贾 璇, 赵 冰, 吴昊天, 吕 峥, 任连海, 李鸣晓, 孟繁华

1.北京工商大学， 中国轻工业清洁生产和资源综合利用重点实验室， 北京 100048 2.国家发展和改革委员会， 北京 100045 3.中国环境科学研究院， 环境基准与风险评估国家重点实验室， 北京 100012

随着我国经济的快速发展，有机废弃物产生量逐年增加，其中餐厨垃圾占有机废弃物产生量的70%～80%，占生活垃圾产生量的40%～60%，餐厨垃圾极易腐烂变质而造成环境污染和生态风险. 同时，餐厨垃圾作为生物质废物，其所含糖类和蛋白质含量占干物质总量的60%以上，CN在10～30之间，富含氮、磷、钾、钙等植物所需的常量营养元素和微量元素，是制备高品质土壤调理剂的理想原料之一，对土壤地力提升具有重要作用[1]. 我国是农业大国，在人们生产生活中耕地质量有着举足轻重的作用. 截至2017年末，我国耕地面积为1.35×1012m2，中低产田面积占耕地总面积的比例高达70%，低产田超过30%，耕地质量下降、结构破坏，威胁着我国农业可持续发展和粮食安全. 据全国第二次土壤普查数据显示，我国耕地平均有机质含量为1.863%，并呈进一步下降趋势.

土壤团聚体是土粒经生物、非生物和环境作用形成的土壤基本结构单元，其数量和质量决定了土壤的性质和肥力[2]. 其中，土壤中粒径>0.25 mm的大团聚体形成过程中的主要参与者为多糖和松结合态腐殖质，而粒径<0.25 mm的微团聚体形成过程主要受到黏粒和紧结合态腐殖质的影响. 腐殖质的结合方式及松紧度对土壤肥力有显著影响，松结合态腐殖质主要影响土壤养分释放，紧结合态腐殖质对土壤结构以及碳固定有重要影响[3]. 土壤各粒级团聚体粒径分布和占比会影响土壤结构和质量，良好的土壤团聚体分布对降低土壤可蚀性、增加土壤孔隙度、提升土壤肥力和增加土壤生产力具有重要作用. Bronick等[4]认为，土壤团聚体的形成受有机质、黏粒含量、微生物作用、碳水化合物及离子键的影响. 土壤团聚体可对有机质进行物理保护，是有机质存在的场所，土壤有机质又是促进团聚体形成与稳定的胶结物质[5]. 有研究[6]指出，长期施用有机肥可使土壤团聚体稳定性发生变化，有机质的赋存转化显著影响水稳性团粒结构体的形成与稳定，是决定土壤供肥保肥、土壤耕性和缓冲能力的重要因素.

目前，国内外研究者以施用有机肥料为切入点，围绕土壤质量及地力提升开展了相关研究，但采用餐厨垃圾土壤调理剂进行果园土壤改良，从时间和空间维度深入分析土壤团粒结构及其有机质赋存转化的研究却鲜有报道. 鉴于此，该研究将餐厨垃圾土壤调理剂用于四川省成都市浦江县果园贫瘠土壤的改良，解析餐厨垃圾调理剂施用时间和土壤层深度对果园土壤团聚体特征及其各粒级团聚体中有机质分布的影响，阐明施用时间、土壤层深度对土壤结构和功能的响应机制，以期为我国贫瘠土壤的耕地质量提升和农业绿色可持续发展提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验设计

餐厨垃圾土壤调理剂取自北京市某餐厨垃圾资源化处理厂，是以餐厨垃圾为原料，经80 ℃、8 h高温快速好氧发酵制成. 供试调理剂的理化指标：pH为6.84，含水率为8.17%，EC(电导率)为4 057.55 μScm，w(OM)(OM为有机质)为87.51%，w(HA)(HA为腐殖酸)为45.26%，DR0.25(团粒结构体占比)为38.67%，MWD(平均质量直径)为2.38 mm，GMD(几何平均直径)为2.00 mm，分形维数为1.60.

试验场地位于四川省成都市浦江县丑柑园(103°19′E～103°41′E、30°05′N～30°21′N)，气候属亚热带季风气候，平均降雨量为 1 201 mm，供试土壤为紫色土，质地为中壤土. 在供试土壤中连续5 a施用餐厨垃圾土壤调理剂，施用方式为20～30 cm深施，施用时间为每年3月果实收获后，施用量为0.48 kg(m2·a)，施用面积为 2 000 m2. 以不施用餐厨垃圾土壤调理剂的果园土壤作为对照组.

1.2 样品采集

分别采集施用餐厨垃圾土壤调理剂2、3、5 a的果园土壤样品，选取未施用餐厨垃圾土壤调理剂的土壤作为空白样品. 不同处理组土壤随机选取5个点，用土壤采样器按0～20、20～30、30～40 cm不同深度逐层采样，将同一深度的5份等质量的土壤样品充分混合，保存至4 ℃备用.

1.3 分析方法

土壤团聚体的分布状况和稳定性采用湿筛法分选各粒级团聚体[7]. 称取风干土壤样品100 g，置于5、2、1、0.5、0.25 mm的分样筛顶部，在去离子水中浸泡10 min后用团聚体筛分仪筛分，筛分时间为20 min，筛分频率为30次min. 将各粒级孔径筛上的土壤样品在60 ℃下烘干，计算得到水稳性各粒级团聚体占比，记为Wwi. 有机质含量采用灼烧法测定[8]；pH、含水率和EC测定方法参照文献[9]；w(HA)采用重铬酸钾法[10]测定.

1.4 计算方法

DR0.25、MWD和GMD以各粒级团聚体数据为基础，计算方法[11-13]如下:

(1)

(2)

(3)

分形维数利用式(4)(5)通过数据拟合求得，计算方法[14]如下：

(4)

(5)

2 结果与讨论

2.1 施用餐厨垃圾土壤调理剂对土壤团聚体分布的影响

施用时间a： 1—0(对照组)； 2—2； 3—3； 4—5.图1 施用餐厨垃圾土壤调理剂后不同深度土壤层有机质含量的变化情况Fig.1 The Wwi in different soil layers under food waste soil conditioner long-term application

水稳性团聚体是土壤中稳定性较好的团聚体，可反映土壤抗侵蚀能力. 餐厨垃圾土壤调理剂施用不同时间后各粒级Wwi(水稳性团聚体占比)的变化情况如图1所示. 由图1可见：①对于0～20 cm土壤层，施用餐厨垃圾土壤调理剂后粒径<0.25 mm微团聚体的Wwi均大于对照组，且在施用2和3 a后逐渐增加，最大值为23.04%，施用5 a后略微下降. ②对于20～40 cm土壤层，粒径<0.25 mm微团聚体的Wwi在施用2 a后逐渐增加，施用3 a后逐渐降低；Wwi于施用2 a后达到最大值，其中在20～30 cm土壤层的最大值为34.22%，在30～40 cm土壤层的最大值为52.70%. 粒径<0.25 mm微团聚体的Wwi在20～30 cm土壤层中施用5 a后较施用3 a后略微增加，在30～40 cm土壤层中随施用时间的延长而下降，施用5 a后降至9.73%. 随着粒径<0.25 mm微团聚体Wwi的下降，粒径>0.25 mm大团聚体的Wwi逐渐增加，且随土壤层深度的增加其变化幅度增大.

粒级>0.25 mm的大团聚体占比称作DR0.25，它反映施用餐厨垃圾土壤调理剂后土壤的肥力和稳定性状况，决定土壤结构的稳定性和抗侵蚀力. 施用餐厨垃圾土壤调理剂后，随施用时间的延长，0～20 cm土壤层DR0.25均在80%～85%之间； 20～30 cm土壤层DR0.25呈先升高后基本不变，施用调理剂3 a后DR0.25达到最大值(90.03%)；30～40 cm土壤层DR0.25逐渐增加，施用5 a后达到最大值(90.27%). 粒径>0.25 mm的大团聚体中2～5 mm粒级团聚体与土壤侵蚀相关性最强，施用餐厨垃圾土壤调理剂后，各土壤层中2～5 mm粒级团聚体的Wwi均随施用时间的延长而增大. 施用5 a后，各土壤层粒径>5 mm团聚体的Wwi与对照组相比均增加. 根据多级团聚理论，在土壤团聚体形成过程中，大团聚体能够破碎成为微团聚体，微团聚体还可以聚合成为大团聚体，二者互为消长[15]. 施用餐厨垃圾土壤调理剂能促进植物根系发育和真菌菌丝生长，增加根系数量，延长根系长度，使土壤中大团聚体崩裂为微团聚体，而根系及菌丝的缠绕作用又能促进大团聚体的胶结[16-17]. 随施用时间的延长，深层土壤DR0.25逐渐增加，且施用3 a后，20～30 cm土壤层DR0.25增加，施用5 a后30～40 cm土壤层DR0.25增加，土壤结构趋于稳定，抗侵蚀力增强. 可见，餐厨垃圾含有大量蛋白质、糖类等小分子有机物，以其为原料制备的土壤调理剂中有机质含量高达87.51%，w(HA)高达45.26%. 施用餐厨垃圾土壤调理剂可增加土壤w(DOC)(DOC为水溶性有机碳)和w(HA)，有利于土壤团粒结构体形成，增强土壤稳定性[18].

2.2 施用餐厨垃圾土壤调理剂对土壤团聚体粒径的影响

土壤团聚体粒径与土壤质量的联系紧密，MWD和GMD是反映土壤团聚体粒径大小的常用指标. 施用餐厨垃圾土壤调理剂后，MWD和GMD的变化情况如图2所示. 由图2可见，施用餐厨垃圾土壤调理剂5 a后，各土壤层MWD和GMD均较对照组增加，且在30～40 cm土壤层增幅最大，MWD和GMD的最大值分别为4.60和3.25. 对照组和施用餐厨垃圾土壤调理剂2 a后，0～20 cm土壤层MWD和GMD(分别为2.31和2.03)均大于20～40 cm土壤层. 施用餐厨垃圾土壤调理剂3 a后，0～20 cm土壤层MWD和GMD分别为3.16和2.07，与30～40 cm土壤层相差不大，20～30 cm土壤层MWD和GMD分别为3.69和2.42，均大于其余各土壤层.

施用时间a： 1—0； 2—2； 3—3； 4—5.图2 施用餐厨垃圾土壤调理剂后不同深度土壤层MWD和GMD的变化情况Fig.2 The MWD and GMD in different soil layers under food waste soil conditioner long-term application

各粒级团聚体在土壤的孔隙度、养分循环、生物活动和肥力固持等方面的作用不同，MWD和GMD越大，表示团聚体的平均粒径团聚度越高、稳定性越强[19]. 该研究结果表明，施用餐厨垃圾土壤调理剂后，随着施用时间的延长，各土壤层MWD和GMD均逐渐增加，可能原因是，餐厨垃圾土壤调理剂富含多糖、蛋白质和微量元素，施用餐厨垃圾土壤调理剂可提高土壤微生物活性，有利于HA类物质的形成[20-22]. 可见，餐厨垃圾本身呈固液混合黏稠状态，含有更多淀粉、纤维素、杂多糖和脂肪等大分子有机化合物，惰性物质和重金属等有害物质含量较低，经过好氧发酵制备出的土壤调理剂富含HA，可以改善土壤微生物活性，在一定程度上促进了土壤胶结物质的形成，有利于大团聚体的形成及稳定，进而改善土壤团聚体粒径大小状况及团聚体稳定性.

2.3 施用餐厨垃圾土壤调理剂对土壤分维特征的影响

分形维数与土壤黏粒、粉粒等内部组成呈显著相关，可以反映土壤整体的结构状况及稳定性特征，具有一定的环境指示作用. 施用餐厨垃圾土壤调理剂后，分形维数随施用时间、土壤层深度的变化情况如图3所示. 由图3可见，对照组0～20 cm土壤层分形维数低于20～30 cm土壤层，且与30～40 cm土壤层差别不大，并在20～30 cm土壤层中达到最大值(2.35)，30～40 cm土壤层达到最小值(2.34). 随着施用餐厨垃圾土壤调理剂时间的延长，相同深度土壤层的分形维数逐渐减小. 施用餐厨垃圾土壤调理剂2、3和5 a后，分形维数最小值均出现在0～20 cm土壤层，分别为2.39、2.36和2.13. 施用2 a后20～30 cm土壤层分形维数达到最大值，为2.46. 施用5 a后，各土壤层较对照组均下降，且0～20 cm土壤层的降幅最大.

施用时间a： 1—0； 2—2； 3—3； 4—5.图3 施用餐厨垃圾土壤调理剂后不同深度分形维数的变化情况Fig.3 The fractal dimensions in different soil layers under food waste soil conditioner long-term application

土壤团聚体的形成涉及一系列物理、化学和生物作用，是一个复杂的过程，植被覆盖状况、土地利用方式、成土母质成分、气候条件及人为因素等都会影响土壤团聚体的形成与稳定. 分形几何学以支离破碎或不规则的物体为研究对象，旨在从看似混沌的物体结构中找出潜在规律，即分形体的自相似性特征. 土壤分形维数可以反映团聚体对土壤稳定性与结构的影响趋势，即分形维数越小，土壤的稳定性越强，结构越良好；分形维数越大，土壤结构与稳定性越差. 该研究中，分形维数是基于团聚体湿筛结果计算得到，可反映土壤水稳性的强弱. 结合分形维数变化规律可知，施用餐厨垃圾土壤调理剂可以增强各层土壤的水稳性，改善各层土壤结构. 与各土壤层相比，对照组30～40 cm土壤层的水稳性最强，施用餐厨垃圾土壤调理剂后，0～20 cm耕层土壤的水稳性提高. 可见，餐厨垃圾组成复杂，能够提供丰富的有机、无机营养成分和微量元素，既有活性组分又有非活性组分，餐厨垃圾制备的土壤调理剂中富含多种快库、慢库、惰性库的有机物，可以为植物提供多种养分，又能培肥土壤，因此施用餐厨垃圾土壤调理剂可以改善土壤整体结构状况，提高0～20 cm耕层土壤的抗蚀能力.

2.4 施用餐厨垃圾土壤调理剂对土壤团聚体中有机质分布的影响

注： 粒径mm: 1—<5; 2—2～5; 3—1～2; 4—0.5～1; 5—0.25～0.5; 6—<0.25.图4 施用餐厨垃圾土壤调理剂后不同粒径团聚体有机质含量随施用时间的变化情况Fig.4 The w(organic matter) of aggregates with time under food waste soil conditioner long-term application

不同粒级的土壤团聚体在有机质的供应、转化和保持等方面发挥着不同作用[23-26]. 餐厨垃圾土壤调理剂施用不同时间后各粒级团聚体有机质含量的变化情况如图4所示. 由图4可见，与对照组相比，施用餐厨垃圾土壤调理剂可有效提高0～20 cm土壤层各粒径团聚体有机质含量，除施用土壤调理剂3 a的0.25～0.5 mm团聚体以外，粒径为0.5～5 mm和<0.25 mm的团聚体有机质含量均增加. 施用土壤调理剂后，0～30 cm土壤层粒径>0.25 mm大团聚体的有机质含量随团聚体粒径的减小整体呈先升高后降低的变化趋势，而对照组各粒径团聚体有机质含量的变化不显著. 与施用餐厨垃圾土壤调理剂2～3 a的30～40 cm土壤层相比，施用5 a后各粒径团聚体有机质含量显著升高，粒径>5 mm团聚体的有机质含量最高，为7.10%. 除对照组和施用调理剂5 a试验组以外，不同深度土壤层粒径<0.25 mm团聚体有机质含量的占比均最高. 对照组不同深度土壤层各粒径团聚体有机质含量的变化不显著. 可见，施用餐厨垃圾土壤调理剂可有效提高0～20 cm土壤层团聚体有机质含量，随着施用时间的延长，团聚体中有机质逐渐向30～40 cm土壤层迁移. 与其他速效无机土壤调理剂相比，餐厨垃圾土壤调理剂富含HA及多种营养物质，施用餐厨垃圾土壤调理剂后，大量外源有机质的输入可激活土壤微生物，促进黏合剂与载体产生，有利于团聚体形成和团聚体中有机质向深层土壤迁移，改善团聚体中有机质的分布状况[27-30].

3 结论

a) 施用餐厨垃圾土壤调理剂可增加0～20 cm土壤层中粒径<0.25 mm微团聚体的Wwi，提高30～40 cm土壤层中粒径>0.25 mm大团聚体的DR0.25，施用3 a后微团聚体Wwi的最大值为23.04%，施用5 a后DR0.25的最大值为90.27%. 施用餐厨垃圾土壤调理剂可增强土壤结构稳定性和抗侵蚀性.

b) 施用餐厨垃圾土壤调理剂5 a后，各土壤层MWD和GMD均增加，最大值分别为4.60和3.25. 分形维数随施用时间的延长而减小，其中0～20 cm土壤层的降幅最大，最小值为2.13. 施用餐厨垃圾土壤调理剂可改善团聚体粒径分布，促进有机胶结物质产生.

c) 施用餐厨垃圾土壤调理剂后0.5～5 mm粒级团聚体有机质含量增加，最大值为10.61%. 施用餐厨垃圾土壤调理剂利于改善团聚体中有机质的分布状况.