濕垃圾沼渣對草本植物土壤物理性質(zhì)的影響

盧明， 曹建林， 繆春霞

(上海老港廢棄物處置有限公司， 上海 201600)

2004年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布《城市生活垃圾分類及其評價標(biāo)準(zhǔn)》，為城市生活垃圾分類工作提供了一定的具體可操作指標(biāo)。2017年3月，國家發(fā)改委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《生活垃圾分類制度實施方案》，為中國的生活垃圾分類的實施制定了計劃圖。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》，2019年7月1日起開始施行上海市人大制定的地方法規(guī)《上海市生活垃圾管理條例》，該條例規(guī)定上海市生活垃圾按照可回收物、有害垃圾、濕垃圾和干垃圾4類進行分類[1]。2019年12月31日實施的國家標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾分類標(biāo)志》(GB/T 19095—2019)中將生活垃圾分為4個大類和11個小類，其中，廚余垃圾又被稱為濕垃圾，因此，本文均稱為濕垃圾。

目前，上海市城區(qū)主要通過沼氣工程資源化處理濕垃圾。沼渣作為沼氣工程的殘留物，由未分解的生物固態(tài)殘余物及微生物組成，含有豐富的有機質(zhì)、礦物質(zhì)、腐殖質(zhì)、粗蛋白、氮、磷、鉀等，質(zhì)地疏松，酸堿度適中，具有很高的再利用價值[2]。隨著沼氣工程、生物氫烷工程及生物制氫工程等的不斷發(fā)展，沼渣產(chǎn)量持續(xù)增加，沼渣大量堆積會造成資源浪費及環(huán)境的二次污染。因此，沼渣的資源化利用正受到越來越多的關(guān)注。

沼渣的土壤應(yīng)用研究多集中在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，趙麗等[3]在5種蔬菜上進行沼渣應(yīng)用試驗，結(jié)果表明，沼渣pH、EC、總養(yǎng)分均達(dá)標(biāo)，重金屬未超標(biāo)，施用后可促進蔬菜的生長。Mackens等[4]研究發(fā)現(xiàn)，沼渣可以改善玉米幼苗的養(yǎng)分吸收和生長。Abubaker等[5]比較了廚余垃圾沼渣等4種不同類型物質(zhì)對小麥生長的影響，相比于無機肥料，施用沼渣可顯著提高小麥生物量。劉娟等[6]研究發(fā)現(xiàn)，添加體積比40%腐熟沼渣可以提高西瓜的出苗率、株高、莖粗、地上部鮮重和根系鮮重等，同時能促進幼苗的生長。馬銀鵬等[7]試驗結(jié)果表明，添加沼渣利于黑木耳的生長，沼渣部分替代雜木屑栽培黑木耳完全可行。

濕垃圾作為實施垃圾分類后的新產(chǎn)物，其厭氧發(fā)酵后的沼渣組分和特性相較于之前的沼渣具有一定的區(qū)別。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。同時，《上海市生活垃圾管理條例》中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[8]。因此，以上海市城區(qū)濕垃圾厭氧發(fā)酵的沼渣作為研究對象，選擇綠化林地中常見的草本植物，探討沼渣施用量對土壤物理性質(zhì)以及植物長勢的影響，以期為濕垃圾沼渣的資源化利用提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

草本供試植物選擇二月蘭(Orychophragmusviolaeeus)。濕垃圾沼渣由上海老港生物能源再利用中心提供，為上海市城區(qū)濕垃圾厭氧發(fā)酵的固態(tài)殘余物。沼渣含水率為5.80%，pH為9.13，EC為3.11 mS·cm-1，有機質(zhì)含量為44.33%，全氮含量為3.57%，C/N比為7.20。供試土壤采自上海市浦東區(qū)，土壤pH為8.24，EC為0.23 mS·cm-1，有機質(zhì)含量為7.62 g·kg-1，全氮含量為1.69 g·kg-1。

1.2 處理設(shè)計

2020年4月，在大棚內(nèi)將濕垃圾堆肥沼渣按體積比10%、20%、30%、40%、50%、60%和80%與供試土壤混勻裝盆，另設(shè)一原土作為對照(CK)，每個處理分別種植二月蘭10盆。種植過程中調(diào)節(jié)土壤含水量至最大持水量的60%～70%。根據(jù)植物的生長特性，二月蘭在種植2個月后(6月)，測定植株的莖濕重、根濕重、莖干重、根干重等生長指標(biāo)。在種植8個月后對土壤的入滲率、飽和持水量、田間持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度等指標(biāo)進行測定。

1.3 測定方法

土壤pH按照水土比2.5∶1采用電極法測定。土壤EC按照水土比5∶1采用電導(dǎo)法測定。土壤容重、飽和持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、總孔隙度和入滲率均采用環(huán)刀法測定。

濕垃圾沼渣的pH按照水土比10∶1采用電極法測定。EC按照水土比10∶1采用電導(dǎo)法測定。有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測定。二月蘭莖干重、根干重采用烘干法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16軟件進行方差分析，采用Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重

土壤容重是土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，與土壤孔隙度、結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量、疏松程度等關(guān)系密切，是這些性質(zhì)的綜合反映，常作為評價土壤性質(zhì)的重要指標(biāo)[9]。圖1顯示，施用沼渣可以降低土壤容重，施用量增加土壤容重呈現(xiàn)下降趨勢。不添加沼渣的土壤(CK)容重為(1.46±0.05)g·cm-3，添加80%沼渣的土壤容重為(1.16±0.09)g·cm-3。隨著沼渣添加量的增多，土壤容重逐步降低，這可能是由于沼渣物理結(jié)構(gòu)松散，自身容重較小，故和土壤混合后可以降低土壤容重[10]。

圖1 沼渣添加量對土壤容重的影響

2.2 土壤孔隙度

土壤總毛管孔隙度包含毛管孔隙度、非毛管孔隙度。毛管孔隙度主要代表土壤貯存水分的能力[11]。圖2顯示，未添加沼渣的土壤毛管孔隙度為45.50%±0.89%，土壤透水能力較差。添加沼渣后土壤毛管孔隙度呈上升趨勢，其中，添加80%沼渣的土壤毛管孔隙度最高，為51.62%±1.36%。

非毛管孔隙度指土壤中較大空隙的數(shù)量，其作用主要是通氣、透水[12-13]。圖2顯示，不添加沼渣的土壤非毛管孔隙度為1.26%±0.20%，土壤通氣性較差。添加沼渣后土壤非毛管孔隙度總體呈上升趨勢，其中，添加40%沼渣的土壤非毛管孔隙度最高，為1.61%±0.61%。

圖2 沼渣添加量對土壤孔隙度的影響

土壤總毛管孔隙度的大小表示土壤的疏松程度及水分和空氣容量的大小[14]。圖2顯示，不添加沼渣的土壤總毛管孔隙度為46.76%±1.00%，土壤通氣和貯水能力較差。添加沼渣后土壤總毛管孔隙度呈上升趨勢，其中，添加80%沼渣的土壤毛管孔隙度最高，為52.99%±3.28%。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，沼渣的添加提升了土壤的透氣性和貯水能力。

2.3 土壤持水能力

土壤飽和持水量是指土壤空隙充滿水時所能保持的水量[15]。圖3可知，不添加沼渣的土壤飽和持水量最低，為(321.14±5.08)g·kg-1。土壤中添加不同量的沼渣后，土壤的飽和持水量呈持續(xù)上升趨勢，其中，添加80%沼渣后，土壤飽和持水量最高，為(459.93±64.79)g·kg-1。這表明添加沼渣可以提升土壤的飽和持水量，增大土壤的蓄水能力。

圖3 沼渣添加量對土壤持水量的影響

土壤田間持水量常用來作為灌溉上限和計算灌水定額的指標(biāo)[16]。圖3可知，添加不同量的沼渣，土壤田間持水量呈上升趨勢，不添加沼渣的土壤田間持水量最低，為(298.91±6.49)g·kg-1，添加80%沼渣的最高，為(428.80±64.18)g·kg-1。這表明添加沼渣可以提升土壤的田間持水量，增強土壤的蓄水能力。

2.4 土壤入滲性能

土壤入滲性能指單位時間內(nèi)通過單位土壤表層滲吸到剖面的水量，是一項重要的土壤物理性質(zhì)[17]，是評價土壤水分調(diào)節(jié)能力最重要的指標(biāo)之一。土壤入滲性能直接影響土壤質(zhì)量和植物的生長發(fā)育，土壤入滲性能差會阻礙土壤水分和養(yǎng)分的供給和貯存，降低土壤的水分和肥力。圖4可知，隨著沼渣添加量的不斷增加，土壤入滲率呈上升趨勢，當(dāng)沼渣添加量>50%，土壤入滲率呈指數(shù)級上升趨勢。對比相關(guān)的入滲標(biāo)準(zhǔn)[18]，沼渣添加量<50%，其入滲率均<1，說明土壤入滲能力極低，水分和養(yǎng)分基本不能滲入土壤；當(dāng)沼渣的添加量>50%，特別是沼渣添加量為60%時，土壤入滲率為157.91 mm·h-1，其入滲率最高。

圖4 沼渣添加量對土壤入滲率的影響

2.5 二月蘭生物量

沼渣不同添加量對二月蘭生物量的影響不同(圖5)，隨著添加量的增大，二月蘭生物量呈先上升后下降的趨勢。沼渣添加量<20%的情況下，隨著沼渣添加量的增加，二月蘭的生物量呈現(xiàn)上升趨勢，其中，添加20%沼渣的二月蘭生物量最高。當(dāng)沼渣添加量>20%時，隨著沼渣添加量的增加，二月蘭生物量呈下降趨勢，直至添加40%及以上時全部枯萎。

圖5 沼渣添加量對二月蘭生物量的影響

3 討論

隨著沼渣添加量的增加，土壤容重呈下降趨勢，土壤孔隙度和持水能力呈上升趨勢，這可能與沼渣的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。沼渣自身具有較大的孔隙結(jié)構(gòu)，施入土壤后能降低土壤的容重，增加土壤的持水能力。李欣等[19-21]的研究也有類似的結(jié)果。同時，隨著沼渣添加量的增加，土壤的入滲能力也呈上升趨勢，當(dāng)沼渣添加量>50%后，土壤的入滲率呈指數(shù)級上升，入滲速度從極慢到快，說明當(dāng)添加50%的沼渣后，土壤的入滲特性發(fā)生了本質(zhì)的變化，入滲率大大增加。過低的入滲率會導(dǎo)致土壤積水，二月蘭枯萎。同樣，過高的入滲率會導(dǎo)致水肥流失，土壤保水能力下降，不利于二月蘭的生長。同時，二月蘭需要頻繁澆水，加大了養(yǎng)護成本。因此，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)地理環(huán)境，控制入滲率。隨著沼渣添加量的增加，二月蘭的生物量呈先上升后下降的趨勢，這說明低劑量的沼渣可以促進二月蘭的生長，高劑量的沼渣會抑制二月蘭的生長，這與Agathokleous等[22-23]的研究結(jié)果相符。這可能是由于土壤中添加少量沼渣時，土壤中引入的植物毒性物質(zhì)含量較低，對二月蘭的危害較小，同時，引入的營養(yǎng)物質(zhì)還能刺激二月蘭生長，故添加10%和20%的沼渣，可以刺激二月蘭的生長；當(dāng)沼渣添加量>20%，沼渣中的植物毒性物質(zhì)大量引入土壤，嚴(yán)重影響了二月蘭的生長，二月蘭大量枯萎；當(dāng)添加量為40%時，所有二月蘭均枯萎。

綜上所述，土壤中添加沼渣可以改善土壤物理特性，降低土壤容重，提升土壤的孔隙度、入滲率和持水能力。同時，土壤中添加10%和20%的沼渣，可以刺激二月蘭的生長，增大二月蘭的生物量。但是沼渣本身含水量極高，并伴有惡臭氣味，如果直接施用，其滲濾液和氣味可能導(dǎo)致一定的環(huán)境風(fēng)險，同時，也會降低使用者的接受程度，因此，建議處理后使用。