城乡有机废弃物农用资源化研究进展

吴荣 刘善江 杜颖

摘要：笔者综述了城乡有机废弃物农用资源化的优点和潜在风险，旨在为城乡有机废弃物农业利用降低潜在风险。研究表明：城乡生活中产生的有机废弃物作为肥料施入农田后对土壤性质产生了影响，从而间接影响了土壤微生物量和土壤酶活性；有机废弃物中的重金属会在土壤中积累对土壤环境造成的危害，因此有必要对废弃物农用后的土壤环境进行长期研究。

关键词：有机废弃物；农业利用；重金属；土壤微生物；土壤酶

中图分类号：S151.9，X712文献标志码：A论文编号：2013-0996

0引言

城乡有机废弃物，是指在城市发展及乡村生活等一系列活动中提取组分后弃之不用的剩余有机物质，主要包括畜禽粪便、农作物秸秆、生活垃圾、城市污泥等。随着人口增长、人民生活水平提高以及城市化进程的加速，城乡有机废弃物的排放量日益增加，城乡有机废弃物含有病菌、重金属等有害物质，施入土壤后会对土壤生态环境造成危险，并对人类的生存环境产生严重威胁。因此，研究有机废弃物农用后废弃物对土壤环境影响评价的长期研究有着重要意义。目前，国内外对有机废弃物的研究主要集中在有机废弃物土地利用是有机废气物的主要处置方式[1-2]，但对城乡有机废弃物农业利用和农用对土壤环境造成的危害方面研究不足，特别是农用对土壤微生物学的影响甚少见报。因此，笔者通过对城乡有机废弃物对土壤重金属和生物学方面的影响做一些详细的介绍，以期为有机废物农用提供参考依据，并指出今后城乡有机废弃物在农业利用发展中的研究展望。

1城乡有机废弃物现状

随着城乡生活水平的不断提高，工农业生产水平的快速发展，城乡有机废弃物的排放量日益增大。据不完全统计，2010年中国的污水处理厂达2000余座[3]，污泥的产量大幅增加；畜禽场密集的乡镇，畜禽类粪便已到达到600 t[4]；秸秆的总量也在逐年增加[5]，对城乡有机废弃物的处置与再利用已十分迫切。目前，土地利用、陆地填埋、焚烧和排海这4种方式是世界上大多数国家对有机废弃物普遍采取得方式[6]。由于排海直接对海洋环境造成污染，这种方法在大多数国家已被禁用[6]，陆地填埋会造成土壤的污染和高昂的土地污染恢复治理费用，焚烧不仅成本高，而且废弃物焚烧工艺的尾气排放会对环境产生污染[7]。有机废弃物农用不仅可大量处置废弃物，而且施用后对土壤物理、化学及生物学性状有一定的改良作用[8]。因此，有机废弃物的土地利用现已成为各国最广泛的处置方式。对于中国而言有机废弃物农用是最为可行、最为现实的处置方案[9-11]。

2城乡有机废弃物农用优点

2.1城乡有机废弃物农用对土壤肥力的影响

城乡有机废弃物含有与厩肥大致相似的全氮、磷、钾等含量，施入土壤后能明显提高土壤中氮磷含量[12]，从而提高土壤肥力。城乡有机废弃物中含有的有机质、腐殖质可改善土壤物理性质，是良好的土壤改良剂，它可以促成团粒形成，增大土壤孔隙[12-13]，增加土壤微生物的活性，使得土壤中养分得到活化，提高了土壤肥力。

2.2城乡有机废弃物农用对作物的优点

城乡有机废弃物含有大量的有机物质和植物生长随需要的营养成分，对植物的生长产生很好的促进作用。康少杰等[14]研究污泥肥对油菜品质性状及重金属累积特性的影响，结果表明适量的污泥肥可明显提高油菜产量和品质。蔡全英等[15]通过对城市污泥及其堆肥对盆栽通菜和萝卜产量的影响，得出不同性质土壤上施用适量污泥，通菜的产量得到明显的提高。陈同斌等[16]的研究表明，污泥复合肥可以提高小麦产量，并且增产效果高于化肥。黄继川等[17]的研究结果表明，秸秆堆肥可明显提高生菜的品质。以上研究表明，有机废弃物农用在施用适量范围内可以提高作物的产量和品质。有机废弃物农业利用可替代部分化学肥料，使生产费用降低，适合中国目前的经济发展状况。

3有机废弃物农用对土壤造成的潜在风险

3.1城乡有机废弃物农用对土壤重金属的影响

重金属污染是土壤污染中污染面积最广、危害最大的环境问题之一。农业有机废弃物中的重金属进入土壤后难以被微生物降解，迁移性小，很难被清除，易在土壤中富集。

许多研究认为，城乡有机废弃物资源化处置的最有效方法是城市有机废弃物农用。然而，目前的研究结果对城乡有机废弃物农用的风险方面的研究并不足，特别是重金属在土壤中积累的问题，随着城乡有机废弃物农用，重金属在环境中积累的风险日渐被人们关注[18-19]。长期施用有机废弃物最终会对土壤和作物造成污染[20-21]。李国学等[22]通过施用污泥堆肥，对土壤和青菜重金属积累特性的影响研究表明，长期施用污泥堆肥会引起作物重金属超标。

3.2城乡有机废弃物农用对生物学性质的影响

3.2.1城乡有机废弃物农用对土壤酶的影响土壤酶是一类具有催化能力的生物活性物质，是土壤生态系统代谢的重要动力之一，土壤中一切生物、化学过程要在酶的参与下才能完成[23]。

土壤理化性质的不同也可以影响土壤酶活性的变化。和文祥等[24]、Brookes[25]的研究认为，土壤理化性质可以直接或间接影响土壤酶活性。土壤酶具有稳定、敏感的特性，其活性大小能够作为判定土壤重金属污染程度的指标[26-28]，这与高秀丽等[29]发现，当土壤基本性质一致时部分土壤酶可以反映重金属污染的研究结果一致。由于城乡有机废弃物农用可以影响土壤理化性质，有机废弃物农用也会改变土壤酶的活性。土壤酶活性能够比较全面、灵活可靠地反映土壤肥力质量变化[23]，土壤酶也是评价土壤质量的指标；孙瑞莲[30]研究发现，蔗糖酶、脲酶及磷酸酶与土壤养分各因子均呈显著或极显著正相关。一般认为，有机质与土壤酶的来源和营养有关，对土壤酶活性有重大影响[31]。和文祥等[24]通过研究陕西7种不同土壤认为，土壤有机质与土壤脲酶呈显著或极显著相关，得出土壤有机质等肥力因素是影响土壤脲酶的主要因子。王涵等[32]认为，在有机质含量丰富并不是酶活性限制因子时，土壤酶活性与有机质并无太大关系。

3.2.2城乡有机废弃物农用对微生物学性质的影响早期研究发现，土壤微生物参数可以敏感地指示土壤环境条件的变化[33-34]，向土壤中加入有机废气物必然会改变土壤的基本性质，然而任何能改变土壤性质的因素都可影响土壤的微生物区系[35]，从土壤微生物角度，研究土壤环境条件的改变对土壤生物学的影响是非常有必要的。

土壤微生物在土壤中繁衍，是土壤中活的有机体，土壤中微生物量、生物活性与土壤中有机质的含量有密切的关系[36]。有关研究表明，土壤有机质含量增加可以提高土壤中微生物的总量[37]，高养分是城市有机废弃物的主要特征。李秀英等[38]的研究表明，长期向土壤中施加NPK配施有机肥或秸秆可使土壤中的细菌、真菌、放线菌的数量得到明显的提高，也可增加土壤中的固氮菌、氨化细菌、反硝化细菌、硝化细菌、纤维素分解菌的数量。谭周进等[39]得出土壤的肥力水平可用土壤中的真菌数量表示，并且土壤微生物活性与土壤有机质含量程正相关。徐阳春等[40]、胡诚等[41-42]的研究结果表明，土壤微生物体内的碳含量与土壤的生化活性呈正相关。影响微生物活性的环境因子较多，施入土壤中的有机废弃物在不同条件下对微生物的影响也不尽相同。

4城乡有机废弃物资源化研究的展望

城乡有机废弃物农业利用是目前中国对废弃物处置最为主要的方法，有机废弃物农业利用可以改良土壤物理性状，提高土壤保肥能力，使农作物增产。但是不可否认，以高养分和重金属双重富集为特征的有机废弃物对生态环境造成了潜在风险[43-47]，必须予以重视。有机废弃物中的重金属的持久性，积累性特点是影响城乡有机废弃物农用推广的主要因素，如何更好地推动有机废弃物的农业利用需要进行如下的工作：（1）有机废弃物农用要严格控制有机废弃物的施用指标，不得超过国家标准所规定的有害物质的标准。应根据其土壤背景值严格按照计算得到的废弃物施用量进行施用。（2）要根据土壤的承受能力、作物的敏感程度科学地向土壤中施加有机废弃物，因为不同的土壤、不同的作物对有机废弃物的适应性不同。（3）有机废弃物对土壤和作物造成的危害是一个长期积累的过程，向土壤中施入有机废弃物其风险不会立即表现出来，长期施用其不利的一面才会明显的变现出来，因此有机废弃物农用要进行长期定位监测，长期关注施入土地内土壤及作物的变化。（4）加强风险研究，为有机废弃物安全使用提供科学依据。

参考文献

[1] 姚刚.德国的污泥利用与处置[J].城市环境与城市生态,2000,13(1):43-47.

[2] 毕于运,寇建平,王道龙.中国秸秆资源综合利用技术[M].北京:中国农业出版社,2008:2-4.

[3] 中国环境年鉴编辑委员会.2001年中国环境年鉴[M].北京:中国环境年鉴社,2002:2-21.

[4] 张增强,孟昭福.农业废弃物与城市污泥的无害化与资源化[J].农业环境与发展,2001,18(1):19-21.

[5] 高春雨,王亚静,李宝玉,等.我国秸秆资源短缺与过剩问题探讨[J].农机化研究,2010,32(4):209-212.

[6] 肖锦.城市污水处理及回用技术[M].北京:化学工业出版社,2002:65-66.

[7] 黄海峰,刘京辉,等.德国循环经济研究[M].北京:科学出版社,2007:206-208.

[8] 乔显亮,骆永明,吴胜春.污泥的土地利用及其环境影[J].土壤,2000,32(2):79-85.

[9] 田宁宁,王凯军,杨丽萍,等.污水处理厂污泥处置及利用途径研究[J].环境保护,2000(2):18-20.

[10] 莫测辉,吴启堂,蔡全英,等.论城市污泥农用资源化与可持续发展[J].应用生态学报,2000,17(1):157-160.

[11] 吴海勇,李明德,刘琼峰,等.农业有机废弃物还田的生态经济效益研[J].土壤,2012,44(5):769-775.

[12] 周立祥,胡霭堂,戈乃玢,等.苏州市生活污泥成分性质及其对蔬菜和菜地土壤的影响[J].南京农业大学学报,1994,17(2):54-59.

[13] 周立祥,胡霭堂,戈乃玢,等.城市污泥土地利用研究[J].生态学报,1999,19(2):185-193.

[14] 康少杰,刘善江,李文庆,等.污泥肥对油菜品质性状及重金属累积特性的影响[J].水土保持学报,2011,25(1):92-95.

[15] 蔡全英,莫测辉,吴启堂.城市污泥及其堆肥对盆栽通菜和萝卜产量的影响[J].农业环境科学学报,2003,22(1):52-55.

[16] 陈同斌,李艳霞,金燕,等.城市污泥复合肥的肥效及其对小麦重金属吸收的影响[J]生态学报,2002,22(5):643-648.

[17] 黄继川,彭智平,于俊红,等.施用秸秆堆肥对生菜品质和土壤酶活性的影响[J].广东农业科学,2010,37(11):97-99.

[18] Campbell H W. Sewage sludge treatment and use: new development[M].London: Elsevier Applied Science,1989:281-290.

[19] 陈同斌,黄启飞,高定,等.中国城市污泥的重金属含量及其变化趋势[J].环境科学学报,2003,23(5):561-569.

[20] 欧阳喜辉,崔晶,佟庆.长期施用污泥对农田土壤和农作物影响的研究[J].农业环境保护,1994,13(6):271-274.

[21] 吴新民,陈德明.施用城市污泥对土壤中重金属积累和迁移的影响[J].环境与健康杂志,2005,22(3):177-179.

[22] 李国学,黄焕忠,黄铭洪.施用污泥堆肥对土壤和青菜重金属积累特性的影响[J].中国农业大学学报,1998,3(1):113-118.

[23] 李延轩,张锡洲.设施栽培条件下土壤质量演变及调控[M].北京:科学出版社,2011:97-100.

[24] 和文祥,朱铭羲.陕西土壤脲酶活性与土壤肥力关系分析[J].土壤学报,1997,34(4):392-398.

[25] Brookes P C. The use of microbial parameters in monitoring soil pollution by heavy metals[J].Biology and Fertility of Soils,1995,19(4):269-279.

[26] 周礼恺,张志明,曹承绵,等.土壤的重金属污染与土壤酶活性[J].环境科学学报,1985,5(20):176-184.

[27] 王新,周启星.土壤重金属污染生态过程、效应及修复[J].生态科技,2004,23(3):278-281.

[28] 和文祥,朱铭莪,张一.土壤酶与重金属关系研究现状[J].土壤与环境,2000,9(2):139-142.

[29] 高秀丽,邢维芹,冉永亮,等.重金属积累对土壤酶活性的影响[J].生态毒理学报,2012,7(3):331-336.

[30] 孙瑞莲,赵秉强,朱鲁生,等.长期定位施肥田土壤酶活性的动态变化特征[J].生态环境,2008,17(5):2059-2063.

[31] Chang E H, Chung R S, Tsai Y H. Effect of different application rates of organic fertilizer on soil enzyme activity and microbial population[J].Soil Science and Plant Nutrition,2007,53(2):132-140.

[32] 王涵,高树芳,陈炎辉,等.重金属污染区土壤酶活性变化[J]应用生态学报,2009,20(12):3034-3042.

[33] 张薇,魏海雷,高洪文,等.土壤微生物多样性及其环境影响因子研究进展[J]生态学杂志,2005,24(1):48-52.

[34] Pettersson M, Bååth E. The rate of change of a soil bacterial community after liming as a function of temperature[J].Microbial Ecology,2003,46(2):177-186.

[35] Hirte W F. Soil Microbiology and Biochemistry[A].Paul E A. Clark F E. Academic Press Inc. New York (1989)[M].Zentralblatt fur Mikrobiologie,1990,145(6):411-426.

[36] Tiquia S M, Lloyd J, Herms D A, et al. Effects of mulching and fertilization on soil nutrients, microbial activity and rhizosphere bacterial community structure determined by analysis of TRFLPs of PCR-amplified 16S rRNA genes[J].Applied Soil Ecology,2002,21(1):31-48.

[37] 王英,王爽,李伟群,等.长期定位施肥对土壤微生物区系的影响[J].东北农业大学学报,2007,38(5):632-636.

[38] 李秀英,赵秉强,李絮花,等.不同施肥制度对土壤微生物的影响及其与土壤肥力的关系[J].中国农业科学,2005,38(8):1591-1599.

[39] 谭周进,周卫军,张杨珠,等.不同施肥制度对稻田土壤微生物的影响研究[J].植物营养与肥料学报,2007,13(3):430-435.

[40] 徐阳春,沈其荣,冉炜.长期免耕与施用有机肥对土壤微生物生物量碳、氮、磷的影响[J].土壤学报,2002,39(1):89-94.

[41] 胡诚,曹志平,罗艳蕊,等.长期施用生物有机肥对土壤肥力及微生物生物量碳的影响[J].中国生态农业学报,2007,15(3):48-51.

[42] Yan F, McBratney A B, Copeland L. Functional substrate biodiversity of cultivated and uncultivated A horizons of verti sols in NW New South Wales[J].Geoderma,2000,96(4):321-343.

[43] 丛源,郑萍,陈岳龙,等.北京市农田生态系统土壤重金属元素的生态风险评价[J].地质通报,2008,27(5):681-688.

[44] Zarcinas B A, Ishak C F, Mclaughlin MJ, et al. Heavy metals in soils and crops in southeast Asia.1. Peninsular Malaysia[J].Environmental Geochemistry and Health,2004,26(4):343-357.

[45] Mapanda F, Mangwayana E N, Nyamangara, et al. Uptake of heavy metals by vegetables irrigated using wastewater and the subsequent risks in Harare, Zimbabwe[J].Physics Chemistry of the Earth,2007,32(15/18):1399-1405.

[46] 李雪梅,王祖伟,邓小文.天津郊区菜田土壤重金属污染环境质量评[J].天津师范大学学报:自然科学版,2005,25(1):70-73.

[47] 贾琳,杨林生,欧阳竹.典型农业区农田土壤重金属潜在生态风险评价[J].农业环境科学学报,2009,28(11):2270-2276.