4種改良材料對城市綠地酸性土壤的改良效果*

蘇 楊 張俊濤 李 鋌 梁春梅

（廣州市林業(yè)和園林科學研究院/廣東省計量認證實驗室，廣東 廣州 510405）

城市綠地土壤是自然土壤和人為活動的混合物，為林業(yè)和園林植物提供生長介質和養(yǎng)分，是城市綠地生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎，為宜居城市提供關鍵的生態(tài)系統(tǒng)服務[1]。然而人類活動改變了綠地土壤的原始成分和自然結構，引發(fā)了一系列土壤問題，導致綠地土壤質量下降，土壤酸化問題就是其中之一。調查發(fā)現(xiàn)，廣州市部分城市綠地土壤呈酸性（4.5～5.5）[2]，酸性土壤中的H+不僅對植物的生長產生直接的毒害作用，還會降低土壤微生物活性[3]，導致植物長勢衰弱，進而影響綠地景觀和生態(tài)效益。已酸化的土壤很難通過自身作用得以恢復，因此城市綠地酸性土壤的改良研究具有十分重要的意義。

目前對于酸性土壤的改良材料有很多，傳統(tǒng)的改良材料有有機肥[4]、生石灰[5-6]等碳酸鈣類肥料等，礦物和工業(yè)廢棄物（如磷礦粉[5]）以及園林和農業(yè)廢棄物相關產品（如園林廢棄物堆肥[7]和生物炭[8]）等作為新興改良材料也在酸性土壤改良研究中展現(xiàn)出了良好的效果。本研究針對部分城市綠地土壤偏酸的問題，選用生石灰、磷礦粉、園林廢棄物堆肥、生物炭4 種材料作為改良材料，揭示其對酸性土壤pH 值的改良效果及其對土壤EC 值、有效磷、速效鉀和有機質的影響，為高效改良城市綠地酸性土壤提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試的酸性土壤（pH＜5.5）采自廣東廣州海珠國家濕地公園。

供試的生石灰、磷礦粉、園林廢棄物堆肥、生物炭均為市售產品，其中，生石灰（CaO）、磷礦粉采購自泰州市長浦化學試劑有限公司，園林廢棄物堆肥、生物炭采購自廣州市生升農業(yè)股份有限公司。

供試土壤和4 種供試材料的基本化學性質見表1。

表1 供試土壤和4 種改良材料的基本化學性質Tab.1 Basic chemical properties of the tested soil and four amendments

1.2 試驗設計

試驗于2020 年5—11 月在廣州市林業(yè)和園林科學研究院溫室大棚內進行。采用室內土培試驗，設置13 個處理組：不添加改良材料（記為CK），生石灰添加量（質量比，下同）分別為40、80、160 g·kg-1（分別記為S40、S80、S160），磷礦粉添加量分別為40、80、160 g·kg-1（分別記為L40、L80、L160），園林廢棄物堆肥添加量分別為40、80、160 g·kg-1（分別記為F40、F80、F160），生物炭添加量分別為40、80、160 g·kg-1（分別記為D40、D80、D160），每組處理設置3個重復。將土壤與改良材料攪拌均勻裝入種植盆（口徑18 cm，高度13 cm），放置于溫室大棚（25oC）培育，第1 天各處理組澆透水，采集初始樣品，前49 天每隔7 d（即第7、14、21、28、35、42、49 天）各采集樣品1 次，第50 天至170天每隔30 d（即第80、110、140、170 天）各采集樣品1 次，每次采集20 g 樣品，全部樣品均檢測pH 值，第1 天和49 天的樣品補充檢測EC 值、有效磷、速效鉀和有機質。

1.3 測定指標與方法

土壤pH 值采用電位法測定[9]，EC 值采用電導法測定[10]，有效磷含量采用碳酸氫鈉－鉬銻抗比色法測定[11]，速效鉀含量采用乙酸銨提取—火焰光度計法測定[12]，有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[13]。

1.4 數據分析

采用IBM SPSS Statistics 21.0 軟件對試驗數據進行統(tǒng)計分析，對不同處理的土壤理化指標進行單因素方差分析，并用Duncan 法進行兩兩比較；圖形繪制采用Excel 2010。

2 結果與分析

2.1 4 種改良材料不同施加量對城市綠地酸性土壤pH 值的影響

圖1a 表明，在第1 天，S40、S80、S160 處理樣品的pH 值達到12.6、12.8、12.9，較CK 分別上升了9.0、9.2、9.3 個單位；隨后整體呈下降趨勢，至第170 天時，S40、S80、S160 處理樣品的pH 值降至7.8、8.1、8.3，較第1 天時分別下降了4.8、4.6、4.5 個單位，較第49 天時分別下降了0.4、0.3、1.4 個單位；在此期間，CK 的pH 值在4.4～5.3 間變化，與土壤背景值相當。此外，S40、S80 處 理 樣 品 的pH 值 前49 d 分 別 在7.2～12.6、8.5～12.8 范圍內波動，第49 天至第170 天則基本穩(wěn)定在7.7～8.3、7.9～8.5；S160 處理樣品的pH 值前110 d 在9.7～12.9 范圍內波動，第110 天至第170 天則基本穩(wěn)定在8.2～8.3，但仍略高于廣州市地方標準《園林種植土》（DB4401/T 36-2019）[14]中7.5 的上限值，因此在使用生石灰這類強堿性材料時，應注意控制添加量（低于40 g·kg-1）并給予一定的穩(wěn)定時間。對每個采樣點各處理組的pH 值進行顯著性差異分析，結果表明S40、S80、S160 處理樣品的pH 值均顯著高于CK（P＜0.05），說明添加生石灰可以有效提升酸性土壤的pH 值并維持170 d 以上；而在第170 天時，S80 和S160之間pH 值無顯著性差異（P＞0.05），應該是土壤中存在有機或無機酸堿緩沖物質，對pH 值有一定的調節(jié)作用[15]。

圖1 不同改良材料對酸性土壤pH 值的影響Fig.1 Effects of different amendments on acidic soil pH

圖1b 表明，在第1 天，L40、L80、L160 處理樣品的pH 值為8.0、7.8、8.1，所有磷礦粉處理組的pH 值均顯著高于CK，較CK 分別上升了4.4、4.2、4.5 個單位；隨后出現(xiàn)波動，但幅度不大，整個試驗期（170 d）基本保持穩(wěn)定，至第170 天，L40、L80、L160 處理樣品的pH 值為7.1、7.2、7.4，較第1 天時分別下降了0.8、0.6、0.6 個單位，仍顯著高于CK，這是因為磷礦粉中含有一定量的CaO[16]，溶解時會消耗土壤中的H+，同時磷礦粉溶解時釋出的H2PO4-和F-會置換出土壤膠體表面的羥基，使得土壤pH 值升高[17]。由此可見，施用磷礦粉可以有效改善酸性土壤的酸堿度，使其達到廣州市地方標準《園林種植土》對通用種植土pH 值的要求（5.5～7.5），并且反應過程比較平緩。

圖1c 表明，在第1 天，F(xiàn)40、F80、F160 處理樣品的pH 值分別為5.8、5.9、6.3，較CK 分別上升了2.2、2.3、2.7 個單位；隨后出現(xiàn)小幅波動，49 d 后漸趨穩(wěn)定，基本保持不變，至第170 天時，F(xiàn)40、F80、F160 處 理 樣 品 的pH 值 分 別 為4.7、5.1、5.9；在整個試驗期內，所有添加園林廢棄物堆肥處理組的pH 值均顯著高于CK，但只有F160處理整個試驗期的pH 值符合廣州市地方標準《園林種植土》對通用種植土pH 值的要求。園林廢棄物堆肥能夠提升土壤pH 值是因為有機物分解過程中脫去的-NH2在土壤中進一步形成NH3和NH4+，消耗了土壤中的部分H+；使局部土壤產生還原環(huán)境，引起Fe、Mn 氧化物還原，產生OH-[7,18]?？梢?，施用園林廢棄物堆肥可以改善酸性土壤的酸堿度，但必須達到一定用量（160 g·kg-1）以上作用才會顯現(xiàn)。

圖1d 表明，在第1 天，D40、D80、D160 處理樣品的pH 值為5.0、5.3、6.1，較CK 分別上升了1.4、1.7、2.5 個單位；隨后出現(xiàn)波動，49 d 后漸趨穩(wěn)定，至第170 天時，D40、D80、D160 處理樣品的pH 值分別為4.7、5.1、5.9；在整個試驗期內，所有添加生物炭處理組的pH 值均顯著高于CK，但只有D160 處理整個試驗期的pH 值符合廣州市地方標準《園林種植土》對通用種植土pH 值的要求。研究表明，生物炭能夠提升土壤pH 值主要有以下三方面的原因：一是自身含有較強的堿性物質[19]，二是生物炭在生產過程中形成的堿性氧化物或碳酸鹽可與土壤中的H+及Al 單核羥基化合物發(fā)生反應，降低土壤可交換性酸[20]，三是生物炭對土壤中NH4+吸附作用會抑制硝化反應進而減少質子的產生[20]，間接提升土壤pH 值。可見，施用生物炭可以改善酸性土壤的酸堿度，但其用量須達到160 g·kg-1以上作用才會顯現(xiàn)。

2.2 4 種改良材料不同施加量對城市綠地酸性土壤的EC 值和養(yǎng)分的影響

在研究4 種改良材料不同施加量對城市綠地酸性土壤pH 值影響的同時，選取第1 天和第49天（各處理的pH 值基本達到穩(wěn)定）補充檢測了各處理樣品的EC 值、有效磷、速效鉀和有機質含量，進一步分析4 種改良材料對城市綠地酸性土壤EC 值和養(yǎng)分的影響。

檢測結果（圖2a）表明，4 種改良材料對土壤EC 值均有一定的影響，且影響程度會隨時間及改良材料用量而變化；第1 天時，除D40 外，其他處理組的EC 值均顯著高于CK 組（P＜0.05），其中，生石灰處理組提升幅度最大，甚至3 個生石灰處理組均超出了廣州市地方標準《園林種植土》所要求的EC 值的上限（0.80 mS·cm-1）；第49 天時，生石灰和園林廢棄物堆肥以及高添加量的磷礦粉（L160）和生物炭（D160）處理組的EC值顯著高于CK（P＜0.05），而低添加量的磷礦粉（L40、L80）和生物炭（D40、D80）與CK 無顯著性差異（P＞0.05），說明經過49 d 的反應過程，生石灰和園林廢棄物堆肥仍對土壤的EC 值有提升作用，且不會超過廣州市地方標準《園林種植土》所要求的EC 值的上限，但低添加量的磷礦粉和生物炭對于提升土壤EC 值已沒有顯著效果。

圖2 不同改良材料對酸性土壤EC 值和養(yǎng)分的影響Fig.2 Effects of different amendments on acidic soil EC and nutrient content

圖2b 顯示，第1 天時，S40、S80、S160 的有效磷含量顯著高于其他處理組（P＜0.05），第49天時，S40、S80、S160 的有效磷含量較第1 天分別降低23.4、28.0、28.7 mg·kg-1，但仍高于其他處理，并且高于廣州市地方標準《園林種植土》中二級種植土有效磷的限值（19.0 mg·kg-1），說明生石灰在提升酸性土壤pH 值的同時，可以在一定時間內增加土壤有效磷含量，這可能與生石灰在提升酸性土壤pH 值的同時使P 的主要吸附基-活性Fe、Al 產生沉淀，從而降低了土壤對P的吸附有關[21]。

添加磷礦粉的3 個處理L40、L80、L160 在第1 天和第49 天時有效磷含量均高于CK，僅L40在第1 天時未達顯著水平，第49 天時L40、L80、L160 有效磷含量較第1 天分別升高了4.8、2.9 mg·kg-1和降低了5.0 mg·kg-1，基本達到廣州市地方標準《園林種植土》中二級種植土有效磷的限值（19.0 mg·kg-1），說明磷礦粉在提升酸性土壤pH 值的同時，可以增加土壤有效磷含量，這與其本身含有一定量的有效磷有關（表1）。然而，磷礦粉在提高土壤有效磷含量上沒有表現(xiàn)出優(yōu)于其他處理組的效果，這主要是由于其所含的磷元素大多以硅鈣質的形式存在，在自然條件下難以快速的轉化為有效磷[22]。

添加園林廢棄物堆肥的3 個處理F40、F80、F160 在第1 天時有效磷含量均高于CK，其中F80、F160 有效磷含量更是顯著高于CK（P＜0.05），F(xiàn)40、F80、F160 在第49 天時有效磷含量較第1 天分別降低了0.5 mg·kg-1、升高了0.3、4.0 mg·kg-1，僅F160 顯著高于CK 且高于廣州市地方標準《園林種植土》中二級種植土有效磷的限值（19.0 mg·kg-1），說明高添加量（160 g·kg-1以上）的園林廢棄物堆肥才能較長期地增加土壤有效磷含量，這與其對pH 值的影響結果一致。

添加生物炭的3 個處理D40、D80、D160 在第1 天時有效磷含量均高于CK，其中D80、D160有效磷含量顯著高于CK（P＜0.05），D40、D80、D160 在第49 天時有效磷含量較第1 天分別升高了3.6、3.4、5.0 mg·kg-1，其中D80、D160 顯著高于CK 且高于廣州市地方標準《園林種植土》中二級種植土有效磷的限值（19.0 mg·kg-1），說明生物炭用量達到一定量時可以顯著提升土壤有效磷含量。

圖2c 顯示，第1 天時，S160 的速效鉀含量顯著低于CK，而S40、S80 與CK 無顯著性差異，第49 天時，S40、S80、S160 的速效鉀含量較第1天分別提高31、59、53 mg·kg-1，且均高于CK，說明生石灰在前期提升酸性土壤pH 值的同時，降低了速效鉀的含量，而隨著土壤pH 值的回落，速效鉀含量又逐漸增加，這是由于生石灰造成土壤溶液中K/Ca 比例失調，增加土壤對鉀的固定，導致初期土壤速效鉀含量降低[23]，而隨著培養(yǎng)時間延長，土壤潛在酸對生石灰進行中和，土壤pH 值降低，又促使土壤釋放出一定的速效鉀[24]，提升了土壤中速效鉀的含量。

添加磷礦粉的3 個處理L40、L80、L160 在第1 天和第49 天時速效鉀含量均低于CK，且隨著磷礦粉用量的增加其速效鉀含量基本呈降低的趨勢，這可能是由于磷礦粉本身速效鉀含量較低，同時還含有一定量的CaO[16]，在加重土壤對鉀固定的同時無法向其提供更多的鉀離子，從而導致土壤速效鉀含量的降低。

添加園林廢棄物堆肥的3 個處理F40、F80、F160 在第1 天和第49 天時速效鉀含量均顯著高于CK，從第1 天到第49 天，F(xiàn)40、F80、F160速效鉀含量分別降低了64、108、193 mg·kg-1，說明園林廢棄物堆肥在加入初期能顯著提升土壤的速效鉀含量，且隨著其用量的增加，速效鉀含量增幅擴大，但是隨著時間的推移，效果有所下降。

添加生物炭的3 個處理D40、D80、D160 在第1 天和第49 天時速效鉀含量均顯著高于CK，從第1 天到第49 天，D40、D80、D160 速效鉀含量分別升高了180、423、1 444 mg·kg-1，說明生物炭在初期能顯著提升土壤的速效鉀含量，隨著其用量的增加，速效鉀含量增幅擴大，且隨著時間的推移，能夠向土壤中釋放更多的速效鉀。

圖2d 顯示，第1 天和49 天時，S40、S80、S160 和L40、L80、L160 的有機質含量均與CK的無顯著性差異（P＞0.05），甚至S160 處理樣品中有機質含量還低于CK，但未達顯著水平，說明添加生石灰和磷礦粉在改善酸性土壤酸堿度的同時，不會增加有機質含量甚至高用量的生石灰還會降低其有機質含量；而F40、F80、F160 和D40、D80、D160 的有機質含量第1 天和49 天時均顯著高于CK（P＜0.05），說明園林廢棄物堆肥和生物炭在改善酸性土壤酸堿度的同時，還會增加其有機質含量，并且隨著園林廢棄物堆肥和生物炭用量的增加，有機質含量增幅擴大。有研究表明，高添加量的生石灰會加速有機質的分解，促進結構比較簡單的有機物的礦化，從而降低土壤中有機質的含量[25]。而堆肥和生物炭由于其本身有機質含量高，所以能顯著提升土壤中的有機質含量，特別是生物炭的加入為微生物提供了良好的生存環(huán)境，促進了微生物的活動進而促進土壤腐殖質的分解，從而進一步提升土壤有機質含量[26]。

3 結論與討論

生石灰、磷礦粉、園林廢棄物堆肥、生物炭4 種改良材料均可提高酸性土壤pH 值，但不同材料及其不同用量對酸性土壤的改良效果存在差異，其中，添加生石灰、磷礦粉、園林廢棄物堆肥、生物炭40、80、160 g·kg-1分別可提升酸性土 壤pH 值3.6～5.1、2.7～2.9、0.6～1.8、0.2～1.5 個單位；在相同劑量下，4 種改良材料對酸性土壤pH 值的提升效果排序為：生石灰＞磷礦粉＞園林廢棄物堆肥＞生物炭。

生石灰施入土壤前期pH 值變化較劇烈，一定時間后漸趨穩(wěn)定，這與張瑤等[6]、胡敏等[21]研究結果一致，所以在使用生石灰這類強堿性材料改良酸性土壤時，應注意控制添加量（低于40 g·kg-1）并給予一定的穩(wěn)定時間，而其他3 種材料加入后pH 值變化較平緩，不需要太長時間即達穩(wěn)定；4 種材料對酸性土壤pH 值的改良效果均可以維持170 d 以上。

4 種材料在改善土壤pH 值的同時還能有效提升土壤中有效磷的含量，這與前人[5,21,27]的研究結果一致，其中生石灰提升效果最為顯著，磷礦粉、園林廢棄物堆肥、生物炭次之；生物炭和園林廢棄物堆肥能同時有效提升土壤速效鉀和有機質的含量，生物炭的提升效果尤為顯著，相反的，生石灰和磷礦粉不能提升土壤速效鉀和有機質的含量，高添加量的生石灰甚至會降低土壤速效鉀和有機質的含量。

在改良城市綠地酸性土壤酸堿度方面，生石灰、磷礦粉、園林廢棄物堆肥、生物炭4 種材料表現(xiàn)出了不同的能力，同時又各具其他功效：生石灰能有效提升土壤中有效磷的含量，還可有效緩解酸性土壤中Al 和其他重金屬毒害，補充Ca、Mg 營養(yǎng)，改善土壤結構[28]；磷礦粉雖然短期內不能提供大量的有效磷，但其肥效時間長，能夠有效促進植物生長[22]；園林廢棄物堆肥產品含有大量有機質和營養(yǎng)成分，可減少無機肥料的使用量[29]，提高土壤的保水透水能力[30]，促進植物健康生長并有效降低造林成本[27]，在安全、經濟和保護生態(tài)環(huán)境方面具有明顯的優(yōu)勢，具有發(fā)展和推廣潛力；生物炭可增加有效磷、速效鉀等含量，有效吸附土壤養(yǎng)分，可減少Al 毒侵害，為微生物群落提供生存空間與營養(yǎng)物質，還可增加土壤的孔隙度和持水性，改善了植物根系的生長環(huán)境[31]。所以，在改良城市綠地酸性土壤過程中，應結合土壤的其他理化性質選擇合適的改良材料，或者按一定比例進行混施，以提高整體效果。