有機改良材料對道路綠地土壤肥力的影響

沈辰

(上海奉賢園林綠化工程有限公司，上海 201499)

城市綠地生態系統是城市中唯一的自然生態系統，對城市生態文明建設和居民幸福感提升具有重要意義。綠地由于可以為城市及其居民提供至關重要的生態系統服務，包括改善空氣質量、減緩氣候變化、控制雨水和提供休閑活動空間等，越來越被認為是城市可持續發展和生態環境安全的重要因素之一[1]。道路綠地是城市綠地生態系統的重要組成部分，道路綠地植被可以消減車輛行駛產生的噪音，對汽車尾氣等污染氣體也具有一定的吸附作用。綠地土壤是綠地植被的生長介質，土壤質量會直接影響植被生長狀況，進而影響綠地景觀的生態效應[2]。道路綠地一般立地條件較差，人為踐踏嚴重，且養護措施較公園綠地和公共綠地更少，容易出現土壤肥力較低、植物長勢差等問題[3]。通過人為措施改良道路綠地土壤肥力質量，可有效提高道路綠地的植被成活率，營造更好的道路綠地景觀效果。

曹剛等[4]研究表明，枝條堆肥和生物有機肥混合施用可以有效降低表層土壤pH，并提升土壤有機質和堿解氮含量，但單獨施用羊糞會導致土壤pH升高。槐圣昌等[5]研究表明，施用有機肥可以降低土壤容重、土壤緊實度，同時提高土壤含水量，還能顯著增加植被根長密度、根尖數密度和根平均直徑。曹春霞等[6]研究還表明，有機管理在總體上可顯著降低土壤Cr、Cu、Ni、Zn含量。據估算，單位面積城市綠地的園林綠化廢棄物年產量平均值在1～1.5 kg·m-2[7]，截至2019年，上海市綠地面積為157 785 hm2[8]，園林綠化廢棄物年產量在158萬～237萬t。園林綠化廢棄物中有機碳、全氮、全磷、全鉀含量平均為40%、1%、0.2%和1%，具有較大的土地資源利用潛力[7]。

近年來，有機改良材料在培肥土壤的生產實踐中被大規模應用，其應用效果也被廣泛關注。盡管如此，有機改良材料的應用在理論和實踐中仍存在一些問題，如有機肥的來源問題，有機肥來源種類眾多，不同種類有機肥對土壤質量和植物生長的影響存在一定的差異；有機改良材料的施用量也是一個重要的問題，施用量過多或者不足都會對土壤培肥效果和植被長勢產生影響。本研究擬采用草炭、生物有機肥和園林綠化廢棄物堆肥等有機改良材料，在道路綠地設置小區試驗，在有機改良材料的實際應用場景中進行土壤培肥效果的研究。旨在明確園林綠化廢棄物施用對土壤肥力質量和土壤重金屬含量的影響，為道路綠地土壤的培肥技術和城市主要有機固體廢棄物的資源化利用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在上海市奉賢區澤園路進行，地理坐標121°50′E、30°84′N，位于長江三角洲地區，土壤類型為潮土，屬于平原地貌，年平均氣溫15.7 ℃，年降水量1 100 mm左右，屬亞熱帶濕潤季風氣候。

以草炭、綠化廢棄物堆肥和生物有機肥作為改良材料，其中：草炭取自吉林省敦化市林地沼澤化形成的草炭地；綠化廢棄物堆肥為上海市行道樹修剪的枝條，經粉碎機粉碎成1～3 mm粒徑后堆肥6個月腐熟的成品；生物有機肥為畜禽糞便經發酵腐熟后添加有益微生物活性菌的腐熟產品。改良材料化學性質見表1。

表1 供試改良材料的基本性質

1.2 處理設計

試驗設2個配方：配方1由草炭和生物有機肥混合而成，體積比為9∶1；配方2為綠化廢棄物堆肥。4個處理：配方1撒施；配方1混施；配方2撒施；配方2混施。以不施用有機改良材料為對照。

2020年5月10日對澤園路東西兩側的道路綠地土壤進行改造，按照試驗設計的有機改良材料配比，分別完成配方1和配方2的配制。混施處理為有機改良材料與0～30 cm土壤進行混合，添加比例為土壤∶有機改良材料3∶1，即為1 m2道路綠地施用有機改良材料0.1 m3；撒施處理則將同樣體積的有機改良材料撒施于道路綠地表面。試驗期間綠地承接自然降水，不進行施肥管理。

于2020年9月10日對試驗地塊進行取樣，在每塊小區進行“S”形布點，去除表層枯枝落葉后，用土鉆取0～30 cm土樣，每個小區取5個點進行混合，之后采用四分法留取2 kg土壤樣品。土壤容重和孔隙度采用環刀法進行取樣。

1.3 指標測定

土壤容重、持水量和孔隙度采用環刀法測定[9]。pH采用電極法測定(水土比2.5∶1)；電導率采用電導法測定(水土比5∶1)；土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；土壤重金屬采用原子吸收分光光度法(AAS)測定[10]。

1.4 數據分析

數據經Excel 2016整理后，采用IBM SPSS 22進行單因素方差分析，多重比較采用Duncan’s法；采用R 4.0.1軟件進行統計和主成分分析；采用Sigmaplot 14進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤養分狀況

2.1.1 pH

有機改良材料施用后各處理土壤pH見圖1，總體而言，有機改良材料的施用并不能迅速降低土壤pH，各處理土壤pH均大于《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)[11]標準要求的閾值上限(8.3)。與對照pH(8.48±0.16)相比，配方1混施(8.33±0.01)和配方2撒施(8.33±0.01)均顯著降低了土壤pH值。施用方式顯著影響了不同配方土壤的pH，配方1撒施顯著高于混施，配方2撒施則顯著低于混施。

柱上無相同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2～4同。圖1 各處理土壤pH

2.1.2 有機質

施用有機改良材料可顯著影響土壤有機質含量(圖2)，且不同配方的有機改良材料其施用方式對土壤有機質的提升效果影響較大。配方1混施處理土壤有機質含量最高，為27.4 g·kg-1，其次為配方2撒施處理，土壤有機質含量為22.0 g·kg-1；配方1撒施和配方2混施有機質含量為14.6 g·kg-1，與對照相比無顯著差異。《綠化種植土壤》要求有機質含量為12～80 g·kg-1，故試驗中各處理土壤有機質含量均符合標準要求，但有機質含量處于較低水平。

圖2 各處理土壤有機質含量

2.1.3 速效養分

施用有機改良材料能有效提高綠地土壤速效養分含量。由圖3可知，配方1混施和配方2撒施處理土壤水解氮含量顯著高于對照，配方1撒施和配方2混施則與對照無顯著差異，且配方1混施顯著高于配方2撒施。對于配方1而言，混施后土壤水解氮含量為撒施的2.9倍；對于配方2而言，撒施后土壤水解氮含量為混施的1.9倍。各處理土壤水解氮含量依次為配方1混施(129.4±4.06)mg·kg-1>配方2撒施(94.4±5.27)mg·kg-1>對照(52.6±0.46)mg·kg-1>配方2混施(50.4±4.70)mg·kg-1>配方1撒施(44.2±16.2)mg·kg-1。

各處理土壤速效磷含量分布規律與土壤水解氮規律基本一致，均表現為有機改良材料可有效提高土壤速效磷含量，但同一有機改良材料的施用方法不同，土壤速效養分含量的響應也具有較大差異。

圖3 各處理土壤水解氮、速效磷和速效鉀含量

相比于對照，配方1混施和配方2撒施均顯著提高了土壤速效磷含量，配方1撒施和配方2混施則與對照無顯著差異。對于配方1而言，混施后土壤速效磷含量為撒施的5.9倍；對于配方2而言，撒施后土壤速效磷含量為混施的5.8倍。各處理土壤速效磷含量依次為配方1混施(90.3±8.01)mg·kg-1>配方2撒施(82.8±6.74)mg·kg-1>配方1撒施(15.2±1.05)mg·kg-1>對照(15.3±0.88)mg·kg-1>配方2混施(14.2±0.29)mg·kg-1。

有機改良材料施用可有效提高土壤速效鉀含量，除配方2混施外，其余處理速效鉀含量均顯著高于對照。同一有機改良材料不同施用方法間土壤速效鉀含量也表現出顯著差異，配方1混施速效鉀含量顯著高于撒施，前者約為后者1.7倍；配方2撒施速效鉀含量顯著高于混施，前者約為后者1.8倍。各處理土壤速效鉀含量依次為配方1混施(447.4±1.35)mg·kg-1>配方2撒施(379.2±0.86)mg·kg-1>配方1撒施(270.5±1.76)mg·kg-1>對照(218.5±10.0)mg·kg-1>配方2混施(206.7±0.70)mg·kg-1。

2.2 土壤物理性狀

2.2.1 容重和毛管持水量

施用有機改良材料可顯著改善土壤物理性狀，主要表現為降低土壤容重、增加土壤毛管持水量。由圖4可知，相比于對照土壤容重1.55 g·cm-3，施用有機改良材料后各處理土壤容重均顯著降低，降低幅度為0.18～0.33 g·cm-3；但各有機改良材料處理間無顯著差異，土壤容重在1.22～1.37 g·cm-3。《綠化種植土壤》標準要求綠地土壤容重需<1.35 g·cm-3，對照和配方2混施處理土壤容重超過了標準要求的土壤容重最大閾值，其余處理土壤容重符合標準要求。

圖4 各處理土壤容重和毛管持水量

相比于對照，施用各有機改良材料處理土壤毛管持水量均顯著提高，對照毛管持水量僅為269 g·kg-1，施用有機改良材料后土壤毛管持水量在334～425 g·kg-1，配方1撒施、配方1混施、配方2撒施和配方2混施處理土壤毛管持水量提高分別為151、156、105和65 g·kg-1，提升比例為56%、58%、39%和24%。

2.2.2 孔隙度

施用有機改良材料可以有效提高土壤毛管孔隙度，但對通氣孔隙度的提升效果不顯著(圖5)。對照通氣孔隙度為2.69%，有機改良材料施用處理土壤通氣孔隙度在1.20%～2.76%，在統計學上無顯著差異，但表現為降低的趨勢。對照處理土壤毛管孔隙度為42%，施用有機改良材料處理土壤毛管孔隙度為47%～52%，相比于對照，配方1撒施、配方1混施、配方2撒施和配方2混施處理土壤毛管持水量提高5～10百分點。

柱上無相同大寫或小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)。圖5 各處理土壤通氣孔隙度和毛管孔隙度

2.3 土壤綜合肥力

綜合分析各處理土壤有機質、pH、土壤養分及土壤物理性狀，對有機改良材料施用后土壤綜合肥力進行分析(表2)。主成分PC1軸可解釋所有指標變異的59.40%，主成分PC2軸可解釋所有指標變異的26.20%，主成分PC1軸和PC2軸累積解釋率達85.60%，包含了大部分的土壤指標信息，可用于進行各處理土壤的綜合肥力分析。各土壤指標在PC1軸上的載荷均較大，PC1軸可以表征土壤綜合肥力的基本情況，PC2軸則對土壤物理性狀具有較大載荷，可以解釋各處理在物理指標上的差異。計算各處理在PC1軸和PC2軸上的綜合得分，得分排序依次為配方1混施>配方2撒施>配方1撒施>配方2混施>對照。

2.4 土壤重金屬含量

根據綠地與人群接觸的密切程度，不同類型綠地土壤的重金屬風險控制指標范圍有所差異，根據《綠化種植土壤》標準的土壤重金屬控制分級，附屬道路綠地需按照Ⅲ類綠地土壤進行重金屬管控，其中Pb、Cr、As、Cu、Ni和Zn的風險閾值分別為450、250、35、400、150和500 mg·kg-1。根據管控標準，Pb、Cr、Cu、Ni和Zn均處于較安全水平，距離標準要求的閾值仍有較大差距；As含量在各處理土壤均未超標，但距離閾值較近(表3)。

3 討論

行道樹是構建城市道路綠地的主體，可以直觀體現城市的氣候特色和精神面貌，行道樹的生長狀況也是一座城市綠化水平高低的直觀體現[3,12-13]。然而道路綠地由于特殊的立地條件，一般會存在土壤呈堿性或強堿性、土壤有機質含量低、土壤養分匱乏以及土壤壓實嚴重等問題[3]。有機材料施用是改善土壤質量的有效途徑[4-6,14]，城市園林綠化廢棄物堆肥相比于草炭、秸稈及畜禽糞便堆肥，其木質素和纖維素含量更高，施用于綠地后土壤有機質和養分變化可能與農業廢棄物有所不同。本研究結果表明，有機改良材料施用能有效提高土壤有機質和土壤養分含量，然而同一配方在撒施和混施處理下對土壤有機質和速效養分含量的影響具有較大差異，總體而言，配方1在混施處理下更有利于土壤有機質積累和土壤有效養分提升，配方2則在撒施處理下更有利于土壤有機質積累和土壤有效養分提升。這可能與不同配方下有機改良材料的有機碳形態不同有關，配方1由90%草炭和10%生物有機肥組成，有機物料的纖維素和木質素含量較低，試驗設置于5—9月，上海地區水熱條件適宜于微生物活動，草炭和生物有機肥與土壤混合施用后微生物分解的中間產物可與土壤形成有機無機復合體，更有利于有機碳的積累。配方2主要為園林綠化廢棄物堆肥，有機物料纖維素和木質素含量較高，且顆粒較大，撒施狀態下更有利于微生物分解，從而使小分子有機碳進入土壤，混施狀態下園林綠化廢棄物堆肥腐解緩慢，在試驗取樣時仍為較大有機顆粒，沒有成為土壤有機質，故在試驗結果中表現為有機質含量積累小于撒施處理。同時，本研究還表明，土壤有機質積累和土壤速效養分含量提升具有耦合效應，有機質含量較高的處理，其土壤速效養分含量也較高。

表2 各處理土壤肥力的綜合分析

表3 各處理土壤重金屬的含量

有機改良材料的施用顯著改善了道路綠地土壤物理性狀，主要表現在土壤容重降低、毛管孔隙度提高，這與有機肥及秸稈施用于農田后對土壤物理性狀的影響的研究結果一致[15-16]。與有機改良材料對土壤有機質和土壤養分的影響規律不同，有機改良材料施用后土壤物理性狀的改良效果與施用方式無關，即無論是撒施還是混施，均有利于土壤容重的降低，并提高土壤毛管孔隙度，這可能是因為綠地土壤中有機改良材料的投入量很大，有機物料具有容重小的特點，大量有機物料進入土壤可以有效降低容重，提高土壤毛管孔隙度。但值得注意的是，各有機改良材料添加處理對土壤通氣孔隙度均無顯著影響，因此，在進行綠地土壤通氣孔隙度改良時，還需要注意大孔隙結構骨架材料的應用。城市道路綠地土壤重金屬含量超標是土壤綠化建設的障礙因子之一[17]。曹春霞等[6]研究表明，有機物料施用可有效降低農田土壤中部分重金屬的含量。本研究中測定的6種重金屬含量均較低，無環境危害風險。整體而言，有機改良材料施用對土壤重金屬無顯著影響，這可能與施用的有機改良材料自身性質有關；也可能是土壤重金屬含量不高，導致有機改良材料的吸附和耦合作用效果不明顯，同時土壤酸堿度也會影響有機分子與重金屬的螯合作用。運用主成分分析法，綜合分析了土壤理化指標，對各有機改良材料的土壤質量提升效果進行了評價，結果表明，施用有機改良材料的處理，土壤綜合肥力均高于對照，其中配方1混施土壤綜合肥力最佳，其次為配方2撒施，

4 小結

本研究結果表明，施用有機改良材料可有效提高城市道路綠地土壤有機質、水解氮、有效磷及速效鉀的含量，但有機改良材料對土壤養分的提升效果與施用方法有關，草炭和生物有機肥配合施用時與土壤混施效果較好，園林綠化廢棄物堆肥則撒施效果較好。有機改良材料施用還能有效降低土壤容重，提高土壤通氣孔隙度，但對土壤通氣孔隙度無顯著影響，有機改良材料對土壤物理性狀的改良與施用方式無關，撒施處理和混施處理間無顯著差異。有機改良材料對道路綠地重金屬含量無顯著影響。主成分分析結果表明，有機改良材料施用可有效提高土壤綜合肥力，草炭與生物有機肥配合進行混施處理綜合得分最高，土壤肥力改良效果較好。