餐厨垃圾生物有机肥对贫瘠黄褐土改良的研究

2020-08-25安立超于家伊李鸣晓

环境科学研究 2020年8期

朱琳，安立超*，戴昕，于家伊，王勇，李鸣晓*

1.南京理工大学环境与生物工程学院，江苏南京 210094 2.南京万德斯环保科技股份有限公司，江苏南京 211100 3.北京嘉博文生物科技有限公司，北京 100015 4.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

我国以传统农业种植为主，是化肥生产和使用大国，长期滥用化肥导致耕地土壤板结、微生物活性降低、水土流失严重，使得土壤中过剩的氮磷等营养物质渗入地下水，污染地下水和湖泊，导致严重的面源污染[1]. 据统计，农业生产中氮肥的利用率为30%～35%，氮肥的地下渗漏损失为10%，农田排水和暴雨径流损失为15%，导致地下水污染问题十分突出，部分地区硝酸盐含量超过饮用水硝酸盐含量最大允许浓度(50 mg/L). 此外，化肥流失还造成地下水中硝态氮含量超标，影响土壤自净能力[2]. 施用生物有机肥可以改善土壤团粒结构，提高土壤养分有效性，增加土壤保水能力，在提高作物产量和质量的同时减少环境污染[3-4]. 但是有机肥施用过多会降低肥料的利用率，导致土壤养分的堆积和流失[5]. 而合理施用生物有机肥是代替化肥，缓解面源污染和地下水污染，实现农业绿色可持续发展的重要途径之一[6].

目前已有学者对不同种类生物有机肥改良土壤的效果进行了研究. Selvakumar等[7]通过田间试验发现，畜禽堆肥和绿肥可以提高土壤OM (有机质)、AP(速效磷)等养分指标，改善土壤肥力状况. LI等[8]研究发现，施加以菌渣和鸡粪等为主要原料并经好氧高温堆肥制得的生物有机肥，可以提高土壤中w(OM)，也有利于土壤中腐殖质的积累，且腐殖质含量与有机肥施加量成正比. 侯晓娜等[9]研究表明，以秸秆、畜禽粪便为原料的生物有机肥所含营养元素在微生物的作用下缓慢释放，其中的腐殖酸可促进团粒结构的形成，并显著提高土壤w(OM)与w(TN)(TN为全氮)、w(AN)(AN为速效氮)和土壤肥力，改善土壤结构及耕性. 孔涛等[10]通过盆栽试验发现，以木霉菌和北虫草废弃培养基堆肥制备的生物有机肥可大幅增加土壤中w(OM)、w(TN)、w(TP)(TP为全磷)和w(TK)(TK为全钾)，并随施肥量的增加而增加. 传统有机肥主要由畜禽粪便、农作物秸秆等经堆肥腐熟制成，施用后可以增加土壤中的养分含量并有利于改善土壤结构，然而堆肥原料的种类和腐熟程度直接影响着有机肥的品质和安全性，制约传统有机肥的应用[11].

据报道[12-14]，餐厨垃圾富含糖类、淀粉、脂肪和蛋白质等有机物及丰富的微量元素，经好氧发酵后可转化为稳定的腐殖酸和可利用的营养物质. 餐厨垃圾制备的生物有机肥腐殖酸含量大于50%、易氧化有机物质含量大于20%，是理想的贫瘠土壤调理剂，具有较高的应用价值[15]. 因此，餐厨垃圾经发酵处理后不仅可得到好品质、高活性的生物有机肥，还可实现有机废弃物的资源化利用. 而研究施用餐厨垃圾生物有机肥对土壤团粒结构和营养元素的影响，对指导贫瘠土壤改良和肥料的施用方式也具有现实指导意义.

目前，以农业废弃物和畜禽粪便为原料的有机肥改良贫瘠土壤以及餐厨垃圾制备的有机肥成分含量的研究已有报道，但采用餐厨垃圾制备高品质的生物有机肥用于贫瘠黄褐土改良的研究还鲜见报道. 该研究以华中某南水北调核心水源区为研究对象，对比分析不同施肥方式对贫瘠黄褐土OM、活性有机碳和土壤团粒结构改良的影响，阐明餐厨垃圾生物有机肥改良贫瘠土壤的作用机制，为我国有机肥土壤改良提供新思路，为农业绿色可持续发展提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于华中某南水北调核心水源区，该地区属于亚热带湿润性季风气候，年均降水量824 mm，年均气温13～16 ℃，土壤类型为黄褐土，土壤贫瘠，质地较黏重. 试验前耕地表层土壤(0～15 cm)基本理化性质如表1所示.

1.2 试验设计

表1 供试表层土壤(0～15 cm)基本指标

试验中有4种施肥方式，不施肥、长期(>5 a)施用化肥、中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥和短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥，分别记为CK组、CF组、LOF-5组和MOF-1组. 试验面积共0.54 hm2，每个处理组的面积为0.13 hm2，具体施肥条件如表2所示. 供试复合肥和餐厨垃圾生物有机肥购自某肥料销售公司，其中复合肥由尿素、过磷酸钙、氯化铵以质量比为4∶6∶15混合得到. 餐厨垃圾生物有机肥是餐厨废弃物与稻壳以质量比为11∶4混合后，经70 ℃高温发酵18 h制成，有机肥中w(OM)为340.6 g/kg、w(TN)为21.72 g/kg、pH为6.78.

表2 不同施肥方式的施肥条件

1.3 土壤样品采集

采集0～15 cm土壤样品，采用“S型”采样法用土钻多点采集样品，每个区域取5个样品混合成1个土样，并用四分法留取样品，去除土壤中动植物残体、石子等杂物，风干研磨后过2 mm筛，混匀后备用.

1.4 分析方法

土壤w(OM)采用灼烧法测定[16].w(DOC)(DOC为可溶性有机碳)采用DU等[17]的方法测定；w(POC)(POC为颗粒有机碳)采用Bouaiila等[18]的方法测定；w(ROC)(ROC为易氧化有机碳)采用HUO等[19]的高锰酸钾氧化法测定；w(TN)采用凯氏定氮法测定[20]；w(AN)采用碱解扩散法测定[20]；w(AP)采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定[20]；w(TP)采用碱熔-钼锑抗分光光度法测定[20]；w(AK)采用乙酸铵提取-火焰光度法测定[20]；w(TK)采用NaOH熔融-火焰光度法测定[20]；土壤水稳性团聚体的质量分数采用湿筛法测定[21].

1.5 计算方法

团聚体的稳定性采用MWD(平均重量直径)、GMD(几何平均直径)和DR0.25(大于0.25 mm团聚体含量)来描述，计算公式：

(1)

(2)

DR0.25=MT>0.25/MT

(3)

2 结果与分析

2.1 不同施肥方式对贫瘠土壤OM的影响

OM是土壤的重要组成部分，是植物养分的来源和土壤微生物生命活动的能量来源，与土壤肥力密切相关. 由图1可见：与CK组的w(OM)(12.43 g/kg)相比，MOF-1组(33.97 g/kg)增加了173.29%，LOF-5组(27.81 g/kg)增加了123.73%，CF组(12.47 g/kg)与其相近. MOF-1组和LOF-5组的w(OM)分别是CF组的2.72和2.23倍，而MOF-1组的w(OM)是LOF-5 组的1.22倍. 可见施用餐厨垃圾生物有机肥可显著提升w(OM)，其中短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥提升效果比中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥显著，而化肥对w(OM)提升并不明显.

注：不同小写字母分别表示不同处理组之间0.05水平上差异显著. 下同.图1 不同施肥方式对土壤w(OM)的影响Fig.1 Effects of different fertilization methods on w(OM) in soil

2.2 不同施肥方式对贫瘠土壤活性有机碳的影响

2.2.1不同施肥方式对POC的影响

土壤POC主要由碳水化合物和木质素构成，是处于腐殖化有机物和新鲜的动植物残体之间短暂的或过渡的有机碳库，可以反映土壤中易迁移转化和利用的有机碳[22-23]. 如图2所示，MOF-1组的w(POC)最高(4.71 g/kg)，分别是CK组(0.34 g/kg)和CF组(0.72 g/kg)的13.85、6.54倍，显著增加了土壤中w(POC). LOF-5组的w(POC)为2.05 g/kg，分别是CK组和CF组的6.02和2.85倍. CF组w(POC)为0.72 g/kg，是CK组的2.11倍. 施用餐厨垃圾生物有机肥可以显著增加土壤中w(POC)，短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥对土壤w(POC)的提升效果更加显著.

图2 不同施肥方式对土壤w(POC)的影响Fig.2 Effects of different fertilization methods on w(POC) in soil

2.2.2不同施肥方式对ROC的影响

土壤ROC在指示土壤质量和肥力变化时比OM更加灵敏，可以及时反映土壤的物理性质和肥力变化[24]. 如图3所示，MOF-1组的w(ROC)最高(4.37 g/kg)，相比于CK组(3.14 g/kg)增加了39.17%，分别是CF组(3.68 g/kg)和LOF-5组(3.54 g/kg)的1.19和1.23倍. CF组的w(ROC)为3.68 g/kg，相比于CK组(3.14g/kg)增加了17.19%. 而LOF-5组的w(ROC)为3.54 g/kg，相比于CK组增幅较少，仅为12.77%. 相比长期(>5 a)施用化肥和中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥，短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥对土壤w(ROC)的提升效果最显著.

图3 不同施肥方式对土壤w(ROC)的影响Fig.3 Effects of different fertilization methods on w(ROC) in soil

2.2.3不同施肥方式对DOC的影响

土壤中DOC是土壤有机碳中非常活跃的一类，可以用来反映环境条件的变化[25]. 如图4所示，不同施肥方式均可以增加土壤中w(DOC)，其中MOF-1组(0.32 g/kg)对w(DOC)提升最多，分别是CK组(0.031 g/kg)、CF组(0.051 g/kg)、LOF-5组(0.10 g/kg)的10.32、6.27、3.2倍. LOF-5组的w(DOC)为0.10 g/kg，分别是CK组和CF组的3.23和1.96倍. CF组的w(DOC)为0.051 g/kg，相比于CK组只增加了64.52%. 相比于长期(>5 a)施用化肥和中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥，短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥对DOC的提升效果最显著.

图4 不同施肥方式对土壤w(DOC)的影响Fig.4 Effects of different fertilization methods on w(DOC) in soil

2.3 不同施肥方式对土壤水稳性团聚体的影响

2.3.1不同施肥方式对土壤团聚体粒径分布的影响

土壤水稳性团聚体是土壤中比较稳定的团聚体，反映了土壤的抵抗侵蚀能力，在调节土壤结构、提高土壤肥力和改善生态功能中有着重要的地位. 由表3可知，不同处理下团聚体分布的大致规律：CK组、CF组、LOF-5组、MOF-1组均以<0.25 mm的水稳性团聚体为主，质量分数范围为33.17%～47.46%；从各粒级土壤水稳团聚体来看，LOF-5组>2 mm粒径的水稳性团聚体的质量分数(28.75%)提升最多，分别是CK组(6.14%)、MOF-1组(10.25%)、CF组(25.52%)的4.68、2.81、1.13倍；MOF-1组0.25～0.5 mm的水稳性团聚体质量分数最高，比CK组增加了30.97%. 与不施肥相比，中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥有利于增加土壤中较大粒径的比例，减少较小粒径的比例.

表3 不同施肥方式下各粒级水稳性团聚体的质量分数

2.3.2不同施肥方式对土壤团聚体稳定性的影响

MWD、GMD、DR0.25可以较好地反映土壤团聚体的大小分布变换状况，MWD、GMD、DR0.25值越大，说明团聚体的平均粒径团聚程度越高，团聚体越稳定[26]. 如表4所示，各处理组的MWD、GMD、DR0.25均有提升，其中LOF-5组的提升效果最明显，MWD、GMD、DR0.25比CK组分别增加了100%、 82.98%、27.20%. CF组的 MWD、GMD、DR0.25比CK组分别增加了98.64%、63.83%、12.09%. MOF-1组的MWD、GMD、DR0.25最低. 综上，化肥和有机肥的施用都有利于增加MWD、GMD和DR0.25，相比长期(>5 a)施用化肥和中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥，短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥对土壤团聚体稳定性作用不明显.

表4 不同施肥方式对土壤团聚体稳定性的影响

2.4 不同施肥方式对土壤养分含量的影响

2.4.1不同施肥方式对土壤氮的影响

氮是土壤中最为活跃的营养元素之一，也是植物需要量较大的营养元素[1]. 由图5可知，CF组的w(TN)、w(AN)最高，分别为 2 225、210 mg/kg，相比CK组(分别为945、127.48 mg/kg)，分别增加了135.45%和64.94%；其次是LOF-5组，w(TN)和w(AN)分别为1 676.67、153.82 mg/kg，与CK组相比，分别增加了77.42%和20.82%；MOF-1组w(TN)为1 440 mg/kg，与CK组相比，增加了52.38%，而w(AN)为120.3 mg/kg，相比CK组，却减少了5.48%. 可见，长期(>5 a)施用化肥和中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥均可以增加土壤中的w(TN)和w(AN)，而短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥可以增加土壤中w(TN)，但对土壤中w(AN)的影响并不明显.

图5 不同施肥方式对土壤中w(TN)和w(AN)的影响Fig.5 Effects of different fertilization methods on w(TN) and w(AN) in soil

2.4.2不同施肥方式对土壤磷的影响

磷在构成植株体调节代谢、增强作物抗逆能力中起重要作用[27]. 由图6可见，CF组的w(AP)和w(TP)均最高，分别为162.79、408.39 mg/kg，w(AP)是CK组(9.86 mg/kg)的16.51倍，w(TP)相比CK组(240.65 mg/kg)增加了69.70%. LOF-5组的w(AP)和w(TP)分别为92.95、370.75 mg/kg，w(AP)是CK组的9.43倍，w(TP)相比CK组，增加了54.06%. MOF-1组w(AP)和w(TP)均是施肥处理组中最低值. 长期(>5 a)施用化肥和中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥都增加了土壤中磷含量，短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥虽然可以大幅增加土壤中w(TP)，但对土壤中易利用的w(AP)没有显著影响.

图6 不同施肥方式对土壤中w(TP)和w(AP)的影响Fig.6 Effects of different fertilization methods on w(TP) and w(AP) in soil

2.4.3不同施肥方式对土壤钾的影响

钾作为作物必需的大量营养元素之一，对植物的生长、发育均起着重要的作用，由图7可见，LOF-5组的w(AK)和w(TK)最高，分别为871、6 270 mg/kg，w(AK)是CK组(257 mg/kg)的3.39倍，w(TK)相比CK组(5 370 mg/kg)增加了16.76%. MOF-1组和CF组的w(AK)和w(TK)均减少了，其中MOF-1组降低量小于CF组降低量. MOF-1组和CF组的w(AK)分别为200、125 mg/kg，相比CK组分别减少了22.18%、51.36%，MOF-1组和CF组的w(TK)分别为 4 930、1 930 mg/kg，相比CK组分别减少了8.19%、64.06%. 可见，中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥能够大幅增加土壤中w(TK)和w(AK)，有利于钾元素的固存. 与长期(>5 a)施用化肥相比，短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥可减缓土壤中钾的流失.

图7 不同施肥方式对土壤中w(TK)和w(AK)的影响Fig.7 Effects of different fertilization methods on w(TK) and w(AK) in soil

3 讨论

3.1 不同施肥方式对贫瘠土壤OM的影响

该研究发现中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥和短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥对w(OM)均有显著提升的作用，其中短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥会显著提升w(OM)，但引起的土壤碳素提升不稳定，需要较长时间的矿化稳定化过程. 餐厨垃圾生物有机肥富含糖类、蛋白质等有机物，短期内可以提高土壤活性有机碳的含量. 此外，餐厨垃圾生物有机肥也含有大量腐殖酸类大分子物质，在土壤中经过长期的积累和转化，可以形成土壤胶体物质，有利于土壤团粒结构的形成，在一定程度上可减少OM的矿化和流失，促进土壤OM积累，改善贫瘠土壤的土壤状况[11]. 而施用化肥对w(OM)提升效果并不明显，长期施用化肥，作物的根茬残留量较低，土壤ROC矿化分解，不利于贫瘠土壤w(OM)的提高[28-29].

3.2 不同施肥方式对贫瘠土壤活性有机碳的影响

该研究表明施用餐厨垃圾生物有机肥可增加土壤w(POC)，其中短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥对w(POC)提升效果最显著，是长期(>5 a)施用化肥的6.54倍. 一方面餐厨垃圾生物有机肥含有大量腐殖酸，可作为土壤胶结剂与部分砂粒结合，直接提供与POC组成相近的有机碳组分[30]；另一方面生物有机肥富含腐殖酸等有胶结作用的物质，可以改善土壤的结构，对POC的形成和转化有促进作用[31-32].

土壤ROC是土壤活性有机碳重要的组分之一，由于其循环速率快、稳定性差、易受到外界因素的影响从而造成碳损失[33]. 有研究[34]表明，长期施用化肥会增加土壤中难氧化有机碳的含量，不利于作物对有机碳的利用，导致土壤w(ROC)下降. 该研究发现，施用餐厨垃圾生物有机肥和化肥均可以增加土壤w(ROC)，但是增加的效果并不明显. 可能是由于餐厨垃圾生物有机肥含有速效小分子碳，可激发土壤微生物活性，加剧了土壤微生物矿化作用和作物吸收利用养分，导致土壤w(ROC)增加不明显[22]. 此外，长期(>5 a)施用生物有机肥可能使ROC向深层土壤迁移，有利于土壤的碳固定[35].

土壤DOC是在土壤微生物分泌代谢、OM分解和微生物死亡等过程产生的，是易被微生物分解利用的碳. 该研究表明，施用化肥和餐厨垃圾生物有机肥均可以增加土壤w(DOC)，其中短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥增加效果显著，是长期(>5 a)施用化肥的6.27倍. 生物有机肥和化肥均可以改变土壤中有效养分含量，促进作物根系生长发育，使根系分泌物和有机残体等归还量增加；而施用餐厨垃圾生物有机肥既增加了土壤有机碳库，其中的小分子有机物又激活了土壤功能微生物，经过微生物的分解代谢进一步释放出更多的DOC[34,36].

3.3 不同施肥方式对土壤水稳性团聚体的影响

该研究发现，中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥可以增加土壤中较大粒径团聚体的比例以及团聚体的稳定性. 餐厨垃圾生物有机肥中含有多糖、蛋白质等不稳定碳水化合物，可提高土壤微生物活性，而微生物代谢分解产生的腐殖酸、真菌菌丝和DOC，又可促进土壤小粒径团聚体胶结成大粒径团聚体. 中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥对团聚体结构和稳定性影响最明显，其大团聚体占比为66.83%，提高了土壤的团聚程度和稳定性，在一定程度上弥补了耕作对土壤团聚体的破坏[7,37-39]. 短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥对大团聚体含量和团聚体稳定性的影响并不显著，可能是施肥周期较短，主要提升了土壤中活性有机碳的含量，有利于促进土壤中小团聚体形成，而对大团聚体没有产生较大影响. 有研究[38]表明，化肥的施用对土壤中大团聚体含量和团聚体稳定性没有显著影响. 而该研究发现，化肥的施用也可增加土壤中大团聚体含量和团聚体稳定性可能是因为化肥可以促进作物生长，增加植物根系和落叶等有机物物料，促进土壤中真菌生长，有利于土壤团粒结构的形成[40].

3.4 不同施肥方式对土壤中养分含量的影响

氮是土壤中最为活跃的大量营养元素之一，也是植物需要量较大的营养元素[1]. 该研究发现，施用餐厨垃圾生物有机肥和化肥均可以增加土壤w(TN)，而短期(1 a)施用大量餐厨垃圾生物有机肥对w(AN)影响不显著，可能是由于有机肥的肥效缓释慢，营养物质需要经微生物进一步分解才能释放. 而中长期(5 a)施用少量餐厨垃圾生物有机肥可提高w(AN)，有利于激发土壤微生物对有机物质的矿化分解，进而促进土壤活性氮组分的增加[41-42]. 该研究表明，中长期(5 a)施用化肥可以显著增加土壤氮含量，因为化肥中主要为速效无机氮，施用后可以快速提高土壤中w(TN)和w(AN)，施用氮肥增加了根茬、根系和根分泌物的含量，从而增加了归还土壤的有机氮量[1]. 但过量施用化肥会导致土壤养分供应失衡，影响作物正常吸收利用，进而引起土壤盐分累积和土壤退化[43].

磷在促进植株体调节代谢、增强作物抗逆能力中起着重要作用[44]. 该研究发现，长期(>5 a)施用化肥可显著提高土壤w(AP)和w(TP). 但有研究[45]表明，土壤中95%以上的磷以非活性形式存在，磷肥当季作物的利用率仅为5%～25%，大部分转化为难溶性磷酸盐，且长期施用化肥的土壤对磷的吸附较强，新加入的磷很难被解吸出来，不利于作物的吸收利用. 而餐厨垃圾生物有机肥富含OM，OM在分解过程中产生的有机酸会竞争土壤中磷的吸附位，减少土壤对磷的固定，从而增强土壤磷的移动性和有效性[46-47].

该研究发现，长期施用化肥会加速土壤中钾的流失，而施用餐厨垃圾生物有机肥可以显著提高土壤w(AK)和w(TK). 主要是因为餐厨垃圾生物有机肥中腐殖酸含量高，其中富里酸可以溶出释放矿物质的钾[48]. 此外，生物有机肥中的胶体物质可以使团粒结构稳定，吸附更多解钾微生物，促进作物植物对钾的吸收利用，提高土壤中钾的可利用性[49].

综上，中长期(5 a)少量施用餐厨垃圾生物有机肥的生态环境效益最显著，可使0～15 cm表层土壤减少施用氮素 1 957.35 kg/hm2、磷素262.2 kg/hm2、钾素 2 413.13 kg/hm2. 以当地常年耕地面积为 36 544 hm2计，可减施氮素7.1×104t、磷素9.5×103t、钾素8.4×104t，相当于减少1.5×105t尿素、2.2×104t磷肥和1.8×105t钾肥的施用，共减少化肥施用量3.52×104t. 可见，中长期(5 a)施用餐厨垃圾生物有机肥进行贫瘠黄褐土改良，可显著削减化肥施用量，有效提升贫瘠黄褐土的肥力，减少土壤养分流失，缓解水体富营养化，是我国耕地土壤绿色可持续发展的施肥模式.