蔬菜廢棄物水熱產物對土壤理化性狀的影響

引用格式：許傳陽，楊英，許晴，等. 蔬菜廢棄物水熱產物對土壤梨花性狀的影響[J]. 湖南農業科學，2024（6）：38-43，47.

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2024.006.008

收稿日期：2024-03-21

基金項目：河南省科技攻關項目（232102321049）

作者簡介：許傳陽（1977-），男，山東莒縣人，副教授，博士，主要從事固廢資源化綜合利用研究。

通信作者：楊英

摘要：蔬菜廢棄物營養豐富、產量大，但直接利用效率不高。水熱處理技術可實現其減量化資源化循環利用，大大降低其環境應用風險。以經過180、210、240 ℃不同溫度處理的蔬菜廢棄物水熱產物作為有機改良肥，對土壤進行為期35 d的盆栽試驗，結果表明：隨著培養時間的延長，土壤pH值變化微小，而EC值不斷增大，可達0.833 mS/cm；有機質含量先升后降，最大值為10.30 g/kg；氮磷鉀養分含量逐漸升高，總養分最高達3.43%；土壤微生物以變形桿菌門和厚壁菌門等有益菌為主。蔬菜廢棄物經過高溫水熱處理后生成的固態產物可作農肥使用，對堿性土壤具有較好的改良特性，最適宜處理溫度為210 ℃。

關鍵詞：蔬菜廢棄物；水熱產物；土壤肥力；資源化利用

中圖分類號：X712 文獻標識碼：A 文章編號：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

蔬菜生產作為我國農業結構重要組成部分，已在全國各地成為打造特色產業、增加農民收入的重要支撐點[1]。我國是蔬菜生產大國，2018年中國蔬菜產量占全球蔬菜產量的59%，2020年中國的蔬菜產量和種植面積分別達到74 912.9萬t和21 485.48千km2 [2]。按照蔬菜生產流通折損比36.55%來計算，2020年蔬菜廢棄物的產生量近27 381萬t。在蔬菜廢棄物產生量巨大的背景下，處理難和利用率低成為了阻礙農業生產和造成資源浪費的主要問題[3-4]。

蔬菜廢棄物可以利用自然界中廣泛存在的細菌、真菌、放線菌等微生物群體的生命代謝活動進行降解和腐殖化，生成腐殖質類物質后用于還田和改良土壤[5]。蔬菜廢棄物含水率高、易腐爛，養分含量高，以水作為反應介質的水熱技術可以使蔬菜廢棄物得到資源化利用[6]。水熱法處理蔬菜廢棄物是一種無害化處理新途徑，可為蔬菜廢棄物資源化利用提供新的思路。高溫高壓的水熱過程，可以消除蔬菜廢棄物中的病原菌，并避免田間堆放產生的滲濾液污染周邊環境，以及腐爛發臭引來蠅蟲等一系列危害[7]。與堆肥處理中微生物消耗物料有機質的情況相比[8-9]，水熱處理后的產物損失的養分和有機質較少，因此在實際應用中對土地和作物的安全性較高。研究將不同溫度下水熱法處理的蔬菜廢棄物與土壤混合，通過對混合物的土壤性質及微生物群落分析，驗證水熱產物對土壤理化狀態的影響，為探索蔬菜廢棄物水熱產物還田效果以及提高蔬菜廢棄物利用效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

將原生蔬菜廢棄物粉碎至0.5～2.0 mm，一部分不進行水熱反應作為供試材料，標記為VW0；另一部分分別在180、210和240℃三個溫度下進行水熱反應，水熱反應釜容量1 000 mL，反應時間40 min，每個溫度設置3組重復，烘干后得到固體產物作為供試材料，標記為S180、S210、S240。取校園菜園地土壤，土壤類型為潮粘土，去除石子和植物殘留的根系，將其風干后研磨過10目篩，放置在陰涼干燥的地方保存作為供試土壤，標記為S0。添加用的腐熟劑以放線菌和真菌為主要成分。供試材料基本理化性質如表1所示。

供試土壤S0含水率為24%，pH值和電導率分別為8.83和0.617，其中，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為54.60 mg/kg 、4.30 、115.45 mg/kg，總養分含量為1.74%。

1.2 試驗設計

根據不同供試材料與土壤的混合設6個處理，分別為：處理S1：S180 5 g + S0 500 g；處理S2：S210 5g +

S0 500 g；處理S3：S240 5 g + S0 500 g；處理VW：VW0 5 g + S0 500 g；處理VWM：VW0 5 g、腐熟劑0.001 g + S0 500 g；CK：S0 500 g作空白對照，每個處理設置3組平行試驗。所有樣品混勻后裝入花盆，花盆規格：上口徑20 cm，高14 cm，底徑14 cm，花盆口用密封袋包覆，并開均勻分布的透氣小孔，定期澆水以保持土壤含水率約為25%。分別在第7、14、21、28和35天的上午10：00進行樣品采集。每個花盆隨機選取5個采樣點使用土鉆取樣，采樣深度為5～10 cm。每個采樣點取40 g左右的土壤樣品，風干后進行研磨，過80目篩后用于土壤性狀指標測定，剩余樣品在4 ℃下儲存備用。此外，在第35天對S2、VW、VWM和CK土壤樣品額外進行土壤微生物群落分析。

1.3 測定項目及方法

土壤和供試材料的測試基于《NY525—2021》有機肥料標準方法，并參考土壤常規指標分析方法。其中，pH值采用PB-10型玻璃電極法測定，電導率采用DDS-307型電導率儀測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量分析法測得，堿解氮采用堿解擴散法測定，速效磷、速效鉀采用分光光度法進行測定。土壤微生物多樣性采用DNA試劑盒提取、PCR擴增和Illumina HiSeq 2500高通量測序技術進行分析。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel和Origin進行數據處理，用SPSS 26.0軟件進行數據統計分析。使用鄧肯氏新復極差測驗（Duncan's new multiple rank test）進行各處理平均數之間的多重比較，在P=0.05水平分析差異的顯著性。在數據可視化方面，運用R語言中的ggplot2和純素包進行圖形的繪制。

2 結果與分析

2.1 蔬菜廢棄物水熱產物對土壤基本性質的影響

2.1.1 土壤pH和電導率" 土壤pH值直接影響農田土壤質量。當土壤的pH值在6.5～7.5之間時，土壤中的養分有效性較好，微生物活性也較高。根據表2所示的數據可以看出，在培養第7天和第14天，VM的pH值略高于其他處理；14天之后則是VWM的pH值略高。在同一處理下，隨著時間的推移，S1、S2、S3和VWM的pH值到第35天都一直增加，而VM的pH值則出現下降。但整體而言在不同時間和處理下土壤pH的變化都較小，大致在7.80～8.19之間。

土壤電導率（EC）是衡量土壤中水溶性鹽含量高低的指標，可以評判土壤鹽離子是否會限制植物生長，是一個關鍵土壤因素[13-14]。一般來說，土壤中的EC值在0.4到1.0 mS/cm之間。從表3中可以看出，不同處理在不同時間內的土壤EC值變化范圍為0.622～0.833 mS/cm，明顯高于S0。隨著時間的推移，不同處理下的土壤EC值都呈現逐步升高的趨勢，其中S3的數值變幅最大；且在相同時間下，S3的EC值總體高于其他處理。

2.1.2 土壤有機質" 有機質可以促進土壤結構形成，提高土壤溫度，促進作物生長發育，增強土壤保肥能力和緩沖性能。從圖1可以看出，不同處理下土壤中的有機質隨時間的推移都呈現先升后降的趨勢，但各處理間的升降速率不同。S3、S2、S1的結果表現較為一致，培養14 d時，土壤有機質達到最大值，分別為10.30、9.91、9.52 g/kg，之后逐漸下降。其中，S2、S3的有機質下降速率較快，而S1相對較慢。含有微量腐熟劑的VWM，在培養21 d后，有機質含量上升到最大值9.34 g/kg，之后緩慢降低。而最接近自然狀態的VW，有機質含量增長速度最慢，在培養28 d后才到最大值8.82 g/kg，之后快速下降。在培養前期，土壤有機質含量從高到低排序為S3＞S2＞S1＞VWM＞VW，說明經過水熱處理的土壤環境更有利于微生物的分解與利用，有助于土壤有機質的迅速積累。而隨著時間的推移，各處理有機質含量都降低可能是后期土壤微生物逐漸穩定，有機質的分解量大于積累量，導致土壤有機質含量將逐漸下降。

2.1.3 土壤養分 土壤中的氮、磷、鉀是植物生長所需的營養元素，其中速效態養分是植物可直接吸收利用的部分。土壤中營養成分含量如圖2、圖3所示。隨著培養時間的延長，各養分含量整體上呈逐步上升的趨勢，不同處理下土壤的速效鉀含量范圍為120.77～189.68 mg/kg，堿解氮為54.13～146.30 mg/kg，

速效磷為4.38～7.67 mg/kg，總養分為1.79～3.43%。不同處理下土壤中各養分平均含量速效鉀＞堿解氮＞

速效磷；同一養分含量在不同處理中總體表現為S3＞

S2＞S1（VWM）＞VW。經過一定處理的還田土壤釋放的養分含量高于原狀土壤CK，尤其是經過高溫水熱處理的土壤（即S3和S2），其總養分顯著高于VM。可能是因為蔬菜廢棄物經過水熱處理后其內部結構遭到破壞，進入土壤后養分更容易

釋放。

2.2 蔬菜廢棄物水熱產物對土壤微生物群落生態變化的影響

2.2.1 土壤微生物豐度變化 微生物多樣性對支持多種土壤生態系統功能至關重要。通過圖4可以觀察土壤細菌群落熱值的變化情況，結果顯示：在不同處理下細菌在門水平上的優勢成分有所不同。在對照組CK中，優勢細菌主要屬于變形桿菌門（Proteobacteria）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）、綠彎菌門（Chloroflexi）、放線菌門（Actinobacteriota）和酸桿菌門（Acidobacteriota），其中，變形桿菌門相對豐度最高，占66.06%，這是土壤中常見的寄生菌和病原菌門。在S2和VWM處理的土壤中，細菌豐度前26位的優勢菌種大多是相同的。這兩個處理中共同的優勢菌群按豐度排序依次為：變形桿菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、酸桿菌門（Acidobacteriota）和放線菌門（Actinobacteriota）。

2.2.2 細菌群落與環境因子相關性冗余分析 圖5顯示了土壤細菌群落門水平下豐度前5的物種與土壤環境因子（有機質、速效磷、速效鉀、速效氮和pH值）之間的相關性冗余分析結果。通過RDA分析得出，第一和第二主要變量分別解釋了總變異的65.310%和4.066%，總共解釋了69.376%的變異。在S2和VWM處理的土壤中，有機質、速效磷、速效鉀和速效氮含量與變形桿菌門（Proteobacteria）和厚壁菌門（Firmicutes）呈顯著正相關，且與厚壁菌門（Firmicutes）呈極顯著正相關，這可能與厚壁菌門（Firmicutes）的結構特性有關，其細胞壁含有較高的肽聚糖，可以產生大量芽孢，具有抵抗極端環境的能力，并能夠固氮和活化土壤磷鉀。而土壤pH值則相反，與變形桿菌門（Proteobacteria）和厚壁菌門（Firmicutes）呈顯著負相關，可能是由于這兩種細菌通過代謝產生的有機酸會降低土壤pH值。總體而言，蔬菜廢棄物經高溫水熱處理后的固態產物具有一定的肥力效果，可以促進有益菌群的生長，提高土壤微生物活性，豐富微生物群落的多

樣性。

3 討論與結論

將農林廢棄物制成肥料后，能夠顯著改善土壤的理化性質，蔬菜廢棄物水熱產物對土壤pH的影響較小，這可能是微生物開始適應土壤環境，逐步降解并利用其中的酸性有機物質[10-12]。高溫水熱產物可以有效提高土壤鹽粒子的含量，這是因為高溫水熱產物含有較多易降解的高分子有機物，提高了其生物可利用性，從而導致更多的離子溶解于土壤，使鹽離子含量增加[15-17]，并增加土壤的有機質含量。蔬菜廢棄物水熱反應后的物質中有機質含量較高，再加上腐殖化程度較強，有利于土壤微生物的生長繁殖和有機物的積累，從而在一定程度上增加了土壤有機質含量[18-20]。增加的有機質又為細菌提供所需的養分，進而影響細菌群落的結構[21-23]。因此，在連續培養14天的S1、S2、S3土壤環境中，微生物活性較強，有機質累積較多。

研究顯示，高溫水熱產物對綠色有機物質的快速腐熟與有效利用，提供了基礎的科學理論依據，繼而實現了固廢資源的循環利用。水熱體系溫度越高，降解大分子物質的反應加劇，有機化率越高，對蔬菜廢棄物的內部結構破壞程度更大，從而提高其土壤利用率。當然，在低溫下，水熱處理產物也能促進其利用。然而，溫度過高會導致物質碳化，導致營養流失，并增加能耗生產成本。因此，綜合考慮水熱處理成本、養分利用效率和有機肥指標要求等因素，S3和S2的土壤應用更為合理。環境因子會影響土壤有機質和養分的含量，對微生物菌群生長代謝也影響較大。前人發現，施加水熱肥能增加土壤有機質含量，為細菌提供大量生長所需養分，改變土壤化學性質使使細菌群落結構發生變化[24-26]。

研究結果表明：水熱固態產物對土壤質量有較好的改良效果，土壤培養初期，有機肥能顯著提高有機質含量至10.31 g/kg；培養過程中，土壤養分含量能逐漸增加，最高可達3.43%；土壤優勢菌群以變形桿菌門、厚壁菌門等有益菌為主。

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（責任編輯：劉奇頎）