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席北斗研究员团队:堆肥在土壤修复与质量提升的应用现状与展望

(来源: 环境工程)
 
研究背景
 
        中国作为一个耕地面积占世界耕地面积约8%的农业大国,随着农业集约化的不断普及与发展,土地的利用率与生产率也在不断提高。与此同时,过度放牧及耕作也对土壤造成了巨大危害,如过量施用化肥、农业废弃物随意焚烧与丢弃等不仅会导致土壤贫瘠、地下水污染和气候变化,还造成了资源的大量浪费。仅2017 年,全国农作物秸秆可收集资源量达到8. 27 亿t ,且以每年5% ~10%的速度递增。作为产生量最大的农业废弃物,绝大部分秸秆被焚烧,只有少部分被用于回收利用。将秸秆直接焚烧或土壤回用,不仅会造成资源的大量浪费,还会导致土壤表层团粒结构受损,致使土壤板结。因此,需要寻找一种环境友好且可持续处理农业废弃物的方法。
 
        堆肥本质上作为一种将有机质腐殖化的方法,有机废弃物可通过堆肥过程形成大分子胡敏酸,且随着形成功能基团类型和数量的不同,胡敏酸的结构也有所变化,可根据不同胡敏酸的特性应用于不同类型污染土壤的修复与质量提升。
 
        腐殖质物质(humic substances, HS)作为有机质的主要组分,根据其能否溶于酸、碱溶液,可分为胡敏酸类物质( humic acid-like, HLA)、富里酸类物质(fulvic acid-like, FLA)和胡敏素类物质(humin-like,HLM)。人工合成HLA 结构会受到实验室条件(如pH、温度、试剂浓度、HLA 物质性质) 的影响。由于从不同样品中提取得到的HLA 的功能基团类型和结构都不相同,因此目前对HLA 的具体结构组成还没有定论。
 
        由于HS 拥有污染物吸附和氧化还原的特性,在土壤污染修复与质量提升方面(如重金属污染、盐渍土修复、有机氯农药降解、生物质回收与全球碳循环等,详见图1) 受到了广泛的关注。随着国家化肥使用量零增长行动方案及垃圾分类、无废城市建设等政策的大力推行,利用堆肥处理分类后的生活垃圾和农业废弃物等有机废物,不仅能有效地对有机废弃物进行回收,还能将堆肥产物作为土壤肥料或土壤修复剂使用,解决土壤污染修复与质量提升上的双重难题。
 
图1 堆肥污染修复与质量提升
 
摘  要
 
        堆肥作为一种经济有效、环境友好的技术手段,通过生物强化将垃圾有机质转变为富含多种功能基团的大分子胡敏酸类的产品,可修复和改善土壤质量,将垃圾中的有效资源最大程度循环固定回土壤中,有效解决我国耕地超负荷种植、有机质持续下降等突出矛盾。对目前国内外利用堆肥在土壤修复与质量提升方面的研究进行了综述,对常见土壤污染类型如重金属污染、盐污染和有机氯农药污染的修复以及土壤碳库质量的提升和全球碳循环进行了详细讨论,并展望堆肥应用的未来,以期对今后有机垃圾处理—胡敏酸类物质工程应用—土壤修复与质量提升全链条深入研究,土壤修复与质量提升技术的理论依据和促进实际应用的发展提供参考。
 
 
01
堆肥在土壤中的应用与评价
 
        堆肥在土壤修复中的应用,实质上也是HS对受污染土壤的修复过程,其修复效果与堆肥过程和堆肥产物中HS的含量与质量息息相关。若要建立一个以有机废弃物为原料的有机肥料商业化市场,还需对堆肥产物的质量评价提出更高的要求。因此,堆肥的发展不仅仅要关注堆肥效率,对堆肥产物质量的评价也至关重要。
 
        堆肥产物的质量不仅受到堆肥原料的种类与来源的影响,同时堆肥过程中HS结构的演变及微生物降解,也会对堆肥产物的质量产生影响,堆肥产物也有不同的作用( 如作土壤修复剂或农业施肥)。获得高利用价值、稳定的最终产物的过程,也是提高营养元素的留存与有效性、阳离子交换能力,增加并改善有机质来源的HLA 的堆肥过程。堆肥产物的质量越高,在恢复和保持土壤肥力、促进有毒有害污染物降解和改善土壤性质方面越有效。因此,对堆肥产物的评价,不仅需要评价其有效性(如养分含量、HLA 的功能团及结构、在土壤中的功能、质量提升效率、原料的分解与转化机制等),还要考虑到堆肥过程成本(如堆肥原料和最终产物的运输与保存、场地和设备等)。因此,维持堆肥成本与高质量堆肥产物之间的相对平衡,才能够促进其在土壤修复与质量提升方面的发展。坎帕拉市曾做过一项民意调查,在使用粪便污泥和城市固体废物为原料的堆肥产物中,把堆肥产物质量由低到高分别进行意愿调查,发现堆肥产物质量越好,农民越愿意购买并代替化肥来使用。因此,如何在保持堆肥成本的同时,尽可能提升堆肥产物的质量,并建立统一的质量评价体系,还需要更加完善的研究。
 
02
重金属污染土壤的修复
 
        重金属在土壤中具有不可降解性,其很容易进入生物链中,从而危害人类、动物和植物的健康。HS可在金属氧化还原过程中充当电子穿梭体,已有研究发现,HS的表面功能基团可能会与重金属反应形成络合物,从而影响金属离子的浓度与迁移性,同时HS 的形成也是堆肥过程中有机质腐殖化的重要过程。因此,在重金属污染土壤中施用含有HS的堆肥产物,可有效对污染土壤进行修复。
 
1. 六价铬的还原
 
        铬(Cr)是一种可在-2~ +6 氧化态间发生氧化还原反应的元素,环境中普遍存在的Cr 为Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)。氧化的Cr(Ⅵ)具有“三致”性,在环境中以可溶性氧化阴离子的形式( 如CrO2-4 、HCrO-4 和Cr2O2-7 )存在。相反,还原态的Cr(Ⅲ)毒性较低,且在维持正常生物体生理功能方面发挥着重要的作用。还原态Cr(Ⅲ)在水和土壤中主要以不溶物的形态存在,如Cr(OH)3 或吸附在土壤矿物表面的有机金属络合物。
 
        Cr(Ⅵ)是一种强氧化剂,通过水和H+ 、矿物表面的电子转移和简单有机分子的氧化还原反应,可以在水和土壤等介质中被还原成三价形式的氧化剂。从水溶液中去除Cr( Ⅵ) 的传统方法包括还原(沉淀)、离子交换、膜分离和表面吸附等。近年来,利用环境友好的方法,如细菌、真菌、藻类、工业和农业废物以及HS(特别是HLA)来治理Cr(Ⅵ)污染也受到了大量的关注。
 
        在大多数对Cr(Ⅵ) 的还原研究中,都是使用商业HLA 或直接从土壤、煤炭或水中提取HLA 来促进Cr(Ⅵ)的还原。然而,由于商业HLA 价格高昂和天然HLA 提取产量较低等原因,限制了HLA 在污染土壤修复中的发展。堆肥也被当作一种成本低廉,且能够稳定而高效地生成HLA 的方法。
 
        在HS 对Cr(Ⅵ)的还原中,HS 主要充当了电子供体和电子受体。因此,HS 的电子转移能力(electron transfer capabilities, ETCs)是影响Cr(Ⅵ)还原的重要因素。由于不同堆肥原料中HS 的ETCs 存在很大差异,因此选择合适的堆肥原料有助于生成大量具有促进Cr(Ⅵ)还原的特定功能基团和结构的HS。
 
        在研究HS 中的哪些功能基团参与了Cr(Ⅵ)还原的问题上,发现HS 组分中的HLA、FLA 和HLM 都拥有还原Cr(Ⅵ)的功能基团,其中包括HLA 的硫醇和酚类功能基、羧基和羰基、苯酚,FLA 的羧基和羟基,HLM 的羧基和羰基等,功能基团的差异与不同的堆肥原料有关。且HLA 和FLA的还原效果要优于HLM。但除了功能基团的作用外, HS 对Cr (Ⅵ) 的还原还受到pH 值、微生物活性、腐殖化程度和HLA 的分子量等因素影响。因此,为克服生物与非生物条件对HS还原效率的影响,增加堆肥过程中形成HS 的还原位点,还需更深入的探索。
 
2. 铁的氧化还原
 
        Fe(Ⅲ)是天然土壤和沉积物中微生物呼吸的重要电子受体。在中性pH 条件下,Fe(Ⅲ) 的溶解度非常低,主要形式为贫结晶和结晶Fe(Ⅲ)(氧合)氧化物。与其他电子受体(如O2 )不同,微生物很难通过Fe(Ⅲ)微粒,因此Fe(Ⅲ) 很难被带入细胞中,细菌必须利用外膜细胞色素才能将电子从细胞中转移到固态铁矿物上。然而,这种电子转移需要细胞与铁(Ⅲ) 矿物直接接触。微生物对Fe(Ⅲ) 的还原通常会受到矿物表面积的限制。电子穿梭可以促进微生物铁(Ⅲ) 还原,天然HS 能够充当电子穿梭机,促进电子供体(如胞外呼吸菌) 和电子受体(如Fe 和Mn 矿物) 之间的电子转移,研究发现, 堆肥过程中生成HS的醌含量和芳香度与Fe(Ⅲ)的还原效率呈正相关 。因此,含高浓度HS的堆肥产物在Fe 氧化还原中拥有巨大的应用潜力。
 
        土壤中Fe 的氧化还原循环过程本质上是电子转移的过程,其循环速率受到土壤微生物和有机质的影响。土壤中Fe 的循环除了会影响C、N 和P 等营养元素的转化外,还是许多金属与准金属的重要反应界面,进而影响金属污染物在土壤中的命运和流动性。如Parsons 等发现重复的Fe 氧化还原循环能有效降低As 的流动性,且在还原条件下流动性的降低高达45%。除了As 外,其他有毒金属(如Cd、Cu 和Zn 等),也能够通过多次氧化还原循环而固定在Fe 氧化物上,但其固定效率与土壤有关,在草地中的固定(95%的Cd、100%的Cu 和30%的Zn)效率要优于耕地,这可能是草地中Mn 含量较高且Mn 的吸附能力比Fe 强所致。
 
        由于HS 表面存在许多与氧化还原有关的活性功能团,可以进一步催化包括多种有机污染物在内的离子与分子的氧化还原。且HS 也可通过微生物的分解作用,将电子转移到低结晶和高结晶Fe(Ⅲ)矿物中。因此,土壤中HS 具有促进Fe 氧化还原循环速率的能力。且堆肥过程中生成的HLA 也能够有效地促进Fe(Ⅲ)还原,从而加快土壤中Fe 氧化还原循环的速率。
 
        这种沿着时空的氧化还原梯度发生的氧化还原反应序列变化也与微生物的活性有关。一般来说,Fe 氧化菌和Fe 还原菌越多,活性越强,Fe 氧化还原速率也就越快。目前,关于利用HS 作为电子供体促进Fe(Ⅲ)还原速率的腐殖质还原菌也逐渐受到关注,如Geobacter metallireducens 和Shewanella alga, Leucobacter、Clostridium sensu stricto 和Sporosarcina, Pseudomonas geniculata PQ01等,都被报道能够促进Fe 的还原。可以推测,在重金属污染土壤中施用含有HS 的堆肥产物,不仅有助于Fe 的氧化还原循环,也有利于其他重金属的生物固定作用。
 
        综上所述,堆肥生成的HS 施加到受污染土壤中时,既可以与微生物共同作用促进重金属的还原,也可以通过促进Fe 的氧化还原而影响重金属的迁移与转化,从而完成对受重金属污染土壤的修复。
 
 
03
盐渍土的修复
 
        土壤退化是世界干旱和半干旱地区作物可持续生产的主要障碍。土壤盐分和养分的缺乏都会对全球农业构成严重威胁。世界上约有20%的耕地面积和50%的灌溉农田受到了土壤盐分的影响。随着受污染水源的直接灌溉和化肥制品的过量使用,预计受过量盐影响的地区将不断扩大。此外,降水量的限制、水分蒸发、水土管理不善等因素也导致土壤盐分进一步加重。过量盐浓度不仅会改变土壤理化性质,而且还会对土壤的结构稳定性和容重产生不利影响,最终影响作物的产量,增加黏土的分散性,降低土壤的渗透性。当碱度过高时还会导致土壤产生结构性问题,如溶解、膨胀,以及一些会导致土壤表面结壳和硬化的因素(这些过程都属于物理过程)等。寻找环境友好技术改善盐渍土并提高作物生产力是当前盐渍土修复的关键。因为微生物能通过各种反应恢复退化土地的肥力,目前常利用微生物活性对盐渍土进行复垦。微生物还能够通过固氮作用和关键营养素(P、K、Fe)向作物的迁移来提高养分的生物利用度,同时通过改善土壤的聚集性和稳定性来修复土壤结构。近年来,在盐渍土的复垦中出现了许多新的技术,如物理改良(深耕、亚土、砂光和剖面反演)、化学改良(用石膏、氯化钙和石灰石改良土壤等改良材料)和电复垦(用电流处理)等。
 
        目前,使用富含HS 的堆肥产物作为受盐污染土壤的土壤改良剂和有机肥料也受到了越来越多的关注。使用环境友好的有机改良剂(如城市生活垃圾、动植物肥料和农业废弃物等的堆肥产物)对土壤进行修复,有利于提高土壤的可持续性。这些有机改良剂的应用显著改善了盐渍土和土壤有机质的物理、化学和生物性质。施用上述有机改良剂还显著增加了受盐影响土壤中的养分浓度,包括N、P、K、有机碳、微生物生物量和酶活性等。使用富含HS 的堆肥产物对盐渍土进行复垦不仅改善了土壤的结构和渗透性,提高盐分淋溶,减少表层蒸发和抑制表层土壤盐分积累,同时还降低了土壤微生物呼吸和分解过程中释放的CO2 。堆肥产物向土壤中持续释放氮不仅改善了土壤肥力,而且还改善了土壤有机质矿化的条件。堆肥有机质矿化受到许多因素的影响,包括原料的碳氮比、堆肥条件、堆肥成熟度、堆肥周期和质量等。此外,盐度(如KCl 和K2SO4) 的增多还对有机质矿化有刺激作用。虽然堆肥产物提供的磷含量与无机肥料相当,但堆肥效应却能够长期存在。
 
        但是,由于营养物质向生态敏感受体的运输,土壤剖面中微量元素的积累及其参与食物链过程等原因,堆肥产物也可能存在潜在的生态和健康风险。过量施用低质量的堆肥产物会导致污染物在土壤中积聚,从而影响微生物的新陈代谢。同时,非选择性的原料收集和堆肥会导致植物和土壤中重金属的积累,从而致使其生物量、叶绿素含量和光合效率降低。施用堆肥产物还会促进硝化过程,在没有作物能够吸收矿化硝酸盐的情况下,易造成地下水的污染。
 
        在施用堆肥产物一定时间内,土壤中的重金属含量提升有限,还不足以将土壤归类为受污染的土壤,但在收集堆肥原料时,仍应加强分离能力,尽可能降低最终堆肥产物中的重金属含量,提高产物中的HS(特别是HLA)浓度,并对堆肥产物进行适当的风险评价,从而将土壤污染的风险降到最低。目前关于堆肥产物潜在风险的判断还需要进一步的研究。
 
04
有机氯污染物的降解
 
        双对氯苯基三氯乙烷(dichlorodiphenyltrichloroethane,DDT)是在世界范围内广泛使用的合成杀虫剂。然而,由于其会通过食物链对野生动物和人体健康产生不良影响,目前在许多国家已禁止使用。人体与低浓度的DDT 直接接触会导致头痛、恶心、呕吐、精神错乱和震颤等症状。此外,DDT 在体内的积累不仅会影响神经系统,增加肿瘤的产生概率,还被发现与胰腺癌等病症的产生有关。美国环境保护署(EPA)已将DDT 及其代谢产物DDD(1,1-二氯-2,2-双(4 氯苯基)乙烷)和DDE(1,1-二氯-2,2-双(4 氯苯基)乙烯)列为优先污染物。然而,在一些发展中国家,DDT 仍被用于公共卫生领域。
 
        对有机氯污染土壤的修复已成为环境保护的优先事项。在对物理、化学和生物修复方法的对比中,发现尽管物理和化学修复方法比生物修复方法生效更快,但对受污染土壤造成的破坏性和侵入性也更大,能耗更高,成本也比生物修复更昂贵。近年来,利用环境友好的材料(如动物粪便堆肥等) 对有机氯污染土壤进行生物修复也开始受到了大量关注。
 
        堆肥过程是外源性降解微生物的主要来源,这些微生物可用于降解污染物或将污染物转化为毒性较小的物质。据报道,堆肥过程中存在能够降解各种有机污染物的微生物。然而,目前关于堆肥中微生物降解DDT 的研究还相对较少。
 
        已有研究表明,施肥可能会影响土壤中农药的降解。如Deng 等发现,在淹水态、最大持水量和相对含水量为60% 的壤土样中施加鸡粪堆肥产物,可有效促进溶解有机碳的生成与p, p’-DDT 的降解,且堆肥产物的施加量越多,p, p’-DDT 降解速率越快。在淹水态条件下,Deng 等也发现鸡粪和活性污泥的堆肥产物也对黏土样中的p, p’-DDT 具有降解作用,且在施用黏土干重2%的鸡粪堆肥和黏土干重3%的活性污泥堆肥产物时,降解率最好,降解率分别为34. 8% 和45. 7%,说明在特定土壤条件下堆肥产物具有降解DDT 污染物的能力,而这些降解功能可能与堆肥过程中生成的真菌有关。
 
        Purnomo 等研究发现:在牛粪堆肥过程分离出的14 株真菌中,大部分与Mucor circinelloides 和Galactomyces geotrichum 菌关系密切,且在30,60 ℃ 的马铃薯葡萄糖液体培养基中均展示出很强的降解DDT 的能力。将这些真菌分离出来,发现其在灭菌和未灭菌土壤中仍具有降解DDT 能力,这展示了堆肥过程中可降解有机氯污染物的真菌接种到土壤中的可能性。另外,Wu 等从木薯渣堆肥中分离出的Kocuria rosea HN01 菌株,该菌株能有效对p, p’-DDT进行脱氯,脱氯率达到71. 3%。Saima 等研究蘑菇渣堆肥样中的Pleurotus ostraetus 菌对4 种六氯环己烷(Hexachlorocyclohexane, HCH) 降解作用,发现未灭菌堆肥样和土壤样中的降解效果最好,对α-HCH异构体、β-HCH 异构体、γ-HCH 异构体和δ-HCH 异构体的降解率分别为58%、26%、45%和64%,其次是堆肥样未灭菌和土壤样灭菌的处理组。说明这些真菌在有机氯污染物降解过程中发挥了至关重要的作用。而且Saima 等还发现,在对堆肥样进行灭菌处理后,土壤样中的HCH 异构体降解率明显减小。更进一步说明堆肥过程中生成的真菌在有机氯污染物降解中重要性。
 
        虽然目前已经在堆肥中发现了许多能够降解有机氯污染物的真菌,但是,也应考虑到堆肥与土壤环境之间的差异。在研究生物活性较强的堆肥时,不应忽略微生物以外条件的作用。比如,在大多数情况下,高温能够促进有机氯污染物的降解,然而这是由于特定的嗜热微生物的作用还是高温的加速降解起主导,还需要更深入研究。同时,有机氯污染物在堆肥过程中的赋存状态也会受到其他因素的影响,如堆肥原料、翻堆次数和有机质的吸附等。
 
05
植物修复后的生物质回收
        对于重金属污染土壤,大多数传统处理方法不但修复成本高、费时费力且技术复杂难以管控,还会产生二次污染。利用植物和微生物去除有毒的环境污染物称为生物修复。与物理化学方法相比,植物修复作为一种高度跨学科技术,具有成本低、破坏性和环境扰动小等优点,在全球范围内受到密切关注,并已成为目前重金属污染土壤修复的一大研究热点。因此,对重金属植物修复后的生物质进行后续处理也至关重要,如果处理不当则会造成严重的环境污染。由于将生物质进行腐殖化处理后施肥对改善土壤性质和促进植物生长都有积极影响,因此堆肥具有处理植物修复后生物质的潜力。然而,相比于植物修复的研究,目前关于植物修复后的生物质堆肥处理报道还比较少。
 
        植物修复后的生物质中还含有许多营养成分,如有机质、氮和磷等,既要考虑到营养元素的回收再利用,也不能忽视其中存在的有毒物质,因此为获得无毒无害的堆肥产品,目前主要考虑通过以下2 种方法来改善堆肥过程。
 
        1)与其他堆肥原料混合:通过将富含重金属的生物质原料与未受污染的干物质和其他生物可降解物质原料以高比例混合,不仅能够增加堆肥最终产物中的HLA 含量,还可以将总重金属含量降到最低,但这项方法需要对混合物的成分进行连续密切的关注,以防止可能会造成的污染。堆肥原料的混合,能够让植物修复后的生物量中的重金属以低浓度的形式返回土壤中,不仅有利于养分的恢复,且使用采后就地堆肥的方式也被认为是一种高效处理有害原料的方法。
 
        2)减少堆肥中的可浸出金属:主要是通过外加化学药剂减少堆肥中可浸出重金属的含量,如Singh等在工厂收集含有多种重金属的水葫芦,并在30 d 的堆肥试验中发现,加入石灰显著地降低了堆肥过程中的水溶性金属(Zn、Cu、Fe 和Cr)、酸透可浸出金属(Zn、Cu、Fe、Ni 和Cr) 和可浸出金属(Zn、Fe、Ni、Cr 和Cd)。
 
        在将植物修复后的生物质堆肥试验中,Uhram S等将从填埋场渗滤液渠道中收集的芦苇和香蒲分别与有益微生物(包括酵母菌、红假单胞菌和热酸菌) 和红糖混合堆肥,对堆肥后的样品进行测定,发现芦苇和香蒲堆肥样中的金属含量均低于韩国污泥回收堆肥标准的10%,且其中的有机质、碳氮含量均高于商业肥料,表明植物修复后的生物质堆肥利用的可能性与高效性。此外,Uhram S 等还通过对油菜和麻栎这2 种植物施肥进行盆栽试验,经过对比,施肥后植物的生物量比未施肥植物的生物量有明显增长,且麻栎中重金属的生物积累与未施肥相比没有显著差异,但油菜中Zn 的积累显著高于未施肥土壤,猜测这可能是因为从填埋场中取的土壤含有一定浓度的重金属和土壤的稀释效应,导致油菜的生长受到限制,最终使积累重金属浓度升高。使用植物修复后的生物质进行堆肥,应关注其可能造成的土壤污染与随后在植物中存在的潜在生物积累。然而,目前关于使用堆肥处理这种生物质的研究比较少,而Uhram S的研究又集中在填埋场的植物修复生物量堆肥回收与土壤施肥,并不能完全预测其他区域的植物修复后生物质堆肥情况。
 
06
土壤有机碳的固定
        土壤是陆地上最大的碳源储藏库,土壤碳库含量是大气碳含量的3 倍左右。过度的放牧与耕种,导致全球土壤不断退化,并向大气中输送大量的CO2,从而使土壤有机碳含量下降。土壤碳库的变化会对全球碳循环造成巨大影响。土壤有机碳的变化受到诸多因素的影响,如环境因素(降雨频率和植物凋零)、全球变暖、生态系统的转变、森林砍伐与造林等。
 
        土壤中有机碳的持久性和稳定性主要取决于土壤中活性碳库与惰性碳库的比值,比值越小,说明土壤有机碳越稳定。这主要是由于活性碳很容易被微生物降解成CO2 排放,因此并不会影响土壤本身碳库的含量。这也证明了像长期施肥这种增加土壤活性碳的方法,并不会对土壤中有机碳的稳定性产生太大的影响,但有研究表明,对氮肥进行一定的处理(如聚合物包膜尿素或生物炭包膜尿素),也能增强有机碳的形成与稳定。然而使用堆肥产物对土壤进行长期施肥,由于堆肥产物中含有大量的HS,可通过HLA 和HLM 的固碳作用,最终促进土壤有机碳的固定。综上所述,可以使用富含HS 的堆肥产物来固定土壤中的有机碳。且用于堆肥产物中HS的浓度与疏水性越高,越有利于封存土壤中的不稳定有机化合物,降低微生物的矿化,减少从土壤中排放出的CO2。
 
        除了增加土壤中有机碳的含量外,对土壤有机碳含量的观测也十分重要。相比对整个土壤有机碳的观察,Chen 等建议检测土壤中不稳定性有机碳,能更直观反映土壤有机碳的稳定状态。由于目前土壤碳损失在逐年增加,如何有效增加土壤碳库中稳定性有机碳的含量,还是目前全球碳循环研究的一大重点。在改善全球碳循坏时,除了关注土壤HS外,还要注意其他因素对土壤的作用,如土地利用方式的转变,气候、水土的侵蚀作用,土壤管理措施的改变等。
 
07
堆肥产品应用风险评价
        在全球对肥料需求持续增加的情况下,堆肥应用的扩展与管理也变得越发重要。但目前我国垃圾分类管理制度还未完善,堆肥原料种类不同且来源各异(大部分为农业废弃物,小部分为粪便和城市生活垃圾),若堆肥不完全,原料中携带的病原体与无机或有机污染物很有可能留存下来,随着堆肥产物的施用而进入环境中。同时,不同原料堆肥过程中的HS 的功能基团和结构演化也不相同,其转化机理也尚不明确,因此还无法稳定获得能够高效修复特定土壤污染的堆肥产物。另外,对使用关于堆肥评价的潜在生态风险因素(如堆肥产物重金属浓度、挥发性有机物的产生与排放、堆肥过程中释放的恶臭等)不同,对堆肥技术应用的风险评价仍没有一个统一的方法。
 
        对堆肥过程和堆肥产物进行准确的风险评估是堆肥在土壤修复方面广泛应用的前提,为此需要寻找对不同堆肥原料和堆肥产物都适用的生态风险因素指标,依据该指标改善堆肥过程从而高效获得稳定的堆肥产物。
 
08
讨论与展望
 
        与传统的物理、化学方法相比,堆肥方法更加经济有效,符合可持续发展的绿色观念。堆肥作为一种将有机质稳定腐殖化的方法,根据不同的土壤需求,堆肥产物本身还可以使用小分子HLA 来提升土壤有机质,真正实现“以废治废”,在土壤污染修复与质量提升方面拥有巨大的应用前景。但目前对土壤样品的原位检测也发现,HLA 物质在土壤中一般为大分子类物质,这与土壤中观测到的HLA 分子形态有明显区别,其原因有待探究。
 
        虽然堆肥能够有效对有机废物进行回用,但也存在一些缺点,如收益较低、堆肥周期长、堆肥产物质量不稳定、运输与储存成本较高等。因此,了解堆肥生物降解过程中HS 转化及相关作用机理,是跨越影响堆肥发展障碍的重要前提。
 
        因此,未来堆肥方面的研究方向主要包括:1)研究不同条件(如高温、添加外源物、微生物接种等)对堆肥产物HS 结构和堆肥周期的影响;2)进一步探明HS 在堆肥过程中的演化机制,从而获得大量具有特定功能的HS;3)尝试不同有机废弃物之间的共堆肥或污染源就地堆肥,减少运输与储存成本;4)对于HS的土壤理化性质改良以及修复作用之间存在的异同且与HS 种类关系,还需要进一步研究。随着研究的不断深入,堆肥过程与堆肥技术的不断改进会使最终的堆肥产物向更环保、更廉价、更高质量、更大规模使用的方向发展。
 
来源:张传严,席北斗,张强,柏思聪,赵昕宇.堆肥在土壤修复与质量提升的应用现状与展望[J].环境工程