湿垃圾堆肥施用对林地土壤质量的长期效应研究

王小涵 徐 冰 伍海兵 陈 平 梁 晶*

为探讨湿垃圾资源化利用对土壤质量的影响，研究以施用湿垃圾堆肥6年的林地为研究对象，探讨了湿垃圾堆肥撒施和沟施对林地土壤质量和地下水环境的影响。结果表明，不同施用方式对林地土壤性状的影响存在一定差异。与撒施处理相比，沟施湿垃圾堆肥易受淋溶作用的影响，有利于降低深层土壤pH值，增加深层土壤磷的有效性。受地表径流作用的影响，沟施处理可以改善土壤容重，增加土壤非毛管孔隙度的含量。撒施湿垃圾堆肥则有利于降低土壤表层pH值，促进深层土壤有机质的积累。此外，两种不同施用方式均未导致土壤和地下水造成重金属污染。研究可为湿垃圾资源化长期利用提供技术支撑和指导。

林地土壤质量；湿垃圾堆肥；土壤改良

2017年3月，国家发展改革委员会与住房城乡建设部联合发布了《生活垃圾分类制度实施方案》，中国生活垃圾分类进入“强制时代”。之后，各大城市颁布实施了生活垃圾条例，湿垃圾的量较分类前更是增加明显，如2019年7月上海率先实施生活垃圾分类后，上海2020年湿垃圾日均分出量达到9 504 t，较2019年增长了27.5%，因此，提高湿垃圾资源化和无害化处理水平成为城市生态环境保护与可持续发展的重要问题。

城市绿林地是城市中唯一具有生命的基础设施[1]，是生态文明建设的重要内容。而土壤作为植物生长的基础和载体，土壤质量是影响城市绿林地生态效益发挥的关键因素之一。国内近年来已有研究表明湿垃圾资源化产品对土壤质量具有改善作用，如高磊等研究表明，施用湿垃圾后土壤中蚯蚓数量会显著增加，进而蚯蚓通过对有机物质的分解转化，会促进氮、磷循环[2]。伍海兵等研究表明，施用湿垃圾堆肥可以促进植物生长[3]。张青青等研究表明，土壤中施用湿垃圾好氧发酵堆肥10%～20%时，对花卉植物生长有较显著促进作用[4]。但纵观现有的研究可以发现，大多数研究施用湿垃圾堆肥对土壤、植物等的短期影响效果为主，缺少长期应用的相关研究。为此，本研究以施用湿垃圾堆肥6年的林地为研究对象，探究湿垃圾堆肥不同施用方式和不同施用量对林地土壤质量和地下水的影响，为促进湿垃圾资源化推广利用提供依据。

1 方法与材料

1.1 研究方法

实验选择的研究区域位于上海市浦东新区老港镇西侧防护林（31°02′15.94″N，121°52′17.33″E），面积12 000 m2，区域内植物品种均包含了香樟（Cinnamomum camphora）、水杉（Metasequoia glyptostroboides）、无患子（Sapindus mukorossi）等，实验平均分成三个小区（每个小区长80 m、宽50 m）。其中，A1小区为撒施湿垃圾堆肥处理，撒施量为15 kg/m2，将湿垃圾堆肥产品均匀撒施在土壤表面，共施用60 t；A2小区为沟施湿垃圾堆肥处理，小区内设5条沟槽（长80 m、深0.4 m、宽0.4 m），每条湿垃圾堆肥产品施用量12 t，将湿垃圾堆肥产品均匀铺放在各条沟槽底部，共施用60 t；第三小区为不施用湿垃圾堆肥的对照处理CK。湿垃圾堆肥施用实验于2013年6月进行，实验过程中不另作养护或人工干预。在每个小区近中心位置安装地下水监测井，监测井结构如图1所示。硬质PVC井管由底部密闭、管壁可滤水的筛管和上部延伸到地表的实管组成。筛管部分表面含水平细缝，细缝宽为0.25 mm。监测井筛管外侧周围用粒径大于0.25 mm的清洁石英砂回填作为滤水层，石英砂回填至地下水位线以上处，其上部再回填不透水的膨润土。

1. 地下水监测井结构示意图

本次研究土壤样品采集于2019年6月，在每个试验小区中心位置采集土壤及地下水样品。使用土钻从地表往下按0～0.2 m、0.2～0.5 m、0.5～0.7 m、0.7～1 m和1～1.2 m分5层进行土壤样品采集，其中对0～0.2 m和0.2～0.5 m进行环刀取样用于土壤物理性质测定。参考《地下水环境监测技术规范》（HJ 164-2004T）对地下水进行样品采集。

其中土壤样品进行pH值、电导率（EC）、有机质、水解氮、有效磷、速效钾、容重、非毛管孔隙度、总孔隙度和重金属铅、镉、铜、镍、铍、砷、锑、钴、钒、汞的测定，地下水进行重金属铜、镍、砷、锑、钴、钒、汞的测定，以期探讨湿垃圾堆肥施用后对林地土壤质量及其地下水的长期影响结果。

1.2 实验材料

实验材料为垃圾分类强制实行前的湿垃圾堆肥，将菜皮、果皮等主要原料脱水粉碎后与木屑混合，再通过好氧发酵45 d后形成湿垃圾堆肥，其基本性质见表1。

表1 湿垃圾堆肥基本性质

1.3 数据采集与分析

土壤pH值采用2.5∶1水土比法pH计测定；电导率EC值采用5∶1水土比法电导仪测定；有机质采用重铬酸钾—外加热法测定；水解氮采用碱解扩散法；有效磷采用碳酸氢钠浸提法钼锑抗比色法；速效钾采样乙酸铵浸提—火焰光度计法；采用环刀法测定土壤容重、非毛管孔隙度和总孔隙度。重金属铅、铜、镍采用火焰原子吸收分光光度法；镉、铍采用石墨炉原子吸收分光光度法；钴、钒采用王水提取—电感耦合等离子体质谱法；汞、砷、锑采用微波消解原子荧光法；地下水重金属铜、镍、钴、钒采用感耦合等离子体质谱法；砷、锑、汞采用原子荧光法。

土壤样品的检测结果参照《绿化种植土壤》（CJ/T340-2016）、《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600-2018）中的第一类用地筛选值和《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018）风险筛选值进行评价；地下水样品的检测结果参照《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）中的Ⅲ、Ⅳ类标准值和荷兰地下水干预值（Dutch Intervention Value from Dutch Soil Remediation Circular 2013）。采用WPS Excel2019对数据进行处理和作图。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性状及主要营养成分的变化

2.1.1 土壤pH值

随着土壤深度的增加，沟施处理A2与对照处理CK土壤pH值的变化趋势相似（图2），土壤pH值随土壤深度的增加呈先降低后增加再降低的趋势，撒施处理A1土壤pH值随土壤深度的增加而逐渐升高。其中，沟施处理A2与对照处理CK表层0～0.2 m土壤pH值差异不显著，而撒施处理A1表层0～0.2 m土壤pH值显著低于对照处理CK，这可能一方面与湿垃圾堆肥产品分解形成有机酸降低土壤pH值有关[5-6]，另一方面土壤淋溶作用较土壤径流作用强，A1撒施处理湿垃圾堆肥覆盖于土壤表面，在地表径流的作用下影响深度在土壤表层0～0.2 m的范围，A2沟施处理开沟深度在0.4 m，湿垃圾在淋溶作用下，入渗到深层的土壤，从而降低了土壤pH值。湿垃圾对土壤pH值仍有长期的影响效果。

2. 施用湿垃圾堆肥不同处理及不同深度土壤pH值

2.1.2 土壤EC值

撒施处理A1与对照处理CK土壤EC值随剖面深度的增加变化较小（图3）。沟施处理A2则呈现出随着深度的增加而升高的趋势，土壤EC值剖面变化范围为0.05～0.45 mS/cm，最大值较A1和CK处理均增加了3.5倍。这可能是由于撒施湿垃圾堆肥处理受地表径流影响大，而沟施湿垃圾堆肥处理则受垂直淋溶影响大。

3. 施用湿垃圾堆肥不同处理及不同深度土壤EC值

2.1.3 土壤有机质

图4所示为湿垃圾堆肥不同施用方式对林地土壤有机质的影响，结果表明三种处理均呈现随着土壤深度增加而降低的趋势。三种处理在土壤剖面分布上，土壤有机质含量减少幅度不同，对照处理CK土壤有机质含量剖面变化范围为4.15～21.34 g/kg，撒施处理A1土壤有机质含量剖面变化范围为6.1～13.9 g/kg，沟施处理A2土壤有机质含量剖面变化范围为5.08～21.34 g/kg。可见，对照处理CK和沟施处理A2随着土壤深度增加，有机质含量减少幅度大；撒施处理A1则随着土壤深度增加，有机质含量减少幅度小。此外，从图3可以得知，与沟施处理A2和对照处理CK相比，撒施处理A1表层土壤（0～0.2 m）有机质含量相对较低；沟施处理A1与撒施处理A2在0.7～1.2 m层土壤有机质含量大于对照处理CK。这说明施用湿垃圾堆肥对土壤有机质的影响主要有两方面因素：一方面有机质有向深层土壤迁移的趋势，但向深层土壤迁移速度较慢；另一方面也再次说明撒施较沟施地表径流的影响大。

4. 施用湿垃圾堆肥不同处理及不同深度土壤有机质含量

2.1.4 土壤水解氮

图5所示为湿垃圾堆肥不同施用方式对林地土壤水解氮的影响，结果表明三种处理土壤水解氮含量整体呈下降趋势，三种处理在土壤剖面分布上水解氮含量降低幅度不同，其中对照处理CK土壤水解氮含量剖面变化范围为16.6～21.55 mg/kg，撒施处理A1土壤水解氮含量剖面变化范围为15.34～24.49 mg/kg，沟施处理A2土壤水解氮含量剖面变化范围为8.19～29.4 mg/kg。可见，对照处理CK和沟施处理A2随着土壤深度增加，水解氮含量降低幅度大；撒施处理A1则随着土壤深度增加，有机质含量减少幅度小。此外，沟施处理A2仅在土壤0～0.2 m深度的水解氮含量远高于撒施处理A1和对照处理CK，A1撒施的影响效果可以达到0.5～0.7 m。这说明湿垃圾通过撒施的方式，在径流入渗效果影响下可以在土壤表层和中层提高水解氮的含量，而沟施因为施用深度在0.4 m，无法有效增加土壤表层的水解氮含量，可以通过淋溶的方式将水解氮控制在土壤深层范围[7]。施用6年后撒施处理的表层水解氮含量较CK和沟施处理的低，可能由于湿垃圾堆肥产品撒施导致堆肥中的氮素通过氨挥发、NO3--N淋溶等损失，造成进入土壤中的氮素养分减少[8]。

5. 施用湿垃圾堆肥不同处理及不同深度土壤水解氮含量

2.1.5 土壤有效磷

图6所示为湿垃圾堆肥不同施用方式对林地土壤有效磷的影响，结果表明表层0～0.5 m深度，各处理之间差异变化不显著，0.5 m以下沟施处理A2的有效磷含量大于CK和A1，湿垃圾堆肥产品在沟施的施用方式下，通过淋溶作用入渗到深层土壤的影响效果优于撒施[9-10]。撒施处理A1中土壤剖面有效磷含量在0～0.2 m及0.7～1.2 m深度时低于对照处理CK和沟施处理A2，表明撒施处理对提升土壤有效磷含量的作用存在一定限制，这可能是由于有效磷在土壤中的移动性较小，堆肥产品撒施导致有效磷被固定在土壤中转为无效态磷，沟施堆肥产品则有助于磷素养分在土壤剖面中的积累[11]。

6. 施用湿垃圾后不同处理及不同深度土壤有效磷含量

2.1.6 土壤速效钾

湿垃圾堆肥产品不同施用方式下土壤速效钾含量剖面分布特征如图7所示。沟施处理A2与对照处理CK土壤速效钾含量剖面变化趋势无明显差异，呈先下降后增加的趋势，土壤速效钾含量在0～0.2 m土层最大，分别为222.78 mg/kg和185.22 mg/kg。撒施处理A1土壤有效钾含量剖面分布特征呈波动变化，最大值211.34 mg/kg出现在0.5～0.7 m土层。与对照组CK相比，沟施处理组0～0.2 m土壤速效钾含量最高，沟施与撒施处理对深层土壤速效钾的提高效应不显著。

7. 施用湿垃圾后不同处理及不同深度土壤速效钾含量

2.2 土壤物理性状

2.2.1 土壤容重

在0～0.2 m的土壤深度范围内，撒施处理A1和沟施处理A2容重差异不大（图8），在0.2～0.5 m的深度范围内，沟施处理A2的容重要高于A1，表明湿垃圾在沟施作用下降低土壤容重的效果优于撒施[12]。但是同未施用的CK相比，在0～0.2 m土壤深度范围，三种处理之间无显著差异，0.2～0.5 m土壤深度时，沟施处理A2略高于CK和A1。

8. 施用湿垃圾后不同处理及不同深度土壤容重

这与上述营养元素的变化趋势一致，也再次说明撒施处理受地表径流影响大，沟施处理垂直淋溶作用大。

2.2.2 土壤非毛管孔隙度

在不同土壤深度中沟施处理A2的土壤非毛管孔隙度都大于撒施处理A1和CK（图9），证明了湿垃圾对土壤物理结构的改良效果显著，沟施的方法能够同时影响到土壤表层和深层[13]。同时，沟施处理的土壤0～0.2 m范围的非毛管孔隙度增加有显著效果。

9. 施用湿垃圾后不同处理及不同深度土壤非毛管孔隙度

2.2.3 土壤总孔隙度

一般情况下，土壤总孔隙度要求大于50%，从图10的结果中可以看出，在土壤0～0.2 m深度时，沟施处理A2总孔隙度略大于撒施处理A1和CK，沟施增加土壤总孔隙度的效果在0～0.2 m的深度范围较好[12-14]。施用6年后，三种处理之间没有显著差异。

10. 施用湿垃圾后不同处理及不同深度土壤总孔隙度

2.3 土壤重金属含量

表2所示为施用湿垃圾堆肥产品后土壤重金属的变化，从中可以发现，与CK相比，撒施湿垃圾堆肥处理A1和沟施湿垃圾堆肥处理A2不同土层土壤重金属含量差异不显著，这说明长期施用湿垃圾堆肥后不会对土壤造成重金属污染，一方面是由于湿垃圾主要来源于食品，其原料中重金属含量本身比较低，另一方面也说明湿垃圾堆肥中仅有的重金属不会通过地表径流和淋溶入渗到土壤中增加土壤被污染的负担[15]。

表2 施用湿垃圾各处理土壤重金属含量

2.4 地下水重金属含量

通过对不同处理地下水重金属含量检测结果的分析（表3）可以得出，不同的施用方式对地下水重金属的影响差异不显著，长期施用湿垃圾后，三种处理的地下水的重金属不会随着淋溶效果影响到地下水质量[16]。

表3 施用湿垃圾各处理地下水重金属含量

3 结论与讨论

从施用湿垃圾堆肥产品6年后的土壤化学性状可以看出，撒施处理pH值随着土壤深度的增加而增加，沟施的pH值在不同深度与CK无显著差异，但在0.6～1.2 m的范围中沟施处理pH值较小。EC值则相反，撒施处理和CK无显著差异，而沟施的EC值则随着土壤深度的增加而增加。土壤有机质三种处理之间无显著差异，撒施处理在不同土壤深度中较高于其他两种。水解氮、有效磷、速效钾均呈现出1～1.2 m深度的含量高于撒施处理，说明沟施处理在淋溶作用下可以影响到土壤深层。

土壤物理性状表现在0～0.2 m的深度范围中，沟施处理的容重、非毛管孔隙度和总孔隙度都高于撒施和CK，这是因为在地表径流作用的影响下，沟施的方法能改善土壤的物理结构，有利于土壤通气、通水和保水，增加土壤贮存有机物的能力。

施用湿垃圾堆肥产品6年后的土壤和地下水重金属含量均在相关参考标准的限值范围内，两种不同的施用方法于CK相较没有显著差异，说明施用湿垃圾堆肥不会对土壤和水体造成污染。

由此可以看出，施用湿垃圾堆肥产品对林地土壤有长期的影响效果，撒施作用主要通过地表径流影响作用于土壤表层0～0.2 m，沟施通过淋溶作用入渗到土壤深层0.7～1.2 m的范围。从结果分析，沟施处理的影响效果较撒施好，沟施处理的土壤化学改良效果能够较整体地影响到土壤的不同深度，同时沟施处理对土壤物理性状的改良效果反应在0～0.2 m的深度。施用湿垃圾堆肥产品的处理与未施用的CK相比，6年后的无显著性差异，说明湿垃圾堆肥产品在林地中施用后不会对土壤造成不良影响，不会造成土壤污染，亦不会增加土壤和地下水的重金属含量。本研究填补了湿垃圾施用后对林地土壤质量长期影响的相关研究。