村鎮(zhèn)有機生活垃圾處理產物對青菜品質及土壤性質的影響

張亞　師楊杰　姚均偉　郝大洋　張衡　曹風雷　朱寧　李游　靳紅梅

摘要： 以有機生活垃圾好氧堆肥和厭氧發(fā)酵沼渣為研究對象，通過盆栽試驗探討其與化肥配施對青菜（Brassica chinensis）產量、品質、土壤養(yǎng)分和土壤酶的影響特征。結果表明，與100%施用化肥處理相比，有機生活垃圾處理產物堆肥、沼渣與化肥配施處理部分提高了青菜干物質積累量和品質，干質量增幅為17.3%～44.2%，可溶性糖含量增幅為59.7%～114.8%，可溶性蛋白質含量增幅為80.5%～159.7%，硝酸鹽含量最多降低了35.8%；堆肥和沼渣與化肥配施提高了土壤肥力，有機碳、總磷含量增幅分別為1.1%～40.1%和30.4%～34.7%，而蔗糖酶和過氧化氫酶活性增幅分別為16.3%～42.8%和17.9%～70.5%。總之，一定比例生活垃圾處理產物與化肥配施有利于青菜產量、品質和土壤肥力的提升，以100%化肥補充20%堆肥為最佳配比。

關鍵詞： 村鎮(zhèn)有機生活垃圾；堆肥；沼渣；青菜；品質；土壤酶

中圖分類號： S634.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-4440（2023）01-0088-09

Effects of the products from treatment of organic domestic waste in villages and towns on the quality of Brassica chinensis and soil properties

ZHANG Ya¹， SHI Yang-jie^2，3， YAO Jun-wei¹， HAO Da-yang¹， ZHANG Heng¹， CAO Feng-lei⁴， ZHU Ning^3，5， LI You¹， JIN Hong-mei^3，5

（1.Everbright Environmental Protection Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China;2.School of Environmental Science and Engineering， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;3.Institute of Agricultural Resources and Environment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China;4.Yiyuan Community of Datun Street in Pei County， Xuzhou 221600， China;5.Jiangsu Collaborative Innovation Center for Organic Solid Waste Resource Utilization， Nanjing 210095， China）

Abstract： Using the compost and fermented biogas residue after aerobic and anaerobic treatment of organic domestic waste as the research objects， the effects of their combined application with chemical fertilizer on the yield， quality， soil nutrients and soil enzyme activities of Brassica chinensis were discussed through pot experiment. The results showed that， compared with 100% chemical fertilizer application， combined application of organic domestic waste compost and biogas residue with chemical fertilizer partially improved dry matter accumulation and quality of B.chinensis， the dry weight increased by 17.3%-44.2%， the soluble carbohydrate content increased by 59.7%-114.8%， the soluble protein content increased by 80.5%-159.7%， and the max decreasing amplitude of nitrate content was 35.8%. Application of compost and combined application of biogas residues and chemical fertilizers improved soil fertility， contents of organic carbon and total phosphorus increased by 1.1%-40.1% and 30.4%-34.7% respectively， while the increasing amplitude of sucrase and catalase activities were 16.3%-42.8% and 17.9%-70.5% respectively. In conclusion， the combined application of a certain proportion of domestic waste processing products and chemical fertilizers is beneficial to the improvement of yield， quality and soil fertility of B.chinensis， and the best ratio is 100% chemical fertilizer supplemented with 20% compost.

Key words： organic domestic waste in villages and towns;compost;biogas residue;Brassica chinensis;quality;soil enzymes

隨著中國經濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，生活垃圾產生量與日俱增。國家衛(wèi)生健康委員會有關數據顯示，村、鎮(zhèn)兩級居住社區(qū)人均每日生活垃圾產生量分別為 0.5～1.0 kg/（人·d）、0.4～0.9 kg/（人·d），年產量已超1×108? t^[1-2]。然而，中國絕大部分村鎮(zhèn)缺乏完善的垃圾管理制度，現階段村鎮(zhèn)生活垃圾的終端處理手段仍以簡易焚燒和簡單填埋為主，造成資源化利用率低、安全隱患大、二次污染風險高等突出問題^[3]。村鎮(zhèn)生活垃圾的治理已成為改善農村地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。村鎮(zhèn)生活垃圾以有機生活垃圾為主，如餐廚垃圾（主要成分）、木竹類、紙類等^[2]，富含有機物組分，可通過好氧堆肥和厭氧發(fā)酵等生物轉化技術實現養(yǎng)分資源的再利用^[4-5]。利用好氧堆肥技術對有機生活垃圾進行生物降解和腐熟處理，可將其轉化形成有機肥料；厭氧發(fā)酵技術具有碳排放量低、資源利用率高、適合集中大規(guī)模處理等優(yōu)點而受到越來越多的關注^[6]。特別是干式厭氧發(fā)酵后殘留的沼渣，無害化處理后可作為肥料進一步資源化利用^[7-9]。

以村鎮(zhèn)有機生活垃圾為主要原料的堆肥和沼渣中富含有機質以及植物所需的氮、磷、鉀等大量元素和多種微量元素^[10]，農田施用后具有改善土壤質量、促進作物生長的潛力。葛春輝等^[11]將城市生活垃圾堆肥用于玉米種植，發(fā)現土壤有機質、速效氮、速效磷和速效鉀含量隨生活垃圾堆肥施用量的增加而增加，土壤肥力明顯提高，短期內施用一定量的生活垃圾堆肥可提高玉米的百粒質量和雙棒率，明顯增加玉米產量。Machado等^[12]研究發(fā)現，施用城市生活垃圾堆肥后菠菜的地上部干質量和鮮質量提高了109%，土壤有機質含量提高了2.25%。前人進一步研究發(fā)現，施用有機生活垃圾源肥料可以提高土壤酶活性，促進作物對養(yǎng)分的吸收，從而增加作物產量、提高土壤肥力^[13-15]。總體來看，國內外對于村鎮(zhèn)生活垃圾轉化處理技術的研究較多，而對于處理后產物利用效果的研究相對不足^[16]，特別是其施肥方式對作物品質和土壤性質的影響仍有待深入研究。

徐州市沛縣是全國農村垃圾分類和資源化利用示范縣，2019年被列為國家衛(wèi)生縣城，形成了一套具有區(qū)域特色的村鎮(zhèn)生活垃圾分類和處置模式。本研究以沛縣村鎮(zhèn)有機生活垃圾好氧處理后的堆肥（以下簡稱“堆肥”）和干式厭氧發(fā)酵后的沼渣（以下簡稱“沼渣”）為研究對象，采用室內盆栽試驗，探討堆肥和沼渣與化肥不同配施方式對矮腳黃青菜（Brassica chinensis）產量、品質、土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性的影響，以期為村鎮(zhèn)生活垃圾肥料化利用提供參考，推動村鎮(zhèn)垃圾分類處置和產業(yè)化。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試土壤 供試土壤采自當地蔬菜種植專業(yè)合作社的蔬菜大棚內，土壤類型為高砂土，0～20 cm土層土壤pH為7.11，電導率（EC）為230.70 μS/cm，總氮（TN）、總磷（TP）、總鉀（TK）含量分別為0.10%、0.10%、0.11%。

1.1.2 供試蔬菜 青菜（Brassica chinensis）品種為矮腳黃，種子購于江蘇明天種業(yè)科技股份有限公司。

1.1.3 供試肥料 堆肥和沼渣均取自沛縣大屯街道的垃圾分類處置中心，取樣時間為2021年3月。全年（2020-2021年）不同季節(jié)有機生活垃圾的理化性質如表 1 所示。大屯街道垃圾分類處置中心對分類的有機生活垃圾主要采用2種處理方式（圖 1）：一是好氧堆肥處理，采用陽光房堆肥模式，堆肥容重為0.6 t/m³，最高溫度60～65 ℃，原料碳氮比為14∶1～16∶1，含水率約為80%，一次發(fā)酵15 d，二次發(fā)酵25 d，日處理量約4.0 t；二是厭氧發(fā)酵處理，采用干式厭氧發(fā)酵裝備，厭氧罐有效容積為6.15 m³，總固體（TS）含量為15%～20%，最大負荷（揮發(fā)性固體）可達6 kg/（m³·d），加料前攪拌2 h，水力停留時間為20 d，在中溫（約35 ℃）條件下，沼氣含量約為60%，日處理量為0.7～1.0 t。

試驗所用的化學肥料為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀。尿素購自國藥集團化學試劑有限公司，過磷酸鈣購自南京晚晴化玻儀器公司，硫酸鉀購自北京益利精細化學品有限公司。

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗處理 以等氮量替代為依據，根據堆肥和沼渣中總氮含量水平，共設置9個處理，分別為：100%化肥N（T1）； 100%堆肥N（T2）；80%化肥N+20%堆肥N（T3）；50%化肥N+50%堆肥N（T4）；100%化肥N+20%堆肥N（T5）；100%沼渣N（T6）；80%化肥N+20%沼渣N（T7）；50%化肥N+50%沼渣N（T8）；100%化肥N+20%沼渣N（T9）。化肥施用量按照N∶P₂O₅∶K₂O=1.5∶1.0∶1.5 配比。各處理不同施肥量如表2所示。

1.2.2 盆栽試驗 采用室內盆栽試驗。所用花盆為圓形，直徑20 cm，高15 cm，每盆裝土3 kg，播種青菜種子20粒，出芽后每盆留苗4株，每1～2 d澆水，其他日常管理相同，每個處理設置5盆（n=5）。試驗于2021年5月4日至6月11日在江蘇省農業(yè)科學院科研溫室基地進行。

1.3 樣品采集及測定

1.3.1 樣品采集與預處理 肥料樣品采集后裝入自封袋內密封，放入保溫箱中，于12 h內運送至實驗室，樣品置于0～4 ℃條件下冷藏保存，待測。青菜植株收獲后，洗凈青菜表面及根部泥土，用吸水紙將水分吸干，待測。采集盆栽土壤樣品，風干過100目篩，待測。

1.3.2 測定方法 取肥料樣品測定濕質量，105 ℃烘至恒質量測定干質量，計算含水率。pH（電位法，固液比1∶10）、EC（電導率，固液比1∶10）、有機質含量（OM）含量、總氮（TN）含量、總磷（TP）含量、總鉀（TK）含量、總養(yǎng)分含量按照NY/T 525-2021《有機肥料》中方法測定。

將青菜樣品吸干水分后測定鮮質量，放入烘箱105 ℃殺青2 h，70 ℃烘至恒質量，測定干質量。維生素C（V_C）含量采用食品安全國家標準GB 5009.86-2016《食品中抗壞血酸的測定》中的方法測定，可溶性糖含量采用NY/T 1278-2007《蔬菜及其制品中可溶性糖的測定》中的方法測定，可溶性蛋白質含量采用南京建成生物工程研究所的蛋白質定量測定試劑盒（考馬斯亮藍法）測定，硝酸鹽含量采用GB 5009.33-2016《食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》中的方法測定。

土壤總氮（TN）含量采用凱氏定氮法測定，總磷（TP）含量采用鉬銻抗比色法測定，總鉀（TK）含量采用火焰分光光度法測定，有機質（SOC）含量采用重鉻酸鉀容量法測定^[17]。土壤脲酶活性采用苯酚次氯酸鈉比色法測定，過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法（0.05 mol/L KMnO₄滴定）測定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法^[18]測定，堿性磷酸酶活性采用南京建成生物工程研究所的堿性磷酸酶測定試劑盒（分光光度法）測定。

1.4 數據分析

采用 Microsoft Excel 2019 進行數據處理，采用 SPSS Statistics v26.0進行單因素方差分析（ANOVA），多重比較采用Duncans法（α=0.05），采用 Origin 2019b 進行作圖。

2 結果與分析

2.1 有機生活垃圾堆肥和沼渣的基本理化特性

堆肥和沼渣的理化特性如表3所示，其pH值、有機質和總養(yǎng)分含量均符合國家有機肥料標準^[19]。本研究中，堆肥和沼渣有機質含量均大于40%，明顯高于姜蒙^[20]報道的廚余垃圾肥料有機質含量（20%～30%）；堆肥和沼渣的全磷含量大于5.00%，全鉀含量在2.00%左右，遠高于王站付等^[21]報道的餐廚垃圾堆肥中全磷含量（1.02%）、全鉀（0.54%）含量。比較堆肥和沼渣理化性質可知，沼渣的含水率、EC值和有機質含量均略高于堆肥，其總磷含量略低于堆肥，這與兩種產物的制備方式不同有關。

2.2 有機生活垃圾堆肥和沼渣與化肥配施對青菜產量的影響

堆肥和沼渣分別與化肥配施后青菜的產量如圖 2 所示。與100%施用化肥的T1處理相比，T5處理對增加青菜鮮質量產量的促進作用最明顯，同時T5、T7、T9處理對青菜干質量積累的促進作用大于T1處理，其增幅為17.3%～44.2%，這可能與這3個處理組中鉀含量較高有關^[22]。由圖2還可以看出，與T1處理相比，T2（100%堆肥）、T6（100%沼渣）處理組對增加青菜鮮質量和干質量無促進作用，這可能是因為堆肥和沼渣中鹽分含量偏高，在現有施用水平下造成了鹽漬化，對青菜產生了不利影響。因此，在后續(xù)研究中將不再探討這2個處理組。

2.3 有機生活垃圾堆肥和沼渣與化肥配施對青菜品質的影響

2.3.1 V_C含量 V_C是人體所需的重要維生素之一，其日常來源之一就是蔬菜。T5處理組青菜V_C含量為63.60 mg/kg，比100%施用化肥的T1組增加了9.30%（圖3），而高紅莉等^[23]施用沼液和沼渣等有機肥后青菜中V_C含量分別僅為51.80 mg/kg和46.20 mg/kg，劉麗鵑等^[24]施用豬糞堆肥后青菜中V_C含量為20～30 mg/kg，低于本研究結果。另外，與T1組相比，其他處理對青菜中的V_C含量無促進作用，這可能是因為化肥中速效鉀含量較高，對青菜合成V_C的促進作用更大。

2.3.2 可溶性糖含量 糖作為代謝的中間產物或終產物參與植物生長、發(fā)育、抗性形成等多個生理過程，是植物生長發(fā)育和基因表達的重要調節(jié)因子^[25]。青菜中可溶性糖含量從高到低依次為T7>T3>T5>T8>T1>T9>T4（圖3）。與100%施用化肥的T1組相比，除T4、T9處理組外，其他處理組的青菜中可溶性糖含量提高了59.7%～114.8%，可能是因為堆肥和沼渣的含鹽量偏高，與化肥配施處理后使得青菜處于鹽分脅迫環(huán)境，植物細胞由于應激反應儲存可溶性糖，升高了細胞膜內滲透勢^[26]，這種應激反應使得青菜中可溶性糖含量提高。

2.3.3 可溶性蛋白質含量 蛋白質也是衡量蔬菜品質的重要指標之一。圖 3顯示，青菜中可溶性蛋白質含量從高到低依次為：T3>T8>T9>T5>T7>T1>T4。與100%施用化肥的T1處理組相比，除T4處理組外，其他處理組的青菜中可溶性蛋白質含量提高了80.5%～159.7%，這可能是因為堆肥和沼渣含鹽量高，刺激青菜產生較多的可溶性蛋白質參與細胞滲透調節(jié)^[27]。

2.3.4 硝酸鹽含量 蔬菜富集硝酸鹽是一種自然現象，硝酸鹽雖對植物本身沒有負面作用，卻會危害人體健康，人體攝入的硝酸鹽有81.20%來自蔬菜，而氮肥是影響青菜中硝酸鹽積累的重要因素^[24]。如圖 3 所示，青菜中的硝酸鹽含量從高到低依次為：T7>T9>T1>T3>T4>T5>T8。最低的是T8處理組，為237.48 mg/kg，較100%施用化肥的T1處理組低35.8%，其硝酸鹽積累量明顯低于前人研究結果^[28-30]。

2.4 有機生活垃圾堆肥和沼渣與化肥配施對土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性的影響

2.4.1 土壤養(yǎng)分含量變化特征 土壤有機碳在維持土壤肥力和改善土壤結構等方面具有重要作用。圖 4顯示，土壤有機碳含量從高到低依次為T4>T8>T3>T7>T9>T1>T5。與100%施用化肥的T1處理組相比，除T5處理組外，其他處理組土壤有機碳含量增加了1.1%～40.1%，這主要是因為生活垃圾處理產物富含有機質，將其施入土壤后增加了土壤碳源輸入，從而提高了土壤有機碳含量。土壤總氮含量由高到低依次為：T4>T8>T7>T1>T3>T5>T9。T4處理組土壤總氮含量最高，為1.31 mg/g，比T1處理組增加了11.1%。補充氮處理組總氮含量反而低于100%施用化肥的T1處理組，這可能是因為這些處理組青菜對養(yǎng)分的利用率高，導致土壤總氮含量降低。與100%施用化肥的T1處理組相比，T3、T8處理組的總磷含量分別提高了34.7%、30.4%，其他處理組的總磷含量與T1處理組相比沒有明顯差異，這表明一定比例的生活垃圾處理產物與化肥配施可以提高土壤總磷含量，提高土壤肥力。由圖4可看出，堆肥和沼渣與化肥配施后土壤總鉀含量略高于100%施用化肥的T1處理組，這可能是因為生活垃圾處理產物本身鉀含量高，施入土壤后除了供應青菜生長所需鉀元素外，還提高了土壤總鉀含量。

2.4.2 土壤酶活性變化特征 脲酶是土壤中主要的水解酶類之一，它可以促進土壤中尿素向植物可吸收的NH⁺₄轉化，反映了土壤氮素供應水平^[31]。圖5顯示，T7處理組土壤脲酶活性最高，為0.95 mg/g，與100%施用化肥的T1處理組相比提高了26.7%，表明T7處理組土壤氮素供應水平最高，土壤中含較多植物可直接吸收的 NH⁺₄，青菜吸收NH⁺₄后導致植株體內硝酸鹽含量升高，因此該處理組對應的青菜硝酸鹽含量也是最高的。除T7處理組外，其他處理組的土壤脲酶活性無顯著差異，其含量為0.63～0.75 mg/g。

土壤蔗糖酶也屬于水解酶的一種，主要參與土壤中高分子有機物質的代謝過程，將蔗糖水解成葡萄糖和果糖，改善土壤碳素營養(yǎng)狀況，可作為評價土壤肥力狀況的重要指標^[32]。與土壤脲酶活性不同，對照組和處理組之間土壤蔗糖酶活性存在差異。與100%施用化肥的T1處理組相比，T4、T5、T9處理組土壤脲酶活性分別提高了42.8%、30.1%、16.3%，這可能是因為這幾個處理組中，施入了更多有機物質，為微生物提供了較多代謝物質，刺激了蔗糖酶活性升高。

土壤磷酸酶活性與pH值密切相關，它可以促進土壤有機磷化合物的礦化分解，與土壤磷素生物有效性密切相關^[32]。與100%施用化肥的T1處理組相比，堆肥和沼渣與化肥配施后降低了土壤堿性磷酸酶活性，這可能是因為兩種生活垃圾處理產物pH呈酸性，施入后降低了土壤pH，從而降低了堿性磷酸酶活性。

土壤過氧化氫酶是主要的一類氧化還原酶，是好氧微生物的指示物，它將生物呼吸和其他反應產生的過氧化氫轉化為水和氧氣，防止過氧化氫過度積累對植物造成毒害作用^[33]。土壤中過氧化氫酶活性從高到低依次為：T4>T5>T7>T8>T9>T3>T1。與100%施用化肥的T1處理組相比，堆肥和沼渣與化肥配施處理可提高土壤過氧化氫酶活性17.9%～70.5% ，這可能是因為施入堆肥和沼渣后，土壤中微生物數量增加，刺激了過氧化氫酶的分泌。

3 討論

生活垃圾肥料中富含N、P、K等青菜需要的各種養(yǎng)分，與化肥配施可供給青菜所需的養(yǎng)分。本試驗結果表明，一定比例的堆肥和沼渣與化肥配施處理不僅可以提高青菜產量和干物質積累量，還可在一定程度上提高青菜的品質，這與前人研究結果一致^[34]，可見堆肥與化肥配施對青菜產量和品質的促進作用更顯著。

許多研究結果表明，土壤中施加有機肥可以提高土壤肥力和土壤酶活性^[32-33]。本試驗結果表明，一定比例的堆肥和沼渣與化肥配施不僅增加了土壤碳源的輸入量，而且提高了土壤總氮、總磷、總鉀含量，改善了土壤肥力。本試驗中，堆肥與化肥配施處理對土壤養(yǎng)分含量的提高作用最明顯。土壤酶參與了土壤中絕大多數的生物化學反應，其活性高低可以反映土壤綜合肥力和土壤養(yǎng)分轉化進程^[35-38]。不同比例的堆肥和沼渣與化肥配施對土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性有不同程度的提高作用，卻相對抑制了堿性磷酸酶活性，這可能是由于堆肥和沼渣pH較低，施入后降低了土壤pH，導致堿性磷酸酶活性降低。堆肥和沼渣與化肥配施提高了過氧化氫酶活性，這可能是由于配施增加了土壤微生物的數量，增加的微生物分泌了更多的過氧化氫酶。另外，生活垃圾肥料中大量微生物還可以改變植株的根際土壤環(huán)境。研究者發(fā)現，在有機肥料中摻入對植株有益的微生物如木霉等，不僅可以改變植株的根際土壤環(huán)境，木霉菌株還能通過改變土壤溶磷、溶鉀能力，刺激植物分泌吲哚乙酸從而促進植物生長^[39-41]。值得注意的是，村鎮(zhèn)有機垃圾中常含有一定的鹽分，其轉化為肥料后所含鹽分對土壤質量造成的潛在影響仍需深入研究^[42]。

4 結論

相較于單獨施用化肥，使用堆肥和沼渣代替部分化肥對青菜產量、品質無顯著影響，但在施用化肥的同時補充部分堆肥和沼渣可以增加青菜干物質積累量，并提高青菜品質，同時還能補充土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力和土壤酶活性。對比堆肥和沼渣的施用效果發(fā)現，堆肥和化肥配施對青菜產量、品質和土壤酶活性的促進作用較好，其中以20%堆肥和100%化肥的配施比例最佳。

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（責任編輯：張震林）