有害物質(zhì)消減和檢測。泡沫塑料、玻璃纖維、蛭石、沙子等無機基質(zhì)中營養(yǎng)元素含量相對較少，難以滿足草坪草植物生長的需要；但有機無土栽培基質(zhì)的理化性狀差異變化幅度較大，穩(wěn)定性相對較差，常常使草坪凹凸不平。目前，無機基質(zhì)與有機基質(zhì)的混合基質(zhì)是無土草皮卷生產(chǎn)中常用的基質(zhì)[8]。

本試驗將污泥、蘑菇渣和秸稈混合后氧發(fā)酵，研制用于配制草皮卷生產(chǎn)的有機-無機無土基質(zhì)中有機基質(zhì)原料，并研究發(fā)酵后產(chǎn)物中病菌、蟲卵、重金屬等有害物質(zhì)含量變化，為污泥在草皮卷生產(chǎn)中的安全應用提供依據(jù)；通過將不同比例的發(fā)酵產(chǎn)物、蛭石和沙子的復配，研究不同配方的基質(zhì)的理化性質(zhì)及其對高羊茅草坪草的生長指標和品質(zhì)指標的影響，通過綜合隸屬度對草坪品質(zhì)進行綜合評價，為無土草皮卷的基質(zhì)復配提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗發(fā)酵基質(zhì)材料為污泥、蘑菇渣和秸稈。其中，污泥重金屬含量見表1。從外觀上看，污泥呈深褐色、含水量高、黏稠，機械強度小、不易分散，并有惡臭氣味。污泥中砷、鎘、鉛、Cr、Hg含量低于GB/T 23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（pH值<6.5）的限定值。蘑菇渣由山東九發(fā)食用菌股份有限公司提供，秸稈由牟平養(yǎng)牛場提供，為粉碎的花生蔓。試驗草種為高羊茅，沙子為過 2 mm 篩的河沙，蛭石為市售。

1.2 試驗方法

1.2.1 發(fā)酵試驗設計 污泥：蘑菇渣：秸稈按干質(zhì)量比 1 ∶2 ∶2 混合，粉煤灰的添加量為發(fā)酵有機物料干質(zhì)量的5%，發(fā)酵菌種（由北京沃土天地生物科技有限公司生產(chǎn)）的添加量為發(fā)酵原料干重的3‰。發(fā)酵混合料C/N為24.43，有機質(zhì)為 64.55%，含水量為59.01%。將發(fā)酵物料裝入底部直徑90 cm、高1 m的包裹保溫材料塑料桶，由空壓機提供空氣，根據(jù)溫度變化調(diào)節(jié)通風量。

1.2.2 基質(zhì)優(yōu)化選擇試驗設計 將發(fā)酵產(chǎn)物、蛭石和沙子按照80 ∶20 ∶0（T1）、70 ∶20 ∶10（T2）、60 ∶20 ∶20（T3）、40 ∶20 ∶40（T4）體積比例混合。將基質(zhì)裝入58 cm ×22 cm ×4.8 cm的育苗平盤中，基質(zhì)厚度4.5 cm，盤底先鋪設1層報紙。高羊茅草種的播種量按照40 g/m2。每個育苗盤為1個處理，重復3次，實驗室內(nèi)培養(yǎng)。

1.2.3 觀測項目與方法

1.2.3.1 物理性質(zhì)、化學性質(zhì)的測定 物理性質(zhì)采用美國Hummel的測定方法，物理性質(zhì)測定內(nèi)容包括容重、通氣孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度[9]?；瘜W性質(zhì)測定內(nèi)容包括pH值、總氮含量、總磷含量、總鉀含量、有機質(zhì)含量、重金屬含量?？偟俊⒖偭缀?、總鉀含量采用硫酸-雙氧水分解法測定，凱氏定氮儀測氮含量、礬鉬黃比色測磷含量、火焰光度計測鉀含量。有機質(zhì)含量測定采用K2Cr2O7-外熱源法；重金屬含量測定采用HNO3-HF-HClO4聯(lián)合消煮法。

1.2.3.2 草坪性狀指標觀測方法 草坪性狀指標觀測方法：蓋度采用電子影像PS直線交叉法。草皮質(zhì)量直接稱質(zhì)量，測前24 h灌水1次。地上部分生物量直接刈割烘干稱質(zhì)量；地下部分生物量用清水洗凈烘干稱重。葉綠素的測定采用丙酮 ∶乙醇=1 ∶1混合液浸提葉綠素法。根系活力采用改良的TTC測定法。成坪天數(shù)為蓋度達到85%的天數(shù)。成卷天數(shù)是將草皮從地上提起不被撕裂，卷起后草皮卷不出現(xiàn)裂縫的天數(shù)。

1.2.3.3 草坪綜合質(zhì)量評價 草坪綜合質(zhì)量評價采用模糊綜合評判法。為了綜合評定不同基質(zhì)配比的優(yōu)劣，將這8個指標根據(jù)模糊數(shù)學理論進行隸屬函數(shù)分析，首先建立“綜合評定”這一模糊集合A的隸屬函數(shù)UA（x），簡記為U（x）。

隸屬函數(shù)的計算公式為：

U（Xi=Xi-XminXmax-Xmin） 。

式中：U（Xi）為隸屬函數(shù)值，Xi為某指標的測定值，Xmax和Xmin為某一指標內(nèi)的最大值與最小值。

如果某一指標與綜合評判結(jié)果為負相關(guān)，則用反隸屬函數(shù)進行定量轉(zhuǎn)換。

計算公式為：

U（Xi=1-Xi-XminXmax-Xmin）。

其次，對各個坪用性狀的測定值計算其隸屬值Ui（x），表示這一指標屬于A的程度。然后，對各單因素隸屬度進行加權(quán)平均，計算綜合隸屬值，即綜合品質(zhì)，即U（x）=∑WiUi（x），其中Wi為第i項指標的權(quán)重。

權(quán)重的確定：打分評判法。各指標互相權(quán)衡重要性后，得到成坪時間、成卷時間、密度、根系活力、葉綠素含量、草皮質(zhì)量、地上生物量、地下生物量8個指標的權(quán)重Wi矩陣為{0096，0.330，0.102，0.098，0.118，0.100，0.078，0.078}[5]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

所測數(shù)據(jù)均采用SAS、Excel軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵溫度隨時間的變化

發(fā)酵周期內(nèi)溫度的變化經(jīng)歷了升溫、恒溫、降溫的過程：發(fā)酵4 d后溫度達到50 ℃，6 d后溫度達到60 ℃，并持續(xù)9 d達到50 ℃以上，23 d時堆體內(nèi)部溫度與室外溫度的差值不再發(fā)生變化，發(fā)酵結(jié)束（圖1）。溫度的變化反映了發(fā)酵堆體內(nèi)微生物活性的變化，能很好地反映發(fā)酵過程所達到的狀態(tài)。堆料中的有機質(zhì)在微生物的作用下用于微生物的細胞合成，同時分解為CO2和水，在此過程中產(chǎn)生大量熱量促使堆體溫度上升。堆體溫度在55 ℃條件下保持3 d以上，或50 ℃以上保持5～7 d，是殺滅堆料中所含的致病微生物，保證發(fā)酵衛(wèi)生學指標合格和最后腐熟的重要條件。本試驗由于持續(xù)9 d達到50 ℃以上，物料中病原微生物被有效滅活。

2.2 發(fā)酵產(chǎn)物的的檢測

發(fā)酵后混合料由原來的黏稠變得疏松、顆粒均勻，顏色由原來的深褐色變?yōu)楹谏?，氣味由惡臭變?yōu)槟嗤燎逑?，不再吸引蒼蠅等飛蟲，堆料中長出大量白色菌絲，已經(jīng)符合了腐熟的物理指標。

發(fā)酵產(chǎn)品中理化指標、養(yǎng)分指標、污染物濃度限定值、衛(wèi)生學指標均符合GB/T 23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（pH值<6.5）的規(guī)定（表2）。因此，發(fā)酵產(chǎn)物用于草皮卷生產(chǎn)時不存在環(huán)境風險。

2.3 基質(zhì)的物理性質(zhì)

由于沙子的容重大于發(fā)酵產(chǎn)物，隨著發(fā)酵產(chǎn)物添加的比例降低、沙子添加比例增加，基質(zhì)的容重逐漸增加（表3）。T4處理的通氣孔隙度顯著高于T1處理，說明發(fā)酵產(chǎn)物的通氣孔隙少，添加沙子有利于增加通氣孔隙。由于草皮卷基質(zhì)的質(zhì)量很輕，其保水性是一個重要的指標，往往保水性越強，草坪草長勢則越好。由于沙子的保水性差，添加沙子后，基質(zhì)的毛管孔隙度顯著下降?？偪紫抖葹橥饪紫抖扰c毛管孔隙度之和，T1和T2處理的總孔隙度差異不顯著，但是顯著高于T4處理。

2.4 基質(zhì)的化學性質(zhì)

相對于發(fā)酵產(chǎn)物，無機物質(zhì)蛭石和沙子中有機質(zhì)和養(yǎng)分含量低。因此，隨著發(fā)酵產(chǎn)物添加比例的降低，基質(zhì)中氮、磷、鉀、有機質(zhì)的含量也降低（表4）。添加80%發(fā)酵產(chǎn)物的T1處理總氮、磷、鉀、有機質(zhì)含量分別是添加40%發(fā)酵產(chǎn)物的T4處理2.02、1.99、2.17、2.03倍。

隨著混合基質(zhì)中蛭石和沙子的添加比例的增加，基質(zhì)中重金屬含量呈下降趨勢。T1處理的總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞含量分別是T4處理的2.02、2.27、2.05、2.00、1.89倍。

按照GB/T 23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》規(guī)定，污泥應用于酸性土壤（pH值<6.5）園林綠化時，總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞的限定值分別是75、5、300、600、5 mg/kg。本試驗所配的4種基質(zhì)，T1處理的重金屬含量最高，但仍低于GB/T 23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（酸性土壤pH值<6.5）的規(guī)定：GB/T 23486—2009（酸性土壤pH值<6.5）中總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞的限定值是T1處理的8.57、20.00、60.73、647、7.14倍。

2.5 草皮卷的草皮性狀分析

研究發(fā)現(xiàn)，不添加沙子的T1處理和添加20%沙子的T4處理間成坪天數(shù)差異不顯著，但顯著高于T2和T3處理。成卷天數(shù)決定著生產(chǎn)成本和經(jīng)濟效益。T1、T3、T4處理間成卷天數(shù)差異不顯著，但顯著高于T2處理。T2處理的地上生物量顯著高于其他3個處理，其次為T3處理，T1處理的地上和地下生物量最低。T2處理的密度最高，其次為T3處理，而T1和T4處理間差異不顯著（表5）。

草皮的質(zhì)量主要包括基質(zhì)質(zhì)量和草坪草的質(zhì)量，因為草坪草的質(zhì)量相對于基質(zhì)質(zhì)量而言可以忽略，因此草皮卷的質(zhì)量主要反映的是基質(zhì)的質(zhì)量。沙子的比重和容重高于發(fā)酵產(chǎn)物和蛭石，因此隨著沙子添加比例的提高，草皮質(zhì)量也增加。

葉綠素直接反映的是草坪草的葉片顏色，而草坪草的顏色又可以反映草坪草自身的生長狀況。研究發(fā)現(xiàn)，T2處理的葉綠素含量最高，其次為T3和T4，T1處理最低。根系活力越高的植物，地下部分的活動越旺盛，就能從土壤中吸收更多礦質(zhì)元素和水分供應地上部分的生長。T2和T3處理間根系活力差異不顯著，但高于T1和T4處理。而T1和T4處理間根系活力差異不顯著（表5）。

2.6 綜合品質(zhì)評價

用綜合隸屬度對草坪品質(zhì)進行綜合評價可以將不同品質(zhì)指標綜合考慮，從而全面評價草坪品質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)綜合隸屬度由大到小的順序為T2>T3>T1>T4。因此，T2處理的綜合性狀最好，T4處理的綜合性狀最差（表6）。

3 結(jié)論與討論

3.1 發(fā)酵產(chǎn)物和沙子的比例對基質(zhì)理化性質(zhì)的影響

污泥做為生產(chǎn)無土草皮卷的基質(zhì)具有顯著的環(huán)境和經(jīng)濟效益，但是污泥中含有大量重金屬，因此以純污泥做為基質(zhì)存在環(huán)境風險，并且污泥中有害物質(zhì)也會影響種子發(fā)芽、植株生長[10]。污泥的C/N一般為8～10，好氧堆肥工藝要求控制物料的初始C/N為20～30，因此必須添加其它有機物質(zhì)[11]，這樣可降低發(fā)酵產(chǎn)物中重金屬含量。

發(fā)酵產(chǎn)物的容重和通氣孔隙度低于沙子，毛管孔隙度高于沙子，因此基質(zhì)中隨著沙子添加量的增加，容重和通氣孔隙度逐漸增加、毛管孔隙度降低。T1、T2、T3之間的總孔隙度差異不顯著，但T1、T2高于T4?；|(zhì)的容重可以反映基質(zhì)的疏松、緊實程度。容重過大，基質(zhì)過于緊實，通氣透水性較差；而容重過小，基質(zhì)過于疏松，通氣透水性雖好但不利于根系的固定，植株易倒伏。因此，基質(zhì)中有必要添加一定量的沙子?；|(zhì)孔隙度也是無土基質(zhì)適合與否的重要指標。一般認為較好的基質(zhì)總孔隙度為60%～90%。總孔隙度包括通氣孔隙度和毛管孔隙度，兩者比例適合，既利于通氣，又利于保水。因此，基質(zhì)中需要添加沙子增加通氣孔隙度，但添加沙子的比例有限制，否則會降低毛管孔隙度和總孔隙度。

相對于發(fā)酵產(chǎn)物，沙子中有機質(zhì)和養(yǎng)分含量和重金屬含量低。因此，隨著發(fā)酵產(chǎn)物添加比例的降低，基質(zhì)中氮、磷、鉀、有機質(zhì)、重金屬的含量也降低。污泥中的重金屬是限制其農(nóng)用的主要因素。本試驗中的污泥首先經(jīng)過與秸稈和蘑菇渣混合后好氧發(fā)酵，污泥中重金屬含量經(jīng)過稀釋后下降。將發(fā)酵產(chǎn)物與蛭石和沙子混合后進一步降低了重金屬含量。因此，本試驗所用的4種基質(zhì)中重金屬含量顯著低于GB/T 23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（酸性土壤pH值<6.5）的規(guī)定。

3.2 發(fā)酵產(chǎn)物和沙子的比例對草坪生長和質(zhì)量的影響

發(fā)酵產(chǎn)物和沙子的添加比例影響基質(zhì)的營養(yǎng)狀況、物理性質(zhì)和重金屬含量等指標，因此對草坪的品質(zhì)有顯著影響。不添加沙子的T1處理雖然養(yǎng)分含量和容重最低、毛管孔隙度最高，但是各項品質(zhì)指標都低于添加10%沙子的T2處理。隨著沙子添加比例的添加的增加，基質(zhì)容重和通氣孔隙度上升、毛細管孔隙度和總孔隙度下降，當添加沙子的比例達50%（T4處理）時，各項品質(zhì)指標都低于T2處理。通過綜合隸屬度對草坪品質(zhì)進行綜合評價，T2處理的綜合隸屬度為092，而T1和T4處理的綜合隸屬度只有0.17和0.11。因此，綜合考慮草坪品質(zhì)指標和綜合隸屬度，本試驗最佳基質(zhì)配方為發(fā)酵產(chǎn)物、蛭石、沙子按照70 ∶20 ∶10（T2）體積比例混合。

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