湿垃圾沼渣对草本植物土壤物理性质的影响

卢明， 曹建林， 缪春霞

(上海老港废弃物处置有限公司， 上海 201600)

2004年，住房和城乡建设部颁布《城市生活垃圾分类及其评价标准》，为城市生活垃圾分类工作提供了一定的具体可操作指标。2017年3月，国家发改委、住房和城乡建设部发布了《生活垃圾分类制度实施方案》，为中国的生活垃圾分类的实施制定了计划图。2019年1月31日上海市人大表决通过了《上海市生活垃圾管理条例》，2019年7月1日起开始施行上海市人大制定的地方法规《上海市生活垃圾管理条例》，该条例规定上海市生活垃圾按照可回收物、有害垃圾、湿垃圾和干垃圾4类进行分类[1]。2019年12月31日实施的国家标准《生活垃圾分类标志》(GB/T 19095—2019)中将生活垃圾分为4个大类和11个小类，其中，厨余垃圾又被称为湿垃圾，因此，本文均称为湿垃圾。

目前，上海市城区主要通过沼气工程资源化处理湿垃圾。沼渣作为沼气工程的残留物，由未分解的生物固态残余物及微生物组成，含有丰富的有机质、矿物质、腐殖质、粗蛋白、氮、磷、钾等，质地疏松，酸碱度适中，具有很高的再利用价值[2]。随着沼气工程、生物氢烷工程及生物制氢工程等的不断发展，沼渣产量持续增加，沼渣大量堆积会造成资源浪费及环境的二次污染。因此，沼渣的资源化利用正受到越来越多的关注。

沼渣的土壤应用研究多集中在农业领域，赵丽等[3]在5种蔬菜上进行沼渣应用试验，结果表明，沼渣pH、EC、总养分均达标，重金属未超标，施用后可促进蔬菜的生长。Mackens等[4]研究发现，沼渣可以改善玉米幼苗的养分吸收和生长。Abubaker等[5]比较了厨余垃圾沼渣等4种不同类型物质对小麦生长的影响，相比于无机肥料，施用沼渣可显著提高小麦生物量。刘娟等[6]研究发现，添加体积比40%腐熟沼渣可以提高西瓜的出苗率、株高、茎粗、地上部鲜重和根系鲜重等，同时能促进幼苗的生长。马银鹏等[7]试验结果表明，添加沼渣利于黑木耳的生长，沼渣部分替代杂木屑栽培黑木耳完全可行。

湿垃圾作为实施垃圾分类后的新产物，其厌氧发酵后的沼渣组分和特性相较于之前的沼渣具有一定的区别。湿垃圾沼渣能否直接应用于土壤，施用量及对土壤和植物的影响尚不清楚。同时，《上海市生活垃圾管理条例》中明确提出在公共绿地、公益林优先使用湿垃圾资源化利用产品[8]。因此，以上海市城区湿垃圾厌氧发酵的沼渣作为研究对象，选择绿化林地中常见的草本植物，探讨沼渣施用量对土壤物理性质以及植物长势的影响，以期为湿垃圾沼渣的资源化利用提供数据支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

草本供试植物选择二月兰(Orychophragmusviolaeeus)。湿垃圾沼渣由上海老港生物能源再利用中心提供，为上海市城区湿垃圾厌氧发酵的固态残余物。沼渣含水率为5.80%，pH为9.13，EC为3.11 mS·cm-1，有机质含量为44.33%，全氮含量为3.57%，C/N比为7.20。供试土壤采自上海市浦东区，土壤pH为8.24，EC为0.23 mS·cm-1，有机质含量为7.62 g·kg-1，全氮含量为1.69 g·kg-1。

1.2 处理设计

2020年4月，在大棚内将湿垃圾堆肥沼渣按体积比10%、20%、30%、40%、50%、60%和80%与供试土壤混匀装盆，另设一原土作为对照(CK)，每个处理分别种植二月兰10盆。种植过程中调节土壤含水量至最大持水量的60%～70%。根据植物的生长特性，二月兰在种植2个月后(6月)，测定植株的茎湿重、根湿重、茎干重、根干重等生长指标。在种植8个月后对土壤的入渗率、饱和持水量、田间持水量、非毛管孔隙度和总孔隙度等指标进行测定。

1.3 测定方法

土壤pH按照水土比2.5∶1采用电极法测定。土壤EC按照水土比5∶1采用电导法测定。土壤容重、饱和持水量、田间持水量、非毛管孔隙度、总孔隙度和入渗率均采用环刀法测定。

湿垃圾沼渣的pH按照水土比10∶1采用电极法测定。EC按照水土比10∶1采用电导法测定。有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定。二月兰茎干重、根干重采用烘干法测定。

1.4 数据处理

采用SPSS 16软件进行方差分析，采用Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 土壤容重

土壤容重是土壤物理性质的重要指标之一，与土壤孔隙度、结构、有机质含量、疏松程度等关系密切，是这些性质的综合反映，常作为评价土壤性质的重要指标[9]。图1显示，施用沼渣可以降低土壤容重，施用量增加土壤容重呈现下降趋势。不添加沼渣的土壤(CK)容重为(1.46±0.05)g·cm-3，添加80%沼渣的土壤容重为(1.16±0.09)g·cm-3。随着沼渣添加量的增多，土壤容重逐步降低，这可能是由于沼渣物理结构松散，自身容重较小，故和土壤混合后可以降低土壤容重[10]。

图1 沼渣添加量对土壤容重的影响

2.2 土壤孔隙度

土壤总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贮存水分的能力[11]。图2显示，未添加沼渣的土壤毛管孔隙度为45.50%±0.89%，土壤透水能力较差。添加沼渣后土壤毛管孔隙度呈上升趋势，其中，添加80%沼渣的土壤毛管孔隙度最高，为51.62%±1.36%。

非毛管孔隙度指土壤中较大空隙的数量，其作用主要是通气、透水[12-13]。图2显示，不添加沼渣的土壤非毛管孔隙度为1.26%±0.20%，土壤通气性较差。添加沼渣后土壤非毛管孔隙度总体呈上升趋势，其中，添加40%沼渣的土壤非毛管孔隙度最高，为1.61%±0.61%。

图2 沼渣添加量对土壤孔隙度的影响

土壤总毛管孔隙度的大小表示土壤的疏松程度及水分和空气容量的大小[14]。图2显示，不添加沼渣的土壤总毛管孔隙度为46.76%±1.00%，土壤通气和贮水能力较差。添加沼渣后土壤总毛管孔隙度呈上升趋势，其中，添加80%沼渣的土壤毛管孔隙度最高，为52.99%±3.28%。表明添加一定量的沼渣，对土壤总毛管孔隙度具有一定的提高，沼渣的添加提升了土壤的透气性和贮水能力。

2.3 土壤持水能力

土壤饱和持水量是指土壤空隙充满水时所能保持的水量[15]。图3可知，不添加沼渣的土壤饱和持水量最低，为(321.14±5.08)g·kg-1。土壤中添加不同量的沼渣后，土壤的饱和持水量呈持续上升趋势，其中，添加80%沼渣后，土壤饱和持水量最高，为(459.93±64.79)g·kg-1。这表明添加沼渣可以提升土壤的饱和持水量，增大土壤的蓄水能力。

图3 沼渣添加量对土壤持水量的影响

土壤田间持水量常用来作为灌溉上限和计算灌水定额的指标[16]。图3可知，添加不同量的沼渣，土壤田间持水量呈上升趋势，不添加沼渣的土壤田间持水量最低，为(298.91±6.49)g·kg-1，添加80%沼渣的最高，为(428.80±64.18)g·kg-1。这表明添加沼渣可以提升土壤的田间持水量，增强土壤的蓄水能力。

2.4 土壤入渗性能

土壤入渗性能指单位时间内通过单位土壤表层渗吸到剖面的水量，是一项重要的土壤物理性质[17]，是评价土壤水分调节能力最重要的指标之一。土壤入渗性能直接影响土壤质量和植物的生长发育，土壤入渗性能差会阻碍土壤水分和养分的供给和贮存，降低土壤的水分和肥力。图4可知，随着沼渣添加量的不断增加，土壤入渗率呈上升趋势，当沼渣添加量>50%，土壤入渗率呈指数级上升趋势。对比相关的入渗标准[18]，沼渣添加量<50%，其入渗率均<1，说明土壤入渗能力极低，水分和养分基本不能渗入土壤；当沼渣的添加量>50%，特别是沼渣添加量为60%时，土壤入渗率为157.91 mm·h-1，其入渗率最高。

图4 沼渣添加量对土壤入渗率的影响

2.5 二月兰生物量

沼渣不同添加量对二月兰生物量的影响不同(图5)，随着添加量的增大，二月兰生物量呈先上升后下降的趋势。沼渣添加量<20%的情况下，随着沼渣添加量的增加，二月兰的生物量呈现上升趋势，其中，添加20%沼渣的二月兰生物量最高。当沼渣添加量>20%时，随着沼渣添加量的增加，二月兰生物量呈下降趋势，直至添加40%及以上时全部枯萎。

图5 沼渣添加量对二月兰生物量的影响

3 讨论

随着沼渣添加量的增加，土壤容重呈下降趋势，土壤孔隙度和持水能力呈上升趋势，这可能与沼渣的物理结构有关。沼渣自身具有较大的孔隙结构，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]的研究也有类似的结果。同时，随着沼渣添加量的增加，土壤的入渗能力也呈上升趋势，当沼渣添加量>50%后，土壤的入渗率呈指数级上升，入渗速度从极慢到快，说明当添加50%的沼渣后，土壤的入渗特性发生了本质的变化，入渗率大大增加。过低的入渗率会导致土壤积水，二月兰枯萎。同样，过高的入渗率会导致水肥流失，土壤保水能力下降，不利于二月兰的生长。同时，二月兰需要频繁浇水，加大了养护成本。因此，在实际应用中需要根据地理环境，控制入渗率。随着沼渣添加量的增加，二月兰的生物量呈先上升后下降的趋势，这说明低剂量的沼渣可以促进二月兰的生长，高剂量的沼渣会抑制二月兰的生长，这与Agathokleous等[22-23]的研究结果相符。这可能是由于土壤中添加少量沼渣时，土壤中引入的植物毒性物质含量较低，对二月兰的危害较小，同时，引入的营养物质还能刺激二月兰生长，故添加10%和20%的沼渣，可以刺激二月兰的生长；当沼渣添加量>20%，沼渣中的植物毒性物质大量引入土壤，严重影响了二月兰的生长，二月兰大量枯萎；当添加量为40%时，所有二月兰均枯萎。

综上所述，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、入渗率和持水能力。同时，土壤中添加10%和20%的沼渣，可以刺激二月兰的生长，增大二月兰的生物量。但是沼渣本身含水量极高，并伴有恶臭气味，如果直接施用，其渗滤液和气味可能导致一定的环境风险，同时，也会降低使用者的接受程度，因此，建议处理后使用。