城市有机废物在改造生土(与沙化土)上的应用

1、城市有机垃圾在改造土壤上的应用向明中学 吴家秀 吴雨格 张菁 韩织阳指导老师 朱庭玉 关键词 有机垃圾固体发酵物 生土 酒糟 夏冬青 黑麦草 出芽率 苗高 摘要 本课题主要是采用生活有机垃圾的固体发酵产物(简称发酵物)、酒糟、鸡鸭粪便等未能充分利用的有机营养物质，以生土作为基质加以混合，并取黑麦草、夏冬青作为栽培植物，探求有效的废物利用、改造贫瘠土壤的新方法；同时提高混合物肥效，降低可能对环境造成的副作用，最终使其适用于各种土壤环境。初步实验结果表明：有机垃圾发酵物与鸡鸭粪便（发酵后）呈碱性，酒糟呈酸性，对象植物的出芽环境以弱酸性为宜；发酵土10% + 酒糟10% + 生土80% 的栽培土配比

2、为最适比例（出芽率最高，生长速度最快），能在土壤疏松与保湿、营养搭配等方面达到最佳效果。一 课题背景：1城市有机垃圾利用现状: 随着城市规模的不断扩大和城市人口的不断增加，城市垃圾数量急剧上升，成为了阻碍城市发展的巨大障碍。在国外，许多发达国家已开始把资源化作为城市垃圾处理发展的重点，相关的新技术新工艺不断涌现。而在我国，由于城市垃圾热值低，中心城市用地紧张，加上受经济承受能力制约，现今填埋和焚烧的处理方法明显不宜作为继续发展的方向。长期以来，我国对垃圾的不科学处理方法，也对环境造成了相当严重的污染。其中，有机垃圾由于长期露天堆放发酵后，造成的大气和水环境的污染尤为严重，而且容易滋生

3、蚊蝇、传染疾病。如何利用好这些放错位置的资源，变废为宝，成为值得研究与探讨的课题。为此课题组对城市有机垃圾做了一些调查，发现城市有机垃圾是一种营养丰富、成本低、数量大的可利用资源。就目前而言，堆肥处理是得到广泛认可和推广的方法。但就此方法处理的垃圾，不但周期长，占地多，而且处理后的物质不能直接使用，如不进一步处理，还会造成一定污染（空气、水质等），对改造土壤肥效而言与化肥相比，优势不大。另外我们还特别注意到：近年来以城市小区为单位的垃圾分类系统以及有机垃圾处理系统日趋完善，既将有机垃圾投入发酵处理机中，通过有效微生物群落对其进行分解，由于普及到小区，省去了有机垃圾的市内运输，做到了生活有机垃圾

4、的就地处理；同时垃圾发酵时间也相对减少，且整个过程可完全达到无污染处理。再有，其固体颗粒产物方便储存和运输，是有机垃圾处理的理想状态。然而对于这种处理产物-有机垃圾固体发酵物，政府部门却尚未建立一种有效的处理体系，使其得到合理的利用。另外，城市的另一些为数不少的有机垃圾，如酿酒业的谷物垃圾酒糟、家禽养殖业的排泄物等也与有机垃圾发酵物相似，都是数量大、富含营养，同时又成本低廉、运输方便的废弃物质。2我国土地资源现状众所周知，土地是一种不可再生资源，又是人类赖以生存和发展的基础。其中，耕地更是保障粮食生产能力的根本。目前，我国人均耕地仅有1.59亩，不及世界人均耕地的47%，而且全国已有六百六十六

5、个县（区）的人均耕地低于联合国粮农组织确定的0.8亩的警戒线。截止2002年底，我国耕地面积为12593万公顷，比上年净减少168.62万公顷。我国耕地后备资源不但数量有限，而且经过长期开发，剩余的后备耕地资源大多为质量差、开发难度大的土地。 另外，由于不重视环保，很多地区为提高农作物的产量而过度使用化肥农药，使得土壤中有机物质及微生态受到严重破坏，导致土壤肥效下降，出现板结、开列、盐碱化等现象，农作物大幅减产；也有些地区为大量生产草皮、黏土砖等产品，使土壤表面富含腐蚀质、有效微生物及其它营养成分的肥沃层被挖走，结果让缺乏营养的深层土裸露，肥力恢复慢，导致大面积土地使用率下降甚至无法使用；还有

6、些地区过度砍伐森林，造成表层土大量流失，导致土壤荒漠化；过度放牧，造成草原生态环境改变、草场退化的例子也不少。可见，我国土地资源现状不仅仅只是令人担忧，而是需要尽快而彻底地改变。所以除了政府鼓励农业外，对那些生态失衡的土壤进行改造，恢复它们的理化状态，提高肥力也是必经之路。综合以上两个问题，如何通过实践探索一条将城市有机垃圾有机整合，得到一种新型适合作物生长的栽培基质，减缓现今土壤的使用压力，进一步达到用来修复退化土壤，变废为宝的效果，这必将是一项具有良好的社会意义和应用前景的研究课题。为此我们以有机发酵物、酒糟及家禽排泄物作为原料，以生土作为基质，以黑麦草、夏冬青对为初始研究对象进行这样的研

7、究尝试，以探求一条改造土壤的新的研究思路。二实验材料和条件的选择：1实验材料的确定考虑到实验周期和气候等有关因素，本课题需要采用生长周期短，生长迅速，对土壤环境要求相对较低的植物。经过查询资料和试探性的种植比较，发现意大利黑麦草在15-30环境中较易生长，在一般土壤中3-5天便可发芽，对湿度和浇灌的要求相对较低。故本实验最初选择以黑麦草作为实验对象。栽培实验进行期间，经条件摸索、实验比较后发现夏冬青成活率更高，成苗后生长更为迅速，故后期实验主要采用夏冬青为实验对象。l 黑麦草和夏冬青资料：黑麦草：多年生，形态丛生，根系发达，有须根。分蘖力强，生长快，喜温暖凉爽湿润的气候生长。春秋均可播种。适宜

8、在排水性良好、肥沃、湿润的粘土或粘壤土栽培。略能耐酸，适宜的土壤pH值为67。一般生长温度在1530，27左右生长最旺盛，气温在-15发生冻害或者休眠，第二年3、4月份返青。多年生黑麦草在年降雨量5001500毫米地方均可生长，而以1000毫米左右为适宜。能耐湿，但排水不良或地下水过高时也不利于生长，长时间高温、干旱对黑麦草生长不利。夏冬青：俗称“青菜”，原产于我国，生长周期短、适应性广、产量高，随时可播种。性喜冷凉，适应性较强，比大白菜耐寒耐热，生长最适温度为1820，在零下23能安全越冬。25以上高温及干燥气候条件下生长弱，品质差。萌动的种子或绿体植物阶段在低温( 05或10)条件下304

9、0天通过春化阶段，在长日照及较高温度条件下抽苔开花。根系发达，分布较浅，对土壤适应性强，但以富含有机质、保水保肥力强的粘土或冲积土为良，生长期短而迅速，以氮肥为主。2实验条件的确定植物生长与环境密切相关，因此实验应在相对稳定，适宜植物生长的环境中进行。故本实验采用了玻璃暖棚栽培技术，达到了良好的保温、透光、保湿、抗风的效果。对光的需求：主要采用日光，由于玻璃暖棚光照充足，所以无须使用人工照明。对水的需求：主要采用每天一到二次的浇灌方式，浇灌量以当天土壤湿度为参照，干则多浇，湿则少浇。对温度的需求：由于实验处于晚夏、秋季和初冬季节，加上暖棚的作用，温度保持在10-30之间，完全符合实验对象的生长

10、要求。对湿度的要求：由于是暖棚种植，湿度基本不受外界的影响，保持在适当范围内。另外，考虑到实验的可重复性，实验采用同比例多盆次（一般为3盆）种植，种植采用的器皿为高7cm直径6.5cm的圆形塑料小花盆，通过实验证明符合种植要求。三有效栽培土的混合配制实验1研究方法：第一阶段种植实验实验思路：采用生土作为土壤本体，以固体发酵物作为营养添加物进行改造试验。由于生土的特性是加水后容易板结，透水性和透气性明显较低，所以在实验之初拟在混合土中加入一定比例的疏松添加物谷糠。第一阶段种植实验记录：以黑麦草作为实验材料 ，共种植A、B二组A组：共取五组配比及三组对照（发酵物对照、生土对照和取自校园内长期种植绿

11、化的营养土对照）进行栽培实验谷糠发酵物生土营养土混合土A15%10%85%0%混合土A25%20%75%0%混合土A35%30%65%0%混合土A45%40%55%0%混合土A55%50%45%0%发酵物对照A60%100%0%0%营养土对照A80%0%0%100%生土对照A70%0%100%0%* 由于考虑到鸡粪中含有相当比例的谷糠，同时能提供氮肥，所以用其代替谷糠作为疏松添加物同时进行B组实验。B组：共取五组配比, 进行栽培实验鸡粪发酵物生土营养土混合土B15%10%85%0%混合土B25%20%75%0%混合土B35%30%65%0%混合土B45%40%55%0%混合土B55%50%45

12、%0%结果与分析：实验结果出乎意料，经过一周，除营养土对照组A7外,没有一盆发芽。抽样倒出几盆混合土，发现土壤有明显酸腐味，加鸡粪者更为强烈。另外，混合土的物理状态较营养土对照更为泥泞，透气性差，种子处于较封闭的闷热环境。通过分析与讨论，发现可能存在以下几点失败因素：l 由于生土土质较为致密，虽然水分不容易渗入，但也不易蒸发，加了有机发酵物后，更为明显。所以虽然混合土表面比较干燥，但下层土壤仍十分湿润，因我们根据一贯经验浇灌，导致水分过多，种苗腐烂。l 因为生土和发酵土混合后直接使用，土壤内部生态未达到平衡，土壤在内部平衡时的化学反应放出的热可能烧死幼苗。l 土壤的pH值可能处于过度酸性或碱性

13、，导致种苗不能正常发育生长。 第二阶段种植实验实验思路：为了弄清实验失败的原因，在第二阶段实验时，我们采取了以下措施。1.把第一次实验配比的混合土放置一周，让混合组分之间充分混合、发酵，以解决土壤内部生态平衡的问题。2.改一天两次的浇灌量为一天一次，以避免土壤过湿。3.采用更易生长和观察的夏冬青为实验材料，但仍保留种植黑麦草。第二阶段种植实验记录：以夏冬青作为主要栽培对象，同时采用黑麦草。注：C组采用和A组相同的混合比例及谷糠作为疏松添加物，D组采用和上述B组相同的混合比例及鸡粪作为疏松添加物。C组:实验记录：夏冬青C 1C 2C 3C 4C 5C 6+C8C 7( % ,cm)率高率高率高率

14、高率高率高率高第3天35%0.524%0.820%0.50%00%00%078%1.2第6天50%1.224%2.324%1.90%00%00%085%2.9第9天60%3.025%3.225%2.20%00%00%092%3.7第12天78%3.727%3.926%2.70%00%00%095%4.5第15天80%4.230%4.226%2.90%00%00%095%5.0第18天80%4.530%4.326%3.00%00%00%096%5.2黑麦草C 1C 2C 3C 4C 5C 6+C8C 7( % ,cm)率高率高率高率高率高率高率高第3天40%0.528%0.414%0.41%0.

15、30%00%053%0.7第6天40%2.730%2.515%2.21%1.90%00%065%3.0第9天45%4.335%4.215%3.32%2.70%00%073%4.8第12天52%6.238%4.918%3.92%3.40%00%080%6.2第15天65%7.340%5.320%4.22%3.90%00%095%7.8第18天65%7.540%5.320%4.52%4.40%00%096%8.1备注： D组长势较C组稍差，数据略。实验数据均选取平均值。其中：率指出芽率，以百分率表示 高指苗高，以cm为计量单位C组实验照片： 10% 20% 30% 40% 10% 20% 30%

16、40%结果与分析：从实验记录来看C1（谷糠5%发酵土10%）与C2（谷糠5%发酵土20%）的植株长势较好，但与营养土对照相比，仍有一定差距。同时随着基质中发酵物用量的增加，出苗率明显下滑，长势变差，超过C3（谷糠5%发酵土30%）比例的混合土几乎不出苗。发酵物对照和生土对照组则明显不出苗。综合实验结果进行分析，得出夏冬青的出芽率应该与土壤pH值有相当大的关系。从另一角度看，生土和发酵物混合调整后确实能够适合作物生长需要，但需要进一步研究。为此我们做了附加实验以分析土壤pH值对作物生长的关系。第二阶段附加实验我们对混合土的各种成份进行了粗略的pH值测定：测定结果：测定物生土谷糠发酵土鸡粪酒糟营养

17、土pH值7798 - 956.8从测定结果可以看出：发酵物与鸡鸭粪便呈碱性，谷糠呈中性，酒糟呈酸性，营养土为弱酸性。综合之前的实验数据推断：夏冬青适宜于生长在弱酸性土壤中，第一、二阶段实验失败的主要原因是混合土呈较强的碱性，不利于夏冬青生长。第三阶段种植实验实验思路：为了中和发酵物的碱性，我们采用酒糟作为中和物及土壤疏松添加物，混合放置一周后进行。第三阶段种植实验记录：以夏冬青作为栽培对象E组：共取六个配比及一个对照，进行栽培实验酒糟发酵土生土营养土混合土E15%10%85%0%混合土E25%20%75%0%混合土E35%30%65%0%混合土E410%10%80%0%混合土E510%20%7

18、0%0%混合土E610%30%60%0%对照组E70%0%100%0%E组实验记录： 夏冬青E 1E 2E 3E 4E 5E 6E 7( % ,cm)率高率高率高率高率高率高率高第3天20%0.520%0.45%0.550%1.025%0.80%0.015%0.5第6天35%0.730%0.65%0.570%1.535%1.25%0.530%0.7第9天50%0.940%0.710%0.985%2.355%1.835%1.235%1.6第12天55%1.040%0.910%1.090%3.560%2.545%1.535%1.9第15天55%1.240%1.010%1.090%4.060%2.7

19、45%1.835%2.3第18天55%1.640%1.210%1.090%4.560%3.245%2.335%2.6备注：率指出芽率，以百分率表示 高指苗高，以cm为计量单位实验照片0%（对照） 10% 20% 30% （加10%酒糟组）出芽率曲线图： 苗高曲线图:5%酒糟 10%酒糟结果与分析：从实验数据看，E4（酒糟10% ,发酵土10%）的长势最佳，甚至优于营养土对照。同时我们发现由于夏冬青初期可以依靠胚乳促进发芽，100% 生土也发芽了，但由于根系入土较难，生土营养物质含量过低，不利植物的生长需求，所出的苗明显细弱枯黄，出苗后不久就相继死亡。而E3（酒糟5%,发酵土30%）和E6（酒糟

20、10%,发酵土30%）的结果也更近一步证明碱性土质不利于夏冬青出苗和生长。另外，从植物生长的角度考虑，生土对照能出苗生长的原因很可能是因为夏冬青种子发芽可以依靠其种子胚胎的营养，夏冬青的种子胚胎相对草的种子而言大很多，可以支撑其在较为极端的环境下发芽生长一段时间，而草相对而言对发芽的环境要求就比较严格一些，可能就是因为这个原因所以草的实验结果相对较差。2初步实验结论：综合实验结果，我们可以发现纯粹的生土不能满足植被生长的需求，发酵物由于其酸碱性差异直接作为肥料使用也不适合，我们的实验结果从一定程度上证明了发酵物和生土混合栽培植被的可能性，这将为保护现有有机土壤资源、开发新型土壤资源提供了理论意

21、义。配合精细的化学成分分析、土壤微生物生态分析等工业化手段，必定可以达到一个更加完善的混合方式，开发出新的适合各类植物生长的土壤栽培基质。3进一步实验设想实验思路：通过实验我们发现，最为成功的配比应是添加10%左右有机发酵物的中性土壤，为进一步细化实验结果，我们将进行5%、10%、15%、20%的精细种植实验。目前实验结果仅从黑麦草和夏冬青上得到初步的结论，由于不同的植物对生长环境的要求各不相同，为探索其应用的广泛性，进一步实验将采用更多的作物品种作为实验材料进行栽培调节研究。为了使有机发酵物用途更广，我们还拟以沙土作为基质进行下一阶段实验。此外，我们还意外发现有机垃圾发酵产物能起到一定的保水

22、作用，为此，我们将对其抗旱作用加以研究。四发酵物和混合土成分测定及进一步应用设想1分析方法及测定结果：l 分析方法：微量元素含量：王水消煮、原子吸收光谱法全氮含量：开氏蒸馏法全磷含量 ：硫酸-高氯酸消煮、钒钼黄比色法全钾含量：氢氟酸-高氯酸消煮、火焰光度法pH：水:土=5:1 浸出液分析单位与时间：上海市农业科学院土壤肥料研究所 2005/1/17l 发酵物的成分测定结果：项目100%有机发酵物酒糟10% ,发酵土10%,生土80%全N %2.4430.2644全 P2O5%1.22380.116全K2O %0.95371.771pH8.77.23有机质 %76.065212.36Mg(mg/

23、kg)711.71242.6Mn(mg/kg)66.7367.6Fe(mg/kg)2122.7715.2Cu(mg/kg)13.334.85Zn(mg/kg)142.890.6注：混合土测定不考虑生土、发酵土及酒糟混合后发生的生物或化学变化l 而从文献上查到的较为肥沃的土壤成分为：pH：56.5 全N %约为 1.5%氮、磷、钾的比例约为3：1：5而 N：Mg：Mn：Fe： Cu：Zn10000：2000：600：200： 5：52对混合土的改良意见：先将两组数据进行比较，发现100%有机发酵物的氮、磷、钾比例和微量元素比例严重失调，而混合土（酒糟10% ,发酵土10%,生土80%）则相对较好

24、，能基本达到种植条件。同时我们可以发现酒糟所起到的作用是巨大的，不仅调节了pH值，而且补充了相对缺少的微量元素。再将数据和较肥沃土壤进行对比，发现混合土仍然存在不足，氮肥和磷肥的含量明显偏低，应当适量增加，但我们注意到混合土中还有相当一部分有机质没有分解，所以对混合土的改良提出有此以下的建议：l 增加土壤中的氮肥和磷肥的施量，可加入适量鸡粪或者其它生物氮源l 将混合土放置一段时间，利用其中的微生物进行发酵，使有机质充分降解，从而增加土壤中速效肥料的含量l 针对不同的栽培作物的生长特性，对混合土进行pH值的调节以适应不同作物的生长需要3.城市有机垃圾的进一步应用的建议随着城市有机垃圾小区化处理的

25、迅速普及,有机垃圾发酵物会大量产生,其中含有大量的可利用营养成分，不过其含量和比例却并不完全符合植物生长的需要，直接使用的话，不一定能起到肥沃土壤的作用，甚至产生负面影响。因而如何更好地利用这些物质，把营养成分有机的结合起来，使其达到我们所期望的比例，而不是简单地填埋处理，确实是一个值得探讨的话题。本课题所做的正是这样一个初步的探索以及建立起了一个继续研究的平台。配合进一步的技术和资金等后备因素，在现有的实验基础上我们还可以引发出更多的实验设想：（该句有待优化，文笔不好，不好意思）l 在过度使用化肥及农药的农用耕地改造方面通过查阅资料，我们发现这类土壤由于长期过量地施用农药和化肥，使现有土壤的

26、90%以上变成腐败型土壤，土壤坚硬、板结，无机养分不易溶解，土壤中的有效微生物大量死亡，物理性能明显变差，病虫害在这种土壤上极易生长繁殖。加入经过一定处理且适当比例的有机发酵物后，经过一段时间的融合，相信能使土壤中的速效成分明显增加，土壤物理性状得到改善，值得一提的是有机发酵物中的有益菌如果能大量繁殖，使有益微生物稳定地占据土壤的生态位，那么还能抑制土壤病原微生物的侵袭和发展，提高土壤的生物学活性和缓冲性能，改善土壤的理化性质，为根系的生长发育创造良好的条件。l 在大面积表层土壤被破坏的土地改造方面此类土壤生土层大面积裸露，缺乏植物生长的营养成分的，与课题采用的100%生土极为相近，只要对实验

27、提出的比例有针对性的稍加调整，融合一段时间后，相信能起到明显的效果。l 在退化草原维护方面 由于草原面积广大，建议使用机械化操作，将有机发酵物磨细，参杂草子在雨季进行大面积喷洒，如果发酵物营养成分比例适当，相信能迅速改善草原生态，要特别说明的是，使用有机垃圾作为肥料相对化肥更环保更安全，关键是成本相当低，是可以尝试的有效方法。l 在沙漠化恢复方面对沙漠化土壤的改造，其实是我们课题组从一开始就密切关注的话题，最初设想课题的时候，正是想找到一种东西，能改善日益严重的沙漠化威胁。因此对沙漠化改造方面的研究相对更深一点：（1） 沙漠化的形成机理：在沙漠化过程中，土壤属性的演变首先是粘粉粒和极细沙等细颗粒组分被选择性地移出最后导致粗粒化，因而土壤粒级分布的变化常被作为土地风蚀和沙漠化程度的理想指标。研究提示，耕作土壤粘粉粒结合的有机碳和全氮含量分别是粗沙组分有机碳和全氮含量的倍和倍，是极细沙中含量的倍和倍，因而沙漠化演变中细粒物质的吹蚀直接导致了土壤有机碳和其它养分的衰减。（2） 对沙漠化的改造方案：在沙漠化土壤中，各种植物所需的营养成分均明显不足，如果使用液态喷洒化肥，土壤根本无法有效吸收，得不偿失。如采用固体肥料，虽然解决了吸收问题但成本太高。有机垃圾发酵物刚好解决了这两个难题，同时可以添加足以保证植物生长所需的养料，恢复土壤的性状。鉴于沙漠化土壤缺乏粘粉粒和极细