城市搬迁地土壤酸碱缓冲性能研究

马 想 徐 冰 梁 晶*

城市土壤pH值普遍偏高，已成为限制城市绿化发展的主要障碍因子之一，土壤酸碱缓冲性能是土壤质量评价的重要指标之一，也是预测和调控土壤pH值变化的定量依据。以城市搬迁地土壤为研究对象，探讨了静置时间、土壤类型和有机、无机改良材料对土壤缓冲性能的影响。通过酸碱滴定法绘制酸碱性能缓冲曲线，使用线性方程拟合计算样品酸碱缓冲容量。结果表明：土壤震荡混匀后的静置时间会显著影响土壤缓冲容量；灰潮土缓冲容量大于红壤和黄棕壤；无机材料改良后，灰潮土缓冲容量显著提高；湿垃圾沼渣堆肥缓冲容量大于草炭和绿化废弃物堆肥。湿垃圾沼渣堆肥可有效提高灰潮土缓冲容量，添加适宜比例为30%。研究可为城市搬迁地土壤的园林绿化应用提供技术支撑和指导。

城市搬迁地；灰潮土；湿垃圾沼渣堆肥；酸碱缓冲容量

随着生态文明建设的推进，全面增加城市绿地面积，构建“多层次、成网络、功能复合”的城市生态网络框架体系，已成为当前城市生态文明建设的重点。但目前大城市园林绿化建设与土地资源紧缺矛盾日趋突显[1]，新造绿林地大都只能建于城市困难立地上，上海中心城区已批未建绿地中85%为搬迁地[2]。土壤作为植物生长的基础和载体，对城市绿化建设具有重要作用，伍海兵等[3]调查研究发现城市搬迁地土壤pH值高达9.28±0.25，超过了大部分园林植物生长的最适pH值范围。为了快速营建城市绿化景观，通过添加有机、无机材料改良土壤理化性状已成为趋势，张浪等[4]提出关于园林绿化快速成景“配生土”的概念，旨在对原土、客土、有机无机改良材料以及微生物菌剂进行科学配置，以形成具有较好理化性质、较高生物活性以及环境调控能力，从而全面满足植物生长发育的土壤条件。但纵观现有研究和绿化工程实践可以发现，土壤改良后短期内质量效果较为明显，但长期看土壤质量还是有恶化趋势，尤其是土壤酸碱性[5]。

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[6]。缓冲容量越大，土壤酸碱环境越稳定，越有利于维持土壤生态功能，能为植物生长创造稳定的土壤生态条件[7]。对土壤酸碱缓冲容量进行定量研究可以为土壤酸化的抑制和盐碱化的治理提供理论指导。郑玉义等[8]的研究表明不同类型土壤的酸缓冲曲线和酸害容量不同，紫色土的酸缓冲曲线最平缓，灰棕壤和灰壤次之，黄壤缓冲曲线最陡峭。井玉丹等[9]研究表明土壤有机质含量、阳离子交换量、粘粒含量等土壤理化性质是影响土壤酸缓冲作用的主要因素。宋郭柳等[10]对城市绿地土壤的研究则表明，pH值是影响土壤酸碱缓冲能力的关键因素，随着pH值增加，土壤酸碱缓冲能力随之增加。王娇等[11]研究表明土壤中添加秸秆可明显提高土壤酸碱缓冲能力，且缓冲容量随秸秆添加量的增加而升高。土壤pH值的变化主要受土壤溶液中H+的解离和OH-的水解速率控制，H+的释放量大于OH-的水解率时，土壤pH值就降低，土壤缓冲容量越大则单位质量的土壤pH值增加或降低一个单位所需酸或碱的量也越大[12]，土壤本身性质及改良材料酸碱缓冲性能均是影响土壤体系缓冲容量重要的因素。

为此，本研究对城市搬迁地灰潮土、红壤和黄棕壤以及城市绿化建设中常用的有机材料进行缓冲性能研究，并在此基础上以灰潮土为例，探讨添加有机、无机材料对土壤缓冲性能的影响。分析不同静置时间、不同无机材料及不同湿垃圾沼渣堆肥添加比例对土壤缓冲性能的影响，以期为城市困难立地土壤改良及其绿化建设提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料主要有供试土壤、供试改良土壤和供试有机改良材料。其中供试土壤有灰潮土、红壤和黄棕壤，灰潮土采自上海某搬迁地，成土母质为河流沉积物；红壤采自江西赣州某搬迁地，成土母质为花岗岩和砂页岩；黄棕壤采自湖南常德某搬迁地，成土母质为花岗岩、片麻岩及砂页岩的残积坡积物。土样均为表层20 cm土壤多点采集后混合样品（去除表层1～3 cm浮土），将混合样品中植物根系、砾石等杂物剔除后自然风干，过2 mm筛备用。

供试无机材料改良土，由供试灰潮土制备而成，分别为硫酸亚铁改良土（简称Fe-改良土）、磷酸二氢钾改良土（简称P-改良土）和硫酸亚铁-磷酸二氢钾改良土（简称Fe-P改良土）三种，具体方法为：取供试灰潮土2 L于3 L塑料培养瓶中，Fe-改良土处理中添加8 g硫酸亚铁，P-改良土处理中添加8 g磷酸二氢钾，Fe-P改良土处理中添加4 g硫酸亚铁和4 g磷酸二氢钾，搅拌均匀后，将土壤含水率调至田间持水量的60%～65%，25℃条件下培养7 d后自然风干，过2 mm筛备用。

供试有机改良材料包括草炭、绿化废弃物堆肥和湿垃圾沼渣堆肥。其中草炭取自吉林省敦化市林地沼泽化形成的草炭地；绿化废弃物堆肥为上海市行道树修剪的枝条，经粉碎机粉碎成1～3 mm粒径后堆肥6个月腐熟的成品；湿垃圾沼渣堆肥是湿垃圾通过干式厌氧发酵工艺后产生的沼渣，经过二次好氧发酵腐熟后的堆肥。各供试有机改良材料自然风干后，过2 mm筛备用。

供试湿垃圾沼渣堆肥改良土，由湿垃圾沼渣堆肥与灰潮土分别按照体积比1∶9、3∶7和5∶5进行混合，混合样品置于12 gal花盆中，缓慢加水浸润后培养60 d，培养期间每天浇水保持土壤处于田间持水量的60%～65%。培养结束后取出土样，自然风干后过2 mm筛备用。供试土壤及有机改良材料pH值见表1。

表1 供试土壤及有机改良材料pH值

1.2 实验方法

1.2.1 氢氧化钠和盐酸标准溶液配制

参考《化学试剂标准滴定溶液的制备》GB/T601-2002配置0.1 mol/L氢氧化钠和0.1 mol/L盐酸溶液[13]。

1.2.2 土壤酸碱缓冲性能测定

分别称取20 g供试土壤和供试改良土壤样品置于25个烧杯中，编号1～25，其中1～12号烧杯中依次加入1 ml、2 ml、3 ml、4 ml、5 ml、6 ml、7 ml、8 ml、9 ml、10 ml、15 ml和 20 ml的0.1 mol/L的盐酸溶液；14～25号烧杯中依次加入1 ml、2 ml、3 ml、4 ml、5 ml、6 ml、7 ml、8 ml、9 ml、10 ml、15 ml和20 ml的0.1 mol/L的氢氧化钠溶液；13号烧杯加去离子水。将已添加的溶液计算在加水范围内，按照水土比2.5∶1添加去离子水，充分搅拌摇匀后静置0.5 h[14]和72 h[11]后，测定各烧杯土壤pH值。

分别称取10 g供试有机改良材料置于15个烧杯中，编号1～15，其中1～7号烧杯中依次加入1 ml、2 ml、4 ml、8 ml、10 ml、15 ml和20 ml的0.1 mol/L的盐酸溶液；9～15号烧杯中依次加入1 ml、2 ml、4 ml、8 ml、10 ml、15 ml和 20 ml的 0.1 mol/L的氢氧化钠溶液；8号烧杯加去离子水。将已添加的溶液计算在加水范围内，按照水土比5∶1添加去离子水，充分搅拌摇匀后静置72 h，测定各烧杯中改良材料pH值。

1.3 数据处理和分析

采用Excel2019对数据进行处理和分析，Sigmaplot14作图。以酸碱加入量为横坐标、pH值为纵坐标绘制滴定曲线（即缓冲曲线）。对缓冲曲线进行线性拟合（拟合方程为Y=aX+b)，其中a指斜率，b指截距，X指酸碱添加量，缓冲容量指斜率绝对值的倒数。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[15]。土壤酸碱缓冲容量的大小可作为土壤酸碱敏感性的分级依据。缓冲容量＜10 mmol/kg为Ⅰ级，对酸碱“较敏感”；10 mmol/kg≤缓冲容量＜20 mmol/kg为Ⅱ级，对酸碱“敏感”；20 mmol/kg≤缓冲容量＜40 mmol/kg为Ⅲ级，对酸碱“稍敏感”；缓冲容量≥40 mmol/kg为Ⅳ级，对酸碱“不敏感”[5]。

2 结果与分析

2.1 静置时间和土壤类型对酸碱缓冲性能的影响

2.1.1 静置时间对土壤酸碱缓冲性能的影响

方程思想是一种重要的数学思想，是指在分析问题的数量关系时，将问题中的已知量和未知量之间的数量关系通过适当设元建立起方程（组），然后通过解方程（组）使问题得到解决的思维方式。方程思想的重点及独特之处是化未知为已知，关键是利用已知条件或公式、定理中的已知结论构造方程（组）。应用方程思想解题的一般步骤为：分析问题→建立方程（组）→解方程→解决问题。

土壤pH值传统检测方法为按照一定水土比搅拌后，静置0.5 h测定土壤pH值[14]。土壤缓冲性能研究中土壤搅拌后，静置时间则并不一致[6-11]。为研究不同静置时间对土壤缓冲性能的影响，分别测定了三种不同类型土壤、三种有机改良材料土壤和三种无机改良材料土壤静置0.5 h和72 h后的酸碱缓冲性能并进行了方程拟合。

由图1可知，三种类型土壤缓冲曲线均呈类“S”型，且静置0.5 h后的pH值变化范围均较静置72 h后的大，其中，静置0.5 h的灰潮土缓冲曲线pH值变化范围为5.66～12.63，变化幅度为6.97，静置72 h后pH值变化范围在6.92～11.46，变化幅度为4.54；静置0.5 h后红壤缓冲曲线pH值变化范围在1.79～11.46，变化幅度为9.67，静置72 h时pH值变化范围在2.15～10.37，变化幅度为8.22；静置0.5 h黄棕壤缓冲曲线pH值变化范围在2.43～11.55，变化幅度为9.12，静置72 h时pH值变化范围在3.05～10.20，变化幅度为7.15。

1. 静置0.5 h和72 h不同类型土壤酸碱缓冲曲线

由图2可知，三种有机改良材料缓冲曲线与土壤不同，未表现明显的“S”型，静置0.5 h和72 h的草炭和绿化废弃物堆肥pH值变化幅度差异不显著，而湿垃圾沼渣堆肥pH值变化幅度差异显著。草炭缓冲曲线pH值变化幅度在0.5 h和72 h分别为5.21、4.18，绿化废弃物堆肥pH值变化范围在0.5 h和72 h分别为2.76、2.48。湿垃圾沼渣堆肥缓冲曲线pH值变化范围在0.5 h和72 h分别为5.26～8.57、6.96～8.47，变化幅度分别为3.31、1.51。

2. 静置0.5h和72h不同有机改良材料酸碱缓冲曲线

由图3可知，三种改良土壤也未表现明显的“S型”，在相同酸碱加入量下，静置0.5 h的pH值变化范围显著高于静置72 h的，但二者间差异与土壤相比有所减小（图1）。在酸碱添加量为0～20 mmol/kg时，P-改良土酸碱缓冲曲线pH值变化范围在0.5 h和72 h分别为5.19～10.03、5.71～9.57，变化幅度分别为4.84、3.86；Fe-改良土酸碱缓冲曲线pH值变化范围在0.5 h和72 h分别为5.55～10.51、6.36～9.26，变化幅度分别为4.96、2.90；P-Fe改良土酸碱缓冲曲线pH值变化范围在0.5 h和72 h分别为5.47～10.34、6.05～9.95，变化幅度分别为4.87、3.90。

3. 不同无机材料改良土壤0.5h和72h酸碱缓冲曲线

基于静置时间0.5 h和72 h的土壤和有机改良材料的酸碱缓冲曲线的拟合方程（R2均大于0.86），计算土壤和有机改良材料酸碱缓冲容量见表2，由表可知，随着静置时间的延长，土壤和有机改良材料酸碱缓冲容量均有所增加。三种类型土壤中，红壤缓冲容量的增量最小，仅0.59 mmol/kg；从缓冲容量增加的倍数来看，红壤和黄棕壤均较小，为1.21倍，但三种土壤酸碱敏感性均未发生改变。三种有机材料中，草炭缓冲容量的增量最小，仅1.75 mmol/kg；绿化废弃物堆肥缓冲容量的增加倍数最小，为1.20；湿垃圾沼渣堆肥缓冲容量增量最大，达11.20，且酸碱敏感性由“敏感”变为“稍敏感”。三种无机材料改良土中，P-改良土缓冲容量的增量和增加倍数均最小，且三种无机材料改良土酸碱敏感性均由“较敏感”变为“敏感”。

2.1.2 不同类型土壤酸碱缓冲性能的差异

不同类型土壤酸碱缓冲性能的差异见图4，从中可以得知，灰潮土的酸碱缓冲曲线可分为三段，第一段为加酸量0～1 mmol/kg时，pH值从9.44迅速降至8.03；第二段为加酸量1～20 mmol/kg时，pH值从8.03逐渐降至6.92；第三段为加碱量0～20 mmol/kg时，pH值从9.44逐渐升至11.46。

4. 不同类型土壤酸碱缓冲曲线

黄棕壤的酸碱缓冲曲线可分为4段，突变点分别为加酸量9 mmol/kg、8mmol/kg，加碱量6 mmol/kg。加酸量9～20 mmol/kg时，黄棕壤pH值变化了0.8个单位（3.05～3.85），斜率为0.07；加酸量为8～9 mmol/kg时，pH值变化了1.21个单位（3.85～5.06），斜率为1.21；8 mmol/kg加酸量到6 mmol/kg加碱量范围内，pH值变化了4.26个单位（5.06～9.32），斜率为0.30；加碱量6～20 mmol/kg时，pH值变化了1.09个单位（9.32～10.20），斜率为0.08。

表2 静置时间对土壤和有机改良材料酸碱缓冲容量的影响

进一步比较三种不同类型土壤酸碱缓冲曲线pH值变化幅度，可以发现灰潮土、红壤和黄棕壤的pH值变化幅度分别为4.54（6.92～11.46）、8.22（2.15～10.37）和7.15（3.05 ～10.20），灰潮土pH值变化的绝对值最小为4.54，红壤pH值变化的绝对值最大为8.22。在酸添加量均为0～20 mmol/kg范围内，灰潮土pH值降低了2.52，红壤pH值降低了4.39，黄棕壤pH值降低了4.64，可见灰潮土酸缓冲能力较红壤和黄棕壤强；在碱添加量0～20 mmol/kg范围内，灰潮土pH值增加了2.02，红壤pH值增加了3.83，黄棕壤pH值增加了2.51，红壤对碱缓冲能力较弱。

同时，可以从表3三种土壤缓冲容量看出，三种土壤酸碱缓冲曲线直线拟合方程均较好（R2≥0.88）。灰潮土的缓冲容量最大，为6.76 mmol/kg；红壤缓冲容量最小，为3.41 mmol/kg；但三种类型的土壤对酸碱敏感性均为“较敏感”。

表3 土壤酸碱缓冲曲线直线拟合方程和缓冲容量

2.2 不同改良材料对土壤酸碱缓冲性能的影响

2.2.1 不同无机材料改良后土壤酸碱缓冲性能的差异

由图5可知，三种无机材料改良灰潮土缓冲曲线变化趋势基本一致，均表现为：加酸量0～20 mmol/kg和加碱量0～4 mmol/kg范围内，pH值呈缓慢增加的趋势；加碱量为4～10 mmol/kg范围内，pH值基本保持稳定；加碱量在10～20 mmol/kg范围内，pH值迅速升高。

5. 无机材料改良土酸碱缓冲曲线

三种改良土在加入20 mmol/kg的酸后的pH值变化值分别为P-改良土1.13个单位（5.71～6.84），Fe-改良土0.72个单位（6.36～7.08）和Fe-P改良土1.03个单位（6.05～7.08）。加入20 mmol/kg的碱后，pH值变化为P-改良土2.73个单位（6.84～9.57），Fe-改良土2.18个单位（7.08～9.26）和Fe-P改良土2.87个单位（7.08～9.95）。

表4 改良土壤缓冲曲线直线拟合方程及缓冲容量

三种无机材料改良土的酸碱缓冲容量如表4所示，相比未改良土，三种无机材料改良土的酸碱缓冲容量均有明显增加，其中Fe-改良土缓冲容量最大，为14.7 mmol/kg；且显著高于P-改良土（10.3 mmol/kg）和P-Fe改良土（10.5 mmol/kg）；从其酸碱敏感性来看，三种无机材料改良土酸碱敏感性分级无差异，均为“敏感”性，但较未改良土（“较敏感”性）酸碱敏感性呈降低趋势，表明无机材料可以有效提高土壤缓冲性能。

2.2.2 不同有机材料改良后土壤酸碱缓冲性能的差异

（1）有机改良材料的缓冲性能。由图6可知，三种有机改良材料酸碱缓冲曲线具有明显差异。草炭酸缓冲曲线中pH值变化范围在3.32～7.50，整体变化斜率为0.12，缓冲容量为8.24 mmol/kg，酸碱敏感性属于“较敏感”；酸缓冲斜率为0.096，酸缓冲容量为10.38；碱缓冲斜率为0.103，碱缓冲容量为9.74（表5）。湿垃圾沼渣堆肥酸碱缓冲曲线中pH值变化范围在6.96～8.47，整体变化斜率为0.042，缓冲容量为23.98 mmol/kg，酸碱敏感性属于“稍敏感”；酸缓冲斜率为0.032，酸缓冲容量为30.96；碱缓冲斜率为0.037，碱缓冲容量为26.74。绿化废弃物堆肥酸碱缓冲曲线中pH值变化范围在5.19～7.67，整体变化斜率为0.058，缓冲容量为17.12，酸碱敏感性属于“敏感”；酸缓冲斜率为0.075，酸缓冲容量为13.33；碱缓冲斜率为0.036，碱缓冲容量为27.70。

表5 有机改良材料缓冲曲线直线拟合方程（y=aX+b）和缓冲容量

6. 不同有机物料缓冲曲线

三种有机改良材料中，湿垃圾沼渣堆肥的酸碱缓冲曲线最平缓，当加入20 mmol/kg的酸后，三个样品的pH变化幅度分别为草炭2.02、湿垃圾沼渣堆肥0.71和绿化废弃物堆肥1.74，湿垃圾沼渣堆肥对酸的缓冲能力强于草炭和绿化废弃物堆肥。加入20 mmol/kg的碱后，pH值变化幅度分别为草炭2.16、湿垃圾沼渣堆肥0.80和绿化废弃物堆肥0.74，绿化废弃物堆肥对碱缓冲能力强于草炭和湿垃圾沼渣堆肥。

（2）湿垃圾沼渣堆肥添加量对土壤缓冲性能的影响。有机改良材料中，湿垃圾沼渣堆肥的酸碱缓冲容量最大（表5），具有提升土壤缓冲能力的潜力，为此，进一步开展了湿垃圾沼渣堆肥添加量对土壤缓冲性能影响的研究。由图7的土壤酸碱缓冲曲线可知，在酸和碱添加量均为0～20 mmol/kg范围内，灰潮土pH值变化范围在6.92～11.46，pH值变化幅度为4.54，缓冲容量为6.76 mmol/kg；添加10%湿垃圾沼渣堆肥处理土壤pH值变化范围在7.40～9.94，pH值变化幅度为2.54，缓冲容量为15.02 mmol/kg；添加30%湿垃圾沼渣堆肥处理土壤pH值变化范围在7.61～8.43，pH值变化幅度为0.82，缓冲容量为54.64 mmol/kg；添加50%湿垃圾沼渣堆肥处理土壤pH值变化范围在7.77～8.54，pH值变化幅度为0.77，缓冲容量为60.24。可见添加湿垃圾沼渣堆肥可以显著提高灰潮土的酸碱缓冲能力，且添加30%和50%湿垃圾沼渣堆肥处理土壤酸碱缓冲能力显著高于添加10%湿垃圾沼渣堆肥处理土壤，但添加30%和50%湿垃圾沼渣堆肥处理土壤酸碱缓冲能力差异不显著。

7. 湿垃圾沼渣堆肥添加量对土壤缓冲性能的影响

3 结论与讨论

不同静置时间对土壤酸碱缓冲性能测定结果有显著影响，这可能是由于静置时间短时，外源酸碱物质仅能与样品中的活性酸等游离态物质反应，但只有在游离态物质被大量反应后，土壤胶体上附着的氢、铝离子及盐基离子才会被置换出来进行反应[16]。本研究结果表明，灰潮土缓冲容量大于红壤和黄棕壤，但由于供试灰潮土本身土壤pH值较高，达到9.1，因此灰潮土相对较大的缓冲容量反而造成土壤盐碱化改良更难在短期内实现。尤其值得注意的是，灰潮土的酸缓冲曲线在酸添加量为1 mmol/kg时，即显著降低，但在酸添加量为1～10 mmol/kg时，土壤pH值保持相对稳定，这表明供试灰潮土游离态物质少，第一阶段的酸缓冲能力较弱，但后期受土壤胶体和盐基饱和度等因素的影响，对酸性物质中和能力较强[7]。添加无机改良材料之后，能有效增强其酸碱缓冲性能，提升缓冲容量。有机材料一般有机碳含量高、孔隙度大、比表面积大、吸附容量大，因此可以有效提高土壤酸碱缓冲性能。酸性无机材料可以直接向土壤中加入酸根离子和盐基离子，从而快速改变土壤pH值。三种改良土的酸碱缓冲曲线图之间差异不大，但Fe-改良土缓冲容量最大；相比于原土，P-改良土、Fe-改良土和P-Fe改良土酸碱缓冲容量分别提高了52.7%、117.9%和55.9%。但无机材料对土壤缓冲性能的提升作用是否具有长期效应还需要进一步研究。有机物料能有效提高土壤有机质含量，且由于有机物料特殊的物理结构和酸碱特性，会显著改变土壤的酸碱缓冲体系[17]。本研究结果表明，草炭的缓冲容量为8.24 mmol/kg，绿化废弃物堆肥为17.12 mmol/kg，湿垃圾沼渣堆肥为23.98 mmol/kg，湿垃圾沼渣堆肥最适宜用来提高土壤体系的酸碱缓冲容量。将不同比例湿垃圾沼渣堆肥与灰潮土混合培养，可以定量化研究湿垃圾沼渣堆肥对土壤缓冲性能的影响，同时确定湿垃圾沼渣堆肥的最佳施用比例。研究结果表明，湿垃圾沼渣堆肥添加显著改变了土壤的缓冲能力，相同酸碱添加量下，改良灰潮土的pH值变化范围显著减小。湿垃圾沼渣堆肥添加比例为10%、30%和50%条件下，pH变化的绝对量仅为灰潮土的56%、18%和17%，酸碱缓冲容量分别为未改良土的2.22倍、8.08倍和8.91倍。但湿垃圾沼渣堆肥本身pH值较大，因此对于灰潮土等碱性土壤的改良可能还需要配合其他措施共同应用。