4种改良材料对城市绿地酸性土壤的改良效果*

苏 杨 张俊涛 李 铤 梁春梅

（广州市林业和园林科学研究院/广东省计量认证实验室，广东 广州 510405）

城市绿地土壤是自然土壤和人为活动的混合物，为林业和园林植物提供生长介质和养分，是城市绿地生态系统功能的基础，为宜居城市提供关键的生态系统服务[1]。然而人类活动改变了绿地土壤的原始成分和自然结构，引发了一系列土壤问题，导致绿地土壤质量下降，土壤酸化问题就是其中之一。调查发现，广州市部分城市绿地土壤呈酸性（4.5～5.5）[2]，酸性土壤中的H+不仅对植物的生长产生直接的毒害作用，还会降低土壤微生物活性[3]，导致植物长势衰弱，进而影响绿地景观和生态效益。已酸化的土壤很难通过自身作用得以恢复，因此城市绿地酸性土壤的改良研究具有十分重要的意义。

目前对于酸性土壤的改良材料有很多，传统的改良材料有有机肥[4]、生石灰[5-6]等碳酸钙类肥料等，矿物和工业废弃物（如磷矿粉[5]）以及园林和农业废弃物相关产品（如园林废弃物堆肥[7]和生物炭[8]）等作为新兴改良材料也在酸性土壤改良研究中展现出了良好的效果。本研究针对部分城市绿地土壤偏酸的问题，选用生石灰、磷矿粉、园林废弃物堆肥、生物炭4 种材料作为改良材料，揭示其对酸性土壤pH 值的改良效果及其对土壤EC 值、有效磷、速效钾和有机质的影响，为高效改良城市绿地酸性土壤提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试的酸性土壤（pH＜5.5）采自广东广州海珠国家湿地公园。

供试的生石灰、磷矿粉、园林废弃物堆肥、生物炭均为市售产品，其中，生石灰（CaO）、磷矿粉采购自泰州市长浦化学试剂有限公司，园林废弃物堆肥、生物炭采购自广州市生升农业股份有限公司。

供试土壤和4 种供试材料的基本化学性质见表1。

表1 供试土壤和4 种改良材料的基本化学性质Tab.1 Basic chemical properties of the tested soil and four amendments

1.2 试验设计

试验于2020 年5—11 月在广州市林业和园林科学研究院温室大棚内进行。采用室内土培试验，设置13 个处理组：不添加改良材料（记为CK），生石灰添加量（质量比，下同）分别为40、80、160 g·kg-1（分别记为S40、S80、S160），磷矿粉添加量分别为40、80、160 g·kg-1（分别记为L40、L80、L160），园林废弃物堆肥添加量分别为40、80、160 g·kg-1（分别记为F40、F80、F160），生物炭添加量分别为40、80、160 g·kg-1（分别记为D40、D80、D160），每组处理设置3个重复。将土壤与改良材料搅拌均匀装入种植盆（口径18 cm，高度13 cm），放置于温室大棚（25oC）培育，第1 天各处理组浇透水，采集初始样品，前49 天每隔7 d（即第7、14、21、28、35、42、49 天）各采集样品1 次，第50 天至170天每隔30 d（即第80、110、140、170 天）各采集样品1 次，每次采集20 g 样品，全部样品均检测pH 值，第1 天和49 天的样品补充检测EC 值、有效磷、速效钾和有机质。

1.3 测定指标与方法

土壤pH 值采用电位法测定[9]，EC 值采用电导法测定[10]，有效磷含量采用碳酸氢钠－钼锑抗比色法测定[11]，速效钾含量采用乙酸铵提取—火焰光度计法测定[12]，有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[13]。

1.4 数据分析

采用IBM SPSS Statistics 21.0 软件对试验数据进行统计分析，对不同处理的土壤理化指标进行单因素方差分析，并用Duncan 法进行两两比较；图形绘制采用Excel 2010。

2 结果与分析

2.1 4 种改良材料不同施加量对城市绿地酸性土壤pH 值的影响

图1a 表明，在第1 天，S40、S80、S160 处理样品的pH 值达到12.6、12.8、12.9，较CK 分别上升了9.0、9.2、9.3 个单位；随后整体呈下降趋势，至第170 天时，S40、S80、S160 处理样品的pH 值降至7.8、8.1、8.3，较第1 天时分别下降了4.8、4.6、4.5 个单位，较第49 天时分别下降了0.4、0.3、1.4 个单位；在此期间，CK 的pH 值在4.4～5.3 间变化，与土壤背景值相当。此外，S40、S80 处 理 样 品 的pH 值 前49 d 分 别 在7.2～12.6、8.5～12.8 范围内波动，第49 天至第170 天则基本稳定在7.7～8.3、7.9～8.5；S160 处理样品的pH 值前110 d 在9.7～12.9 范围内波动，第110 天至第170 天则基本稳定在8.2～8.3，但仍略高于广州市地方标准《园林种植土》（DB4401/T 36-2019）[14]中7.5 的上限值，因此在使用生石灰这类强碱性材料时，应注意控制添加量（低于40 g·kg-1）并给予一定的稳定时间。对每个采样点各处理组的pH 值进行显著性差异分析，结果表明S40、S80、S160 处理样品的pH 值均显著高于CK（P＜0.05），说明添加生石灰可以有效提升酸性土壤的pH 值并维持170 d 以上；而在第170 天时，S80 和S160之间pH 值无显著性差异（P＞0.05），应该是土壤中存在有机或无机酸碱缓冲物质，对pH 值有一定的调节作用[15]。

图1 不同改良材料对酸性土壤pH 值的影响Fig.1 Effects of different amendments on acidic soil pH

图1b 表明，在第1 天，L40、L80、L160 处理样品的pH 值为8.0、7.8、8.1，所有磷矿粉处理组的pH 值均显著高于CK，较CK 分别上升了4.4、4.2、4.5 个单位；随后出现波动，但幅度不大，整个试验期（170 d）基本保持稳定，至第170 天，L40、L80、L160 处理样品的pH 值为7.1、7.2、7.4，较第1 天时分别下降了0.8、0.6、0.6 个单位，仍显著高于CK，这是因为磷矿粉中含有一定量的CaO[16]，溶解时会消耗土壤中的H+，同时磷矿粉溶解时释出的H2PO4-和F-会置换出土壤胶体表面的羟基，使得土壤pH 值升高[17]。由此可见，施用磷矿粉可以有效改善酸性土壤的酸碱度，使其达到广州市地方标准《园林种植土》对通用种植土pH 值的要求（5.5～7.5），并且反应过程比较平缓。

图1c 表明，在第1 天，F40、F80、F160 处理样品的pH 值分别为5.8、5.9、6.3，较CK 分别上升了2.2、2.3、2.7 个单位；随后出现小幅波动，49 d 后渐趋稳定，基本保持不变，至第170 天时，F40、F80、F160 处 理 样 品 的pH 值 分 别 为4.7、5.1、5.9；在整个试验期内，所有添加园林废弃物堆肥处理组的pH 值均显著高于CK，但只有F160处理整个试验期的pH 值符合广州市地方标准《园林种植土》对通用种植土pH 值的要求。园林废弃物堆肥能够提升土壤pH 值是因为有机物分解过程中脱去的-NH2在土壤中进一步形成NH3和NH4+，消耗了土壤中的部分H+；使局部土壤产生还原环境，引起Fe、Mn 氧化物还原，产生OH-[7,18]。可见，施用园林废弃物堆肥可以改善酸性土壤的酸碱度，但必须达到一定用量（160 g·kg-1）以上作用才会显现。

图1d 表明，在第1 天，D40、D80、D160 处理样品的pH 值为5.0、5.3、6.1，较CK 分别上升了1.4、1.7、2.5 个单位；随后出现波动，49 d 后渐趋稳定，至第170 天时，D40、D80、D160 处理样品的pH 值分别为4.7、5.1、5.9；在整个试验期内，所有添加生物炭处理组的pH 值均显著高于CK，但只有D160 处理整个试验期的pH 值符合广州市地方标准《园林种植土》对通用种植土pH 值的要求。研究表明，生物炭能够提升土壤pH 值主要有以下三方面的原因：一是自身含有较强的碱性物质[19]，二是生物炭在生产过程中形成的碱性氧化物或碳酸盐可与土壤中的H+及Al 单核羟基化合物发生反应，降低土壤可交换性酸[20]，三是生物炭对土壤中NH4+吸附作用会抑制硝化反应进而减少质子的产生[20]，间接提升土壤pH 值。可见，施用生物炭可以改善酸性土壤的酸碱度，但其用量须达到160 g·kg-1以上作用才会显现。

2.2 4 种改良材料不同施加量对城市绿地酸性土壤的EC 值和养分的影响

在研究4 种改良材料不同施加量对城市绿地酸性土壤pH 值影响的同时，选取第1 天和第49天（各处理的pH 值基本达到稳定）补充检测了各处理样品的EC 值、有效磷、速效钾和有机质含量，进一步分析4 种改良材料对城市绿地酸性土壤EC 值和养分的影响。

检测结果（图2a）表明，4 种改良材料对土壤EC 值均有一定的影响，且影响程度会随时间及改良材料用量而变化；第1 天时，除D40 外，其他处理组的EC 值均显著高于CK 组（P＜0.05），其中，生石灰处理组提升幅度最大，甚至3 个生石灰处理组均超出了广州市地方标准《园林种植土》所要求的EC 值的上限（0.80 mS·cm-1）；第49 天时，生石灰和园林废弃物堆肥以及高添加量的磷矿粉（L160）和生物炭（D160）处理组的EC值显著高于CK（P＜0.05），而低添加量的磷矿粉（L40、L80）和生物炭（D40、D80）与CK 无显著性差异（P＞0.05），说明经过49 d 的反应过程，生石灰和园林废弃物堆肥仍对土壤的EC 值有提升作用，且不会超过广州市地方标准《园林种植土》所要求的EC 值的上限，但低添加量的磷矿粉和生物炭对于提升土壤EC 值已没有显著效果。

图2 不同改良材料对酸性土壤EC 值和养分的影响Fig.2 Effects of different amendments on acidic soil EC and nutrient content

图2b 显示，第1 天时，S40、S80、S160 的有效磷含量显著高于其他处理组（P＜0.05），第49天时，S40、S80、S160 的有效磷含量较第1 天分别降低23.4、28.0、28.7 mg·kg-1，但仍高于其他处理，并且高于广州市地方标准《园林种植土》中二级种植土有效磷的限值（19.0 mg·kg-1），说明生石灰在提升酸性土壤pH 值的同时，可以在一定时间内增加土壤有效磷含量，这可能与生石灰在提升酸性土壤pH 值的同时使P 的主要吸附基-活性Fe、Al 产生沉淀，从而降低了土壤对P的吸附有关[21]。

添加磷矿粉的3 个处理L40、L80、L160 在第1 天和第49 天时有效磷含量均高于CK，仅L40在第1 天时未达显著水平，第49 天时L40、L80、L160 有效磷含量较第1 天分别升高了4.8、2.9 mg·kg-1和降低了5.0 mg·kg-1，基本达到广州市地方标准《园林种植土》中二级种植土有效磷的限值（19.0 mg·kg-1），说明磷矿粉在提升酸性土壤pH 值的同时，可以增加土壤有效磷含量，这与其本身含有一定量的有效磷有关（表1）。然而，磷矿粉在提高土壤有效磷含量上没有表现出优于其他处理组的效果，这主要是由于其所含的磷元素大多以硅钙质的形式存在，在自然条件下难以快速的转化为有效磷[22]。

添加园林废弃物堆肥的3 个处理F40、F80、F160 在第1 天时有效磷含量均高于CK，其中F80、F160 有效磷含量更是显著高于CK（P＜0.05），F40、F80、F160 在第49 天时有效磷含量较第1 天分别降低了0.5 mg·kg-1、升高了0.3、4.0 mg·kg-1，仅F160 显著高于CK 且高于广州市地方标准《园林种植土》中二级种植土有效磷的限值（19.0 mg·kg-1），说明高添加量（160 g·kg-1以上）的园林废弃物堆肥才能较长期地增加土壤有效磷含量，这与其对pH 值的影响结果一致。

添加生物炭的3 个处理D40、D80、D160 在第1 天时有效磷含量均高于CK，其中D80、D160有效磷含量显著高于CK（P＜0.05），D40、D80、D160 在第49 天时有效磷含量较第1 天分别升高了3.6、3.4、5.0 mg·kg-1，其中D80、D160 显著高于CK 且高于广州市地方标准《园林种植土》中二级种植土有效磷的限值（19.0 mg·kg-1），说明生物炭用量达到一定量时可以显著提升土壤有效磷含量。

图2c 显示，第1 天时，S160 的速效钾含量显著低于CK，而S40、S80 与CK 无显著性差异，第49 天时，S40、S80、S160 的速效钾含量较第1天分别提高31、59、53 mg·kg-1，且均高于CK，说明生石灰在前期提升酸性土壤pH 值的同时，降低了速效钾的含量，而随着土壤pH 值的回落，速效钾含量又逐渐增加，这是由于生石灰造成土壤溶液中K/Ca 比例失调，增加土壤对钾的固定，导致初期土壤速效钾含量降低[23]，而随着培养时间延长，土壤潜在酸对生石灰进行中和，土壤pH 值降低，又促使土壤释放出一定的速效钾[24]，提升了土壤中速效钾的含量。

添加磷矿粉的3 个处理L40、L80、L160 在第1 天和第49 天时速效钾含量均低于CK，且随着磷矿粉用量的增加其速效钾含量基本呈降低的趋势，这可能是由于磷矿粉本身速效钾含量较低，同时还含有一定量的CaO[16]，在加重土壤对钾固定的同时无法向其提供更多的钾离子，从而导致土壤速效钾含量的降低。

添加园林废弃物堆肥的3 个处理F40、F80、F160 在第1 天和第49 天时速效钾含量均显著高于CK，从第1 天到第49 天，F40、F80、F160速效钾含量分别降低了64、108、193 mg·kg-1，说明园林废弃物堆肥在加入初期能显著提升土壤的速效钾含量，且随着其用量的增加，速效钾含量增幅扩大，但是随着时间的推移，效果有所下降。

添加生物炭的3 个处理D40、D80、D160 在第1 天和第49 天时速效钾含量均显著高于CK，从第1 天到第49 天，D40、D80、D160 速效钾含量分别升高了180、423、1 444 mg·kg-1，说明生物炭在初期能显著提升土壤的速效钾含量，随着其用量的增加，速效钾含量增幅扩大，且随着时间的推移，能够向土壤中释放更多的速效钾。

图2d 显示，第1 天和49 天时，S40、S80、S160 和L40、L80、L160 的有机质含量均与CK的无显著性差异（P＞0.05），甚至S160 处理样品中有机质含量还低于CK，但未达显著水平，说明添加生石灰和磷矿粉在改善酸性土壤酸碱度的同时，不会增加有机质含量甚至高用量的生石灰还会降低其有机质含量；而F40、F80、F160 和D40、D80、D160 的有机质含量第1 天和49 天时均显著高于CK（P＜0.05），说明园林废弃物堆肥和生物炭在改善酸性土壤酸碱度的同时，还会增加其有机质含量，并且随着园林废弃物堆肥和生物炭用量的增加，有机质含量增幅扩大。有研究表明，高添加量的生石灰会加速有机质的分解，促进结构比较简单的有机物的矿化，从而降低土壤中有机质的含量[25]。而堆肥和生物炭由于其本身有机质含量高，所以能显著提升土壤中的有机质含量，特别是生物炭的加入为微生物提供了良好的生存环境，促进了微生物的活动进而促进土壤腐殖质的分解，从而进一步提升土壤有机质含量[26]。

3 结论与讨论

生石灰、磷矿粉、园林废弃物堆肥、生物炭4 种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对酸性土壤的改良效果存在差异，其中，添加生石灰、磷矿粉、园林废弃物堆肥、生物炭40、80、160 g·kg-1分别可提升酸性土 壤pH 值3.6～5.1、2.7～2.9、0.6～1.8、0.2～1.5 个单位；在相同剂量下，4 种改良材料对酸性土壤pH 值的提升效果排序为：生石灰＞磷矿粉＞园林废弃物堆肥＞生物炭。

生石灰施入土壤前期pH 值变化较剧烈，一定时间后渐趋稳定，这与张瑶等[6]、胡敏等[21]研究结果一致，所以在使用生石灰这类强碱性材料改良酸性土壤时，应注意控制添加量（低于40 g·kg-1）并给予一定的稳定时间，而其他3 种材料加入后pH 值变化较平缓，不需要太长时间即达稳定；4 种材料对酸性土壤pH 值的改良效果均可以维持170 d 以上。

4 种材料在改善土壤pH 值的同时还能有效提升土壤中有效磷的含量，这与前人[5,21,27]的研究结果一致，其中生石灰提升效果最为显著，磷矿粉、园林废弃物堆肥、生物炭次之；生物炭和园林废弃物堆肥能同时有效提升土壤速效钾和有机质的含量，生物炭的提升效果尤为显著，相反的，生石灰和磷矿粉不能提升土壤速效钾和有机质的含量，高添加量的生石灰甚至会降低土壤速效钾和有机质的含量。

在改良城市绿地酸性土壤酸碱度方面，生石灰、磷矿粉、园林废弃物堆肥、生物炭4 种材料表现出了不同的能力，同时又各具其他功效：生石灰能有效提升土壤中有效磷的含量，还可有效缓解酸性土壤中Al 和其他重金属毒害，补充Ca、Mg 营养，改善土壤结构[28]；磷矿粉虽然短期内不能提供大量的有效磷，但其肥效时间长，能够有效促进植物生长[22]；园林废弃物堆肥产品含有大量有机质和营养成分，可减少无机肥料的使用量[29]，提高土壤的保水透水能力[30]，促进植物健康生长并有效降低造林成本[27]，在安全、经济和保护生态环境方面具有明显的优势，具有发展和推广潜力；生物炭可增加有效磷、速效钾等含量，有效吸附土壤养分，可减少Al 毒侵害，为微生物群落提供生存空间与营养物质，还可增加土壤的孔隙度和持水性，改善了植物根系的生长环境[31]。所以，在改良城市绿地酸性土壤过程中，应结合土壤的其他理化性质选择合适的改良材料，或者按一定比例进行混施，以提高整体效果。