基于固廢堆肥施用的沙土養分調節及改性效能研究

顧雯曦 周繼豪 劉杰

摘 ?????要：固廢堆肥以其經濟高效的特點可作為良好的土壤有機改良劑。在控制安全施用量的前提下，將堆肥產物與沙土以不同比例復混構建沙肥復合基質，并通過盆栽試驗，從理化性質、養分含量、微生態特征、植物生長狀況等角度全面考察了新基質的土壤-植物效應，綜合評價了施用固廢堆肥對沙土的養分調節及改性效果，指出固廢堆肥對沙土改良具有較大的應用潛力和實用價值。

關 ?鍵 ?詞：固廢堆肥;沙土改良;盆栽試驗;土壤-植物效應

中圖分類號：TE992.3 ???????文獻標識碼： A ??????文章編號： 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

傳統沙質土壤理化性質欠佳，營養元素匱乏，基本屬于無有機質的土壤環境，不能作為植被栽培基質。以廚余垃圾、污水處理污泥和糞便殘渣等為主的固體廢物具有較高的回收利用價值，固廢垃圾通過好氧堆肥處理可以轉化為生態綠化用的有機腐殖質資源。腐熟較好的堆肥產物不含病原菌和寄生蟲卵，原料中不穩定的有機物可以轉變為對土壤無害的穩定腐殖質[1]。姜應和[2]等人認為堆肥施用與土壤后可帶來大量的有機質，堿解N、有效P、速效K等植物養分，并在一定程度上可為植物生長提供必需的B、Mo、Zn、Mn等微量元素，促進植物體生長發育。同時大量研究表明，施用固廢堆肥增加了土壤微生物種群數量，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[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，促進有機氮磷養分向更利于植物吸收利用的有效態轉化。

因此，利用固廢堆肥對沙質土進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，這對于改善我國廣大沙土區域內環境和生態自持能力具有重要的現實意義。本文采用廚余、污泥和糞渣的混合堆肥產物作為改良劑，對供試沙土進行改性試驗研究，通過盆栽試驗，從理化性質、養分含量、微生態特征、植物生長狀況等方面綜合考察改性基質的土壤-植物效應，綜合評價固廢堆肥對沙質土壤的改良效果和工程應用潛力。

1 ?實驗部分

1.1 ?試驗材料

供試沙土取自南海某島礁表層0～20 cm處珊瑚砂土壤。供試堆肥產物由陸軍勤務學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，草種來自市場販售的進口黑麥草種子。

1.2 ?試驗裝置

試驗所用光照植物培養架2臺，為自行設計加工。架體尺寸2 200 mm×60 mm×1 800 mm，鐵材質，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。試驗所用植物培養花盆購于市場，PP5聚丙烯塑料材質，質地較軟，規格為140 mm×125 mm×85 mm，體積1.0 L。

1.3 ?試驗設計

試驗設計為7個不同水平的處理，分別在珊瑚砂中摻入0%、5%、10%、20%、30%、40%、50%（質量比，以濕重計）的堆肥產物，應用復合基質對黑麥草進行50 d的盆栽試驗，每個處理作3組對照。試驗每個處理中砂肥復合基質設計填充量為0.7 L。依據珊瑚砂和堆肥產物各自容重，將質量比折算為體積比，具體摻混方案見表1。

1.4 ?分析方法

基質容重、孔隙度和最大持水量的測定采用環刀法，參照Tian等人[7]的研究，其它理化指標的測定參照《土壤檢測》（NY/T 1121-2006）[8]中的方法?；|細菌、真菌、放線菌的測定采用平板計數法，分別選擇牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基、Martin-孟加拉紅瓊脂培養基和高氏1號瓊脂培養基[9]?；|呼吸強度的測定參照《土壤與環境微生物研究法》[10]，基質呼吸強度的測定采用堿吸收法。葉綠素含量的測定采用80%丙酮提取法[11]。

1.5 ?數據分析

數據的處理分別采用Excel 2013和Origin Pro 8.5軟件進行統計分析和繪圖。

2 ?結果與討論

2.1 ?施用堆肥對沙土理化性質和養分含量的影響

2.1.1 ?對沙土理化性質的影響

土壤pH對植物營養元素可利用性起著重要影響作用，過堿性或酸性的pH可誘導元素缺乏[12]。原沙土的pH為9.3而呈強堿性，勢必對植物的生長產生不利影響。由表2可知，經過50 d黑麥草種植試驗，未摻堆肥的JZ0處理pH較種植前有所下降，而高堆肥含量時復合基質的pH明顯降低。當堆肥摻量大于20%時，共堆肥產物的加入可以明顯降低復合基質的pH，使其更接近于一般植物生長的適宜pH范圍（6～8）[12]。共堆肥產物的引入引起混合基質中可溶性鹽含量EC的提高，但均小于4.0 mS·cm-1而處于安全閥值內[1]。容重、孔隙度和持水量均是土壤重要的基本物理性質。容重指反映了土壤的結構性和松緊性，而孔隙良好的土壤對于調節土壤環境、保持肥力和植物根系發育具有重要作用。土壤保水能力對土壤供水和植物吸水具有重要意義，與土壤質地和孔隙度有關，可用最大持水量來表征[13]。隨著堆肥摻量的增加，容重持續下降，孔隙度和最大持水量持續升高。堆肥摻量從0增加到50%時，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%。這說明共堆肥產物的施用可以顯著改善沙土的質地，降低容重，提升孔隙度，提高土壤保水能力。

2.1.2 ?對沙土養分含量的影響

不同堆肥含量的復合基質中主要養分含量見表3。經過50 d盆栽試驗，堆肥產物摻量從0增加至50%時，復合基質5種主要養分顯著增加。根據全國第二次土壤普查及有關標準[14]，當堆肥摻量為20%時，除速效鉀含量處于優II級水平外，其余養分含量均達到優I級標準;當堆肥摻量大于30%時，各處理的復混基質完全達到最高養分水平。

2.2 ?施用堆肥對沙土微生態特征的影響

土壤中一切生化過程都是基于酶促反應進行的，涉及有機質分解、營養成分轉化、污染物降解和生態修復等過程，由土壤微生物和酶組成的土壤微生態是評價土壤質量的重要指標[15]。為期50 d的黑麥草培植過程是沙肥復合基質形成和沙土肥力演變的過程，復合基質中各類微生物和酶是這一過程的推動者和活性庫，對沙土結構改善和養分提升具有重要作用。

2.2.1 ?不同堆肥施用量對沙土微生物區系的影響由表4可知，摻入堆肥產物可以顯著提升沙土中微生物數量。

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，當堆肥摻量為40%時，基質中微生物總量最多，達到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量可知，同一堆肥摻量下，基質微生物中細菌數量最多。Jindo等[16]認為細菌是土壤中最活躍的生物因素，廣泛參與有機質分解、腐殖質合成以及各類礦質元素轉化，對土壤作用強度和影響最大。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量，但當摻量大于20%時，對放線菌的影響不明顯。同一堆肥摻量下各處理中真菌數量最少，不同處理間堆肥摻量小于10%和大于10%的處理真菌數量呈極顯著差異，其中JZ0和JZ5中真菌數量最少，摻量大于10%時，沙土中真菌數量顯著增大。

2.2.2 ?不同堆肥施用量對沙土呼吸強度的影響

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

2.3 ?施用堆肥對植物生長特性的影響

2.3.1 ?不同堆肥施用量對植物出苗率和株高的影響

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

15～20 ℃環境下，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水平上無顯著性差異，堆肥摻量增加至40%、50%時，JZ40和JZ50的出苗率有所下降，分別為84.4%和82.2%。這說明，堆肥摻量對黑麥草種子出苗率影響不大。由圖2（b）可知，各摻肥復合基質的黑麥草株高均極顯著高于對照JZ0（p<0.01），其中堆肥摻量為30%時黑麥草株高最高，顯著高于其它處理（p<0.05）。以上結果表明，單純沙土基質中營養成分匱乏，培養出的植株矮小，而摻加堆肥可以有效提升基質植物株高。

2.3.2 ?不同堆肥施用量對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復合基質中植株鮮、干重極顯著高于JZ0、JZ5、JZ10，其中對照JZ0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照JZ0有一定程度的提高，但提升幅度遠小于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。JZ30和JZ20地下部分的鮮重、干重最高，兩者間無顯著性差異（p<0.01）。當堆肥摻量較低（≤10%）或不摻肥時，黑麥草根系發育不完全，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 ?不同堆肥施用量對植物葉綠素含量的影響

植物生長發育以及生物量的積累與光合作用密切相關，而葉綠素是植物進行光合作用的關鍵，綠色植物可利用葉綠素將CO2和H2O轉化為有機物并且儲存能量。由圖3可知，堆肥產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，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，達到2.33 mg·g-1。

3 ?結 論

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

（2）堆肥產物施用顯著增加了基質中微生物數量和活性，但對植物出苗率無顯著影響，此外可大幅提升植物株高、生物量和葉綠素含量，對植物生長發育有明顯促進作用。其中，堆肥摻量為30%時復合基質和供試植物的各項指標綜合評價最優。

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