生活垃圾熱水解產(chǎn)物對土壤養(yǎng)分和酶活性的影響

王振華，吳娟，宋建國，白潔

（1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.煙臺(tái)市環(huán)境衛(wèi)生管理中心，山東 煙臺(tái) 264000；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；4.煙臺(tái)大學(xué)材料與環(huán)境學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005）

目前我國已全面開展城市生活垃圾分類，生活垃圾中有機(jī)組分可占其質(zhì)量的37%～62%[1]，將其高效快速處理及資源化利用十分必要。堆肥技術(shù)是《農(nóng)村生活垃圾處理技術(shù)導(dǎo)則》中推薦的有機(jī)固體廢物處理及資源化的主要技術(shù)之一，但具有腐熟時(shí)間長、臭氣二次污染等一系列問題。熱水解工藝是在密閉容器中通入一定溫度和壓力的蒸汽，將垃圾中的有機(jī)組分在60 min內(nèi)腐熟降解，同時(shí)殺滅蟲卵、滅活種子，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)固體廢物的快速減量化和無害化，與好氧堆肥技術(shù)相比用時(shí)短、環(huán)境友好，具備較大優(yōu)勢。熱水解產(chǎn)物富含有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素，可增加土壤有機(jī)質(zhì)，對改善土壤理化性質(zhì)有著至關(guān)重要的作用[2?5]，具備明顯的資源化利用前景。

國內(nèi)已有少數(shù)學(xué)者開展了生活垃圾中有機(jī)組分的熱水解技術(shù)研究。郭淑青等[6]將木質(zhì)纖維類廢物在較高溫度（177 ℃）下進(jìn)行熱水解，得到的產(chǎn)物營養(yǎng)元素豐富，可安全應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但其熱水解溫度過高，能耗大，在實(shí)際生產(chǎn)中難以實(shí)現(xiàn)。李海云等[7]考察了生活垃圾熱水解溫度對產(chǎn)物蛋白質(zhì)含量的影響，發(fā)現(xiàn)在70～110 ℃范圍內(nèi)，蛋白質(zhì)濃度隨著熱水解溫度升高不斷增加。李甲亮等[8]依托濱州市生活垃圾處理場熱水解車間，采集營養(yǎng)土產(chǎn)品進(jìn)行了肥效和安全性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)熱水解產(chǎn)物肥效顯著且安全性較高。由此可見，有機(jī)類固體廢物熱水解工藝已得到較高認(rèn)可，但目前對熱水解產(chǎn)物施用后的土壤和作物響應(yīng)、土壤肥力及生物特性、作物產(chǎn)量及品質(zhì)等均缺少系統(tǒng)研究。本研究在煙臺(tái)市生活垃圾處理場熱水解工段采集熱水解產(chǎn)物，通過盆栽試驗(yàn)考察了產(chǎn)物施用對作物品質(zhì)和土壤養(yǎng)分及生物活性的影響，以期為生活垃圾分類背景下有機(jī)組分的資源化利用提供理論參考和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試生活垃圾熱水解營養(yǎng)土取自煙臺(tái)市生活垃圾處理場熱水解工段（反應(yīng)溫度110 ℃，反應(yīng)時(shí)間40 min），樣品經(jīng)過篩分（2 cm）后取篩下物備用。供試土壤取自青島市城陽區(qū)周邊農(nóng)田耕層土壤（0～20 cm），經(jīng)自然風(fēng)干、研磨過篩（2 mm）后備用。供試土壤和營養(yǎng)土的基本理化性質(zhì)見表1。盆栽試驗(yàn)選用北京宜才園農(nóng)業(yè)科技推廣有限公司選育的油麥菜種（油麥王，商標(biāo)注冊號(hào)3725810）。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

1.2 盆栽試驗(yàn)設(shè)置與樣品采集

盆栽試驗(yàn)分為4 個(gè)處理組和1 個(gè)對照組（CK），每組3個(gè)平行。4個(gè)處理組營養(yǎng)土與土壤質(zhì)量比分別為1∶14、1∶6、1∶4 和1∶3，分別標(biāo)記為F1、F2、F3 和F4。將營養(yǎng)土和土壤按照設(shè)定比例分別混合均勻，取8 kg置于塑料花盆中（上口直徑29.5 cm，下口直徑25.5 cm，高22 cm，盆底有洞），每盆定植15株油麥菜，待油麥菜長出兩片子葉時(shí)，間苗，每盆保留9株。盆栽置于人工溫室，恒溫26 ℃，根據(jù)土壤的干濕程度進(jìn)行澆水，各處理的澆水量保持一致。油麥菜種植后在第0、10、20、30、40 d采集土壤樣品，測定新鮮土壤樣品的酶活性和風(fēng)干土壤樣品的養(yǎng)分含量。在種植后第40 d 收獲油麥菜，并測定其根長、葉長、葉寬和鮮質(zhì)量等生長指標(biāo)。

1.3 樣品測定方法

土壤pH、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)分別采用電位法、堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉法、醋酸銨?火焰光度計(jì)法和重鉻酸鉀容量法測定[9]。脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和磷酸酶活性分別采用苯酚?次氯酸鈉比色法、高錳酸鉀容量法、3，5?二硝基水楊酸比色法和磷酸苯二鈉比色法測定[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010 和SPSS 20 統(tǒng)計(jì)分析軟件對于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算和分析，用OriginPro 8繪圖軟件繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 營養(yǎng)土對土壤中養(yǎng)分的影響

2.1.1 營養(yǎng)土對土壤堿解氮含量的影響

垃圾熱水解營養(yǎng)土對土壤堿解氮含量的影響如圖1 所示。土壤堿解氮是植物能夠直接或間接吸收與利用的有效氮，很大程度上體現(xiàn)了土壤供應(yīng)氮素養(yǎng)分的狀況。與CK 相比，施加營養(yǎng)土均不同程度提高了土壤堿解氮含量，其變化規(guī)律為F4>F3>F2>F1>CK；在第10 d 之后除CK 外，各處理土壤中堿解氮的含量有明顯躍升，在第30 d 時(shí)達(dá)到最大值，CK、F1、F2、F3、F4堿解氮的數(shù)值分別達(dá)到56.78、77.36、82.37、97.94 mg·kg?1和114.14 mg·kg?1，F(xiàn)1、F2、F3 和F4 處理比CK 處理高出36.25%、45.07%、72.49%和101.02%。營養(yǎng)土的施加對處理F1、F2、F3、F4 的堿解氮含量起到積極作用[11]，第40 d比第30 d除CK 外，各處理堿解氮含量略有下降，這是因?yàn)閴A解氮含量隨著生育期推進(jìn)會(huì)逐漸降低[12]。

2.1.2 營養(yǎng)土對土壤速效磷含量的影響

各試驗(yàn)處理對土壤速效磷含量的影響如圖2 所示。在油麥菜生長期內(nèi)的各時(shí)間段，施加營養(yǎng)土的土壤速效磷含量均大于CK 處理，說明施加營養(yǎng)土能提高土壤中速效磷含量。不同處理土壤中速效磷含量總體呈先上升后下降的趨勢，第10～30 d較高，第40 d各施營養(yǎng)土處理比CK 分別高21.16%、10.26%、23.08%、46.16%，與第0 d 時(shí)相同處理土壤中速效磷含量差別較小。同一處理第40 d 速效磷的含量低于第0 d 含量，主要由于在成熟期油麥菜對養(yǎng)分的需求增加[13]。

2.1.3 營養(yǎng)土對土壤速效鉀含量的影響

各試驗(yàn)處理對土壤速效鉀含量的影響如圖3所示。在油麥菜40 d的生長期內(nèi)，相同天數(shù)，施加營養(yǎng)土的處理土壤中速效鉀含量均大于CK處理，說明施營養(yǎng)土能提高土壤中速效鉀的含量；不同處理土壤中速效鉀含量呈現(xiàn)出0～10 d降低，10～30 d升高，30 d后降低的趨勢。速效鉀最大值出現(xiàn)在30 d時(shí)的F4處理，最大值為312.18 mg·kg?1，在20～30 d時(shí)增加最為顯著，最大增加量為F3處理，比20 d時(shí)增加了155%，出現(xiàn)這種現(xiàn)象說明營養(yǎng)土的投加可以促進(jìn)速效鉀的有效產(chǎn)生[14]。

2.2 營養(yǎng)土對土壤酶活性的影響

2.2.1 營養(yǎng)土對土壤過氧化氫酶活性的影響

土壤酶主要來自土壤微生物和植物根系，而微生物和植物生長狀況均與土壤肥力特征關(guān)系密切。施加營養(yǎng)土對土壤過氧化氫酶活性的影響如圖4 所示。過氧化氫酶參與土壤中的微生物物質(zhì)代謝，促進(jìn)土壤和生物體內(nèi)過氧化氫的分解，解除呼吸過程產(chǎn)生的過氧化氫對植物的危害[15?16]。不同處理土壤中過氧化氫酶活性在0～20 d 呈上升趨勢，且增加顯著，此時(shí)油麥菜生長迅速，各處理在第20 d時(shí)土壤過氧化氫酶活性均最高，最大值出現(xiàn)在F4 處理，比同天數(shù)CK 高出77.78%；40 d時(shí)不同處理土壤中過氧化氫酶活性呈現(xiàn)F3>F2>F1>F4>CK 的規(guī)律，各處理土壤中過氧化氫酶活性均大于CK處理，且營養(yǎng)土施加量越高的處理，土壤過氧化氫酶活性越高，說明施加該營養(yǎng)土能有效提高土壤過氧化氫酶活性。

2.2.2 營養(yǎng)土對土壤脲酶活性的影響

施加營養(yǎng)土對土壤中脲酶活性的影響如圖5 所示。脲酶能水解有機(jī)物分子中的肽鍵，其活性是對土壤有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)換成有效態(tài)氮的能力的有效反映[17?18]。0～30 d不同處理土壤中脲酶活性增長顯著，在第10 d不同處理下脲酶活性較第0 d 分別增加了96.9%、61.31%、101.25%、124.76%、131.65%，油麥菜在30 d前生長旺盛，在30～40 d 不同處理土壤中脲酶活性雖出現(xiàn)不同程度的下降，但40 d時(shí)不同處理土壤中脲酶活性仍遠(yuǎn)高于0 d 時(shí)土壤中脲酶活性，說明不同處理土壤中脲酶活性隨該營養(yǎng)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轉(zhuǎn)化，增加土壤中可供作物利用的氮素，促進(jìn)作物生長。

2.2.3 營養(yǎng)土對土壤蔗糖酶活性的影響

施加營養(yǎng)土對土壤中蔗糖酶活性的影響如圖6所示。蔗糖酶可促進(jìn)蔗糖向單糖的轉(zhuǎn)化[19]，提供給土壤微生物活動(dòng)能量[20?21]。在油麥菜生長期內(nèi)，各處理土壤中蔗糖酶活性均大于CK 處理，說明該營養(yǎng)土有提高土壤中蔗糖酶活性的作用，F(xiàn)1、F2、F3、F4 在0～10 d 蔗糖酶活性較CK 處理顯著增加，隨營養(yǎng)土施加量的增加，第10 d 蔗糖酶活性比第0 d 分別增加24.7%、45.3%、62.7%、60.9%，除CK 處理外，各不同處理的峰值期均出現(xiàn)在第10 d，此時(shí)油麥菜快速生長，在第10 d后不同處理土壤中蔗糖酶活性均出現(xiàn)下降，但都高于相同天數(shù)的CK 處理。第40 d 時(shí)，蔗糖酶活性最大值為F4 處理的37.55 mg·g?1，比CK 高44.12%。說明施加該營養(yǎng)土在初期能顯著提高土壤中蔗糖酶活性。

2.2.4 營養(yǎng)土對土壤磷酸酶活性的影響

磷酸酶與土壤中磷的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)[15]，施加營養(yǎng)土對土壤中磷酸酶活性的影響如圖7 所示。盆栽油麥菜經(jīng)過40 d的生長期，不同處理的土壤磷酸酶活性變化趨勢相似，呈現(xiàn)出在0～30 d 增加，在30～40 d 降低的趨勢。在0～30 d 不同處理土壤中磷酸酶活性均處于增加狀態(tài)，在30 d 時(shí)達(dá)到峰值期，最大值出現(xiàn)在F2 處理，為5.93μg·g?1，比CK 處理高28.52%，各處理磷酸酶活性差別較小，在20～30 d 不同處理土壤中磷酸酶活性增加最顯著。在相同天數(shù)下，不同處理土壤中磷酸酶活性差異較小，說明在油麥菜生長期內(nèi)，不同施營養(yǎng)土處理土壤供給有效磷的強(qiáng)度不同，但是各處理土壤中酶活性差別較小。

2.3 土壤養(yǎng)分與酶活性相關(guān)性分析

土壤養(yǎng)分和土壤中酶活性的相關(guān)性分析如表2所示。除磷酸酶外，土壤養(yǎng)分與酶活性之間存在正相關(guān)，施該營養(yǎng)土后，土壤養(yǎng)分與酶活性之間存在相互促進(jìn)作用，其中過氧化氫酶與堿解氮和速效鉀之間相關(guān)性極顯著，與速效磷相關(guān)性顯著；脲酶與堿解氮相關(guān)性顯著，與速效鉀之間相關(guān)性極顯著，與速效磷不存在相關(guān)性；蔗糖酶與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性規(guī)律與過氧化氫酶的規(guī)律一致，磷酸酶與土壤養(yǎng)分不具有相關(guān)性。研究表明，土壤肥力水平在很大程度上受土壤酶影響[22]。酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)過程的重要驅(qū)動(dòng)力，在土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分釋放和肥力維持等方面具有不可替代的作用[23]。施加營養(yǎng)土提高了土壤中的過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶等多種酶的活性，對土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、有效性的提高有密切的關(guān)系。作為土壤質(zhì)量的重要指示，土壤酶活性可以作為衡量土壤肥力的指標(biāo)[22]，被廣泛用于施肥措施等對土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和土壤肥力狀況影響的評價(jià)。

表2 土壤養(yǎng)分和土壤酶活性之間的相關(guān)性Table 2 Correlation between soil nutrients and soil enzyme activities

2.4 施垃圾熱水解營養(yǎng)土對油麥菜生長特征的影響

施加垃圾熱水解營養(yǎng)土對油麥菜生長指標(biāo)的影響如表3 所示。隨著營養(yǎng)土施加量的增加，油麥菜的葉長、葉寬和鮮質(zhì)量增加，但是對油麥菜根長的影響不顯著。F1 與CK 相比對油麥菜葉長的影響無顯著性差異，F(xiàn)2、F3、F4與CK 相比顯著增加了油麥菜的葉長，分別增加了5.89%、8.86%和17.91%；與CK 相比，F(xiàn)1、F2、F3、F4 處理均顯著增加了油麥菜的葉寬和鮮質(zhì)量。其中F4 處理相比CK 使油麥菜的葉寬和鮮質(zhì)量分別增加了28.13%和57.69%。營養(yǎng)土施加比例的提高，提高了土壤中供植物所需要的養(yǎng)分含量，增加了土壤酶活性，從而增加了油麥菜產(chǎn)量。

表3 各處理油麥菜生長指標(biāo)Table 3 Growth indexes of each treatment

3 結(jié)論

（1）施加生活垃圾熱水解后的營養(yǎng)土可以提高油麥菜種植中土壤的堿解氮、速效磷和速效鉀含量，其中對堿解氮的含量增加顯著。

（2）施加生活垃圾熱水解后的營養(yǎng)土能提高土壤中過氧化氫酶活性、脲酶活性和蔗糖酶活性，對土壤磷酸酶活性無顯著影響。

（3）相關(guān)性分析表明，土壤中磷酸酶活性與土壤養(yǎng)分之間不具有相關(guān)性，過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性與土壤養(yǎng)分存在正相關(guān)。

（4）施加生活垃圾熱水解營養(yǎng)土能增加油麥菜的葉長、葉寬和鮮質(zhì)量，具備提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)的潛在應(yīng)用前景。