設(shè)施番茄廢棄物原位厭氧還田對(duì)土壤理化特性的影響

摘 " "要：為解決環(huán)保低成本處理生產(chǎn)環(huán)節(jié)中設(shè)施蔬菜廢棄物處理不當(dāng)引發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題，以設(shè)施番茄廢棄物為外源碳，設(shè)置大樣本量的番茄廢棄物全量原位厭氧還田（TRR）與不還田（CK）處理，分析其對(duì)還田前期、還田結(jié)束期和果實(shí)成熟期3個(gè)時(shí)期土壤pH、電導(dǎo)率及有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀、堿解氮含量的影響。結(jié)果表明，與CK相比，TRR處理對(duì)土壤速效磷含量影響不顯著，但使果實(shí)成熟期的土壤電導(dǎo)率及有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮含量分別顯著提高15.47%、21.80%、25.63%、18.54%。在TRR處理中，番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期、處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期3個(gè)時(shí)期土壤pH先上升后下降，速效磷含量變化不顯著；與番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期相比，果實(shí)成熟期土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮含量以及電導(dǎo)率分別顯著提高25.88%、47.86%、23.70%、12.90%。以上結(jié)果表明，番茄廢棄物全量原位厭氧還田可提高土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量，對(duì)土壤理化特性具有正向效應(yīng)，是一種環(huán)境友好型的處理措施。

關(guān)鍵詞：蔬菜廢棄物；原位厭氧還田；土壤理化特性

中圖分類號(hào)：S154 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-2871（2024）08-146-06

Effect of tomato residues in-situ anaerobic return on soil physicochemical properties

CHE Jiangwei， CAI Xingdong， XU Faming， WANG Li， LI Jinxia， BAI Pengpeng， YANG Xiaoni， LI Fuqiang， SUN Xiaomei

（College of Resource and Environmental Sciences， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， Gansu， China）

Abstract： To solve the problem of agricultural non-point source pollution caused by improper treatment of facility vegetable waste in the production process of environmental protection and low-cost treatment， a large sample of tomato waste was treated with in-situ anaerobic return（TRR）and no return（CK）using facility tomato waste as external carbon. The effects of TRR and CK on soil pH， conductivity， organic matter， available phosphorus， available potassium， and alkaline nitrogen content during the early stage of returning to the field， the end stage of returning to the field， and the fruit ripening stage were analyzed. The results showed that compared with CK， TRR treatment had no significant effect on soil available phosphorus content， but significantly increased soil conductivity， organic matter， available potassium， and alkaline nitrogen content during fruit ripening by 15.47%， 21.80%， 25.63%， and 18.54%， respectively. In TRR treatment， the soil pH first increased and then decreased during the early stage， end stage， and fruit ripening stage of the in-situ anaerobic return of tomato waste， and the change in available phosphorus content was not significant. Compared with the early stage of in-situ anaerobic return of tomato waste， the soil organic matter， available potassium， alkaline nitrogen content， and electrical conductivity during fruit ripening were significantly increased by 25.88%， 47.86%， 23.70%， and 12.90%， respectively. In summary， the results indicated that the complete in-situ anaerobic return of tomato waste can increase soil organic matter and available nutrient content， have a positive effect on soil physicochemical properties， and is an environmentally friendly treatment measure.

Key words： Vegetable residues; In-situ anaerobic return; Soil physicochemical properties

我國(guó)作為蔬菜生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)，2019年全國(guó)蔬菜產(chǎn)量達(dá)到7.20億t[1]。在過(guò)去的10年里，中國(guó)每年蔬菜種植面積超過(guò)2080萬(wàn)hm2[2]，約占全球蔬菜種植面積的49%[3]，每年生產(chǎn)了超過(guò)7.12億t各類蔬菜。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，在蔬菜收獲、貯存、加工包裝和運(yùn)輸過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生占比高達(dá)30%～50%的蔬菜廢棄物（殘果、根、莖、葉）[4]。由于蔬菜廢棄物含水量高，隨意傾倒和堆積，易腐爛并產(chǎn)生惡臭氣體，造成農(nóng)業(yè)面源污染[5-6]。茄果類蔬菜作為全國(guó)設(shè)施蔬菜的主栽類型，存在廢棄物量巨大、纖維化程度高、不易分解的問(wèn)題。農(nóng)戶多采用戶外堆積晾曬后焚燒的方式來(lái)處理，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)CO2排放量增加[7]，有違“雙碳”目標(biāo)。因此，探究低經(jīng)濟(jì)成本且高效、環(huán)保的設(shè)施茄果類蔬菜廢棄物處理措施，對(duì)打破設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展壁壘、減少農(nóng)業(yè)碳排放量具有指導(dǎo)意義。

目前，蔬菜廢棄物的資源化利用方式主要有肥料化、原料化、飼料化、能源化和基料化。利用蔬菜廢棄物制造肥料的研究在國(guó)內(nèi)外已有較多報(bào)道，如利用蔬菜廢棄物堆肥處理后還田，可顯著降低土壤容重，增強(qiáng)土壤持水能力和增大通氣孔隙，為小麥高產(chǎn)提供良好的土壤條件[8]。但是蔬菜廢棄物中高達(dá)85%的含水量是肥料化技術(shù)推廣的瓶頸[9]。原料化處理中有效成分的提取分離或高附加值產(chǎn)物的生產(chǎn)需要成熟的技術(shù)支撐且安全性有待評(píng)估[10]。漚肥和堆肥方式產(chǎn)生臭氣、氮損失嚴(yán)重且病原微生物去除率低[6]。能源化對(duì)蔬菜廢棄物純度、粒徑及生產(chǎn)工藝要求高，附屬產(chǎn)品（沼液與沼渣）處理不當(dāng)造成二次污染而限制推廣實(shí)施[11]。因此，急需探索經(jīng)濟(jì)可行、全量化高效利用蔬菜廢棄物的處理技術(shù)。

生物土壤滅菌（reductive soil disinfestation，BSD）是一種修復(fù)退化土壤的生態(tài)恢復(fù)法[12]，將易分解的有機(jī)或無(wú)機(jī)物料添加入土壤，結(jié)合灌溉+覆膜措施，在短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)造強(qiáng)烈的土壤厭氧還原狀況，利用缺氧環(huán)境和分解過(guò)程產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，降低土傳病原菌豐度，減緩連作障礙，達(dá)到土壤修復(fù)的效果。常用的有機(jī)物料有水稻秸稈、玉米秸稈、苜蓿粉、甘蔗渣等[13]?；贐SD的原理，以茄果類蔬菜廢棄物替代BSD法的常用有機(jī)物料，是否既能實(shí)現(xiàn)茄果類蔬菜尾菜的環(huán)保型處理，又具有改善土壤質(zhì)量的效果有待于進(jìn)一步研究。此外，考慮到茄果類廢棄物中纖維素含量較高，添加腐解菌劑可加快有機(jī)物的分解，縮短燜棚處理時(shí)間。因此，筆者基于BSD法的原理，在日光溫室中開展番茄廢棄物不還田和全量原位還田+灌水+覆膜處理，通過(guò)大樣本量比對(duì)分析番茄廢棄物全量原位厭氧還田對(duì)土壤理化特性的影響，探究設(shè)施番茄廢棄物環(huán)境友好型的處理方式，為加強(qiáng)茄果類設(shè)施蔬菜廢棄物處理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河西走廊東端的武威市涼州區(qū)發(fā)放鎮(zhèn)日光溫室產(chǎn)業(yè)園區(qū)。該區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，干旱少雨、日照充足、晝夜溫差大。年平均降水量170.3 mm，年蒸發(fā)量1 994.3 mm，年平均溫度7.7 ℃，無(wú)霜期150 d左右，日照時(shí)數(shù)2 873.4 h，晝夜溫差7.9 ℃[14]。發(fā)放鎮(zhèn)日光溫室產(chǎn)業(yè)園區(qū)土壤理化特性如下：pH為7.64～8.35，電導(dǎo)率為345 ～514 μS·cm-1，土壤有機(jī)質(zhì)含量（w，后同）為18.23 ～ 25.15 g·kg-1，堿解氮含量為99.40～108.20 mg·kg-1，速效磷含量136.21～207.06 mg·kg-1，速效鉀含量為714.29～832.00 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年6月至2022年2月進(jìn)行。2021年6月，在武威市涼州區(qū)發(fā)放鎮(zhèn)日光溫室產(chǎn)業(yè)園區(qū)陸續(xù)開展番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理，具體操作流程參照孫小妹等[15]的報(bào)道。為避免所調(diào)查日光溫室基底環(huán)境差異和管理模式對(duì)處理間差異顯著性的影響，通過(guò)增大調(diào)查樣本量，探明番茄廢棄物全量原位厭氧還田對(duì)土壤理化特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)設(shè)定2個(gè)處理：番茄廢棄物全量原位厭氧還田1次（TRR，n= 44）、番茄廢棄物不還田（CK，n=26），n為日光溫室數(shù)目。分別監(jiān)測(cè)番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期（2021年6月）、番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理結(jié)束期（2021年7月）、果實(shí)成熟期（2022年2月）的土壤特性。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

于番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期、處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期采用“S”型布點(diǎn)法，在70個(gè)日光溫室內(nèi)（面積420 m2）分別選5點(diǎn)采集0～20 cm土層土樣，3次重復(fù)。土樣混勻后按照四分法剔除細(xì)根、石塊等雜質(zhì)，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干過(guò)篩后測(cè)定土壤理化活性。采用電位法測(cè)定土壤pH，采用電極法測(cè)定電導(dǎo)率，采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量，采用硼酸擴(kuò)散吸收法測(cè)定堿解氮含量，采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷含量，采用火焰光度法測(cè)定速效鉀含量[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 26.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和差異顯著性分析；采用Graphpad Prism 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄廢棄物全量原位厭氧還田對(duì)土壤pH的影響

由圖1可以看出，在番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理結(jié)束期，TRR處理的土壤pH較CK顯著提高2.22%，但在果實(shí)成熟期，TRR與CK處理間土壤pH差異不顯著。CK處理下番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期、處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期土壤pH差異不顯著，而在TRR處理下，番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理結(jié)束期土壤pH顯著高于還田處理前期4.43%和果實(shí)成熟期4.64%。

2.2 番茄廢棄物全量原位厭氧還田對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響

由圖2可以看出，TRR處理使番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期的土壤電導(dǎo)率分別顯著高于CK 8.85%和15.47%。CK處理下番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期、處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期3個(gè)時(shí)期間土壤電導(dǎo)率差異不顯著；而TRR處理中，番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期的土壤電導(dǎo)率分別比番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期顯著提高7.03%和12.90%。

2.3 番茄廢棄物全量原位厭氧還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖3可以看出，TRR處理使番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別顯著高于CK 12.03%和21.80%。在CK處理中，番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期、處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期3個(gè)時(shí)期土壤有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著。而TRR處理中，果實(shí)成熟期土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期25.88%和處理結(jié)束期13.40%，番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理結(jié)束期土壤有機(jī)質(zhì)含量比還田處理前期顯著提高14.40%。

2.4 番茄廢棄物全量原位厭氧還田對(duì)土壤堿解氮含量的影響

由圖4可以看出，TRR處理使番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期的土壤堿解氮含量分別比CK顯著提高13.70%和18.54%。在CK處理中，番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期的土壤堿解氮含量分別比還田處理前期顯著提高5.90%和9.92%；在TRR處理中，果實(shí)成熟期的土壤堿解氮含量比番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期顯著提高23.70%。

2.5 番茄廢棄物全量原位厭氧還田對(duì)土壤速效磷含量的影響

由圖5可以看出，CK和TRR處理在番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期、還田處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期3時(shí)期均表現(xiàn)為土壤速效磷含量差異不顯著。在CK處理中，番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期、還田處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期3個(gè)時(shí)期的土壤速效磷含量差異不顯著；在TRR處理中，番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期、還田處理結(jié)束期和果實(shí)成熟期3個(gè)時(shí)期的土壤速效磷含量差異不顯著。

2.6 番茄廢棄物全量原位厭氧還田對(duì)土壤速效鉀含量的影響

由圖6可以看出，TRR處理使番茄廢棄物全量原位厭氧還田果實(shí)成熟期的土壤速效鉀含量比CK顯著提高25.63%。在CK處理中，番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期與還田處理結(jié)束期的土壤速效鉀含量差異不顯著，而果實(shí)成熟期的土壤速效鉀含量比番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期顯著提高37.01%；在TRR處理中，果實(shí)成熟期的土壤速效鉀含量顯著高于番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理前期（47.86%）和還田處理結(jié)束期（42.48%）。

3 討論與結(jié)論

土壤pH是衡量有機(jī)物分解和微生物群落進(jìn)化程度的重要指標(biāo)[1] 。筆者在本研究發(fā)現(xiàn)，TRR處理下，土壤pH 先升高后降低。閆元元等[17]研究表明，pH與淹水時(shí)間呈顯著的線性正相關(guān)，淹水處理土壤晾干后，各處理土壤pH又有所回降。由灌水覆膜處理營(yíng)造的強(qiáng)還原環(huán)境，會(huì)消耗更多的H+，導(dǎo)致在番茄廢棄物厭氧還田腐解過(guò)程中pH升高，然而當(dāng)厭氧環(huán)境所形成的強(qiáng)還原過(guò)程減弱后，pH又有所回降[18]。電導(dǎo)率一定程度上能反映溶液中可溶性鹽含量的變化[4]，TRR處理使土壤電導(dǎo)率顯著高于CK，即番茄廢棄物全量原位厭氧還田會(huì)造成土壤中可溶性鹽類離子增加，變化幅度為0.2～1.5 mS·cm-1。朱同彬等[19]在利用玉米秸稈厭氧還田修復(fù)退化設(shè)施蔬菜地土壤的研究中發(fā)現(xiàn)，淹水處理待土壤排水落干后，土壤電導(dǎo)率顯著升高，且隨有機(jī)物料添用量的增加而增大，這與土壤中速效養(yǎng)分的釋放有關(guān)[20]。

土壤有機(jī)質(zhì)含量是衡量土壤肥力和保墑能力的關(guān)鍵指標(biāo)[21]，增加土壤有機(jī)質(zhì)的重要性在于其對(duì)改善土壤物理性質(zhì)、保持水分和增加有效養(yǎng)分的作用[22]。番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理結(jié)束期土壤有機(jī)質(zhì)含量較前期顯著升高，這與前人的研究結(jié)果一致。蔬菜廢棄物全量原位厭氧還田有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，秸稈還田能夠顯著提高土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的含量[23]。由于番茄廢棄物富含有機(jī)碳，微生物的分解作用使外源有機(jī)碳投入增加，提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量[24-25]。研究表明，土壤微生物與秸稈之間存在反饋效應(yīng)，土壤微生物影響秸稈的分解和腐殖質(zhì)的形成，而秸稈也會(huì)影響土壤微生物的數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)[26]。番茄廢棄物全量原位厭氧還田會(huì)提高土壤微生物的豐度，從而促進(jìn)微生物群落的新陳代謝及其產(chǎn)物的積累[27-28]，微生物殘?jiān)捌洚a(chǎn)物促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化，這是增加土壤有機(jī)質(zhì)的另外一個(gè)關(guān)鍵原因。而不同類型的外源有機(jī)物還田后對(duì)增加土壤有機(jī)質(zhì)的效果存在差異，甘藍(lán)葉殘?bào)w還田后土壤有機(jī)碳含量普遍高于番茄秸稈還田處理[24]，這是由于甘藍(lán)葉木質(zhì)化程度較低，部分易分解木質(zhì)素，經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的有機(jī)物質(zhì)[21]。

外源有機(jī)物的添加在實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量提升的同時(shí)，大量和微量營(yíng)養(yǎng)元素也被釋放。本研究中堿解氮含量隨番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理進(jìn)程而有所升高。玉米秸稈釋放出的氮素和有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤NH4+具有正反饋效應(yīng)，土壤氮的礦化和供氮能力隨秸稈還田而提高[29]。但Su等[30]在秸稈還田對(duì)土壤理化特性影響的Meta-分析中發(fā)現(xiàn)，秸稈還田量是影響土壤理化特性的關(guān)鍵。在秸稈還田量為50%處理下，土壤速效氮含量顯著高于秸稈還田量為100%的處理[26]。因此，有關(guān)蔬菜廢棄物全量原位厭氧還田量對(duì)土壤速效氮影響的研究有待繼續(xù)深入。番茄廢棄物全量原位厭氧還田提高了土壤速效鉀的含量，這是因?yàn)槭卟藦U棄物在分解過(guò)程中，礦質(zhì)元素也被釋放；同時(shí)強(qiáng)還原過(guò)程中產(chǎn)生的大量有機(jī)酸對(duì)固定鉀化合物的溶解具有抑制效應(yīng)，加速土壤中礦物鉀向交換性鉀的轉(zhuǎn)化[31]。

綜上所述，番茄廢棄物全量原位厭氧還田對(duì)土壤速效磷含量的影響不顯著，但番茄廢棄物全量原位厭氧還田使果實(shí)成熟期的土壤電導(dǎo)率及有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮含量分別顯著提高15.47%、21.80%、25.63%、18.54%。即番茄廢棄物全量原位厭氧還田處理后可以提高土壤肥力，使蔬菜廢棄物合理高效利用，提高了溫室土壤的可持續(xù)利用能力。

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