不同改良材料對典型城市綠地土壤物理性質的影響研究

崔 誠，冼卓慧，鄭富海，梁春梅，張俊濤

（廣州市林業和園林科學研究院/廣東廣州市國家城市林業科技示范園區/廣東省計量認證實驗室，廣東 廣州 510000）

城市土壤是人為的城市活動造成的地上覆蓋有不同植被類型的為城市園林和城市生態系統服務的一類特殊的土壤［1-3］。城市綠地土壤作為城市土壤的一部分，是綠地植物生長的介質，是整個綠地系統的基礎［4-6］。受人為活動的影響，城市綠地土壤往往混有深層土或疆土，不僅有機質和速效養分含量較低，且土體中伴有磚塊、石塊、水泥等侵入體，同時受機械壓實、人為踩踏等影響，城市綠地土壤壓實嚴重，土壤物理性質差［7-10］。研究表明，土壤缺乏養分不會直接導致植物死亡，土壤物理性質惡化是導致植物死亡的主要原因［11-15］。如廣州南沙濱海公園土壤物理性質變差導致地表植物長勢變差［16］；上海公園綠地的研究結果表明，公園綠地土壤容重平均值約為1.42 g/cm3，超過70%的公園綠地容重限定值［17］，在一定程度上阻礙了植物生長。

綜上，研究城市綠地土壤物理性質改良至關重要。土壤物理性質改良材料的種類很多，常見的有園林廢棄物堆肥，可降低土壤容重，提高土壤孔隙度和持水性［18］；椰糠疏松、透氣，具有良好的孔隙結構和較強的保濕保溫能力等綜合優良的物理性質［19］；蚯蚓糞擁有優質團粒結構，在改良土壤時可對土壤進行礦化作用，釋放土壤有效養分，提升土壤腐植質含量［20］；還有研究表明，生物炭不僅對土壤結構有顯著的改善作用，而且對其他土壤性質也有顯著的改善作用［21］。國內對城市綠地土壤物理性質的應用研究較少，導致很多人在實踐中發現植物長勢較差時首先想到的是土壤是否缺乏養分，而很少關注土壤物理性質變差導致的植物長勢衰弱。因此，本研究選擇不同改良材料進行典型城市綠地土壤改良研究，以期能為城市綠地土壤物理性質改良和提升提供研究基礎和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗地點基本情況

試驗于2020年7～12月在廣州市林業和園林科學研究院東平基地進行。

1.2 試驗材料

試驗選取廣州市物理性質較差的城市綠地土壤，如紅壤、磚紅壤，采集并帶回東平基地，挑揀土壤中雜物，并將土壤放置老化90 d使土體恢復到自然結構，再開展城市綠地土壤物理性質改良試驗。

供試的園林廢棄物堆肥、椰糠、蚯蚓糞、生物炭均為市售產品，采購自廣州市生升農業股份有限公司，供試材料基本特性如表1所示。

表1 供試材料基本特性

1.3 試驗設計

試驗采用體積為10 L的種植盆進行土培試驗，試驗設計如表2所示：依據施用量不同，堆肥設置5個處理、椰糠設3個處理、生物炭設3個處理、蚯蚓糞設3個處理。試驗時向供試土壤中添加相應的改良材料，攪拌均勻，每組處理設置3個重復，放置于陰涼的溫室大棚培育（圖1），每隔10 d澆水1次，一次澆水500 mL（氣溫較高時可隨具體情況而定）。定時（30、60、90、180 d）進行破壞性采樣，分析土壤物理性質。土壤容重、孔隙度、持水性、通氣度指標按照LY/T 1215—1999 森林土壤水分 物理性質的測定方法測定，土壤滲透率按照LY/T 1218—1999 森林土壤 滲濾率的測定方法測定。

表2 試驗設計

1.4 數據分析

試驗數據運用SPSS 12.0和Origin 2018軟件進行統計分析，采用Excel 2010和Origin 2018軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 堆肥對土壤物理性質的影響

依據堆肥的施用量不同設置5個處理，分別為D0（堆肥體積占比0%）、D20（堆肥體積占比20%）、D30（堆肥體積占比30%）、D40（堆肥體積占比40%）、D50（堆肥體積占比50%）。

2.1.1 堆肥不同施用量對土壤物理性質的影響由圖1可知，與D0相比，D20、D30、D40、D50處理的土壤容重分別顯著降低了28.35%、32.28%、39.37%、45.67%；但與D20相比，D30處理的土壤容重降低了9.23%（P＞0.05）；與D30相比，D40處理的土壤容重降低了9.41%（P＞0.05）；與D40相比，D50處理的土壤容重降低了10.39%（P＞0.05），說明堆肥用量相鄰處理間差異不顯著。與D20相比，D40、D50處理的土壤容重分別顯著降低了15.38%、24.18%；與D30相比，D50處理的土壤容重顯著降低了18.82%，說明堆肥用量10%的差別不足以引起土壤容重顯著性變化。

圖1 堆肥不同施用量對土壤容重的影響

由圖2可知，隨著堆肥施用量的增加，土壤通氣性呈上升趨勢。與D0相比，D20、D30、D40、D50處理的土壤通氣度分別上升了0.04%、29.21%、27.82%、35.60%；與D20相比，D30、D40、D50處理的土壤通氣性分別顯著上升了24.07%、22.74%、30.21%，說明堆肥施用量30%以上可以顯著提高土壤通氣性，但D30、D40、D50處理間差異不顯著。

圖2 施用量對土壤通氣度的影響

由圖3可知，隨著堆肥施用量的增加，土壤水分滲透率呈現先升后降的趨勢。與D0相比，D20、D30、D40、D50處理的土壤水分滲透率分別顯著上升了150.96%、173.32%、253.08%、224.40%；與D20相比，D40處理的土壤水分滲透率顯著上升了40.69%；與D30相比，D40、D50處理的土壤水分滲透率上升無顯著差異，說明堆肥施用量20%以上可顯著提升土壤水分滲透率，但堆肥施用量超過30%后，各處理組之間差異不顯著。

由圖4可知，隨著堆肥施用量的增加，土壤總孔隙度呈上升趨勢。與D0相比，D20、D30、D40、D50處理的土壤總孔隙度分別顯著增加了15.48%、29.81%、32.75%、34.99%；與D20相比，D30、D40、D50處理的土壤總孔隙度分別顯著增加了12.42%、14.96%、16.90%，但D30、D40、D50處理間的土壤總孔隙度無顯著差異，說明堆肥處理增加了土壤總孔隙度，但堆肥施用量超過30%后對土壤總孔隙度的影響效果開始減弱。與D0相比，D20、D30、D40、D50處理的土壤非毛管孔隙度分別顯著增加了170.03%、178.64%、259.24%、279.02%；與D30相比，D40、D50處理的土壤非毛管孔隙度分別顯著增加了28.93%、36.03%，說明堆肥處理能增加土壤的非毛孔孔隙度。與D0相比，D30、D40、D50處理的土壤毛管孔隙度分別增加了8.77%、0.73%、0.49%；與D20相比，D30處理的土壤毛管孔隙度顯著增加了16.18%，說明堆肥的施用會導致土壤毛管孔隙度小幅波動，各處理與CK均無顯著性差異。

圖4 堆肥不同施用量對土壤孔隙度的影響

由圖5可知，隨著堆肥施用量的增加，土壤持水性總體呈上升的趨勢。與D0相比，D20、D30、D40、D50處理的土壤質量含水量分別增加了95.00%、84.17%、196.37%、164.47%。

圖5 堆肥不同施用量對土壤持水性的影響

2.1.2 堆肥改良時間對土壤物理性質影響 堆肥改良時間與土壤物理性質存在耦合關系。由圖6a可知，堆肥改良時間與土壤容重之間為顯著的線性函數關系，土壤容重隨著改良時間的增加而顯著降低，其決定系數（R2）為0.20238。由圖6b可知，堆肥改良時間與土壤通氣度之間為顯著的線性函數關系，土壤通氣度隨著改良時間的增加而顯著增加，其決定系數（R2）為0.24515。由圖6c可知，堆肥改良時間與土壤質量含水量之間為顯著的線性函數關系，土壤質量含水量隨著改良時間的增加而顯著降低，其決定系數（R2）為0.31629。由圖6d可知，堆肥改良時間與土壤滲透率之間為顯著的線性函數關系，土壤滲透率隨著改良時間的增加而顯著降低，其決定系數（R2）為0.27743。改良時間與土壤質量含水量的擬合模型的決定系數R2（0.31629）高于土壤容重、土壤通氣度、土壤滲透率的，因此堆肥改良時間對土壤質量含水量的影響最大，對土壤容重的影響最小。

圖6 堆肥改良時間與土壤物理性質的相關關系

2.2 椰糠對土壤物理性質的影響

依據椰糠的施用量不同設置3個處理，分別為Y0（椰糠體積占比0%）、Y20（椰糠體積占比20%）、Y30（椰糠體積占比30%）。

2.2.1 椰糠不同施用量對土壤物理性質的影響 由圖7可知，與Y0相比，Y20、Y30處理的土壤容重分別顯著降低了29.13%、26.77%；與Y20相比，Y30處理的土壤容重增加了3.33%，說明椰糠施用量為20%時足以引起土壤容重顯著變化，椰糠施用量為10%的差別不足以引起土壤容重顯著變化。

圖7 椰糠不同施用量對土壤容重的影響

由圖8可知，與Y0相比，Y20、Y30處理的土壤通氣度分別顯著增加了35.55%、24.12%；與Y20相比，Y30處理的土壤通氣度減少了8.43%，說明椰糠施用量為20%時足以引起土壤通氣度顯著變化。

圖8 椰糠不同施用量對土壤通氣度的影響

由圖9可知，與Y0相比，Y20、Y30處理的土壤滲透率分別顯著增加了139.41%、67.00%；與Y20相比，Y30處理的土壤通氣度顯著降低了30.25%，說明椰糠施用量為10%時足以引起土壤滲透率顯著變化，且施用量越多反而不利于土壤滲透性的提高。

圖9 椰糠不同施用量對土壤滲透率的影響

由圖10可知，與Y0相比，Y20、Y30處理的土壤毛管孔隙度分別顯著增加了12.92%、14.05%；與Y20相比，Y30處理的土壤毛管孔隙度只增加了1.00%，說明椰糠施用量為20%時足以引起土壤毛管孔隙度顯著變化，椰糠施用量10%的差別不足以引起土壤毛管孔隙度顯著變化。與Y0相比，Y20、Y30處理的土壤非毛管孔隙度分別顯著增加了125.91%、111.05%；與Y20相比，Y30處理的土壤非毛管孔隙度減少了6.58%，說明椰糠施用量為20%時足以引起土壤非毛管孔隙度顯著變化，椰糠施用量10%的差別不足以引起土壤非毛管孔隙度顯著變化。

圖10 椰糠不同施用量對土壤孔隙度的影響

由圖11可知，與Y0相比，Y20、Y30處理的土壤持水性均有顯著提升，在椰糠施用量為20%時足以引起土壤持水性顯著的變化，椰糠施用量10%的差別不足以引起土壤持水性顯著變化。

圖11 椰糠不同施用量對土壤持水性的影響

2.2.2 椰糠改良時間對土壤物理性質的影響 椰糠改良時間與土壤物理性質存在耦合關系。由圖12a可知，椰糠改良時間與土壤容重之間存在顯著線性函數關系，土壤容重隨著改良時間的增加顯著增加，其決定系數（R2）為0.23949。由圖12b可知，椰糠改良時間與土壤通氣度之間為顯著的線性函數關系，土壤通氣度隨著改良時間的增加顯著增加，其決定系數（R2）為0.41874。由圖12c可知，椰糠改良時間與土壤質量含水量之間為顯著的線性函數關系，土壤質量含水量隨著改良時間的增加而顯著降低，其決定系數（R2）為0.34971。由圖12d可知，椰糠改良時間與土壤滲透率之間為顯著的線性函數關系，土壤滲透率隨著改良時間的增加顯著降低，其決定系數（R2）為0.27623。改良時間與土壤通氣度的擬合模型的決定系數R2（0.41874）高于土壤容重、土壤質量含水量、土壤滲透率的，因此椰糠改良時間對土壤通氣度的影響最大，對土壤容重的影響最小。

圖12 椰糠改良時間與土壤物理性質的相關關系

2.3 蚯蚓糞對土壤物理性質的影響

依據蚯蚓糞的施用量不同設置3個處理，分別為Q0（蚯蚓糞體積占比0%）、Q10（蚯蚓糞體積占比10%）、Q20（蚯蚓糞體積占比20%）。

2.3.1 蚯蚓糞不同施用量對土壤物理性質的影響 由圖13可知，與Q0相比，Q10、Q20處理的土壤容重分別顯著降低了11.02%、14.17%；與Q10相比，Q20處理土壤容重下降了3.54%，說明施用量大于10%的蚯蚓糞可以引起土壤容重顯著降低，不同施用量處理間降低程度無顯著差異。

圖13 蚯蚓糞不同施用量對土壤容重的影響

由圖14可知，與Q0相比，Q10、Q20處理的土壤通氣度分別上升了13.10%、41.88%；與Q10相比，Q20處理的土壤通氣度顯著上升了25.66%，說明當蚯蚓糞施用量為20%時才足以引起土壤通氣度顯著變化。

圖14 蚯蚓糞不同施用量對土壤通氣度的影響

由圖15可知，與Q0相比，Q10、Q20處理土壤滲透率分別上升了55.99%、33.13%；與Q10相比，Q20處理的土壤通氣度顯著下降了14.65%，說明蚯蚓糞施用量為10%時對土壤滲透率的提升效果優于蚯蚓糞施用量為20%時的。

圖15 蚯蚓糞不同施用量對土壤滲透率的影響

由圖16可知，與Q0相比，Q10、Q20處理的土壤孔隙度均有顯著性提升，蚯蚓糞施用量為10%時足以引起土壤孔隙度顯著變化，但處理間變化程度無顯著差異。

圖16 蚯蚓糞不同施用量對土壤孔隙度的影響

由圖17可知，與Q0相比，Q10、Q20處理的土壤持水量均有顯著性提升，蚯蚓糞施用量為10%時足以引起土壤持水量顯著變化，但處理間變化程度無顯著差異。其中，與Q0相比，Q10、Q20處理的質量含水量分別提升73.02%、17.22%；與Q10相比，Q20處理的質量含水量降低了28.97%，說明蚯蚓糞施用量為10%時對土壤質量含水量提升效果優于蚯蚓糞施用量為20%時的處理。

圖17 蚯蚓糞不同施用量對土壤持水性的影響

2.3.2 蚯蚓糞改良時間對土壤物理性質的影響 由圖18可知，蚯蚓糞改良時間與土壤物理性質存在耦合關系。由圖18a可知，蚯蚓糞改良時間與土壤容重之間為顯著的線性函數關系，土壤容重隨著改良時間的增加顯著降低，其決定系數（R2）為0.20477。由圖18b可知，蚯蚓糞改良時間與土壤通氣度之間為顯著的線性函數關系，土壤通氣度隨著改良時間的增加顯著增加，其決定系數（R2）為0.25596。由圖18c可知，蚯蚓糞改良時間與土壤質量含水量之間為顯著的線性函數關系，土壤質量含水量隨著改良時間的增加顯著降低，其決定系數（R2）為0.26137。由圖18d可知，蚯蚓糞改良時間與土壤滲透率之間為顯著的線性函數關系，土壤滲透率隨著改良時間的增加顯著降低，其決定系數（R2）為0.44783。改良時間與土壤滲透率的擬合模型的決定系數R2（0.44783）高于土壤容重、土壤通氣度、土壤質量含水量的，因此蚯蚓糞改良時間對土壤滲透率的影響最大，對土壤容重的影響最小。

圖18 蚯蚓糞改良時間與土壤物理性質的相關關系

2.4 生物炭對土壤物理性質的影響

依據生物炭的施用量不同設置3個處理，分別為S0（生物炭體積占比0%）、S10（生物炭體積占比10%）、S20（生物炭體積占比20%）。

2.4.1 生物炭不同施用量對土壤物理性質的影響 由圖19可知，與S0相比，S10、S20處理土壤容重分別顯著降低了11.02%、18.11%；與S10相比，S20處理得土壤容重顯著降低了7.96%，說明施用生物炭10%的差異足以引起土壤容重顯著變化。

圖19 生物炭不同施用量對土壤容重的影響

由圖20可知，與S0相比，S10、S20處理的土壤通氣度分別上升了5.38%、24.12%，說明生物炭施用量為10%不足以引起土壤通氣度顯著變化。

圖20 生物炭不同施用量對土壤通氣度的影響

由圖21可知，生物炭施用量為10%、20%均不足以引起土壤滲透率的顯著變化。

圖21 生物炭不同施用量對土壤滲透率的影響

由圖22可知，與S0相比，S10、S20處理的土壤毛管孔隙度、總孔隙度均有顯著提升，生物炭施用量為10%時足以引起土壤孔隙度顯著變化，但組間變化程度無顯著差異；與S0相比，S10、S20處理對土壤非毛管孔隙度改變無顯著差異。

圖22 生物炭不同施用量對土壤孔隙度的影響

由圖23可知，與S0相比，S10、S20處理對土壤質量含水量改變無顯著差異；與S0相比，S10、S20處理對提升土壤田間持水量、土壤最大持水量均有顯著差異，說明生物炭施用量為10%時足以引起土壤田間持水量、土壤最大持水量顯著變化。與S0相比，S20土壤毛管持水量顯著上升了18.26%，說明生物炭施用量為10%時不足以引起土壤毛管持水量顯著變化。

圖23 生物炭不同施用量對土壤持水性的影響

2.4.2 生物炭改良時間對土壤物理性質的影響 由圖24可知，生物炭改良時間與土壤物理性質存在耦合關系。其中，由圖24a可知，生物炭改良時間與土壤容重之間為顯著的線性函數關系，土壤容重隨著改良時間的增加顯著降低，其決定系數（R2）為0.12881。由圖24b可知，生物炭改良時間與土壤通氣度之間為顯著的線性函數關系，土壤通氣度隨著改良時間的增加顯著增加，其決定系數（R2）為0.62835。由圖24c可知，生物炭改良時間與土壤質量含水量之間為顯著的線性函數關系，土壤質量含水量隨著改良時間的增加顯著降低，其決定系數（R2）為0.40392。由圖24d可知，生物炭改良時間與土壤滲透率之間為顯著的線性函數關系，土壤滲透率隨著改良時間的增加顯著降低，其決定系數（R2）為0.6142。改良時間與土壤通氣度的擬合模型的決定系數R2（0.62835）高于土壤容重、土壤質量含水量、土壤滲透率的，因此生物炭改良時間對土壤通氣度的影響最大，對土壤容重的影響最小。

圖24 生物炭改良時間與土壤物理性質的相關關系

3 討論

研究發現，在試驗選取的用量范圍內，就單個土壤改良材料而言，堆肥、蚯蚓糞、生物炭均能顯著降低土壤容重，隨著這3種改良劑添加量的增多，土壤容重降低的幅度增大，堆肥降低土壤容重的效果最理想，在堆肥添加量為50%時，可將供試土壤容重降低至0.69 g/cm3，降幅達到46%。堆肥、椰糠、蚯蚓糞、生物炭均能顯著提升土壤通氣度，隨著這4種改良劑添加量的增多，土壤通氣度提升幅度增大，但蚯蚓糞對土壤通氣度提升的效果最理想，在蚯蚓糞添加量為20%時，供試土壤通氣度提升至45.06%，提升幅度為41.88%。堆肥、椰糠、蚯蚓糞、生物炭均能顯著提升土壤滲透率，堆肥提升土壤滲透率的效果最好，在堆肥施用量為40%時，可將供試土壤滲透率提升至382.44 mm/h，提升幅度為253.08%。椰糠、蚯蚓糞、生物炭均能顯著提升土壤毛管孔隙度，蚯蚓糞提升土壤毛管孔隙度的效果最理想，在蚯蚓糞添加量為20%時，可將土壤毛管孔隙度提升至48.71%。堆肥、椰糠、蚯蚓糞就能顯著提升土壤非毛管孔隙度，堆肥提升土壤非毛管孔隙度的效果最理想，堆肥添加量為50%時，可將土壤非毛管孔隙度提升至20.9%，提升幅度為279%。堆肥、椰糠、蚯蚓糞均能顯著提升土壤質量含水量，堆肥提升土壤質量含水量的效果最理想，堆肥添加量為40%時，可將土壤質量含水量提升至306.08 g/kg，提升幅度為196.37%。堆肥、椰糠、蚯蚓糞、生物炭均能顯著提升土壤田間持水量，堆肥添加量為50%時，可將土壤田間持水量提升至530.53 g/kg。

園林廢棄物堆肥是園林綠化植物修剪下來的枝葉，以及自然脫落的枯枝落葉經過堆腐過程產生的堆肥物質，其中不僅含有大量的有機質和養分，而且具有大量的孔隙結構，是優質的土壤改良劑。研究結果表明，堆肥對降低土壤容重、提升土壤滲透率、提升土壤孔隙度、提升土壤持水性的效果最理想，這主要是由于堆肥中有機質含量較高，有機質可作為良好的有機膠結劑，能促進土壤中大團聚體的形成，改善土壤結構，這與崔萌等［22］研究結果一致。此外，有機質在分解過程中可產生能夠中和土壤堿性的有機酸，因此在改良城市綠地土壤的過程中，堆肥可有效降低城市綠地土壤的土壤容重，提升土壤滲透率、孔隙度、持水性，這與顧兵等［23］的研究結果一致。綜上所述，園林廢棄物堆肥整體疏松多孔，具有大量的孔性結構，其孔隙大小不一，連續且形狀不規則，孔徑長度為5～20 μm，可以作為黏壤土的改良材料，起到增加土壤孔隙，改善土壤物理性質的作用。

蚯蚓糞對提升土壤通氣度和土壤毛管孔隙度的效果最理想，這主要是由于蚯蚓糞由蚯蚓消化有機物質而產生，質地較為均一，孔隙度高，通氣性好，穩定性及排水保水能力強，其粒徑大多為0.3～5.0 mm，其中1～2 mm者居多，蚯蚓糞能增加土壤與空氣的接觸面積，疏松土壤，能較好地改善土壤物理性質。蚯蚓糞不僅具有良好的團粒結構，而且富含微生物、生物活性物質等，在施入土壤后還能增加土壤腐植質的含量，改良土壤物理性質［24-25］。

研究發現，在試驗選取的改良時間內，隨著改良時間的增加，堆肥、蚯蚓糞、生物炭均能使土壤容重呈降低趨勢，而蚯蚓糞降低土壤容重趨勢更顯著（R2=2.0477）。隨著改良時間的增加椰糠使得土壤容重呈上升趨勢，但該趨勢仍處于廣州市地方標準《園林種植土（DB4401/T 36—2019）》［26］中通用種植土范圍內，這可能是由于椰糠粒徑大小導致的［27］。隨著改良時間的增加，堆肥、椰糠、蚯蚓糞、生物炭均能使土壤通氣度呈上升趨勢，而生物炭提升土壤通氣度趨勢更顯著（R2=0.62835），這與李倩倩等［28］的研究結果一致。隨著改良時間的增加,土壤質量含水量、土壤滲透率均呈下降趨勢，這與氣溫升高、空氣濕度降低、土壤中水分蒸發量較大有關［29-30］。

4 結論

本研究以園林廢棄物堆肥、椰糠、蚯蚓糞、生物炭為改良基質，分析這4種改良基質對典型城市綠地土壤物理性質的影響。在試驗使用改良基質的范圍內，園林廢棄物堆肥體積占比為50%時，對改良土壤容重、土壤滲透率、土壤非毛管孔隙度、土壤田間持水量的效果最為理想。園林廢棄物堆肥體積占比為40%時，對改良土壤質量含水量的效果最為理想。蚯蚓糞體積占比為20%時對改良土壤通氣度和土壤非毛管孔隙度的效果最為理想。在試驗改良時間范圍內（30、60、90、180 d），隨著改良時間的增加，蚯蚓糞對土壤容重改良的持續性更好，生物炭對土壤通氣度改良的持續性更好。