基于固廢堆肥施用的沙土養(yǎng)分調(diào)節(jié)及改性效能研究

顧雯曦 周繼豪 劉杰

摘 ?????要：固廢堆肥以其經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)可作為良好的土壤有機(jī)改良劑。在控制安全施用量的前提下，將堆肥產(chǎn)物與沙土以不同比例復(fù)混構(gòu)建沙肥復(fù)合基質(zhì)，并通過盆栽試驗(yàn)，從理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量、微生態(tài)特征、植物生長(zhǎng)狀況等角度全面考察了新基質(zhì)的土壤-植物效應(yīng)，綜合評(píng)價(jià)了施用固廢堆肥對(duì)沙土的養(yǎng)分調(diào)節(jié)及改性效果，指出固廢堆肥對(duì)沙土改良具有較大的應(yīng)用潛力和實(shí)用價(jià)值。

關(guān) ?鍵 ?詞：固廢堆肥;沙土改良;盆栽試驗(yàn);土壤-植物效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TE992.3 ???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 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

傳統(tǒng)沙質(zhì)土壤理化性質(zhì)欠佳，營(yíng)養(yǎng)元素匱乏，基本屬于無(wú)有機(jī)質(zhì)的土壤環(huán)境，不能作為植被栽培基質(zhì)。以廚余垃圾、污水處理污泥和糞便殘?jiān)葹橹鞯墓腆w廢物具有較高的回收利用價(jià)值，固廢垃圾通過好氧堆肥處理可以轉(zhuǎn)化為生態(tài)綠化用的有機(jī)腐殖質(zhì)資源。腐熟較好的堆肥產(chǎn)物不含病原菌和寄生蟲卵，原料中不穩(wěn)定的有機(jī)物可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)土壤無(wú)害的穩(wěn)定腐殖質(zhì)[1]。姜應(yīng)和[2]等人認(rèn)為堆肥施用與土壤后可帶來大量的有機(jī)質(zhì)，堿解N、有效P、速效K等植物養(yǎng)分，并在一定程度上可為植物生長(zhǎng)提供必需的B、Mo、Zn、Mn等微量元素，促進(jìn)植物體生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí)大量研究表明，施用固廢堆肥增加了土壤微生物種群數(shù)量，其中放線菌、纖維素分解菌和亞硝酸氧化菌等增加明顯，且微生物活性得到激勵(lì)[3，4]。田波[3]和Pascual[5]等的研究表明施用污泥堆肥可以提高過氧化氫酶、磷酸酶等多種土壤酶的活性，促進(jìn)有機(jī)氮磷養(yǎng)分向更利于植物吸收利用的有效態(tài)轉(zhuǎn)化。

因此，利用固廢堆肥對(duì)沙質(zhì)土進(jìn)行改性處理有望得到綜合性能較好的改良土壤，使其適宜于植物生長(zhǎng)，這對(duì)于改善我國(guó)廣大沙土區(qū)域內(nèi)環(huán)境和生態(tài)自持能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文采用廚余、污泥和糞渣的混合堆肥產(chǎn)物作為改良劑，對(duì)供試沙土進(jìn)行改性試驗(yàn)研究，通過盆栽試驗(yàn)，從理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量、微生態(tài)特征、植物生長(zhǎng)狀況等方面綜合考察改性基質(zhì)的土壤-植物效應(yīng)，綜合評(píng)價(jià)固廢堆肥對(duì)沙質(zhì)土壤的改良效果和工程應(yīng)用潛力。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?試驗(yàn)材料

供試沙土取自南海某島礁表層0～20 cm處珊瑚砂土壤。供試堆肥產(chǎn)物由陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事固體廢棄物處治研究室提供，是以餐廚垃圾、糞渣和污泥的混合物為原料，經(jīng)過27 d的好氧共堆肥過程后粉碎、過篩而制備[6]。供試植物為多年生黑麥草，草種來自市場(chǎng)販?zhǔn)鄣倪M(jìn)口黑麥草種子。

1.2 ?試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用光照植物培養(yǎng)架2臺(tái)，為自行設(shè)計(jì)加工。架體尺寸2 200 mm×60 mm×1 800 mm，鐵材質(zhì)，承載平板為平面鋼化玻璃。架體分上下兩層，每層配有均勻布置的日光燈8只，管壁亮度>1 200 lux。試驗(yàn)所用植物培養(yǎng)花盆購(gòu)于市場(chǎng)，PP5聚丙烯塑料材質(zhì)，質(zhì)地較軟，規(guī)格為140 mm×125 mm×85 mm，體積1.0 L。

1.3 ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)為7個(gè)不同水平的處理，分別在珊瑚砂中摻入0%、5%、10%、20%、30%、40%、50%（質(zhì)量比，以濕重計(jì)）的堆肥產(chǎn)物，應(yīng)用復(fù)合基質(zhì)對(duì)黑麥草進(jìn)行50 d的盆栽試驗(yàn)，每個(gè)處理作3組對(duì)照。試驗(yàn)每個(gè)處理中砂肥復(fù)合基質(zhì)設(shè)計(jì)填充量為0.7 L。依據(jù)珊瑚砂和堆肥產(chǎn)物各自容重，將質(zhì)量比折算為體積比，具體摻混方案見表1。

1.4 ?分析方法

基質(zhì)容重、孔隙度和最大持水量的測(cè)定采用環(huán)刀法，參照Tian等人[7]的研究，其它理化指標(biāo)的測(cè)定參照《土壤檢測(cè)》（NY/T 1121-2006）[8]中的方法?；|(zhì)細(xì)菌、真菌、放線菌的測(cè)定采用平板計(jì)數(shù)法，分別選擇牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、Martin-孟加拉紅瓊脂培養(yǎng)基和高氏1號(hào)瓊脂培養(yǎng)基[9]?；|(zhì)呼吸強(qiáng)度的測(cè)定參照《土壤與環(huán)境微生物研究法》[10]，基質(zhì)呼吸強(qiáng)度的測(cè)定采用堿吸收法。葉綠素含量的測(cè)定采用80%丙酮提取法[11]。

1.5 ?數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的處理分別采用Excel 2013和Origin Pro 8.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?施用堆肥對(duì)沙土理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 ?對(duì)沙土理化性質(zhì)的影響

土壤pH對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素可利用性起著重要影響作用，過堿性或酸性的pH可誘導(dǎo)元素缺乏[12]。原沙土的pH為9.3而呈強(qiáng)堿性，勢(shì)必對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。由表2可知，經(jīng)過50 d黑麥草種植試驗(yàn)，未摻堆肥的JZ0處理pH較種植前有所下降，而高堆肥含量時(shí)復(fù)合基質(zhì)的pH明顯降低。當(dāng)堆肥摻量大于20%時(shí)，共堆肥產(chǎn)物的加入可以明顯降低復(fù)合基質(zhì)的pH，使其更接近于一般植物生長(zhǎng)的適宜pH范圍（6～8）[12]。共堆肥產(chǎn)物的引入引起混合基質(zhì)中可溶性鹽含量EC的提高，但均小于4.0 mS·cm-1而處于安全閥值內(nèi)[1]。容重、孔隙度和持水量均是土壤重要的基本物理性質(zhì)。容重指反映了土壤的結(jié)構(gòu)性和松緊性，而孔隙良好的土壤對(duì)于調(diào)節(jié)土壤環(huán)境、保持肥力和植物根系發(fā)育具有重要作用。土壤保水能力對(duì)土壤供水和植物吸水具有重要意義，與土壤質(zhì)地和孔隙度有關(guān)，可用最大持水量來表征[13]。隨著堆肥摻量的增加，容重持續(xù)下降，孔隙度和最大持水量持續(xù)升高。堆肥摻量從0增加到50%時(shí)，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%。這說明共堆肥產(chǎn)物的施用可以顯著改善沙土的質(zhì)地，降低容重，提升孔隙度，提高土壤保水能力。

2.1.2 ?對(duì)沙土養(yǎng)分含量的影響

不同堆肥含量的復(fù)合基質(zhì)中主要養(yǎng)分含量見表3。經(jīng)過50 d盆栽試驗(yàn)，堆肥產(chǎn)物摻量從0增加至50%時(shí)，復(fù)合基質(zhì)5種主要養(yǎng)分顯著增加。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14]，當(dāng)堆肥摻量為20%時(shí)，除速效鉀含量處于優(yōu)II級(jí)水平外，其余養(yǎng)分含量均達(dá)到優(yōu)I級(jí)標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)堆肥摻量大于30%時(shí)，各處理的復(fù)混基質(zhì)完全達(dá)到最高養(yǎng)分水平。

2.2 ?施用堆肥對(duì)沙土微生態(tài)特征的影響

土壤中一切生化過程都是基于酶促反應(yīng)進(jìn)行的，涉及有機(jī)質(zhì)分解、營(yíng)養(yǎng)成分轉(zhuǎn)化、污染物降解和生態(tài)修復(fù)等過程，由土壤微生物和酶組成的土壤微生態(tài)是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[15]。為期50 d的黑麥草培植過程是沙肥復(fù)合基質(zhì)形成和沙土肥力演變的過程，復(fù)合基質(zhì)中各類微生物和酶是這一過程的推動(dòng)者和活性庫(kù)，對(duì)沙土結(jié)構(gòu)改善和養(yǎng)分提升具有重要作用。

2.2.1 ?不同堆肥施用量對(duì)沙土微生物區(qū)系的影響由表4可知，摻入堆肥產(chǎn)物可以顯著提升沙土中微生物數(shù)量。

摻量為0的JZ0處理微生物總量最少，為0.09×108 CFU·g-1，極顯著低于其它處理。堆肥摻量為5%的JZ5中微生物總量也處于較低水平，為0.31×108 CFU·g-1。隨著堆肥摻量的增加，微生物總量呈增加趨勢(shì)，當(dāng)堆肥摻量為40%時(shí)，基質(zhì)中微生物總量最多，達(dá)到1.72×108 CFU·g-1;其次是摻量為50%的處理，微生物總量為1.42×108 CFU·g-1;堆肥摻量為10%、20%、30%的處理中含有的微生物總量為（1.12～1.22）×108 CFU·g-1，處于中等水平。由各處理中不同微生物的數(shù)量可知，同一堆肥摻量下，基質(zhì)微生物中細(xì)菌數(shù)量最多。Jindo等[16]認(rèn)為細(xì)菌是土壤中最活躍的生物因素，廣泛參與有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)合成以及各類礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)化，對(duì)土壤作用強(qiáng)度和影響最大。表4還可以看出堆肥的摻入可在一定程度上提升沙土中放線菌數(shù)量，但當(dāng)摻量大于20%時(shí)，對(duì)放線菌的影響不明顯。同一堆肥摻量下各處理中真菌數(shù)量最少，不同處理間堆肥摻量小于10%和大于10%的處理真菌數(shù)量呈極顯著差異，其中JZ0和JZ5中真菌數(shù)量最少，摻量大于10%時(shí)，沙土中真菌數(shù)量顯著增大。

2.2.2 ?不同堆肥施用量對(duì)沙土呼吸強(qiáng)度的影響

土壤呼吸是指土壤中生物活動(dòng)導(dǎo)致二氧化碳釋放的過程，主要包括微生物活動(dòng)和根系呼吸等，土壤呼吸強(qiáng)度是反映土壤微生物總活性和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，可用于表征土壤物質(zhì)代謝強(qiáng)度[16]。圖1反映了不同堆肥摻量對(duì)沙土呼吸強(qiáng)度的影響情況。JZ10～JZ50處理，尤其是JZ20、JZ30和JZ40處理，其復(fù)合基質(zhì)的呼吸強(qiáng)度較高，與JZ0和JZ5處理存在極顯著差異（p<0.01）。其中JZ20和JZ30的呼吸強(qiáng)度最高，未摻堆肥的JZ0和摻量為5%的JZ5呼吸強(qiáng)度最低，分別為1.46、1.8 μg·g-1·h-1。土壤微生物活動(dòng)和根系呼吸作用共同影響呼吸強(qiáng)度的大小，以上結(jié)果說明，未摻堆肥或堆肥摻量較低（<5%）的處理基質(zhì)微生物新陳代謝作用較弱，植物根系發(fā)育不良，而隨著堆肥摻量的增加，基質(zhì)呼吸強(qiáng)度顯著提高，微生物活動(dòng)和植物根系生長(zhǎng)加強(qiáng)，這在一定程度了反映了沙土的改良效果。

2.3 ?施用堆肥對(duì)植物生長(zhǎng)特性的影響

2.3.1 ?不同堆肥施用量對(duì)植物出苗率和株高的影響

以不同堆肥摻量的復(fù)合基質(zhì)種植黑麥草，各處理出苗率及培養(yǎng)50 d后的株高情況如圖2所示。

15～20 ℃環(huán)境下，所有處理供試黑麥草種子在播下后3～4 d萌芽。由圖2（a）可知，堆肥摻量為0%～30%的各處理黑麥草出苗率均大于90%，在p<0.05水平上無(wú)顯著性差異，堆肥摻量增加至40%、50%時(shí)，JZ40和JZ50的出苗率有所下降，分別為84.4%和82.2%。這說明，堆肥摻量對(duì)黑麥草種子出苗率影響不大。由圖2（b）可知，各摻肥復(fù)合基質(zhì)的黑麥草株高均極顯著高于對(duì)照J(rèn)Z0（p<0.01），其中堆肥摻量為30%時(shí)黑麥草株高最高，顯著高于其它處理（p<0.05）。以上結(jié)果表明，單純沙土基質(zhì)中營(yíng)養(yǎng)成分匱乏，培養(yǎng)出的植株矮小，而摻加堆肥可以有效提升基質(zhì)植物株高。

2.3.2 ?不同堆肥施用量對(duì)植物生物量的影響不同堆肥摻量的各處理中黑麥草地上以及地下部分生物量差異顯著（表5）。

地上部分方面，JZ20～JZ50復(fù)合基質(zhì)中植株鮮、干重極顯著高于JZ0、JZ5、JZ10，其中對(duì)照J(rèn)Z0處理中植株地上部分鮮重、干重最小，堆肥摻量為30%的JZ30處理最大，其鮮、干重分別是JZ0的7.73、7.83倍。JZ5、JZ10地上部分生物量比對(duì)照J(rèn)Z0有一定程度的提高，但提升幅度遠(yuǎn)小于JZ20～JZ50處理。各處理黑麥草地下部分生物量的變化與地上部分有著相似的趨勢(shì)。JZ30和JZ20地下部分的鮮重、干重最高，兩者間無(wú)顯著性差異（p<0.01）。當(dāng)堆肥摻量較低（≤10%）或不摻肥時(shí)，黑麥草根系發(fā)育不完全，JZ0、JZ5和JZ10中黑麥草地下部分生物量最低，極顯著低于其他4組處理。

2.3.3 ?不同堆肥施用量對(duì)植物葉綠素含量的影響

植物生長(zhǎng)發(fā)育以及生物量的積累與光合作用密切相關(guān)，而葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵，綠色植物可利用葉綠素將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為有機(jī)物并且儲(chǔ)存能量。由圖3可知，堆肥產(chǎn)物的添加可以顯著提高黑麥草葉片中葉綠素（葉綠素a和葉綠素b）含量。未摻肥的JZ0中葉片葉綠素含量最低，添加少量堆肥后，JZ5、JZ10中葉片葉綠素含量分別提升15.7%和32.2%。堆肥摻量≥20%時(shí)，各處理的葉綠素含量大幅度提高，JZ20～JZ50分別較JZ0提高1.06、1.68、1.56、1.24倍，其中JZ30的葉綠素含量最高，達(dá)到2.33 mg·g-1。

3 ?結(jié) 論

（1）堆肥產(chǎn)物施用使珊瑚砂理化性質(zhì)得到顯著改善，其pH降低、EC在安全范圍內(nèi)小幅升高、容重降低、孔隙度和持水量增加;復(fù)合基質(zhì)中主要養(yǎng)分顯著增加，堆肥摻量≥20%時(shí)，砂肥基質(zhì)各養(yǎng)分總量基本或完全達(dá)到最高養(yǎng)分土壤水平。

（2）堆肥產(chǎn)物施用顯著增加了基質(zhì)中微生物數(shù)量和活性，但對(duì)植物出苗率無(wú)顯著影響，此外可大幅提升植物株高、生物量和葉綠素含量，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有明顯促進(jìn)作用。其中，堆肥摻量為30%時(shí)復(fù)合基質(zhì)和供試植物的各項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)。

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