濕垃圾沼渣對城市搬遷地土壤水庫特征的影響研究

伍海兵 梁 晶* 陳 平 徐 冰 何小麗 馬 想

為了解濕垃圾沼渣對城市搬遷地土壤水庫庫容特征的影響，選擇上海典型搬遷地土壤為研究對象，研究添加不同量沼渣對土壤水庫總庫容、土壤水分現存量、土壤剩余蓄水空間及土壤滯洪庫容的影響，并對土壤水庫庫容與土壤物理性質進行了相關性分析，結果表明：濕垃圾沼渣對搬遷地土壤水庫總庫容和水分現存量提升顯著，且隨著沼渣添加量的增加均有增加趨勢，其中以添加80%沼渣的土壤水庫總庫容最佳，添加60%沼渣的土壤水分現存量最佳。濕垃圾沼渣對搬遷地土壤剩余蓄水空間有所降低，其中以60%沼渣土壤剩余蓄水空間最小。添加不同量沼渣對土壤滯洪庫容影響不明顯，但以添加40%沼渣滯洪庫容最佳。不同土壤物理性質影響著不同土壤水庫類型，其中土壤水庫總庫容主要受總孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量及容重影響，土壤水分現存量主要受含水率、容重、最大持水量、毛孔持水量及田間持水量影響，土壤剩余蓄水空間主要受含水率和入滲率影響，土壤滯洪庫容主要受非毛管孔隙度影響。

濕垃圾；沼渣；土壤水庫；物理性質

城市化是人類發展的必然趨勢，也是社會發生顯著的變化之一。隨著城市化進程加快，城市不透水面積劇增，改變了城市水分自然循環過程，導致城市內澇風險不斷增加，近年來南京、合肥、鄭州等各大城市在雨季均發生了不同程度的內澇，逢暴雨必澇已成為中國城市的普遍現象[1-2]。城市內澇頻發，除城市排水管網設計滯后外，各大城市近年來興建的大量綠地土壤沒有真正起到雨洪調節作用也是主要原因之一。土壤是布滿大大小小孔隙的疏松多孔體，對水分具有良好的蓄、運、保、調功能，稱為“土壤水庫”[3]。土壤作為自然可透水層，吸收雨水以及周圍硬質路面的徑流來消減地表徑流并補充土壤水和地下水，對減緩城市洪澇、提高雨洪利用具有積極意義[4]。通常用土壤水庫總庫容、水分現存量、剩余蓄水空間、滯洪庫容等來評價土壤水庫特征，土壤水庫總庫容是反映土壤涵養水源、調節水分循環的一個重要參數[5]，是衡量土壤最大蓄水能力指標之一[6]，指在一定土層厚度所能蓄積的最大水量；土壤水分現存量是指土壤實時的儲水量，隨著降雨、灌溉和蒸發的變化而變化，反映土壤的實時水庫庫容[7]；土壤剩余蓄水空間是指土壤水庫總庫容與土壤水分現存量間的差值，反映土壤當前狀態還能容納的水分庫容[7]；土壤滯洪庫容表征土壤水庫在短時間內能夠儲存水分的能力，是指土壤飽和持水量與田間持水量間的差值對應的水庫庫容，若土壤水分含量高于田間持水量時，多余的水分則能在短時間內蓄存于土壤中，并最終經過蒸發進入大氣或通過下滲等途徑進入地下補給地下水，這是降雨或灌溉水進入土壤的主要通道，可以快速將降雨或灌溉水轉換為土壤滯洪庫容，并在重力作用下變為壤中流，從而再次分配土壤各水庫，對減少城市降雨瞬時洪澇、維持地下水平衡等方面具有重要作用[8]。

城市綠地是城市發展規劃的重要組成部分，是城市土壤水庫蓄積的重要場所之一，然而，當前城市綠地土壤水庫庫容偏低及庫容萎縮較為常見[9-10]，土壤的水庫功能發揮受到了制約。并且隨著城市綠地建設需求快速增加與土地資源緊缺的矛盾日益嚴重，越來越多的困難立地被廣泛用于綠地建設[11]，搬遷地作為困難立地的主要類型之一[12]，在人類社會日常生產和生活中，其土壤質量往往受到不同程度的破壞，致使土壤的生態功能也遭受不同程度的退化，直接影響城市土壤水庫功能的發揮。因此，城市土壤水庫的提升迫在眉睫。但已有土壤水庫的研究主要集中在農林土壤[13-14]，對城市土壤水庫的研究較少，針對城市土壤水庫庫容改良提升鮮有報道。

另外，隨著城市的快速發展、經濟水平的提高和人口密度的增加，產生的城市生活垃圾也逐年增加，預計還將以每年8%～10%的速度遞增[15]，其中有機濕垃圾占比高達60%以上[16]。國內大多城市的濕垃圾處置方式仍然以填埋、焚燒等為主[17]，不僅占用大量土地、污染環境，而且是一種資源的浪費。隨著循環經濟和可持續發展理念的逐步深化，濕垃圾資源化利用越來受到國家的重視。2018年12月，國務院辦公廳關于印發《“無廢城市”建設試點工作方案》試點工作方案的通知中提到：“無廢城市”是以創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念為引領，持續推進固體廢物源頭減量和資源化利用，最大限度減少填埋量，將固體廢物環境影響降至最低的城市發展模式，旨在最終實現整個城市固體廢物產生量最小、資源化利用充分、處置安全的目標。上海市政府對濕垃圾資源化利用高度重視，發布《上海市濕垃圾處理規劃（2014 — 2020）〈關于進一步加強本市垃圾綜合治理的實施方案〉》（滬政辦〔2016〕69號），“十三五”期間，上海市無害化處理能力保持在2.7萬 t/d，無害化處理率保持100%，補齊濕垃圾資源化利用能力建設短板，不斷提升資源化利用水平。濕垃圾經過生化處理后，形成的沼渣質地疏松、通氣性好，有機質、腐殖酸含量豐富[18-19]，是良好的土壤改良材料和有機肥料，如Claudia等采用沼渣烘干造粒的方式進行土地利用[20]；李占文等研究了施用沼渣后不僅改良了土壤，而且對棗樹的生產發育、果實品質和產率均能有效提高[21]；高袖等利用沼渣、有機輔料混合配制出高效保肥保水的營養土，用于花卉種植[22]。本研究以城市典型搬遷地土壤為研究對象，研究添加不同量濕垃圾沼渣對土壤水庫庫容的影響，分析土壤水庫庫容影響因子，以期為城市搬遷地土壤水庫庫容能力提升提供技術支撐，同時也為沼渣的資源化利用提供新的技術途徑，為城市生態環境和生態安全提供技術保障。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

土壤取自上海市浦東新區某典型搬遷地土壤；沼渣由上海老港生物能源再利用中心提供，其主要是上海市城區的濕垃圾厭氧發酵形成的沼渣，并經過烘干脫水，其含水量為6%，容重為0.76 g/cm3，總孔隙度為65%。

1.2 試驗設計

將濕垃圾沼渣按體積10%、20%、30%、40%、50%、60%和80%與供試土壤混勻，并設置未添加濕垃圾沼渣的處理作為對照組（CK），共8個處理，每個處理5組重復，裝入1 gal花盆中（盆高15 cm），放入露天大棚中自然培養一年，用100 cm3的環刀取樣，測定土壤含水率、容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量和入滲率等9項物理指標。

1.3 試驗方法

土壤含水率、容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量和入滲率的測定參照《森林土壤分析方法》[23]；土壤水庫庫容根據土壤容重、土壤水分以及土層深度來計算[24]，公式（1） — （6）。

其中，W為土壤水庫庫容（mm），ρ為土壤容重（g/cm3），θ為土壤各水分（g/kg），h為土層厚度（cm），Wt為土壤水庫總庫容（mm），θs為土壤飽和持水量（g/kg），Wc為土壤水庫現存量（mm），θc為土壤含水率（g/kg），Wf為田間持水量對應的庫容（mm），θf為田間持水量（g/kg），Wr為土壤剩余蓄水空間（mm），Wh為滯洪庫容（mm）。本研究采用的花盆深15 cm，故取15 cm土層作為計算土壤水庫庫容的土壤厚度。

1.4 數據處理

采用Excel 2007和SPSS17.0軟件對數據進行統計分析，采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）和LSD法進行方差分析和多重比較（α=0.05），利用Excel 2007軟件作圖，圖中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 濕垃圾對土壤水庫庫容影響分析

2.1.1 土壤水庫總庫容

由圖1可知，濕垃圾沼渣能有效提高土壤水庫總庫容，添加80%濕垃圾沼渣的土壤水庫總庫容最高，為79.48 mm，較CK提高了13.3%；其次是添加40%濕垃圾沼渣的處理，土壤總庫容為77.92 mm，較CK提高了11.1%；而較其他添加濕垃圾沼渣的處理，添加10%濕垃圾沼渣后土壤總庫容提升幅度較小，但較CK提高了4.2%。隨著濕垃圾沼渣添加量的增加，土壤水庫總庫容基本呈逐漸增加的趨勢。添加不同量的濕垃圾沼渣土壤水庫總庫容存在一定差異性，主要體現在濕垃圾沼渣添加量在20%～60%時，其土壤水庫總庫容均顯著高于CK（P＜0.05）。

1. 添加不同量的濕垃圾沼渣土壤水庫總庫容

2.1.2 土壤水分現存量

從圖2可以發現，添加不同量的濕垃圾沼渣均能有效提高土壤水分現存量，濕垃圾沼渣添加量60%時，土壤水分現存量最高，達48.51 mm，較CK處理提升了100.2%；其次是50%濕垃圾沼渣，水分現存量為46.03 mm，較CK提升了90.0%；而10%濕垃圾沼渣相對較小，為29.28 mm，較CK提升了20.8%。隨著濕垃圾沼渣添加量的增加，土壤水分現存量先增加后減小，當沼渣添加量達60%時，土壤水分現存量達到最大值，之后當沼渣添加量達到80%時，其水分現存量有所降低。添加不同量的濕垃圾沼渣土壤水分現存量存在一定差異性，主要體現在濕垃圾沼渣添加量在40%～80%時，均顯著高于CK（P＜0.05）。

2. 添加不同量的濕垃圾沼渣土壤水分現存量

2.1.3 土壤剩余蓄水空間

由圖3可知，濕垃圾沼渣降低了土壤剩余蓄水空間，濕垃圾沼渣添加量60%時，土壤剩余蓄水空間最低，為28.45 mm，較CK降低了38.0%，其次是添加50%濕垃圾沼渣，為31.48 mm，較CK降低了31.4%，而10%沼渣土壤剩余蓄水空間降低最小，較CK降低了4.6%。不同添加量沼渣土壤剩余蓄水空間差異不明顯（P＞0.05），但隨著沼渣添加量的增加，土壤剩余蓄水空間先降低后增加，當沼渣添加量達60%時，土壤剩余蓄水空間最低，當濕垃圾沼渣添加量達到80%時，其土壤剩余蓄水空間有所增加。

3. 添加不同量的濕垃圾沼渣土壤剩余蓄水空間

2.1.4 土壤滯洪庫容

從圖4中可以看出，濕垃圾沼渣添加量40%時，土壤滯洪庫容最高，為5.80 mm，較CK提升了19.1%；其次是10%濕垃圾沼渣，為5.73 mm，較CK提升了17.7%；而添加30%濕垃圾沼渣，土壤滯洪庫容有所降低，較CK降低了11.7%。不同添加量沼渣土壤滯洪庫容差異不明顯（P＞0.05）。

4. 添加不同量的濕垃圾沼渣土壤滯洪庫容

2.2 土壤水庫庫容影響因子分析

將不同添加量沼渣土壤各水庫庫容與其土壤基本物理指標進行相關性分析（表1），結果表明：土壤水庫總庫容與土壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度及總孔隙度達到了極顯著正相關（P＜0.01），與含水率達到了顯著正相關（P＜0.05），與容重達到了極顯著負相關（P＜0.01），尤其是與總孔隙度，其相關系數高達1.0，然后是毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量及田間持水量，相關系數均達到了0.95及以上，而與入滲率及非毛管孔隙度相關性不明顯。由此可知，土壤總孔隙度對土壤水庫總庫容影響最大，其次是毛管孔隙度，然后是最大持水量、毛管持水量及添加持水量，而入滲率及非毛管孔隙度對土壤水庫總庫容影響較小。

表1 土壤水庫庫容與土壤基本物理指標相關性分析

土壤水分現存量與含水率達到了極顯著正相關（P＜0.01），相關系數高達0.981，與入滲率、最大持水量、毛管持水量及田間持水量達到了顯著正相關（P＜0.05），而與容重達到了極顯著負相關（P＜0.01），但與土壤各孔隙度相關性不明顯。由此可見，土壤含水率對土壤水分現存量影響最大，其次是容重，然后是入滲率、毛管持水量、最大持水量、田間持水量，而非毛管孔隙度、毛管孔隙度及總孔隙度對土壤水分現存量影響不明顯。

土壤剩余蓄水空間與含水率達到了極顯著負相關（P＜0.01），與入滲率達到了顯著負相關（P＜0.05），而與土壤其他物理指標相關性不明顯。由此可見，土壤含水率對剩余蓄水空間影響最大，其次是入滲率，而容重、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度及總孔隙度對剩余蓄水空間影響不明顯。

土壤滯洪庫容與非毛管孔隙度達到了極顯著正相關（P ＜0.01），這與伍海兵等研究上海辰山植物園土壤滯洪庫容結果類似[9]，而與其他物理指標相關性不明顯。由此可見，土壤滯洪庫容主要受土壤非毛管孔隙度影響，其他物理指標對滯洪庫容影響不明顯。

3 結論與討論

利用濕垃圾沼渣提升土壤水庫庫容效果明顯，添加濕垃圾沼渣能有效提高土壤水庫總庫容，尤其是土壤中添加不少于20%的濕垃圾沼渣時，對土壤水庫總庫容的提升效果顯著，并且隨著濕垃圾沼渣添加量的增加，土壤水庫總庫容有增加的趨勢，以添加80%的濕垃圾沼渣土壤水庫總庫容最高，這可能是由于濕垃圾沼渣較土壤疏松，對土壤孔隙度增加效果明顯，提升了土壤的蓄水和儲水能力[25]，從而增加了土壤水庫總庫容。濕垃圾沼渣對土壤水分現存量提升效果明顯，尤其是添加量為60%時，效果最佳，較對照組提升了1倍多，由此可見，濕垃圾沼渣對土壤的保水能力效果明顯，從而防止植物因干旱而導致死亡；但濕垃圾沼渣添加量達到80%時，土壤水分現存量較60%處理組有所降低，這可能是由于濕垃圾沼渣含量過高，其土壤的大孔隙含量過多，而導致其土壤對灌溉水或雨水的截留能力弱于60%濕垃圾沼渣，從而使其土壤含水率相對較低。濕垃圾沼渣對土壤剩余蓄水空間有所降低，其中沼渣添加量60%，土壤剩余蓄水空間最低，當濕垃圾沼渣添加量達到80%時，其土壤剩余蓄水空間有所增加，這可能是由于80%濕垃圾沼渣土壤水分現存量相比60%濕垃圾沼渣低，且80%濕垃圾沼渣土壤水庫總庫容高于60%濕垃圾沼渣，從而導致80%濕垃圾沼渣土壤剩余蓄水空間高于60%濕垃圾沼渣土壤。不同添加量的濕垃圾沼渣均與CK差異不明顯，由此可見濕垃圾沼渣對土壤剩余蓄水空間改善作用不顯著，可能是由于濕垃圾沼渣對土壤水分現存量提升效果較明顯，土壤可再容納的水庫低，從而降低了其土壤剩余蓄水空間。濕垃圾沼渣對土壤滯洪庫容提升效果不明顯，添加不同量的濕垃圾沼渣均與CK差異不明顯，這可能是由于添加的濕垃圾沼渣增加了土壤飽和持水量和田間持水量，但增加的比例不盡相同，從而直接影響土壤滯洪庫容的增加或減少。

土壤水庫庫容受眾多土壤性質影響[26-27]，本研究從土壤物理性質對土壤庫容進行分析，結果表明：不同的水庫庫容類型受土壤物理性質影響不同，其中土壤水庫總庫容主要受總孔隙度、毛孔孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量及容重影響，其相關性達到極顯著水平，這與伍海兵、黃暉等研究城市綠地土壤水庫結果一致[9-10]，尤其是與總孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量，其相關系數均到達了0.95以上。土壤水分現存量主要受含水率、容重、最大持水量、毛孔持水量及田間持水量影響，尤其是含水率和容重影響最大，含水率越大，其水分現存量越高，容重越大，水分現存量越低。土壤剩余蓄水空間主要受含水率和入滲率影響，含水率和入滲率越低，則土壤剩余蓄水空間越高。土壤滯洪庫容主要受非毛管孔隙度影響，非毛管孔隙度越大，可促進土壤水分下滲，則土壤滯洪庫容越高，這與伍海兵等研究城市綠地土壤滯洪庫容一致[28]。

綜上，不同的土壤物理性質影響著不同土壤水庫類型，通過濕垃圾沼渣良好的物理特性，來改善土壤物理性質，增加土壤總孔隙度、含水率、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、持水量及入滲率，降低土壤容重，對改善土壤各水庫庫容具有積極作用，這與楊永輝、孫艷紅等提升林地土壤水庫技術措施相一致[29-30]。總之，改善土壤質量，提高土壤水庫庫容是有效利用降雨、減緩城市排水管壓力、增加雨水下滲、減小暴雨徑流和改善城市水生態環境的重要措施，也是當前快速城市化發展中充分利用雨水資源和減輕城市內澇的有效措施之一。