專利名稱：利用蚯蚓活動增進垃圾堆肥重金屬有效性的方法
技術領域：
本發明屬于城市環保技術領域，涉及城市垃圾堆肥基質草坪建植體系中的應用，更具體的說是利用蚯蚓活動增進垃圾堆肥基質重金屬及礦質元素有效性的方法。
背景技術：
隨著城市化進程的加快，城市生活垃圾已成為困擾中國大部分城市人民生存環境的一個嚴重問題。如何有效地處理城市生活垃圾，實現無害化、減量化和再資源化，解決城市生活垃圾污染問題，已是擺在我國各級人民政府面前的一個重要課題。盡管城市生活垃圾給人們的生活帶來了嚴重的影響，但城市生活垃圾堆肥中富含的有機質和氮、磷、鉀是優質的有機肥料，合理的加以利用可以變廢為寶。例如在園林綠地中科學的施用城市垃圾堆肥，可明顯促進園林植物的生長，提高生物量。既減輕了環境壓力，解決了城市垃圾堆肥的出路問題，同時又避開了食物鏈是合理利用生物能源的有效方式。
目前，關于生活垃圾堆肥草坪建植已有大量的相關研究報道。例如在土壤中加入生活垃圾堆肥后能明顯促進黑麥草的莖與根系的生長，提高了生物量，改善葉片的色澤和整齊度，提高草坪的密度和質量等等。另外還有研究表明以生活垃圾堆肥為主體材料，組配了草皮培植基質，證明堆肥組配基質其上草坪植物的植株密度、植株高度、根系生長情況、綠期與綠度等指標均符合草皮培植要求，綜合性能指標優于土壤。
在研究了這些優良的性能之后，科研人員進一步的實驗發現生活垃圾堆肥的重金屬離子進入土壤后，大部分與其中的無機，有機組分發生吸附，絡合，沉淀等作用，形成碳酸鹽，磷酸鹽，鐵錳氧化物結合態，有機質硫化物結合態等形式，吸附在土壤顆粒表面或以不溶性沉淀形式存在，使其在土壤中的生物有效量較少，重金屬只有少部分以水溶態和離子交換態存在，其結果是城市生活垃圾堆肥重金屬生物富集的有效性降低。大部分垃圾堆肥中的重金屬離子多以難溶態存在。因此，要提高土壤微生物的代謝活性，提高植物修復效率的關鍵是通過調節土壤環境來提高礦質元素、重金屬的生物有效性，從而使植物吸收并積累更多的礦質元素、重金屬。
蚯蚓為習見的一種陸生環節動物，生活在土壤中，晝伏夜出，以腐敗有機物為食，連同泥土一同吞入。蚯蚓也攝食植物的莖葉等碎片。蚯蚓可使土壤疏松、改良土壤、提高肥力，促進農業增產。蚯蚓可顯著增加土壤中全氮和氮、磷、鉀有效養分含量，并可提高土壤中脲酶、蔗糖酶和微生物活性，增強土壤供肥性能。關于蚯蚓活動可以促進植物生長已被大量研究所證實，在未污染土壤中蚯蚓活動能促進植物增產；也有研究表明，在Cu、Cd污染的土壤中，蚯蚓活動能顯著提高黑麥草的地上生物量；在三種不同濃度的Cd、Fe、Zn、Cu、Pb污染土壤上蚯蚓活動增加了黑麥草產量。砂土和復墾土放入蚯蚓后，西紅柿的莖長、根長和干重均明顯高于對照。實驗室條件下，蚯蚓的放入對Poa annua(一年生早熟禾)的生長有明顯的促進作用。在小麥與苜蓿間作的實驗中，蚯蚓能顯著提高小麥的生物量等等。
上述的研究均涉及的是植物的產量性狀等一些表觀問題，而關于如何草坪建植體系中，利用蚯蚓活動增進垃圾堆肥基質礦質元素、重金屬的有效性問題，尚未見有相關的文獻研究報道。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種利用蚯蚓活動增進垃圾堆肥基質重金屬及礦質元素有效性的方法。
本發明在試驗中意外地發現在生活垃圾堆肥中放入一定比例的蚯蚓，通過特定的培養，從而達到增進城市生活垃圾堆肥基質中礦質元素、重金屬有效態的含量的目的，鑒于上述發現完成了本發明的試驗工作。
本發明的技術方案如下 利用蚯蚓活動增進垃圾堆肥基質重金屬及礦質元素有效性的方法，其特征在于取底部有透氣孔的容器，在容器墊一層紗布，裝入過20目篩的生活垃圾堆肥2-4kg，放入蚯蚓40-80條，并在容器的堆肥基質表面分別播撒草坪植物1.5-3g，在自然光照下生長，室內的溫度和相對濕度分別為15-21℃和34-39％，每天噴撒適量水，以保持基質持水量為60-65％，45天后測定生活垃圾堆肥基質礦質元素、重金屬有效態各項指標。
本發明所述的生活垃圾基質草坪建植體系中，草坪植物為黑麥草、高羊茅或草地早熟禾。
本發明所述的底部有透氣孔的容器，一般可選擇塑料盆、陶瓷盆、泥土盆等等。根據實際的需要可以擴大為植被的草坪，花壇，園林綠地、公園里的人造假山等等。
生活垃圾堆肥一般以天津市小淀生活垃圾堆肥為供試基質。
本發明所述的自然光照下生長，光照時間為7～8小時。
本發明所述的礦質元素是指除C、H、O以外，主要由根系從土壤中吸收的元素。一般植物必需的礦質元素有13種，其中N、P、K、S、Ca、Mg屬大量元素；Fe(也可稱為半微量元素)、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl屬微量元素。”而據最新版《植物生理學》(高等教育出版社)資料，現已證明有16種礦質元素為植物生長所必需，即把Si、Na、Ni也列為植物必需的礦質元素，其中Si為大量元素，Na、Ni為微量元素。
本發明優選的礦質元素、重金屬為Cd、Cr、Zn、Cu、Pb、Ni或Fe。更加優選的是Cd、Cr、Ni、Cu、Pb、Zn。
本發明進一步公開了利用蚯蚓活動來提高城市垃圾堆肥基質重金屬有效態含量方面的應用。
本發明同時也公開了利用蚯蚓活動來提高城市垃圾堆肥基質礦質元素有效性方面的應用。
為了能更加清楚的說明本發明的使用方法及實際效果，下面通過具體的實驗進一步闡述本發明的實驗方法及應用效果 1技術發明研制材料與方法 1.1實驗材料 以天津市小淀生活垃圾堆肥為供試基質。草坪植物選用我國北方比較常見的多年生黑麥草(Lolium perenne L.)、高羊茅(Festuca arundinaceaL.)和草地早熟禾(Poa pratensis L.)。蚯蚓采用天津寧河賈立明蚯蚓養殖公司提供的赤子愛勝蚓(Eisenia fetida)。
1.2技術發明試驗設計 取18×20cm、底部有透氣孔的塑料盆，在盆底墊一層紗布，保證透氣性良好，再鋪一層潮濕的泥土，防止蚯蚓從底部鉆出。每盆裝入過20目篩生活垃圾堆肥2kg，蚯蚓洗凈，并放在搪瓷盤中吐土一天，每盆放入蚯蚓40條，在堆肥基質表面分別播撒黑麥草、高羊茅、早熟禾草種1.5g，以不放蚯蚓的為對照，3次重復。實驗在室溫條件下進行，自然光照下生長，平均光照時間為7～8h，室內的溫度為15-21℃，相對濕度34-39％。每天噴撒適量水，保持田間持水量為60％直至實驗結束。45d后測定城市生活垃圾堆肥重金屬及礦質元素有效態含量各項指標。
1.3技術指標測定方法 1.3.1堆肥中礦質元素、重金屬的有效形態分析 稱取2.5g過20目篩的堆肥樣品于100ml塑料離心管中。用去離子水(液土比10∶1)提取(H2O-)，恒溫振蕩30min，離心(4000r/min)10min，過濾后上清液待測；殘渣加0.01mol/L CaCl2(液土比10∶1)繼續提取(CaCl2-)，恒溫振蕩30min，離心(4000r/min)10min，過濾后上清液待測；殘渣加DTPA(二乙基三胺五乙酸)(pH＝7.3、液土比2∶1)浸提(DTPA-)，恒溫振蕩2h，離心(4000r/min)10min，過濾后上清液待測。上清液分別用原子吸收分光光度法測定重金屬含量。
DTPA(二乙基三胺五乙酸)浸提液(pH 7.30)的成分0.005mol·L-1DTPA-0.01mol·L-1CaCl2-0.1mol·L-1TEA(三乙醇胺)。
配制準確稱取DTPA(分析純)1.967g溶于TEA 14.92g(或13.3ml)和少量水中；再將氯化鈣(CaCl2·H2O)1.47g(或無結晶水氯化鈣1.11g)溶于水中，一并轉入1L容量瓶中，加水至約950ml，在pH計上用6mol·L-1HCl調節pH至7.30(每升浸提液約需加6mol·L-1HCl 8.5ml或加入濃硫酸4～5ml)，最后用水定容(鮑士旦，2000)。
1.3.2土壤pH值的測定 用蒸餾水浸提，液土比為5∶1，用pH計測定。
1.3.3數據處理 數據分析采用EXCEL和SPSS 12.0分析軟件進行處理。
2結果與分析 2.1蚯蚓活動對堆肥基質Cd有效性含量的影響 放入蚯蚓處理后，黑麥草草坪建植體系中，H2O-Cd、DTPA-Cd含量及3種有效態含量總和高于未放蚯蚓的對照(表1)，但對黑麥草草坪建植體系中CaCl2-Cd含量影響較小；放入蚯蚓的高羊茅草坪建植體系中，CaCl2-Cd、DTPA-Cd含量及3種有效態含量總和均低于對照；放入蚯蚓的早熟禾草坪建植體系中，H2O-Cd、DTPA-Cd含量及3種有效態含量總和低于未放蚯蚓的對照，且兩者間差異極顯著(P＜0.01)。
表1蚯蚓對堆肥有效態Cd含量的影響(mg·g-1)
*P＜0.05，**P＜0.01 2.2蚯蚓活動對堆肥基質Cr有效性含量的影響 放入蚯蚓的黑麥草草坪建植體系中，H2O-Cr、CaCl2-Cr、DTPA-Cr含量及3種有效態含量總和均高于對照(表2)，其中DTPA-Cr的含量處理與對照間差異顯著(P＜0.05)；放入蚯蚓的高羊茅草坪建植體系中，H2O-Cr、CaCl2-Cr含量及3種有效態含量總和均高于對照；放入蚯蚓的早熟禾草坪建植體系中，H2O-Cr、CaCl2-Cr含量及3種有效態含量總和均高于對照且與對照間差異極顯著(P＜0.01)，放入蚯蚓的早熟禾草坪建植體系中，DTPA-Cr的含量低于對照且與對照間差異極顯著(P＜0.01)。
表2蚯蚓對堆肥有效態Cr含量的影響(mg·g-1)
*P＜0.05，**P＜0.01 2.3蚯蚓活動對堆肥基質Cu有效性含量的影響 放入蚯蚓的黑麥草草坪建植體系中，DTPA-Cu含量及3種有效態含量總和均高于對照且DTPA-Cu含量與對照間差異顯著(P＜0.05)(表3)，3種有效態含量總和與對照間差異極顯著(P＜0.01)；放入蚯蚓的高羊茅草坪建植體系中，DTPA-Cu及3種有效態含量總和低于對照；放入蚯蚓的早熟禾草坪建植體系中，的CaCl2-Cu、DTPA-Cu含量及3種有效態含量總高于對照且均與對照間差異極顯著(P＜0.01)。
表3蚯蚓對堆肥中效態Cu含量的影響(mg·g-1)
＊P＜0.05，＊＊P＜0.01 表4蚯蚓對堆肥中有效態Ni含量的影響(mg·g-1)
*P＜0.05，**P＜0.01 2.4蚯蚓活動對堆肥基質Ni有效性含量的影響 放入蚯蚓的黑麥草草坪建植體系中，H2O-Ni、CaCl2-Ni、DTPA-Ni含量及3種有效態含量總和均低于對照(表4)；放入蚯蚓的高羊茅草坪建植體系中，H2O-Ni、DTPA-Ni含量及3種有效態含量總和均低于對照；放入蚯蚓的早熟禾草坪建植體系中，CaCl2-Ni、DTPA-Ni含量及各有效態含量總和高于對照，且均與對照間差異極顯著(P＜0.01)。
2.5蚯蚓活動對堆肥基質Pb有效性含量的影響 放入蚯蚓的黑麥草草坪建植體系中，DTPA-Pb含量及3種有效態含量總和均高于對照(表5)；放入蚯蚓的高羊茅草坪建植體系中，H2O-Pb、DTPA-Pb含量及3種有效態含量總和均低于對照，且處理與對照間3種有效態含量總和差異極顯著(P＜0.01)；放入蚯蚓的早熟禾草坪建植體系中，H2O-Pb、CaCl2-Pb、DTPA-Pb含量及3種有效態含量總和均高于對照，其中DTPA-Pb含量處理與對照間差異極顯著(P＜0.01)。
表5蚯蚓對堆肥中有效態Pb含量的影響(mg·g-1)
*P＜0.05，**P＜0.01 2.6蚯蚓活動對堆肥基質Zn有效性含量的影響 放入蚯蚓的黑麥草和高羊茅草坪建植體系中，H2O-Zn、CaCl2-Zn、DTPA-Zn含量及3種效態含量總和低于對照(表6)；但早熟禾草坪建植體系中，正好相反，放入蚯蚓處理的各有效態及其總和均高于對照，且處理與對照間均有極顯著差異(P＜0.01)。
表6蚯蚓對堆肥中有效態Zn含量的影響(mg·g-1)
*P＜0.05，**P＜0.01 3研制結論 礦質元素、重金屬在土壤中的存在形態與其對植物的有效性密切相關。水溶態(H2O提取態)、交換態(CaCl2提取態)的植物有效性較高，DTPA提取態與植物吸收也有良好的相關性，常作為土壤中礦質元素、重金屬的生物有效性的容量指標。本研究通過上述實驗測定了蚯蚓活動對礦質元素、重金屬水溶態、交換態和DTPA提取態含量的影響，探究了蚯蚓活動對堆肥中礦質元素、重金屬的存在形態、可利用形態的影響，為進一步研究蚯蚓活動對植物修復效率的影響提供了依據。
從總體來說，本實驗中蚯蚓活動對草坪建植體系中，礦質元素、重金屬各有效態的含量的影響較顯著。礦質元素、重金屬有效態含量的增加有利于植物對重金屬的吸收與富集。因此蚯蚓活動引起土壤中礦質元素、重金屬形態向植物可吸收態轉化的過程得到了加強。但從試驗的結果也可以看出垃圾堆肥是礦質元素、重金屬復合污染體系，不同礦質元素、重金屬之間存在協同、拮抗作用對礦質元素、重金屬離子的存在形態及其以生物有效態存在的多少都有一定的影響。另一方面與不同植物的不同根系分泌物也有關，這還有待于進一步的研究與探討。
具體實施例方式 下面結合實施例對本發明做進一步的描述。
實施例1 原料來源以天津市小淀生活垃圾堆肥為供試基質。草坪植物選用我國北方比較常見的多年生黑麥草(Lolium perenne L.)、高羊茅(Festucaarundinacea L.)和草地早熟禾(Poa pratensis L.)。蚯蚓采用天津寧河賈立明蚯蚓養殖公司提供的赤子愛勝蚓(Eisenia fetida)。
制備方法取18×20cm、底部有透氣孔的花盆，在盆底墊一層紗布，以保證透氣性良好和防止蚯蚓從底部鉆出。每盆裝入生活垃圾堆肥2kg，放入蚯蚓40條，并在每盆的堆肥基質表面分別播撒黑麥草、高羊茅草種1.5g，進行草坪建植；實驗以不放蚯蚓的為對照，3次重復。實驗在室溫條件下進行，自然光照下生長，每天光照時間為8小時，室內的溫度和相對濕度分別為15℃和34％。每天噴撒適量水，以保持基質持水量為60％。45d后測定城市生活垃圾堆肥重金屬及礦質元素有效態含量各項指標。
測定方法稱取2.5g過20目篩的堆肥樣品于100ml塑料離心管中。用去離子水(液土比10∶1)提取(H2O-)，恒溫振蕩30min，離心(4000r/min)10min，過濾后上清液待測；殘渣加0.01mol/L CaCl2(液土比10∶1)繼續提取(CaCl2-)，恒溫振蕩30min，離心(4000r/min)10min，過濾后上清液待測；殘渣加DTPA(pH＝7.3、液土比2∶1)浸提(DTPA-)，恒溫振蕩2h，離心(4000r/min)10min，過濾后上清液待測。上清液分別用原子吸收分光光度法測定金屬、重金屬含量。
DTPA(二乙基三胺五乙酸)浸提液(pH 7.30)的成分0.005mol·L-1DTPA-0.01mol·L-1CaCl2-0.1mol·L-1TEA(三乙醇胺)。配制準確稱取DTPA(分析純)1.967g溶于TEA 14.92g(或13.3ml)和少量水中；再將氯化鈣(CaCl2·H2O)1.47g(或無結晶水氯化鈣1.11g)溶于水中，一并轉入1L容量瓶中，加水至約950ml，在pH計上用6mo l·L-1HCl調節pH至7.30(每升浸提液約需加6mol·L-1HCl 8.5ml或加入濃硫酸4～5ml)，最后用水定容(鮑士旦，2000)。測定結果如下 表1蚯蚓對堆肥有效態Cd含量的影響(mg·g-1)
表2蚯蚓對堆肥有效態Cr含量的影響(mg·g-1)
表3蚯蚓對堆肥有效態Cu含量的影響(mg·-1)
表4蚯蚓對堆肥有效態Ni含量的影響(mg·g-1)
表5蚯蚓對堆肥有效態Pb含量的影響(mg·g-1)
表6蚯蚓對堆肥有效態Zn含量的影響(mg·g-1)
實施例2 原料來源同上。
制備方法取18×20cm、底部有透氣孔的花盆，在盆底墊一層紗布，以保證透氣性良好和防止蚯蚓從底部鉆出。取底部有透氣孔的花盆，在盆底墊一層紗布，每盆裝入生活垃圾堆肥4kg，80條，并在每盆的堆肥基質表面分別播撒草坪植物3g，在室溫條件下進行，自然光照下生長，每天光照時間為7小時，室內的溫度和相對濕度分別為21℃和39％。每天噴撒適量水，以保持基質持水量為65％。45d后測定城市生活垃圾堆肥重金屬及礦質元素有效態含量各項指標，測定方法同實施例1。測定各項指標結果如下 表1蚯蚓對堆肥有效態Cd含量的影響(mg·g-1)
表2蚯蚓對堆肥有效態Cr含量的影響(mg·g-1)
表3蚯蚓對堆肥有效態Cu含量的影響(mg·g-1)
表4蚯蚓對堆肥有效態Ni含量的影響(mg·g-1)
表5蚯蚓對堆肥有效態Pb含量的影響(mg·g-1)
表6蚯蚓對堆肥有效態Zn含量的影響(mg·g-1)
在詳細說明的較佳實施例之后，熟悉該項技術人士可清楚地了解，在不脫離上述申請專利范圍與精神下可進行各種變化與修改，凡依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發明技術方案的范圍。且本發明亦不受說明書中所舉實例實施方式的限制。
權利要求
1、利用蚯蚓活動增進城市生活垃圾堆肥基質重金屬及礦質元素有效性的方法，其特征在于取底部有透氣孔的容器，在容器墊一層紗布，裝入過20目篩的生活垃圾堆肥2-4kg，放入蚯蚓40-83條，并在容器的堆肥基質表面分別播撒草坪植物1.5-3g，在自然光照下生長，室內的溫度和相對濕度分別為15-21℃和34-39％，每天噴撒適量水，以保持基質持水量為60-65％，45天后測定城市生活垃圾堆肥重金屬及礦質元素有效態含量各項指標。
2、如權利要求1所述的方法，其中所述的光照時間為7～8小時。
3、如權利要求1所述的方法，其中所述的礦質元素、重金屬為Cd、Cr、Zn、Cu、Pb或Ni。
4、權利要求1所述的方法在制備提高城市垃圾堆肥基質重金屬有效性方面的應用。
5、權利要求1所述的方法在制備提高城市垃圾堆肥基質礦質元素有效性方面的應用。
全文摘要
本發明涉及利用蚯蚓活動增進城市生活垃圾堆肥基質草坪植物吸收重金屬及礦質元素有效性的方法，它是取底部有透氣孔的容器，在容器墊一層紗布，裝入過20目篩的生活垃圾堆肥2-4kg，放入蚯蚓40-80條，并在容器的堆肥基質表面分別播撒草坪植物1.5-3g，在室內溫度和相對濕度分別為15-21℃和34-39％下生長，每天噴撒適量水，以保持基質持水量為60-65％，45天后刈割草坪植物，測定重金屬及礦質元素有效態含量。本發明的方法能使城市生活垃圾堆肥基質有效態重金屬的含量提高，同時也增強了礦質元素的有效性，更有利于促進植物對礦質元素、重金屬的吸收與富集。
文檔編號C05F9/04GK101337837SQ200810054110
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月12日 優先權日2008年8月12日
發明者多立安, 趙樹蘭, 張玥含 申請人:天津師范大學