蝇蛆转化厨余垃圾残渣对Zn污染土壤的修复作用研究

许俊波，杨雁翎，杨岸林，程 章，杨占彪

（四川农业大学环境学院，成都 611130）

土壤重金属污染已成为全球严峻的环境问题之一[1]。土壤中重金属不能经过微生物或化学反应降解，其含量会维持很长一段时间，当进入食物链后会对动植物及人类造成伤害[2]。锌是人体的必需微量元素之一，但由于在现代工业的发展、铅锌矿的开采及化肥农药等的滥用，造成局部地区土壤锌含量的严重超标，过量的锌进入人体仍造成健康风险[3]。

土壤重金属元素迁移和积累行为表明，重金属的生物毒性不仅与总量有关，更是由其形态分布的决定[4]，减少重金属的有效态含量，从而降低生物有效性的钝化修复技术是土壤重金属污染修复的途径之一[5-6]。常用钝化剂有畜禽粪便、生物固体、秸秆等[7]。厨余垃圾已成为世界共同关注的环境问题[8]，厨余垃圾的生物转化是一种经济环保的有机废弃物处理技术[9]。从废弃物资源化利用角度考虑，厨余生物转化后的残渣用以重金属污染土壤修复方面报道仍然较少。本文以蝇蛆转化厨余垃圾后剩余残渣为钝化材料，研究其对锌污染土壤的修复效果，并评价其对土壤肥力的提升作用，探讨厨余垃圾资源化利用方式，以期为重金属污染土壤修复提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试材料包括厨余残渣、玉米秸秆和茶叶渣生物炭等。其中，厨余残渣是经过收集的厨余垃圾（肉菜∶主食=3∶7）进行蝇蛆的养殖一个周期 5～7 d 后获得，将残渣在80 ℃条件下烘干，粉碎过60 目筛后装入密封袋备用。

玉米秸秆采集于四川农业大学崇州实验基地，在80 ℃条件下烘干，粉碎，用60 目筛过筛备用。

茶叶渣生物炭制备为将收集到的茶叶渣在去离子水中浸泡3 h，用去离子水冲洗3 遍后放入烘箱中55 ℃烘干至恒重，用粉碎机粉碎过60 目筛后置于密闭镍坩埚600 ℃热解2 h 获得。

1.2 供试土壤

供试土壤采自于四川省成都市温江区周边农田，采取农田土壤多个位点的表层土，采样深度为0～20 cm，混合风干、剔除杂物后磨碎过20 目筛。依据土壤环境质量农田地土壤污染风险管控标准（GB 15618-2018）风险管制值，采用外源添加ZnCl2的方式设定土壤锌污染浓度为200 mg/kg，定期搅拌平衡90 d。供试材料及土壤的基本特征见表1。

表1 供试材料及土壤基本特征Table 1 Characteristic of experimental material and soil

1.3 试验设计

将制备好的厨余残渣单独、分别于玉米秸秆和茶叶渣生物炭等重量比混合，搅拌均匀后加入超纯水保持60%含水量，置于通风培养箱中，在25 ℃条件下发酵直到含水量降至15%后发酵完成，形成3种钝化材料：①残渣（REA）；②厨余残渣+玉米秸秆（RSA）；③残渣+茶叶渣生物炭（RBA）。先将平衡后的污染土壤3.0 kg 装于花盆中（口径20 cm，高度15 cm），再按照设置不同处理材料分别以土壤重量的1%和2%投加于花盆中，搅拌均匀。以不投加材料为对照（CK），每种处理3 个重复，共计21 盆。培养时间为4 周，培养过程中采用称重法补充去离子水，使土壤水分维持在田间持水量的70%。分别于第1、2、4 周采集土样，采样时每盆随机采集4 个点充分混匀，剩余土壤继续培养。自然风干后过筛用于测定土壤有效态锌含量及土壤养分指标。

1.4 指标测定

DTPA-Zn 测定采用 DTPA 浸提液（pH=7.0）浸提，振荡过滤后取上清液用FAAS-M6 原子吸收火焰分光光度计测定。土壤pH 测定采用数显酸度计（STARTER 3100，OHAUS）测定，有机质（SOM）测定采用重铬酸钾容量法，全氮（TN）测定采用凯氏定氮法，全磷（TP）测定采用氢氧化钠熔融-钼锑抗分光光度法，速效氮（AN）测定采用碱解扩散法，速效磷（AP）测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾（AK）测定采用氢氧化钠火焰光度法。以上指标测定参照《土壤农化分析》[10]。

1.5 数据处理

采用单双因素方差分析（two-way ANOVA）分析各处理材料的培养时间和添加浓度对pH 和DTPA-Zn含量的影响。对pH 和DTPA-Zn 进行线性拟合，分析两者之间相关分析。单因素方差分析（one-way ANOVA）用于分析不同处理间土壤养分含量的差异显著性，显著性水平P＜0.05。采用土壤质量综合指数法[11]综合评价土壤养分状况。使用SPSS 20.0 进行统计分析，使用Origin 8.0 作图。

土壤质量综合指数法评价过程为：以土壤SOM、TN、AN、TP、AP 和 AK 等 6 项指标作为基础因子，通过基础因子的标准化处理，运用主成分分析计算因子主成分负荷量，确立因子权重并计算土壤质量综合指数（SQI），计算公式为：

式中，Q（Xi）表示各养分指标的隶属度值；Wi为土壤各养分指标的权重；Xij为各指标值；Ximax和Ximin分别为第i 项指标中的最大值和最小值；Ci为第i 个指标的因子负荷量；Ki为第i 个主成分的方差贡献率；n 为评价指标的个数；m 为所选主成分个数。

2 结果与分析

2.1 不同处理对污染土壤pH的影响

土壤pH 值变化直接影响了污染土壤中重金属的有效态含量[12]。添加钝化剂均增加土壤pH 值（P＜0.05；表2；图1）。3 种处理中，RBA 较其他两种处理对土壤pH 的提升作用更明显，且随着添加浓度从1%增加到2%时，RBA 促使土壤pH 达到所有处理的最大值，比对照提高了0.58 个单位（图1B）。从培养时间看，所有处理的土壤pH 值在培养的第2 周达到最大，随后出现小幅度降低，但培养时间对土壤 pH 的影响不明显（P＞0.05；表2），说明钝化材料的添加能明显提升土壤的碱度，且能长时间保持较高水平，从而影响土壤中重金属Zn 的有效态含量。

表2 不同处理和培养时间对土壤pH、DTPA-Zn含量的双因素方差分析Table 2 Two ways ANOVA of the effects of incubation time and treatment on soil pH，DTPA-Zn content

图1 不同处理Zn 污染土壤pH 的变化Figure 1 Changes of soil pH among different treatments in Zn contaminated soil

2.2 不同处理对污染土壤DTPA-Z含量的影响

CK 处理土壤 DTPA-Zn 含量范围为 27～28 mg/kg，且随培养时间变化差异不显著（图2）。添加钝化剂明显减少了土壤 DTPA-Zn 含量（P＜0.05；表2）。在添加量为1%的处理中，当培养到4 周时DTPA-Zn含量减少最多的为RBA 处理，为19.40 mg/kg，较该处理下培养1 周时下降了14.45%，较CK 的DTPA-Zn含量下降了29.77%。随着添加浓度的增加，2%的RBA在培养4 周时DTPA-Zn 含量下降为15.16 mg/kg，比对照降低了45.11%（图2B）。培养时间对DTPAZn 含量的影响明显（P＜0.05，表2）。除 REA（1%）外的处理土壤DTPA-Zn 含量随培养时间呈持续下降的趋势，且 RBA 降幅最大（图2）。

图2 不同处理Zn 污染土壤DPTA-Zn 变化Figure 2 Changes of soil DTPA-Zn among different treatments in Zn contaminated soil

线性回归表明，土壤DTPA-Zn 含量与土壤pH值呈显著负相关（R2=0.514；P＜0.05；图3），蝇蛆转化的厨余残渣、玉米秸秆和茶叶渣生物炭组配成的钝化剂都提高土壤pH，同时降低了Zn 的有效态含量，这与以往研究中性土中添加有机钝化剂降低了有效态重金属含量的结果一致[16]。

图3 不同处理下土壤pH 和DTPA-Zn 含量关系Figure 3 Relationships between pH values and DTPA-Zn content among treatments

2.3 不同处理对污染土壤养分的影响

蝇蛆转化厨余残渣、玉米秸秆、茶叶渣生物炭相互组配形成的 3 种处理施入Zn 污染土壤后，明显提高土壤养分含量（P＜0.05；表3）。其中，REA 处理2%浓度时具有最高的 SOM 含量（P＜0.05），较对照提高了1.49 g/kg。而RSA 和RBA 在1%浓度时SOM含量与对照不存在显著（P＞0.05）。不同处理下土壤全氮含量与SOM 趋势相同，即REA 处理具有较高的全氮含量。茶叶渣生物炭与厨余残渣混合（RBA）对土壤全磷和速效养分提升最明显，RBA 在2%浓度下 TP、AN、AP 均为最大（P＜0.05），分别为1.80 g/kg、156.91 和 247.28 mg/kg。

不同处理土壤质量综合指数SQI 见图4。其排序为：2% REA＞1% REA＞2% RBA＞1% RBA＞2%RSA＞1% RSA＞CK，单独施加蝇蛆转化厨余残渣处理的土壤质量总体优于厨余残渣与茶叶渣生物炭、玉米秸秆混合处理，主要因为单独施加厨余残渣对土壤有机质和全氮含量。

表3 不同处理下土壤养分的变化Table 3 Changes of soil nutrients among treatments

图4 不同处理土壤质量综合指数变化Figure 4 Change of soil quality index among treatments

3 讨论

重金属的生物有效性和可移动性及其对环境的影响是目前土壤重金属污染关注的焦点[14]。而土壤中重金属的形态受土壤环境的显著影响，例如pH、有机质等[15]。研究表明土壤pH 与有效态重金属含量呈显著负相关[16]。这与土壤金属氧化物表面电荷、土壤有机物螯合作用或金属氢氧化物的沉淀作用密切相关。当土壤pH 增加时，土壤Fe、Al 和Mn 氧化物表面电荷增加，降低了土壤中游离态的金属离子活性。另一方面，较高土壤pH 值使土壤有机质中的羧基、酚基、醇基和羰基官能团解离，从而增加配体离子对这些金属（胶体）阳离子的吸引力。本研究表明所有处理材料的施加使土壤pH 明显高于对照，并且在钝化培养的前2 周内，所有处理土壤pH值都有增加，可能导致土壤金属氧化物表面电荷增加或与有机物的螯合作用增加，从而降低土壤有效态Zn 含量[16]。对土壤pH 增加最显著的处理为蝇蛆转化厨余残渣和茶叶渣生物炭混合。研究证实高pH 值是生物炭显著的特征之一，其可以通过调控土壤中阴阳离子相对浓度而改变土壤的pH 值。而随着不同处理之间土壤pH 的增加，土壤DTPA-Zn含量降低，且两者之间存在显著的负相关关系，这个结论和前人研究结果一致[17]，说明通过调节土壤pH 值可以降低重金属的生物有效性，达到重金属钝化的目的。

本研究通过玉米秸秆、茶叶渣生物炭与蝇蛆转化厨余残渣进行混合施用，发现对土壤肥力的提升表现不尽相同。单独厨余残渣处理在增加土壤有机质和全量养分方面更加明显。废弃物的蝇蛆生物转化是一种经济环保的有机废弃物处理技术，蝇蛆转化后的厨余残渣往往结构松散，富含有机质，可以改善土壤养分，提高土壤供肥能力[18]。而厨余残渣与茶叶渣生物炭混合施加却具有较高的土壤速效养分含量，这可能是由于生物炭在增加土壤速效养分方面的独特作用[19]。李明等[20]对红壤性水稻土添加秸秆生物炭后土壤速效磷和速效钾水平分别比对照增加20.6%和281.8%。本研究生物炭为茶叶渣生物炭，对土壤速效氮和速效磷含量增加明显高于其他几种处理，这个结果与其他研究相似，即在其他有机物料改良土壤的研究中，若将生物炭与有机物料配施在降低土壤重金属生物有效性的同时还能增加土壤硝态氮和铵态氮等速效养分的含量[21]。

通过土壤质量综合指数计算表明，由于单独施用厨余残渣在土壤有机质和全量养分方面的增加显著，其SQI 指数分别在不同浓度处理中达到最大值。但对于重金属污染土壤来说，其土壤pH 的提升作用有限，而厨余残渣与茶叶渣生物炭配施的处理能较长时间保持较高的土壤pH 值，因此对重金属的钝化作用更加持久和明显。因此，蝇蛆转化厨余残渣在Zn 污染土壤中施用的较好利用方式是与生物炭配合施用。其对其他重金属污染土壤的修复效果将有待进一步研究。

4 结论

①蝇蛆转化的厨余残渣单独和与玉米秸秆、茶叶渣生物炭混合可以明显提高重金属污染土壤pH，比对照最大提升了0.58 个单位。

②蝇蛆转化厨余残渣的不同配施方式均降低了土壤中DTPA-Zn 含量，并且添加浓度和钝化培养时间对有效态Zn 含量的影响达到显著水平。其中残渣和茶叶渣生物炭配施以2%浓度添加后DTPAZn 含量比对照下降了45.11%。

③蝇蛆转化厨余残渣单独施用，对Zn 污染土壤的有机质和全量养分含量增加明显，而与玉米秸秆和茶叶渣生物炭混合配施则明显增加了土壤速效养分的含量。