混凝土残渣对深圳城市绿地土壤酸碱缓冲性能的影响

宋郭柳 郑利锦 史正军

摘要為探明混凝土残渣对深圳绿地土壤酸碱缓冲性能的影响，以5个受混凝土残渣污染的绿地土壤为研究对象，自然土壤为对照，采用酸碱滴定法进行分析。结果表明，污染土壤pH在7.50～8.48，属于中性和碱性土，而对照土壤属于酸性土。围岭公园土壤（对照）有机质含量与污染土壤间的差异均达到显著水平（P<0.05）。土壤速效钾含量以怡景路最高（156.03 g/kg），是对照的3.27倍（罗芳山）和12.30倍（围岭公园）;有效磷含量则以爱国路土壤最高。污染土壤的电导率均显著高于对照，以笔架山公园土壤最高。此外，所有绿地土壤的酸碱缓冲曲线均呈反S形，污染土壤的酸碱缓冲容量高于对照，具体表现为怡景路>儿童公园>爱国路>东湖公园>笔架山公园>围岭公园>罗芳山。污染土壤对酸碱的敏感性均较低，而对照土壤对酸碱非常敏感。相关性分析表明，pH是影响土壤酸碱缓冲能力的关键因素，随着pH增加，土壤酸碱缓冲能力随之增加。

关键词城市绿地;混凝土残渣;理化性质;酸碱缓冲容量

中图分类号X171.4文献标识码A文章编号0517-6611（2020）15-0089-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.025

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Concrete Residue on Acidbase Buffer Capacity of Green Soils in Shenzhen City

SONG Guoliu1，ZHENG Lijin1， SHI Zhengjun2

（1. Shenzhen Wanhuiyuan Landscape Engineering Co.，Ltd.， Shenzhen，Guangdong 518042;2. Fairy Lake Botanical Garden， Shenzhen & Chinese Academy of Sciences， Shenzhen，Guangdong 518004）

AbstractTo determine the effects of concrete residue on acidbase buffer of green soils in Shenzhen City， this study took five green soils polluted by concrete residue as the research samples and natural soils as the control， the acidbase titration determination was used to analyze soil samples. The results showed that the pH of polluted soil was 7.50 - 8.48， which belonged to neutral and alkaline soil， while the control soils belonged to acid soil. There were significant differences in organic matter content between Weiling park soil （control） and polluted soils （P<0.05）. The content of soil available potassium in Yijing Road was the highest （156.03 g/kg）， which was 3.27 times higher than that of the control （Luofang Mountain） and 12.30 times （Weiling Park）， and available phosphorus content of Aiguo Road soil was the highest. The electrical conductivity of polluted soils were significantly higher than that of the control， and the Bijiashan Park soil was the highest. In addition， the acidbase buffering curves of all green soils were antiSshaped， the acidbase buffering capacity of polluted soils were higher than that of the control. The specific performance was as follows： Yijing Road>Children's Park>Aiguo Road>East Lake Park>Bijiashan Park>Weiling Park>Luofang Mountain. The sensitivity of polluted soils to acidbase were low， while control soils were extraordinarily sensitive to acidbase. Correlation analysis showed that the pH was the key factor affecting soil acidbase buffering capacity， and the soil acidbase buffering capacity increased with the increase of pH.

Key wordsUrban green land;Concrete residue;Physicochemical properties;Acidbase buffer capacity

基金项目深圳市科技计划技术攻关项目（JSGG20170824090848015）;深圳市城管科研项目（201915）。

作者简介宋郭柳（1980—），男，广东梅州人，工程师，从事生态修复技术研究。*通信作者，教授级高级工程师，博士，从事土壤肥力与生态环境研究。

收稿日期2020-01-19

土壤酸碱性（pH）是在土壤形成过程中受气候、生物、母质以及人为因素等综合作用所产生的属性，其变化会强烈影响地下生物群落、植物生长以及生态系统的多样性和功能性[1-2]。土壤酸化会导致微生物生物量、真菌细菌比值和微生物活性降低[3]，而土壤酸化程度主要取决于土壤pH、酸输入量和土壤对酸碱的缓冲能力。绿地土壤是现代化城市生态环境质量的主要调节者，在城市生态系统中起着不可替代的作用[4]。然而随着城市经济发展，高楼大厦及道路建设剧增，产生了大量的混凝土残渣，一部分直接混进土壤中，导致土壤养分缺乏，质量下降[5-6]。前人研究表明，土壤中的砖块和建筑垃圾等外来材料会导致土壤pH升高[7]，因此探究城市混凝土残渣对土壤酸碱缓冲性能的影响具有重要意义。

土壤酸碱缓冲性能是土壤质量评价体系中的重要因子，也是预测和调控土壤酸化的定量依据，一般用酸碱缓冲容量表示[8]。缓冲容量越大，就越能稳定土壤酸碱环境，有利于维持土壤生态功能，为植物生长创造稳定的土壤生态条件[9]。胡波等[10]研究表明，在pH>3.0时，不同土壤酸碱缓冲能力差异较大，4种森林土壤平均缓冲能力从大到小依次为灌木林、常绿阔叶林、针阔叶混交林、毛竹林，且同一林分表层土壤酸碱缓冲能力大于下层土壤。井玉丹等[11]研究发现，土壤中有机质含量、阳离子交换量、黏粒含量等因素起主要的缓冲作用，胶园土壤酸碱缓冲容量均较小。目前，关于土壤酸碱缓冲性能的研究多集中在农田和森林土壤，而对城市绿地研究较少。因此，该研究以深圳市受混凝土残渣污染的绿地土壤为研究对象，以自然绿地土壤为对照，探究混凝土残渣对绿地土壤酸碱缓冲性能的影响，以期为城市绿地合理利用和改良提供理论依据。

1材料与方法

1.1研究区域概况

深圳市位于113°46′～114°37′E、22°27′～22°52′N，屬于亚热带海洋性气候。由于深受季风的影响，夏季高温多雨，年均气温22.4 ℃，年降雨量1 933.3 mm，年均日照时数2 120.5 h，无霜期355 d。成土母岩主要是花岗岩和页岩，主要地带性土壤为赤红壤，该类土壤一般呈酸性，pH在4.5～5.5，有机质和有效磷含量较低。随着社会经济发展，原生植被被破坏，转化为人工林、城市公园绿地和建筑用地等。2004年全市绿化覆盖面积980.60 km2，建成区绿化覆盖率为45%。

1.2土壤样品采集

供试土壤采自深圳市市区具有代表性的公园、道路、山地绿地土壤。其中，怡景路、爱国路采样点位为道路隔离带地被植物绿地;儿童公园、东湖公园、笔架山公园采样点为主园路旁灌木花池。以上样点共同特征为种植土均为客土回填，且含有大量筑路混凝土残渣。同时，在围岭公园、罗芳山公园、翠竹公园选择未受混凝土残渣等固体污染物影响的山坡灌木绿地原有土壤。具体采样方法为：在每个地点随机选取5～8个采样点，用土钻采集0～20 cm的土壤样品，带回实验室。将每个地点的土壤样品混合，形成一个复合样品，去除可见的岩石、大根系和粗植物材料。以上样品均风干磨细，过20目筛，装瓶，备用。

1.3指标测定及方法

土壤基本理化性质采用鲁如坤[12]的方法测定。具体如下：土壤pH和电导率（EC）采用pHS-3C 型数字式酸度计测定;有机质（SOM）采用重铬酸钾氧化法测定;速效钾（AK）采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定;有效磷采用0.03 mol/L NH 4F-0.025 mol/L HCl浸提-钼锑钪比色法测定。

土壤酸碱缓冲能力测定：分别取11只玻璃烧杯（50 mL），依次编号，每只烧杯中称取4.00 g土壤样品，在1～5号烧杯中依次加入0.5、1.0、20、3.0、4.0 mL已标定的0.1 mol/LHCl溶液，在7～11号烧杯中依次加入0.5、1.0、20、3.0、4.0 mL已标定的0.1 mol/L NaOH溶液，6号烧杯中不加酸碱。然后向每个烧杯中加入无CO 2蒸馏水，使各烧杯中总体积达20 mL（5∶1水土比浸提），同时做仅加去离子水的空白处理。土壤悬液摇匀，放置72 h，期间每天往复摇匀3～4次。最后一次摇动后，静止2 h，用pHs-3C型pH计测定pH。

1.4数据处理

所有数据用Excel 2013处理，SPSS 20.0进行方差分析和显著性分析，Excel 2013和Origin 9.0作图。试验数据用平均值±标准误表示，采用单因素方差分析（one-way ANOVA），多重比较采用Duncan法，且P<0.05被认为具有统计学意义。

土壤酸碱缓冲容量计算参照成杰民等[13]的方法。

以酸碱加入量为横坐标、pH为纵坐标绘制滴定曲线。在线性条件成立的情况下，土壤酸碱缓冲容量（pHBC）即为滴定曲线斜率绝对值的倒数，即pHBC=1/|a|。

根据土壤酸碱缓冲容量的大小可对土壤酸敏感性进行分级。具体为：Ⅰ级，缓冲容量<10 mmol/kg，对酸最敏感，极易受酸害;Ⅱ 级，缓冲容量10～20 mmol/kg，对酸敏感，易受酸害;Ⅲ级，缓冲容量20～40 mmol/kg，对酸稍敏感，稍易受酸害;Ⅳ级，缓冲容量≥40 mmol/kg，对酸不敏感，不易受酸害[14]。

2结果与分析

2.1城市混凝土残渣对绿地土壤理化性质的影响

由表1可知，几种绿地土壤的理化性质差异明显。其中，未受污染土壤属于酸性土;受城市混凝土残渣影响的土壤pH在7.50～8.48，属于中性和碱性土。土壤有机质含量以对照（罗芳山和围岭公园）土壤较高（19.71和16.16 g/kg），其中，围岭公园土壤与5种污染土壤间的差异均达到显著水平（P<005）。土壤速效钾含量以怡景路最高（156.03 g/kg），是对照的3.27倍（罗芳山）和12.30倍（围岭公园）。此外，土壤有效磷含量从大到小依次为爱国路、围岭公园、罗芳山、东湖公园、怡景路、笔架山公园、儿童公园。污染土壤的电导率均显著高于对照，以笔架山公园土壤最高（0.31 ms/cm），怡景路和爱国路土壤最低（0.11 ms/cm）。

2.2城市混凝土残渣对绿地土壤酸碱缓冲曲线的影响

土壤酸缓冲曲线直观地反映了加入不同量的酸碱后土壤pH变化。缓冲曲线越平缓，斜率越小，则表明土壤对酸碱沉降的缓冲能力越强。由图1可知，对照和受污染绿地土壤的酸碱缓冲曲线均呈反S形，但对照土壤的斜率明显大于污染土壤，说明污染土壤的酸碱缓冲能力更强。污染土壤酸碱缓冲能力从大到小依次为儿童公园、爱国路、怡景路、笔架山公园、东湖公园;对照土壤中，罗芳山土壤酸碱缓冲能力大于围岭公园。当pH在5.5～9.0时，污染土壤的酸碱缓冲能力较差;当pH在2.0～8.5时，对照土壤的缓冲能力较差。

2.3城市混凝土残渣对绿地土壤酸碱缓冲容量的影响

土壤酸碱缓冲容量是指土壤溶液改变一个单位pH所需酸或碱的量。从图1可以看出，对照土壤和污染土壤分别在pH 2.5～7.0和7.0 ～8.5近似为直线，将2种土壤在各自斜率相近的部分进行局部直线拟合计算并判断其酸敏感性。由表2可知，污染土壤的酸碱缓冲容量高于对照，从大到小依次为怡景路、儿童公园、爱国路、东湖公园、笔架山公园、围岭公园、罗芳山。相应地，对照土壤的酸碱敏感性较高，而污染土壤较低。具体而言，怡景路、爱国路和儿童公园土壤对酸碱不敏感，而东湖公园和笔架山公园土壤对酸碱稍敏感。

2.4绿地土壤酸碱缓冲能力的影响因素

由表3可知，土壤酸碱缓冲容量仅与pH呈极显著正相关关系（P<0.01），与其他理化性质间的关系均未达到显著水平;有机质与有效磷呈正相关，与其他呈负相关。

3讨论

随着城市化的推进，大量混凝土残渣产生，其中一部分客土回填，发生一系列物理、化学和生物反应，造成绿地土壤污染，从而降低了土壤质量。在该研究中，对照土壤属于酸性土，受城市混凝土残渣影响的土壤属于中性和碱性土，这与Alexandrovskaya等[7]的研究结果一致。该研究的供试土壤均为赤红壤，成土母质为花岗岩，酸化程度较高。由于城市混凝土残渣多为碱性，掺入绿地土壤后引起钙释放，pH显著增加，存在明显碱化的趋势，这在武汉[15]、上海[16]和广州[17]等城市园林土壤上也有所体现。此外，土壤有机质含量以对照土壤较高，污染土壤均较低。其中，围岭公园土壤与5种污染土壤间的差异均达到显著水平（P<0.05）。类似地，其他研究发现，城市表层土和城市道路土壤有机质往往供应不足，而有机成分的缺乏具有不利的理化效应[18]。一方面，有机质作为关键的团聚体，在土壤结构的形成和维护中起着重要作用[19];另一方面，有机质分解产生的有机酸可以活化固定态养分，增加土壤养分有效性[20]，这也解释了污染土壤中速效钾和有效磷较低的原因。

Nelson等[21]研究发现，不同酸度条件下土壤对酸的缓冲能力不同，这与该研究结论一致。在該研究中，对照土壤酸碱滴定曲线在pH 2.5处出现拐点，污染土壤在pH 7.0处发生突变，且对照土壤的酸碱缓冲容量远小于污染土壤，这主要是因为2种土壤的缓冲机制存在差异。加入酸后，污染土壤（碱性土）主要通过碳酸盐中和，而对照土壤（酸性土）主要通过离子交换和吸附作用起缓冲作用;加入碱后，污染土壤主要通过阴离子交换或有机官能团起缓冲作用，而对照土壤仍然通过离子交换或电离等机制中和外源性碱[9]。除此之外，相关性研究表明，土壤酸碱缓冲能力仅与pH呈极显著正相关（P<0.01），与其他理化性质间的关系均未达到显著水平，这与蒋胜军等[22]的研究结论存在差异，说明土壤类型和研究区域对土壤酸碱缓冲性能影响显著。因此，未来的研究应着眼于特定区域不同土壤条件下的酸碱缓冲能力和机制。

4结论

污染土壤属于中性和碱性土，有机质、电导率、速效钾和有效磷含量与对照土壤间的差异均达到显著水平。所有绿地土壤的酸碱缓冲曲线均呈反S形，污染土壤的酸碱缓冲容量高于对照，对酸碱的敏感性较低。此外，pH是影响土壤酸碱缓冲能力的关键因素，随着pH增加，土壤酸碱缓冲能力随之增加。

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