賈 璇, 趙 冰, 吳昊天, 呂 崢, 任連海, 李鳴曉, 孟繁華

1.北京工商大學(xué)， 中國輕工業(yè)清潔生產(chǎn)和資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100048 2.國家發(fā)展和改革委員會(huì)， 北京 100045 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，有機(jī)廢棄物產(chǎn)生量逐年增加，其中餐廚垃圾占有機(jī)廢棄物產(chǎn)生量的70%～80%，占生活垃圾產(chǎn)生量的40%～60%，餐廚垃圾極易腐爛變質(zhì)而造成環(huán)境污染和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn). 同時(shí)，餐廚垃圾作為生物質(zhì)廢物，其所含糖類和蛋白質(zhì)含量占干物質(zhì)總量的60%以上，CN在10～30之間，富含氮、磷、鉀、鈣等植物所需的常量營養(yǎng)元素和微量元素，是制備高品質(zhì)土壤調(diào)理劑的理想原料之一，對(duì)土壤地力提升具有重要作用[1]. 我國是農(nóng)業(yè)大國，在人們生產(chǎn)生活中耕地質(zhì)量有著舉足輕重的作用. 截至2017年末，我國耕地面積為1.35×1012m2，中低產(chǎn)田面積占耕地總面積的比例高達(dá)70%，低產(chǎn)田超過30%，耕地質(zhì)量下降、結(jié)構(gòu)破壞，威脅著我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全. 據(jù)全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)顯示，我國耕地平均有機(jī)質(zhì)含量為1.863%，并呈進(jìn)一步下降趨勢.

土壤團(tuán)聚體是土粒經(jīng)生物、非生物和環(huán)境作用形成的土壤基本結(jié)構(gòu)單元，其數(shù)量和質(zhì)量決定了土壤的性質(zhì)和肥力[2]. 其中，土壤中粒徑>0.25 mm的大團(tuán)聚體形成過程中的主要參與者為多糖和松結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)，而粒徑<0.25 mm的微團(tuán)聚體形成過程主要受到黏粒和緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)的影響. 腐殖質(zhì)的結(jié)合方式及松緊度對(duì)土壤肥力有顯著影響，松結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)主要影響土壤養(yǎng)分釋放，緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)以及碳固定有重要影響[3]. 土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體粒徑分布和占比會(huì)影響土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，良好的土壤團(tuán)聚體分布對(duì)降低土壤可蝕性、增加土壤孔隙度、提升土壤肥力和增加土壤生產(chǎn)力具有重要作用. Bronick等[4]認(rèn)為，土壤團(tuán)聚體的形成受有機(jī)質(zhì)、黏粒含量、微生物作用、碳水化合物及離子鍵的影響. 土壤團(tuán)聚體可對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行物理保護(hù)，是有機(jī)質(zhì)存在的場所，土壤有機(jī)質(zhì)又是促進(jìn)團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定的膠結(jié)物質(zhì)[5]. 有研究[6]指出，長期施用有機(jī)肥可使土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性發(fā)生變化，有機(jī)質(zhì)的賦存轉(zhuǎn)化顯著影響水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體的形成與穩(wěn)定，是決定土壤供肥保肥、土壤耕性和緩沖能力的重要因素.

目前，國內(nèi)外研究者以施用有機(jī)肥料為切入點(diǎn)，圍繞土壤質(zhì)量及地力提升開展了相關(guān)研究，但采用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑進(jìn)行果園土壤改良，從時(shí)間和空間維度深入分析土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及其有機(jī)質(zhì)賦存轉(zhuǎn)化的研究卻鮮有報(bào)道. 鑒于此，該研究將餐廚垃圾土壤調(diào)理劑用于四川省成都市浦江縣果園貧瘠土壤的改良，解析餐廚垃圾調(diào)理劑施用時(shí)間和土壤層深度對(duì)果園土壤團(tuán)聚體特征及其各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)分布的影響，闡明施用時(shí)間、土壤層深度對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和功能的響應(yīng)機(jī)制，以期為我國貧瘠土壤的耕地質(zhì)量提升和農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

餐廚垃圾土壤調(diào)理劑取自北京市某餐廚垃圾資源化處理廠，是以餐廚垃圾為原料，經(jīng)80 ℃、8 h高溫快速好氧發(fā)酵制成. 供試調(diào)理劑的理化指標(biāo)：pH為6.84，含水率為8.17%，EC(電導(dǎo)率)為4 057.55 μScm，w(OM)(OM為有機(jī)質(zhì))為87.51%，w(HA)(HA為腐殖酸)為45.26%，DR0.25(團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體占比)為38.67%，MWD(平均質(zhì)量直徑)為2.38 mm，GMD(幾何平均直徑)為2.00 mm，分形維數(shù)為1.60.

試驗(yàn)場地位于四川省成都市浦江縣丑柑園(103°19′E～103°41′E、30°05′N～30°21′N)，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，平均降雨量為 1 201 mm，供試土壤為紫色土，質(zhì)地為中壤土. 在供試土壤中連續(xù)5 a施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑，施用方式為20～30 cm深施，施用時(shí)間為每年3月果實(shí)收獲后，施用量為0.48 kg(m2·a)，施用面積為 2 000 m2. 以不施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑的果園土壤作為對(duì)照組.

1.2 樣品采集

分別采集施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑2、3、5 a的果園土壤樣品，選取未施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑的土壤作為空白樣品. 不同處理組土壤隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，用土壤采樣器按0～20、20～30、30～40 cm不同深度逐層采樣，將同一深度的5份等質(zhì)量的土壤樣品充分混合，保存至4 ℃?zhèn)溆?

1.3 分析方法

土壤團(tuán)聚體的分布狀況和穩(wěn)定性采用濕篩法分選各粒級(jí)團(tuán)聚體[7]. 稱取風(fēng)干土壤樣品100 g，置于5、2、1、0.5、0.25 mm的分樣篩頂部，在去離子水中浸泡10 min后用團(tuán)聚體篩分儀篩分，篩分時(shí)間為20 min，篩分頻率為30次min. 將各粒級(jí)孔徑篩上的土壤樣品在60 ℃下烘干，計(jì)算得到水穩(wěn)性各粒級(jí)團(tuán)聚體占比，記為Wwi. 有機(jī)質(zhì)含量采用灼燒法測定[8]；pH、含水率和EC測定方法參照文獻(xiàn)[9]；w(HA)采用重鉻酸鉀法[10]測定.

1.4 計(jì)算方法

DR0.25、MWD和GMD以各粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算方法[11-13]如下:

(1)

(2)

(3)

分形維數(shù)利用式(4)(5)通過數(shù)據(jù)擬合求得，計(jì)算方法[14]如下：

(4)

(5)

2 結(jié)果與討論

2.1 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑對(duì)土壤團(tuán)聚體分布的影響

施用時(shí)間a： 1—0(對(duì)照組)； 2—2； 3—3； 4—5.圖1 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后不同深度土壤層有機(jī)質(zhì)含量的變化情況Fig.1 The Wwi in different soil layers under food waste soil conditioner long-term application

水穩(wěn)性團(tuán)聚體是土壤中穩(wěn)定性較好的團(tuán)聚體，可反映土壤抗侵蝕能力. 餐廚垃圾土壤調(diào)理劑施用不同時(shí)間后各粒級(jí)Wwi(水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比)的變化情況如圖1所示. 由圖1可見：①對(duì)于0～20 cm土壤層，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后粒徑<0.25 mm微團(tuán)聚體的Wwi均大于對(duì)照組，且在施用2和3 a后逐漸增加，最大值為23.04%，施用5 a后略微下降. ②對(duì)于20～40 cm土壤層，粒徑<0.25 mm微團(tuán)聚體的Wwi在施用2 a后逐漸增加，施用3 a后逐漸降低；Wwi于施用2 a后達(dá)到最大值，其中在20～30 cm土壤層的最大值為34.22%，在30～40 cm土壤層的最大值為52.70%. 粒徑<0.25 mm微團(tuán)聚體的Wwi在20～30 cm土壤層中施用5 a后較施用3 a后略微增加，在30～40 cm土壤層中隨施用時(shí)間的延長而下降，施用5 a后降至9.73%. 隨著粒徑<0.25 mm微團(tuán)聚體Wwi的下降，粒徑>0.25 mm大團(tuán)聚體的Wwi逐漸增加，且隨土壤層深度的增加其變化幅度增大.

粒級(jí)>0.25 mm的大團(tuán)聚體占比稱作DR0.25，它反映施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后土壤的肥力和穩(wěn)定性狀況，決定土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗侵蝕力. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后，隨施用時(shí)間的延長，0～20 cm土壤層DR0.25均在80%～85%之間； 20～30 cm土壤層DR0.25呈先升高后基本不變，施用調(diào)理劑3 a后DR0.25達(dá)到最大值(90.03%)；30～40 cm土壤層DR0.25逐漸增加，施用5 a后達(dá)到最大值(90.27%). 粒徑>0.25 mm的大團(tuán)聚體中2～5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體與土壤侵蝕相關(guān)性最強(qiáng)，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后，各土壤層中2～5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的Wwi均隨施用時(shí)間的延長而增大. 施用5 a后，各土壤層粒徑>5 mm團(tuán)聚體的Wwi與對(duì)照組相比均增加. 根據(jù)多級(jí)團(tuán)聚理論，在土壤團(tuán)聚體形成過程中，大團(tuán)聚體能夠破碎成為微團(tuán)聚體，微團(tuán)聚體還可以聚合成為大團(tuán)聚體，二者互為消長[15]. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑能促進(jìn)植物根系發(fā)育和真菌菌絲生長，增加根系數(shù)量，延長根系長度，使土壤中大團(tuán)聚體崩裂為微團(tuán)聚體，而根系及菌絲的纏繞作用又能促進(jìn)大團(tuán)聚體的膠結(jié)[16-17]. 隨施用時(shí)間的延長，深層土壤DR0.25逐漸增加，且施用3 a后，20～30 cm土壤層DR0.25增加，施用5 a后30～40 cm土壤層DR0.25增加，土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，抗侵蝕力增強(qiáng). 可見，餐廚垃圾含有大量蛋白質(zhì)、糖類等小分子有機(jī)物，以其為原料制備的土壤調(diào)理劑中有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)87.51%，w(HA)高達(dá)45.26%. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑可增加土壤w(DOC)(DOC為水溶性有機(jī)碳)和w(HA)，有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體形成，增強(qiáng)土壤穩(wěn)定性[18].

2.2 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑的影響

土壤團(tuán)聚體粒徑與土壤質(zhì)量的聯(lián)系緊密，MWD和GMD是反映土壤團(tuán)聚體粒徑大小的常用指標(biāo). 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后，MWD和GMD的變化情況如圖2所示. 由圖2可見，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑5 a后，各土壤層MWD和GMD均較對(duì)照組增加，且在30～40 cm土壤層增幅最大，MWD和GMD的最大值分別為4.60和3.25. 對(duì)照組和施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑2 a后，0～20 cm土壤層MWD和GMD(分別為2.31和2.03)均大于20～40 cm土壤層. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑3 a后，0～20 cm土壤層MWD和GMD分別為3.16和2.07，與30～40 cm土壤層相差不大，20～30 cm土壤層MWD和GMD分別為3.69和2.42，均大于其余各土壤層.

施用時(shí)間a： 1—0； 2—2； 3—3； 4—5.圖2 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后不同深度土壤層MWD和GMD的變化情況Fig.2 The MWD and GMD in different soil layers under food waste soil conditioner long-term application

各粒級(jí)團(tuán)聚體在土壤的孔隙度、養(yǎng)分循環(huán)、生物活動(dòng)和肥力固持等方面的作用不同，MWD和GMD越大，表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高、穩(wěn)定性越強(qiáng)[19]. 該研究結(jié)果表明，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后，隨著施用時(shí)間的延長，各土壤層MWD和GMD均逐漸增加，可能原因是，餐廚垃圾土壤調(diào)理劑富含多糖、蛋白質(zhì)和微量元素，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑可提高土壤微生物活性，有利于HA類物質(zhì)的形成[20-22]. 可見，餐廚垃圾本身呈固液混合黏稠狀態(tài)，含有更多淀粉、纖維素、雜多糖和脂肪等大分子有機(jī)化合物，惰性物質(zhì)和重金屬等有害物質(zhì)含量較低，經(jīng)過好氧發(fā)酵制備出的土壤調(diào)理劑富含HA，可以改善土壤微生物活性，在一定程度上促進(jìn)了土壤膠結(jié)物質(zhì)的形成，有利于大團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定，進(jìn)而改善土壤團(tuán)聚體粒徑大小狀況及團(tuán)聚體穩(wěn)定性.

2.3 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑對(duì)土壤分維特征的影響

分形維數(shù)與土壤黏粒、粉粒等內(nèi)部組成呈顯著相關(guān)，可以反映土壤整體的結(jié)構(gòu)狀況及穩(wěn)定性特征，具有一定的環(huán)境指示作用. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后，分形維數(shù)隨施用時(shí)間、土壤層深度的變化情況如圖3所示. 由圖3可見，對(duì)照組0～20 cm土壤層分形維數(shù)低于20～30 cm土壤層，且與30～40 cm土壤層差別不大，并在20～30 cm土壤層中達(dá)到最大值(2.35)，30～40 cm土壤層達(dá)到最小值(2.34). 隨著施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑時(shí)間的延長，相同深度土壤層的分形維數(shù)逐漸減小. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑2、3和5 a后，分形維數(shù)最小值均出現(xiàn)在0～20 cm土壤層，分別為2.39、2.36和2.13. 施用2 a后20～30 cm土壤層分形維數(shù)達(dá)到最大值，為2.46. 施用5 a后，各土壤層較對(duì)照組均下降，且0～20 cm土壤層的降幅最大.

施用時(shí)間a： 1—0； 2—2； 3—3； 4—5.圖3 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后不同深度分形維數(shù)的變化情況Fig.3 The fractal dimensions in different soil layers under food waste soil conditioner long-term application

土壤團(tuán)聚體的形成涉及一系列物理、化學(xué)和生物作用，是一個(gè)復(fù)雜的過程，植被覆蓋狀況、土地利用方式、成土母質(zhì)成分、氣候條件及人為因素等都會(huì)影響土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定. 分形幾何學(xué)以支離破碎或不規(guī)則的物體為研究對(duì)象，旨在從看似混沌的物體結(jié)構(gòu)中找出潛在規(guī)律，即分形體的自相似性特征. 土壤分形維數(shù)可以反映團(tuán)聚體對(duì)土壤穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)的影響趨勢，即分形維數(shù)越小，土壤的穩(wěn)定性越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)越良好；分形維數(shù)越大，土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性越差. 該研究中，分形維數(shù)是基于團(tuán)聚體濕篩結(jié)果計(jì)算得到，可反映土壤水穩(wěn)性的強(qiáng)弱. 結(jié)合分形維數(shù)變化規(guī)律可知，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑可以增強(qiáng)各層土壤的水穩(wěn)性，改善各層土壤結(jié)構(gòu). 與各土壤層相比，對(duì)照組30～40 cm土壤層的水穩(wěn)性最強(qiáng)，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后，0～20 cm耕層土壤的水穩(wěn)性提高. 可見，餐廚垃圾組成復(fù)雜，能夠提供豐富的有機(jī)、無機(jī)營養(yǎng)成分和微量元素，既有活性組分又有非活性組分，餐廚垃圾制備的土壤調(diào)理劑中富含多種快庫、慢庫、惰性庫的有機(jī)物，可以為植物提供多種養(yǎng)分，又能培肥土壤，因此施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑可以改善土壤整體結(jié)構(gòu)狀況，提高0～20 cm耕層土壤的抗蝕能力.

2.4 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑對(duì)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)分布的影響

注： 粒徑mm: 1—<5; 2—2～5; 3—1～2; 4—0.5～1; 5—0.25～0.5; 6—<0.25.圖4 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量隨施用時(shí)間的變化情況Fig.4 The w(organic matter) of aggregates with time under food waste soil conditioner long-term application

不同粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體在有機(jī)質(zhì)的供應(yīng)、轉(zhuǎn)化和保持等方面發(fā)揮著不同作用[23-26]. 餐廚垃圾土壤調(diào)理劑施用不同時(shí)間后各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量的變化情況如圖4所示. 由圖4可見，與對(duì)照組相比，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑可有效提高0～20 cm土壤層各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量，除施用土壤調(diào)理劑3 a的0.25～0.5 mm團(tuán)聚體以外，粒徑為0.5～5 mm和<0.25 mm的團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量均增加. 施用土壤調(diào)理劑后，0～30 cm土壤層粒徑>0.25 mm大團(tuán)聚體的有機(jī)質(zhì)含量隨團(tuán)聚體粒徑的減小整體呈先升高后降低的變化趨勢，而對(duì)照組各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量的變化不顯著. 與施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑2～3 a的30～40 cm土壤層相比，施用5 a后各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量顯著升高，粒徑>5 mm團(tuán)聚體的有機(jī)質(zhì)含量最高，為7.10%. 除對(duì)照組和施用調(diào)理劑5 a試驗(yàn)組以外，不同深度土壤層粒徑<0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量的占比均最高. 對(duì)照組不同深度土壤層各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量的變化不顯著. 可見，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑可有效提高0～20 cm土壤層團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量，隨著施用時(shí)間的延長，團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)逐漸向30～40 cm土壤層遷移. 與其他速效無機(jī)土壤調(diào)理劑相比，餐廚垃圾土壤調(diào)理劑富含HA及多種營養(yǎng)物質(zhì)，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后，大量外源有機(jī)質(zhì)的輸入可激活土壤微生物，促進(jìn)黏合劑與載體產(chǎn)生，有利于團(tuán)聚體形成和團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)向深層土壤遷移，改善團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)的分布狀況[27-30].

3 結(jié)論

a) 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑可增加0～20 cm土壤層中粒徑<0.25 mm微團(tuán)聚體的Wwi，提高30～40 cm土壤層中粒徑>0.25 mm大團(tuán)聚體的DR0.25，施用3 a后微團(tuán)聚體Wwi的最大值為23.04%，施用5 a后DR0.25的最大值為90.27%. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑可增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕性.

b) 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑5 a后，各土壤層MWD和GMD均增加，最大值分別為4.60和3.25. 分形維數(shù)隨施用時(shí)間的延長而減小，其中0～20 cm土壤層的降幅最大，最小值為2.13. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑可改善團(tuán)聚體粒徑分布，促進(jìn)有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生.

c) 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后0.5～5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量增加，最大值為10.61%. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑利于改善團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)的分布狀況.