蔬菜废弃物水热产物对土壤理化性状的影响

引用格式：许传阳，杨英，许晴，等. 蔬菜废弃物水热产物对土壤梨花性状的影响[J]. 湖南农业科学，2024（6）：38-43，47.

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2024.006.008

收稿日期：2024-03-21

基金项目：河南省科技攻关项目（232102321049）

作者简介：许传阳（1977-），男，山东莒县人，副教授，博士，主要从事固废资源化综合利用研究。

通信作者：杨英

摘要：蔬菜废弃物营养丰富、产量大，但直接利用效率不高。水热处理技术可实现其减量化资源化循环利用，大大降低其环境应用风险。以经过180、210、240 ℃不同温度处理的蔬菜废弃物水热产物作为有机改良肥，对土壤进行为期35 d的盆栽试验，结果表明：随着培养时间的延长，土壤pH值变化微小，而EC值不断增大，可达0.833 mS/cm；有机质含量先升后降，最大值为10.30 g/kg；氮磷钾养分含量逐渐升高，总养分最高达3.43%；土壤微生物以变形杆菌门和厚壁菌门等有益菌为主。蔬菜废弃物经过高温水热处理后生成的固态产物可作农肥使用，对碱性土壤具有较好的改良特性，最适宜处理温度为210 ℃。

关键词：蔬菜废弃物；水热产物；土壤肥力；资源化利用

中图分类号：X712 文献标识码：A 文章编号：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

蔬菜生产作为我国农业结构重要组成部分，已在全国各地成为打造特色产业、增加农民收入的重要支撑点[1]。我国是蔬菜生产大国，2018年中国蔬菜产量占全球蔬菜产量的59%，2020年中国的蔬菜产量和种植面积分别达到74 912.9万t和21 485.48千km2 [2]。按照蔬菜生产流通折损比36.55%来计算，2020年蔬菜废弃物的产生量近27 381万t。在蔬菜废弃物产生量巨大的背景下，处理难和利用率低成为了阻碍农业生产和造成资源浪费的主要问题[3-4]。

蔬菜废弃物可以利用自然界中广泛存在的细菌、真菌、放线菌等微生物群体的生命代谢活动进行降解和腐殖化，生成腐殖质类物质后用于还田和改良土壤[5]。蔬菜废弃物含水率高、易腐烂，养分含量高，以水作为反应介质的水热技术可以使蔬菜废弃物得到资源化利用[6]。水热法处理蔬菜废弃物是一种无害化处理新途径，可为蔬菜废弃物资源化利用提供新的思路。高温高压的水热过程，可以消除蔬菜废弃物中的病原菌，并避免田间堆放产生的渗滤液污染周边环境，以及腐烂发臭引来蝇虫等一系列危害[7]。与堆肥处理中微生物消耗物料有机质的情况相比[8-9]，水热处理后的产物损失的养分和有机质较少，因此在实际应用中对土地和作物的安全性较高。研究将不同温度下水热法处理的蔬菜废弃物与土壤混合，通过对混合物的土壤性质及微生物群落分析，验证水热产物对土壤理化状态的影响，为探索蔬菜废弃物水热产物还田效果以及提高蔬菜废弃物利用效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

将原生蔬菜废弃物粉碎至0.5～2.0 mm，一部分不进行水热反应作为供试材料，标记为VW0；另一部分分别在180、210和240℃三个温度下进行水热反应，水热反应釜容量1 000 mL，反应时间40 min，每个温度设置3组重复，烘干后得到固体产物作为供试材料，标记为S180、S210、S240。取校园菜园地土壤，土壤类型为潮粘土，去除石子和植物残留的根系，将其风干后研磨过10目筛，放置在阴凉干燥的地方保存作为供试土壤，标记为S0。添加用的腐熟剂以放线菌和真菌为主要成分。供试材料基本理化性质如表1所示。

供试土壤S0含水率为24%，pH值和电导率分别为8.83和0.617，其中，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为54.60 mg/kg 、4.30 、115.45 mg/kg，总养分含量为1.74%。

1.2 试验设计

根据不同供试材料与土壤的混合设6个处理，分别为：处理S1：S180 5 g + S0 500 g；处理S2：S210 5g +

S0 500 g；处理S3：S240 5 g + S0 500 g；处理VW：VW0 5 g + S0 500 g；处理VWM：VW0 5 g、腐熟剂0.001 g + S0 500 g；CK：S0 500 g作空白对照，每个处理设置3组平行试验。所有样品混匀后装入花盆，花盆规格：上口径20 cm，高14 cm，底径14 cm，花盆口用密封袋包覆，并开均匀分布的透气小孔，定期浇水以保持土壤含水率约为25%。分别在第7、14、21、28和35天的上午10：00进行样品采集。每个花盆随机选取5个采样点使用土钻取样，采样深度为5～10 cm。每个采样点取40 g左右的土壤样品，风干后进行研磨，过80目筛后用于土壤性状指标测定，剩余样品在4 ℃下储存备用。此外，在第35天对S2、VW、VWM和CK土壤样品额外进行土壤微生物群落分析。

1.3 测定项目及方法

土壤和供试材料的测试基于《NY525—2021》有机肥料标准方法，并参考土壤常规指标分析方法。其中，pH值采用PB-10型玻璃电极法测定，电导率采用DDS-307型电导率仪测定，土壤有机质采用重铬酸钾容量分析法测得，碱解氮采用碱解扩散法测定，速效磷、速效钾采用分光光度法进行测定。土壤微生物多样性采用DNA试剂盒提取、PCR扩增和Illumina HiSeq 2500高通量测序技术进行分析。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel和Origin进行数据处理，用SPSS 26.0软件进行数据统计分析。使用邓肯氏新复极差测验（Duncan's new multiple rank test）进行各处理平均数之间的多重比较，在P=0.05水平分析差异的显著性。在数据可视化方面，运用R语言中的ggplot2和纯素包进行图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 蔬菜废弃物水热产物对土壤基本性质的影响

2.1.1 土壤pH和电导率" 土壤pH值直接影响农田土壤质量。当土壤的pH值在6.5～7.5之间时，土壤中的养分有效性较好，微生物活性也较高。根据表2所示的数据可以看出，在培养第7天和第14天，VM的pH值略高于其他处理；14天之后则是VWM的pH值略高。在同一处理下，随着时间的推移，S1、S2、S3和VWM的pH值到第35天都一直增加，而VM的pH值则出现下降。但整体而言在不同时间和处理下土壤pH的变化都较小，大致在7.80～8.19之间。

土壤电导率（EC）是衡量土壤中水溶性盐含量高低的指标，可以评判土壤盐离子是否会限制植物生长，是一个关键土壤因素[13-14]。一般来说，土壤中的EC值在0.4到1.0 mS/cm之间。从表3中可以看出，不同处理在不同时间内的土壤EC值变化范围为0.622～0.833 mS/cm，明显高于S0。随着时间的推移，不同处理下的土壤EC值都呈现逐步升高的趋势，其中S3的数值变幅最大；且在相同时间下，S3的EC值总体高于其他处理。

2.1.2 土壤有机质" 有机质可以促进土壤结构形成，提高土壤温度，促进作物生长发育，增强土壤保肥能力和缓冲性能。从图1可以看出，不同处理下土壤中的有机质随时间的推移都呈现先升后降的趋势，但各处理间的升降速率不同。S3、S2、S1的结果表现较为一致，培养14 d时，土壤有机质达到最大值，分别为10.30、9.91、9.52 g/kg，之后逐渐下降。其中，S2、S3的有机质下降速率较快，而S1相对较慢。含有微量腐熟剂的VWM，在培养21 d后，有机质含量上升到最大值9.34 g/kg，之后缓慢降低。而最接近自然状态的VW，有机质含量增长速度最慢，在培养28 d后才到最大值8.82 g/kg，之后快速下降。在培养前期，土壤有机质含量从高到低排序为S3＞S2＞S1＞VWM＞VW，说明经过水热处理的土壤环境更有利于微生物的分解与利用，有助于土壤有机质的迅速积累。而随着时间的推移，各处理有机质含量都降低可能是后期土壤微生物逐渐稳定，有机质的分解量大于积累量，导致土壤有机质含量将逐渐下降。

2.1.3 土壤养分 土壤中的氮、磷、钾是植物生长所需的营养元素，其中速效态养分是植物可直接吸收利用的部分。土壤中营养成分含量如图2、图3所示。随着培养时间的延长，各养分含量整体上呈逐步上升的趋势，不同处理下土壤的速效钾含量范围为120.77～189.68 mg/kg，碱解氮为54.13～146.30 mg/kg，

速效磷为4.38～7.67 mg/kg，总养分为1.79～3.43%。不同处理下土壤中各养分平均含量速效钾＞碱解氮＞

速效磷；同一养分含量在不同处理中总体表现为S3＞

S2＞S1（VWM）＞VW。经过一定处理的还田土壤释放的养分含量高于原状土壤CK，尤其是经过高温水热处理的土壤（即S3和S2），其总养分显著高于VM。可能是因为蔬菜废弃物经过水热处理后其内部结构遭到破坏，进入土壤后养分更容易

释放。

2.2 蔬菜废弃物水热产物对土壤微生物群落生态变化的影响

2.2.1 土壤微生物丰度变化 微生物多样性对支持多种土壤生态系统功能至关重要。通过图4可以观察土壤细菌群落热值的变化情况，结果显示：在不同处理下细菌在门水平上的优势成分有所不同。在对照组CK中，优势细菌主要属于变形杆菌门（Proteobacteria）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Actinobacteriota）和酸杆菌门（Acidobacteriota），其中，变形杆菌门相对丰度最高，占66.06%，这是土壤中常见的寄生菌和病原菌门。在S2和VWM处理的土壤中，细菌丰度前26位的优势菌种大多是相同的。这两个处理中共同的优势菌群按丰度排序依次为：变形杆菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、酸杆菌门（Acidobacteriota）和放线菌门（Actinobacteriota）。

2.2.2 细菌群落与环境因子相关性冗余分析 图5显示了土壤细菌群落门水平下丰度前5的物种与土壤环境因子（有机质、速效磷、速效钾、速效氮和pH值）之间的相关性冗余分析结果。通过RDA分析得出，第一和第二主要变量分别解释了总变异的65.310%和4.066%，总共解释了69.376%的变异。在S2和VWM处理的土壤中，有机质、速效磷、速效钾和速效氮含量与变形杆菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）呈显著正相关，且与厚壁菌门（Firmicutes）呈极显著正相关，这可能与厚壁菌门（Firmicutes）的结构特性有关，其细胞壁含有较高的肽聚糖，可以产生大量芽孢，具有抵抗极端环境的能力，并能够固氮和活化土壤磷钾。而土壤pH值则相反，与变形杆菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）呈显著负相关，可能是由于这两种细菌通过代谢产生的有机酸会降低土壤pH值。总体而言，蔬菜废弃物经高温水热处理后的固态产物具有一定的肥力效果，可以促进有益菌群的生长，提高土壤微生物活性，丰富微生物群落的多

样性。

3 讨论与结论

将农林废弃物制成肥料后，能够显著改善土壤的理化性质，蔬菜废弃物水热产物对土壤pH的影响较小，这可能是微生物开始适应土壤环境，逐步降解并利用其中的酸性有机物质[10-12]。高温水热产物可以有效提高土壤盐粒子的含量，这是因为高温水热产物含有较多易降解的高分子有机物，提高了其生物可利用性，从而导致更多的离子溶解于土壤，使盐离子含量增加[15-17]，并增加土壤的有机质含量。蔬菜废弃物水热反应后的物质中有机质含量较高，再加上腐殖化程度较强，有利于土壤微生物的生长繁殖和有机物的积累，从而在一定程度上增加了土壤有机质含量[18-20]。增加的有机质又为细菌提供所需的养分，进而影响细菌群落的结构[21-23]。因此，在连续培养14天的S1、S2、S3土壤环境中，微生物活性较强，有机质累积较多。

研究显示，高温水热产物对绿色有机物质的快速腐熟与有效利用，提供了基础的科学理论依据，继而实现了固废资源的循环利用。水热体系温度越高，降解大分子物质的反应加剧，有机化率越高，对蔬菜废弃物的内部结构破坏程度更大，从而提高其土壤利用率。当然，在低温下，水热处理产物也能促进其利用。然而，温度过高会导致物质碳化，导致营养流失，并增加能耗生产成本。因此，综合考虑水热处理成本、养分利用效率和有机肥指标要求等因素，S3和S2的土壤应用更为合理。环境因子会影响土壤有机质和养分的含量，对微生物菌群生长代谢也影响较大。前人发现，施加水热肥能增加土壤有机质含量，为细菌提供大量生长所需养分，改变土壤化学性质使使细菌群落结构发生变化[24-26]。

研究结果表明：水热固态产物对土壤质量有较好的改良效果，土壤培养初期，有机肥能显著提高有机质含量至10.31 g/kg；培养过程中，土壤养分含量能逐渐增加，最高可达3.43%；土壤优势菌群以变形杆菌门、厚壁菌门等有益菌为主。

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（责任编辑：刘奇颀）