随着我国对生态环境的日益重视，城市园林绿化面积不断增加。根据北京市园林绿化局统计，2016 年北京市绿化覆盖面积已达 87449.84 hm2 ，实有树木 14947.73 万株，实有草坪 19773.40 万 m2 ，分别较 2007 年增加了 1.92、1.73 和 1.62 倍[1-2]。园林绿化面积的持续扩大也使得树枝修剪物、草坪修剪物、枯枝落叶、杂草和残花等园林废弃物产量剧增，传统的城市园林废弃物处置方式一般是将其随城市生活垃圾一起进行焚烧或填埋，不仅造成资源浪费，也带来环境污染，处理利用水平明显落后于发达国家[3-4]。近年来，针对园林废弃物资源化利用途径的研究和应用不断增多，其中通过好氧发酵生产堆肥及热解炭化制作生物炭是主要趋势[5-6]。多数研究表明，园林废弃物堆肥处置后还田具有改善土壤理化性质与促进植物生产的功能[7-8]，显著改善土壤紧实度和土壤团聚体状况，增加土壤有机质、养分含量及土壤阳离子交换量[9-10];热解制备的生物炭具有含碳量高、比表面积大、疏松多孔等特性[11-12]，施用于土壤后能够改善土壤团聚体结构和土壤孔隙状况[13-14]，提高土壤有机质含量，改善土壤保水、保肥性能[15-17]。不同园林废弃物处理利用方式的温室气体排放与环境影响问题也越来越受到关注，有部分研究针对堆肥过程和生物炭制备过程的温室气体排放进行监测[18-20]，更多研究是利用全生命周期(LCA)和 IPCC 经验模型进行估算[20-21]。总体看，针对园林废弃物单项处理方式的相关研究较多，针对不同处理方式的综合比较研究很少。
本研究以北京市园林废弃物为对象，选择焚烧、好氧堆肥以及热解制备生物炭 3 种处理方式，通过比较其营养元素转化、温室气体排放特征，以及处理后产物对土壤理化性质影响等，探讨不同处理方式的环境效应和资源效率，以期为城市园林植物废弃物的资源化处理利用提供科学依据。
1 材料和方法
1.1 试验材料试验所用园林绿化废弃物取自北京城市绿化管理处在海淀区上庄镇的园林废弃物堆放场。随机从堆放场的 3 个不同位置各收集 5 kg 废弃物进行混合，进行组分构成和元素含量考察。园林绿化废弃物主要成分包括枯枝、枯草和落叶，将 3 种废弃物混合物人工剪为 1～2 cm，置于 55 ℃的烘箱内烘干 8 h 后分类称质量，测得其干质量比例为 2∶2∶1，废弃物混合物的主要元素含量及碳氮比如表 1 所示。
1.2 试验设计园林绿化废弃物设置直接焚烧、好氧堆肥和热解碳化 3 种处理方式，处理后得到的灰分、堆肥和生物炭进行还田效应比较，试验在中国农业大学上庄试验站进行。各处理的具体操作如下：直接焚烧：称取 1 kg 园林绿化废弃物混合物放置于密闭温室(长 20 m、宽 6 m、顶高 2.5 m)的燃烧炉中焚烧，每次焚烧 200 g，间隔 20 min 再烧下一次，连续焚烧 5 次。燃烧前后分别在温室的底部(距离地面 0.5 m)、中部(距离地面 1.3 m)、顶部(距离地面 2 m)3 个位置放置静态箱收集气体，装入气体采集袋，测定其温室气体含量;将燃烧后的灰分分次进行收集，测定灰分质量及其全碳、全氮、全磷、全钾含量。好氧堆肥：称取 10 kg 园林绿化废弃物混合物，加入去离子水使其含水率达到 65%左右，同时加入微生物催腐菌剂(北京沃土公司 VT4000)100 g。混合均匀后放入容量为 60 L 的发酵罐中进行好氧堆肥。堆肥周期共 29 d，通风供氧方式为机械强制通风和定期翻堆，整个堆肥周期中通风速率统一设定为 0.2 m3 /h。每 7 d 测定一次发酵罐中气体流量和气体成分含量，重复 3 次。发酵结束后，将得到的堆肥产品烘干称量质量，粉碎后测定碳及主要营养成分含量，3 次重复测定。热解碳化：每次称取 200g 园林绿化废弃物混合物，置于隔绝空气的密闭马弗炉内，在控制温度 400℃下热解碳化 5 h[22]，连续处理 3 次。分次收集得到的生物炭并称量质量，测定生物炭中的碳及主要营养成分含量。
1.3 试验项目与方法养分元素及碳含量测试：全氮采用凯氏定氮法测定，使用仪器为 FOSS 公司 KJELTEC 2100 全自动凯氏定氮仪;全磷采用钼锑抗吸光光度法测定，使用仪器为 752 紫外光栅分光光度计;全钾采用火焰光度法测定，使用仪器为 FP640 火焰光度计;土壤有机碳采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法测定[23];土壤活性有机碳采用高锰酸钾氧化法测定[24]。
2 结果与分析
2.1 不同处理方式的碳素及养分变化情况有机碳及养分含量可以直观的反应处理后产品的营养价值。表 2 给出了不同处理方式前后单位质量园林废弃物中有机碳及营养元素的变化情况。
从表 2 中可以发现，园林废弃物经 3 种处理后，有机碳和氮磷钾养分均存在不同程度的损失。与处理前相比，焚烧的有机碳和全氮损失均最多，总损失率分别为 98.62%和 95.51%;这主要是因为焚烧将园林废弃物中的碳和氮元素直接转化为一氧化碳、二氧化碳及氮氧化物等气体形式损失[27]。相比之下，热解和好氧堆肥过程中有机碳的损失率相差不大，均在 70%左右，焚烧处理的有机碳损失比好氧堆肥、碳化处理高 39.77%和 41.64%;而好氧堆肥过程中的总氮损失量(22.72%)显著低于而热解制备生物炭过程中总氮损失(36.65%)，保氮效果好。
2.2 不同处理方式温室气体排放比较焚烧过程产生大量高浓度 CO2，但 CH4、N2O 排放量很小;本研究根据焚烧烟气收集及气谱测试分析的结果，结合焚烧时间和室内体积计算的 CO2 排放量为 1271.62 g/kg(表 3)。好氧堆肥过程也有大量的 CO2排放，但 CH4、N2O 排放量相对较低;热解制备生物炭过程中产生的气体主要包括 CO2、CO、CH4及 C2H4、C2H6、NH3、 HCN 等，这些气体在生产过程中回收循环利用，可以忽略其温室气体排放 [28-29] 。综合比较看，热解制备生物炭过程没有温室气体排放，好氧堆肥 CO2、CH4、N2O 的排放量均明显少于焚烧，两者温室气体排放量均以 CO2 最高，CH4、N2O 排放量很小。
2.3 不同处理产物还田对土壤碳、团聚体及理化性状的影响
2.3.1 对土壤有机碳和活性有机碳的影响比较土壤有机碳是土壤肥力的重要指标，其含量越高，土壤越肥沃，耕性越好，丰产性能越持久。而活性有机碳是土壤有机碳的活性部分，是指土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解矿化、对植物养分供应有最直接作用的一部分有机碳[30]。园林绿化废弃物经不同处理得到的产品(有机肥、生物炭及灰分)还田后对土壤有机碳和活性有机碳含量的影响如图 1 所示。
2.3.2 对土壤物理性状的影响 1)土壤容重和孔隙状况变化土壤容重说明土壤的松紧程度及孔隙状况，能够反映土壤的透水性、通气性和根系生长的阻力状况，是土壤物理性质的一个重要指标。不同产品还田对土壤容重和孔隙状况有不同程度的影响(表 4)。尽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]。但在本次试验中，堆肥、生物炭及灰分还田后对土壤容重的影响相较于对照处理均无显著性差异。这可能是因为本次试验持续时间较短，而土壤容重的降低是个缓慢的过程。此外，本次施用的堆肥产品为园林废弃物堆肥，其有机质含量远低于传统畜禽粪便堆肥，这也可能是导致土壤容重无显著变化的原因之一。土壤孔隙度表明土壤中空隙的体积，其大小直接影响土壤中空气含量和透水性，并对作物的生长及土壤环境和微生物活性等发挥着不同的调节功能[34]。堆肥还田后土壤毛管孔隙度增加了 12.55%，这主要是因为堆肥提供了较多稳定的腐殖质和未腐熟的生物质，促进了土壤团粒结构的形成，使土壤孔隙增加。在本次试验中，生物炭及灰分还田后毛管孔隙度及总孔隙度相较对照处理并无显著性差异。2)土壤饱和导水率变化土壤饱和导水率是土壤被水饱和时，单位水势梯度和单位时间内通过单位面积的水量，是反映土壤管理措施对土壤渗透性能影响的指标。不同物料还田对土壤饱和导水率的影响如图 2 所示。堆肥和生物炭还田后显著提高了土壤饱和导水率(P<0.05)，而灰分还田对土壤饱和导水率的影响不显著。堆肥还田后的土壤饱和导水率显著高于生物炭还田(P<0.05)，这主要是由于堆肥产物富含有机质和腐殖质，有机质中含有脂、树脂、蜡等，能浸润土壤颗粒，使其具有疏水性，减弱毛管水移动速度，使土壤水分的蒸发量减少，从而增强了土壤的保水能力，土壤饱和导水率随之增加[35]。生物炭具有较大比表面积，能够增强土壤持水性能，本次试验由于生物炭还田数量相对较少，对土壤容重及孔隙度改善效果未达到显著水平，但仍然明显提高了土壤饱和导水率。
3 结 论
1)好氧堆肥处理对园林废弃物保氮效果好，其产品氮素含量显著高于热解制备生物炭;而焚烧处理后炭氮损失均为最高。 2)园林绿化废弃物焚烧和好氧发酵温室气体排放主要以 CO2为主，焚烧处理排放的 CO2量达到 1271.62 g/kg，好氧堆肥 CO2 排放为 210.71 g/kg;但焚烧和好氧堆肥 CH4、N2O 的排放量相对都很小。 3)园林废弃物经堆肥及热解制备生物炭处理后还田均可促进土壤中的微团聚体(<0.053 mm)向<0.25～ 0.053 mm 团聚体转化，并显著提高土壤中的 N、P、K 含量;两者均能提高土壤饱和导水率，堆肥产品对土壤饱和导水率提高效果优于生物炭还田。生物炭还田后还可提高土壤有机碳含量，而堆肥产品还田后可增加土壤中毛管孔隙度，有效降低土壤 pH 值。焚烧灰分还田后除提高土壤 P、K 养分含量及大粒径团聚体外，对土壤碳提高及改良土壤的效果不明显。
[参 考 文 献]
[1] 北京市园林绿化统计年鉴[M]. 北京市园林绿化局，2007.
[2] 北京市园林绿化统计年鉴[M]. 北京市园林绿化局，2016.
[3] 周丽. 城市园林绿化植物废弃物资源化利用现状[J].江苏林业科技，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)
《园林废弃物不同处理方式的环境影响及其产物还田效应》来源：《农业工程学报》，作者：陈浩天，张地方，张宝莉，李国学※