生活垃圾热水解产物对土壤养分和酶活性的影响

2021-08-06王振华吴娟宋建国白洁

农业环境科学学报 2021年7期

王振华，吴娟，宋建国，白洁

（1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛 266100；2.烟台市环境卫生管理中心，山东烟台 264000；3.青岛农业大学资源与环境学院，山东青岛 266109；4.烟台大学材料与环境学院，山东烟台 264005）

目前我国已全面开展城市生活垃圾分类，生活垃圾中有机组分可占其质量的37%～62%[1]，将其高效快速处理及资源化利用十分必要。堆肥技术是《农村生活垃圾处理技术导则》中推荐的有机固体废物处理及资源化的主要技术之一，但具有腐熟时间长、臭气二次污染等一系列问题。热水解工艺是在密闭容器中通入一定温度和压力的蒸汽，将垃圾中的有机组分在60 min内腐熟降解，同时杀灭虫卵、灭活种子，可实现有机固体废物的快速减量化和无害化，与好氧堆肥技术相比用时短、环境友好，具备较大优势。热水解产物富含有机质和营养元素，可增加土壤有机质，对改善土壤理化性质有着至关重要的作用[2−5]，具备明显的资源化利用前景。

国内已有少数学者开展了生活垃圾中有机组分的热水解技术研究。郭淑青等[6]将木质纤维类废物在较高温度（177 ℃）下进行热水解，得到的产物营养元素丰富，可安全应用于农业生产中，但其热水解温度过高，能耗大，在实际生产中难以实现。李海云等[7]考察了生活垃圾热水解温度对产物蛋白质含量的影响，发现在70～110 ℃范围内，蛋白质浓度随着热水解温度升高不断增加。李甲亮等[8]依托滨州市生活垃圾处理场热水解车间，采集营养土产品进行了肥效和安全性试验研究，发现热水解产物肥效显著且安全性较高。由此可见，有机类固体废物热水解工艺已得到较高认可，但目前对热水解产物施用后的土壤和作物响应、土壤肥力及生物特性、作物产量及品质等均缺少系统研究。本研究在烟台市生活垃圾处理场热水解工段采集热水解产物，通过盆栽试验考察了产物施用对作物品质和土壤养分及生物活性的影响，以期为生活垃圾分类背景下有机组分的资源化利用提供理论参考和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试生活垃圾热水解营养土取自烟台市生活垃圾处理场热水解工段（反应温度110 ℃，反应时间40 min），样品经过筛分（2 cm）后取筛下物备用。供试土壤取自青岛市城阳区周边农田耕层土壤（0～20 cm），经自然风干、研磨过筛（2 mm）后备用。供试土壤和营养土的基本理化性质见表1。盆栽试验选用北京宜才园农业科技推广有限公司选育的油麦菜种（油麦王，商标注册号3725810）。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

1.2 盆栽试验设置与样品采集

盆栽试验分为4 个处理组和1 个对照组（CK），每组3个平行。4个处理组营养土与土壤质量比分别为1∶14、1∶6、1∶4 和1∶3，分别标记为F1、F2、F3 和F4。将营养土和土壤按照设定比例分别混合均匀，取8 kg置于塑料花盆中（上口直径29.5 cm，下口直径25.5 cm，高22 cm，盆底有洞），每盆定植15株油麦菜，待油麦菜长出两片子叶时，间苗，每盆保留9株。盆栽置于人工温室，恒温26 ℃，根据土壤的干湿程度进行浇水，各处理的浇水量保持一致。油麦菜种植后在第0、10、20、30、40 d采集土壤样品，测定新鲜土壤样品的酶活性和风干土壤样品的养分含量。在种植后第40 d 收获油麦菜，并测定其根长、叶长、叶宽和鲜质量等生长指标。

1.3 样品测定方法

土壤pH、碱解氮、速效磷、速效钾和有机质分别采用电位法、碱解扩散法、碳酸氢钠法、醋酸铵−火焰光度计法和重铬酸钾容量法测定[9]。脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性分别采用苯酚−次氯酸钠比色法、高锰酸钾容量法、3，5−二硝基水杨酸比色法和磷酸苯二钠比色法测定[10]。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010 和SPSS 20 统计分析软件对于试验数据进行整理计算和分析，用OriginPro 8绘图软件绘图。

2 结果与讨论

2.1 营养土对土壤中养分的影响

2.1.1 营养土对土壤碱解氮含量的影响

垃圾热水解营养土对土壤碱解氮含量的影响如图1 所示。土壤碱解氮是植物能够直接或间接吸收与利用的有效氮，很大程度上体现了土壤供应氮素养分的状况。与CK 相比，施加营养土均不同程度提高了土壤碱解氮含量，其变化规律为F4>F3>F2>F1>CK；在第10 d 之后除CK 外，各处理土壤中碱解氮的含量有明显跃升，在第30 d 时达到最大值，CK、F1、F2、F3、F4碱解氮的数值分别达到56.78、77.36、82.37、97.94 mg·kg−1和114.14 mg·kg−1，F1、F2、F3 和F4 处理比CK 处理高出36.25%、45.07%、72.49%和101.02%。营养土的施加对处理F1、F2、F3、F4 的碱解氮含量起到积极作用[11]，第40 d比第30 d除CK 外，各处理碱解氮含量略有下降，这是因为碱解氮含量随着生育期推进会逐渐降低[12]。

2.1.2 营养土对土壤速效磷含量的影响

各试验处理对土壤速效磷含量的影响如图2 所示。在油麦菜生长期内的各时间段，施加营养土的土壤速效磷含量均大于CK 处理，说明施加营养土能提高土壤中速效磷含量。不同处理土壤中速效磷含量总体呈先上升后下降的趋势，第10～30 d较高，第40 d各施营养土处理比CK 分别高21.16%、10.26%、23.08%、46.16%，与第0 d 时相同处理土壤中速效磷含量差别较小。同一处理第40 d 速效磷的含量低于第0 d 含量，主要由于在成熟期油麦菜对养分的需求增加[13]。

2.1.3 营养土对土壤速效钾含量的影响

各试验处理对土壤速效钾含量的影响如图3所示。在油麦菜40 d的生长期内，相同天数，施加营养土的处理土壤中速效钾含量均大于CK处理，说明施营养土能提高土壤中速效钾的含量；不同处理土壤中速效钾含量呈现出0～10 d降低，10～30 d升高，30 d后降低的趋势。速效钾最大值出现在30 d时的F4处理，最大值为312.18 mg·kg−1，在20～30 d时增加最为显著，最大增加量为F3处理，比20 d时增加了155%，出现这种现象说明营养土的投加可以促进速效钾的有效产生[14]。

2.2 营养土对土壤酶活性的影响

2.2.1 营养土对土壤过氧化氢酶活性的影响

土壤酶主要来自土壤微生物和植物根系，而微生物和植物生长状况均与土壤肥力特征关系密切。施加营养土对土壤过氧化氢酶活性的影响如图4 所示。过氧化氢酶参与土壤中的微生物物质代谢，促进土壤和生物体内过氧化氢的分解，解除呼吸过程产生的过氧化氢对植物的危害[15−16]。不同处理土壤中过氧化氢酶活性在0～20 d 呈上升趋势，且增加显著，此时油麦菜生长迅速，各处理在第20 d时土壤过氧化氢酶活性均最高，最大值出现在F4 处理，比同天数CK 高出77.78%；40 d时不同处理土壤中过氧化氢酶活性呈现F3>F2>F1>F4>CK 的规律，各处理土壤中过氧化氢酶活性均大于CK处理，且营养土施加量越高的处理，土壤过氧化氢酶活性越高，说明施加该营养土能有效提高土壤过氧化氢酶活性。

2.2.2 营养土对土壤脲酶活性的影响

施加营养土对土壤中脲酶活性的影响如图5 所示。脲酶能水解有机物分子中的肽键，其活性是对土壤有机态氮转换成有效态氮的能力的有效反映[17−18]。0～30 d不同处理土壤中脲酶活性增长显著，在第10 d不同处理下脲酶活性较第0 d 分别增加了96.9%、61.31%、101.25%、124.76%、131.65%，油麦菜在30 d前生长旺盛，在30～40 d 不同处理土壤中脲酶活性虽出现不同程度的下降，但40 d时不同处理土壤中脲酶活性仍远高于0 d 时土壤中脲酶活性，说明不同处理土壤中脲酶活性随该营养土的施加量的增加而上升，脲酶的增加加速了土壤中尿素的转化，增加土壤中可供作物利用的氮素，促进作物生长。

2.2.3 营养土对土壤蔗糖酶活性的影响

施加营养土对土壤中蔗糖酶活性的影响如图6所示。蔗糖酶可促进蔗糖向单糖的转化[19]，提供给土壤微生物活动能量[20−21]。在油麦菜生长期内，各处理土壤中蔗糖酶活性均大于CK 处理，说明该营养土有提高土壤中蔗糖酶活性的作用，F1、F2、F3、F4 在0～10 d 蔗糖酶活性较CK 处理显著增加，随营养土施加量的增加，第10 d 蔗糖酶活性比第0 d 分别增加24.7%、45.3%、62.7%、60.9%，除CK 处理外，各不同处理的峰值期均出现在第10 d，此时油麦菜快速生长，在第10 d后不同处理土壤中蔗糖酶活性均出现下降，但都高于相同天数的CK 处理。第40 d 时，蔗糖酶活性最大值为F4 处理的37.55 mg·g−1，比CK 高44.12%。说明施加该营养土在初期能显著提高土壤中蔗糖酶活性。

2.2.4 营养土对土壤磷酸酶活性的影响

磷酸酶与土壤中磷的转化密切相关[15]，施加营养土对土壤中磷酸酶活性的影响如图7 所示。盆栽油麦菜经过40 d的生长期，不同处理的土壤磷酸酶活性变化趋势相似，呈现出在0～30 d 增加，在30～40 d 降低的趋势。在0～30 d 不同处理土壤中磷酸酶活性均处于增加状态，在30 d 时达到峰值期，最大值出现在F2 处理，为5.93µg·g−1，比CK 处理高28.52%，各处理磷酸酶活性差别较小，在20～30 d 不同处理土壤中磷酸酶活性增加最显著。在相同天数下，不同处理土壤中磷酸酶活性差异较小，说明在油麦菜生长期内，不同施营养土处理土壤供给有效磷的强度不同，但是各处理土壤中酶活性差别较小。

2.3 土壤养分与酶活性相关性分析

土壤养分和土壤中酶活性的相关性分析如表2所示。除磷酸酶外，土壤养分与酶活性之间存在正相关，施该营养土后，土壤养分与酶活性之间存在相互促进作用，其中过氧化氢酶与碱解氮和速效钾之间相关性极显著，与速效磷相关性显著；脲酶与碱解氮相关性显著，与速效钾之间相关性极显著，与速效磷不存在相关性；蔗糖酶与土壤养分的相关性规律与过氧化氢酶的规律一致，磷酸酶与土壤养分不具有相关性。研究表明，土壤肥力水平在很大程度上受土壤酶影响[22]。酶是土壤生态系统生物地球化学循环过程的重要驱动力，在土壤有机质转化、养分释放和肥力维持等方面具有不可替代的作用[23]。施加营养土提高了土壤中的过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶等多种酶的活性，对土壤中养分的转化、有效性的提高有密切的关系。作为土壤质量的重要指示，土壤酶活性可以作为衡量土壤肥力的指标[22]，被广泛用于施肥措施等对土壤营养物质循环和土壤肥力状况影响的评价。

表2 土壤养分和土壤酶活性之间的相关性Table 2 Correlation between soil nutrients and soil enzyme activities

2.4 施垃圾热水解营养土对油麦菜生长特征的影响

施加垃圾热水解营养土对油麦菜生长指标的影响如表3 所示。随着营养土施加量的增加，油麦菜的叶长、叶宽和鲜质量增加，但是对油麦菜根长的影响不显著。F1 与CK 相比对油麦菜叶长的影响无显著性差异，F2、F3、F4与CK 相比显著增加了油麦菜的叶长，分别增加了5.89%、8.86%和17.91%；与CK 相比，F1、F2、F3、F4 处理均显著增加了油麦菜的叶宽和鲜质量。其中F4 处理相比CK 使油麦菜的叶宽和鲜质量分别增加了28.13%和57.69%。营养土施加比例的提高，提高了土壤中供植物所需要的养分含量，增加了土壤酶活性，从而增加了油麦菜产量。