氨基酸、木醋液與濕垃圾堆肥配施對搬遷地土壤物理性質的影響

梁 晶,張青青,張 浪

(上海市園林科學規劃研究院,上海城市困難立地綠化工程技術研究中心,上海 200232)

為滿足城市居民人均綠化面積的需求,緩解城市綠化需求與城市土地資源緊缺的矛盾,城市困難立地再利用將成為一項實現城市可持續發展、保護開放空間的城市發展策略。 搬遷地作為城市困難立地的主要類型之一,其土壤理化性質直接影響植物生長,尤其是土壤物理性質。 一般而言,土壤化學性質影響植物的長勢,不會直接導致植物死亡,而土壤物理性質的惡化會直接導致植物死亡[1]。 如美國紐約中央公園95%的植物死亡是由于土壤物理性質差引起的。 相關研究表明,搬遷地土壤容重大、持水能力弱、通氣性差、水穩定性團粒結構差,這些特性嚴重制約了搬遷地的快速綠化[2]。 如何高效改善搬遷地土壤物理特性,尤其是快速提升土壤通氣性、持水性、入滲率及團粒結構的形成,是搬遷地綠化急需解決的重要問題。 因此,開展城市搬遷地土壤物理性質改良已成為研究重點。

近年來,雖然學者們對土壤物理性質改良進行了大量的研究[3-7],但對搬遷地土壤物理性質的改良研究仍較少,尤其是缺乏對改良材料施用方法、施用量的詳細研究。 羅珈檸等[8]研究發現,餐廚垃圾堆肥可以降低土壤容重和pH,增加土壤持水量、有機質、全氮、全磷含量及EC 值。 張航等[9]研究發現,木醋液可以降低土壤容重和全鹽含量,提高團粒結構的穩定性。 陳杰等[10]研究發現,魚蛋白制備的氨基酸肥可以提高土壤全碳、全氮、有效磷、微生物碳和微生物氮等含量。 由于濕垃圾pH 及鹽分高[11],常需同酸性改良材料配合施用;而木醋液、氨基酸含有的有機碳、全氮和堿解氮較低,不利于改良養分貧瘠的土壤[12]。理論上,濕垃圾堆肥和氨基酸、木醋液等配合施用改良土壤物理性質效果更佳,但目前尚未見關于幾種改良材料配施比例的研究。 基于此,本試驗以上海市浦東新區三林鎮遺留搬遷地土壤為研究對象,開展為期10 個月的盆栽培養試驗,通過向搬遷地土壤拌施濕垃圾堆肥和氨基酸并噴灑木醋液,探討不同配比改良材料施用方法及施用量對搬遷地土壤物理性質及植物成活率的影響,以期為城市搬遷地快速綠化提供科學依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用土壤采自上海市浦東新區三林鎮遺留搬遷地(121°27′—121°30′E,31°7′—31°8′N),該區域原先為城中村,因規劃要求擬建成公共綠地,鎮上的居民、工廠等搬出該區域,遺留下土壤破壞嚴重的搬遷地。 該搬遷地0—50 cm 土層土壤理化性質為:土壤容重(1.47 ± 0.08) g∕cm3,飽和含水量(291.3 ±20.1)g∕kg,田間持水量(278.4 ±22.3)g∕kg,非毛管孔隙度1.22%±0.07%,總孔隙度42.88%±5.62%,土壤pH 9.28 ±0.25,EC(0.10 ±0.05)mS∕cm,有機質含量(9.8 ±0.5)g∕kg,全氮含量(0.21 ±0.07)g∕kg。 采集0—50 cm 土層土壤,自然風干,剔除根系、石塊等非土壤物質,磨碎過5 mm 孔篩備用。

試驗所用改良材料為濕垃圾堆肥、氨基酸和木醋液。 濕垃圾堆肥主要由菜皮、果皮、木屑和黑碳素等堆制3 個月而成,各項指標顯示已經腐熟,其pH 為8.49,EC 為4.87 mS∕cm,有機質含量為464.2 g∕kg。氨基酸為白色結晶粉末,購買自國藥集團化學試劑有限公司。 木醋液為棕色液體,由北京溪青春農業科技有限公司生產。 試驗所用植物為園林上常見的綠化苗木望春玉蘭(Magnolia biondii)。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2018 年3 月—2019 年1 月在大棚中進行,共設置6 個處理(表1),每個處理8 次重復。

改良材料施用方法:將搬遷地土壤同濕垃圾堆肥、氨基酸按表1 配比混勻后[13],分別分層填充于規格為30 cm(內徑) ×22 cm(高)的底部帶有出水孔的花盆中,每盆裝15 L,木醋液按照表1 的用量用自來水稀釋后噴施于花盆中土壤,水飽和處理后自然沉降。 靜置一周后,保持土壤含水量為田間持水量的60%—70%,在每個花盆中種植1 年生望春玉蘭小苗,待試驗結束后,避開植物根系采用環刀法對每個花盆內土壤進行采樣,測定各配比處理的土壤容重、非毛管孔隙度、總孔隙度、入滲率、水穩性團聚體、飽和持水量和田間持水量,并分析望春玉蘭的成活率。

表1 試驗設計Table 1 Experimental design

1.3 測定方法

土壤pH 采用電極法測定(水土比2.5∶1)。 土壤EC 值采用電導法測定(水土比5∶1)。 土壤容重、飽和持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、總孔隙度和入滲率均采用環刀法測定;土壤水穩性團聚體采用DIK-2012 土壤團粒分析儀進行測定[14]。

濕垃圾堆肥pH 采用電極法測定(水土比10∶1),EC 值采用電導法測定(水土比10∶1),有機質含量采用重鉻酸鉀氧化法測定。

1.4 數據統計

采用SAS 9.0 軟件對不同處理的土壤物理指標進行顯著性差異分析,P <0.05 為差異顯著,并采用Origin 8.5 軟件作圖。

圖1 改良材料不同配比對搬遷地土壤容重的影響Fig.1 Effects of different ratios of improved materials on soil bulk density in relocation area

2 結果與分析

2.1 土壤容重

土壤容重是極為重要的土壤物理指標,影響著土壤水分、空氣、熱量、養分轉化等土壤理化性質[15]。 從圖1可以看出,與對照相比,施用濕垃圾堆肥可以顯著降低土壤容重,且濕垃圾堆肥添加量越多,搬遷地土壤容重降低幅度越大。 其中,配比2(單施40%濕垃圾堆肥)土壤容重降幅最大,為22.3%。 通過比較配比1、配比3、配比4 和配比5 處理的土壤容重可以看出,濕垃圾堆肥施用量為20%時,隨著木醋液和氨基酸添加量的增加,不同配比處理間的土壤容重差異并不顯著,說明木醋液和氨基酸對降低土壤容重的效果不明顯。

2.2 土壤孔隙度

土壤孔隙度的大小體現土壤的疏松程度及水分和空氣容量的大小。 從圖2 可以看出,對照(CK)土壤非毛管孔隙度和總孔隙度較低,分別為1.44%和43.09%,土壤通氣性較差。 添加改良材料后搬遷地土壤非毛管孔隙度和總孔隙度均顯著高于對照,其中配比2 處理改善土壤孔隙度效果最好,非毛管孔隙度和總孔隙度較對照分別提高了143.5%和34.0%,且顯著高于其他配比處理。 這說明濕垃圾堆肥可促進土壤非毛管孔隙度和總孔隙度的增加。 此外,配比3、配比4 和配比5 處理土壤非毛管孔隙度均顯著高于配比1,配比4 和配比5 處理土壤總孔隙度均顯著高于配比1,表明當濕垃圾堆肥添加量一致時(如添加量為20%時),木醋液和氨基酸添加量越多,土壤通氣性越好。

2.3 土壤持水能力

由圖3 可知,對照(CK)土壤飽和持水量和田間持水量均最低,分別為303.80 g∕kg 和287.42 g∕kg。添加不同配比改良材料后,搬遷地土壤的飽和持水量和田間持水量均顯著高于對照,與對照相比,飽和持水量和田間持水量分別提高了26.6%—72.6%和26.0%—69.2%。 比較配比2 與配比1 處理,可以發現配比2 處理土壤飽和持水量和田間持水量均顯著高于配比1,表明濕垃圾堆肥添加量增加,搬遷地土壤持水能力增強。 此外,配比4 和配比5 處理土壤飽和持水量和田間持水量顯著高于配比1 處理,而配比3 與配比1 處理土壤飽和持水量和田間持水量差異不顯著,表明木醋液和氨基酸的添加對改善土壤持水能力有一定作用,當木醋液和氨基酸添加量分別0.5 L∕m3和0.5 kg∕m3時,可顯著增強土壤持水能力。

圖2 改良材料不同配比對搬遷地土壤非毛管孔隙度和總孔隙度的影響Fig.2 Effects of different ratios of improved materials on soil non-capillary porosity and total porosity in relocation area

圖3 改良材料不同配比對搬遷地土壤飽和持水量和田間持水量的影響Fig.3 Effects of different ratios of improved materials on soil saturated moisture capacity and field capacity in relocation area

2.4 土壤入滲率

土壤入滲率是土壤入滲能力的一個重要指標,是指單位時間、單位面積土壤表面入滲的水量。 未經改良的搬遷地土壤入滲率接近0,這是因為搬遷地土壤受人為干擾的影響,土壤結構遭到破壞,土壤容重過高,不利于土壤入滲。 添加改良材料后,搬遷地土壤入滲率均得到了提升,其中配比2 處理土壤入滲率最高,達到了7.01 mm∕h。 當濕垃圾堆肥添加量為20%時,隨著氨基酸和木醋液添加量的增加,土壤入滲率逐漸增加。 如與配比1(0.21 mm∕h)處理相比,配比3(0.35 mm∕h)、配比4(1.63 mm∕h)和配比5(4.01 mm∕h)處理的土壤入滲率分別增加了0.69 倍、6.75 倍和19.07 倍。 可見,濕垃圾堆肥與氨基酸和木醋液的合理配施有利于促進土壤入滲。

2.5 土壤水穩定性團聚體

土壤團聚體作為土壤肥力的重要物質基礎,是反映土壤物理性質和結構狀況的重要指標之一。 一般而言,>0.25 mm 的水穩性團聚體含量越高,土壤的團粒結構越好[16]。 對照土壤>0.25 mm 的水穩定性團聚體含量最低,僅為4.1%。 單施濕垃圾堆肥或濕垃圾堆肥與氨基酸和木醋液配施后,搬遷地土壤>0.25 mm 的團聚體含量均顯著高于對照,其中配比2 處理土壤>0.25 mm 的團聚體含量(10.88%)最高,比對照提高了165.4%,比配比1 處理提高了20.5%。 這說明添加濕垃圾堆肥有利于土壤水穩性團聚體的形成,且濕垃圾堆肥添加量較大時效果較好。 相比配比1(9.03%)處理,配比3 和配比4 處理土壤>0.25 mm 的團聚體含量(8.78%和8.87%)并沒有顯著增加,但配比5 處理土壤>0.25 mm 的團聚體含量(10.02%)增加顯著,表明木醋液和氨基酸添加量分別為1 kg∕m3和1 L∕m3時,對土壤團聚體形成的促進作用更明顯。

2.6 植株成活率

經過1 年的培養,不同配比處理望春玉蘭成活率差異較大。 其中,對照望春玉蘭成活率最低,只有12.5%。 添加改良材料后,望春玉蘭成活率明顯提高。 其中,配比5 處理望春玉蘭成活率最高,為100%;配比2 處理望春玉蘭成活率較低,為50%。 這是由于配比2 只添加了濕垃圾堆肥,沒有酸性改良材料的配合,且添加量較高(40%),不利于植株的生長。 由此可見,添加少量(20%)的濕垃圾堆肥,并配合施用木醋液以及氨基酸等酸性改良材料可以提高植物成活率。

3 討論

本研究表明,培養10 個月后,對照搬遷地土壤物理性質基本無明顯變化,單施濕垃圾堆肥或濕垃圾堆肥與氨基酸和木醋液配施后,土壤容重、通氣性、持水量、土壤入滲能力、土壤>0.25 mm 的水穩性團聚體均有明顯改善;添加濕垃圾堆肥40%的配比2 處理土壤物理性質最優,土壤容重降為1.11 g∕cm3,土壤非毛管孔隙度和總孔隙度分別增加為3.51%和57.75%,土壤飽和持水量和田間持水量分別增加至524.51 g∕kg 和486.45 g∕kg,土壤入滲率為7.01 mm∕h,土壤>0.25 mm 的水穩性團聚體含量增加到10.88%。 分析其原因,主要是因為濕垃圾堆肥比較疏松,同土壤混合后,可以降低土壤的固相,增加土壤的液相和氣相部分,從而降低土壤容重,提高土壤的通氣性和持水量[17]。 此外,由于濕垃圾堆肥中富含有機質,有機質中的腐殖質是土壤團聚體的主要膠結劑,而土壤有機膠體是形成水穩性團粒結構不可缺少的膠結物質,故土壤中水穩性團聚體增加[18-19]。

比較濕垃圾堆肥添加量為20%的配比1、配比3、配比4 和配比5 處理,發現添加1 kg∕m3氨基酸并噴施1 L∕m3木醋液的配比5 處理土壤容重較低,土壤通氣性、持水量及入滲能力較強,土壤>0.25 mm 的水穩性團聚體含量較高,土壤物理性質最佳。 這主要是因為在濕垃圾堆肥添加量一致時,木醋液和氨基酸對土壤物理性質發揮了較大作用,如木醋液中含有多種有機酸和酚類,能夠顯著降低土壤pH,且其中的有機化合物對土壤結構具有膠結作用[20],可以提高土壤團粒結構穩定性;氨基酸具有很強的活性和吸附能力,可以降低土壤容重,增加土壤總孔隙度和持水量,促進土壤團聚體的形成,提高土壤保水保肥的能力[21]。 故在木醋液和氨基酸的共同作用下,配比3、配比4 和配比5 處理的土壤物理性質各項指標均優于配比1 處理,且隨著木醋液和氨基酸添加量的增多,土壤物理性質改善效果越好。 綜合來看,在搬遷地土壤中添加濕垃圾堆肥、氨基酸和木醋液等改良材料,對土壤的容重、孔隙度、持水量、入滲率和團粒結構均有促進作用。 從植物種植試驗成活率來看,配比2 處理種植的望春玉蘭成活率僅為50%,低于其他處理,可能是由于其添加的濕垃圾堆肥過量而導致土壤化學性質惡化,從而引起植物死亡。

綜合考慮配比1、配比3、配比4 及配比5 處理的土壤物理性質及植物種植情況,配比5 處理的各項物理指標及植物成活率(100%)均最佳。 可見,當濕垃圾堆肥添加量為20%時,添加1 kg∕m3氨基酸并噴施1 L∕m3木醋液對土壤的物理性質改良效果明顯,促進植物的生長效果顯著。 該處理的土壤容重為1.22 g∕cm3,土壤非毛管孔隙度和總孔隙度分別為2.52%和52.56%,飽和持水量和田間持水量分別為429.47 g∕kg 和403.80 g∕kg,土壤入滲率為4.01 mm∕h,>0.25 mm 的土壤水穩性團聚體含量為10.02%。

綜上,添加濕垃圾堆肥、氨基酸和木醋液均對改善搬遷地土壤物理結構具有較好的效果,但由于濕垃圾堆肥pH 較高,且含有一定鹽分,其用量過大時將對植物產生制約作用。 因此,僅考慮對土壤物理性質的改良情況時,單施40%濕垃圾堆肥的配比2 處理改良效果最佳,即單施濕垃圾堆肥用量越大,其改善效果越好;綜合考慮土壤物理性質改良情況和植物長勢時,添加20%濕垃圾堆肥和1 kg∕m3氨基酸并噴施1 L∕m3木醋液的配比5 處理改良效果最佳。