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， 中國輕工業(yè)清潔生產(chǎn)和資源綜合利用重點實驗室， 北京 100048 2.國家發(fā)展和改革委員會， 北京 100045 3.中國環(huán)境科學研究院， 環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室， 北京 100012

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，有機廢棄物產(chǎn)生量逐年增加，其中餐廚垃圾占有機廢棄物產(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)風險. 同時，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，我國耕地平均有機質(zhì)含量為1.863%，并呈進一步下降趨勢.

土壤團聚體是土粒經(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)對土壤結(jié)構(gòu)以及碳固定有重要影響[3]. 土壤各粒級團聚體粒徑分布和占比會影響土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，良好的土壤團聚體分布對降低土壤可蝕性、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]認為，土壤團聚體的形成受有機質(zhì)、黏粒含量、微生物作用、碳水化合物及離子鍵的影響. 土壤團聚體可對有機質(zhì)進行物理保護，是有機質(zhì)存在的場所，土壤有機質(zhì)又是促進團聚體形成與穩(wěn)定的膠結(jié)物質(zhì)[5]. 有研究[6]指出，長期施用有機肥可使土壤團聚體穩(wěn)定性發(fā)生變化，有機質(zhì)的賦存轉(zhuǎn)化顯著影響水穩(wěn)性團粒結(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肥料為切入點，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)理劑進行果園土壤改良，從時間和空間維度深入分析土壤團粒結(jié)構(gòu)及其有機質(zhì)賦存轉(zhuǎn)化的研究卻鮮有報道. 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)理劑施用時間和土壤層深度對果園土壤團聚體特征及其各粒級團聚體中有機質(zhì)分布的影響，闡明施用時間、土壤層深度對土壤結(jié)構(gòu)和功能的響應(yīng)機制，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 試驗設(shè)計

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：pH為6.84，含水率為8.17%，EC(電導(dǎo)率)為4 057.55 μScm，w(OM)(OM為有機質(zhì))為87.51%，w(HA)(HA為腐殖酸)為45.26%，DR0.25(團粒結(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，施用時間為每年3月果實收獲后，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選取5個點，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

土壤團聚體的分布狀況和穩(wěn)定性采用濕篩法分選各粒級團聚體[7]. 稱取風干土壤樣品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后用團聚體篩分儀篩分，篩分時間為20 min，篩分頻率為30次min. 將各粒級孔徑篩上的土壤樣品在60 ℃下烘干，計算得到水穩(wěn)性各粒級團聚體占比，記為Wwi. 有機質(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[9]；w(HA)采用重鉻酸鉀法[10]測定.

1.4 計算方法

DR0.25、MWD和GMD以各粒級團聚體數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算方法[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)理劑對土壤團聚體分布的影響

施用時間a： 1—0(對照組)； 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)性團聚體是土壤中穩(wěn)定性較好的團聚體，可反映土壤抗侵蝕能力. 餐廚垃圾土壤調(diào)理劑施用不同時間后各粒級Wwi(水穩(wěn)性團聚體占比)的變化情況如圖1所示. 由圖1可見：①對于0～20 cm土壤層，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后粒徑<0.25 mm微團聚體的Wwi均大于對照組，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對于20～40 cm土壤層，粒徑<0.25 mm微團聚體的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微團聚體Wwi的下降，粒徑>0.25 mm大團聚體的Wwi逐漸增加，且隨土壤層深度的增加其變化幅度增大.

粒級>0.25 mm的大團聚體占比稱作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達到最大值(90.03%)；30～40 cm土壤層DR0.25逐漸增加，施用5 a后達到最大值(90.27%). 粒徑>0.25 mm的大團聚體中2～5 mm粒級團聚體與土壤侵蝕相關(guān)性最強，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑后，各土壤層中2～5 mm粒級團聚體的Wwi均隨施用時間的延長而增大. 施用5 a后，各土壤層粒徑>5 mm團聚體的Wwi與對照組相比均增加. 根據(jù)多級團聚理論，在土壤團聚體形成過程中，大團聚體能夠破碎成為微團聚體，微團聚體還可以聚合成為大團聚體，二者互為消長[15]. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑能促進植物根系發(fā)育和真菌菌絲生長，增加根系數(shù)量，延長根系長度，使土壤中大團聚體崩裂為微團聚體，而根系及菌絲的纏繞作用又能促進大團聚體的膠結(jié)[16-17]. 隨施用時間的延長，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. 可見，餐廚垃圾含有大量蛋白質(zhì)、糖類等小分子有機物，以其為原料制備的土壤調(diào)理劑中有機質(zhì)含量高達87.51%，w(HA)高達45.26%. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑可增加土壤w(DOC)(DOC為水溶性有機碳)和w(HA)，有利于土壤團粒結(jié)構(gòu)體形成，增強土壤穩(wěn)定性[18].

2.2 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑對土壤團聚體粒徑的影響

土壤團聚體粒徑與土壤質(zhì)量的聯(lián)系緊密，MWD和GMD是反映土壤團聚體粒徑大小的常用指標. 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

各粒級團聚體在土壤的孔隙度、養(yǎng)分循環(huán)、生物活動和肥力固持等方面的作用不同，MWD和GMD越大，表示團聚體的平均粒徑團聚度越高、穩(wěn)定性越強[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，在一定程度上促進了土壤膠結(jié)物質(zhì)的形成，有利于大團聚體的形成及穩(wěn)定，進而改善土壤團聚體粒徑大小狀況及團聚體穩(wěn)定性.

2.3 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑對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)隨施用時間、土壤層深度的變化情況如圖3所示. 由圖3可見，對照組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土壤層中達到最大值(2.35)，30～40 cm土壤層達到最小值(2.34). 隨著施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑時間的延長，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)達到最大值，為2.46. 施用5 a后，各土壤層較對照組均下降，且0～20 cm土壤層的降幅最大.

施用時間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

土壤團聚體的形成涉及一系列物理、化學和生物作用，是一個復(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影響土壤團聚體的形成與穩(wěn)定. 分形幾何學以支離破碎或不規(guī)則的物體為研究對象，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)可以反映團聚體對土壤穩(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，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)是基于團聚體濕篩結(jié)果計算得到，可反映土壤水穩(wěn)性的強弱. 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，對照組30～40 cm土壤層的水穩(wěn)性最強，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、無機營養(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)理劑對土壤團聚體中有機質(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)理劑后不同粒徑團聚體有機質(zhì)含量隨施用時間的變化情況Fig.4 The w(organic matter) of aggregates with time under food waste soil conditioner long-term application

不同粒級的土壤團聚體在有機質(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)理劑施用不同時間后各粒級團聚體有機質(zhì)含量的變化情況如圖4所示. 由圖4可見，與對照組相比，施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑可有效提高0～20 cm土壤層各粒徑團聚體有機質(zhì)含量，除施用土壤調(diào)理劑3 a的0.25～0.5 mm團聚體以外，粒徑為0.5～5 mm和<0.25 mm的團聚體有機質(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大團聚體的有機質(zhì)含量隨團聚體粒徑的減小整體呈先升高后降低的變化趨勢，而對照組各粒徑團聚體有機質(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后各粒徑團聚體有機質(zhì)含量顯著升高，粒徑>5 mm團聚體的有機質(zhì)含量最高，為7.10%. 除對照組和施用調(diào)理劑5 a試驗組以外，不同深度土壤層粒徑<0.25 mm團聚體有機質(zhì)含量的占比均最高. 對照組不同深度土壤層各粒徑團聚體有機質(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土壤層團聚體有機質(zhì)含量，隨著施用時間的延長，團聚體中有機質(zhì)逐漸向30～40 cm土壤層遷移. 與其他速效無機土壤調(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，大量外源有機質(zhì)的輸入可激活土壤微生物，促進黏合劑與載體產(chǎn)生，有利于團聚體形成和團聚體中有機質(zhì)向深層土壤遷移，改善團聚體中有機質(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微團聚體的Wwi，提高30～40 cm土壤層中粒徑>0.25 mm大團聚體的DR0.25，施用3 a后微團聚體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)理劑可改善團聚體粒徑分布，促進有機膠結(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粒級團聚體有機質(zhì)含量增加，最大值為10.61%. 施用餐廚垃圾土壤調(diào)理劑利于改善團聚體中有機質(zhì)的分布狀況.