基于餐廚瀝出液制備的液體肥對黃瓜幼苗生長和土壤環(huán)境的影響

關鍵詞：餐廚廢棄物； 餐廚瀝出液； 腐殖酸肥料； 黃瓜； 土壤環(huán)境

中圖分類號：S476 文獻標識碼：A 文章編號：1671-8151（2023）03-0093-09

在我國經濟飛速發(fā)展且高度重視生態(tài)環(huán)境保護的背景下，如何妥善處置產量日益增加的餐廚廢棄物是眾多學者所面臨的一項重要課題。將餐廚廢棄物進行資源化利用向來被認為是緩解其所帶來的環(huán)境問題的最佳方式之一［1］。在眾多資源化利用方式中，餐廚廢棄物的堆肥化處理進而還田的方式已被證實能夠在一定程度上實現(xiàn)作物產量的提升和土壤質量的改善［2-3］，但上述研究僅針對于餐廚廢棄物的固態(tài)物質提出了相應的資源化利用辦法。在餐廚廢棄物的實際處置過程中會伴生大量的液體，包括收集轉運及堆肥預處理過程中產生的餐廚瀝出液和餐廚廢棄物堆肥過程中產生的餐廚沼液［4］。相對于餐廚堆肥，餐廚瀝出液和餐廚沼液中往往存在著更多的可溶性鹽分如NaCl等，但二者仍有本質上的區(qū)別。從產生體量方面來看，餐廚瀝出液的產生主要源于餐廚廢棄物的堆肥預處理階段，即使用大量清水對餐廚廢棄物進行沖洗以稀釋其中的鹽分和油脂，所以其產生體量遠超在堆肥過程中產生的餐廚沼液。從養(yǎng)分含量方面來看，餐廚沼液中所包含大量營養(yǎng)元素含量明顯高于未經過堆肥發(fā)酵處理的餐廚瀝出液［5-6］。因此相對而言，產生量大且養(yǎng)分含量低的餐廚瀝出液更加難以進行直接的資源化利用。

類似于餐廚瀝出液難以進行直接資源化利用的污水并不鮮見，如我國東北地區(qū)普遍存在的腌制酸菜所產生的廢水，其中同樣包含著大量的鹽分［7］。對于此類污水，化學工藝處理是當前相關企業(yè)所采取的主要方式［8-10］，但采取該方式所需的成本過于高昂，容易對中小企業(yè)造成較大的經濟壓力。如何尋找一種經濟高效的處理方式來緩解產量日益龐大的餐廚瀝出液對生態(tài)環(huán)境的威脅是當前學界需要重點解決的問題。基于本課題組前期在餐廚廢棄物資源化利用方面的探索進展［11-12］，本研究采用添加大量元素、腐殖酸和其他相關工藝將餐廚瀝出液配制形成一種液體肥，利用室內盆栽的方式從黃瓜幼苗生長、土壤環(huán)境和土壤病原微生物等3 個方向考察餐廚瀝出液資源化利用的可行性，旨在為餐廚廢棄物及其伴生產物的科學合理處置提供新的解決思路。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試餐廚液體肥由中國農業(yè)大學有機循環(huán)研究院（蘇州）生物轉化研究室提供，其肥料主體所需的餐廚瀝出液取自環(huán)太湖城鄉(xiāng)有機廢棄物處理利用示范中心。供試盆栽土壤采集自中國農業(yè)大學有機循環(huán)研究院（蘇州）蔬菜試驗基地，土壤pH值為7. 09，EC 值為695. 82 μS·cm^-1，有機質含量117. 28 g·kg^-1，堿解氮255. 32 mg·kg^-1，有效磷29. 83 mg·kg^-1，速效鉀162. 19 mg·kg^-1。供試黃瓜品種為申青一號。

1. 2 試驗方法

采用室內盆栽灌根的方式進行試驗。常規(guī)市售同類型水溶肥的推薦使用倍數通常為500～1600 倍，但為了更加明確餐廚液體肥對植物生長和土壤環(huán)境的影響，本研究共設置8 個處理，分別為清水（CK）、稀釋25 倍（T1）、稀釋50 倍（T2）、稀釋100 倍（T3）、稀釋200 倍（T4）、稀釋400 倍（T5）、稀釋800 倍（T6）和稀釋1600 倍（T7）。

1. 2. 1 餐廚液體肥的制備

利用本課題組自主研制的餐廚瀝出液高溫厭氧資源化處理系統(tǒng)進行餐廚液體肥的配制［13］。餐廚瀝出液經三相分離后在TABR 厭氧發(fā)酵罐中進行厭氧反應，得到的發(fā)酵液進入出水收集池后再進入液體肥生產系統(tǒng)，按照農業(yè)行業(yè)標準《NY1106-2010 含腐殖酸水溶肥料》［14］中的相關規(guī)定進行液體肥的制備，該液體肥中腐殖酸含量為32 g·L^-1，大量元素含量（N+P₂O₅+K₂O）為300 g·L^-1，pH 值為8. 3，稀釋20 倍后的EC 值為7. 63 mS·cm^-1，均符合相關行業(yè)標準的規(guī)定。餐廚瀝出液及其發(fā)酵液的水質指標詳見表1。

1. 2. 2 育苗與移栽

挑選大小飽滿一致的籽粒，于2022 年11 月10日進行育苗，育苗基質的配方為餐廚堆肥∶珍珠巖∶泥炭∶蛭石=10%∶10%∶40%∶40%（體積比）。置于人工氣候室中以25 ℃、80% 濕度的環(huán)境條件培養(yǎng)15 d 后（2022 年11 月24 日），選取長勢大小一致的幼苗在花盆中（9 cm×10 cm×12 cm）進行移栽，每盆裝土1 kg。移栽后每盆澆灌定根水200 mL，緩苗3 d 后（2022 年11 月26 日）進行液體肥灌根處理。

1. 2. 3 液體肥灌根

參考上述試驗處理設計對黃瓜幼苗進行灌根，每盆統(tǒng)一澆灌200 mL，每處理進行3 次重復，每重復1 盆。試驗期間共進行3 次灌根處理，每次處理間隔7 d。

1. 2. 4 植株生長指標測定

于第3 次灌根后7 d 進行植株生長指標的測定。記錄植株葉片數和側枝數，利用直尺測定植株的株高，通過游標卡尺測定植株的莖粗。以長寬系數法計算植株葉面積，采用SPAD 葉綠素含量測定儀記錄植株葉綠素含量。葉面積及葉綠素含量均通過植株倒三葉進行測定。利用根系掃描儀測定植株總根系長度和總根面積。分別測定植株地上部和地下部鮮重，通過烘干法測定相應干重。

1. 2. 5 土壤理化性質及養(yǎng)分含量的測定

參考鮑士旦［15］方法測定土壤樣品的pH、EC、全氮含量、堿解氮含量、有效磷含量、速效鉀含量、有機碳含量及有機質含量；采用火焰光度法［16］測定土壤樣品中的鈉離子含量。

1. 2. 6 鐮刀菌屬熒光定量分析

以黃瓜幼苗根系所附著的根際土壤為分析樣本，使用CTAB 法提取樣本基因組DNA，用作qPCR模板。采用40 μL Tris-HCl 緩沖液（pH 8. 0）洗脫DNA，置于?20 ℃環(huán)境中保存待測。利用鐮刀菌特異性引物ITS-Fu-f 和ITS-Fu-r 進行實時qPCR 分析，擴增方案參考Meng 等［17］。

1. 3 數據處理

利用Excel 2019 軟件對原始數據進行統(tǒng)計，通過DPS 18. 1 軟件運用單因素方差分析（ANOVA）中的Duncan 新復極差法對數據進行顯著性差異分析，圖片繪制以Origin pro 2021 軟件進行。

2 結果與分析

2. 1 餐廚液體肥對黃瓜植株生長的影響

餐廚液體肥的施用對黃瓜植株具有十分顯著的促生作用（圖2）。從黃瓜植株的各項生長指標來看（圖3、圖4），不同施用濃度對黃瓜植株的促生效果存在較大的差異。在黃瓜植株的地上部生長指標方面，施用稀釋25 倍（T1）的餐廚液體肥相對于清水對照（CK）能夠顯著的提升黃瓜植株的株高、葉面積、葉綠素含量、葉片數和地上部生物量，但在莖粗和側枝數方面并未表現(xiàn)出顯著的變化。當餐廚液體肥的稀釋濃度為50 倍時（T2），黃瓜植株的莖粗、葉面積、葉片數和地上部生物量相對于T1 表現(xiàn)出了顯著的上升，但在株高和葉綠素含量方面卻并未呈現(xiàn)出顯著的變化。同時，T2 下的黃瓜植株首先出現(xiàn)了生長側枝的現(xiàn)象。當稀釋濃度為100 倍時（T3），多項黃瓜生長指標達到最大值，包括莖粗、葉面積、地上部鮮重和地上部干重等，相對于CK 分別提升了46. 15%、354. 41%、357. 72% 和177. 44%。而在葉綠素含量方面，T3同樣保持高位，同T1 和T2 之間并不存在顯著差異。隨著稀釋濃度的上升，黃瓜植株的株高也呈上升態(tài)勢，直至稀釋濃度為400 倍（T5）。莖粗則在T3 后呈現(xiàn)下降趨勢，至稀釋1600 倍時（T7）已接近于CK。T3 之后，黃瓜植株的葉面積、葉綠素含量、葉片數、側枝數和地上部生物量等指標均呈現(xiàn)下降的現(xiàn)象，但均顯著優(yōu)于CK，說明餐廚液體肥在一定范圍的稀釋倍數施用情況下能夠對黃瓜植株的地上部生長產生明顯的促生效果。

在黃瓜植株的地下部生長指標方面，則顯示出了高濃度的餐廚液體肥對黃瓜植株的毒害作用（圖4），主要表現(xiàn)在T1 的根長、根面積和地下部生物量相對于CK 均出現(xiàn)了顯著的下降。當餐廚液體肥的稀釋濃度擴大時，地下部生長狀況得到了相應的改善?？傮w而言，隨著稀釋濃度的增加至400 倍時（T4），黃瓜植株的地下部生長指標相對于CK 均呈現(xiàn)出了一定的上升，隨后有所下降。T4時，黃瓜植株的根長、地下部鮮重和地下部干重均達到了最大值，相對于CK 分別提升了31. 69%、33. 73% 和84. 68%。至T7 時，黃瓜植株的根長、根面積和地下部生物量等指標已和CK 無顯著差異。

2. 2 餐廚液體肥對土壤理化性質的影響

利用餐廚瀝出液進行液體肥制備施用的過程中最為關鍵的考慮因素便是其對土壤環(huán)境的影響。由表2 可以看出，隨著餐廚液體肥的施用，土壤的理化性質出現(xiàn)了明顯的變化。在pH 值方面，施用餐廚液體肥均導致了土壤pH 值出現(xiàn)了不同程度的下降，這同施用一般化學肥料產生的情況類似，且土壤pH 值的下降程度與餐廚液體肥的稀釋倍數呈負相關關系，T3、T4 和T5 分別在黃瓜植株的地上部和地下部生長表現(xiàn)出了較好的促生效果，而該兩項處理分別導致土壤pH 值相對于CK下降了6. 74%、4. 71% 和3. 09%。在EC 值方面，以T5 處理為拐點，T5 之前的土壤EC 值均呈現(xiàn)下降的趨勢，且除T1 外，其余處理的EC 值均顯著低于CK（Plt;0. 05）。T5 之后，土壤EC 值則呈現(xiàn)了一定程度的上升，但仍顯著低于CK。在土壤有機碳方面，餐廚液體肥的施用在T4 前并未實現(xiàn)相對于CK 的土壤有機碳顯著提升。而在T4 及其之后的處理，土壤有機碳含量相對于CK 表現(xiàn)出了顯著的增加。分析其原因在于餐廚液體肥的適量施用增進了黃瓜植株地下部的生長狀況，而餐廚液體肥自身所包含的有機物質含量較低，并不能直接導致因外界肥料投入而產生土壤有機碳含量的上升。在土壤鈉離子含量方面，由于餐廚瀝出液自身含有較高的鹽分，因此較高濃度餐廚液體肥的施用（T1～T4）均導致土壤鈉離子含量出現(xiàn)了顯著的上升現(xiàn)象，至T5 后則與CK 土壤中的鈉離子含量基本相同。

2. 3 餐廚液體肥對土壤養(yǎng)分含量的影響

餐廚液體肥的施用對土壤的養(yǎng)分含量同樣產生了相應的影響（表3），總體表現(xiàn)均為隨著餐廚液體肥稀釋濃度的增加而降低了土壤養(yǎng)分含量的增幅。除速效鉀含量外，施肥處理的其余養(yǎng)分含量相對于CK 均得到了顯著的提升。對于植株生長狀況較好的T3、T4 和T5，土壤全氮含量相對于CK 分別提升了46. 44%、36. 22% 和26. 93%；土壤堿解氮含量相對于CK 分別提升了13. 94%、11. 47% 和11. 41%；土壤速效鉀含量相對于CK分別提升了8. 78%、3. 46% 和3. 46%；土壤有效磷含量相對于CK 分別提升了212. 53%、86. 98% 和80. 23%。

2. 4 不同處理土壤中鐮刀菌屬微生物的熒光定量分析

鐮刀菌屬的微生物在合適的環(huán)境條件下極易引發(fā)黃瓜枯萎病等多種地下病害，本研究利用餐廚液體肥對黃瓜植株進行灌根，并未出現(xiàn)植株發(fā)病現(xiàn)象。通過對鐮刀菌屬的熒光定量分析（圖5），發(fā)現(xiàn)施肥處理單位土壤中鐮刀菌屬的拷貝數均相對于CK 表現(xiàn)出了顯著的下降，但各施肥處理之間并未出現(xiàn)顯著差異?？梢娛┯貌蛷N液體肥對于黃瓜地下病害不會產生誘發(fā)作用，同時可能發(fā)揮一定的抑病效果。

3 討論

餐廚廢棄物的科學處置向來是環(huán)境科學中的重點研究問題，對于餐廚廢棄物的固態(tài)物質目前已經在農業(yè)生產過程中形成了較為完善的資源化利用系統(tǒng)［18-20］，但伴隨著餐廚廢棄物整個處置過程中產生的大量廢液即本文中所述的餐廚瀝出液，則尚無較為合理的資源化利用方式。究其原因在于餐廚瀝出液本身可供植物利用的養(yǎng)分含量較少，而其他不利于作物生長和土壤安全的鹽分又相對較多［21］。通過濃縮的方式雖然可以在一定程度上豐富單位體積內餐廚瀝出液的養(yǎng)分含量，但也存在著相應的鹽分含量上升的問題。因此當前關于餐廚瀝出液在農田生產過程中，尤其是旱田的應用研究寥寥無幾。將餐廚瀝出液以厭氧發(fā)酵的形式可以制備成沼液［22］，但其養(yǎng)分含量等指標和經由餐廚廢棄物堆肥過程中所產生的沼液存在極大的差異，不可混為一談。為此，經過專家討論本研究引入“原生餐廚沼液”和“次生餐廚沼液”的概念?！?原生餐廚沼液”可用來指代經由餐廚廢棄物堆肥過程中所產生的沼液，“ 次生餐廚沼液”代表餐廚瀝出液經厭氧發(fā)酵而形成的沼液。針對于產量日益龐大的餐廚瀝出液，本研究選擇將次生餐廚沼液在不進行濃縮的情況下按照《NY1106-2010 含腐殖酸水溶肥料》中的相關規(guī)定配制形成一種新型液體肥，進而開展其對作物生長和土壤環(huán)境的影響研究。

在供試作物選擇方面，本研究選擇黃瓜作為研究對象，這是因為黃瓜對于餐廚液體肥中的鹽分相對于其他作物更加敏感，在生長指標上能夠更好的反映出是否受到了相應的鹽脅迫。在筆者之前的研究中發(fā)現(xiàn)，次生餐廚沼液在稀釋50 倍及以上的情況下不會對黃瓜的生長造成抑制，其各項生長指標包括葉部病害的發(fā)生均和清水對照處理無顯著差異，這也同時說明次生餐廚沼液由于其養(yǎng)分含量較低，并不能有效實現(xiàn)對黃瓜植株的促生作用。本研究中，餐廚液體肥則在一定的稀釋濃度范圍內表現(xiàn)出了優(yōu)異的促生效果，尤其在稀釋200～800 倍進行施用時，黃瓜植株的地上部和地下部生長指標相對于清水對照大多呈現(xiàn)了不同程度的提升。而當今市售的含腐殖酸水溶肥料其推薦的施用稀釋倍數大多在500 倍至1600 倍之間，可見利用餐廚瀝出液厭氧發(fā)酵后所形成的次生餐廚沼液進行液體肥的配制存在很大的可行性。

另一方面，土壤安全是餐廚廢棄物相關資源化利用產品在農業(yè)生產中投入使用的最為重要的考慮因素［23］。當前已有多位學者研究證明餐廚堆肥在水稻生產過程中可以發(fā)揮提高作物產量、品質和改良土壤質量的作用［2，12，24］，但在旱田作物方面至今尚未見到相關報道。分析其原因在于水稻生長過程中往往伴隨大量的水體，能夠將餐廚堆肥中不利于水稻生長的鹽分、油脂等進行大量的稀釋。這一原因也為餐廚液體肥的應用打開了新的思路，即通過高倍數的稀釋施用來實現(xiàn)在保證作物汲取足夠養(yǎng)分的同時又不為餐廚液體肥中鹽分所脅迫。本研究也相應的證明了在滿足黃瓜植株生長的稀釋倍數下，土壤中的鈉離子含量并未相對于對照處理出現(xiàn)顯著的上升，且在500 倍的稀釋施用條件下出現(xiàn)了土壤中鈉離子含量下降的現(xiàn)象，土壤EC 值更是表現(xiàn)為所有施肥處理均低于對照處理，同時土壤中的全氮等養(yǎng)分含量也出現(xiàn)了不同程度的提升。此外，由于當前關于餐廚瀝出液在農業(yè)生產中的應用研究尚不完善，為避免出現(xiàn)因灌根施肥而發(fā)生地下病害等問題，本研究測定了試驗終期土壤中鐮刀菌屬微生物的拷貝數，并未發(fā)現(xiàn)因施用餐廚液體肥而出現(xiàn)病原菌滋生的現(xiàn)象。不過因出于對土壤安全的考慮，本研究并未貿然進行田間試驗，也因此未能獲得施用餐廚液體肥對黃瓜最終產量和品質的影響。同時，本研究利用室內盆栽的方式僅能模擬測定單季施用餐廚液體肥對土壤環(huán)境的影響，長期連續(xù)施用餐廚液體肥是否會對土壤造成鹽漬化等危害仍待進一步研究。

4 結論

本研究將餐廚瀝出液進行資源化利用形成餐廚液體肥并將其在黃瓜植株的生長過程中進行施用，從幼苗生長、土壤環(huán)境和病原微生物等3 個方面進行了研究，研究結果表明利用餐廚瀝出液進行餐廚液體肥的配制并合理施用能夠明顯的促進黃瓜生長并保障土壤的安全。