侯 棻，李 甜

（山西财经大学公共管理学院土地资源管理系，山西 太原 030006）

1 引言

卫生填埋是大多数国家生活垃圾处理的主要途径［1］，随着经济的发展和城市化水平的提高，生活垃圾产生量呈逐年上升的趋势，导致大量垃圾填埋场库容趋于饱和，如何解决新增垃圾处理问题引起广泛关注［2-5］。在我国，垃圾填埋占用大量的土地资源，伴随城市的扩张形成了“垃圾围城”现象，对土壤环境、地下水、大气环境以及周围人群健康产生重大风险［4,6］。为避免占用大面积土地资源及对环境潜在的危害，垃圾填埋场的资源化利用成了当务之急。

垃圾填埋场封场数年后，垃圾经过降解成为基本稳定的类土壤物质，即矿化垃圾［7-8］。由于矿化垃圾具有有机质含量高、阳离子交换量大、比表面积大和含有丰富的微生物等特点，常被用作生物滤池反应床的主要填料处理废水［9-11］。近年来，已有大量研究探索矿化垃圾的资源化开发利用，在获得可循环使用材料的同时释放垃圾填埋场填埋空间［10,12-16］，实现垃圾填埋场的再生利用。

矿化垃圾从物理质地分析，与砂土类似，同时又具有与肥沃土壤相似的一些特性。有机质、TN、TP 含量高，阳离子交换能力强，含有大量种类繁多的微生物，即具有可以提供植物生长所需的营养、结构和环境条件。然而，矿化垃圾虽然肥力高，但成分复杂，其有毒有害物质的稳定性直接影响植物的生长发育。前期已开展的研究结果表明，矿化垃圾对大麦、玉米种子、万寿菊等的生长存在影响，并且矿化垃圾粒径越小，越容易吸附污染物质，损伤植物的风险越高，在矿化垃圾对玉米种子的生物毒性研究中发现，矿化垃圾对其影响主要集中在小粒径［11,14-15］。同时研究发现矿化垃圾中含有比普通土壤数量多的微生物群，适量添加矿化垃圾对万寿菊的生长有促进作用［17-18］。因此，矿化垃圾对环境的影响具有双重效应，在利用矿化垃圾作为植物栽培土壤之前，应分析其粒径分布，选择合适的粒径［14-15,17-18］。

N、P、K 是植物生长所必需的营养元素，常以有机化合物的形式存在，不能被植物直接利用，只有在水溶性状态下，形成速效N、P、K 才能被植物吸收。因此，在植物栽培过程中，速效N、P、K 含量是衡量栽培土壤肥力的重要指标［17-18］。此外，土壤的粒径分布决定土壤质地，与土壤中养分转化和植物生长营养物质吸收所需的环境条件密切相关。矿化垃圾作为植物栽培土的资源化利用不仅可以延长填埋场的使用寿命，还会产生巨大的社会、经济及环境效益［18］。只有了解矿化垃圾颗粒的组成、质地特点及肥力的特征，才能更科学地研究矿化垃圾作为植物培养土的可行性。为了研究矿化垃圾中营养元素N、P、K 的稳定性和含量，课题组10 a 前，已经对填埋10 a 的不同粒径矿化垃圾进行了理化性质分析及N、P、K 含量的测定分析［17-18］。本次研究通过采集同一堆填区填埋20 a 的矿化垃圾样本，测定其理化性质及N、P、K 元素含量，研究不同粒径矿化垃圾中营养元素随时间的变化规律，旨在为矿化垃圾作为植物种植培养土的利用提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 矿化垃圾样品制备

本次研究所用的矿化垃圾采自山西省太原市东山新沟垃圾卫生填埋场，此垃圾填埋场于1987年建成并投入使用，2007 年停止使用并封场，最早填埋的生活垃圾已有30 余年，形成了稳定的矿化垃圾。

采用与2009 年相同的采样方法——随机取样法获得分析样品。2009 年采集到填埋区埋藏近10 a 的矿化垃圾样品［17-18］，2019 年在同一区域以相同方法采集埋藏近20 a 的样品［19］。具体采样过程为深入垃圾填埋沟内200 m 左右，在垃圾堆埋层侧面，随机收集5 个样本点，将5 个点混合作为1 个样本。取样前先去除采样点表面花草和表层覆盖土（30～50 cm 厚），挖1 个深15 cm 的坑，然后用土铲从垂直坑壁处均匀切出5 cm 厚的土片。在现场去除里面的金属、塑料、大石块、玻璃和橡胶等难降解大颗粒物。经过孔径900µm的分级筛，筛下物再筛分为300～900、150～300、105～150、90～105、0～90 µm 5 个不同粒径样品，风干备用。普通表土在距离垃圾填埋场5 km 范围内采集，取样方法和深度与矿化垃圾取样方法相同。

2.2 矿化垃圾理化特性分析

pH 采用pH 计电位法测定；电导率EC 采用电导率仪法；有机物含量采用重铬酸钾滴定法测定；CEC 的测定采用醋酸钠-火焰光度法［20］。

2.3 N 含量的测定

矿化垃圾中TN 含量测定采用半微量凯氏定氮法，样品经浓硫酸消煮，碱化后加入硼酸吸收，标准酸溶液滴定测得TN 含量。速效N 采用碱解扩散法测定，氢氧化钠水解样品后，加入硼酸吸收，用标准盐酸滴定后计算出速效N 含量［20］。

2.4 P 含量的测定

采用硫酸-高氯酸消煮法测定样品TP 含量，高温下加入高氯酸和硫酸消解，采用钼锑抗比色法测定TP。采用碳酸氢钠法测定样品速效P 含量，选用碳酸氢钠作为提取剂提取样品中速效P，加入钼锑抗混合显色液显色后用分光光度计测定［20］。

2.5 K 含量的测定

采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法测定样品中TK 含量，将矿化垃圾用氢氧化钠溶液浸渍，然后在马弗炉中高温煅烧，在火焰光度计上测定K 含量。采用醋酸铵-火焰光度计法测定样品中速效K含量［20］。

2.6 数据分析

用Origin 8.0 软件处理数据、绘制图表并进行统计分析。

3 结果与讨论

3.1 矿化垃圾粒径分布

矿化垃圾经过分级筛进行筛分后，筛分为0～90、90～105、105～150、150～300、300～900 µm 5个粒径组。图1 显示了不同粒径筛分物的质量分数。粒径最大组（300～900µm）的质量分数最大，为39.6%，粒径最小组（0～90µm）的质量分数为28.4%；其余各组90～105、105～150、150～300 µm分别占总质量的5.4%、5.8%、20.7%。

图1 矿化垃圾粒径分布Figure 1 Particle-size distribution of aged refuse

参照本课题组2009 年（填埋10 a）采集的矿化垃圾获得的研究结果［17］，0～90、90～105、105～150、150～300、300～900 µm 粒径矿化垃圾组的质量分数分别为22.4%、8.2%、10.4%、15.3%、43.7%。分析2009 年（填埋10 a）和2019 年（填埋20 a）采集的矿化垃圾的粒径分布发现，与2009 年相比，2019 年的最大粒径组（300～900µm）的质量分数仍然呈现最大，但比2009 年降低了4.1 个百分点。粒径最小组（0～90µm）比2009年增加了6.0 个百分点，150～300µm 组增加了5.4个百分点，105～150 µm 组减少了4.6 个百分点，90～105µm 组下降2.8 个百分点。结果显示，生活垃圾的矿化过程一直在持续，形成类似腐殖土质颗粒状的多孔物质，由矿物质、有机物、水分和气体组成。10 a 时间受光照、雨水、温度等环境因素影响，以及矿化垃圾内部水流、气流作用和持续的大量微生物的降解作用，最终趋于稳定状态。

3.2 矿化垃圾理化特性

矿化垃圾的理化性质是分析矿化垃圾特性的重要参数。我国城市生活垃圾的含水量和有机质含量均较高，矿化垃圾不仅含有非常高的EC，还含有速效N、速效P、丰富的腐殖质等植物生长所需的营养物质［9］。表1 结果显示矿化垃圾呈弱碱性。除pH 外，其他指标在10 a 间都有明显的降低。2019 年检测出的EC 是2009 年的42.6%，这种结果可能是由于无机盐含量损失造成的，矿化垃圾中可溶性盐含量随时间的延长而降低。2009年矿化垃圾中有机质储量丰富，矿化程度高，可充分开发利用。2019 年矿化垃圾中有机质含量仍高达7.30%，但低于2009 年。这些变化可能是由于垃圾填埋场受微生物作用和雨水侵蚀造成了营养物质的流失。本课题组前期研究结果显示［17-19］，矿化垃圾中Pb、Cr、Cd、Zn、Hg 等重金属元素质量浓度也有变化，但是其含量均达到GB 15618—2018 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）的农用地土壤污染风险筛选值范围，环境风险低。

表1 采集于2009 年和2019 年矿化垃圾的理化特性Table 1 Physical and chemical characteristics of aged refuse in 2009 and 2019

3.3 矿化垃圾营养元素含量

3.3.1 不同粒径矿化垃圾中TN 和速效N 的分布

由图2 可见，各粒径组（0～90、90～105、105～150、150～300、300～900µm）的矿化垃圾TN分别为1.8、2.8、3.1、3.6、2.6 g/kg，速效N 分别为104.2、100.0、102.9、111.3、78.5 mg/kg，速效N 与TN 含量之比分别为5.79%、3.57%、3.32%、3.09%、3.02%。随着粒径的减小，TN 含量呈现先增大后减小的趋势，在150～300 µm 组中含量最大，这与前期研究的结果一致［17-19］，TN 总是赋存于相对粒径大的矿化垃圾中；速效N 在150～300µm 组含量最大，然后随着粒径的减小略有减少。参照全国第二次土壤普查养分分级标准，除0～90µm 粒径组TN 含量达二级标准，其他粒径组均为一级。300～900 µm 粒径组速效N 达四级（缺乏）级别，其余各组为三级（中等）级别。

图2 不同粒径矿化垃圾TN 和速效N 分布Figure 2 Total-N and available-N distribution in different particle-size aged refuse

3.3.2 不同粒径矿化垃圾中TP 和速效P 的分布

由图3 可见，在0～90、90～105、105～150、150～300、300～900µm 各粒径组矿化垃圾中TP 含量分别为1.6、1.3、1.4、1.2、1.1 g/kg，速效P 含量分别为103.5、103.4、101.1、82.4、57.6 mg/kg，不同粒径组的速效P 分别占TP 的6.47%、7.95%、7.22%、6.87%、5.24%。随着粒径的减小，TP 和速效P 含量总体上呈增加趋势，由于小粒径矿化垃圾的比表面积相对较大，更容易沉积营养物质。参照全国第二次土壤普查养分分级标准，各粒径组TP 含量均>1 g/kg，达到一级标准。同样速效P各组均>40 mg/kg，达到一级标准。

图3 不同粒径矿化垃圾TP 和速效P 分布Figure 3 Total-P and available-P distribution in different particle-size aged refuse

3.3.3 不同粒径矿化垃圾中TK 和速效K 的分布

由图4 可见，0～90、90～105、105～150、150～300、300～900µm 各组矿化垃圾中TK 含量分别为11.0、9.5、8.8、8.4、7.5 g/kg，速效K 含量分别为149.8、132.4、115.7、111.1、91.2 mg/kg，速效K分别占TK 的1.36%、1.39%、1.31%、1.32%、1.22%。TK 和速效K 含量随着粒径的增大呈现减小趋势，由于小粒径矿化垃圾的比表面积相对较大，更容易沉积营养物质。参照全国第二次土壤普查养分分级标准，300～900 µm 粒径组TK 含量达五级（低），其余各组达到四级（中下）；速效K与TK 的趋势相同，除最大粒径组为五级（低），其余各组均为四级（中下）。

图4 不同粒径矿化垃圾TK 和速效K 分布Figure 4 Total-K and available-K distribution in different particle-size aged refuse

3.4 分析与讨论

本次研究显示，不同粒径组N、P、K 的总量和有效态含量存在显著差异。TN 含量以150～300µm 粒径组最高，随粒径减小而显著降低。TP、TK 含量随粒径的减小而增加，其变化趋势与10 a前基本相同。速效P 含量与10 a 前略有不同，10 a前速效P 含量在105～150µm 组最低，而在本次研究中，速效P 含量随着粒径的减小反而增加。速效N、速效K 的含量与10 a 前观察到的趋势相似，随着粒径的减小而增加，这很可能是由于小粒径矿化垃圾的比表面积相对较大，容易沉积更多的营养物质。综上所述，除速效P 含量略有差异外，TN、TP、TK、速效N、速效K 含量随粒径变化的趋势与10 a 前基本一致。本研究中的矿化垃圾富含N 和P，而K 略低，但这些营养元素的浓度远高于相关植物生长培养基质［17-18,21］。山西省土壤呈现缺P 少N，富含K 的状态［22］，因此可以直接利用矿化垃圾或通过添加矿化垃圾改良土壤，使土壤中营养物质种类和数量均满足植物生长所需。

尽管N、P、K 这些营养元素含量在不同粒径组间有相似的变化趋势，TN 和TK 的含量却比10 a 前显著下降，但仍具有一定的肥力。究其原因，填埋场的稳定程度决定矿化垃圾的组成和结构［8］，进而影响营养元素的含量。由于生活垃圾填埋场填埋区受人类活动影响很少，同时也没有种植植被或农作物，因此可以排除人类活动和植物对矿化垃圾中营养物质含量变化的影响。矿化垃圾中各营养元素的变化主要受光照、雨水、微生物等因素影响。本次研究矿化垃圾主要是表层矿化垃圾，因其接近地表，水分含量较深部埋藏矿化垃圾相对少，透气性好，为各种好氧微生物提供了生存环境。微生物降解作用在矿化垃圾营养物质转化过程中起着巨大的作用，矿化垃圾中有丰富的特定微生物种群，这些微生物参与了矿化垃圾中N、P、K 等营养物质及重金属的降解［18-19］。同时营养成分及重金属元素因雨水冲刷，进入到渗滤液中［23-25］。且随着时间的推移，垃圾填埋场防护系统的覆盖层和基础收集系统不可避免地会发生降解，失去其结构完整性和防护能力，也可能导致渗滤液的渗漏，从而带走矿化垃圾中的营养物质及重金属元素。

根据本课题组对矿化垃圾的理化性质测试分析研究结果显示［17-19］，采集于2009 年（填埋10 a）的矿化垃圾中Pb、Cr、Cd、Zn、Hg 等重金属元素质量浓度分别为62.9、98、0、122、0 mg/kg和2019 年（填埋20 a）达到38.48、46.36、0.42、163.83、0.15 mg/kg，均达到GB 15618—2018 的农用地土壤污染风险筛选值范围，对农产品质量安全、农作物生长、土壤生态环境造成损害的风险低。课题组最新研究显示［19］，在普通土壤中添加适量的矿化垃圾种植万寿菊，对万寿菊的生长有促进作用，因此矿化垃圾可以作为种植土壤进行安全开采和利用。由于本次采样为浅表层矿化垃圾，深部埋存的矿化垃圾中重金属仍需深入研究。同时，本次仅对填埋10 a 和填埋20 a 矿化垃圾进行了测试分析，中间年份矿化垃圾中相关营养物质变化趋势需开展进一步研究。

4 结论

1）不同粒径矿化垃圾N、P、K 含量存在明显差异，根据植物生长对营养物质的需求选择不同粒径矿化垃圾加以利用，以提高其利用效率，如植物对N 需求高可选择添加大粒径矿化垃圾，对P 和K 需求高，则可以选择小粒径矿化垃圾，也可以一定比例组合添加矿化垃圾改善贫瘠的土壤。

2）填埋10 a，垃圾已充分矿化，营养元素和有机质含量较高。填埋20 a，矿化垃圾中EC、CEC、有机质含量及N、P、K 含量发生了明显变化，除P 含量变化不大外，矿化垃圾中N、K 和有机质含量均呈下降趋势，说明营养元素随填埋时间延长可能发生了流失。同时，填埋20 a 重金属含量较10 a 前有下降的趋势。这与矿化垃圾的物质成分、填埋环境、微生物等因素有关。

3）鉴于矿化垃圾成分的复杂性和可变性，作为植物栽培土对其利用，还有待进一步研究其他物质含量。尽管本次研究的矿化垃圾中重金属含量未超标，但因其采样为浅表层，深部埋存的矿化垃圾中重金属含量仍需开展进一步研究，进而为矿化垃圾的资源化开发利用、减小生态环境风险提供科学依据。