添加矿化垃圾腐殖土对绿化土壤物理特性的影响

金奕胜,郭小平†,张成梁

(1.北京林业大学水土保持学院,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京; 2.北京轻工业环境保护研究所,100089,北京)

添加矿化垃圾腐殖土对绿化土壤物理特性的影响

金奕胜1,郭小平1†,张成梁2

(1.北京林业大学水土保持学院,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京; 2.北京轻工业环境保护研究所,100089,北京)

矿化垃圾腐殖土作为绿化基质使用可以增加土壤中有机质及养分质量分数,但同时可能会对土壤物理及水分特性造成影响。运用土壤物理及水动力学方法,通过不同矿化垃圾质量添加比(0%、25%、50%、75%)进行田间、室内对比试验,比较不同配比对土壤物理性质和水分特性的影响。结果表明:1)添加矿化垃圾腐殖土质量比为25%时,土壤物理性质(密度、孔隙度等)和水分特性均无明显变化,仅土壤砂粒体积分数增加;添加比为50%时,土壤密度、毛管孔隙度和饱和含水率均无显著变化,但土壤总孔隙度明显降低,土壤砂粒体积分数及饱和导水率显著升高;添加比为75%时,土壤物理性质和水分特性均影响显著,其中土壤砂粒体积分数升高约217%,土壤饱和含水量降低11%,毛管含水量降低26%,土壤饱和导水率增加约93%,土壤有效水含量减少24.9%;2)Gardner模型能较好地拟合不同处理土壤水分特征曲线;3)添加矿化垃圾腐殖土在作为绿化基质使用过程中,质量添加比为25%～50%较适宜。

矿化垃圾;土壤物理性质;土壤沙化;土壤水分特性

近年来,我国城市规模不断扩大,由此产生的城市固体垃圾总量居世界前列,70%以上城市垃圾采用卫生填埋的方式进行消纳。随着城市生活垃圾数量的日益增多,填埋场用地越来越紧张,与此同时,还存在一定数量的非正规填埋场。北京市于2008年开始对非正规填埋场进行集中治理,统计[1]显示,北京共有1 011处非正规垃圾填埋场,其主要危害包括污染地下水和地表水、占用大量的土地资源(超过1 300 hm2)、填埋气污染大气。对填埋达到一定年限的非正规垃圾填埋场进行开挖,并将挖出的矿化垃圾筛分减量处理和资源化利用,可以有效释放填埋场土地,消除填埋场对周边环境的污染。

垃圾填埋场封场数年后,表面沉降量小于1 cm/a,垃圾中易降解物质完全或接近完全降解,垃圾不再产生渗滤液、填埋气和异味,达到基本稳定,此时的垃圾称为矿化垃圾[2-3]。 袁光钰等[4]通过对北京市海淀区4个年代不同的典型垃圾填埋场进行连续取样检测分析,确定北京垃圾填埋场稳定周期在10 a左右。将具有8到10 a填埋龄的矿化垃圾挖出晾干后,散发出类似新翻泥土的气味,其中有机质主要为难降解的腐殖质[2,5-6]。对挖出的矿化垃圾进行筛分,得到土粒直径20 mm以下的腐殖土约占垃圾总量的60%,得到的细粒部分外观类似黑色土壤,无较大异味,已经不具备原始生活垃圾的基本特征,称为矿化垃圾腐殖土[6]。垃圾腐殖土具有较好的阳离子交换能力,还含有丰富的有机质以及植物所需的营养成分,如氮、磷、钾等及各种微量元素,可以将其添加进常规绿化土壤进行使用[7]。北京市在废弃矿山修复、公路及园林绿化过程中都需要大量客土,而矿化垃圾腐殖土可以作为绿化基质替代部分客土使用,可解决客土成本高、土源不足等问题。

国内有关矿化垃圾资源化利用的研究大多从植物栽培、处理废气废水以及作为填埋场覆盖等方面进行。曾峰海等[8]将矿化垃圾与土壤的不同配比进行栽植试验,研究结果表明,矿化垃圾的添加质量分数为25%时草坪草的生长最佳。吴军[9]用2个串联矿化垃圾生物反应床对填埋场垃圾渗滤液的处理进行研究,结果表明,经过2级串联矿化垃圾生物反应床处理后,COD和氨氮的去除效果比较明显。徐勤等[10]通过对国内外垃圾填埋场终场覆盖技术的现状与标准进行分析比较,提出矿化垃圾筛分后的细料可以作为终场覆盖层当中的营养层。但是,目前关于矿化垃圾腐殖土作为绿化基质应用过程中对土壤物理性质影响的研究较少[11]。笔者运用土壤物理及水动力学方法,通过测定和分析不同矿化垃圾腐殖土添加量的土壤物理性质及水分性状,研究矿化垃圾腐殖土不同添加量对绿化土壤物理特性及水分性状的影响,以期为矿化垃圾腐殖土绿化应用提供参考与依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与试验材料

试验所在地为北京市昌平区马池口镇亭自庄村的轻工业环境保护研究所生态修复科研基地。试验区土壤类型以褐土为主。矿化垃圾腐殖土取自北京丰台区北天堂非正规垃圾填埋场,经过筛分得到粒径＜20 mm的腐殖土。试验对照土壤取自实验基地表层土,取土深度为0～20 cm,基本理化性质见表1和表2。

由于填埋场位置以及填埋年限不同,造成不同填埋场垃圾来源不同,导致不同的非正规填埋场中开采筛分得到的矿化垃圾物质组成各不相同。北京地区目前开采的矿化垃圾填埋年限基本超过10 a,填埋物中煤灰占多数,开挖出的矿化垃圾砂石含量较高,其中北天堂矿化垃圾中砂粒含量达到83.3%。

1.2 试验方法

表1 矿化垃圾腐殖土及原土的物理性质Tab.1 Physical properties of aged refuse and raw soil

试验共设3种矿化垃圾腐殖土添加比例,矿化垃圾腐殖土质量分别占总质量的 25%、50%、75%[12],同时设置一组对照实验。各配比混合土样装4盆,总计16盆,土样置于实验基地露天环境下。试验时间为2013年5月中旬到6月下旬,通过浇水以及自然降雨使不同处理土样尽可能形成类似自然结构的土壤。使用仪器配套环刀取土,每个配比从各自4个不同处理中分别取一次土样,做4个重复。

表2 矿化垃圾腐殖土及原土的化学性质Tab.2 Chemical properties of aged refuse and raw soil

土壤密度、土壤孔隙度、土壤含水率采用环刀法测定;土壤饱和导水率采用双环刀法测定[13];土壤机械组成采用Microtrac S3500激光粒度仪测定(测定结果为体积分数);水分特征曲线试验采用土壤用高速冷冻离心机H -1400pF测定。

2 结果与分析

2.1 添加矿化垃圾腐殖土对土壤密度,总孔隙度和毛管孔隙度的影响

通过测定,3种配比和对照组的土壤密度及土壤孔隙度见表3。可以看出:与对照相比,添加矿化垃圾腐殖土比例为75%的土样,其土壤密度显著增加,升高13.2%,而25%和50%土样的土壤密度则无明显变化;但是,添加量为25%和50%2组间的土壤密度存在显著差异,且50%和75%2组间无显著变化。

表3 不同处理土样的土壤密度、总孔隙度和毛管孔隙度Tab.3 Soil bulk density,total porosity and capillary porosity of different treatments

添加不同比例的矿化垃圾腐殖土对土壤毛管孔隙度的影响显著。添加比例为25%和50%对土壤毛管孔隙度无明显差异,但是,添加75%矿化垃圾腐殖土的土样毛管孔隙度明显降低,较对照降低了9.4%。

添加50%和75%矿化垃圾腐殖土使土壤的总孔隙度明显降低,且与50%的添加量相比,75%的土壤总孔隙度明显减少;但是,添加量25%则对土壤总孔隙度无显著差异。

土壤毛管孔隙度和土壤密度的回归分析结果为

式中:f为土壤毛管孔隙度,%;ρ为土壤密度,g/ cm3。

拟合度R2达到0.974,表明土壤毛管孔隙度和土壤密度拟合较好,相关性显著。随着矿化垃圾腐殖土添加量的逐步增加,土壤密度增大,土壤毛管孔隙度变小。

2.2 添加矿化垃圾腐殖土对土壤机械组成的影响

通过试验,3种处理及对照土壤机械组成测定结果见表4。可知,与对照组相比,添加各比例的矿化垃圾腐殖土使土壤中砂粒的体积分数均显著增加,随着矿化垃圾腐殖土添加量的增多而升高。矿化垃圾腐殖土的添加使土壤砂粒体积分数增加122%～217%,增加幅度显著;土壤粉粒体积分数减少23%～41%,同时土壤黏粒体积分数有所减小。在添加量为25%时,土壤的质地没有明显的改变,砂粒体积分数没有明显增加,粉粒体积分数变化较小。添加量超过50%时,土壤砂粒体积分数显著提高。

表4 不同处理的土壤机械组成(体积分数)Tab.4 Soil mechanical composition of different ____________treatments(volume fraction)

由图1可以看出,3个配比之间粒径分布存在一定差别。随着矿化垃圾腐殖土添加量的增加,不同处理砂粒(0.02～2 mm)区间差别明显,但大于0.1 mm的土粒基本没变化。说明添加矿化垃圾腐殖土对土壤质地的影响主要表现为砂粒体积分数增加,对土壤中粉砂粒和黏粒体积分数不会产生明显的影响。

图1 不同处理土壤颗粒级配曲线Fig.1 Soil particle gradation curve of different treatments

2.3 添加矿化垃圾腐殖土对土壤水分特征的影响

通过试验,3种配比和对照组饱和含水量及饱和导水率测定结果见表5。可以看出,与对照相比,添加75%矿化垃圾腐殖土时,土壤的饱和含水率显著降低,较对照组降低约10.5%。另外,配比为25%、50%和75%土样的土壤饱和含水率差异显著,且依次减少;除添加量25%土壤饱和导水率变化无明显影响外,其他添加比例均影响土壤饱和导水率的变化,表现为随着添加比例的加大,土壤饱和导水率增加明显,添加比例为50%时,土壤饱和导水率升高65%,添加比例为75%时,土壤饱和导水率增加93%,增幅巨大。同时,土壤密度和饱和导水率呈显著正相关,相关系数为0.967(P＜0.05)。

表5 不同处理的土壤饱和导水率和饱和含水率Tab.5 Soil saturated hydraulic conductivity and saturated water content of different treatments

土壤水分有效性变化表现为土壤水势的变化,土壤含水量和土壤水势存在对应关系。一般来讲,不同土壤类型萎蔫系数对应的土壤水势均在-1 500 kPa左右,而田间持水量对应的土壤水势范围较大,多在-10～-60 kPa之间[14]。有研究[15]认为,介于300～15 000 kPa之间土壤水吸力范围内的土壤水是土壤有效水。

由图2可以看出,3种配比及对照的土壤水分特征曲线逐渐向左移动,添加矿化垃圾腐殖土比例越大,相同土壤水吸力下土壤含水量越低,表明添加矿化垃圾腐殖土改变了土壤的水分特性,减弱了土壤的持水能力,且随着矿化垃圾腐殖土添加比例的增大而减弱。矿化垃圾腐殖土改变了土壤结构,降低土壤有效水的含量约7.6%～24.9%。

图2 不同处理土壤水分特征曲线Fig.2 Soil water characteristic curves of different treatments

比水容量是表征土壤水分有效性的一个重要参数,可以理解为土壤水分特征曲线斜率的负值。将各配比及对照组水分特征曲线采用单一参数模型Gardner模型进行数据拟合,Gardner模型的经验公式[16]为

式中:θ为土壤含水率,%;S为土壤水吸力,kPa;A、B为常数。

表6 不同处理土壤水分特征曲线拟合方程及参数Tab.6 Soil water characteristic curve fitting equation and parameters of different treatments

不同配比土壤水分特征曲线拟合方程及参数见表6。可以看出,相关系数R2均高于0.85,表明Gardner模型的经验公式能够很好地模拟各处理土壤的水分特征曲线。参数A表征土壤水分特征曲线的高低,即土壤含水量的大小,持水能力随着A值增大而增强。同时,随着B值的增大,比水容量逐步减小,土壤含水量的减小值变小。

同时,随着矿化垃圾腐殖土所占比例越高,A值减小,B值逐渐增大,由此可知,添加矿化垃圾腐殖土减弱了土壤持水能力,并且随着添加比例不断增大,土壤持水能力持续减弱。

3 结论与讨论

1)矿化垃圾腐殖土添加量超过50%导致绿化土壤密度增大,容易引起土壤紧实板结,影响植物的生长。

2)添加矿化垃圾腐殖土对绿化土壤水分特性产生较大影响,大量添加会导致土壤持水能力减弱。如果原土为重壤土或黏土,添加矿化垃圾腐殖土对其有改良作用,增大透水性的同时可减少地表径流形成。

3)Gardner模型能较好地拟合不同处理土壤水分特征曲线,添加矿化垃圾腐殖土可减弱土壤持水能力和供水水平,且表现为随着矿化垃圾腐殖土添加量增加而呈减弱的趋势。

4)绿化应用中矿化垃圾腐殖土添加量在25%～50%之间较为合适,不会对土壤物理性质影响产生显著影响,可以代替一定量的客土。

试验采用的矿化垃圾腐殖土全部取自北京市丰台区北天堂非正规垃圾填埋场,为进一步深化分析矿化垃圾腐殖土对绿化土壤物理性质的影响,还需增加对不同非正规填埋场矿化垃圾腐殖土的相关研究。同时还可对矿化垃圾腐殖土应用于喷播、植被毯、植生袋等方面作进一步研究,为矿化垃圾在绿化中的应用提供更多的技术支持。

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(责任编辑:宋如华)

Effects of adding humus from aged refuse on physical properties of landscaping soil

Jin Yisheng1,Guo Xiaoping1,Zhang Chengliang2
(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Key Lab.of Soil&Water Conservation and Desertification Combating of the Ministry of Education,100083,Beijing,China;2.Environmental Protection Research Institute of Light Industry,100089,Beijing,China)

Humus soil from aged refuse,as a green matrix,could increase contents of soil organic matters and nutrients,but will also have certain effects on soil physical and water properties.In this study,we compared the soil physical and water properties after adding different proportions of aged refuse and soil (0%,25%,50%and 75%)in the field and lab with soil physics and hydrodynamics methods.The results showed that:1)When the mass proportion of aged refuse and soil was 25%,soil physical properties(density,porosity,etc.)and water characteristics were not significantly changed except that the soil sand content was increased.When the proportion was 50%,soil density,capillary porosity and water saturation rate had no significant changes,but the total soil porosity decreased evidently and the soil sand content and saturated hydraulic conductivity increased significantly.Soil physical properties and water features were significantly affected at the proportion of 75%,and compared with the control,the soil sand content increased by 217%,the soil saturated moisture content decreased by 11%,the capillary water content decreased by 26%,the soil saturated hydraulic conductivity increased by 93%, and the amount of soil available water reduced by 24.9%.2)The Gardner model fitted well with soil water characteristic curves for different treatments.3)Addition of aged refuse in a mass proportion rangeof 25%to 50%to the soil as green matrix was more appropriate.

aged refuse;soil physical properties;soil desertification;soil water properties

S152.5;S152.7

A

1672-3007(2015)01-0101-05

2014- 03- 27

2014- 09- 16

项目名称:北京市科技计划“石景山区黑石头垃圾填埋场治理后期植被恢复的监测与评价研究”(Z131106003513002)

金奕胜(1987—),男,硕士研究生。主要研究方向:工程绿化。E-mail:kingyisheng@126.com

†通信作者简介:郭小平(1962—),男,教授。主要研究方向:工程绿化,水土保持与荒漠化防治。E-mail:guoxp@bjfu.edu.cn