綠化植物廢棄物堆肥改良高速公路綠地土壤效果研究

黃麗丹 韋路易 黃旭光 李志勝 廖堂貴 鐘瓊瓊 黃玲璞 秦玲 楊思霞 陸炎松 霍行

摘要 [目的]研究綠化植物廢棄物堆肥對高速公路綠地土壤持水量和肥力的影響。[方法]以主成分權(quán)重法構(gòu)建綜合評價函數(shù)（SQI）對土壤肥力特征和持水能力進行綜合評價。[結(jié)果]綠化廢棄物堆肥能明顯改善土壤的持水能力，增加有機質(zhì)、全氮、全磷、水解氮、有效磷、速效鉀含量，降低土壤密度和pH。土壤綜合評價以堆肥施用量為30 015.0 kg/hm2的效果最好。[結(jié)論]綠化植物廢棄物堆肥對提高高速公路土壤質(zhì)量、降低養(yǎng)護費用有積極作用，也有利于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。建議連續(xù)多年施用綠化廢棄物堆肥改良土壤，每次施用量控制在30 015.0 kg/hm2以內(nèi)，減少化肥的使用。

關(guān)鍵詞 綠化植物廢棄物;堆肥;改良;高速公路綠地;土壤質(zhì)量

中圖分類號 S 156 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2021）15-0058-05

Abstract [Objective] To study the effects of greenery waste compost on the moisture capacity and fertility of expressway green space.[Method]The characteristics of soil fertility and waterholding capacity were comprehensively evaluated using the method of comprehensive evaluation function （SQI） which was built up by the principal component weight method.[Result] The greenery waste compost could significantly improve soil waterholding capacity， increase the contents of organic matter， total nitrogen， total phosphorus， hydrolytic nitrogen， available phosphorus and available potassium，and reduce the soil density and pH. The result of soil comprehensive evaluation showed that the effect of compost application of 30 015.0 kg/hm2 was the best.[Conclusion]The greening plant waste composting has a positive role in improving highway soil quality and reducing maintenance costs， as well as improving the regional ecological environment.It was suggested that the greenery waste compost should be applied to modify soil for consecutive years，and the amount of each application should be controlled within 30 015.0 kg/hm2 to reduce the use of chemical fertilizers.

Key words Greening plant waste;Compost;Improvement;Expressway green;Soil quality

基金項目 南寧市科技計劃項目“南寧市綠化植物廢棄物資源化處理關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用示范”（20193112）。

作者簡介 黃麗丹（1981—），女，廣西田東人，高級工程師，碩士，從事城市固體廢棄物的資源化利用研究。

收稿日期 2020-12-02

隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展和全社會環(huán)境保護意識的普遍提高，高速公路綠化正在受到越來越多的關(guān)注，高速公路綠化不僅可以提供安全舒適的交通運輸環(huán)境，與天然森林生態(tài)系統(tǒng)類似，其還具有涵養(yǎng)水源、保護生物多樣性、防止水土流失、過濾污染物等功能，對交通運輸安全和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義[1-2]。然而，在高速公路跨越式發(fā)展的背景下，高速公路建設(shè)對生態(tài)環(huán)境和景觀產(chǎn)生巨大的負面影響，相對于公園、住宅區(qū)、單位附屬綠地，公路綠地土壤質(zhì)量對于公路綠化的影響更大，因其理化性質(zhì)更差，養(yǎng)分更缺乏[3-5]。為了短期內(nèi)能達到景觀效果，養(yǎng)護單位往往過量使用化肥。實際上，化肥的當季實際利用率僅為30%～35%，大部分留在土壤里或沖入水域，沒能被植物吸收，不僅造成資源的浪費，還污染了環(huán)境，破壞了土壤，而土壤物理性質(zhì)的惡化直接影響到綠化植物生長發(fā)育和景觀功能的發(fā)揮[6]。因此，減少化肥的用量，尋求既修復(fù)土壤又培肥地力的環(huán)境友好型肥料勢在必行。城市有機廢棄物對土壤改良作用已有大量的報道，但與我國鄉(xiāng)村農(nóng)業(yè)廢棄物的土地利用情況比較，城市有機廢棄物土地利用情況要遠遠落伍[7]。該研究選擇南寧市具有典型意義的高速公路綠地為研究對象，進行不同用量綠化植物廢棄物堆肥的土壤改良應(yīng)用試驗，探討綠化植物廢棄物堆肥對高速公路綠地退化土壤的修復(fù)和培肥效果，對節(jié)約高速公路的綠化養(yǎng)護成本，進而為綠化植物廢棄物的合理處置提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南寧市的吳圩機場第二高速中央分隔帶綠地（108°17′59″E，22°42′21″N）。該地區(qū)屬于南亞熱帶季風氣候區(qū)，年均氣溫21.8 ℃，年均降雨量1 304.2 mm，年均日照時數(shù)1 843.1 h。植被主要為三角梅（ Bougainvillea spectabilis ?Willd）和朱槿（ Hibiscus rosasinensis ?Linn.）。

1.2 試驗材料

綠化植物廢棄物來自南寧市區(qū)行道樹修剪的枝條，經(jīng)粉碎機粉碎成6～8 mm的粒徑后進槽堆肥2個月，各項指標已達到腐熟的標準。土壤類型以黏土為主，混有大量建筑廢棄物，理化性質(zhì)差。供試材料的主要理化性狀見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 試驗設(shè)計。

試驗時間從2019年3月14日春季大修剪、撫育施肥開始，至2019年11月14日結(jié)束（試驗期間的氣候情況見表2）。共設(shè)置4組處理，每組處理3個重復(fù)，每個試驗小區(qū)面積約為100 m2，每個小區(qū)中間設(shè)有0.5 m寬的隔離帶。處理①，綠化植物廢棄物堆肥施用量為15 007.5 kg/hm2;處理②，綠化植物廢棄物堆肥施用量為30 015.0 kg/hm2;處理③，綠化植物廢棄物堆肥施用量45 022.5 kg/hm2;處理④為對照（CK），不施加堆肥。將綠化植物廢棄物堆肥均勻撒施在土層表面，翻耕0.2 m使其與表層土拌勻。

1.3.2 土樣采集。

每個試驗區(qū)按S型多點采樣后混合，采集深度為20 cm。自然風干后磨碎過篩分析土壤密度、pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解氮、有效磷和速效鉀等理化指標。同時用環(huán)刀采集原狀土用于含水量測定。

1.3.3 分析測定方法。

土壤基本理化性質(zhì)的測定參照《森林土壤分析方法》[8]。數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Office Excel 2007和DPS 9.01軟件。

1.4 改良效果綜合評價

以土壤密度、含水量、pH、有機質(zhì)、全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分為指標，采用主成分分析方法進行主成分分析，根據(jù)方差貢獻率≥80%的標準提取 n 個主成分，用各主成分的特征向量的絕對值計算各變量的權(quán)重系數(shù)。最后用權(quán)重系數(shù)構(gòu)建土壤改良效果綜合評價函數(shù)（SQI）來綜合評價各處理對土壤的改良效果。因為各項指標的量綱不同，在主成分分析前用隸屬度函數(shù)法對數(shù)據(jù)進行標準化處理以消除量綱。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠化植物廢棄物堆肥對土壤持水能力的影響

從土壤質(zhì)量含水量動態(tài)變化曲線（圖1）可以看出，由于該區(qū)域土壤水分的補給主要是通過降雨，土壤質(zhì)量含水量的季節(jié)性變化很強，不同處理土壤質(zhì)量含水量隨季節(jié)變化規(guī)律基本一致。一般認為，土壤含水量在173.2～232.1 g/kg時植物生長良好，低于114.4 g/kg不利于植物生長[12]。試驗初期3—5月份土壤質(zhì)量含水量平均值為172.9 g/kg，基本能滿足植物生長需求，可能是這一時期氣溫較低（表2），土壤中的水分蒸騰作用較小;而6—8月份雖然有大量集中降雨（表2），但土壤質(zhì)量含水量很低，可能是高速公路綠化帶土壤蓄水能力差，高溫加劇地表蒸發(fā)和植物蒸騰，土壤水分消耗大于供給造成的，若不及時人工灌溉，可能導(dǎo)致植物萎蔫而死。施加綠化廢棄物堆肥在一定程度上改善了土壤的物理結(jié)構(gòu)，增加了土壤的蓄水能力，施肥處理土壤的質(zhì)量含水量均高于對照，增幅最明顯在試驗90 d后（6月份），處理①、處理②和處理③土壤質(zhì)量含水量分別比對照高出18.71%、23.21%和2367%。

從圖2可以看出，各處理土壤飽和持水量和田間持水量波動變化趨勢基本一致。施加綠化廢棄物堆肥對提高土壤飽和持水量和田間持水量有一定的作用，試驗90 d后（6月份），土壤的飽和持水量和田間持水量與對照差別最明顯。在7月份飽和持水量和田間持水量都達到低谷的情況下，施肥處理土壤飽和持水量和田間持水量與對照差異不顯著，但仍略高于對照。可能在7月份高溫天氣影響下，表層土壤含水量主要受土壤蒸發(fā)的影響，施加堆肥雖然能改善土壤蓄水能力，但作用微弱。

2.2 綠化植物廢棄物堆肥對土壤密度的影響

從圖3可以看出，試驗前試驗地土壤密度達到1.80 g/cm3以上，按中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標準《綠化種植土壤》（CJ/T 340—2016）要求綠地土壤密度要小于l.35 g/cm3[13]，說明高速公路綠地土壤緊實度大，這可能是在建設(shè)工程中施工大量使用機械和后期養(yǎng)護管理粗放造成的。施加綠化廢棄物堆肥后，各處理土壤密度變化短期內(nèi)效果較明顯，前3個月土壤密度逐漸降低，到第4個月（7月份）土壤密度增加，處理③土壤密度反而大于CK，可能是高溫天氣，加上處理③施肥量大，綠化廢棄物腐解消耗水分多造成的土壤緊實度增加。經(jīng)過5個月的改良，處理②土壤密度降低最顯著，降至1.61 g/cm3。

2.3 綠化植物廢棄物堆肥對土壤pH的影響

從圖4可以看到，試驗地土壤pH較高，接近8.0，這對植物生長很不利。造成高速公路綠地土壤pH居高不下的主要原因可能是施工過程回填的大量建筑廢棄物釋放堿性物質(zhì);高速公路車流量大，有大量碳酸鈣和碳酸鎂灰塵沉降。施加綠化廢棄物堆肥后，土壤pH下降呈波動變化，整個試驗過程處理③降低最多，比未施肥前降低0.55。

2.4 綠化植物廢棄物堆肥對土壤肥力的影響

2.4.1 綠化植物廢棄物堆肥對土壤有機質(zhì)含量的影響。

根據(jù)全國第二次土地調(diào)查土壤養(yǎng)分等級分級標準[14]，圖5顯示，試驗前土壤有機質(zhì)含量處于極度缺乏的狀態(tài)（<6 g/kg），施加綠化廢棄物堆肥后，不同處理的有機質(zhì)含量變化規(guī)律基本上都是先增加后減少，然后再增加和減少，可能是綠化廢棄物堆肥不斷被微生物利用，有機物的釋放和微生物數(shù)量需要保持一個動態(tài)的平衡，以達到土壤改良的持久效果。施加堆肥4個月后（7月份），有機質(zhì)含量達到峰值，處理①、處理②、處理③的有機質(zhì)含量分別比對照增加了6.27%、2366%和66.24%，這可能是6月份降雨量大，不斷加速綠化廢棄物的分解，使土壤有機質(zhì)含量快速升高。對照處理有機質(zhì)含量總體較低，但試驗過程中有機質(zhì)含量有增加的情況，可能是試驗撫育苗木松土促進植物根系活動，根系分泌物增加了土壤有機質(zhì)含量。

2.4.2 綠化植物廢棄物堆肥對土壤氮含量的影響。

施加堆肥后土壤中全氮含量的變化見圖6，不同處理的全氮含量與有機質(zhì)含量的動態(tài)變化趨勢大體相似。根據(jù)全國第二次土地調(diào)查土壤養(yǎng)分等級分級標準，試驗區(qū)土壤全氮含量<0.50 g/kg，屬于極度缺乏的狀態(tài)，施加堆肥后的土壤全氮水平有不同程度的提高，但始終保持在較低的水平（<0.75 g/kg），可能是偏堿性的土壤使大量有機氮轉(zhuǎn)化為極易被淋溶的硝態(tài)氮，造成土壤氮素補給量很低。

從圖7可以看出，試驗區(qū)土壤水解氮含量<30.00 mg/kg，也處于極度缺乏的狀態(tài)。水解氮含量在施肥后4～5個月明顯增加，處理③的水解氮含量最多，增加至52.98 mg/kg，是對照的4.19倍。處理①、處理②水解氮含量一直沒有明顯的增加，這可能是因為處理③施用量最多，施加堆肥一段時間后，土壤微生物數(shù)量增加、活性增強，加速氮的分解。

2.4.3 綠化植物廢棄物堆肥對土壤磷含量的影響。

從圖8a可以看到，試驗前樣地土壤的全磷含量平均值為0.5 g/kg，處于磷缺乏的狀態(tài)，不像城市綠地土壤一樣有明顯的磷富集[15-16]。可能是高速公路綠地特殊的地理位置給養(yǎng)護帶來困難，施肥、灌溉、病蟲害防治等養(yǎng)護措施不像城市綠地那樣精細，因而肥料、灌溉水、殺蟲劑等帶來的有機磷物質(zhì)少，引起磷含量偏低。雖然綠化廢棄物堆肥全磷含量遠高于試驗地土壤的全磷含量，但施用堆肥后，全磷含量只有2次明顯的增加，可綠化廢棄物堆肥對土壤全磷含量的影響具有遲效性。

從土壤有效磷含量變化（圖8b）可以看到，施肥后2個月內(nèi)，各處理土壤有效磷含量明顯增加。施肥后6個月（9月份），處理②、處理③土壤有效磷含量顯著增加，分別達146和14.0 mg/kg，分別是施肥前的6.08和5.83倍。

2.4.4 綠化植物廢棄物堆肥對土壤鉀含量的影響。

從圖9a可以看出，施用堆肥后直到5個月時，土壤全鉀含量才略有增加，且整個試驗過程全鉀含量增幅不大，原因可能是綠化廢棄物堆肥全鉀含量和土壤全鉀含量差別不大，造成綠化廢棄物堆肥對土壤全鉀含量的影響不明顯（表1）。

從圖9b可以看出，試驗前，樣地土壤速效鉀含量較低，平均值僅為43 mg/kg，但施用堆肥后在短時間內(nèi)能顯著提高土壤速效鉀的含量，并一直保持在較高的水平。施肥5個月后，處理①、處理②、處理③的速效鉀含量分別達178、188和227 mg/kg，比施肥前速效鉀含量分別增加了134、141、189 mg/kg。據(jù)說解鉀細菌能將土壤中的不溶性鉀素溶解供植物吸收，土壤速效鉀含量高，可能是綠化廢棄物堆肥中含有解鉀的功能菌，它們在土壤中活動釋放了被土壤吸附和固定的鉀，從而增加了土壤速效鉀的含量。

2.5 主成分分析和土壤改良效果的綜合評價

通過試驗可以獲得施用不同用量綠化廢棄物堆肥對土壤含水量、密度、pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀等理化性質(zhì)影響的數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)與改良效果之間沒有表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)，不能夠客觀地反映土壤性質(zhì)的綜合改良效果，需要通過主成分分析法把多個指標進行綜合評價。將全部數(shù)據(jù)經(jīng)隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)化后進行主成分分析（表3），結(jié)果表明，方差累計貢獻率達到 83.296 2%，其中，第1主成分的貢獻率為 51.904 7%，第2主成分的貢獻率是31.391 5%。

由表3分析得到的指標測定值的貢獻率可以計算出土壤各指標的權(quán)重，土壤密度、pH、有機質(zhì)含量、全氮含量、水解氮含量、全磷含量、有效磷含量、全鉀含量、速效鉀含量、質(zhì)量含水量、飽和含水量、田間持水量的權(quán)重系數(shù)分別為0.098、0.086、0.098、0.104、0.071、0.066、0.047、0.073、0.088、0098、0.087、0.083。為了更準確地反映不同用量綠化廢棄物堆肥對土壤的改良效果，避免單一評價指標的片面性，以權(quán)重系數(shù)構(gòu)建土壤綜合評價函數(shù)（SQI）來綜合評價各處理對土壤的改良效果，將各指標的隸屬函數(shù)值和權(quán)重系數(shù)帶入SQI計算公式中，可得土壤綜合評價結(jié)果，結(jié)果見表4。由土壤改良效果綜合評價結(jié)果（表4）可知，綠化廢棄物堆肥的施用都能較好地改良土壤，其中，以處理②的改良效果最好，處理①、處理③略差，但是明顯好于對照。

3 討論與結(jié)論

由于高速公路綠地與城市綠地相比，管理更粗放，所以土壤質(zhì)量更差，表現(xiàn)出干旱缺水、容重偏大、pH偏高、養(yǎng)分不足的嚴重問題。根據(jù)高速公路綠地土壤自身的理化性質(zhì)特點，設(shè)置的幾組綠化廢棄物堆肥施用量雖然比前人試驗結(jié)果要大，但從整個試驗周期看，各組施肥處理對土壤理化性質(zhì)的改良沒有表現(xiàn)出顯著的持久效果，究其原因主要是土壤質(zhì)量太差，引起的一系列惡性循環(huán)。一方面，可能是土壤的微環(huán)境，pH、土壤的物理結(jié)構(gòu)等因素限制微生物的活動;另一方面可能是施用的綠化廢棄物堆肥提供的資源有限，很快被微生物分解殆盡，微生物活動減少，造成效果不明顯。

綠化廢棄物堆肥能顯著提高土壤含水量，提高土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、水解氮、有效磷和速效鉀含量，降低pH和土壤密度，這與顧兵等[17]研究綠化廢棄物改良土壤的結(jié)果一致。由于綠化廢棄物堆肥施用量和土壤主要理化指標并不呈顯著線性正相關(guān)，綜合評價得出的結(jié)果表明，并不是施用量越大，土壤改良效果越顯著，施用量宜控制在30 015.0 kg/hm2以內(nèi)。建議連續(xù)多年施用綠化廢棄物堆肥，富含有機物的綠化廢棄物在土壤中會不斷被微生物分解，促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的增加，破壞了細密土層中的毛細管道，減少土壤水分沿著毛細管道的蒸騰作用而造成的損失，使土壤保持相對濕潤和空松，既達到提高土壤蓄水保肥的能力，降低養(yǎng)護費用，又有利于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

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