亚临界水解处理有机废弃物对天津滨海盐碱地的改良作用

冯涛 周国华 池风龙

摘要：利用亚临界水解处理的城市污泥、鸡粪、复合菌肥和植物纤维黏合剂处理天津滨海新区土壤。结果表明，利用亚临界水解产物（污泥+鸡粪），配以机械施工的技术方法，能有效促进植物生长，增加植被覆盖，降低土壤pH和增加有机质含量。

关键词：土壤改良剂;亚临界水解技术;城市污泥;鸡粪

中图分类号：S156.42         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）10-0074-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.10.016           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： The soil of Tianjin coastal saline alkali was treated with subcritical hydrolysis of municipal sludge， chicken manure， compound bacterial fertilizer and plant fiber binder. The results showed that using of subcritical hydrolysate（sludge+chicken manure） and mechanical construction technology could effectively promote plant growth， increase vegetation coverage， reduce soil pH and increase organic matter content in Tianjin coastal saline alkali.

Key words： soil conditioner; subcritical hydrolysis technology; municipal sludge; chicken manure

天津市滨海新区为重盐碱地区，生态环境先天较脆弱，其土壤属于滨海盐化潮土、湿潮土和滨海盐土，土质黏重，质地板结，土壤含盐量1%～2%， 高者达到3%以上;地下水矿化度高，远远超过10 g/L，地下水位高，在0.5～1.5 m，容重在1.50～1.79 g/cm3，有机质含量低（土壤有机质含量大都在5～6 g/kg，而一般农田土壤均在10 g/kg以上，表明肥力状况较差），微生物群落数量少（0.75×105 CFU/g）。

天津滨海新区盐碱土的特点严重危害植物生长，影响生态环境，导致植物立地条件差、绿化难度很大。目前国内滨海盐碱地绿化多采用传统盐碱地降盐改土措施，如铺设排盐沟、隔离层，大量更换客土，施加土壤改良剂等，上述技术手段在滨海新城的绿色空间营建中发挥了重要作用，但是在生态建设过程中，存在材料、能源投入費用过高，后期养护费用、人工投入过高的弊病。因此有必要研发新型的低成本改良技术措施。

亚临界水解技术是一项全新的高效处理有机废弃物技术。当压力和温度上升到一定值时，水的液态相和气态相界面消失，变成均一的单相即水的临界点。此时，水的温度为374.15 ℃，压力为22.83 MPa。将水加热至沸点以上，临界点以下，并控制系统压力使水保持为液态，这种状态的水称为亚临界水（Subcritical water）。亚临界水具有超溶解、超电离等特性，能够在数分钟内完成对高分子有机物的分解[1]。亚临界水解法处理城市污泥正是利用亚临界水的特性，在短时间内完成对城市污泥、鸡粪的改性、除臭、脱毒、降污等的无害化过程，经过深度脱水后固型尾产物符合国家标准的农用泥质可以进一步加工成适合园林绿化的有机肥料和土壤改良剂[2]。本研究在天津滨海新区开展亚临界水解的污泥和鸡粪对盐碱土改良试验，期望为基于资源化利用策略的盐碱地改良新技术提供参考。

1  材料与方法

1.1  试验地生态条件

试验于2016年5月在天津滨海新区进行， 试验地位于天津市中新生态城，为沿海人工吹沙造地形成的陆域，造地形成的地面由于地表裸露，水分蒸发量大于降水量，全盐含量接近海水，土壤容重小，通透性强，漏水漏肥[3]。吹填土土粒粒级87.24%为物理沙粒，12.66%为物理黏粒，归属于壤沙土和淤泥。土壤容重1.52 g/cm3，土壤孔隙度39.90%，土壤渗透系数6.5×10-6～5.6×10-5 cm/s。淋洗后土壤全盐含量0.25%～0.29%，pH 9.15～9.55。

1.2  土壤改良材料

以亚临界水解技术处理的城市生活污泥、鸡粪、复合菌肥、纤维黏合剂作为土壤改良材料的主要成分。水解处理的污泥和鸡粪以及复合菌肥由山东青州某工厂提供。处理后亚临界水解城镇污泥和鸡粪，依GB/T 23486-2009[4]、NY/T 88-1988[5]、NY/T 87-1988[6]、NY/T 53-1987[7]和GB 9834-1988[8]进行检测。检测结果见表1。

1.3  植物材料

共选用8种绿化植物：①碱茅（Puccinellia distans），在中度至重度盐渍化土壤上能良好生长，泌盐;②碱蓬[Suaeda glauca （Bunge） Bunge]，喜高湿、耐盐碱、耐贫瘠、少病虫害，适于沿海地区沙土或沙壤土种植，能忍受暂时的干旱;③芦苇（Phragmites communis Trin.），适应性广、抗逆性强，在低度至中度盐渍化土壤上能良好生长;④黑麦草（Lolium perenne L.），喜温凉湿润气候，宜夏季凉爽、冬季不太严寒地区生长;⑤高羊茅（Festuca elata Keng ex E. Alexeev），适应寒冷潮湿，在土壤pH 4.7～8.5的条件下生长良好，不耐高温，喜光，耐半阴，对肥料反应敏感，耐瘠薄，抗病性强;⑥碱地肤[Kochia scoparia （Linn.） Schrad. var. sieversiana]，耐盐碱的早生、中旱生植物，适于生长在碱性、沙质土和荒漠带的盐渍化低地;⑦披碱草（Elymus dahuricus Turcz.），属中等抗盐牧草，适应性广，特耐寒，抗旱，在冬季-37 ℃的地区能安全越冬。根系发达，在土壤pH 7.6～8.7条件下生长良好。具有抗风沙的特性，适于风沙大的盐碱地区种植。分蘖具有一定的耐盐能力，属于短期多年生牧草;⑧小花碱茅[Puccinellia tenuiflora （Griseb.） Scribn. et]，适应性强，喜湿润和盐渍性土壤，抗寒、耐旱、耐盐碱性极强，能在海拔3 700 m的高寒山区，气温达-36 ℃条件下安全越冬。在土壤pH 8.8时能良好生长，土壤pH达9～10时仍能生长。

所有供试植物种子由北京农学院植物科学学院提供。

1.4  土壤改良试验

利用不同配比的城市生活污泥、鸡粪、复合菌肥、纤维黏合剂作为土壤改良剂，将土壤改良剂均匀撒布在试验小区土壤表面，翻耕深度30 cm以充分混合改良剂，共设置17个试验小区，如表2所示。

1.5  试验田绿化效果及土壤有机质、pH的测定

定期采集、测量不同试验小区内的植株进行生长量、绿化覆盖率的调查。

采集牧草株高长势数据，分别在不同小区随机选取植株，测量地上部高度。2016年11月分别在不同小区取样，测定土壤的有机质、pH。试验小区土壤pH依NY/T 1377-2007[9]方法，有机质按照GB 9834-1988[8]进行检测。

2  结果与分析

2.1  供试肥料对植物生物学性状的影响

试验区内草类较多，在生物学性状上主要采集了不同时期各试验小区的黑麦草地上部茎秆，测量茎秆高度。由图1可知，不同时期各小区采样中，添加150 t/hm2改良剂的小区黑麦草生长量有明显优势，对3次采样的数据分析显示，黑麦草生长量与改良剂添加量之间存在相关关系。

进一步建立函数模型，相关信息见表3。由表3可知，根据第1次采集的数据，利用函数模型计算可以获得，使牧草生长量达到最大值时，理论上水解污泥添加量约为172.5 t/hm2。根据3次采集的数据所建立的数学模型进行计算，可以看出随着时间推移，牧草生长量的理论最大值在增加，同时使牧草生长量达到最大值的理论水解污泥添加量也在增大。

2.2  试验区植物生长状态

由图2可知，土壤条件改良后草种能够正常发芽生长，种植后30 d左右能达到覆绿效果，绿化覆盖率可达50%～60%，后期绿化覆盖率可高达80%～90%。

2.3  植物生长发育情况比较

2.3.1  不同小区同一植物冠幅对比  由图3可知，同一植物在改良地和未改良区（空白对照）的生长发育情况具有明显差异，对比未改良区，3种植物均在改良地冠幅长势具有明显优势。

2.3.2  不同处理同一植物地上部与根系生长情况对比  由图4可知，处理区地上部生长量和根系生长量均大于对照区，其中处理区地上部生长量优势明显，整体约为后者的2.65倍。对大多数植物来说，生物量的积累与地上部生长量增长呈正相关，较大的地上部生长量差异表明处理区植株在相同时间内积累更多的生物量，生物量的多少间接反映了试验小区物质循环反复程度和能量流动性的大小，生物量越大，表明物质循环反复程度越大，能量流动性越大，这对改良盐碱荒地、构建草原生态系统具有积极意义。

2.4  试验小区内生物多样性

试验小区内的物种统计表明，目前试验小区内包含碱地肤、披碱草、碱蓬、小花碱茅、多年生黑麦草、芦苇、狗尾草、牛筋草等10种不同类型的草类。同时，试验小区内的昆虫、鸟类数目和种类较试验前也有明显增加，形成了一个具有一定的恢复力稳定性和抵抗力稳定性的微型草地生态系统。盐碱荒地中草地生态系统的形成在滨海盐碱地的改良绿化和防止土壤退化上均具有积极的意义。

2.5  土壤有机质、pH变化

改良种植6个月后试验小区耕作层（30 cm）土壤有机质、pH的测定结果见表4。由表4可知，通过土壤改良可降低土壤pH 0.84～0.97，提升土壤有机质1.38%～1.56%。

3  小结与讨论

亚临界水解技术处理的城市污泥和鸡粪均属于酸性土壤改良肥料，本试验选择多因子试验设计的方法，从不同组分的土壤改良剂施用量、种植植物种类研究盐碱土改良的优化方法。两种改良肥料合并使用对盐碱地的长期改良效果明显。

通过目前在天津滨海中新生态城的绿化试验，利用亚临界水解产物（污泥+鸡粪），配以机械施工的改良途径，是滨海盐碱地改良达到快速改良绿化的基础。对滨海吹沙造田的盐碱土改良，其中最重要的3个方面就是对降低土壤pH、提升土壤有机质和促进团粒结构的形成，城市污泥和鸡粪同属酸性肥料，对降低pH至关重要;亚临界水处理城市污泥对团粒结构的形成起关键作用，并保证了改良土壤pH的稳定。试验表明通过土壤改良可降低土壤pH 0.84～0.97。城市污泥和鸡粪富含丰富的有机质，通过6个月的改良土壤有机质提升1.38%～1.56%。

耐盐植物的选择以华北、西北的盐生广布植物品种为主，尤其是选用西北荒漠盐碱适应的植物品种可以保证绿化区植物在初冬依然存活，确保绿化的功能效果和感官效果。

为获得完整、可靠、系统的试验数据，试验应进行2～3年追踪观察，以明确施用土壤改良剂对改良滩涂盐碱土的长期效应。目前，本试验仅就短期绿化进行针对性观察，虽然能够通过试验得出土壤改良剂施用的方法、剂量，但还应该长期追踪、检测，以获得更长时期的、系统的数据。

盐碱地改良绿化是一个复杂的系统工程，需要水利、土壤、农艺等多项措施的综合利用才能取得成效，但各項技术措施并不是并立的，它们具有鲜明的层次性，即根本性的水利工程措施，基础性的土壤改良培肥措施，增效性的农艺措施。

参考文献：

[1] 刘慧屏，银建中，徐  刚.超/亚临界水解技术在生物质转化中的应用研究进展[J].生物质化学工程，2010，44（1）：51-57.

[2] 芮青青，韩省华，韩鸿翼.生活污水污泥亚临界水解处理后产物对羊肚菌的栽培研究[J].环境与发展，2018，30（7）：63-64.

[3] 王  武，马作国，华玉鑫，等.中新天津生态城盐渍土特征与绿化技术研究[J].天津农业科学，2012，18（1）：143-145.

[4] GB/T 23486-2009，城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质[S].

[5] NY/T 88-1988，土壤全磷测定法[S].

[6] NY/T 87-1988，土壤全钾测定法[S].

[7] NY/T 53-1987，土壤全氮测定法（半微量凯氏法）[S].

[8] GB 9834-1988，土壤有机质测定法[S].

[9] NY/T 1377-2007，土壤中pH值的测定[S].