利用工農業廢棄物生產無土草皮卷基質的配方研究

宋麗芬　陳軍霞　杜濱舵　史向群

摘要：將污泥、蘑菇渣和秸稈混合好氧發酵產物與不同比例的沙子混合，研究不同配方的基質理化性質及其對高羊茅草坪草生長的影響。結果表明，污泥：蘑菇渣：秸稈按干質量1 ∶2 ∶2的比例混合持續發酵9 d，溫度達到50 ℃以上，發酵產品符合GB/T 23486—2009《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》?；|容重隨沙子添加比例的增加而增加，通氣孔隙度T4大于T1，毛管孔隙度T1>T2>T3與T4，T1和T2的總孔隙度高于T4。T1處理和T4處理間成坪天數差異不顯著，但顯著高于T2和T3處理。T1、T3、T4處理間成卷天數差異不顯著，但顯著高于T2處理。T2處理的地上生物量顯著高于其他3個處理，其次為T3處理，T1處理的地上和地下生物量最低。T2處理的密度最高，其次為T3處理，而T1和T4處理間差異不顯著。T2處理的葉綠素含量最高，其次為T3和T4，T1處理最低。T2和T3處理間根系活力差異不顯著，但高于T1和T4處理。而T1和T4處理間根系活力差異不顯著。綜合隸屬度由大到小的順序為T2>T3>T1>T4。試驗結果表明，最佳基質配方為發酵產物、蛭石、沙子按照70 ∶20 ∶10（T2）體積比例混合。

關鍵詞：基質復配；草皮卷；發酵；無土栽培

中圖分類號：S688.404+.7 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0166-04

傳統的草皮卷生產在草皮收獲時由于鏟走1層土壤，不僅增加草皮卷的質量及運輸費用，也帶走了營養肥沃的表層土壤，破壞了原有土壤的理化性質及土層結構[1]。因此，無土基質草皮卷的生產是未來草皮生產的新趨勢[2]。已有研究表明，無土基質生產的草皮卷的生長指標、品質指標、生長周期等都優于土壤栽培方式[3-4]?？勺鳛闊o土栽培的有機工農業廢棄物有椰子纖維、泥炭、蔗糖、堆置樹皮、鋸末屑、稻殼、蘑菇渣、腐殖質、污泥等[5-6]。城市污泥是污水處理廠污水處理過程中產生的沉積物，含有氮、磷、鉀、有機質及多種植物必需的微量元素[7]。然而，污泥中病菌、蟲卵、重金屬等有害物質限制了其在農業上的應用，如GB 4284—84《農用污泥中污染物控制標準》、GB/T 23486—2009《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》、NY 525—2012《有機肥料》等國標對農用污泥中有害物質種類和含量進行了明確規定。因此，污泥配制草皮卷無土基質前，有必要對污泥中有害物質消減和檢測。泡沫塑料、玻璃纖維、蛭石、沙子等無機基質中營養元素含量相對較少，難以滿足草坪草植物生長的需要；但有機無土栽培基質的理化性狀差異變化幅度較大，穩定性相對較差，常常使草坪凹凸不平。目前，無機基質與有機基質的混合基質是無土草皮卷生產中常用的基質[8]。

本試驗將污泥、蘑菇渣和秸稈混合后氧發酵，研制用于配制草皮卷生產的有機-無機無土基質中有機基質原料，并研究發酵后產物中病菌、蟲卵、重金屬等有害物質含量變化，為污泥在草皮卷生產中的安全應用提供依據；通過將不同比例的發酵產物、蛭石和沙子的復配，研究不同配方的基質的理化性質及其對高羊茅草坪草的生長指標和品質指標的影響，通過綜合隸屬度對草坪品質進行綜合評價，為無土草皮卷的基質復配提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗發酵基質材料為污泥、蘑菇渣和秸稈。其中，污泥重金屬含量見表1。從外觀上看，污泥呈深褐色、含水量高、黏稠，機械強度小、不易分散，并有惡臭氣味。污泥中砷、鎘、鉛、Cr、Hg含量低于GB/T 23486—2009《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》（pH值<6.5）的限定值。蘑菇渣由山東九發食用菌股份有限公司提供，秸稈由牟平養牛場提供，為粉碎的花生蔓。試驗草種為高羊茅，沙子為過 2 mm 篩的河沙，蛭石為市售。

1.2 試驗方法

1.2.1 發酵試驗設計 污泥：蘑菇渣：秸稈按干質量比 1 ∶2 ∶2 混合，粉煤灰的添加量為發酵有機物料干質量的5%，發酵菌種（由北京沃土天地生物科技有限公司生產）的添加量為發酵原料干重的3‰。發酵混合料C/N為24.43，有機質為 64.55%，含水量為59.01%。將發酵物料裝入底部直徑90 cm、高1 m的包裹保溫材料塑料桶，由空壓機提供空氣，根據溫度變化調節通風量。

1.2.2 基質優化選擇試驗設計 將發酵產物、蛭石和沙子按照80 ∶20 ∶0（T1）、70 ∶20 ∶10（T2）、60 ∶20 ∶20（T3）、40 ∶20 ∶40（T4）體積比例混合。將基質裝入58 cm ×22 cm ×4.8 cm的育苗平盤中，基質厚度4.5 cm，盤底先鋪設1層報紙。高羊茅草種的播種量按照40 g/m2。每個育苗盤為1個處理，重復3次，實驗室內培養。

1.2.3 觀測項目與方法

1.2.3.1 物理性質、化學性質的測定 物理性質采用美國Hummel的測定方法，物理性質測定內容包括容重、通氣孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度[9]?；瘜W性質測定內容包括pH值、總氮含量、總磷含量、總鉀含量、有機質含量、重金屬含量?？偟?、總磷含量、總鉀含量采用硫酸-雙氧水分解法測定，凱氏定氮儀測氮含量、礬鉬黃比色測磷含量、火焰光度計測鉀含量。有機質含量測定采用K2Cr2O7-外熱源法；重金屬含量測定采用HNO3-HF-HClO4聯合消煮法。

1.2.3.2 草坪性狀指標觀測方法 草坪性狀指標觀測方法：蓋度采用電子影像PS直線交叉法。草皮質量直接稱質量，測前24 h灌水1次。地上部分生物量直接刈割烘干稱質量；地下部分生物量用清水洗凈烘干稱重。葉綠素的測定采用丙酮 ∶乙醇=1 ∶1混合液浸提葉綠素法。根系活力采用改良的TTC測定法。成坪天數為蓋度達到85%的天數。成卷天數是將草皮從地上提起不被撕裂，卷起后草皮卷不出現裂縫的天數。

1.2.3.3 草坪綜合質量評價 草坪綜合質量評價采用模糊綜合評判法。為了綜合評定不同基質配比的優劣，將這8個指標根據模糊數學理論進行隸屬函數分析，首先建立“綜合評定”這一模糊集合A的隸屬函數UA（x），簡記為U（x）。

隸屬函數的計算公式為：

U（Xi=Xi-XminXmax-Xmin） 。

式中：U（Xi）為隸屬函數值，Xi為某指標的測定值，Xmax和Xmin為某一指標內的最大值與最小值。

如果某一指標與綜合評判結果為負相關，則用反隸屬函數進行定量轉換。

計算公式為：

U（Xi=1-Xi-XminXmax-Xmin）。

其次，對各個坪用性狀的測定值計算其隸屬值Ui（x），表示這一指標屬于A的程度。然后，對各單因素隸屬度進行加權平均，計算綜合隸屬值，即綜合品質，即U（x）=∑WiUi（x），其中Wi為第i項指標的權重。

權重的確定：打分評判法。各指標互相權衡重要性后，得到成坪時間、成卷時間、密度、根系活力、葉綠素含量、草皮質量、地上生物量、地下生物量8個指標的權重Wi矩陣為{0096，0.330，0.102，0.098，0.118，0.100，0.078，0.078}[5]。

1.3 數據處理與分析

所測數據均采用SAS、Excel軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 發酵溫度隨時間的變化

發酵周期內溫度的變化經歷了升溫、恒溫、降溫的過程：發酵4 d后溫度達到50 ℃，6 d后溫度達到60 ℃，并持續9 d達到50 ℃以上，23 d時堆體內部溫度與室外溫度的差值不再發生變化，發酵結束（圖1）。溫度的變化反映了發酵堆體內微生物活性的變化，能很好地反映發酵過程所達到的狀態。堆料中的有機質在微生物的作用下用于微生物的細胞合成，同時分解為CO2和水，在此過程中產生大量熱量促使堆體溫度上升。堆體溫度在55 ℃條件下保持3 d以上，或50 ℃以上保持5～7 d，是殺滅堆料中所含的致病微生物，保證發酵衛生學指標合格和最后腐熟的重要條件。本試驗由于持續9 d達到50 ℃以上，物料中病原微生物被有效滅活。

2.2 發酵產物的的檢測

發酵后混合料由原來的黏稠變得疏松、顆粒均勻，顏色由原來的深褐色變為黑色，氣味由惡臭變為泥土清香，不再吸引蒼蠅等飛蟲，堆料中長出大量白色菌絲，已經符合了腐熟的物理指標。

發酵產品中理化指標、養分指標、污染物濃度限定值、衛生學指標均符合GB/T 23486—2009《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》（pH值<6.5）的規定（表2）。因此，發酵產物用于草皮卷生產時不存在環境風險。

2.3 基質的物理性質

由于沙子的容重大于發酵產物，隨著發酵產物添加的比例降低、沙子添加比例增加，基質的容重逐漸增加（表3）。T4處理的通氣孔隙度顯著高于T1處理，說明發酵產物的通氣孔隙少，添加沙子有利于增加通氣孔隙。由于草皮卷基質的質量很輕，其保水性是一個重要的指標，往往保水性越強，草坪草長勢則越好。由于沙子的保水性差，添加沙子后，基質的毛管孔隙度顯著下降。總孔隙度為通氣孔隙度與毛管孔隙度之和，T1和T2處理的總孔隙度差異不顯著，但是顯著高于T4處理。

2.4 基質的化學性質

相對于發酵產物，無機物質蛭石和沙子中有機質和養分含量低。因此，隨著發酵產物添加比例的降低，基質中氮、磷、鉀、有機質的含量也降低（表4）。添加80%發酵產物的T1處理總氮、磷、鉀、有機質含量分別是添加40%發酵產物的T4處理2.02、1.99、2.17、2.03倍。

隨著混合基質中蛭石和沙子的添加比例的增加，基質中重金屬含量呈下降趨勢。T1處理的總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞含量分別是T4處理的2.02、2.27、2.05、2.00、1.89倍。

按照GB/T 23486—2009《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》規定，污泥應用于酸性土壤（pH值<6.5）園林綠化時，總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞的限定值分別是75、5、300、600、5 mg/kg。本試驗所配的4種基質，T1處理的重金屬含量最高，但仍低于GB/T 23486—2009《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》（酸性土壤pH值<6.5）的規定：GB/T 23486—2009（酸性土壤pH值<6.5）中總砷、總鎘、總鉛、總鉻、總汞的限定值是T1處理的8.57、20.00、60.73、647、7.14倍。

2.5 草皮卷的草皮性狀分析

研究發現，不添加沙子的T1處理和添加20%沙子的T4處理間成坪天數差異不顯著，但顯著高于T2和T3處理。成卷天數決定著生產成本和經濟效益。T1、T3、T4處理間成卷天數差異不顯著，但顯著高于T2處理。T2處理的地上生物量顯著高于其他3個處理，其次為T3處理，T1處理的地上和地下生物量最低。T2處理的密度最高，其次為T3處理，而T1和T4處理間差異不顯著（表5）。

草皮的質量主要包括基質質量和草坪草的質量，因為草坪草的質量相對于基質質量而言可以忽略，因此草皮卷的質量主要反映的是基質的質量。沙子的比重和容重高于發酵產物和蛭石，因此隨著沙子添加比例的提高，草皮質量也增加。

葉綠素直接反映的是草坪草的葉片顏色，而草坪草的顏色又可以反映草坪草自身的生長狀況。研究發現，T2處理的葉綠素含量最高，其次為T3和T4，T1處理最低。根系活力越高的植物，地下部分的活動越旺盛，就能從土壤中吸收更多礦質元素和水分供應地上部分的生長。T2和T3處理間根系活力差異不顯著，但高于T1和T4處理。而T1和T4處理間根系活力差異不顯著（表5）。

2.6 綜合品質評價

用綜合隸屬度對草坪品質進行綜合評價可以將不同品質指標綜合考慮，從而全面評價草坪品質。結果發現綜合隸屬度由大到小的順序為T2>T3>T1>T4。因此，T2處理的綜合性狀最好，T4處理的綜合性狀最差（表6）。

3 結論與討論

3.1 發酵產物和沙子的比例對基質理化性質的影響

污泥做為生產無土草皮卷的基質具有顯著的環境和經濟效益，但是污泥中含有大量重金屬，因此以純污泥做為基質存在環境風險，并且污泥中有害物質也會影響種子發芽、植株生長[10]。污泥的C/N一般為8～10，好氧堆肥工藝要求控制物料的初始C/N為20～30，因此必須添加其它有機物質[11]，這樣可降低發酵產物中重金屬含量。

發酵產物的容重和通氣孔隙度低于沙子，毛管孔隙度高于沙子，因此基質中隨著沙子添加量的增加，容重和通氣孔隙度逐漸增加、毛管孔隙度降低。T1、T2、T3之間的總孔隙度差異不顯著，但T1、T2高于T4?；|的容重可以反映基質的疏松、緊實程度。容重過大，基質過于緊實，通氣透水性較差；而容重過小，基質過于疏松，通氣透水性雖好但不利于根系的固定，植株易倒伏。因此，基質中有必要添加一定量的沙子。基質孔隙度也是無土基質適合與否的重要指標。一般認為較好的基質總孔隙度為60%～90%。總孔隙度包括通氣孔隙度和毛管孔隙度，兩者比例適合，既利于通氣，又利于保水。因此，基質中需要添加沙子增加通氣孔隙度，但添加沙子的比例有限制，否則會降低毛管孔隙度和總孔隙度。

相對于發酵產物，沙子中有機質和養分含量和重金屬含量低。因此，隨著發酵產物添加比例的降低，基質中氮、磷、鉀、有機質、重金屬的含量也降低。污泥中的重金屬是限制其農用的主要因素。本試驗中的污泥首先經過與秸稈和蘑菇渣混合后好氧發酵，污泥中重金屬含量經過稀釋后下降。將發酵產物與蛭石和沙子混合后進一步降低了重金屬含量。因此，本試驗所用的4種基質中重金屬含量顯著低于GB/T 23486—2009《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》（酸性土壤pH值<6.5）的規定。

3.2 發酵產物和沙子的比例對草坪生長和質量的影響

發酵產物和沙子的添加比例影響基質的營養狀況、物理性質和重金屬含量等指標，因此對草坪的品質有顯著影響。不添加沙子的T1處理雖然養分含量和容重最低、毛管孔隙度最高，但是各項品質指標都低于添加10%沙子的T2處理。隨著沙子添加比例的添加的增加，基質容重和通氣孔隙度上升、毛細管孔隙度和總孔隙度下降，當添加沙子的比例達50%（T4處理）時，各項品質指標都低于T2處理。通過綜合隸屬度對草坪品質進行綜合評價，T2處理的綜合隸屬度為092，而T1和T4處理的綜合隸屬度只有0.17和0.11。因此，綜合考慮草坪品質指標和綜合隸屬度，本試驗最佳基質配方為發酵產物、蛭石、沙子按照70 ∶20 ∶10（T2）體積比例混合。

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