蔬菜廢棄物水熱產(chǎn)物對(duì)土壤理化性狀的影響

引用格式：許傳陽(yáng)，楊英，許晴，等. 蔬菜廢棄物水熱產(chǎn)物對(duì)土壤梨花性狀的影響[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024（6）：38-43，47.

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2024.006.008

收稿日期：2024-03-21

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（232102321049）

作者簡(jiǎn)介：許傳陽(yáng)（1977-），男，山東莒縣人，副教授，博士，主要從事固廢資源化綜合利用研究。

通信作者：楊英

摘要：蔬菜廢棄物營(yíng)養(yǎng)豐富、產(chǎn)量大，但直接利用效率不高。水熱處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)其減量化資源化循環(huán)利用，大大降低其環(huán)境應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。以經(jīng)過(guò)180、210、240 ℃不同溫度處理的蔬菜廢棄物水熱產(chǎn)物作為有機(jī)改良肥，對(duì)土壤進(jìn)行為期35 d的盆栽試驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤pH值變化微小，而EC值不斷增大，可達(dá)0.833 mS/cm；有機(jī)質(zhì)含量先升后降，最大值為10.30 g/kg；氮磷鉀養(yǎng)分含量逐漸升高，總養(yǎng)分最高達(dá)3.43%；土壤微生物以變形桿菌門和厚壁菌門等有益菌為主。蔬菜廢棄物經(jīng)過(guò)高溫水熱處理后生成的固態(tài)產(chǎn)物可作農(nóng)肥使用，對(duì)堿性土壤具有較好的改良特性，最適宜處理溫度為210 ℃。

關(guān)鍵詞：蔬菜廢棄物；水熱產(chǎn)物；土壤肥力；資源化利用

中圖分類號(hào)：X712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2024）06-0038-06

Effect of Hydrothermal Products from Vegetable Waste on Soil Physicochemical Properties

XU Chuan-yang1，YANG Ying2，XU Qing2，TANG Jian-heng2，GAO Zhi-xin2，QI Ming2

（1. School of Business Administration， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003， PRC;

2. School of Resources and Environment， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003， PRC）

Abstract： Vegetable waste is rich in nutrition and large in yield， but the direct utilization efficiency is not high. Hydrothermal treatment technology can realize its reduction， resource utilization， and recycling， thereby greatly reducing its environmental application risk. The hydrothermal products of vegetable waste treated at 180， 210 and 240 ℃ were used as organic improvement fertilizer to conduct a pot experiment on the soil for 35 d. The results showed that the soil pH value changed slightly with the extension of culture time， but the EC value increased to 0.833 mS/cm; the organic matter content rose first and then decreased， with the maximum value being 10.30 g/kg; the content of nitrogen， phosphorus， and potassium was gradually increased， with the total nutrient content reaching up to 3.43%; the soil microorganisms were mainly beneficial bacteria such as Proteobacteria and Firmicutes. The solid by-products produced by high temperature hydrothermal treatment of vegetable waste can serve as an agricultural fertilizer， exhibiting good characteristics for improving alkaline soil. The optimum temperature required for this process was 210℃.

Key words： vegetable waste; hydrothermal products; soil fertility; resource utilization

蔬菜生產(chǎn)作為我國(guó)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)重要組成部分，已在全國(guó)各地成為打造特色產(chǎn)業(yè)、增加農(nóng)民收入的重要支撐點(diǎn)[1]。我國(guó)是蔬菜生產(chǎn)大國(guó)，2018年中國(guó)蔬菜產(chǎn)量占全球蔬菜產(chǎn)量的59%，2020年中國(guó)的蔬菜產(chǎn)量和種植面積分別達(dá)到74 912.9萬(wàn)t和21 485.48千km2 [2]。按照蔬菜生產(chǎn)流通折損比36.55%來(lái)計(jì)算，2020年蔬菜廢棄物的產(chǎn)生量近27 381萬(wàn)t。在蔬菜廢棄物產(chǎn)生量巨大的背景下，處理難和利用率低成為了阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和造成資源浪費(fèi)的主要問題[3-4]。

蔬菜廢棄物可以利用自然界中廣泛存在的細(xì)菌、真菌、放線菌等微生物群體的生命代謝活動(dòng)進(jìn)行降解和腐殖化，生成腐殖質(zhì)類物質(zhì)后用于還田和改良土壤[5]。蔬菜廢棄物含水率高、易腐爛，養(yǎng)分含量高，以水作為反應(yīng)介質(zhì)的水熱技術(shù)可以使蔬菜廢棄物得到資源化利用[6]。水熱法處理蔬菜廢棄物是一種無(wú)害化處理新途徑，可為蔬菜廢棄物資源化利用提供新的思路。高溫高壓的水熱過(guò)程，可以消除蔬菜廢棄物中的病原菌，并避免田間堆放產(chǎn)生的滲濾液污染周邊環(huán)境，以及腐爛發(fā)臭引來(lái)蠅蟲等一系列危害[7]。與堆肥處理中微生物消耗物料有機(jī)質(zhì)的情況相比[8-9]，水熱處理后的產(chǎn)物損失的養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)較少，因此在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)土地和作物的安全性較高。研究將不同溫度下水熱法處理的蔬菜廢棄物與土壤混合，通過(guò)對(duì)混合物的土壤性質(zhì)及微生物群落分析，驗(yàn)證水熱產(chǎn)物對(duì)土壤理化狀態(tài)的影響，為探索蔬菜廢棄物水熱產(chǎn)物還田效果以及提高蔬菜廢棄物利用效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

將原生蔬菜廢棄物粉碎至0.5～2.0 mm，一部分不進(jìn)行水熱反應(yīng)作為供試材料，標(biāo)記為VW0；另一部分分別在180、210和240℃三個(gè)溫度下進(jìn)行水熱反應(yīng)，水熱反應(yīng)釜容量1 000 mL，反應(yīng)時(shí)間40 min，每個(gè)溫度設(shè)置3組重復(fù)，烘干后得到固體產(chǎn)物作為供試材料，標(biāo)記為S180、S210、S240。取校園菜園地土壤，土壤類型為潮粘土，去除石子和植物殘留的根系，將其風(fēng)干后研磨過(guò)10目篩，放置在陰涼干燥的地方保存作為供試土壤，標(biāo)記為S0。添加用的腐熟劑以放線菌和真菌為主要成分。供試材料基本理化性質(zhì)如表1所示。

供試土壤S0含水率為24%，pH值和電導(dǎo)率分別為8.83和0.617，其中，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為54.60 mg/kg 、4.30 、115.45 mg/kg，總養(yǎng)分含量為1.74%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同供試材料與土壤的混合設(shè)6個(gè)處理，分別為：處理S1：S180 5 g + S0 500 g；處理S2：S210 5g +

S0 500 g；處理S3：S240 5 g + S0 500 g；處理VW：VW0 5 g + S0 500 g；處理VWM：VW0 5 g、腐熟劑0.001 g + S0 500 g；CK：S0 500 g作空白對(duì)照，每個(gè)處理設(shè)置3組平行試驗(yàn)。所有樣品混勻后裝入花盆，花盆規(guī)格：上口徑20 cm，高14 cm，底徑14 cm，花盆口用密封袋包覆，并開均勻分布的透氣小孔，定期澆水以保持土壤含水率約為25%。分別在第7、14、21、28和35天的上午10：00進(jìn)行樣品采集。每個(gè)花盆隨機(jī)選取5個(gè)采樣點(diǎn)使用土鉆取樣，采樣深度為5～10 cm。每個(gè)采樣點(diǎn)取40 g左右的土壤樣品，風(fēng)干后進(jìn)行研磨，過(guò)80目篩后用于土壤性狀指標(biāo)測(cè)定，剩余樣品在4 ℃下儲(chǔ)存?zhèn)溆谩４送猓诘?5天對(duì)S2、VW、VWM和CK土壤樣品額外進(jìn)行土壤微生物群落分析。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤和供試材料的測(cè)試基于《NY525—2021》有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)方法，并參考土壤常規(guī)指標(biāo)分析方法。其中，pH值采用PB-10型玻璃電極法測(cè)定，電導(dǎo)率采用DDS-307型電導(dǎo)率儀測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量分析法測(cè)得，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷、速效鉀采用分光光度法進(jìn)行測(cè)定。土壤微生物多樣性采用DNA試劑盒提取、PCR擴(kuò)增和Illumina HiSeq 2500高通量測(cè)序技術(shù)進(jìn)行分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel和Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。使用鄧肯氏新復(fù)極差測(cè)驗(yàn)（Duncan's new multiple rank test）進(jìn)行各處理平均數(shù)之間的多重比較，在P=0.05水平分析差異的顯著性。在數(shù)據(jù)可視化方面，運(yùn)用R語(yǔ)言中的ggplot2和純素包進(jìn)行圖形的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 蔬菜廢棄物水熱產(chǎn)物對(duì)土壤基本性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤pH和電導(dǎo)率" 土壤pH值直接影響農(nóng)田土壤質(zhì)量。當(dāng)土壤的pH值在6.5～7.5之間時(shí)，土壤中的養(yǎng)分有效性較好，微生物活性也較高。根據(jù)表2所示的數(shù)據(jù)可以看出，在培養(yǎng)第7天和第14天，VM的pH值略高于其他處理；14天之后則是VWM的pH值略高。在同一處理下，隨著時(shí)間的推移，S1、S2、S3和VWM的pH值到第35天都一直增加，而VM的pH值則出現(xiàn)下降。但整體而言在不同時(shí)間和處理下土壤pH的變化都較小，大致在7.80～8.19之間。

土壤電導(dǎo)率（EC）是衡量土壤中水溶性鹽含量高低的指標(biāo)，可以評(píng)判土壤鹽離子是否會(huì)限制植物生長(zhǎng)，是一個(gè)關(guān)鍵土壤因素[13-14]。一般來(lái)說(shuō)，土壤中的EC值在0.4到1.0 mS/cm之間。從表3中可以看出，不同處理在不同時(shí)間內(nèi)的土壤EC值變化范圍為0.622～0.833 mS/cm，明顯高于S0。隨著時(shí)間的推移，不同處理下的土壤EC值都呈現(xiàn)逐步升高的趨勢(shì)，其中S3的數(shù)值變幅最大；且在相同時(shí)間下，S3的EC值總體高于其他處理。

2.1.2 土壤有機(jī)質(zhì)" 有機(jī)質(zhì)可以促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)形成，提高土壤溫度，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，增強(qiáng)土壤保肥能力和緩沖性能。從圖1可以看出，不同處理下土壤中的有機(jī)質(zhì)隨時(shí)間的推移都呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，但各處理間的升降速率不同。S3、S2、S1的結(jié)果表現(xiàn)較為一致，培養(yǎng)14 d時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)達(dá)到最大值，分別為10.30、9.91、9.52 g/kg，之后逐漸下降。其中，S2、S3的有機(jī)質(zhì)下降速率較快，而S1相對(duì)較慢。含有微量腐熟劑的VWM，在培養(yǎng)21 d后，有機(jī)質(zhì)含量上升到最大值9.34 g/kg，之后緩慢降低。而最接近自然狀態(tài)的VW，有機(jī)質(zhì)含量增長(zhǎng)速度最慢，在培養(yǎng)28 d后才到最大值8.82 g/kg，之后快速下降。在培養(yǎng)前期，土壤有機(jī)質(zhì)含量從高到低排序?yàn)镾3＞S2＞S1＞VWM＞VW，說(shuō)明經(jīng)過(guò)水熱處理的土壤環(huán)境更有利于微生物的分解與利用，有助于土壤有機(jī)質(zhì)的迅速積累。而隨著時(shí)間的推移，各處理有機(jī)質(zhì)含量都降低可能是后期土壤微生物逐漸穩(wěn)定，有機(jī)質(zhì)的分解量大于積累量，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量將逐漸下降。

2.1.3 土壤養(yǎng)分 土壤中的氮、磷、鉀是植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，其中速效態(tài)養(yǎng)分是植物可直接吸收利用的部分。土壤中營(yíng)養(yǎng)成分含量如圖2、圖3所示。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各養(yǎng)分含量整體上呈逐步上升的趨勢(shì)，不同處理下土壤的速效鉀含量范圍為120.77～189.68 mg/kg，堿解氮為54.13～146.30 mg/kg，

速效磷為4.38～7.67 mg/kg，總養(yǎng)分為1.79～3.43%。不同處理下土壤中各養(yǎng)分平均含量速效鉀＞堿解氮＞

速效磷；同一養(yǎng)分含量在不同處理中總體表現(xiàn)為S3＞

S2＞S1（VWM）＞VW。經(jīng)過(guò)一定處理的還田土壤釋放的養(yǎng)分含量高于原狀土壤CK，尤其是經(jīng)過(guò)高溫水熱處理的土壤（即S3和S2），其總養(yǎng)分顯著高于VM。可能是因?yàn)槭卟藦U棄物經(jīng)過(guò)水熱處理后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)入土壤后養(yǎng)分更容易

釋放。

2.2 蔬菜廢棄物水熱產(chǎn)物對(duì)土壤微生物群落生態(tài)變化的影響

2.2.1 土壤微生物豐度變化 微生物多樣性對(duì)支持多種土壤生態(tài)系統(tǒng)功能至關(guān)重要。通過(guò)圖4可以觀察土壤細(xì)菌群落熱值的變化情況，結(jié)果顯示：在不同處理下細(xì)菌在門水平上的優(yōu)勢(shì)成分有所不同。在對(duì)照組CK中，優(yōu)勢(shì)細(xì)菌主要屬于變形桿菌門（Proteobacteria）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）、綠彎菌門（Chloroflexi）、放線菌門（Actinobacteriota）和酸桿菌門（Acidobacteriota），其中，變形桿菌門相對(duì)豐度最高，占66.06%，這是土壤中常見的寄生菌和病原菌門。在S2和VWM處理的土壤中，細(xì)菌豐度前26位的優(yōu)勢(shì)菌種大多是相同的。這兩個(gè)處理中共同的優(yōu)勢(shì)菌群按豐度排序依次為：變形桿菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、酸桿菌門（Acidobacteriota）和放線菌門（Actinobacteriota）。

2.2.2 細(xì)菌群落與環(huán)境因子相關(guān)性冗余分析 圖5顯示了土壤細(xì)菌群落門水平下豐度前5的物種與土壤環(huán)境因子（有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀、速效氮和pH值）之間的相關(guān)性冗余分析結(jié)果。通過(guò)RDA分析得出，第一和第二主要變量分別解釋了總變異的65.310%和4.066%，總共解釋了69.376%的變異。在S2和VWM處理的土壤中，有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀和速效氮含量與變形桿菌門（Proteobacteria）和厚壁菌門（Firmicutes）呈顯著正相關(guān)，且與厚壁菌門（Firmicutes）呈極顯著正相關(guān)，這可能與厚壁菌門（Firmicutes）的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，其細(xì)胞壁含有較高的肽聚糖，可以產(chǎn)生大量芽孢，具有抵抗極端環(huán)境的能力，并能夠固氮和活化土壤磷鉀。而土壤pH值則相反，與變形桿菌門（Proteobacteria）和厚壁菌門（Firmicutes）呈顯著負(fù)相關(guān)，可能是由于這兩種細(xì)菌通過(guò)代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸會(huì)降低土壤pH值。總體而言，蔬菜廢棄物經(jīng)高溫水熱處理后的固態(tài)產(chǎn)物具有一定的肥力效果，可以促進(jìn)有益菌群的生長(zhǎng)，提高土壤微生物活性，豐富微生物群落的多

樣性。

3 討論與結(jié)論

將農(nóng)林廢棄物制成肥料后，能夠顯著改善土壤的理化性質(zhì)，蔬菜廢棄物水熱產(chǎn)物對(duì)土壤pH的影響較小，這可能是微生物開始適應(yīng)土壤環(huán)境，逐步降解并利用其中的酸性有機(jī)物質(zhì)[10-12]。高溫水熱產(chǎn)物可以有效提高土壤鹽粒子的含量，這是因?yàn)楦邷厮疅岙a(chǎn)物含有較多易降解的高分子有機(jī)物，提高了其生物可利用性，從而導(dǎo)致更多的離子溶解于土壤，使鹽離子含量增加[15-17]，并增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量。蔬菜廢棄物水熱反應(yīng)后的物質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量較高，再加上腐殖化程度較強(qiáng)，有利于土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖和有機(jī)物的積累，從而在一定程度上增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量[18-20]。增加的有機(jī)質(zhì)又為細(xì)菌提供所需的養(yǎng)分，進(jìn)而影響細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)[21-23]。因此，在連續(xù)培養(yǎng)14天的S1、S2、S3土壤環(huán)境中，微生物活性較強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)累積較多。

研究顯示，高溫水熱產(chǎn)物對(duì)綠色有機(jī)物質(zhì)的快速腐熟與有效利用，提供了基礎(chǔ)的科學(xué)理論依據(jù)，繼而實(shí)現(xiàn)了固廢資源的循環(huán)利用。水熱體系溫度越高，降解大分子物質(zhì)的反應(yīng)加劇，有機(jī)化率越高，對(duì)蔬菜廢棄物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞程度更大，從而提高其土壤利用率。當(dāng)然，在低溫下，水熱處理產(chǎn)物也能促進(jìn)其利用。然而，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)碳化，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)流失，并增加能耗生產(chǎn)成本。因此，綜合考慮水熱處理成本、養(yǎng)分利用效率和有機(jī)肥指標(biāo)要求等因素，S3和S2的土壤應(yīng)用更為合理。環(huán)境因子會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的含量，對(duì)微生物菌群生長(zhǎng)代謝也影響較大。前人發(fā)現(xiàn)，施加水熱肥能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，為細(xì)菌提供大量生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，改變土壤化學(xué)性質(zhì)使使細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[24-26]。

研究結(jié)果表明：水熱固態(tài)產(chǎn)物對(duì)土壤質(zhì)量有較好的改良效果，土壤培養(yǎng)初期，有機(jī)肥能顯著提高有機(jī)質(zhì)含量至10.31 g/kg；培養(yǎng)過(guò)程中，土壤養(yǎng)分含量能逐漸增加，最高可達(dá)3.43%；土壤優(yōu)勢(shì)菌群以變形桿菌門、厚壁菌門等有益菌為主。

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（責(zé)任編輯：劉奇頎）