濕垃圾沼渣配施對土壤質(zhì)量和園林植物生長的影響

陳 平 梁 晶*

濕垃圾沼渣作為一種新興的土壤調(diào)理劑，具有營養(yǎng)高、毒性低等優(yōu)點。將其應(yīng)用于園林綠化是濕垃圾資源化利用的重要一環(huán)。研究將濕垃圾沼渣用于園林綠化土壤，隨著沼渣施用量的增加，土壤的pH、EC和有機質(zhì)均呈上升趨勢。土壤密度呈下降趨勢，添加40%（V/V）沼渣的處理顯著低于不添加沼渣的處理（P＜0.05）。土壤孔隙度和土壤持水能力呈上升趨勢，添加40%（V/V）沼渣的處理，其飽和持水量和田間持水量均顯著高于未添加沼渣的處理（P＜0.05）。此外，隨著沼渣添加量的增加，烏桕成活率呈斷崖式下降趨勢，株高也呈下降趨勢。紫薇成活率呈緩慢下降趨勢，株高呈下降趨勢。這表明，沼渣對烏桕（喬木）和紫薇（灌木）的生長具有一定抑制作用，但是紫薇對沼渣的耐受力優(yōu)于烏桕。此外，沼渣對烏桕和紫薇的相對葉綠素含量均無顯著性差異（P＞0.05）。

濕垃圾；沼渣；園林植物；土壤

2017年，中國國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部共同發(fā)布了《生活垃圾分類制度實施方案》，為中國生活垃圾分類制度的實施制定了路線圖。2019年1月31日，上海市人大表決通過了《上海市生活垃圾管理條例》，明確提出在公共綠地、公益林優(yōu)先使用濕垃圾資源化利用產(chǎn)品[1]。目前，城市主要通過厭氧發(fā)酵技術(shù)處置濕垃圾，農(nóng)村通過沼氣工程實現(xiàn)畜禽糞便、秸稈、有機垃圾等農(nóng)業(yè)有機廢棄物的無害化處理、資源化利用。城市濕垃圾是居民日常生活及食品加工、飲食服務(wù)、單位供餐等活動中產(chǎn)生的垃圾，包括丟棄不用的菜葉、剩菜、剩飯、果皮、蛋殼、茶渣、骨頭、動物內(nèi)臟、魚鱗、樹葉、雜草等，其主要來源為家庭廚房、餐廳、飯店、食堂、市場及其他與食品加工有關(guān)的行業(yè)，其含水率高、油脂含量高、易腐敗。沼渣作為厭氧發(fā)酵技術(shù)、沼氣工程的副產(chǎn)物，是垃圾厭氧發(fā)酵的最終固態(tài)殘余物，含有大量有機質(zhì)、腐殖酸、粗蛋白、氨基酸等營養(yǎng)成分，具有很高的再利用研究價值[2]。

李忠琴等利用沼渣和草炭混合配制育苗基質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩份沼渣和一份草炭是黃瓜、番茄、甘藍(lán)育苗的良好基質(zhì)[3]；王玉等研究了雞糞沼渣、醋糟、蛭石的不同配比的黃瓜和番茄育苗基質(zhì)，結(jié)果表明雞糞沼渣處理中的黃瓜和番茄均未出苗，表明該沼渣作為基質(zhì)不利于種子萌發(fā)及生長，該研究篩選出最適合黃瓜和番茄的育苗基質(zhì)配方[4]；劉娟等探討基質(zhì)中添加不同比例腐熟沼渣對西瓜幼苗生長的影響，發(fā)現(xiàn)腐熟沼渣40%、泥炭40%、蛭石15%、珍珠巖5%的配比不僅可以提高出苗率、株高、莖粗、地上部鮮重和根系鮮重等，同時該基質(zhì)對西瓜幼苗生長具有促進(jìn)作用[5]。Abubaker等人比較了4種不同類型的沼渣對小麥生長的影響，結(jié)果表明沼渣可以明顯提高小麥的生物量[6]。但是城市濕垃圾沼渣能否直接應(yīng)用于土壤，施用量及對土壤和植物的影響尚不清楚。受技術(shù)、資金、管理水平等因素的制約，而且其成分復(fù)雜，因此相關(guān)沼渣特性及資源化利用的研究較少?；诶诸悋叩闹鸩酵七M(jìn)，濕垃圾沼渣組分相對單一，重金屬等有毒有害物質(zhì)少等優(yōu)點，大大增加了濕垃圾沼渣的應(yīng)用前景，其正成為濕垃圾資源化利用的熱點。因此，本研究以上海市城區(qū)濕垃圾厭氧發(fā)酵的沼渣為研究材料，分別探討幾種沼渣施用量對土壤性質(zhì)和園林植物的影響，以期為濕垃圾沼渣的利用提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為灰潮土，采自上海市浦東新區(qū)，土壤pH為8.24，EC為0.23 mS/cm，有機質(zhì)含量為7.62 g/kg，全氮含量為1.69 g/kg。供試喬灌木為烏桕（Sapium sebiferum）和紫薇（Lagerstroemia indica），均為兩年生苗。供試沼渣為沼渣烘干脫水后的產(chǎn)物（圖1），由上海老港生物能源再利用中心提供。沼渣脫水后含水量為5.8%，pH為9.13，EC為3.11 mS/cm，有機質(zhì)含量為44.3%，全氮含量為3.57%，C/N比為7.20。

1. 沼渣脫水前后的外觀

1.2 試驗設(shè)計

2020年4月，將供試沼渣按體積比10%、20%、30%和40%與供試土壤混勻裝盆，分別標(biāo)記為ZZ10、ZZ20、ZZ30和ZZ40，同時設(shè)未添加供試沼渣的處理作為對照（CK），共5個處理，每個處理分別移植烏桕10盆和紫薇10盆，每盆均種植1棵，種植過程中調(diào)節(jié)土壤含水量至最大持水量的60%～70%。

種植植物2個月后，測定土壤的密度、飽和持水量、田間持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度等物理性質(zhì)；并分別在種植烏桕和紫薇均2個月和12月后，統(tǒng)計植物成活率并測定植物的株高、葉綠素等指標(biāo)。

1.3 研究方法

供試沼渣的pH采用電極法測定（水土比10∶1）[7]，水溶性鹽分（EC）采用電導(dǎo)法測定（水土比10∶1）[8]，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測定[7]。土壤密度、飽和持水量、田間持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度均采用環(huán)刀法采樣測定，參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤分析方法》[9]。植物成活率采用計數(shù)法統(tǒng)計后計算，植物株高用卷尺進(jìn)行測定，株高為盆土表面至植株最高生長點的高度，株高為所有成活植物測定值的平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16軟件進(jìn)行方差分析，采用Origin8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼渣對土壤質(zhì)量的影響

2.1.1 土壤pH、EC和有機質(zhì)

土壤pH、EC和有機質(zhì)是評價土壤質(zhì)量好壞的主控指標(biāo)，表1所示為添加不同量沼渣后土壤pH、EC和有機質(zhì)，從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著沼渣添加量的增加，土壤的pH、EC和有機質(zhì)均呈上升趨勢，且其添加量與土壤的pH、EC和有機質(zhì)均呈正相關(guān)性。其中土壤有機質(zhì)的變化尤為明顯，添加40%的沼渣，土壤的有機質(zhì)含量提高3.54倍。分析其原因，這可能與沼渣自身特性有關(guān)，由于沼渣是濕垃圾厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物，未經(jīng)過腐熟化過程，故其pH較高，因此沼渣添加量的增加導(dǎo)致了pH的持續(xù)升高。同時，沼渣含有大量未腐熟的小分子化合物，故添加沼渣會引入大量小分子化合物，從而增加土壤的電導(dǎo)率。與此類似，土壤有機質(zhì)的含量也隨著沼渣配施量的增加而增加，其添加量的增加給土壤帶來了大量的有機質(zhì)，進(jìn)一步提升了土壤營養(yǎng)，同時增加了微生物生命活動所需的能源，微生物活性進(jìn)一步增強，有利于土壤質(zhì)量的提升。

表1 沼渣配施對土壤pH、EC和有機質(zhì)的影響

2.1.2 土壤密度與孔隙度

土壤密度是極為重要的土壤物理指標(biāo)，其大小影響著土壤水分、空氣、熱量、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化等土壤理化特性[10]。

圖2中沼渣添加量對土壤密度的影響可以看出，隨著沼渣添加量的增加，土壤密度呈降低趨勢，具體為ZZ40＜ZZ30＜ZZ20＜ZZ10＜CK。其中，不添加沼渣的處理（CK）土壤密度為1.42±0.17 g/cm3，顯著高于添加40%（V/V）沼渣的處理ZZ40（P＜0.05），這可能是由于沼渣以有機材料為主，其供試沼渣含水量極低，物理結(jié)構(gòu)較為松散，自身密度較低，遠(yuǎn)低于一般土壤密度[11]。這與李國文等人的研究結(jié)果類似[12]。

土壤總孔隙度包含非毛管孔隙度和毛管孔隙度。非毛管孔隙的作用主要是通氣透水[13]。圖2中沼渣添加量對土壤非毛管孔隙度的影響可以看出，對照處理（CK）土壤非毛管孔隙度為2.36%±0.24%，低于標(biāo)準(zhǔn)《綠化種植土壤》的限值要求（5%～25%）[14]，土壤通氣透水性較差。添加沼渣后土壤非毛管孔隙度呈上升趨勢，大小順序為CK＜ZZ30＜ZZ10＜ZZ20＜ZZ40，其中添加40%（V/V）沼渣的處理土壤非毛管孔隙度較高，為3.67%±0.32%，這表明添加一定量的沼渣對土壤非毛管孔隙度的提高具有一定促進(jìn)作用，可見沼渣可以增加土壤的透氣性。

毛管孔隙的主要作用是貯存水分[15]。從圖2中可以看出，不添加沼渣的對照處理（CK）土壤毛管孔隙度為46.02%±3.49%，土壤通氣性較差。添加沼渣后土壤毛管孔隙度呈上升趨勢，其中添加40%（V/V）沼渣的土壤毛管孔隙度較高，為53.69%±4.09%。土壤孔隙度的大小說明了土壤的疏松程度及水分和空氣容量的大小[16]。CK土壤總毛管孔隙度為48.38%±2.45%，土壤通氣性較差。添加沼渣后土壤毛管孔隙度呈上升趨勢，其中添加40%（V/V）沼渣的土壤毛管孔隙度較高，為57.36%±3.46%，這表明添加一定量的沼渣對土壤總毛管孔隙度具有一定的提高作用，說明土壤的透氣性有所提升。

2. 沼渣添加量對土壤密度和孔隙度的影響

2.1.3 土壤持水能力

通常，表征土壤持水能力的有土壤飽和持水量、土壤田間持水量等指標(biāo)。其中，土壤飽和持水量又被稱為土壤最大持水量，即土壤孔隙充滿水時所保持的水量，土壤飽和持水量與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等有關(guān)[17]。圖3-a為沼渣添加量對土壤飽和持水量的影響，可知對照處理（CK）土壤飽和持水量最低，為198.12±40.02 g/kg，顯著低于ZZ40（P＜0.05）。通過向土壤中添加不同量的沼渣，土壤飽和持水量呈上升趨勢，大小順序為CK＜ZZ10＜ZZ20＜ZZ30＜ZZ40。其中添加40%（V/V）的沼渣處理，土壤飽和持水量最高，達(dá)266.60±12.55 g/kg，這表明添加沼渣可以大大提升土壤飽和持水量，增強土壤蓄水能力。

土壤田間持水量又被稱為土壤最小持水量。田間持水量常被認(rèn)為是土壤穩(wěn)定保持的最高含水量，也是土壤保持懸著水的最高值，代表對植物有效的土壤最高水含量，且被認(rèn)為是一個常數(shù)[18]。圖3-b為沼渣添加量對土壤田間持水量的影響，與土壤飽和持水量相似，土壤田間持水量隨著沼渣添加量的增加呈上升趨勢（CK＜ZZ10＜ZZ20＜ZZ30＜ZZ40），即對照處理（CK）土壤飽和持水量最低，為295.12±39.69 g/kg，沼渣添加量最高的處理ZZ40土壤飽和持水量最高，為444.66±8.78 g/kg，CK顯著的低于ZZ40（P＜0.05）。可見，添加沼渣在一定程度上可以增加土壤田間持水量，這與肖洋等人的研究類似[19]。

3. 沼渣添加量對土壤持水量的影響

2.2 沼渣對植物生長的影響

2.2.1 沼渣對植物成活率的影響

由圖4-a可知，不添加沼渣的土壤種植烏桕2個月后，烏桕成活率為70%；添加10%（V/V）沼渣的土壤種植烏桕2個月后，僅有20%的烏桕成活；添加20%（V/V）沼渣的土壤種植烏桕2個月后，烏桕僅有10%的成活率，即10株烏桕僅存活一株，這說明沼渣直接利用對烏桕具有毒害作用，顯著降低烏桕成活率。

種植12個月后，監(jiān)測烏桕的成活率，除不添加沼渣的對照處理（CK）外，添加沼渣的烏桕成活率均有明顯降低，其中，添加10%（V/V）沼渣處理的烏桕成活率降為10%，添加20%（V/V）沼渣處理的烏桕成活率降為0，所有烏桕均未成活。添加30%（V/V）的成活率降為10%，添加40%（V/V）的成活率仍然為10%。這也進(jìn)一步表明，沼渣直接利用，對烏桕生長具有明顯的抑制作用。這可能是由于沼渣的pH值呈堿性（9.13），植物毒性高，抑制了烏桕生根，最終導(dǎo)致烏桕枯死[20]。

由圖4-b可知沼渣添加量對紫薇成活率的動態(tài)影響。不添加沼渣的處理（CK）和添加10%（V/V）沼渣的處理，紫薇具有100%的成活率，但隨著沼渣添加量的持續(xù)增加，紫薇的成活率呈明顯降低的趨勢。尤其是種植紫薇12個月后，監(jiān)測其成活率發(fā)現(xiàn)除不添加沼渣的對照處理（CK）外，添加沼渣的處理紫薇成活率大幅度降低，如添加10%（V/V）的沼渣處理，紫薇成活率為40%，紫薇成活率降低了60%；添加20%（V/V）的沼渣處理，紫薇成活率為20%，紫薇成活率降低了40%。這可能與烏桕的原因類似[20]，但是相較于烏桕這類小喬木，紫薇作為灌木，可能對沼渣的耐受性更高，成活率也更高。

4. 沼渣添加量對植物成活率的影響

2.2.2 沼渣對植物株高的影響

對種植2個月和12個月后仍成活的烏桕和紫薇進(jìn)行株高測定（圖5-a）。種植12個月后，不同沼渣添加量的烏桕株高相較于2個月時均有所提升，其提升比例順序為CK＞ZZ30＞ZZ10＞ZZ40＞ZZ20。其中未添加沼渣的處理（CK）株高的增長比例最大，增長了41.44%，說明添加沼渣可能會影響烏桕的生長。紫薇種植12個月后，未添加沼渣的處理其株高增長且全部存活，添加20%～40%沼渣的處理均出現(xiàn)了不同程度的枯萎，說明沼渣對紫薇具有一定抑制作用，這與周智峰等人在香榧樹上的研究結(jié)果相似[21]。同時，沼渣對紫薇強烈的致死率導(dǎo)致12個月后，ZZ20僅存活2株，ZZ30全部枯萎，ZZ40僅存活1株，實驗存活的樣本量較少，因統(tǒng)計學(xué)上存在部分差異，所以后續(xù)實驗可加大樣本量，進(jìn)一步驗證實驗。

5. 沼渣添加量對植物株高的影響

2.2.3 沼渣對葉綠素相對含量的影響

植物葉片中葉綠素通過光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔?，以供植物的生長發(fā)育，其含量高低直接反映了植物的營養(yǎng)和生長狀況[22]。烏桕的葉綠素大小順序為ZZ30＜CK＜ZZ10＜ZZ40＜ZZ20（圖6）。添加20%（V/V）沼渣的烏桕葉綠素含量最高為47.50±2.10，但是各處理間葉綠素差異不顯著（P＞0.05）。添加沼渣后，紫薇的葉綠素大小為ZZ30＜ZZ40＜ZZ20＜CK＜ZZ10，添加10%（V/V）沼渣的紫薇葉綠素含量最高為67.94±3.98，但是各處理的差異不顯著（P＞0.05），這表明添加不同量的沼渣，對烏桕和紫薇葉綠素相對含量的影響較小，這與有婧儀等人的研究結(jié)果類似[23]。

6. 為不同沼渣添加量對烏桕和紫薇葉綠素的影響

2.3 土壤理化指標(biāo)與植物特性的相關(guān)性研究

土壤密度與烏桕株高和葉綠素的相關(guān)性分析表明（表2），土壤密度、株高、葉綠素之間沒有顯著性差異（P＞0.05）。同樣對紫薇進(jìn)行相似的相關(guān)分析，結(jié)果表明土壤密度、紫薇株高、葉綠素之間沒有顯著性差異（P＞0.05）。說明土壤密度對烏桕和紫薇的株高和葉綠素幾乎沒有影響。

表2 土壤密度對烏桕和紫薇特性相關(guān)性的影響

3 結(jié)論與討論

隨著垃圾分類國策的持續(xù)推進(jìn)，濕垃圾沼渣作為濕垃圾資源化處理的固態(tài)廢棄物，正受到越來越多的關(guān)注，土地利用是其中的一個重要方面。隨著沼渣施用量的增加，土壤的pH、EC和有機質(zhì)均呈上升趨勢。土壤密度呈下降趨勢，其中不添加沼渣的處理顯著地高于添加40%（V/V）沼渣的處理（P＜0.05）。添加沼渣后，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總毛管孔隙度均呈上升趨勢，實驗結(jié)果與先前的研究相符[24-26]。這可能是由于沼渣的物理結(jié)構(gòu)較為松散，且具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)，能增加土壤的孔隙度。添加沼渣可以降低土壤密度，提高土壤的非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總毛管空隙度，這與王家軍等人的報道類似[27]。但是，這和理想土壤結(jié)構(gòu)非毛管孔隙度和毛管孔隙度各占50%的要求相差甚遠(yuǎn)[28]。土壤中添加不同量的沼渣后，土壤持水能力呈上升趨勢，添加40%（V/V）沼渣的處理，其飽和持水量和田間持水量均顯著高于未添加沼渣的處理（P＜0.05）。添加沼渣后，烏桕成活率呈斷崖式下降趨勢，后持續(xù)穩(wěn)定在10%～20%。紫薇添加沼渣后，成活率呈緩慢下降趨勢，這說明喬木對沼渣的毒害作用具有較低的耐受性，而灌木對沼渣具有較高的耐受性。在沼渣的直接利用中，可以優(yōu)先考慮紫薇等灌木，減少烏桕等大型喬木的使用。隨著沼渣添加量的增加，烏桕和紫薇的株高總體呈現(xiàn)下降的趨勢，未添加沼渣的烏桕，其株高的增長比例大于其他添加沼渣的處理。添加20%～40%沼渣的紫薇也均出現(xiàn)枯萎現(xiàn)象，這可能是由于沼渣的植物毒性，抑制了植物的生長。施用不同添加量的沼渣，烏桕和紫薇的相對葉綠素含量雖有高低，但均沒有顯著性差異（P＞0.05）。

綜上所述，沼渣施用于土壤可以改善土壤理化特性，降低土壤密度，增加土壤的孔隙度和持水能力。但由于沼渣的pH和EC較高，且未經(jīng)過熟化過程，沼渣對喬木和灌木的生長具有一定的抑制作用。因此，建議沼渣可直接用于裸地土壤的培育，但若進(jìn)行綠化造林，則需進(jìn)行堆肥腐熟。