園林廢棄物覆蓋材料組分及厚度對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響*

潘松，史正軍，毛曉寧，袁峰均，曾偉，焦玉佳

(1.深圳市中國科學(xué)院仙湖植物園，廣東 深圳 518004；2.廣東深圳城市森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，廣東 深圳 518004；3.青海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008)

園林廢棄物主要包括城市園林維護(hù)和災(zāi)害天氣過程中產(chǎn)生的綠化修剪物、枯死木、枯枝落葉。園林廢棄物是富含有機物的清潔材料，且產(chǎn)量巨大，但過去很長間被進(jìn)行簡單焚燒和填埋處置，造成環(huán)境污染和資源浪費。園林廢棄物用于城市綠地地表覆蓋是近年來繼堆肥化利用外的關(guān)注焦點和主要的研究應(yīng)用方向[1-3]。近年來，關(guān)于凋落物覆蓋可提高土壤肥力和促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)健康的效果證實和機理已研究較為成熟[4-5]；在城市綠地中，植物凋落物對土壤、城市雨洪管理等的影響和人為移除后導(dǎo)致的問題也廣受學(xué)者關(guān)注[6]。目前在園林廢棄物覆蓋研究和應(yīng)用方面則主要側(cè)重于堆肥化后覆蓋[7]、染色覆蓋[8]等，而鮮有對不同組分原生材料覆蓋效果進(jìn)行系統(tǒng)比較的報道。

本研究從園林廢棄物資源再利用和土壤肥力提升的技術(shù)需求出發(fā)，定量研究園林廢棄物地表覆蓋的應(yīng)用效果。根據(jù)生產(chǎn)可行性將園林廢棄物分為樹枝、枝葉、樹葉及草屑共4類，并設(shè)定3、6、9 cm共3個覆蓋厚度，分析比較不同類型材料和厚度對土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分、酸堿性等土壤基本化學(xué)特性的影響，為園林廢棄物作為地表覆蓋物的應(yīng)用推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在深圳市仙湖植物園試驗基地進(jìn)行。采用定制種植槽種植植物、土表覆蓋園林廢棄物材料進(jìn)行試驗觀察。供試覆蓋物材料選用園林日常養(yǎng)護(hù)過程中修剪的多種喬木側(cè)枝混合物和草坪草修剪混合物，其中喬木包括馬占相思(Acaciamangium)、大葉榕(Ficusaltissima)、小葉榕(F.microcarpa)、水蒲桃(Syzygiumjambos)等華南本土闊葉植物，以馬占相思和大葉榕為主；草屑包括馬尼拉草(Zoysiamatrella)和臺灣草(Z.pacifica)的修剪物。

上述覆蓋物材料按樹枝、枝葉、樹葉、草屑共4類進(jìn)行分類處理。其中“樹枝”為木質(zhì)化程度較高的喬木主干一級側(cè)枝，枝條硬化且無葉片生長；“枝葉”為喬木主干的二級以上生長樹葉的二級以上柔枝；“樹葉”為從喬木柔枝上摘取的葉片；“草屑”即草坪草修剪物。分類后，樹枝、枝葉、樹葉用小型樹枝粉碎機粉碎至粒徑約30～80 mm，草屑未粉碎，草葉長度約為50～150 mm。所有材料經(jīng)自然晾干后備用。供試土壤為采自試驗基地附近人工壘山林地0～30 cm深度內(nèi)的自然赤紅壤,自然晾干后過2 cm篩。供試土壤有機質(zhì)含量4.23 g/kg，氮、磷、鉀全量分別為0.26 g/kg、0.22 g/kg、5.1 g/kg，土壤pH為6.12，質(zhì)地為砂壤，肥力貧瘠。

試驗容器為用市場購置的黑色PVC阻根板卷材圍合加工的圓柱形種植槽，規(guī)格為高50 cm、直徑80 cm，外圍用鐵絲捆綁加固。每個種植槽種8棵從苗木市場購置的龍船花(Lxorachinensis)袋苗，株高為25～30 cm。

1.2 試驗處理與過程

試驗采用AB雙因素完全隨機設(shè)計試驗共設(shè)12個處理。其中因素A為覆蓋材料類型，共設(shè)草屑、樹葉、枝葉、樹枝共4種材料；因素B為覆蓋厚度，共設(shè)3、6、9 cm共3個厚度。此外，設(shè)置無覆蓋物的裸土處理作為對照(CK)。每個處理布置了3個種植槽作為3次重復(fù)，試驗處理及編號見表1。

種植前，將種植槽豎直平穩(wěn)擺放，底部填入10 cm陶粒以促進(jìn)排水。在陶粒上部填土、灌水及適度壓實穩(wěn)定后，土表距種植槽上緣10 cm左右，將去袋后的龍船花苗帶土球均勻植入，根據(jù)表1處理在土表添加覆蓋物。試驗自2019年11月種植布置完成，按常規(guī)養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行植物生長維護(hù)。試驗后第1、第6、第12、第18個月各處理及對照分別統(tǒng)一表施15-15-15復(fù)合肥1次，每次10 g/槽；每6個月檢查、補充1次分解消耗的覆蓋物至預(yù)設(shè)厚度，共補充3次。植物生長期歷時21個月，于2021年8月進(jìn)行收獲，每個種植槽內(nèi)用取土鉆在植株間隙均勻采集5個點并混合，取樣深度為20 cm。土壤樣品帶回實驗室經(jīng)預(yù)處理后，測定有機質(zhì)(SOM)、全氮(TN)、堿解氮(AN)、全磷(TP)、有效磷(AP)、全鉀(TK)、pH值、電導(dǎo)率(EC)等基本指標(biāo)。

表1 試驗處理表Tab.1 Test treatment table

1.3 測定項目與方法

土壤SOM采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，TN采用凱氏定氮法，AN采用堿解擴散法，全磷(TP)采用HClO4-H2SO4消煮法，AP采用NH4F-HCl法，TK和速效鉀AK均采用火焰光度法，pH值采用電位法，EC采用電導(dǎo)法[9-10]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析和逐步回歸分析，用 Gaphpad 9.3.1進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計和繪制熱力圖，其它圖形用EXCEL 2016進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋材料及厚度對土壤有機質(zhì)、氮磷鉀養(yǎng)分含量的影響

土壤有機質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量是反映土壤肥力的基本化學(xué)指標(biāo)。由各覆蓋處理及CK的單因素方差分析結(jié)果(表2)可以看出，與較種植前土壤相比，試驗收獲時各處理及CK的土壤有機質(zhì)及氮、磷、鉀全量養(yǎng)分含量均有增加；同時，與CK相比，不同覆蓋處理下的除TP外的SOM及其它養(yǎng)分指標(biāo)均有不同程度的增加。這說明有機覆蓋物可能通過材料分解及減少養(yǎng)分淋失過程能夠提高土壤的有機質(zhì)，并能夠提高土壤對植物的氮磷鉀有效養(yǎng)分供給能力。

由表2可以看出，在T1～T12中，6 cm厚度草屑覆蓋在提高土壤SOM和氮鉀儲量以及磷的有效供給方面表現(xiàn)最佳，但對提高氮鉀的有效供給方面表現(xiàn)較差；同時可以看出，草屑覆蓋效果受覆蓋厚度的影響較大，以6 cm厚度為宜，而9 cm厚度覆蓋效果較差；樹葉覆蓋有利于提高土壤SOM、鉀儲量和提高氮有效性，以6 cm厚度為宜；枝葉覆蓋有利于提高土壤SOM、鉀儲量及磷的有效性，且受厚度影響較?。粯渲Ω采w有利于提高土壤鉀儲量和有效供應(yīng)，且6 cm和9 cm厚度覆蓋效果優(yōu)于3 cm。

表2 不同處理下的土壤養(yǎng)分含量Tab.2 Soil nutrient content under different treatment

雙因素方差分析結(jié)果(表3)表明，覆蓋材料和厚度差異對土壤的SOM、TN、AN、AP和AK含量具有顯著影響。其中以枝葉覆蓋的土壤SOM、TN、AN和AK含量表現(xiàn)最優(yōu)，較樹枝覆蓋處理差異達(dá)到顯著水平；土壤AP含量以草屑覆蓋處理最優(yōu)，顯著高于其它覆蓋處理。不同覆蓋厚度處理對土壤的SOM、TN和AK含量影響顯著，土壤SOM和TN含量以6 cm處理最優(yōu)，且顯著高于其它處理，覆蓋厚度9 cm處理的土壤AK含量顯著提高。覆蓋材料和覆蓋厚度雙因素影響下，土壤TN含量、土壤SOM和AK含量反映的交互作用達(dá)到顯著或極顯著水平；而覆蓋材料及覆蓋厚度的差異對土壤TP和TK含量影響不顯著。由雙因素分析結(jié)果綜合來看，枝葉混合物對提高土壤SOM含量水平和土壤氮磷鉀儲量、氮鉀有效供應(yīng)能力方面表現(xiàn)最優(yōu)，樹枝覆蓋物表現(xiàn)較差；草屑覆蓋物在提高土壤有效磷方面表現(xiàn)最優(yōu)；同時，從覆蓋厚度來看，6 cm厚度最為適宜，該厚度在提高土壤SOM、土壤氮鉀儲量方面表現(xiàn)最佳。

表3 不同覆蓋材料與覆蓋厚度對土壤養(yǎng)分的雙因素檢驗結(jié)果Tab.3 Two-factor analysis results for soil nutrients with different coverage materials and coverage thicknesses

2.2 不同覆蓋材料及厚度對土壤pH和EC的影響

土壤pH和EC是反映土壤酸堿性和鹽分含量的基本指標(biāo)。由圖1可以看出，CK處理土壤pH為6.07，較試驗前的6.12變化不大，說明試驗維護(hù)期間除處理外的其它因素對土壤pH影響較小。與CK相比，6 cm厚度草屑覆蓋(T2)、6 cm厚度枝葉覆蓋(T8)、9 cm厚度樹枝覆蓋(T12)土壤pH呈顯著性下降，且影響程度一致；其它覆蓋處理土壤pH與CK相比總體呈下降趨勢，但未達(dá)到顯著差異。進(jìn)而對土壤pH影響的覆蓋物類型和厚度進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果表明(表4)覆蓋材料與厚度兩種因素對土壤pH的影響均不顯著，且無交互作用。

由圖2 可以看出，與CK相比，各覆蓋處理的土壤EC總體呈增加趨勢，但不同材料和厚度影響程度不同。6 cm草屑覆蓋(T2)和9 cm枝葉(T9)覆蓋處理土壤EC值最高，同時3個厚度的草屑覆蓋均顯著提高了土壤EC；6 cm和9 cm的樹葉(T5、T6)、枝葉(T8、T9)土壤EC也顯著提高，但3 cm下土壤EC變化不顯著；3個厚度的樹枝覆蓋(T10、T11、T12)土壤EC呈增加趨勢，但均未達(dá)到顯著性差異。

圖1 不同處理對土壤pH的影響注：不同小寫字母表示差異性顯著(P<0.05)。下同。Fig.1 Impacts of different treatment on soil pH

圖2 不同處理對土壤EC的影響Fig.2 Impacts of different treatment on soil EC

雙因素方差分析結(jié)果(表4)表明，覆蓋材料和厚度差異對土壤EC影響均顯著，但無交互作用。4種材料中，樹枝覆蓋的土壤EC顯著低于其它材料，而草屑、樹葉、枝條間無顯著性差異；厚度因素中，3 cm厚度的土壤EC最低，而6 cm和9 cm間無明顯差異。

表4 不同覆蓋材料與覆蓋厚度對土壤pH的雙因素檢驗結(jié)果Tab.4 Two-factor analysis results for soil pH and EC with different coverage materials and coverage thicknesses

2.3 土壤有機質(zhì)與養(yǎng)分、pH及EC間的相關(guān)分析

相關(guān)統(tǒng)計分析結(jié)果(圖3)表明，土壤SOM和土壤TN、AN、AP等養(yǎng)分指標(biāo)之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與TP、TK及AK相關(guān)關(guān)系不顯著，說明土壤有機質(zhì)與土壤氮儲量、氮磷有效供應(yīng)能力關(guān)系密切；此外TN與AN呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明氮儲量顯著影響其有效供應(yīng)能力；而TP與AP、TK與AK之間相關(guān)關(guān)系不顯著，可能是因為受其它環(huán)境因素的影響較大。

由圖3可以看出，土壤EC與SOM、TN、AN、AP等養(yǎng)分指標(biāo)之間達(dá)到極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明本試驗所用土壤中EC值大小與有機質(zhì)和氮磷養(yǎng)分之間關(guān)系密切，可以指示有機質(zhì)和養(yǎng)分變化；同時，EC與pH之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明隨土壤pH降低，有助于有機質(zhì)和氮儲量的增加，同時提高了氮磷養(yǎng)分的有效性。

圖3 土壤各化學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性熱圖注：*表示相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)； 表示相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。Fig.3 Correlation hot map between various chemical indicators of soil

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

在自然界中，植物從土壤汲取養(yǎng)分，又通過枯枝落葉轉(zhuǎn)化分解等方式與土壤融合，保持了土壤系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[11-12]，而園林廢棄物的移出，使得城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動斷裂，土壤肥力得不到自我維持。對促進(jìn)城市土壤健康來講，堆肥化結(jié)合土壤改良和施肥進(jìn)行利用是最好方法[13-15]，但由于堆肥周期長、場地限制等因素，往往滿足不了城市園林廢棄物處置的需要。而近年開始關(guān)注的綠地土壤覆蓋則為園林廢棄物資源化利用和垃圾圍城提供了極好的解決方案。

相關(guān)研究表明綠地植被自然凋落物和人工覆蓋物均可不同程度提高土壤有機質(zhì)、氮磷鉀養(yǎng)分總量及有效性[2,16-18]。顧兵[2]用粉碎過的園林廢棄物新鮮樹葉和小枝混合物進(jìn)行裸土覆蓋，發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)、全氮、全磷及氮磷鉀有效性顯著提高。Qu等[16]發(fā)現(xiàn)草屑覆蓋能夠提高0～20 cm層土壤有機質(zhì)、全氮和氮磷鉀有效性，但對深層土壤影響不明顯。本研究發(fā)現(xiàn)各覆蓋物處理均能提高土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀含量及氮磷鉀養(yǎng)分有效性，其影響效果受覆蓋厚度、材料組成影響顯著；但各覆蓋物處理對全磷含量影響不明顯，其原因有待進(jìn)一步研究。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)添加適量厚度的園林廢棄物可降低土壤pH，但也有一些研究發(fā)現(xiàn)有機覆蓋物對土壤pH影響不大或變化規(guī)律不一[19-20]，這可能與覆蓋材料種類和措施差異有關(guān)。一般認(rèn)為有機覆蓋物減低土壤pH的機理是通過促進(jìn)硫元素的氧化分解和各類有機酸的形成對土壤發(fā)生作用[21-22]，事實上有機物覆蓋也是鹽堿土治理的常用措施[23]。土壤EC值是對土壤鹽漬程度指標(biāo)[24]，一般來講，當(dāng)土壤鹽分含量較高時，可通過添加有機覆蓋物緩解[20,23]，反映為土壤EC的降低，但在低鹽分土壤中或無土栽培基質(zhì)中，EC值也可指示土壤總養(yǎng)分狀況。本研究中添加覆蓋物后土壤EC表現(xiàn)為提高，同時發(fā)現(xiàn)EC與土壤SOM、TN、AN、AP均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這可能與土壤本底鹽分較低有關(guān)。

3.2 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，園林廢棄物覆蓋能夠改善土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分，調(diào)節(jié)土壤pH，但其效果受材料和覆蓋厚度影響。就材料組分選擇來說，草屑覆蓋可提高土壤SOM、氮鉀儲量以及磷的有效性，樹葉覆蓋有利于提高土壤SOM、鉀儲量和提高氮有效性，枝葉覆蓋有利于提高土壤SOM、鉀儲量及磷的有效性，樹枝覆蓋有利于提高土壤鉀儲量和有效供應(yīng)。就覆蓋厚度來說，草屑、樹葉、枝葉以 6 cm為宜，樹枝可覆蓋6 cm或9 cm，其中6 cm厚度草屑、枝葉和9 cm厚度樹枝對降低土壤pH效果最明顯。