陳浩天，張地方，張寶莉，李國學

?

園林廢棄物不同處理方式的環(huán)境影響及其產(chǎn)物還田效應

陳浩天，張地方，張寶莉，李國學※

（中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193）

針對城市園林廢棄物數(shù)量日趨增多及資源化利用程度低的問題，該研究比較了園林廢棄物在直接焚燒、好氧堆肥、熱解碳化3種處理方式下的養(yǎng)分與碳素與氮磷鉀損失、溫室氣體排放，以及相應產(chǎn)物還田對土壤物理化學性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，焚燒處理的有機碳損失率高達98.62%，分別比好氧堆肥、碳化處理高39.77%和41.64%；全氮損失率高達95.51%，顯著高于好氧堆肥（22.72%）及碳化（36.65%）處理；3種處理全磷及全鉀損失率的差異相對較小。焚燒處理的CO2排放量高達1271.62 g/kg，遠高于好氧堆肥的210.71 g/kg，但兩者CH4、N2O的排放量都相對很小。園林廢棄物堆肥及碳化后還田均可促進土壤中小團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化，提高土壤中毛管孔隙度和飽和導水率，并顯著提高N、P、K含量；其中生物炭還田可顯著提高土壤有機碳含量，好氧堆肥還田能降低土壤pH值。焚燒后的灰分還田除提高土壤P、K養(yǎng)分含量及大粒徑團聚體外，其他效果不明顯。綜上所述，好氧堆肥和碳化是適用于城市園林廢棄物處理的2種技術(shù)，研究結(jié)果可為城市園林廢棄物資源優(yōu)化處理利用提供參考。

堆肥；環(huán)境影響；土壤；園林廢棄物；生物炭；焚燒；還田效應

0 引 言

隨著我國對生態(tài)環(huán)境的日益重視，城市園林綠化面積不斷增加。根據(jù)北京市園林綠化局統(tǒng)計，2016年北京市綠化覆蓋面積已達87449.84 hm2，實有樹木14947.73萬株，實有草坪19773.40萬m2，分別較2007年增加了1.92、1.73和1.62倍[1-2]。園林綠化面積的持續(xù)擴大也使得樹枝修剪物、草坪修剪物、枯枝落葉、雜草和殘花等園林廢棄物產(chǎn)量劇增，傳統(tǒng)的城市園林廢棄物處置方式一般是將其隨城市生活垃圾一起進行焚燒或填埋，不僅造成資源浪費，也帶來環(huán)境污染，處理利用水平明顯落后于發(fā)達國家[3-4]。近年來，針對園林廢棄物資源化利用途徑的研究和應用不斷增多，其中通過好氧發(fā)酵生產(chǎn)堆肥及熱解炭化制作生物炭是主要趨勢[5-6]。多數(shù)研究表明，園林廢棄物堆肥處置后還田具有改善土壤理化性質(zhì)與促進植物生產(chǎn)的功能[7-8]，顯著改善土壤緊實度和土壤團聚體狀況，增加土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分含量及土壤陽離子交換量[9-10]；熱解制備的生物炭具有含碳量高、比表面積大、疏松多孔等特性[11-12]，施用于土壤后能夠改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)和土壤孔隙狀況[13-14]，提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤保水、保肥性能[15-17]。不同園林廢棄物處理利用方式的溫室氣體排放與環(huán)境影響問題也越來越受到關(guān)注，有部分研究針對堆肥過程和生物炭制備過程的溫室氣體排放進行監(jiān)測[18-20]，更多研究是利用全生命周期（LCA）和IPCC經(jīng)驗模型進行估算[20-21]。總體看，針對園林廢棄物單項處理方式的相關(guān)研究較多，針對不同處理方式的綜合比較研究很少。

本研究以北京市園林廢棄物為對象，選擇焚燒、好氧堆肥以及熱解制備生物炭3種處理方式，通過比較其營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化、溫室氣體排放特征，以及處理后產(chǎn)物對土壤理化性質(zhì)影響等，探討不同處理方式的環(huán)境效應和資源效率，以期為城市園林植物廢棄物的資源化處理利用提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用園林綠化廢棄物取自北京城市綠化管理處在海淀區(qū)上莊鎮(zhèn)的園林廢棄物堆放場。隨機從堆放場的3個不同位置各收集5 kg廢棄物進行混合，進行組分構(gòu)成和元素含量考察。園林綠化廢棄物主要成分包括枯枝、枯草和落葉，將3種廢棄物混合物人工剪為1～2 cm，置于55 ℃的烘箱內(nèi)烘干8 h后分類稱質(zhì)量，測得其干質(zhì)量比例為2∶2∶1，廢棄物混合物的主要元素含量及碳氮比如表1所示。

表1 園林綠化廢棄物混合后主要元素含量及碳氮比

1.2 試驗設計

園林綠化廢棄物設置直接焚燒、好氧堆肥和熱解碳化3種處理方式，處理后得到的灰分、堆肥和生物炭進行還田效應比較，試驗在中國農(nóng)業(yè)大學上莊試驗站進行。各處理的具體操作如下：直接焚燒：稱取1 kg園林綠化廢棄物混合物放置于密閉溫室（長20 m、寬6 m、頂高2.5 m）的燃燒爐中焚燒，每次焚燒200 g，間隔20 min再燒下一次，連續(xù)焚燒5次。燃燒前后分別在溫室的底部（距離地面0.5 m）、中部（距離地面1.3 m）、頂部（距離地面2 m）3個位置放置靜態(tài)箱收集氣體，裝入氣體采集袋，測定其溫室氣體含量；將燃燒后的灰分分次進行收集，測定灰分質(zhì)量及其全碳、全氮、全磷、全鉀含量。好氧堆肥：稱取10 kg園林綠化廢棄物混合物，加入去離子水使其含水率達到65%左右，同時加入微生物催腐菌劑（北京沃土公司VT4000）100 g?；旌暇鶆蚝蠓湃肴萘繛?0 L的發(fā)酵罐中進行好氧堆肥。堆肥周期共29 d，通風供氧方式為機械強制通風和定期翻堆，整個堆肥周期中通風速率統(tǒng)一設定為0.2 m3/h。每7 d測定一次發(fā)酵罐中氣體流量和氣體成分含量，重復3次。發(fā)酵結(jié)束后，將得到的堆肥產(chǎn)品烘干稱量質(zhì)量，粉碎后測定碳及主要營養(yǎng)成分含量，3次重復測定。熱解碳化：每次稱取200g園林綠化廢棄物混合物，置于隔絕空氣的密閉馬弗爐內(nèi)，在控制溫度400℃下熱解碳化5 h［22］，連續(xù)處理3次。分次收集得到的生物炭并稱量質(zhì)量，測定生物炭中的碳及主要營養(yǎng)成分含量。

還田效應：依據(jù)單位質(zhì)量園林廢棄物經(jīng)3種不同處理后得到產(chǎn)品質(zhì)量比例，將焚燒、好氧堆肥和熱解碳化處理后的灰分、堆肥和生物炭分別按照2.75、17和10 g混入1 kg土壤中，進行溫室盆栽試驗的還田土壤效應比較。供試土壤取自中國農(nóng)業(yè)大學上莊試驗站溫室，將土壤風干、研碎過2 mm孔徑的篩子，稱4 kg土放入直徑20 cm高20 cm盆缽，盆栽試驗設置對照（不施用任何物料）、灰分還田、堆肥還田和生物炭還田4個處理，每個處理3次重復，共12個盆在溫室內(nèi)隨機擺放；供試植物為白三葉草（L），于9月初每盆播種20粒種子，幼苗出齊后留10株，定期補澆去離子水，保持土壤濕度為田間持水量的60%～80%；出苗30 d后測定不同處理方式土壤的容重、毛管孔隙度、總孔隙度、有機碳、活性有機碳、全氮、全磷、全鉀和pH值等指標。

1.3 試驗項目與方法

養(yǎng)分元素及碳含量測試：全氮采用凱氏定氮法測定，使用儀器為FOSS公司KJELTEC 2100全自動凱氏定氮儀；全磷采用鉬銻抗吸光光度法測定，使用儀器為752紫外光柵分光光度計；全鉀采用火焰光度法測定，使用儀器為FP640火焰光度計；土壤有機碳采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定[23]；土壤活性有機碳采用高錳酸鉀氧化法測定[24]。

土壤物理性狀測試：土壤容重采用環(huán)刀法測定，環(huán)刀體積100 cm3，分別在盆中土壤0～5、>5～10 cm土層取樣，每層重復3次；土壤總孔隙度運用公式計算：土壤孔隙度=（1-土壤容重/土壤密度）′100%，土壤毛管孔隙度采用測定毛管水并用公式計算：土壤毛管空隙度=土壤田間持水量′土壤容重；土壤飽導水率利用圓盤滲透儀進行測定；土壤pH值采用電位法測定，水土比為2.5∶1，采用S-3C型pH計；土壤團聚體采用干篩法測定[25]。

溫室氣體測試：溫室氣體采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定[26]；CH4和N2O用安裝有火焰電離檢測器（flame ionization detector，F(xiàn)ID）、電子捕獲檢測器（electron capture detector，ECD）的氣相色譜測定；CO2采用泵吸式氣體檢測儀（英國Geotech，BM2K-EOOO）直接讀數(shù)測定。每次測試3次重復取樣。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

所有試驗數(shù)據(jù)和圖表采用 Microsoft Excel 2010處理。利用 SPSS 19. 0軟件進行單因素方差分析，多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理方式的碳素及養(yǎng)分變化情況

有機碳及養(yǎng)分含量可以直觀的反應處理后產(chǎn)品的營養(yǎng)價值。表2給出了不同處理方式前后單位質(zhì)量園林廢棄物中有機碳及營養(yǎng)元素的變化情況。

表2 園林廢棄物處理前后有機碳及主要養(yǎng)分變化

注：同一列不同字母代表同一指標具有顯著性差異，<0.05，=3，下同。

Note: Different capitals in the same line mean the significant difference among the index,<0.05,=3, the same as below.

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，園林廢棄物經(jīng)3種處理后，有機碳和氮磷鉀養(yǎng)分均存在不同程度的損失。與處理前相比，焚燒的有機碳和全氮損失均最多，總損失率分別為98.62%和95.51%；這主要是因為焚燒將園林廢棄物中的碳和氮元素直接轉(zhuǎn)化為一氧化碳、二氧化碳及氮氧化物等氣體形式損失[27]。相比之下，熱解和好氧堆肥過程中有機碳的損失率相差不大，均在70%左右，焚燒處理的有機碳損失比好氧堆肥、碳化處理高39.77%和41.64%；而好氧堆肥過程中的總氮損失量（22.72%）顯著低于而熱解制備生物炭過程中總氮損失（36.65%），保氮效果好。

2.2 不同處理方式溫室氣體排放比較

焚燒過程產(chǎn)生大量高濃度CO2，但CH4、N2O排放量很??；本研究根據(jù)焚燒煙氣收集及氣譜測試分析的結(jié)果，結(jié)合焚燒時間和室內(nèi)體積計算的CO2排放量為1271.62 g/kg（表3）。好氧堆肥過程也有大量的CO2排放，但CH4、N2O排放量相對較低；熱解制備生物炭過程中產(chǎn)生的氣體主要包括CO2、CO、CH4及C2H4、C2H6、NH3、HCN等，這些氣體在生產(chǎn)過程中回收循環(huán)利用，可以忽略其溫室氣體排放[28-29]。綜合比較看，熱解制備生物炭過程沒有溫室氣體排放，好氧堆肥CO2、CH4、N2O的排放量均明顯少于焚燒，兩者溫室氣體排放量均以CO2最高，CH4、N2O排放量很小。

表3 不同處理方式溫室氣體排放特征

2.3 不同處理產(chǎn)物還田對土壤碳、團聚體及理化性狀的影響

2.3.1 對土壤有機碳和活性有機碳的影響比較

土壤有機碳是土壤肥力的重要指標，其含量越高，土壤越肥沃，耕性越好，豐產(chǎn)性能越持久。而活性有機碳是土壤有機碳的活性部分，是指土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解礦化、對植物養(yǎng)分供應有最直接作用的一部分有機碳[30]。園林綠化廢棄物經(jīng)不同處理得到的產(chǎn)品（有機肥、生物炭及灰分）還田后對土壤有機碳和活性有機碳含量的影響如圖1所示。

圖1 不同處理對土壤有機碳和活性有機碳含量的影響

從圖1中可以看出，施加生物炭的處理顯著增加了土壤中有機碳含量（<0.05），相比對照組提高了32.82%；與對照相比，施加堆肥及灰分的處理土壤中有機碳含量及活性有機碳的含量并無顯著提高。其主要原因是生物炭的含碳量高，且以惰性的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)存在，進而能長期存儲于土壤中[31]，施入土壤后增加了土壤有機碳含量；堆肥還田后有機碳增加過程較為緩慢，本次試驗周期內(nèi)土壤有機碳及活性炭增加不顯著；而灰分中有機碳含量很少，其還田對土壤有機碳和活性有機碳含量影響不大。

2.3.2 對土壤物理性狀的影響

1）土壤容重和孔隙狀況變化

土壤容重說明土壤的松緊程度及孔隙狀況，能夠反映土壤的透水性、通氣性和根系生長的阻力狀況，是土壤物理性質(zhì)的一個重要指標。不同產(chǎn)品還田對土壤容重和孔隙狀況有不同程度的影響（表4）。盡管大量研究表明施用生物炭及堆肥可以有效降低土壤容重[32-33]。但在本次試驗中，堆肥、生物炭及灰分還田后對土壤容重的影響相較于對照處理均無顯著性差異。這可能是因為本次試驗持續(xù)時間較短，而土壤容重的降低是個緩慢的過程。此外，本次施用的堆肥產(chǎn)品為園林廢棄物堆肥，其有機質(zhì)含量遠低于傳統(tǒng)畜禽糞便堆肥，這也可能是導致土壤容重無顯著變化的原因之一。

土壤孔隙度表明土壤中空隙的體積，其大小直接影響土壤中空氣含量和透水性，并對作物的生長及土壤環(huán)境和微生物活性等發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)功能[34]。堆肥還田后土壤毛管孔隙度增加了12.55%，這主要是因為堆肥提供了較多穩(wěn)定的腐殖質(zhì)和未腐熟的生物質(zhì)，促進了土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，使土壤孔隙增加。在本次試驗中，生物炭及灰分還田后毛管孔隙度及總孔隙度相較對照處理并無顯著性差異。

表4 不同處理物料還田對土壤容重和孔隙度的影響

2）土壤飽和導水率變化

土壤飽和導水率是土壤被水飽和時，單位水勢梯度和單位時間內(nèi)通過單位面積的水量，是反映土壤管理措施對土壤滲透性能影響的指標。不同物料還田對土壤飽和導水率的影響如圖2所示。堆肥和生物炭還田后顯著提高了土壤飽和導水率（<0.05），而灰分還田對土壤飽和導水率的影響不顯著。堆肥還田后的土壤飽和導水率顯著高于生物炭還田（<0.05），這主要是由于堆肥產(chǎn)物富含有機質(zhì)和腐殖質(zhì)，有機質(zhì)中含有脂、樹脂、蠟等，能浸潤土壤顆粒，使其具有疏水性，減弱毛管水移動速度，使土壤水分的蒸發(fā)量減少，從而增強了土壤的保水能力，土壤飽和導水率隨之增加[35]。生物炭具有較大比表面積，能夠增強土壤持水性能，本次試驗由于生物炭還田數(shù)量相對較少，對土壤容重及孔隙度改善效果未達到顯著水平，但仍然明顯提高了土壤飽和導水率。

圖2 不同處理對土壤飽和導水率的影響

3）土壤團聚體變化

土壤團聚體是土壤養(yǎng)分的“儲藏庫”，其粒級分布對作物發(fā)芽和根系發(fā)展有很重要的作用，是土壤肥力的基礎(chǔ)和評價土壤健康的重要物理指標[36]。根據(jù)粒徑劃分為2～0.25、<0.25～0.053和<0.053 mm的不同粒徑團聚體。從不同物料還田對土壤團聚體的影響看（表5），堆肥及生物炭還田后對2～2.25 mm大粒徑團聚體比例影響不顯著，而灰分還田后顯著提高了2～0.25 mm大粒徑團聚體比例，但對<0.25～0.053 mm及<0.053 mm粒徑的團聚體比例影響不顯著。堆肥和生物炭還田后均顯著提高了<0.25～0.053 mm粒徑團聚體比例（<0.05），顯著降低土壤中微團聚體（<0.053 mm）比例。這可能是因為生物炭本身具有較大的比表面積，且含有有機大分子等結(jié)構(gòu)，具有膠結(jié)和團聚作用[37]，能促進微團聚體（<0.053 mm）向<0.25～0.053 mm團聚體轉(zhuǎn)化；而堆肥可以增加土壤中微生物活性，提供大量膠結(jié)物質(zhì)，使土壤黏粒進一步膠結(jié)，促進微團聚體（<0.053 mm）向更大粒徑的<0.25～0.053 mm團聚體轉(zhuǎn)化[38]。

表5 不同處理對土壤團聚體質(zhì)量分數(shù)的影響

2.3.3 對土壤養(yǎng)分及pH值影響

施用堆肥、生物炭和灰分對土壤養(yǎng)分和pH值的影響如表6所示。與對照相比，堆肥還田土壤全氮、全磷、全鉀分別提高17.57%、48.00%、9.52 %；施用生物炭能夠顯著提高土壤中的全氮、全磷、全鉀含量（<0.05），其分別提高23.87%、67.41%、20.69%。這主要是由于生物炭有很強的吸附能力，可吸附銨、硝酸鹽、磷和其他水溶性鹽離子，具有保肥性能[12]，此外生物質(zhì)炭含有大量的P、K等礦質(zhì)元素，施入土壤后能顯著提高土壤速效鉀和速效磷含量；灰分還田后分別提高49.70%、15.50%的全磷、全鉀含量。

園林綠化廢棄物經(jīng)堆肥處理后還田后土壤的pH值為7.20，相比對照顯著降低（<0.05），這可能是由于堆肥中有機物質(zhì)被微生物分解后產(chǎn)生酸類物質(zhì)（包括有機酸及腐殖酸等），進而降低土壤pH值；生物炭和灰分還田土壤pH值影響不顯著。

表6 不同處理對土壤養(yǎng)分的影響

3 結(jié) 論

1）好氧堆肥處理對園林廢棄物保氮效果好，其產(chǎn)品氮素含量顯著高于熱解制備生物炭；而焚燒處理后炭氮損失均為最高。

2）園林綠化廢棄物焚燒和好氧發(fā)酵溫室氣體排放主要以CO2為主，焚燒處理排放的CO2量達到1271.62 g/kg，好氧堆肥CO2排放為210.71 g/kg；但焚燒和好氧堆肥CH4、N2O的排放量相對都很小。

3）園林廢棄物經(jīng)堆肥及熱解制備生物炭處理后還田均可促進土壤中的微團聚體（<0.053 mm）向<0.25～0.053 mm團聚體轉(zhuǎn)化，并顯著提高土壤中的N、P、K含量；兩者均能提高土壤飽和導水率，堆肥產(chǎn)品對土壤飽和導水率提高效果優(yōu)于生物炭還田。生物炭還田后還可提高土壤有機碳含量，而堆肥產(chǎn)品還田后可增加土壤中毛管孔隙度，有效降低土壤pH值。焚燒灰分還田后除提高土壤P、K養(yǎng)分含量及大粒徑團聚體外，對土壤碳提高及改良土壤的效果不明顯。

[1] 北京市園林綠化統(tǒng)計年鑒[M]. 北京市園林綠化局，2007.

[2] 北京市園林綠化統(tǒng)計年鑒[M]. 北京市園林綠化局，2016.

[3] 周麗. 城市園林綠化植物廢棄物資源化利用現(xiàn)狀[J].江蘇林業(yè)科技，2016(4)：49－52. Zhou Li. Status of urban garden waste resource utilization[J]. Journal of Jiangsu Forestry Science & Technology, 2016(4): 49－52. (in Chinese with English abstract)

[4] 梁晶，呂子文，方海蘭. 園林綠色廢棄物堆肥處理的國外現(xiàn)狀與我國的出路[J]. 中國園林，2009，25(4)：1－6. Liang Jing, Lü Ziwen, Fang Hailan. Status of composting treatment of garden waste abroad and application in China[J]. Chinese Landscape Architecture, 2009, 25(4): 1－6.(in Chinese with English abstract)

[5] 王芳，李洪遠. 綠化廢棄物資源化利用與前景展望[J].中國發(fā)展，2014(1)：5－11. Wang Fang, Li Hongyuan. Resource utilization and prospect for the greening waste[J].China Development, 2014(1): 5－11.(in Chinese with English abstract)

[6] 胡亞利，孫向陽，龔小強，等. 混合改良劑改善園林廢棄物堆肥基質(zhì)品質(zhì)提高育苗效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(18)：198－204. Hu Yali, Sun Xiangyang, Gong Xiaoqiang, et al. Mix- ameliorant improving substrates quality of waste compost from garden and seedling effect[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(18): 198－204.(in Chinese with English abstract)

[7] 顧兵，呂子文，方海蘭，等. 綠化植物廢棄物堆肥對城市綠地土壤的改良效果[J]. 土壤，2009，41(6)：940－946. Gu Bing, Lü ziwen, Fang Hailan, et al. Effects of green plant waste compost on soil remediation in urban greenbelts[J]. Soils, 2009, 41(6): 940－946.(in Chinese with English abstract)

[8] 劉毓，孫芳芳，韓冰. 堆肥對三角楓苗期生長發(fā)育及土壤質(zhì)量的影響[J]. 北方園藝，2015(13)：94－97. Liu Yu, Sun Fangfang, Han Bing. Influence of landscaping waste compost to triangle maple seedling stage growth and the soil quality[J]. Northern Horticulture, 2015(13): 94－97.(in Chinese with English abstract)

[9] Shiralipour A, Mcconnell D B, Smith W H. Physical and chemical properties of soils as affected by municipal solid waste compost application[J]. Biomass & Bioenergy, 1992, 3(3/4): 261－266.

[10] 劉恩璽，高橋輝昌，劉彩霞. 樹木剪枝堆肥與傳統(tǒng)堆肥對土壤化學性質(zhì)的影響[J].林業(yè)與環(huán)境科學，2016，32(2)：68－72. Liu Enxi, Takahshi Terumasa, Liu Caixia.The effect of compost made from pruning materials and traditional compost on soil chemical properties[J].Forestry and Environmental Science, 2016, 32(2): 68－72.

[11] Mukherjee A, Zimmerman A R, Harris W. Surface chemistry variations among a series of laboratory-produced biochars[J]. Geoderma, 2011, 163(3): 247－255.

[12] 陳溫福，張偉明，孟軍，等. 生物炭應用技術(shù)研究[J]. 中國工程科學，2011，13(2)：83－89. Chen Wenfu, Zhang Weiming, Meng Jun, et al. Researches on biochar application technology[J]. Engineering Sciences, 2011, 13(2): 83－89.(in Chinese with English abstract)

[13] 袁晶晶，同延安，盧紹輝，等. 生物炭與氮肥配施改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)提高紅棗產(chǎn)量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(3)：159－165. Yuan Jingjing, Tong Yan’an, Lu Shaohui, et al. Biochar and nitrogen amendments improving soil aggregate structure and jujube yields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(3): 159－165.(in Chinese with English abstract)

[14] Brodowski S, John B, Flessa H, et al. Aggregate-occluded black carbon in soil[J]. European Journal of Soil Science, 2010, 57(4): 539－546.

[15] Lehmann J, Rillig M C, Thies J, et al. Biochar effects on soil biota: A review[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2011, 43(9): 1812－1836.

[16] 陳紅霞，杜章留，郭偉，等. 施用生物炭對華北平原農(nóng)田土壤容重、陽離子交換量和顆粒有機質(zhì)含量的影響[J]. 應用生態(tài)學報，2011，22(11)：2930－2934. Chen Hongxia, Du Zhangliu, Guo Wei, et al. Effects of biochar amendment on cropland soil bulk density, cation exchange capacity, and particulate organic matter content in the North China plain [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(11): 2930－2934.(in Chinese with English abstract)

[17] Eastman C M. Soil Physical Characteristics of an Aeric Ochraqualf Amended with Biochar [D]. Columbus: The Ohio State University, 2011.

[18] 楊帆，李國學，江滔，張寶莉.蚯蚓輔助堆肥處理蔬菜廢棄物及其溫室氣體減排效果[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(16)：190－196. Yang Fan, Li Guoxue, Jiang Tao, et al. Vermicomposting treatment of vegetable waste and its greenhouse gas emissions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(16): 190－196. (in Chinese with English abstract)

[19] 張軍，范志林，林曉芬. 生物質(zhì)快速熱解過程中產(chǎn)物的在線測定[J]. 東南大學學報：自然科學版，2005，35(1)： 16－19. Zhang Jun, Fan Zhilin, Lin Xiaofen, et al. Online measurement of products during fast pyrolysis of biomass[J]. Journal of Southeast University, 2005, 35(1): 16－19.

[20] 潘玲陽，葉紅，黃少鵬，等. 北京市生活垃圾處理的溫室氣體排放變化分析[J]. 環(huán)境科學與技術(shù)，2010，33(9)： 116－118. Pan Lingyang, Ye Hong, Huang Shaopeng, et al. Greenhouse gas emission from municipal solid waste treatment in Beijing[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 33(9): 116－118.(in Chinese with English abstract)

[21] Boldrin A, Andersen J K, Christensen T H. Environmental assessment of garden waste management in the Municipality of Aarhus, Denmark[J]. Waste Management, 2011, 31(7): 1560－1569.

[22] 葛麗煒，夏穎，劉書悅，等. 熱解溫度和時間對馬弗爐制備生物炭的影響[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2018，49(1)： 95－100 . Ge Liwei, Xia Ying, Liu Shuyue, et al. Effect of pyrolysis temperature and time on biochar production in a muffle furnace[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2018, 49(1): 95－100 .(in Chinese with English abstract)

[23] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000：30－34.

[24] 徐明崗，于榮，王伯仁. 長期不同施肥下紅壤活性有機質(zhì)與碳庫管理指數(shù)變化[J]. 土壤學報,2006，43(5)：723－729. Xu Minggang, Yu Rong, Wang Borong. Changes of active organic matter and carbon management index in red soils under long-term different fertilization [J].Acta Pedologica Sinica, 2006, 43(5): 723－729.(in Chinese with English abstract)

[25] Covaleda S, Pajares S, Gallardo J F, et al. Short-term changes in C and N distribution in soil particle size fractions induced by agricultural practices in a cultivated volcanic soil from Mexico[J]. Organic Geochemistry, 2006, 37(12): 1943－1948.

[26] Hao X, Chang C, Larney F J, et al. Greenhouse gas emissions during cattle feedlot manure composting[J]. Journal of Environmental Quality, 2001, 30(2): 376.

[27] 徐玉宏. 我國秸稈焚燒污染與防治對策[J]. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2007(3)：21－24.

[28] 林木森，蔣劍春. 生物質(zhì)快速熱解技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 生物質(zhì)化學工程，2006，40(1)：21－26. Lin Musen, Jiang Jianchun. A review on fast pyrolysis of biomass[J].Biomass Chemical Engineering, 2006, 40(1): 21-26.(in Chinese with English abstract)

[29] 戚紅梅，惠世恩，崔大偉. 生物質(zhì)熱解制炭與制氣一體化研究[J]. 可再生能源，2010，28(1)：115－118. Qi Hongmei, Hui Shi’en, Cui Dawei. Research on the integration of char and gas production from biomass pyrolysis[J]. Renewable Energy Resources, 2010, 28(1): 115－118.(in Chinese with English abstract)

[30] 徐明崗，于榮，王伯仁.土壤活性有機質(zhì)的研究進展[J].土壤肥料，2000(6)：3－7. Xu Minggang, Yu Rong, Wang Boren.Progress on the study of soil active organic matter [J].Soil and Fertilizer, 2000 (6): 3－7.(in Chinese with English abstract)

[31] Gaunt J L, Lehmann J. Energy balance and emissions associated with biochar sequestration and pyrolysis bioenergy production[J]. Environmental Science & Technology, 2008, 42(11): 4152－4158.

[32] 劉國偉. 長期施用生物有機肥對土壤理化性質(zhì)影響的研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2004. Liu Guowei.A Study on the Effect of the Long-term Applying Biological-Organic Compost on the Soil Physical-chemical Properties[D]. Beijing: China Agricultural University, 2004.(in Chinese with English abstract)

[33] 李彬，潘根興，王維錦，等. 施用生物質(zhì)炭對葡萄生長及土壤肥力的影響[J]. 土壤通報，2015，46(5)：1168－1173. Li Bin, Pan Genxing, Wang Weijin, et al. Effects of biochar amendment on wine grape growth and soil fertility[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2015, 46(5): 1168－1173.(in Chinese with English abstract)

[34] 周虎，呂貽忠，李保國. 土壤結(jié)構(gòu)定量化研究進展[J].土壤學報，2009，46(3)：501－506 Zhou Hu, Lü Yizhong, Li Baoguo. Advancement in the study on quantification of soil structure[J]. Acta Pedologica Sinica, 2009, 46(3): 501-506(in Chinese with English abstract)

[35] 郭慧超，邵明安，樊軍. 有機肥質(zhì)量分數(shù)對土壤導水率穩(wěn)定性的影響[J]. 中國水土保持科學，2013，11(6)：7－14. Guo Huichao, Shao Ming’an, Fan Jun. Effects of the organic matter content on the stability of the soil hydraulic conductivity[J]. Science of Soil & Water Conservation, 2013, 11(6): 7－14.(in Chinese with English abstract)

[36] 趙紅，袁培民，呂貽忠，等. 施用有機肥對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響[J]. 土壤，2011，43(2)：306－311. Zhao Hong, Yuan Peimin, Lü Yizhong, et al. Effects of organic manure application on stability of soil aggregates[J]. Soils, 2011, 43(2): 306－311.(in Chinese with English abstract)

[37] 尚杰，耿增超，趙軍，等. 生物炭對塿土水熱特性及團聚體穩(wěn)定性的影響[J]. 應用生態(tài)學報，2015，26(7)：1969－1976. Shang Jie, Geng Zengchao, Zhao Jun, et al. Effect of biochar on thermal characteristics of water and aggregate stability in soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(7): 1969－1976. (in Chinese with English abstract)

[38] 李麗君. 長期施用堆肥對曲周農(nóng)田土壤健康影響[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學, 2017. Li Lijun. Effects of Long-term Compost Application on Soil Health in QuZhou Station[D]. Beijing: China Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

Environmental impacts and returning effects of garden wastes under different disposal methods

Chen Haotian, Zhang Difang, Zhang Baoli，Li Guoxue※

（100193）

The rapid increases of the garden wastes and the related low resources use efficiency have been paid great attention. In order to reuse the garden wastes, the effects of three treatments on garden wastes was investigated. The garden wastes were treated by aerobic composting, pyrolysis and direct incineration. The carbon and nutrient losses, the greenhouse gas emissions, and the effects of corresponding products on the physical and chemical properties of soil were investigated. Incineration was carried out in a closed greenhouse. Muffle furnace under 400 ℃ was used to pyrolysis. Garden waste composting was performed for 29 days using a 60 L composting vessels. A pot-scale test with white clover was carried out to investigate the physical and chemical properties of soil under different treatments of garden wastes. The results showed that the organic carbon loss rate of the garden wastes was 98.62% under the incineration, which was 39.77% and 41.64% higher than that under the aerobic composting and pyrolysis, respectively. The total nitrogen loss rate of wastes was 95.51% under the incineration, which was higher than that under the aerobic composting (22.72%) and pyrolysis (36.65%) respectively. There were no significant differences for the total phosphorus and total potassium loss rates among the three garden wastes treatments. The CO2emission of incineration was 1271.62 g/kg, which was much higher than that of the aerobic composting with the value of 210.71 g/kg, but both the CH4and N2O emissions were relatively low under these two treatments. Generally, both the compost and biochar returning to soil significantly improved the structure of soil aggregates with diameter 0.25-0.053 mm and increased the content of N, P and K; which also improved water permeability. Both of them improved capillary porosity and saturated hydraulic conductivity of the soil, and the effect of compost was better than biochar. Further more, biochar significantly increased the content of soil organic carbon. Aerobic composting is an ideal way to improve soil porosity and decrease pH of the soil. However, the incineration ash return to the soil mainly improved the soil P, K nutrient contents and large particle size aggregates with diameter >0.053 mm, the other effects were not significant. In summary, pyrolysis and aerobic composting are suitable ways for the treatments of garden waste, which provides reference for the better utilization of the resources of the garden wastes.

composting; environmental impacts; soils; garden waste; biochar; incineration; returning effect

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.030

X712

A

1002-6819(2018)-21-0239-06

2018-03-22

2018-06-21

國家重大科研專項 (2016YFD0800202)

陳浩天，研究方向為廢棄物資源化利用。Email：cht1006@sina.com

李國學，教授，主要從事廢棄物資源化利用研究。 Email：ligx@cau.edu.cn

陳浩天，張地方，張寶莉，李國學.園林廢棄物不同處理方式的環(huán)境影響及其產(chǎn)物還田效應[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(21)：239－244. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.030 http://www.tcsae.org

Chen Haotian, Zhang Difang, Zhang Baoli, Li Guoxue. Environmental impacts and returning effects of garden wastes under different disposal methods [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 239－244. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.030 http://www.tcsae.org