添加礦化垃圾腐殖土對綠化土壤物理特性的影響

金奕勝,郭小平?,張成梁

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院,水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,100083,北京; 2.北京輕工業(yè)環(huán)境保護研究所,100089,北京)

添加礦化垃圾腐殖土對綠化土壤物理特性的影響

金奕勝1,郭小平1?,張成梁2

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院,水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,100083,北京; 2.北京輕工業(yè)環(huán)境保護研究所,100089,北京)

礦化垃圾腐殖土作為綠化基質(zhì)使用可以增加土壤中有機質(zhì)及養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù),但同時可能會對土壤物理及水分特性造成影響。運用土壤物理及水動力學方法,通過不同礦化垃圾質(zhì)量添加比(0%、25%、50%、75%)進行田間、室內(nèi)對比試驗,比較不同配比對土壤物理性質(zhì)和水分特性的影響。結果表明:1)添加礦化垃圾腐殖土質(zhì)量比為25%時,土壤物理性質(zhì)(密度、孔隙度等)和水分特性均無明顯變化,僅土壤砂粒體積分數(shù)增加;添加比為50%時,土壤密度、毛管孔隙度和飽和含水率均無顯著變化,但土壤總孔隙度明顯降低,土壤砂粒體積分數(shù)及飽和導水率顯著升高;添加比為75%時,土壤物理性質(zhì)和水分特性均影響顯著,其中土壤砂粒體積分數(shù)升高約217%,土壤飽和含水量降低11%,毛管含水量降低26%,土壤飽和導水率增加約93%,土壤有效水含量減少24.9%;2)Gardner模型能較好地擬合不同處理土壤水分特征曲線;3)添加礦化垃圾腐殖土在作為綠化基質(zhì)使用過程中,質(zhì)量添加比為25%～50%較適宜。

礦化垃圾;土壤物理性質(zhì);土壤沙化;土壤水分特性

近年來,我國城市規(guī)模不斷擴大,由此產(chǎn)生的城市固體垃圾總量居世界前列,70%以上城市垃圾采用衛(wèi)生填埋的方式進行消納。隨著城市生活垃圾數(shù)量的日益增多,填埋場用地越來越緊張,與此同時,還存在一定數(shù)量的非正規(guī)填埋場。北京市于2008年開始對非正規(guī)填埋場進行集中治理,統(tǒng)計[1]顯示,北京共有1 011處非正規(guī)垃圾填埋場,其主要危害包括污染地下水和地表水、占用大量的土地資源(超過1 300 hm2)、填埋氣污染大氣。對填埋達到一定年限的非正規(guī)垃圾填埋場進行開挖,并將挖出的礦化垃圾篩分減量處理和資源化利用,可以有效釋放填埋場土地,消除填埋場對周邊環(huán)境的污染。

垃圾填埋場封場數(shù)年后,表面沉降量小于1 cm/a,垃圾中易降解物質(zhì)完全或接近完全降解,垃圾不再產(chǎn)生滲濾液、填埋氣和異味,達到基本穩(wěn)定,此時的垃圾稱為礦化垃圾[2-3]。 袁光鈺等[4]通過對北京市海淀區(qū)4個年代不同的典型垃圾填埋場進行連續(xù)取樣檢測分析,確定北京垃圾填埋場穩(wěn)定周期在10 a左右。將具有8到10 a填埋齡的礦化垃圾挖出晾干后,散發(fā)出類似新翻泥土的氣味,其中有機質(zhì)主要為難降解的腐殖質(zhì)[2,5-6]。對挖出的礦化垃圾進行篩分,得到土粒直徑20 mm以下的腐殖土約占垃圾總量的60%,得到的細粒部分外觀類似黑色土壤,無較大異味,已經(jīng)不具備原始生活垃圾的基本特征,稱為礦化垃圾腐殖土[6]。垃圾腐殖土具有較好的陽離子交換能力,還含有豐富的有機質(zhì)以及植物所需的營養(yǎng)成分,如氮、磷、鉀等及各種微量元素,可以將其添加進常規(guī)綠化土壤進行使用[7]。北京市在廢棄礦山修復、公路及園林綠化過程中都需要大量客土,而礦化垃圾腐殖土可以作為綠化基質(zhì)替代部分客土使用,可解決客土成本高、土源不足等問題。

國內(nèi)有關礦化垃圾資源化利用的研究大多從植物栽培、處理廢氣廢水以及作為填埋場覆蓋等方面進行。曾峰海等[8]將礦化垃圾與土壤的不同配比進行栽植試驗,研究結果表明,礦化垃圾的添加質(zhì)量分數(shù)為25%時草坪草的生長最佳。吳軍[9]用2個串聯(lián)礦化垃圾生物反應床對填埋場垃圾滲濾液的處理進行研究,結果表明,經(jīng)過2級串聯(lián)礦化垃圾生物反應床處理后,COD和氨氮的去除效果比較明顯。徐勤等[10]通過對國內(nèi)外垃圾填埋場終場覆蓋技術的現(xiàn)狀與標準進行分析比較,提出礦化垃圾篩分后的細料可以作為終場覆蓋層當中的營養(yǎng)層。但是,目前關于礦化垃圾腐殖土作為綠化基質(zhì)應用過程中對土壤物理性質(zhì)影響的研究較少[11]。筆者運用土壤物理及水動力學方法,通過測定和分析不同礦化垃圾腐殖土添加量的土壤物理性質(zhì)及水分性狀,研究礦化垃圾腐殖土不同添加量對綠化土壤物理特性及水分性狀的影響,以期為礦化垃圾腐殖土綠化應用提供參考與依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與試驗材料

試驗所在地為北京市昌平區(qū)馬池口鎮(zhèn)亭自莊村的輕工業(yè)環(huán)境保護研究所生態(tài)修復科研基地。試驗區(qū)土壤類型以褐土為主。礦化垃圾腐殖土取自北京豐臺區(qū)北天堂非正規(guī)垃圾填埋場,經(jīng)過篩分得到粒徑＜20 mm的腐殖土。試驗對照土壤取自實驗基地表層土,取土深度為0～20 cm,基本理化性質(zhì)見表1和表2。

由于填埋場位置以及填埋年限不同,造成不同填埋場垃圾來源不同,導致不同的非正規(guī)填埋場中開采篩分得到的礦化垃圾物質(zhì)組成各不相同。北京地區(qū)目前開采的礦化垃圾填埋年限基本超過10 a,填埋物中煤灰占多數(shù),開挖出的礦化垃圾砂石含量較高,其中北天堂礦化垃圾中砂粒含量達到83.3%。

1.2 試驗方法

表1 礦化垃圾腐殖土及原土的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of aged refuse and raw soil

試驗共設3種礦化垃圾腐殖土添加比例,礦化垃圾腐殖土質(zhì)量分別占總質(zhì)量的 25%、50%、75%[12],同時設置一組對照實驗。各配比混合土樣裝4盆,總計16盆,土樣置于實驗基地露天環(huán)境下。試驗時間為2013年5月中旬到6月下旬,通過澆水以及自然降雨使不同處理土樣盡可能形成類似自然結構的土壤。使用儀器配套環(huán)刀取土,每個配比從各自4個不同處理中分別取一次土樣,做4個重復。

表2 礦化垃圾腐殖土及原土的化學性質(zhì)Tab.2 Chemical properties of aged refuse and raw soil

土壤密度、土壤孔隙度、土壤含水率采用環(huán)刀法測定;土壤飽和導水率采用雙環(huán)刀法測定[13];土壤機械組成采用Microtrac S3500激光粒度儀測定(測定結果為體積分數(shù));水分特征曲線試驗采用土壤用高速冷凍離心機H -1400pF測定。

2 結果與分析

2.1 添加礦化垃圾腐殖土對土壤密度,總孔隙度和毛管孔隙度的影響

通過測定,3種配比和對照組的土壤密度及土壤孔隙度見表3。可以看出:與對照相比,添加礦化垃圾腐殖土比例為75%的土樣,其土壤密度顯著增加,升高13.2%,而25%和50%土樣的土壤密度則無明顯變化;但是,添加量為25%和50%2組間的土壤密度存在顯著差異,且50%和75%2組間無顯著變化。

表3 不同處理土樣的土壤密度、總孔隙度和毛管孔隙度Tab.3 Soil bulk density,total porosity and capillary porosity of different treatments

添加不同比例的礦化垃圾腐殖土對土壤毛管孔隙度的影響顯著。添加比例為25%和50%對土壤毛管孔隙度無明顯差異,但是,添加75%礦化垃圾腐殖土的土樣毛管孔隙度明顯降低,較對照降低了9.4%。

添加50%和75%礦化垃圾腐殖土使土壤的總孔隙度明顯降低,且與50%的添加量相比,75%的土壤總孔隙度明顯減少;但是,添加量25%則對土壤總孔隙度無顯著差異。

土壤毛管孔隙度和土壤密度的回歸分析結果為

式中:f為土壤毛管孔隙度,%;ρ為土壤密度,g/ cm3。

擬合度R2達到0.974,表明土壤毛管孔隙度和土壤密度擬合較好,相關性顯著。隨著礦化垃圾腐殖土添加量的逐步增加,土壤密度增大,土壤毛管孔隙度變小。

2.2 添加礦化垃圾腐殖土對土壤機械組成的影響

通過試驗,3種處理及對照土壤機械組成測定結果見表4。可知,與對照組相比,添加各比例的礦化垃圾腐殖土使土壤中砂粒的體積分數(shù)均顯著增加,隨著礦化垃圾腐殖土添加量的增多而升高。礦化垃圾腐殖土的添加使土壤砂粒體積分數(shù)增加122%～217%,增加幅度顯著;土壤粉粒體積分數(shù)減少23%～41%,同時土壤黏粒體積分數(shù)有所減小。在添加量為25%時,土壤的質(zhì)地沒有明顯的改變,砂粒體積分數(shù)沒有明顯增加,粉粒體積分數(shù)變化較小。添加量超過50%時,土壤砂粒體積分數(shù)顯著提高。

表4 不同處理的土壤機械組成(體積分數(shù))Tab.4 Soil mechanical composition of different ____________treatments(volume fraction)

由圖1可以看出,3個配比之間粒徑分布存在一定差別。隨著礦化垃圾腐殖土添加量的增加,不同處理砂粒(0.02～2 mm)區(qū)間差別明顯,但大于0.1 mm的土?；緵]變化。說明添加礦化垃圾腐殖土對土壤質(zhì)地的影響主要表現(xiàn)為砂粒體積分數(shù)增加,對土壤中粉砂粒和黏粒體積分數(shù)不會產(chǎn)生明顯的影響。

圖1 不同處理土壤顆粒級配曲線Fig.1 Soil particle gradation curve of different treatments

2.3 添加礦化垃圾腐殖土對土壤水分特征的影響

通過試驗,3種配比和對照組飽和含水量及飽和導水率測定結果見表5?？梢钥闯?與對照相比,添加75%礦化垃圾腐殖土時,土壤的飽和含水率顯著降低,較對照組降低約10.5%。另外,配比為25%、50%和75%土樣的土壤飽和含水率差異顯著,且依次減少;除添加量25%土壤飽和導水率變化無明顯影響外,其他添加比例均影響土壤飽和導水率的變化,表現(xiàn)為隨著添加比例的加大,土壤飽和導水率增加明顯,添加比例為50%時,土壤飽和導水率升高65%,添加比例為75%時,土壤飽和導水率增加93%,增幅巨大。同時,土壤密度和飽和導水率呈顯著正相關,相關系數(shù)為0.967(P＜0.05)。

表5 不同處理的土壤飽和導水率和飽和含水率Tab.5 Soil saturated hydraulic conductivity and saturated water content of different treatments

土壤水分有效性變化表現(xiàn)為土壤水勢的變化,土壤含水量和土壤水勢存在對應關系。一般來講,不同土壤類型萎蔫系數(shù)對應的土壤水勢均在-1 500 kPa左右,而田間持水量對應的土壤水勢范圍較大,多在-10～-60 kPa之間[14]。有研究[15]認為,介于300～15 000 kPa之間土壤水吸力范圍內(nèi)的土壤水是土壤有效水。

由圖2可以看出,3種配比及對照的土壤水分特征曲線逐漸向左移動,添加礦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,表明添加礦化垃圾腐殖土改變了土壤的水分特性,減弱了土壤的持水能力,且隨著礦化垃圾腐殖土添加比例的增大而減弱。礦化垃圾腐殖土改變了土壤結構,降低土壤有效水的含量約7.6%～24.9%。

圖2 不同處理土壤水分特征曲線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個重要參數(shù),可以理解為土壤水分特征曲線斜率的負值。將各配比及對照組水分特征曲線采用單一參數(shù)模型Gardner模型進行數(shù)據(jù)擬合,Gardner模型的經(jīng)驗公式[16]為

式中:θ為土壤含水率,%;S為土壤水吸力,kPa;A、B為常數(shù)。

表6 不同處理土壤水分特征曲線擬合方程及參數(shù)Tab.6 Soil water characteristic curve fitting equation and parameters of different treatments

不同配比土壤水分特征曲線擬合方程及參數(shù)見表6?？梢钥闯?相關系數(shù)R2均高于0.85,表明Gardner模型的經(jīng)驗公式能夠很好地模擬各處理土壤的水分特征曲線。參數(shù)A表征土壤水分特征曲線的高低,即土壤含水量的大小,持水能力隨著A值增大而增強。同時,隨著B值的增大,比水容量逐步減小,土壤含水量的減小值變小。

同時,隨著礦化垃圾腐殖土所占比例越高,A值減小,B值逐漸增大,由此可知,添加礦化垃圾腐殖土減弱了土壤持水能力,并且隨著添加比例不斷增大,土壤持水能力持續(xù)減弱。

3 結論與討論

1)礦化垃圾腐殖土添加量超過50%導致綠化土壤密度增大,容易引起土壤緊實板結,影響植物的生長。

2)添加礦化垃圾腐殖土對綠化土壤水分特性產(chǎn)生較大影響,大量添加會導致土壤持水能力減弱。如果原土為重壤土或黏土,添加礦化垃圾腐殖土對其有改良作用,增大透水性的同時可減少地表徑流形成。

3)Gardner模型能較好地擬合不同處理土壤水分特征曲線,添加礦化垃圾腐殖土可減弱土壤持水能力和供水水平,且表現(xiàn)為隨著礦化垃圾腐殖土添加量增加而呈減弱的趨勢。

4)綠化應用中礦化垃圾腐殖土添加量在25%～50%之間較為合適,不會對土壤物理性質(zhì)影響產(chǎn)生顯著影響,可以代替一定量的客土。

試驗采用的礦化垃圾腐殖土全部取自北京市豐臺區(qū)北天堂非正規(guī)垃圾填埋場,為進一步深化分析礦化垃圾腐殖土對綠化土壤物理性質(zhì)的影響,還需增加對不同非正規(guī)填埋場礦化垃圾腐殖土的相關研究。同時還可對礦化垃圾腐殖土應用于噴播、植被毯、植生袋等方面作進一步研究,為礦化垃圾在綠化中的應用提供更多的技術支持。

[1] 毛軍.非正規(guī)垃圾填埋場治理中的植被恢復技術研究[C].北京:礦化垃圾資源化利用與填埋場綠化技術研討會論文集,2011:47- 48

[2] 趙由才,柴曉利,牛冬杰.礦化垃圾基本特性研究[J].同濟大學學報:自然科學版,2006,34(10):1360- 1364

[3] 錢小青,牛東杰,樓紫陽,等.填埋場礦化垃圾資源綜合利用研究進展[J].環(huán)境衛(wèi)生工程,2006,14(2):62-64

[4] 袁光鈺,匡勝利,曹麗云.我國城市垃圾填埋場降解速率的分析[J].新疆環(huán)境保護,2000,22(1):11- 15

[5] 陽小霜,趙由才.生活垃圾填埋場礦化垃圾的開采與綜合利用[J].有色金屬設計與研究,2007,28(2- 3): 151- 154

[6] 郭亞麗,趙由才,徐迪民.上海老港生活垃圾填埋場陳垃圾的基本特性研究[J].上海環(huán)境科學,2002,21 (11):669- 671

[7] 詹艷慧,王里奧,林建偉.生活垃圾堆放場及填埋場礦化垃圾綜合利用研究進展[J].環(huán)境衛(wèi)生工程,2005, 13(6):52- 55

[8] 曾峰海.城市生活垃圾堆肥對草坪土壤性質(zhì)和草坪草生長的影響[J].江西師范大學學報:自然科學版, 2007,31(1):107- 111

[9] 吳軍.穩(wěn)定化垃圾生物反應床處理老港填埋場滲濾液的中試研究[D].上海:同濟大學環(huán)境工程學院,2002: 33- 35

[10]徐勤,黃仁華.老港處置場終場覆蓋技術的研究[J].環(huán)境衛(wèi)生工程,2001,9(4):163- 166

[11]汪明勇,郭小平,王瑋璐,等.礦化垃圾腐殖土在綠地中的應用研究進展[J].土壤通報,2012,43(4):1008-1012

[12]汪明勇.北京市非正規(guī)垃圾填埋場礦化垃圾腐殖土在綠化中的應用研究[D].北京:北京林業(yè)大學,2012: 57- 59

[13]程東娟,張亞麗.土壤物理實驗指導[M].北京:中國水利水電出版社,2012:144- 152

[14]楊文治,邵明安.黃土高原土壤水分研究[M].北京:科學出版社,2000:97- 103

[15]張航,徐明崗,張富倉,等.陜西農(nóng)業(yè)土壤持水性能及其與土壤性質(zhì)的關系[J].干旱地區(qū)研究,1994,12 (2):32- 37

[16]Gardner W R,Hillel D,Benyamini Y.Post irrigation movement of soil water:I.Redistribution[J].Water Resources Research,1970,6(3):851- 861

(責任編輯:宋如華)

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

項目名稱:北京市科技計劃“石景山區(qū)黑石頭垃圾填埋場治理后期植被恢復的監(jiān)測與評價研究”(Z131106003513002)

金奕勝(1987—),男,碩士研究生。主要研究方向:工程綠化。E-mail:kingyisheng@126.com

?通信作者簡介:郭小平(1962—),男,教授。主要研究方向:工程綠化,水土保持與荒漠化防治。E-mail:guoxp@bjfu.edu.cn