園林綠化廢棄物堆肥用作屋頂綠化栽培基質的效果

王 浩 ，王 繁 b*，周根娣

(杭州師范大學a.生命與環境科學學院，b.生態系統保護與恢復杭州市重點實驗室，浙江杭州 3 10036)

屋頂綠化不僅能夠美化城市環境，而且可以緩解城市熱島效應、降低空氣中的懸浮顆粒物濃度，是生態城市建設的重要發展方向之一。世界上屋頂綠化水平發展較高的國家，如美國、德國、日本、新加坡等，對屋頂綠化技術已有較深入的研究，并形成了一整套相對完善的工程技術和法律法規［1-2］。栽培介質是屋頂綠化成功的關鍵因素之一。優良的屋頂綠化栽培介質具有容重小、植物容易成活、保水保肥能力強等特點［3］。國內外通常用于屋頂綠化植物生長的介質材料，按其來源可分為三類，即自然土壤、經添加調理劑的改良土壤和栽培基質［4］。泥炭是一種優良的屋頂綠化栽培基質，但泥炭是不可再生資源，大量開采將造成生態環境的破壞。目前世界各國都在研究泥炭的替代物，其中將各種有機垃圾進行資源化再利用，已經成為屋頂綠化栽培基質研發的重要方向之一，如用鋸末、牛糞和葡萄渣，以及椰子殼等制備的栽培基質均獲得良好應用效果［5-6］。

隨著城市建設的快速發展，城市園林綠化將產生大量的廢棄物，包括枯枝落葉、樹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焚燒和填埋處理，這種處理方式不僅污染環境，而且也造成潛在資源的浪費。另外，城市生活污水處理廠的污泥中含有較高的有機質等植物生長需要的多種營養元素，也是重要的有機肥源［7］。國內對于園林綠化廢棄物和生活污泥的資源化利用已有相關報道。例如，丁武泉等［8］認為，園林綠化所用的污泥不進入食物鏈，對人類健康不構成威脅，是污泥利用的重要方向;吳衛紅等［9］認為，我國對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，但產業鏈條尚未形成。目前，國內外將園林綠化廢棄物和生活污泥這2種主要城市有機廢棄物混合堆肥處理，并且用于屋頂綠化栽培基質的研究相對較少。

基于國內外屋頂綠化栽培基質的研究現狀，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，進行佛甲草栽培試驗，比較不同配比堆肥基質、園土和草炭的栽培效果，探討堆肥基質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，營養豐富，成本低廉的屋頂綠化栽培基質生產配方。

1 材料和方法

1.1 園林綠化廢棄物堆肥試驗

1.1.1 堆肥材料

園林綠化廢棄物又稱為“綠色垃圾”，是園林植物自然凋落或人工修剪所產生的枯枝、落葉、草屑、花敗、樹木與灌木剪枝及其他植物殘體等［10］。本試驗采用的園林綠化廢棄物來自城市道路綠化定期修剪下來的枝葉，生活污泥來自于城市生活污水處理廠。堆肥前先用粉碎機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處理。表1為2種堆肥材料的基本理化性質。

表1 堆肥材料的基本理化性質

1.1.2 堆肥設備

采用自制小型堆肥反應器控制堆肥試驗。反應器為立式圓筒形，采用厚度10 mm的有機玻璃制成，圓筒直徑40 cm，高85 cm，容積約100 L。反應器從頂部進料，頂部蓋子中心有一個透氣孔。反應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、氣泵和定時器，能夠為反應器定時定量通風供氧。距反應器底部5 cm處有一透氣隔板，將堆料與通氣管隔開。反應器的筒壁上有測溫孔，方便定時測量堆肥內部溫度。

1.1.3 堆肥方法

根據園林綠化廢棄物和生活污泥的基本理化性質，將2種材料按重量比6∶5的比例放入攪拌器攪拌均勻，調節堆肥材料初始碳氮比 (C/N)約為26，含水率約60%左右，在反應器內進行好氧堆肥。堆肥過程每天定時觀察測溫，并且根據溫度變化，采用變流量循環通風方式。堆肥初始通風流速為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次翻堆后繼續減至240 L·h-1，并保持穩定，這樣既可以保障足夠的供氧，也能夠避免反應器內堆體溫度超過60℃。堆肥試驗周期40 d，在第4，7，14，21，28，35天進行翻堆并且采樣，根據堆肥的溫度、pH、電導度 (EC)和C/N判斷堆肥的腐熟程度。

1.2 佛甲草栽培試驗設計

1.2.1 栽培材料

栽培材料有腐熟堆肥、草炭、園土和珍珠巖。其中園土來自郊區菜園，經風干磨碎后過2 mm篩孔。草炭和珍珠巖從市場購買。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。表2為不同處理栽培基質的配方比例。

表2 栽培基質配方比例

1.2.2 栽培方法

采用種植箱進行佛甲草栽培試驗。種植箱長和寬均為50 cm，高20 cm，箱內分別鋪裝厚度15 cm的栽培基質，每個處理裝一個種植箱，將長約8 cm的佛甲草細枝插入栽培基質中，每個種植箱扦插15株×15株佛甲草。栽培試驗開始后每天稱量每個處理基質的重量，每日澆水量根據前一日的基質重量與當日基質重量的差值來確定，保證栽培基質維持穩定的水分。栽培試驗設計為40 d。

1.3 樣品指標測試

堆肥試驗部分。堆肥開始前測出園林廢棄物和污泥的pH、EC、含水率、含碳量、含氮量;堆肥結束后將采集的堆肥樣品風干磨碎，并測量pH值、EC、含碳量、含氮量、含磷量、465 nm和665 nm波長處吸光度等指標［11］。

栽培試驗部分。種植前測量栽培基質的容重、pH、EC、含氮量、含磷量、有機質含量、孔隙度等［12］;種植后觀察測量佛甲草的分枝數、枝長、葉數、葉寬、葉長、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［13］。

2 結果與討論

2.1 園林綠化廢棄物與污泥混合堆肥效果

2.1.1 堆肥過程溫度變化情況

溫度是反映堆肥效果的重要指標之一。本次堆肥試驗第2天的溫度即達到51℃，并且維持50℃以上高溫達到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，說明堆肥前期反應非常劇烈;第3和4次翻堆后溫度有明顯的上升，說明堆肥材料還有一部分沒反應，翻堆取得了良好效果;第5和6次翻堆后溫度上升不明顯，說明堆肥材料基本反應完全，堆體進入后期腐熟階段。

圖1 堆肥過程溫度變化

堆肥在高溫50～60℃階段能夠將大多數致病菌殺死。國家衛生標準要求堆肥維持在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，本次堆肥試驗的溫度指標滿足堆肥國家衛生標準。

2.1.2 堆肥過程pH值變化情況

pH值是評價堆肥腐熟程度的重要指標之一［15］。本次堆肥試驗pH變化趨勢為先下降再逐漸升高，最后趨于穩定，且呈弱堿性 (圖2)。堆肥第1周pH值降低是因為堆肥初期微生物反應劇烈，產生了大量有機酸，而高溫和通風不足使有機酸大量揮發，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不斷分解產生氨，使得堆體pH值不斷升高;堆肥后期pH值穩定在弱堿性，此時堆體進入穩定階段［17］。

2.1.3 堆肥過程EC變化情況

圖2 堆肥過程pH值變化

堆肥的EC值反映了浸提液中的離子總濃度，主要是由有機酸鹽類和無機鹽等組成，對于植物生長具有重要影響。研究表明，當堆肥的EC值小于9.0 mS·cm-1，對種子發芽沒有抑制作用［18］。本次堆肥過程EC先升高后降低，最后趨于穩定 (圖3)。堆肥初期微生物活動劇烈，產生大量有機酸和各種離子，如NH+4、HCO-3、H+等，導致EC值升高;隨著堆肥反應不斷進行，腐殖質大量產生，小分子有機酸開始分解，NH+4、HCO-3等無機離子生成NH3、CO2離開堆體，EC值逐漸降低;堆肥后期EC值處于相對穩定階段，此時主要是一些難揮發的無機鹽類起主導作用。

圖3 堆肥過程EC變化

2.1.4 堆肥過程C/N變化情況

研究認為，腐熟堆肥的碳氮比在理論上趨于微生物菌體的碳氮比［11］。當堆肥初始C/N比由25～30降至15～20時，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造成氮饑餓，影響土壤肥力［19］。本次堆肥過程 C/N呈下降趨勢 (圖4)。堆肥初期C/N降低比較劇烈，堆肥中期緩慢降低，后期趨于穩定。堆肥初期微生物活動比較活躍，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最終穩定在15左右。

圖4 堆肥過程C/N比變化

2.1.5 堆肥過程含磷量變化情況

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

圖5 堆肥過程含磷量變化

2.1.6 堆肥過程E4/E6變化情況

堆肥腐殖酸在波長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或縮合度、芳構化程度的重要指標，能反映胡敏酸分子的穩定程度［20］。本次堆肥過程E4/E6先減小，然后有所增加 (圖6)。堆肥前期微生物反應劇烈，腐殖質縮合程度較高，大分子腐殖質生成較多，即在波長665 nm處吸光度增加，E4/E6下降顯著;堆肥后期微生物反應趨緩，小分子的腐殖質相對生成較多，即在波長465 nm處吸光度增加，導致E4/E6值略微增加。

圖6 堆肥過程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劇烈，2周后微生物活動趨緩，各項指標逐漸穩定，堆肥進入腐熟階段。經過40 d的堆漚后，根據堆肥過程溫度、pH值、EC、C/N、E4/E6和含磷量的變化趨勢，可以判定堆肥已經腐熟。

2.2 佛甲草栽培試驗效果比較

2.2.1 不同處理栽培基質的基本理化性質

目前國內外屋頂綠化栽培基質還沒有統一的標準，僅在實踐中形成了一些參考指標。由于屋頂綠化包括建筑材料、栽培介質、樹木花草、自然雨雪等在內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容重應該在0.1～0.8 g·cm-3，最好為0.5 g·cm-3。栽培基質需要適合各種植物生長，pH值一般在5.5～7.0;而且電導度值不能過高，通常不能超過3.5 mS·cm-1，特別是苗期尤其要低［22］。在栽培基質孔隙度方面，一般要有30%～50%的持水孔隙和15%～20%的通氣孔隙，植物生長才能良好［23］。另外，栽培基質對于屋頂綠化植物的生長具有重要影響，要求栽培基質有足夠的氮、磷、有機質等營養元素供植物生長，例如德國屋頂綠化標準中規定栽培基質有機質含量為30% ～80%［25］。

栽培試驗前測量各處理栽培基質的基本理化性質 (表3)。從表3中可以看出，各處理的pH值和電導度值均符合要求，其中含腐熟堆肥的3個處理指標值相對偏高;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;在孔隙度方面，含腐熟堆肥的各處理均滿足要求，處理1和處理2的通氣空隙較低;在有機質含量方面，除處理2不達標外，其余處理均符合要求;另外，含腐熟堆肥的各基質在氮磷含量方面接近或優于草炭基質。各基質的實際應用效果需要進一步通過栽培試驗來驗證。

表3 不同栽培基質的基本理化性質

2.2.2 佛甲草栽培效果比較

經過40 d的栽培試驗，各處理基質的佛甲草長勢明顯不同。從圖7可以看出，處理6的平均分枝長、葉數、葉長、葉寬、葉面積等指標明顯優于其他處理，僅平均分枝數這個指標略低于處理2。結果說明，腐熟堆肥和珍珠巖按照體積比5∶1的比例配置栽培基質，其栽培效果比按照其他比例配置的栽培基質 (處理4和5)好，過高或過低的珍珠巖含量，均不能充分發揮堆肥的效果。另外，從圖7中可以看出，由腐熟堆肥配置的各基質栽培效果大多優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強有關，導致基質持水過多，植物容易澇害;園土栽培效果差可能與其本身的理化狀態不佳有關，孔隙度、有機質含量、氮含量等指標均明顯偏低。

表4是不同處理基質種植的佛甲草生理指標。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個指標結果顯著優于其他處理，而含碳量和葉綠素含量2個指標結果優于處理2(園土)，并且接近處理1(草炭)。佛甲草栽培試驗結果說明，利用園林綠化廢棄物堆肥與珍珠巖配制的基質可以成為替代草炭和園土的理想屋頂綠化栽培基質。

圖7 不同栽培基質的佛甲草長勢

表4 不同栽培基質的佛甲草生理參數

3 小結

園林綠化廢棄物和污泥混合堆肥初期微生物反應劇烈，堆體維持50℃高溫長達9 d;2周后微生物活動趨緩，溫度、pH、EC、C/N、E4/E6和含磷量等各項指標逐漸穩定，堆肥進入腐熟階段;經過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，在容重、孔隙度、有機質以及氮磷含量等基本理化性質滿足屋頂綠化栽培介質要求，且佛甲草的平均分枝長、葉數、葉長、葉寬、葉面積等長勢指標明顯優于草炭基質和園土基質，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，既能節約草炭資源，又能資源化處理城市園林綠化廢棄物，且其材料來源廣泛，成本低廉，具有廣泛的應用價值和推廣意義。

［1］ 鄭麒.國外屋頂綠化推廣的政策分析與啟示［J］.中國環保產業，2009(9):57-61.

［2］ 段錦蘭，付寶春，康紅梅，等.城市屋頂綠化探討 ［J］.山西農業科學，2012，40(8):860-861，869.

［3］ 謝昕云，馬中文，朱世東，等.屋頂綠化及其栽培基質的研究與展望［J］.北方園藝，2012(1):191-194.

［4］ 史正軍，雷江麗，譚一凡.輕型屋頂綠化栽培基質的研究［J］.深圳土木與建筑，2005，2(2):52-54.

［5］ Hardreck K A.Properties of coir dust and its use in the formulation of soilless potting media commun ［J］.Soil sci Plant Anal，1993，24(34):349-363.

［6］ Meerow A W.Growth of two subtropical ornamentals using coiras apeat substitute ［J］.Hort Sci，1994，29(12):1484-1486.

［7］ 陳同斌，鄭國砥，高定，等.城市污泥堆肥化處理及其產業化發展中的幾個關鍵問題 ［J］.中國給水排水，2009，25(9):104-108.

［8］ 丁武泉，包兵，吳丹.污泥園林綠化資源化利用研究進展［J］.安徽農業科學，2007，35(29):9344-9345.

［9］ 吳衛紅，米鋒，張大紅，等.園林綠化廢棄物的資源化再利用 ［J］.城市問題，2010(9):8-9.

［10］ 梁晶，呂子文，方海蘭.園林綠色廢棄物堆肥處理的國外現狀與我國的出路［J］.中國園林，2009(4):1-5.

［11］ 于鑫.北京市園林綠化廢棄物再利用調查及堆肥實驗研究［D］.北京:北京林業大學，2010.

［12］ 哈新英，劉媛.屋頂綠化輕型栽培基質保水保肥比較研究［J］.園林科技，2011(4):27-29.

［13］ 湯莉莉，牛生杰，徐建強，等.鉛對不同土壤中青菜生長的影響［J］.南京氣象學院學報，2008，31(1):104-108.

［14］ GB 7959—87糞便無害化衛生標準［S］.

［15］ 房敏，黃渙忠，黃銘洪.評價固體廢棄物堆肥的腐熟指標［J］.上海環境科學，1999，18(2):91-92.

［16］ Chefetz B，Hatche P G，Hadar L Y，et al.Chemical and biological characterization of organic matter during composting of municipal solid waste［J］.JEnviron Qual，1996，25:776-785.

［17］ 魏自民，王世平，席北斗，等.生活垃圾堆肥過程中腐殖質及有機態氮組分的變化［J］.環境科學學報，2007，27(2):235-240.

［18］ 魯如坤.土壤、植物營養學原理和施肥 ［M］.北京:化學工業出版社，1998.

［19］ 邱瑞宇.以粒徑分布/碳氮比/固態氮為樹皮堆肥腐熟讀指標的探討［J］.臺灣中華農業化學雜志，1991，29(4):445-448.

［20］ 李國學，張福鎖.固體廢物堆肥化與有機復混肥生產［M］.北京:化學工業出版社，2000.

［21］ 吉文麗，李衛忠，王誠吉，等.屋頂花園發展現狀及北方屋頂綠化植物選擇與種植設計 ［J］.西北林學院學報，2005，20(3):180-183.

［22］ 李謙盛.屋頂綠化栽培基質的選擇 ［J］.安徽農業科學，2005，33(1):84-85.

［23］ 郭世榮.無土栽培學［M］.北京:中國農業出版社，2003.

［24］ 羅安程，史彩芬，孫曉華，等.豬糞堆肥發酵過程中磷組分的轉化［J］.浙江農業科學，2005(5):296-299.

［25］ Carrillo L，Jauch M，Meinken E.Determination of substrate quality for extensive green roof according to FLL guideline［J］.Acta Horticulture，2012.