園林綠化廢棄物堆肥用作屋頂綠化栽培基質(zhì)的效果

王 浩 ，王 繁 b*，周根娣

(杭州師范大學(xué)a.生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，b.生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與恢復(fù)杭州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 3 10036)

屋頂綠化不僅能夠美化城市環(huán)境，而且可以緩解城市熱島效應(yīng)、降低空氣中的懸浮顆粒物濃度，是生態(tài)城市建設(shè)的重要發(fā)展方向之一。世界上屋頂綠化水平發(fā)展較高的國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本、新加坡等，對(duì)屋頂綠化技術(shù)已有較深入的研究，并形成了一整套相對(duì)完善的工程技術(shù)和法律法規(guī)［1-2］。栽培介質(zhì)是屋頂綠化成功的關(guān)鍵因素之一。優(yōu)良的屋頂綠化栽培介質(zhì)具有容重小、植物容易成活、保水保肥能力強(qiáng)等特點(diǎn)［3］。國(guó)內(nèi)外通常用于屋頂綠化植物生長(zhǎng)的介質(zhì)材料，按其來(lái)源可分為三類(lèi)，即自然土壤、經(jīng)添加調(diào)理劑的改良土壤和栽培基質(zhì)［4］。泥炭是一種優(yōu)良的屋頂綠化栽培基質(zhì)，但泥炭是不可再生資源，大量開(kāi)采將造成生態(tài)環(huán)境的破壞。目前世界各國(guó)都在研究泥炭的替代物，其中將各種有機(jī)垃圾進(jìn)行資源化再利用，已經(jīng)成為屋頂綠化栽培基質(zhì)研發(fā)的重要方向之一，如用鋸末、牛糞和葡萄渣，以及椰子殼等制備的栽培基質(zhì)均獲得良好應(yīng)用效果［5-6］。

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市園林綠化將產(chǎn)生大量的廢棄物，包括枯枝落葉、樹(shù)枝和草坪修剪物及其他綠化廢棄物等。園林綠化廢棄物通常主要通過(guò)焚燒和填埋處理，這種處理方式不僅污染環(huán)境，而且也造成潛在資源的浪費(fèi)。另外，城市生活污水處理廠的污泥中含有較高的有機(jī)質(zhì)等植物生長(zhǎng)需要的多種營(yíng)養(yǎng)元素，也是重要的有機(jī)肥源［7］。國(guó)內(nèi)對(duì)于園林綠化廢棄物和生活污泥的資源化利用已有相關(guān)報(bào)道。例如，丁武泉等［8］認(rèn)為，園林綠化所用的污泥不進(jìn)入食物鏈，對(duì)人類(lèi)健康不構(gòu)成威脅，是污泥利用的重要方向;吳衛(wèi)紅等［9］認(rèn)為，我國(guó)對(duì)園林綠化廢棄物的資源化利用正處于起步階段，雖然部分省市做了有益的嘗試，但產(chǎn)業(yè)鏈條尚未形成。目前，國(guó)內(nèi)外將園林綠化廢棄物和生活污泥這2種主要城市有機(jī)廢棄物混合堆肥處理，并且用于屋頂綠化栽培基質(zhì)的研究相對(duì)較少。

基于國(guó)內(nèi)外屋頂綠化栽培基質(zhì)的研究現(xiàn)狀，本研究以園林綠化廢棄物為主要原料，添加城市生活污泥進(jìn)行高溫好氧堆肥，利用腐熟堆肥與珍珠巖混合配制屋頂綠化栽培基質(zhì)，進(jìn)行佛甲草栽培試驗(yàn)，比較不同配比堆肥基質(zhì)、園土和草炭的栽培效果，探討堆肥基質(zhì)替代園土和草炭的可行性，并且探索一種容重小，持水能力強(qiáng)，營(yíng)養(yǎng)豐富，成本低廉的屋頂綠化栽培基質(zhì)生產(chǎn)配方。

1 材料和方法

1.1 園林綠化廢棄物堆肥試驗(yàn)

1.1.1 堆肥材料

園林綠化廢棄物又稱(chēng)為“綠色垃圾”，是園林植物自然凋落或人工修剪所產(chǎn)生的枯枝、落葉、草屑、花敗、樹(shù)木與灌木剪枝及其他植物殘?bào)w等［10］。本試驗(yàn)采用的園林綠化廢棄物來(lái)自城市道路綠化定期修剪下來(lái)的枝葉，生活污泥來(lái)自于城市生活污水處理廠。堆肥前先用粉碎機(jī)將園林廢棄物處理成粒度小于5 mm的顆粒狀，城市生活污泥不需要預(yù)處理。表1為2種堆肥材料的基本理化性質(zhì)。

表1 堆肥材料的基本理化性質(zhì)

1.1.2 堆肥設(shè)備

采用自制小型堆肥反應(yīng)器控制堆肥試驗(yàn)。反應(yīng)器為立式圓筒形，采用厚度10 mm的有機(jī)玻璃制成，圓筒直徑40 cm，高85 cm，容積約100 L。反應(yīng)器從頂部進(jìn)料，頂部蓋子中心有一個(gè)透氣孔。反應(yīng)器底部有通氣管和滲濾液排出孔，與通氣管依次相連的是氣體流量計(jì)、氣泵和定時(shí)器，能夠?yàn)榉磻?yīng)器定時(shí)定量通風(fēng)供氧。距反應(yīng)器底部5 cm處有一透氣隔板，將堆料與通氣管隔開(kāi)。反應(yīng)器的筒壁上有測(cè)溫孔，方便定時(shí)測(cè)量堆肥內(nèi)部溫度。

1.1.3 堆肥方法

根據(jù)園林綠化廢棄物和生活污泥的基本理化性質(zhì)，將2種材料按重量比6∶5的比例放入攪拌器攪拌均勻，調(diào)節(jié)堆肥材料初始碳氮比 (C/N)約為26，含水率約60%左右，在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行好氧堆肥。堆肥過(guò)程每天定時(shí)觀察測(cè)溫，并且根據(jù)溫度變化，采用變流量循環(huán)通風(fēng)方式。堆肥初始通風(fēng)流速為240 L·h-1，第1次翻堆后增至280 L·h-1，第2次翻堆后減至260 L·h-1，第3次翻堆后繼續(xù)減至240 L·h-1，并保持穩(wěn)定，這樣既可以保障足夠的供氧，也能夠避免反應(yīng)器內(nèi)堆體溫度超過(guò)60℃。堆肥試驗(yàn)周期40 d，在第4，7，14，21，28，35天進(jìn)行翻堆并且采樣，根據(jù)堆肥的溫度、pH、電導(dǎo)度 (EC)和C/N判斷堆肥的腐熟程度。

1.2 佛甲草栽培試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 栽培材料

栽培材料有腐熟堆肥、草炭、園土和珍珠巖。其中園土來(lái)自郊區(qū)菜園，經(jīng)風(fēng)干磨碎后過(guò)2 mm篩孔。草炭和珍珠巖從市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。將腐熟堆肥和珍珠巖按一定比例用攪拌器混合均勻制成栽培基質(zhì)。表2為不同處理栽培基質(zhì)的配方比例。

表2 栽培基質(zhì)配方比例

1.2.2 栽培方法

采用種植箱進(jìn)行佛甲草栽培試驗(yàn)。種植箱長(zhǎng)和寬均為50 cm，高20 cm，箱內(nèi)分別鋪裝厚度15 cm的栽培基質(zhì)，每個(gè)處理裝一個(gè)種植箱，將長(zhǎng)約8 cm的佛甲草細(xì)枝插入栽培基質(zhì)中，每個(gè)種植箱扦插15株×15株佛甲草。栽培試驗(yàn)開(kāi)始后每天稱(chēng)量每個(gè)處理基質(zhì)的重量，每日澆水量根據(jù)前一日的基質(zhì)重量與當(dāng)日基質(zhì)重量的差值來(lái)確定，保證栽培基質(zhì)維持穩(wěn)定的水分。栽培試驗(yàn)設(shè)計(jì)為40 d。

1.3 樣品指標(biāo)測(cè)試

堆肥試驗(yàn)部分。堆肥開(kāi)始前測(cè)出園林廢棄物和污泥的pH、EC、含水率、含碳量、含氮量;堆肥結(jié)束后將采集的堆肥樣品風(fēng)干磨碎，并測(cè)量pH值、EC、含碳量、含氮量、含磷量、465 nm和665 nm波長(zhǎng)處吸光度等指標(biāo)［11］。

栽培試驗(yàn)部分。種植前測(cè)量栽培基質(zhì)的容重、pH、EC、含氮量、含磷量、有機(jī)質(zhì)含量、孔隙度等［12］;種植后觀察測(cè)量佛甲草的分枝數(shù)、枝長(zhǎng)、葉數(shù)、葉寬、葉長(zhǎng)、株鮮重、株干重、含碳量、含氮量和葉綠素含量等植物生理指標(biāo)［13］。

2 結(jié)果與討論

2.1 園林綠化廢棄物與污泥混合堆肥效果

2.1.1 堆肥過(guò)程溫度變化情況

溫度是反映堆肥效果的重要指標(biāo)之一。本次堆肥試驗(yàn)第2天的溫度即達(dá)到51℃，并且維持50℃以上高溫達(dá)到9 d(圖1)。從圖1可以看出，第1次和第2次翻堆后溫度能夠維持在50℃以上，說(shuō)明堆肥前期反應(yīng)非常劇烈;第3和4次翻堆后溫度有明顯的上升，說(shuō)明堆肥材料還有一部分沒(méi)反應(yīng)，翻堆取得了良好效果;第5和6次翻堆后溫度上升不明顯，說(shuō)明堆肥材料基本反應(yīng)完全，堆體進(jìn)入后期腐熟階段。

圖1 堆肥過(guò)程溫度變化

堆肥在高溫50～60℃階段能夠?qū)⒋蠖鄶?shù)致病菌殺死。國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求堆肥維持在50～55℃的高溫期為5 d，或者維持55℃以上高溫期至少3 d［14］。由此可見(jiàn)，本次堆肥試驗(yàn)的溫度指標(biāo)滿(mǎn)足堆肥國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 堆肥過(guò)程pH值變化情況

pH值是評(píng)價(jià)堆肥腐熟程度的重要指標(biāo)之一［15］。本次堆肥試驗(yàn)pH變化趨勢(shì)為先下降再逐漸升高，最后趨于穩(wěn)定，且呈弱堿性 (圖2)。堆肥第1周pH值降低是因?yàn)槎逊食跗谖⑸锓磻?yīng)劇烈，產(chǎn)生了大量有機(jī)酸，而高溫和通風(fēng)不足使有機(jī)酸大量揮發(fā)，一部分留在堆體中使 pH降低［16］;第1周之后堆肥pH值緩慢升高，主要原因是含氮物質(zhì)不斷分解產(chǎn)生氨，使得堆體pH值不斷升高;堆肥后期pH值穩(wěn)定在弱堿性，此時(shí)堆體進(jìn)入穩(wěn)定階段［17］。

2.1.3 堆肥過(guò)程EC變化情況

圖2 堆肥過(guò)程pH值變化

堆肥的EC值反映了浸提液中的離子總濃度，主要是由有機(jī)酸鹽類(lèi)和無(wú)機(jī)鹽等組成，對(duì)于植物生長(zhǎng)具有重要影響。研究表明，當(dāng)堆肥的EC值小于9.0 mS·cm-1，對(duì)種子發(fā)芽沒(méi)有抑制作用［18］。本次堆肥過(guò)程EC先升高后降低，最后趨于穩(wěn)定 (圖3)。堆肥初期微生物活動(dòng)劇烈，產(chǎn)生大量有機(jī)酸和各種離子，如NH+4、HCO-3、H+等，導(dǎo)致EC值升高;隨著堆肥反應(yīng)不斷進(jìn)行，腐殖質(zhì)大量產(chǎn)生，小分子有機(jī)酸開(kāi)始分解，NH+4、HCO-3等無(wú)機(jī)離子生成NH3、CO2離開(kāi)堆體，EC值逐漸降低;堆肥后期EC值處于相對(duì)穩(wěn)定階段，此時(shí)主要是一些難揮發(fā)的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)起主導(dǎo)作用。

圖3 堆肥過(guò)程EC變化

2.1.4 堆肥過(guò)程C/N變化情況

研究認(rèn)為，腐熟堆肥的碳氮比在理論上趨于微生物菌體的碳氮比［11］。當(dāng)堆肥初始C/N比由25～30降至15～20時(shí)，就可以初步判定堆肥腐熟，而且未腐熟的堆肥施入土壤中會(huì)造成氮饑餓，影響土壤肥力［19］。本次堆肥過(guò)程 C/N呈下降趨勢(shì) (圖4)。堆肥初期C/N降低比較劇烈，堆肥中期緩慢降低，后期趨于穩(wěn)定。堆肥初期微生物活動(dòng)比較活躍，碳源迅速消耗，C/N比降低的比較顯著;堆肥中后期隨著微生物活性減弱，碳源不斷以CO2的形式散失掉，C/N最終穩(wěn)定在15左右。

圖4 堆肥過(guò)程C/N比變化

2.1.5 堆肥過(guò)程含磷量變化情況

磷是植物合成遺傳物質(zhì)和細(xì)胞膜的重要組成物質(zhì)，堆肥中的磷的含量關(guān)系到堆肥的品質(zhì)，對(duì)于植物生長(zhǎng)有較大影響。本次堆肥過(guò)程由于堆體的有機(jī)質(zhì)含量不斷減少，使磷的含量不斷濃縮升高 (圖5)。堆肥初期磷的濃縮效應(yīng)比較小;堆肥中后期有機(jī)物的累積降解量顯著增加，磷濃縮效應(yīng)非常明顯，堆肥后期含磷量是初期的近2倍。本次試驗(yàn)的磷濃縮效應(yīng)與羅安程的研究結(jié)論相一致［20-24］。

圖5 堆肥過(guò)程含磷量變化

2.1.6 堆肥過(guò)程E4/E6變化情況

堆肥腐殖酸在波長(zhǎng)465和665 nm處具有特異吸收峰值，吸光度比值 (E4/E6)通常作為胡敏酸品質(zhì)或縮合度、芳構(gòu)化程度的重要指標(biāo)，能反映胡敏酸分子的穩(wěn)定程度［20］。本次堆肥過(guò)程E4/E6先減小，然后有所增加 (圖6)。堆肥前期微生物反應(yīng)劇烈，腐殖質(zhì)縮合程度較高，大分子腐殖質(zhì)生成較多，即在波長(zhǎng)665 nm處吸光度增加，E4/E6下降顯著;堆肥后期微生物反應(yīng)趨緩，小分子的腐殖質(zhì)相對(duì)生成較多，即在波長(zhǎng)465 nm處吸光度增加，導(dǎo)致E4/E6值略微增加。

圖6 堆肥過(guò)程E4/E6變化

綜上可知，園林綠化廢棄物和污泥混合堆肥初期微生物反應(yīng)劇烈，2周后微生物活動(dòng)趨緩，各項(xiàng)指標(biāo)逐漸穩(wěn)定，堆肥進(jìn)入腐熟階段。經(jīng)過(guò)40 d的堆漚后，根據(jù)堆肥過(guò)程溫度、pH值、EC、C/N、E4/E6和含磷量的變化趨勢(shì)，可以判定堆肥已經(jīng)腐熟。

2.2 佛甲草栽培試驗(yàn)效果比較

2.2.1 不同處理栽培基質(zhì)的基本理化性質(zhì)

目前國(guó)內(nèi)外屋頂綠化栽培基質(zhì)還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，僅在實(shí)踐中形成了一些參考指標(biāo)。由于屋頂綠化包括建筑材料、栽培介質(zhì)、樹(shù)木花草、自然雨雪等在內(nèi)的總重量只能占屋頂載荷重量的80%～85%［21］，因此理想的栽培基質(zhì)容重應(yīng)該在0.1～0.8 g·cm-3，最好為0.5 g·cm-3。栽培基質(zhì)需要適合各種植物生長(zhǎng)，pH值一般在5.5～7.0;而且電導(dǎo)度值不能過(guò)高，通常不能超過(guò)3.5 mS·cm-1，特別是苗期尤其要低［22］。在栽培基質(zhì)孔隙度方面，一般要有30%～50%的持水孔隙和15%～20%的通氣孔隙，植物生長(zhǎng)才能良好［23］。另外，栽培基質(zhì)對(duì)于屋頂綠化植物的生長(zhǎng)具有重要影響，要求栽培基質(zhì)有足夠的氮、磷、有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)元素供植物生長(zhǎng)，例如德國(guó)屋頂綠化標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定栽培基質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量為30% ～80%［25］。

栽培試驗(yàn)前測(cè)量各處理栽培基質(zhì)的基本理化性質(zhì) (表3)。從表3中可以看出，各處理的pH值和電導(dǎo)度值均符合要求，其中含腐熟堆肥的3個(gè)處理指標(biāo)值相對(duì)偏高;在容重方面，草炭和含腐熟堆肥的各處理均符合要求，處理2園土的容重較高，不適宜直接作為屋頂綠化栽培基質(zhì);在孔隙度方面，含腐熟堆肥的各處理均滿(mǎn)足要求，處理1和處理2的通氣空隙較低;在有機(jī)質(zhì)含量方面，除處理2不達(dá)標(biāo)外，其余處理均符合要求;另外，含腐熟堆肥的各基質(zhì)在氮磷含量方面接近或優(yōu)于草炭基質(zhì)。各基質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用效果需要進(jìn)一步通過(guò)栽培試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

表3 不同栽培基質(zhì)的基本理化性質(zhì)

2.2.2 佛甲草栽培效果比較

經(jīng)過(guò)40 d的栽培試驗(yàn)，各處理基質(zhì)的佛甲草長(zhǎng)勢(shì)明顯不同。從圖7可以看出，處理6的平均分枝長(zhǎng)、葉數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積等指標(biāo)明顯優(yōu)于其他處理，僅平均分枝數(shù)這個(gè)指標(biāo)略低于處理2。結(jié)果說(shuō)明，腐熟堆肥和珍珠巖按照體積比5∶1的比例配置栽培基質(zhì)，其栽培效果比按照其他比例配置的栽培基質(zhì) (處理4和5)好，過(guò)高或過(guò)低的珍珠巖含量，均不能充分發(fā)揮堆肥的效果。另外，從圖7中可以看出，由腐熟堆肥配置的各基質(zhì)栽培效果大多優(yōu)于或接近草炭和園土的栽培效果。其中草炭栽培效果不佳可能與其保水能力過(guò)強(qiáng)有關(guān)，導(dǎo)致基質(zhì)持水過(guò)多，植物容易澇害;園土栽培效果差可能與其本身的理化狀態(tài)不佳有關(guān)，孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、氮含量等指標(biāo)均明顯偏低。

表4是不同處理基質(zhì)種植的佛甲草生理指標(biāo)。從表4可以看出，處理6的佛甲草平均株鮮重、平均株干重和含氮量3個(gè)指標(biāo)結(jié)果顯著優(yōu)于其他處理，而含碳量和葉綠素含量2個(gè)指標(biāo)結(jié)果優(yōu)于處理2(園土)，并且接近處理1(草炭)。佛甲草栽培試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，利用園林綠化廢棄物堆肥與珍珠巖配制的基質(zhì)可以成為替代草炭和園土的理想屋頂綠化栽培基質(zhì)。

圖7 不同栽培基質(zhì)的佛甲草長(zhǎng)勢(shì)

表4 不同栽培基質(zhì)的佛甲草生理參數(shù)

3 小結(jié)

園林綠化廢棄物和污泥混合堆肥初期微生物反應(yīng)劇烈，堆體維持50℃高溫長(zhǎng)達(dá)9 d;2周后微生物活動(dòng)趨緩，溫度、pH、EC、C/N、E4/E6和含磷量等各項(xiàng)指標(biāo)逐漸穩(wěn)定，堆肥進(jìn)入腐熟階段;經(jīng)過(guò)40 d的堆漚后，堆肥完全腐熟。

腐熟堆肥和珍珠巖按照體積比5∶1比例配制栽培基質(zhì)，在容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)以及氮磷含量等基本理化性質(zhì)滿(mǎn)足屋頂綠化栽培介質(zhì)要求，且佛甲草的平均分枝長(zhǎng)、葉數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積等長(zhǎng)勢(shì)指標(biāo)明顯優(yōu)于草炭基質(zhì)和園土基質(zhì)，具有良好的栽培效果。

因此，利用園林綠化廢棄物和生活污泥堆肥制備屋頂綠化栽培基質(zhì)，既能節(jié)約草炭資源，又能資源化處理城市園林綠化廢棄物，且其材料來(lái)源廣泛，成本低廉，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。

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