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Comprehensive evaluation of improving effects of different organic wastes on a newly reclaimed cultivated land.

不同有机废弃物改良新复垦耕地的综合效果评价


由废弃地整理复垦形成的耕地存在土壤有机质和有效养分低、土壤板结、微生物活性弱和土壤耕作性状不良等问题,快速、有效地提高土壤肥力质量是全面提升该类耕地质量和生产性能的重要组成部分.本文通过田间小区试验研究了城郊有机废弃物对新复垦耕地土壤培肥的综合效果,并比较了不同类型城郊有机废弃物在培育耕地质量方面的差异.试验设置了施用等量猪粪、鸡粪、水稻秸秆、蔬菜收获残留物、城市污泥、沼渣、猪粪/水稻秸秆堆肥、生活垃圾堆肥和对照(不施有机肥)9个处理(年用量30 t·hm-2),连续进行3年的定点试验.结果表明: 施用任何有机物对改善土壤肥力均有明显的作用.其中,提升土壤碳库管理指数以施用猪粪、鸡粪、猪粪/水稻秸秆堆肥、水稻秸秆和沼渣的效果最为显著;增加土壤水稳定性团聚体和降低土壤容重以施用猪粪/水稻秸秆堆肥和沼渣的效果最佳;施用污泥、猪粪/水稻秸秆堆肥和生活垃圾堆肥可增强土壤保蓄能力;施用猪粪、鸡粪和猪粪/水稻秸秆堆肥对增加土壤有效态养分的效果最为明显;各类有机物均显著提高了土壤微生物数量和酶活性.长期施用污泥、生活垃圾堆肥及畜禽粪存在着土壤重金属污染的风险,但短期施用对土壤环境质量影响不明显.总体上,对土壤肥力的改善效果由大至小依次为:猪粪/水稻秸秆堆肥>鸡粪>猪粪>沼渣>生活垃圾堆肥>水稻秸秆>城市污泥>蔬菜收获残留物;对土壤的相对污染程度由大至小为:城市污泥>生活垃圾堆肥>猪粪>鸡粪>沼渣>猪粪/水稻秸秆堆肥>蔬菜收获残留物>水稻秸秆.
 

There are many problems such as low soil organic matter, available nutrients and microbial activity, compaction, and poor tillage properties for a newly reclaimed cultivated land, and the establishment of a fast, effective measure for improving soil fertility quality is of importance to enhance the quality and production performance of the newly cultivated land. A field experiment was carried out to observe the effect of organic wastes on soil fertility of a newly reclaimed cultivated land, and compared the differences of different types of urban organic wastes. The field experiment included nine treatments, i.e., pig manure, chicken manure, rice straw, vegetable harvest residue, urban sludge, biogas residue, manure+rice straw compost,  garbage compost and control without organic fertilizer at annual application rate of 30 t·hm-2, and ran for three consecutive years. The results showed that the application of each type of the eight organic wastes had obvious effects on improving soil fertility. Among them, pig manure, chicken manure, pig manure+rice straw compost, rice straw and biogas residue were the most effective to enhance the carbon pool management index of soil. The addition of pig manure+rice straw compost and biogas residue had the best effect on increasing the soil water stable aggregates and decreasing soil bulk density. Sewage sludge, pig manure+rice straw compost and garbage compost could enhance soil water holding capacity. Pig manure, chicken manure and pig manure+rice straw compost had most obvious effect on increasing soil available nutrients. All kinds of organic wastes increased the number of soil microorganisms and the activity of enzymes. There were some risk of soil heavy metals pollution for the longterm application of sludge, garbage compost and manure. However, the impact of shortterm application of the wastes on soil environmental quality was not obvious. Overall, effects of organic wastes on soil fertility decreased in the order of pig manure+rice straw compost>chicken manure>pig manure>biogas residue>garbage compost>rice straw>urban sludge>vegetable harvest residue, and the effects on soil pollution increased in the sequence of rice straw<vegetable harvest residue<pig manure+rice straw compost<biogas residue<chicken manure<pig manure<garbage compost<urban sludge.


全 文 :不同有机废弃物改良新复垦耕地的综合效果评价
徐秋桐1  孔樟良2  章明奎1∗
( 1浙江大学环境与资源学院, 杭州 310058; 2浙江省建德市农技推广中心, 浙江建德 311600)
摘  要  由废弃地整理复垦形成的耕地存在土壤有机质和有效养分低、土壤板结、微生物活
性弱和土壤耕作性状不良等问题,快速、有效地提高土壤肥力质量是全面提升该类耕地质量
和生产性能的重要组成部分.本文通过田间小区试验研究了城郊有机废弃物对新复垦耕地土
壤培肥的综合效果,并比较了不同类型城郊有机废弃物在培育耕地质量方面的差异.试验设
置了施用等量猪粪、鸡粪、水稻秸秆、蔬菜收获残留物、城市污泥、沼渣、猪粪 /水稻秸秆堆肥、
生活垃圾堆肥和对照(不施有机肥)9个处理(年用量 30 t·hm-2),连续进行 3年的定点试验.
结果表明: 施用任何有机物对改善土壤肥力均有明显的作用.其中,提升土壤碳库管理指数以
施用猪粪、鸡粪、猪粪 /水稻秸秆堆肥、水稻秸秆和沼渣的效果最为显著;增加土壤水稳定性团
聚体和降低土壤容重以施用猪粪 /水稻秸秆堆肥和沼渣的效果最佳;施用污泥、猪粪 /水稻秸
秆堆肥和生活垃圾堆肥可增强土壤保蓄能力;施用猪粪、鸡粪和猪粪 /水稻秸秆堆肥对增加土
壤有效态养分的效果最为明显;各类有机物均显著提高了土壤微生物数量和酶活性.长期施
用污泥、生活垃圾堆肥及畜禽粪存在着土壤重金属污染的风险,但短期施用对土壤环境质量
影响不明显.总体上,对土壤肥力的改善效果由大至小依次为:猪粪 /水稻秸秆堆肥>鸡粪>猪
粪>沼渣>生活垃圾堆肥>水稻秸秆>城市污泥>蔬菜收获残留物;对土壤的相对污染程度由大
至小为:城市污泥>生活垃圾堆肥>猪粪>鸡粪>沼渣>猪粪 /水稻秸秆堆肥>蔬菜收获残留物>
水稻秸秆.
关键词  城郊; 有机废弃物; 复垦耕地; 培肥; 重金属
本文由国家科技支撑计划项目(2014BAD14B04)和国家自然科学基金项目(21177108)资助 This work was supported by the National Science and
Technology Support Program (2014BAD14B04) and the National Natural Science Foundation of China (21177108) .
2015⁃06⁃29 Received, 2015⁃11⁃25 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: mkzhang@ zju.edu.cn
Comprehensive evaluation of improving effects of different organic wastes on a newly re⁃
claimed cultivated land. XU Qiu⁃tong1, KONG Zhang⁃liang2, ZHANG Ming⁃kui1∗ ( 1College of
Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2Agricultural
Technology Extension Center of Jiande City, Jiande 311600, Zhejiang, China) .
Abstract: There are many problems such as low soil organic matter, available nutrients and micro⁃
bial activity, compaction, and poor tillage properties for a newly reclaimed cultivated land, and the
establishment of a fast, effective measure for improving soil fertility quality is of importance to en⁃
hance the quality and production performance of the newly cultivated land. A field experiment was
carried out to observe the effect of organic wastes on soil fertility of a newly reclaimed cultivated
land, and compared the differences of different types of urban organic wastes. The field experiment
included nine treatments, i.e., pig manure, chicken manure, rice straw, vegetable harvest residue,
urban sludge, biogas residue, manure+rice straw compost, garbage compost and control without or⁃
ganic fertilizer at annual application rate of 30 t·hm-2, and ran for three consecutive years. The re⁃
sults showed that the application of each type of the eight organic wastes had obvious effects on im⁃
proving soil fertility. Among them, pig manure, chicken manure, pig manure+rice straw compost,
rice straw and biogas residue were the most effective to enhance the carbon pool management index
of soil. The addition of pig manure+rice straw compost and biogas residue had the best effect on in⁃
creasing the soil water stable aggregates and decreasing soil bulk density. Sewage sludge, pig ma⁃
nure+rice straw compost and garbage compost could enhance soil water holding capacity. Pig ma⁃
应 用 生 态 学 报  2016年 2月  第 27卷  第 2期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2016, 27(2): 567-576                    DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201602.015
nure, chicken manure and pig manure+rice straw compost had most obvious effect on increasing soil
available nutrients. All kinds of organic wastes increased the number of soil microorganisms and the
activity of enzymes. There were some risk of soil heavy metals pollution for the long⁃term application
of sludge, garbage compost and manure. However, the impact of short⁃term application of the wastes
on soil environmental quality was not obvious. Overall, effects of organic wastes on soil fertility de⁃
creased in the order of pig manure+rice straw compost>chicken manure>pig manure>biogas residue
>garbage compost>rice straw>urban sludge>vegetable harvest residue, and the effects on soil pollu⁃
tion increased in the sequence of rice straw<vegetable harvest residue<pig manure+rice straw com⁃
post<biogas residue<chicken manure<pig manure<garbage compost<urban sludge.
Key words: suburb; organic waste; newly reclaimed cultivated land; improvement of fertility;
heavy metals.
    我国耕地资源紧缺,土地整理和废弃地复垦是
补充耕地的重要途径.近年来我国各地采取多种途
径新建耕地,但通过土地整理或复垦新增的耕地多
数存在质量问题,主要表现为表土层太薄、有机质偏
低、心 /底土裸露、结构不良、土壤养分不均衡等方
面.已有研究表明,有机物料是提升低肥力土壤质量
的有效改良剂[1-2] .有机物料组成复杂,它不仅能提
高土壤有机质水平[3-7]、提供土壤养分[4,8-11]、改善
土壤物理性状[12]、增加土壤保水保肥能力、改良土
壤通气状况,还能提高土壤微生物的活性[13-14]、促
进土壤养分良性循环[15],因此有机肥或有机废弃物
是一种功能齐全的土壤改良剂.然而,因有机物料来
源的不同,其成分有较大的变化,因此不同的有机物
料对耕地质量的改良效果有所不同[16-17] .迟凤琴[18]
的研究表明,不同有机物料对土壤有机质积累的贡
献有所差异,其相对贡献顺序为草炭>厩肥>玉米秸
秆肥>玉米秸秆>草木樨桔>草木樨根茬>玉米根茬.
荣勤雷等[19]的研究表明,当有机肥与化肥配合施用
时,有机肥对改善土壤养分和酶活性的效果是秸秆>
猪粪>绿肥.叶胜兰等[20]的研究表明,有机肥对矮化
密植梨枣生长的影响顺序为沼肥>常规化肥>羊粪>
大豆饼肥.李传章等[21]的研究表明,鸡粪等粪肥与
蘑菇渣、草炭、秸秆等有机肥配合施用对土壤有机碳
和活性有机碳的积累均起到积极的效果,对提高土
壤碳库管理指数的效果为:蘑菇渣+鸡粪>草炭+鸡
粪>玉米秸秆+鸡粪>高量鸡粪.
城郊是城市与农村的过渡区域,是生产与生活
产生的有机废弃物消纳的重要场所.城郊有机废弃
物指在城市发展及城郊生活等一系列活动中提取有
效组分后弃之不用的剩余有机物质,主要包括畜禽
粪便、农作物秸秆、生活垃圾、城市污泥等.随着人口
增长、人民生活水平提高以及城市化进程的加速,城
乡有机废弃物的排放量日益增加,并对人类的生存
环境产生严重威胁.对城郊地区而言,大量有机废弃
物是一种弃之为害、用之为宝的肥料,加强有机废弃
物的资源化利用,对节省自然资源、防止环境污染、
实现生态经济良性循环有着重要的意义[1] .我国城
郊地区常见的有机废弃物主要有畜禽粪便、城市垃
圾、作物秸秆、沼渣、果蔬收获残留物 /加工下脚料、
污水处理厂产生的污泥等.目前这些有机废弃物或
被直接施入农田、或通过不同方式组合制成堆肥,也
有的被遗弃于环境中.虽然有关有机废弃物对土壤
的改良效果已有许多报道,但多数研究仅局限于某
一方面,较少有对不同种类有机废弃物对土壤性状
影响或效果的综合比较,特别是缺少对土壤肥力质
量与环境质量影响的全面评价.为此,本文通过 3 年
的田间试验,从提升土壤有机质、改良土壤养分、物
理性状及可能产生的重金属积累等多个方面比较了
不同类型城郊有机废弃物在培育耕地质量方面的差
异,以期为科学处置有机废弃物提供理论依据.
1  材料与方法
1􀆰 1  试验设计
试验于 2011—2014 年在浙江省绍兴市西部进
行,试验土壤由废弃砖瓦厂经土地整理、平整形成.
试验前,该土壤尚未经过任何改良,土壤肥力极低,
农作物难以正常生长,试验前土壤基本性状为:有机
碳 6. 12 g · kg-1,全 N 0. 49 g · kg-1,全 P 0􀆰 42
g·kg-1,全 K 21.03 g·kg-1,黏粒 167 g·kg-1,粉砂
503 g·kg-1,砂粒 330 g·kg-1,pH 5.56.在以上平整
的土地上,选择一面积约 150 m2、肥力相对均匀的
地块进行试验,从该地块中划出 27块面积各为 5 m2
的小区布置试验.试验设 9 个处理,分别为:1)对照
(CK,不施任何肥料);2)猪粪;3)鸡粪;4)水稻秸秆
(切碎后施用);5)蔬菜收获残留物;6)污泥;7)沼
渣;8)猪粪 /水稻秸秆堆肥;9)生活垃圾堆肥.每年各
865 应  用  生  态  学  报                                      27卷
类有机物用量(折算为干质量)为 30 t·hm-2(每一
小区实际用量根据含水量和小区面积计算).试验共
持续 3年,每年春、秋播种两季黑麦草,每季黑麦草
生长 2~3个月后翻入土壤,用于培肥.重复 3 次,随
机排列.有机物在每年 2 月翻入土壤中.所用有机物
3年平均养分状况及重金属含量见表 1 和表 2.试验
区年降水量约 1600 mm,年均温 16.8 ℃ .
1􀆰 2  测定项目和方法
3年试验结束时,在各试验小区采集混合土样,
每一土样由试验小区内的 8 个分样混合而成,采样
深度 0~15 cm.土壤经风干后过 2 和 0.15 mm 筛用
于理化分析.为全面了解各类物质对土壤地力的改
良效果,从物理性状、化学性状、生物学性状和环境
质量多个方面进行了综合评估.其中,物理性状包括
水稳定性团聚体、田间持水量和容重等指标;化学性
状包括酸度(pH、交换性酸)、有机碳及其组分、大量
元素(全氮、全磷、有效磷、NH4
+ ⁃N、NO3
- ⁃N、有效钾、
有效钙、有效镁)、保肥性能(阳离子交换量,CEC)
及微量元素(有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效
钼、有效硅)等指标;生物学性状包括微生物生物量
碳、微生物组成、酶活性等指标;环境质量主要考虑
重金属含量.
土壤容重采用环刀法测定;田间持水量用原状
土环刀⁃烘干法测定,每小区重复 5次.土壤 pH、有机
碳、全氮、全磷和全钾用常规法测定[22];土壤有效磷
采用 Bray 法提取、钼锑抗比色法测定[22];土壤有效
钾采用乙酸铵浸提、火焰光度法测定[22];阳离子交
换量( CEC)采用醋酸铵交换法测定[22];NH4
+ ⁃N、
NO3
- ⁃N用 2 mol·L-1 KCl提取,纳氏试剂比色法和
紫外分光光度法测定[22];有效钙和有效镁用乙酸铵
提取⁃原子吸收法测定[22] .水溶性有机碳(DOC)用
0.5 mol·L-1 K2SO4溶液浸提,用 Shimadzu TOC自动
分析仪测定. 土壤中易氧化有机碳采用 0􀆰 333
mol·L-1高锰酸钾氧化法测定[23] .土壤微生物生物
量碳(MBC)采用氯仿熏蒸⁃硫酸钾提取法测定[24],
提取液中可溶性总碳的含量用 Shimadzu TOC 自动
分析仪测定;土壤微生物组成用培养法测定,细菌、
放线菌、真菌的培养基分别为牛肉膏蛋白胨培养基、
高氏 1 号合成培养基和察贝克培养基[25] .土壤蔗糖
转化酶、过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和脱氢酶用常规
方法测定[25] .其中,蔗糖转化酶用 3,5⁃二硝基水杨
酸比色法,过氧化氢酶用滴定法,脲酶用奈氏比色
法,脱氢酶用氯化三苯基四氮唑(TTC)法,磷酸酶用
磷酸苯二钠比色法测定.土壤中重金属含量采用标
准方法测定,其中,Cd、Cu 和 Zn 用盐酸⁃硝酸⁃高氯
酸消解,用石墨炉原子吸收分光光度法测定Cd,用
表 1  试验有机物性状(测定结果以干物质为基础)
Table 1  Characteristics of the tested organic wastes (data was given on basis of dry matter)
类型
Type
pH 有机碳
Organic C
(g·kg-1)
总 N
Total N
(g·kg-1)
总 P
Total P
(g·kg-1)
总 K2O
Total K2O
(g·kg-1)
猪粪 Pig manure 7.32 42.07 24.33 25.28 11.23
鸡粪 Chicken manure 7.92 41.54 29.37 27.05 16.33
水稻秸秆 Rice straw 7.14 40.28 2.11 8.68 17.21
蔬菜收获残留物 Vegetable residue 6.89 38.76 2.33 19.03 18.42
污泥 Urban sludge 7.34 26.49 20.51 22.79 35.84
沼渣 Biogas residue 7.13 45.14 13.37 11.22 43.66
猪粪 /水稻秸秆堆肥 Manure / rice straw compost 6.98 51.01 18.23 20.42 17.33
生活垃圾堆肥 Garbage compost 7.42 37.55 21.73 24.54 23.22
表 2  试验有机物中重金属平均含量(测定结果以干物质为基础)
Table 2  Concentration of heavy metals in the tested organic wastes (data was given on basis of dry matter, mg·kg-1)
类型 Type Cd Cu Zn Cr Pb Hg As
猪粪 Pig manure 0.22 456.17 189.61 147.31 54.07 0.13 43.53
鸡粪 Chicken manure 0.13 273.93 154.14 52.48 29.88 0.06 51.91
水稻秸秆 Rice straw 0.03 22.30 49.46 27.25 13.94 0.03 3.74
蔬菜收获残留物 Vegetable residue 0.05 9.52 13.24 5.11 11.51 0.07 4.65
污泥 Urban sludge 1.21 175.71 338.74 408.02 266.16 0.44 66.90
沼渣 Biogas residue 0.43 99.17 69.46 16.71 142.92 0.33 10.45
猪粪 /水稻秸秆堆肥 Manure / rice straw compost 0.09 139.64 103.44 22.82 69.21 0.25 22.44
生活垃圾堆肥 Garbage compost 0.72 69.06 98.87 234.44 208.96 0.68 41.21
9652期                          徐秋桐等: 不同有机废弃物改良新复垦耕地的综合效果评价           
原子光谱吸收法测定 Cu 和 Zn;Cr 用硫酸⁃硝酸⁃氢
氟酸消解,原子光谱吸收法测定;Hg 用硝酸⁃高锰酸
钾消解,冷原子吸收光谱法测定;Pb用盐酸⁃硝酸⁃氢
氟酸⁃高氯酸消解,石墨炉原子吸收分光光度法测
定;As 用盐酸⁃硝酸⁃高氯酸消解,硼氢化钾⁃硝酸银
分光光度法测定.
碳库管理指数(CPMI)是表征土壤碳库变化的
指标[26] .计算公式为:碳库管理指数(CPMI)= 碳库
指数(CPI)×碳库活度指数(AI) ×100.其中,碳库指
数(CPI)=样品总碳含量(g·kg-1) /参考土壤总碳
含量(g·kg-1);碳库活度指数(AI)= 样品碳库活度
(A) /参考土壤碳库活度;碳库活度(A)= 土壤活性
有机碳含量 ( g· kg-1 ) /土壤非活性有机碳含量
(g·kg-1).总碳与活性碳的差值为非活性碳.文中碳
库管理指数计算中的活性有机碳是指易氧化有机
碳.文中设定对照农田的碳库管理指数为 100,施有
机废弃物处理后碳库管理指数高于 100,说明土壤
碳库有所改善;否则土壤碳库变差.所有数据采用
Microsoft Excel 2003 处理,统计分析采用 SPSS 12.0
软件完成.不同处理之间变量的显著性检验采用最
小显著差异法(LSD),显著性水平设定为 α= 0.05.
2  结果与分析
2􀆰 1  土壤有机碳积累与碳库管理指数变化
施用各类有机物均可提高土壤中有机碳和活性
有机碳组分的含量(表 3).与对照处理比较,除蔬菜
收获残留物外,施用其他有机物的土壤有机碳含量
均显著增加;其中,增幅最大的为猪粪 /水稻秸秆堆
肥和沼渣,两者分别比对照增加 97.7%和 93.5%;其
次为猪粪和鸡粪,两者分别比对照增加 68. 8%和
57􀆰 7%;施用水稻秸秆和污泥的增幅较小,它们仅分
别比对照增加 37.8%和 31.0%.土壤中易氧化碳的
增幅比有机碳明显,施用各类有机物土壤的易氧化
有机碳均显著高于对照,其中施用猪粪、猪粪 /水稻
秸秆堆肥、鸡粪、沼渣和水稻秸秆土壤的易氧化有机
碳分别为对照的 3.08、2.98、2.83、2.70 和 2.45 倍;施
用生活垃圾堆肥、蔬菜收获残留物和污泥土壤的易
氧化有机碳分别为对照的 1.52、1.38 和 1.20 倍.施
用各类有机物土壤的微生物生物量碳和水溶性碳也
均显著高于对照土壤,它们的变化趋势基本上与易
氧化有机碳相似,增幅也都较大.
土壤碳库管理指数可有效地反映土壤中有机物
质的转化速率,它是比土壤有机碳总量更能作为指
示土壤质量变化的敏感指标[26-27];研究已证实土壤
碳库管理指数可更全面地反映人为活动对土壤碳库
的影响,并被广泛应用于施肥对土壤碳库影响的研
究[28-29] .表 3结果表明,施用各类有机物均明显提
高了土壤的碳库管理指数,以猪粪、鸡粪、猪粪 /水稻
秸秆堆肥、水稻秸秆和沼渣的增加最为显著,增幅均
在 200%以上;但施用污泥的土壤碳库管理指数最
小,仅增加 16%;施用生活垃圾堆肥和蔬菜收获残
留物土壤的碳库管理指数增幅在 50%左右.
2􀆰 2  土壤物理性状变化
施用各类有机物对土壤物理性状也有一定的改
良效果(表 4),其中对水稳定性团聚体的作用较为
明显.除施用蔬菜收获残留物外,施用其他有机物均
可显著提高水稳定性团聚体的数量,并以施用猪粪 /
水稻秸秆堆肥和沼渣的效果最佳,其次为施用鸡粪、
污泥和猪粪.对土壤容重有显著降低作用的有机物
有猪粪、鸡粪、水稻秸秆、沼渣、猪粪 /水稻秸秆堆肥、
生活垃圾堆肥,并以猪粪 /水稻秸秆堆肥的效果为最
佳,土壤容重降低了11.0%.施用蔬菜收获残留物和
表 3  施用各类有机物对土壤有机碳库的影响
Table 3  Effects of organic waste application on soil organic carbon pools
处理
Treatment
总有机碳
Organic C
(g·kg-1)
易氧化碳
Easily oxidable
organic C
(g·kg-1)
微生物生物量碳
Microbial
biomass C
(g·kg-1)
水溶性碳
Dissolved
organic C
(g·kg-1)
碳库管理指数
Carbon pool
management index
(%)
对照 CK 6.45c 1.68e 54d 17d 100
猪粪 Pig manure 10.89ab 5.18a 136a 39a 435
鸡粪 Chicken manure 10.17ab 4.76ab 123a 34a 394
水稻秸秆 Rice straw 8.89b 4.12b 117b 24b 338
蔬菜收获残留物 Vegetable residue 7.69bc 2.32cd 97c 23bc 146
污泥 Urban sludge 8.45b 2.01d 78c 20c 116
沼渣 Biogas residue 12.48a 4.54ab 109b 28b 314
猪粪 /水稻秸秆堆肥 Manure / rice straw compost 12.75a 5.01a 102b 29b 363
生活垃圾堆肥 Garbage compost 9.65b 2.55c 87c 25b 153
同列不同字母表示差异显著(P<0.05)Different small letters in the same column indicated significant difference at 0.05 level. 下同 The same below.
075 应  用  生  态  学  报                                      27卷
污泥对土壤容重的影响较小.对土壤田间持水量有
明显改善作用的有机物有猪粪、鸡粪、沼渣、猪粪 /水
稻秸秆堆肥,并以猪粪 /水稻秸秆堆肥的效果为最
佳,土壤田间持水量增加了 9.8%.这一结果表明,大
多数有机物可改善土壤的通气性和持水性.
2􀆰 3  土壤酸碱性和 CEC变化
施用有机物对土壤 pH 值的影响较小(表 4),
仅施用鸡粪显著增加了土壤 pH值(pH值增加 0.09
个单位),施用蔬菜收获残留物明显降低了土壤 pH
值( pH 值下降 0. 07 个单位).施用有机物对土壤
CEC提高均有一定的促进作用,其中,施用污泥、猪
粪 /水稻秸秆堆肥和生活垃圾堆肥明显增加了土壤
CEC,分别比对照增加 7.6%、6.3%和 4.9%.
2􀆰 4  土壤养分变化
由表 5 可知,施用有机物对土壤养分均具一定
的增加效果.除水稻秸秆外,施用有机物能显著提高
土壤有效磷水平,其中以施用猪粪、鸡粪和猪粪 /水
稻秸秆堆肥的效果最为明显;施用蔬菜收获残留物
对土壤有效磷的增加效果相对较小.施用猪粪 /水稻
秸秆堆肥、沼渣、水稻秸秆和鸡粪可显著提高土壤有
效钾水平.施用所有有机物对土壤铵态氮和硝态氮
总量均有增加效果,并以施用猪粪、猪粪 /水稻秸秆
堆肥、鸡粪和生活垃圾堆肥等的效果为佳.此外,施
用有机物也可增加土壤有效钙和有效镁,并以施用
污泥效果最为明显.
2􀆰 5  土壤微生物组成和酶活性变化
施用各类有机物均显著提高了土壤微生物数量
和酶活性.虽然对微生物数量和酶活性的影响因有
机物种类不同有所差异,但总体上,以施用猪粪、鸡
粪、猪粪 /水稻秸秆堆肥和沼渣的效果较佳(表 6);
而施用污泥的效果相对较弱.施用有机物对细菌数
量的影响高于真菌和放线菌.对 5 种酶的影响从大
至小依次为过氧化氢酶>磷酸酶>蔗糖转化酶>脱氢
酶>脲酶.
表 4  施用各类有机物对土壤容重、田间持水量、水稳定性团聚体、pH、CEC和交换性酸的影响
Table 4  Effects of organic waste application on soil bulk density, field moisture capacity, water⁃stable aggregates, pH,
CEC and exchangeable acidity
处理
Treatment
容重
Bulk density
(g·cm-3)
>0.25 mm
水稳定性团聚体
>0.25 mm water
stable aggregates
(%)
田间持水量
Field moisture
capacity
(%)
pH CEC
[cmol(+)·kg-1]
对照 CK 1.37a 23.8c 37.65c 7.34b 13.62b
猪粪 Pig manure 1.25cd 33.8ab 40.21ab 7.41ab 14.11ab
鸡粪 Chicken manure 1.27bc 34.5ab 39.66b 7.43a 14.23ab
水稻秸秆 Rice straw 1.31b 30.8b 38.23bc 7.29bc 13.98ab
蔬菜收获残留物 Vegetable residue 1.38a 25.2bc 38.65bc 7.27c 14.01ab
污泥 Urban sludge 1.34ab 33.2ab 37.98bc 7.37ab 14.66a
沼渣 Biogas residue 1.27bc 35.7ab 40.03ab 7.38ab 14.23ab
猪粪 /水稻秸秆堆肥 Manure / rice straw com⁃
post 1.22d 38.7a 41.34a 7.35ab 14.48a
生活垃圾堆肥 Garbage compost 1.32b 31.4b 38.98bc 7.40ab 14.28a
表 5  施用各类有机物对土壤养分的影响
Table 5  Effects of organic waste application on soil nutrients
处理
Treatment
有效 P
Available P
(mg·kg-1)
速效 K
Available K
(mg·kg-1)
NH4 + ⁃N
(mg·kg-1)
NO3 - ⁃N
(mg·kg-1)
有效 N总量
Total
available N
(mg·kg-1)
有效 Ca
Available Ca
(mg·kg-1)
有效 Mg
Available Mg
(mg·kg-1)
对照 CK 4.14d 97c 1.14d 3.44d 4.58e 214d 53d
猪粪 Pig manure 32.64a 106bc 6.24a 7.38a 13.62a 289bc 73bc
鸡粪 Chicken manure 35.47a 114ab 6.54a 5.43bc 11.97b 314bc 82b
水稻秸秆 Rice straw 6.47cd 111ab 2.23c 4.33c 6.56d 254c 59cd
蔬菜收获残留物 Vegetable residue 8.58c 102bc 3.14b 4.98c 8.12c 232cd 59cd
污泥 Urban sludge 21.48b 104bc 3.74b 5.49bc 9.23c 412a 98a
沼渣 Biogas residue 20.34b 117ab 3.66b 4.87c 8.53c 267c 65c
猪粪 /水稻秸秆堆肥 Manure / rice straw compost 30.47ab 121a 5.74a 7.65a 13.39a 267c 67c
生活垃圾堆肥 Garbage compost 28.66ab 102bc 5.32a 6.33b 11.65b 346b 87b
1752期                          徐秋桐等: 不同有机废弃物改良新复垦耕地的综合效果评价           
2􀆰 6  对土壤重金属积累的影响
表 7 结果表明,连续 3 年施用有机物后土壤中
重金属含量发生变化.其中,施用污泥、沼渣、生活垃
圾堆肥后土壤中 Cd 含量明显增加;施用猪粪、鸡
粪、污泥和猪粪 /水稻秸秆堆肥显著增加了土壤 Cu
含量;施用猪粪和污泥显著增加了土壤 Zn 含量;施
用污泥和生活垃圾堆肥显著增加了土壤 Cr、Hg 和
Pb含量;施用鸡粪和污泥显著增加了土壤 As 含量.
总体上,施用污泥和生活垃圾堆肥对土壤重金属的
积累最为明显;施用猪粪和鸡粪对土壤 Cu、Zn 和 As
也有明显的作用.试验 3年内,所有处理的 7 种重金
属元素含量都没有超过我国土壤环境质量二级标准
(Cd、Cu、Zn、Cr、Pb、Hg、As 的二级标准值分别为
0􀆰 30、40、150、250、150、0.30 和 30 mg·kg-1).总体
来看,长期施用污泥、生活垃圾堆肥及畜禽粪可能会
引起土壤重金属污染,但短期施用不会对土壤环境
质量产生明显的影响.
2􀆰 7  综合评价
为了综合评估施用不同类型有机废弃物对新复
垦耕地土壤质量的影响,将以上土壤性状分为两组,
一类为施用有机废弃物后有改善的性状,包括有机
碳、易氧化碳、微生物生物量碳、碳库管理指数、容
重、>0.25 mm 水稳定性团聚体、CEC、有效 P、速效
K、有效 N总量、细菌、真菌、放线菌、蔗糖转化酶、过
氧化氢酶、磷酸酶、脲酶、脱氢酶等 18 个指标,另一
组为可能会引起负影响的指标,包括 7 种重金属元
素含量.为了使指标之间有可比性,对施用不同有机
废弃物后的观察数据进行了标准化处理[处理后某一
表 6  施用各类有机物对土壤可培养微生物数量和酶活性的影响
Table 6  Effects of organic waste application on soil microbe amounts and enzyme activities
处理
Treatment
细菌
Bacteria
(×107 cfu·
g-1)
真菌
Fungi
(×104 cfu·
g-1)
放线菌
Actinomycetes
(×104 cfu·
g-1)
蔗糖转化酶
Invertase
(mg·g-1·
d-1)
过氧化氢酶
Catalase
(mL·g-1)
磷酸酶
Phosphatase
(mg·g-1·
d-1)
脲酶
Urease
(mg·g-1·
d-1)
脱氢酶
Dehydrogenase
(mg·g-1·
d-1)
对照 CK 2.14c 4.86c 5.64b 1.98c 0.56c 0.87c 1.65c 11.23c
(100) (100) (100) (100) (100) (100) (100) (100)
猪粪 4.98a 6.12b 7.56a 4.32ab 1.48b 3.12a 2.89a 23.66a
Pig manure (233) (126) (134) (218) (264) (359) (175) (211)
鸡粪 5.74a 7.23a 6.88ab 3.98b 1.56b 2.89a 3.02a 24.87a
Chicken manure (268) (149) (122) (201) (279) (332) (183) (221)
水稻秸秆 3.03b 5.23bc 5.94b 5.24a 2.23a 1.56b 2.24b 19.56ab
Rice straw (142) (108) (105) (265) (398) (179) (136) (174)
蔬菜收获残留物 2.89b 4.77c 5.77b 4.65a 1.76ab 1.32b 2.08bc 16.54b
Vegetable residue (135) (98) (102) (235) (314) (152) (126) (147)
污泥 3.05b 5.42bc 5.01b 3.28b 1.32b 1.77b 2.46ab 15.47b
Urban sludge (143) (112) (89) (166) (236) (203) (149) (138)
沼渣 3.88ab 5.14c 6.52ab 4.87a 2.14a 1.68b 2.54ab 17.98ab
Biogas residue (181) (106) (116) (246) (382) (193) (154) (160)
猪粪 /水稻秸秆堆肥 4.21ab 5.65b 7.13a 4.56ab 2.23a 2.65ab 2.78ab 21.47a
Manure / rice straw compost (197) (116) (126) (230) (398) (305) (168) (191)
生活垃圾堆肥 3.24b 5.08c 7.21a 4.23ab 1.98ab 2.14ab 2.14b 18.42ab
Garbage compost (151) (105) (128) (214) (354) (246) (130) (164)
括号内数据为相对于对照的百分数 Data in the parenthesis was a relative percentage of the control.
表 7  施用各类有机物对土壤重金属积累的影响
Table 7  Effects of organic waste application on soil heavy metal accumulation (mg·kg-1)
处理 Treatment Cd Cu Zn Cr Pb Hg As
对照 CK 0.19b 34.52c 83.24c 32.43c 21.47c 0.16b 6.78b
猪粪 Pig manure 0.20b 53.21a 91.23ab 38.47b 23.41bc 0.16b 8.74ab
鸡粪 Chicken manure 0.19b 46.14ab 89.66b 34.56bc 22.67c 0.15b 9.23a
水稻秸秆 Rice straw 0.18b 33.56c 85.24bc 33.56c 20.87c 0.15b 6.49b
蔬菜收获残留物 Vegetable residue 0.18b 34.11c 82.67c 32.21c 20.63c 0.16b 6.58b
污泥 Urban sludge 0.23a 42.17b 97.65a 49.65a 32.54a 0.18ab 9.66a
沼渣 Biogas residue 0.20ab 38.66bc 86.23bc 33.02c 27.45b 0.17ab 7.23b
猪粪 /水稻秸秆堆肥 Manure / rice straw compost 0.19b 40.23b 87.65bc 33.24c 24.32bc 0.17ab 7.66b
生活垃圾堆肥 Garbage compost 0.21a 37.45bc 87.41bc 42.35ab 30.25ab 0.19a 8.64ab
275 应  用  生  态  学  报                                      27卷
图 1  施用各类有机物对土壤肥力和重金属污染的相对
影响
Fig.1  Relative effects of organic waste application on soil ferti⁃
lity and metal pollution.
2)猪粪 Pig manure; 3)鸡粪 Chicken manure; 4)水稻秸秆 Rice straw;
5)蔬菜收获残留物 Vegetable residue; 6)污泥 Urban sludge; 7)沼渣
Biogas residue; 8)猪粪 /水稻秸秆堆肥 Manure / rice straw compost; 9)
生活垃圾堆肥 Garbage compost.
观察数据的标准化值=(施肥处理观察值-对照处理
观察值) /所有处理的该观察值的标准差].把所有改
善性状的标准化值累加作为相对肥力质量变化值,
把 7种重金属含量的数据标准化值累加作为相对污
染变化值.图 1 为 8 种类型有机废弃物施用后耕地
土壤质量的相对变化情况.从中可知,对土壤相对肥
力质量的改善由大至小依次为:猪粪 /稻草秸秆堆肥
>鸡粪>猪粪>沼渣>生活垃圾堆肥>稻草秸秆>城市
污泥>蔬菜收获残留物;对土壤的相对污染程度由
大至小为:城市污泥>生活垃圾堆肥>猪粪>鸡粪>沼
渣>猪粪 /稻草秸秆堆肥>蔬菜收获残留物>稻草秸
秆.蔬菜收获残留物和稻草秸秆同时具有较低的土
壤肥力质量改善效果与较小的污染风险;城市污泥
和生活垃圾堆肥有较低的土壤肥力质量改善效果和
较高的污染风险;鸡粪和猪粪有很高的土壤肥力质
量改善效果但同时也具有一定的污染风险;总体上,
施用猪粪 /稻草秸秆堆肥的土壤肥力改善效果较佳
且污染风险较小.
3  讨    论
工农业生产中产生的有机物料因来源不同,其
元素组成、性状可有较大变化.当被用作土壤改良剂
施入土壤后,它们在土壤中的分解、转化、提供给土
壤养分的种类及形态都可有较大的变化,它们对土
壤的影响主要通过改变土壤物质组成及影响土壤性
状而起作用.本研究 8 种有机物质的施用对土壤性
状的不同影响显然也与不同有机物的组成差异有
关.试验结果表明,施用各类有机物均可显著提高土
壤微生物数量和酶的活性,这是由于有机物的施用
都不同程度地增加了土壤中可被生物降解的有机物
的数量,而后者既是土壤微生物活动的能量来源
(提供碳源),也是土壤微生物的重要组分(提供碳、
氮、硫等元素);而且土壤中有机物质的分解与合成
主要通过微生物及土壤酶的作用而完成.土壤有机
物与土壤微生物相辅相成,使得有机物的施用增加
了土壤微生物的活性.江春等[30]和 Bulluck 等[31]的
研究也都表明,施用有机肥可提高土壤生物多样性.
在改善微生物数量与酶活性方面以施用猪粪、鸡粪、
猪粪 /水稻秸秆堆肥和沼渣的效果较佳,这可能与这
些有机物同时含有较高的碳、氮有关(表 2).荣勤雷
等[19]的研究也认为,当有机肥与化肥配合施用时,
秸秆和猪粪对改善土壤养分和酶活性的效果好于
绿肥.
土壤碳库管理指数可以作为土壤管理措施引起
土壤有机质变化的指标,能够反映农作措施使土壤
质量下降或更新的程度,是监测土壤碳变化的敏感
方法[26] .本研究表明,施用各类有机物均可提高土
壤中有机碳和活性有机碳组分的含量(表 4).在提
高土壤碳库方面,以猪粪 /水稻秸秆堆肥和沼渣的效
果最佳,而蔬菜收获残留物、水稻秸秆和污泥的增幅
较小,这是由于猪粪 /水稻秸秆堆肥和沼渣是已经过
生物发酵处理的有机物,其中的有机碳具有较高的
生物稳定性,它们进入土壤后,其中的有机碳分解速
率较慢,因此它们对提升土壤有机碳的潜力较高;而
蔬菜收获残留物和水稻秸秆多为新鲜的有机物质,
其在土壤中容易发生降解,因此它们降解后残留在
土壤中的有机碳相对较少,而污泥因本身所含的有
机碳较低(表 2),因此它对提升土壤有机碳的贡献
也较低.施入土壤中的有机物多为活性较高的有机
碳,它们与土壤中原有的有机碳比较,具有较高的生
物活性,因此施用有机物后土壤中易氧化碳的增幅
比有机碳全量明显.土壤碳库管理指数可有效地反
映土壤中有机物质的转化速率,它是土壤有机碳与
土壤活性有机碳综合作用的结果,污泥因含有机碳
较低,同时污泥已经过一定的发酵处理,其中的活性
有机碳组分已较低,因此施用污泥的土壤碳库管理
指数最小;蔬菜收获残留物虽然在土壤中较易分解,
但它能提供给土壤较多的活性有机碳,因此施用后
土壤的碳库管理指数也有较高的增幅.李传章等[21]
的研究也表明,施肥的种类和数量均对土壤碳库管
理指数有显著影响,高碳素投入量及有机肥与有机
物料配施均有助于提高土壤中不同形态活性有机碳
3752期                          徐秋桐等: 不同有机废弃物改良新复垦耕地的综合效果评价           
含量,相应地提高了土壤碳库管理指数.其中,施蘑
菇渣+鸡粪处理因对土壤总有机碳、轻组分有机碳、
微生物生物量碳和水溶性有机碳均有明显的提高,
因此它对土壤碳库管理指数的提高最为有效.沈宏
等[26]的研究证实,施肥对土壤碳库管理指数有很大
的影响,在提高碳库管理指数方面,稻草和绿肥的效
果优于厩肥,并认为稻草和绿肥在增加土壤活性有
机碳方面更为有效,本研究施用蔬菜收获物的情况
与此类似.
施用各类有机物对土壤物理性状的改善主要依
赖于土壤中有机碳的积累,因此,一般也以猪粪 /水
稻秸秆堆肥和沼渣的效果最佳,其次为施用鸡粪、污
泥和猪粪.施用有机物改变土壤 CEC 可能与施用有
机物后,土壤中腐殖质的积累及有机物中含有的某
些矿物组分的贡献有关.本研究结果表明,以施用污
泥、猪粪 /水稻秸秆堆肥和生活垃圾堆肥效果较为明
显.其中,施用猪粪 /水稻秸秆堆肥增加土壤 CEC 可
能与增加了土壤有机质的积累有关,而施用污泥和
生活垃圾堆肥显著增加了土壤 CEC 可能还与这些
物质中含有黏土物质有关,后者本身也具有较高的
CEC.徐明岗等[5]的研究表明,施用有机肥因显著改
善了土壤有机质质量,特别是提高了土壤中活性有
机碳和碳库管理指数,从而提高了土壤阳离子交换
量.他们认为在改善土壤阳离子交换量和土壤肥力
方面,活性有机碳和碳库管理指数比有机碳总量更
为重要.
施用有机物对土壤养分的影响与有机物本身所
含的养分水平及各类养分存在的化学形态有关,表
2结果表明,猪粪、鸡粪和猪粪 /水稻秸秆堆肥含有
较高的磷,因此,施用猪粪、鸡粪和猪粪 /水稻秸秆堆
肥对土壤有效磷的增加效果最为明显;污泥和生活
垃圾堆肥中虽然含有较高的磷素,但因这二种有机
物中含有较高的无机成分(黏土物质)对磷的固定,
降低了其中磷的生物有效性,因此,施用污泥和生活
垃圾对土壤有效磷的增加效果相对较小.猪粪 /水稻
秸秆堆肥、沼渣、水稻秸秆和鸡粪含有较高的钾素,
施用后土壤中的有效钾增幅也较大.生活垃圾中的
钾可能主要以矿物态存在,其对土壤的有效钾影响
较小.
施用有机物对土壤重金属积累的影响是目前农
业生产中施用有机肥较为关切的问题.本研究结果
也表明,长期施用有机物可对土壤重金属的积累产
生一定的影响,污泥和生活垃圾堆肥的物质来源复
杂(可以是工业、生活等方面),施用后可对土壤中
多种重金属的积累产生影响;而施用猪粪、鸡粪及猪
粪 /水稻秸秆堆肥后土壤中 Cu、Zn、As 含量的增加,
可能与养殖业使用含 Cu、Zn、As添加剂有关.施用各
类有机物后,土壤重金属积累量的增加基本上与有
机物中重金属含量呈正相关趋势(表 3).近年来的
研究表明[32-34],环境污染和养殖业中饲料添加剂的
使用增加了农用有机物料中重金属的含量,这大大
增加了有机肥料施用对农田土壤污染的风险.
4  结    论
通过 3 年田间小区试验对比,研究了 8 种城郊
有机废弃物在培育新复垦耕地质量方面的差异,结
果表明,与对照相比,施用任何一种城郊有机废弃物
对改善土壤肥力质量均有不同程度的作用,但不同
类型的有机物在改良土壤性状的作用有所差异.其
中,施用猪粪、鸡粪、猪粪 /水稻秸秆堆肥、水稻秸秆
和沼渣对碳库管理指数的增加最为显著,增幅均在
200%以上;施用猪粪 /水稻秸秆堆肥和沼渣对增加
土壤水稳定性团聚体的效果最佳,施用猪粪 /水稻秸
秆堆肥对降低土壤容重的效果最佳;施用污泥、猪
粪 /水稻秸秆堆肥和生活垃圾堆肥明显增加了土壤
CEC.施用猪粪、鸡粪和猪粪 /水稻秸秆堆肥等对提
高土壤有效态养分的效果最为明显.各类有机物的
施用均显著提高了土壤微生物数量和酶的活性,其
中对细菌数量的效果高于真菌和放线菌.长期施用
污泥、生活垃圾堆肥及畜禽粪可能会引起土壤中重
金属的污染,但短期施用不会对土壤环境质量产生
明显的影响.初步观测结果表明,施用污泥、生活垃
圾堆肥及畜禽粪后,土壤中铜、锌和砷有积累趋势,
但对土壤中铅、镉、铬、汞等的影响较小;3 年试验后
土壤重金属含量均低于土壤环境质量二级标准.总
体上,蔬菜收获残留物和稻草秸秆同时具有较低的
土壤肥力改善效果与较小的污染风险;城市污泥和
生活垃圾堆肥有较低的土壤肥力改善效果和较高的
污染风险;鸡粪和猪粪有很高的土壤肥力改善效果
但同时也具有一定的污染风险;施用猪粪 /稻草秸秆
堆肥的土壤肥力改善效果较佳且污染风险较小.
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作者简介  徐秋桐, 女, 1990 年生,博士研究生. 主要从事
土壤污染环境效应研究. E⁃mail: zoe17eva@ qq.com
责任编辑  张凤丽
徐秋桐, 孔樟良, 章明奎. 不同有机废弃物改良新复垦耕地的综合效果评价. 应用生态学报, 2016, 27(2): 567-576
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675 应  用  生  态  学  报                                      27卷