亞臨界水解處理有機廢棄物對天津濱海鹽堿地的改良作用

馮濤 周國華 池風龍

摘要：利用亞臨界水解處理的城市污泥、雞糞、復合菌肥和植物纖維黏合劑處理天津濱海新區土壤。結果表明，利用亞臨界水解產物（污泥+雞糞），配以機械施工的技術方法，能有效促進植物生長，增加植被覆蓋，降低土壤pH和增加有機質含量。

關鍵詞：土壤改良劑;亞臨界水解技術;城市污泥;雞糞

中圖分類號：S156.42? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）10-0074-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.10.016? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（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

天津市濱海新區為重鹽堿地區，生態環境先天較脆弱，其土壤屬于濱海鹽化潮土、濕潮土和濱海鹽土，土質黏重，質地板結，土壤含鹽量1%～2%， 高者達到3%以上;地下水礦化度高，遠遠超過10 g/L，地下水位高，在0.5～1.5 m，容重在1.50～1.79 g/cm3，有機質含量低（土壤有機質含量大都在5～6 g/kg，而一般農田土壤均在10 g/kg以上，表明肥力狀況較差），微生物群落數量少（0.75×105 CFU/g）。

天津濱海新區鹽堿土的特點嚴重危害植物生長，影響生態環境，導致植物立地條件差、綠化難度很大。目前國內濱海鹽堿地綠化多采用傳統鹽堿地降鹽改土措施，如鋪設排鹽溝、隔離層，大量更換客土，施加土壤改良劑等，上述技術手段在濱海新城的綠色空間營建中發揮了重要作用，但是在生態建設過程中，存在材料、能源投入費用過高，后期養護費用、人工投入過高的弊病。因此有必要研發新型的低成本改良技術措施。

亞臨界水解技術是一項全新的高效處理有機廢棄物技術。當壓力和溫度上升到一定值時，水的液態相和氣態相界面消失，變成均一的單相即水的臨界點。此時，水的溫度為374.15 ℃，壓力為22.83 MPa。將水加熱至沸點以上，臨界點以下，并控制系統壓力使水保持為液態，這種狀態的水稱為亞臨界水（Subcritical water）。亞臨界水具有超溶解、超電離等特性，能夠在數分鐘內完成對高分子有機物的分解[1]。亞臨界水解法處理城市污泥正是利用亞臨界水的特性，在短時間內完成對城市污泥、雞糞的改性、除臭、脫毒、降污等的無害化過程，經過深度脫水后固型尾產物符合國家標準的農用泥質可以進一步加工成適合園林綠化的有機肥料和土壤改良劑[2]。本研究在天津濱海新區開展亞臨界水解的污泥和雞糞對鹽堿土改良試驗，期望為基于資源化利用策略的鹽堿地改良新技術提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 試驗地生態條件

試驗于2016年5月在天津濱海新區進行， 試驗地位于天津市中新生態城，為沿海人工吹沙造地形成的陸域，造地形成的地面由于地表裸露，水分蒸發量大于降水量，全鹽含量接近海水，土壤容重小，通透性強，漏水漏肥[3]。吹填土土粒粒級87.24%為物理沙粒，12.66%為物理黏粒，歸屬于壤沙土和淤泥。土壤容重1.52 g/cm3，土壤孔隙度39.90%，土壤滲透系數6.5×10-6～5.6×10-5 cm/s。淋洗后土壤全鹽含量0.25%～0.29%，pH 9.15～9.55。

1.2? 土壤改良材料

以亞臨界水解技術處理的城市生活污泥、雞糞、復合菌肥、纖維黏合劑作為土壤改良材料的主要成分。水解處理的污泥和雞糞以及復合菌肥由山東青州某工廠提供。處理后亞臨界水解城鎮污泥和雞糞，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]進行檢測。檢測結果見表1。

1.3? 植物材料

共選用8種綠化植物：①堿茅（Puccinellia distans），在中度至重度鹽漬化土壤上能良好生長，泌鹽;②堿蓬[Suaeda glauca （Bunge） Bunge]，喜高濕、耐鹽堿、耐貧瘠、少病蟲害，適于沿海地區沙土或沙壤土種植，能忍受暫時的干旱;③蘆葦（Phragmites communis Trin.），適應性廣、抗逆性強，在低度至中度鹽漬化土壤上能良好生長;④黑麥草（Lolium perenne L.），喜溫涼濕潤氣候，宜夏季涼爽、冬季不太嚴寒地區生長;⑤高羊茅（Festuca elata Keng ex E. Alexeev），適應寒冷潮濕，在土壤pH 4.7～8.5的條件下生長良好，不耐高溫，喜光，耐半陰，對肥料反應敏感，耐瘠薄，抗病性強;⑥堿地膚[Kochia scoparia （Linn.） Schrad. var. sieversiana]，耐鹽堿的早生、中旱生植物，適于生長在堿性、沙質土和荒漠帶的鹽漬化低地;⑦披堿草（Elymus dahuricus Turcz.），屬中等抗鹽牧草，適應性廣，特耐寒，抗旱，在冬季-37 ℃的地區能安全越冬。根系發達，在土壤pH 7.6～8.7條件下生長良好。具有抗風沙的特性，適于風沙大的鹽堿地區種植。分蘗具有一定的耐鹽能力，屬于短期多年生牧草;⑧小花堿茅[Puccinellia tenuiflora （Griseb.） Scribn. et]，適應性強，喜濕潤和鹽漬性土壤，抗寒、耐旱、耐鹽堿性極強，能在海拔3 700 m的高寒山區，氣溫達-36 ℃條件下安全越冬。在土壤pH 8.8時能良好生長，土壤pH達9～10時仍能生長。

所有供試植物種子由北京農學院植物科學學院提供。

1.4? 土壤改良試驗

利用不同配比的城市生活污泥、雞糞、復合菌肥、纖維黏合劑作為土壤改良劑，將土壤改良劑均勻撒布在試驗小區土壤表面，翻耕深度30 cm以充分混合改良劑，共設置17個試驗小區，如表2所示。

1.5? 試驗田綠化效果及土壤有機質、pH的測定

定期采集、測量不同試驗小區內的植株進行生長量、綠化覆蓋率的調查。

采集牧草株高長勢數據，分別在不同小區隨機選取植株，測量地上部高度。2016年11月分別在不同小區取樣，測定土壤的有機質、pH。試驗小區土壤pH依NY/T 1377-2007[9]方法，有機質按照GB 9834-1988[8]進行檢測。

2? 結果與分析

2.1? 供試肥料對植物生物學性狀的影響

試驗區內草類較多，在生物學性狀上主要采集了不同時期各試驗小區的黑麥草地上部莖稈，測量莖稈高度。由圖1可知，不同時期各小區采樣中，添加150 t/hm2改良劑的小區黑麥草生長量有明顯優勢，對3次采樣的數據分析顯示，黑麥草生長量與改良劑添加量之間存在相關關系。

進一步建立函數模型，相關信息見表3。由表3可知，根據第1次采集的數據，利用函數模型計算可以獲得，使牧草生長量達到最大值時，理論上水解污泥添加量約為172.5 t/hm2。根據3次采集的數據所建立的數學模型進行計算，可以看出隨著時間推移，牧草生長量的理論最大值在增加，同時使牧草生長量達到最大值的理論水解污泥添加量也在增大。

2.2? 試驗區植物生長狀態

由圖2可知，土壤條件改良后草種能夠正常發芽生長，種植后30 d左右能達到覆綠效果，綠化覆蓋率可達50%～60%，后期綠化覆蓋率可高達80%～90%。

2.3? 植物生長發育情況比較

2.3.1? 不同小區同一植物冠幅對比? 由圖3可知，同一植物在改良地和未改良區（空白對照）的生長發育情況具有明顯差異，對比未改良區，3種植物均在改良地冠幅長勢具有明顯優勢。

2.3.2? 不同處理同一植物地上部與根系生長情況對比? 由圖4可知，處理區地上部生長量和根系生長量均大于對照區，其中處理區地上部生長量優勢明顯，整體約為后者的2.65倍。對大多數植物來說，生物量的積累與地上部生長量增長呈正相關，較大的地上部生長量差異表明處理區植株在相同時間內積累更多的生物量，生物量的多少間接反映了試驗小區物質循環反復程度和能量流動性的大小，生物量越大，表明物質循環反復程度越大，能量流動性越大，這對改良鹽堿荒地、構建草原生態系統具有積極意義。

2.4? 試驗小區內生物多樣性

試驗小區內的物種統計表明，目前試驗小區內包含堿地膚、披堿草、堿蓬、小花堿茅、多年生黑麥草、蘆葦、狗尾草、牛筋草等10種不同類型的草類。同時，試驗小區內的昆蟲、鳥類數目和種類較試驗前也有明顯增加，形成了一個具有一定的恢復力穩定性和抵抗力穩定性的微型草地生態系統。鹽堿荒地中草地生態系統的形成在濱海鹽堿地的改良綠化和防止土壤退化上均具有積極的意義。

2.5? 土壤有機質、pH變化

改良種植6個月后試驗小區耕作層（30 cm）土壤有機質、pH的測定結果見表4。由表4可知，通過土壤改良可降低土壤pH 0.84～0.97，提升土壤有機質1.38%～1.56%。

3? 小結與討論

亞臨界水解技術處理的城市污泥和雞糞均屬于酸性土壤改良肥料，本試驗選擇多因子試驗設計的方法，從不同組分的土壤改良劑施用量、種植植物種類研究鹽堿土改良的優化方法。兩種改良肥料合并使用對鹽堿地的長期改良效果明顯。

通過目前在天津濱海中新生態城的綠化試驗，利用亞臨界水解產物（污泥+雞糞），配以機械施工的改良途徑，是濱海鹽堿地改良達到快速改良綠化的基礎。對濱海吹沙造田的鹽堿土改良，其中最重要的3個方面就是對降低土壤pH、提升土壤有機質和促進團粒結構的形成，城市污泥和雞糞同屬酸性肥料，對降低pH至關重要;亞臨界水處理城市污泥對團粒結構的形成起關鍵作用，并保證了改良土壤pH的穩定。試驗表明通過土壤改良可降低土壤pH 0.84～0.97。城市污泥和雞糞富含豐富的有機質，通過6個月的改良土壤有機質提升1.38%～1.56%。

耐鹽植物的選擇以華北、西北的鹽生廣布植物品種為主，尤其是選用西北荒漠鹽堿適應的植物品種可以保證綠化區植物在初冬依然存活，確保綠化的功能效果和感官效果。

為獲得完整、可靠、系統的試驗數據，試驗應進行2～3年追蹤觀察，以明確施用土壤改良劑對改良灘涂鹽堿土的長期效應。目前，本試驗僅就短期綠化進行針對性觀察，雖然能夠通過試驗得出土壤改良劑施用的方法、劑量，但還應該長期追蹤、檢測，以獲得更長時期的、系統的數據。

鹽堿地改良綠化是一個復雜的系統工程，需要水利、土壤、農藝等多項措施的綜合利用才能取得成效，但各項技術措施并不是并立的，它們具有鮮明的層次性，即根本性的水利工程措施，基礎性的土壤改良培肥措施，增效性的農藝措施。

參考文獻：

[1] 劉慧屏，銀建中，徐? 剛.超/亞臨界水解技術在生物質轉化中的應用研究進展[J].生物質化學工程，2010，44（1）：51-57.

[2] 芮青青，韓省華，韓鴻翼.生活污水污泥亞臨界水解處理后產物對羊肚菌的栽培研究[J].環境與發展，2018，30（7）：63-64.

[3] 王? 武，馬作國，華玉鑫，等.中新天津生態城鹽漬土特征與綠化技術研究[J].天津農業科學，2012，18（1）：143-145.

[4] GB/T 23486-2009，城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質[S].

[5] NY/T 88-1988，土壤全磷測定法[S].

[6] NY/T 87-1988，土壤全鉀測定法[S].

[7] NY/T 53-1987，土壤全氮測定法（半微量凱氏法）[S].

[8] GB 9834-1988，土壤有機質測定法[S].

[9] NY/T 1377-2007，土壤中pH值的測定[S].