不同改良材料对典型城市绿地土壤物理性质的影响研究

崔 诚，冼卓慧，郑富海，梁春梅，张俊涛

（广州市林业和园林科学研究院/广东广州市国家城市林业科技示范园区/广东省计量认证实验室，广东 广州 510000）

城市土壤是人为的城市活动造成的地上覆盖有不同植被类型的为城市园林和城市生态系统服务的一类特殊的土壤［1-3］。城市绿地土壤作为城市土壤的一部分，是绿地植物生长的介质，是整个绿地系统的基础［4-6］。受人为活动的影响，城市绿地土壤往往混有深层土或疆土，不仅有机质和速效养分含量较低，且土体中伴有砖块、石块、水泥等侵入体，同时受机械压实、人为踩踏等影响，城市绿地土壤压实严重，土壤物理性质差［7-10］。研究表明，土壤缺乏养分不会直接导致植物死亡，土壤物理性质恶化是导致植物死亡的主要原因［11-15］。如广州南沙滨海公园土壤物理性质变差导致地表植物长势变差［16］；上海公园绿地的研究结果表明，公园绿地土壤容重平均值约为1.42 g/cm3，超过70%的公园绿地容重限定值［17］，在一定程度上阻碍了植物生长。

综上，研究城市绿地土壤物理性质改良至关重要。土壤物理性质改良材料的种类很多，常见的有园林废弃物堆肥，可降低土壤容重，提高土壤孔隙度和持水性［18］；椰糠疏松、透气，具有良好的孔隙结构和较强的保湿保温能力等综合优良的物理性质［19］；蚯蚓粪拥有优质团粒结构，在改良土壤时可对土壤进行矿化作用，释放土壤有效养分，提升土壤腐植质含量［20］；还有研究表明，生物炭不仅对土壤结构有显著的改善作用，而且对其他土壤性质也有显著的改善作用［21］。国内对城市绿地土壤物理性质的应用研究较少，导致很多人在实践中发现植物长势较差时首先想到的是土壤是否缺乏养分，而很少关注土壤物理性质变差导致的植物长势衰弱。因此，本研究选择不同改良材料进行典型城市绿地土壤改良研究，以期能为城市绿地土壤物理性质改良和提升提供研究基础和借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验地点基本情况

试验于2020年7～12月在广州市林业和园林科学研究院东平基地进行。

1.2 试验材料

试验选取广州市物理性质较差的城市绿地土壤，如红壤、砖红壤，采集并带回东平基地，挑拣土壤中杂物，并将土壤放置老化90 d使土体恢复到自然结构，再开展城市绿地土壤物理性质改良试验。

供试的园林废弃物堆肥、椰糠、蚯蚓粪、生物炭均为市售产品，采购自广州市生升农业股份有限公司，供试材料基本特性如表1所示。

表1 供试材料基本特性

1.3 试验设计

试验采用体积为10 L的种植盆进行土培试验，试验设计如表2所示：依据施用量不同，堆肥设置5个处理、椰糠设3个处理、生物炭设3个处理、蚯蚓粪设3个处理。试验时向供试土壤中添加相应的改良材料，搅拌均匀，每组处理设置3个重复，放置于阴凉的温室大棚培育（图1），每隔10 d浇水1次，一次浇水500 mL（气温较高时可随具体情况而定）。定时（30、60、90、180 d）进行破坏性采样，分析土壤物理性质。土壤容重、孔隙度、持水性、通气度指标按照LY/T 1215—1999 森林土壤水分 物理性质的测定方法测定，土壤渗透率按照LY/T 1218—1999 森林土壤 渗滤率的测定方法测定。

表2 试验设计

1.4 数据分析

试验数据运用SPSS 12.0和Origin 2018软件进行统计分析，采用Excel 2010和Origin 2018软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 堆肥对土壤物理性质的影响

依据堆肥的施用量不同设置5个处理，分别为D0（堆肥体积占比0%）、D20（堆肥体积占比20%）、D30（堆肥体积占比30%）、D40（堆肥体积占比40%）、D50（堆肥体积占比50%）。

2.1.1 堆肥不同施用量对土壤物理性质的影响由图1可知，与D0相比，D20、D30、D40、D50处理的土壤容重分别显著降低了28.35%、32.28%、39.37%、45.67%；但与D20相比，D30处理的土壤容重降低了9.23%（P＞0.05）；与D30相比，D40处理的土壤容重降低了9.41%（P＞0.05）；与D40相比，D50处理的土壤容重降低了10.39%（P＞0.05），说明堆肥用量相邻处理间差异不显著。与D20相比，D40、D50处理的土壤容重分别显著降低了15.38%、24.18%；与D30相比，D50处理的土壤容重显著降低了18.82%，说明堆肥用量10%的差别不足以引起土壤容重显著性变化。

图1 堆肥不同施用量对土壤容重的影响

由图2可知，随着堆肥施用量的增加，土壤通气性呈上升趋势。与D0相比，D20、D30、D40、D50处理的土壤通气度分别上升了0.04%、29.21%、27.82%、35.60%；与D20相比，D30、D40、D50处理的土壤通气性分别显著上升了24.07%、22.74%、30.21%，说明堆肥施用量30%以上可以显著提高土壤通气性，但D30、D40、D50处理间差异不显著。

图2 施用量对土壤通气度的影响

由图3可知，随着堆肥施用量的增加，土壤水分渗透率呈现先升后降的趋势。与D0相比，D20、D30、D40、D50处理的土壤水分渗透率分别显著上升了150.96%、173.32%、253.08%、224.40%；与D20相比，D40处理的土壤水分渗透率显著上升了40.69%；与D30相比，D40、D50处理的土壤水分渗透率上升无显著差异，说明堆肥施用量20%以上可显著提升土壤水分渗透率，但堆肥施用量超过30%后，各处理组之间差异不显著。

由图4可知，随着堆肥施用量的增加，土壤总孔隙度呈上升趋势。与D0相比，D20、D30、D40、D50处理的土壤总孔隙度分别显著增加了15.48%、29.81%、32.75%、34.99%；与D20相比，D30、D40、D50处理的土壤总孔隙度分别显著增加了12.42%、14.96%、16.90%，但D30、D40、D50处理间的土壤总孔隙度无显著差异，说明堆肥处理增加了土壤总孔隙度，但堆肥施用量超过30%后对土壤总孔隙度的影响效果开始减弱。与D0相比，D20、D30、D40、D50处理的土壤非毛管孔隙度分别显著增加了170.03%、178.64%、259.24%、279.02%；与D30相比，D40、D50处理的土壤非毛管孔隙度分别显著增加了28.93%、36.03%，说明堆肥处理能增加土壤的非毛孔孔隙度。与D0相比，D30、D40、D50处理的土壤毛管孔隙度分别增加了8.77%、0.73%、0.49%；与D20相比，D30处理的土壤毛管孔隙度显著增加了16.18%，说明堆肥的施用会导致土壤毛管孔隙度小幅波动，各处理与CK均无显著性差异。

图4 堆肥不同施用量对土壤孔隙度的影响

由图5可知，随着堆肥施用量的增加，土壤持水性总体呈上升的趋势。与D0相比，D20、D30、D40、D50处理的土壤质量含水量分别增加了95.00%、84.17%、196.37%、164.47%。

图5 堆肥不同施用量对土壤持水性的影响

2.1.2 堆肥改良时间对土壤物理性质影响 堆肥改良时间与土壤物理性质存在耦合关系。由图6a可知，堆肥改良时间与土壤容重之间为显著的线性函数关系，土壤容重随着改良时间的增加而显著降低，其决定系数（R2）为0.20238。由图6b可知，堆肥改良时间与土壤通气度之间为显著的线性函数关系，土壤通气度随着改良时间的增加而显著增加，其决定系数（R2）为0.24515。由图6c可知，堆肥改良时间与土壤质量含水量之间为显著的线性函数关系，土壤质量含水量随着改良时间的增加而显著降低，其决定系数（R2）为0.31629。由图6d可知，堆肥改良时间与土壤渗透率之间为显著的线性函数关系，土壤渗透率随着改良时间的增加而显著降低，其决定系数（R2）为0.27743。改良时间与土壤质量含水量的拟合模型的决定系数R2（0.31629）高于土壤容重、土壤通气度、土壤渗透率的，因此堆肥改良时间对土壤质量含水量的影响最大，对土壤容重的影响最小。

图6 堆肥改良时间与土壤物理性质的相关关系

2.2 椰糠对土壤物理性质的影响

依据椰糠的施用量不同设置3个处理，分别为Y0（椰糠体积占比0%）、Y20（椰糠体积占比20%）、Y30（椰糠体积占比30%）。

2.2.1 椰糠不同施用量对土壤物理性质的影响 由图7可知，与Y0相比，Y20、Y30处理的土壤容重分别显著降低了29.13%、26.77%；与Y20相比，Y30处理的土壤容重增加了3.33%，说明椰糠施用量为20%时足以引起土壤容重显著变化，椰糠施用量为10%的差别不足以引起土壤容重显著变化。

图7 椰糠不同施用量对土壤容重的影响

由图8可知，与Y0相比，Y20、Y30处理的土壤通气度分别显著增加了35.55%、24.12%；与Y20相比，Y30处理的土壤通气度减少了8.43%，说明椰糠施用量为20%时足以引起土壤通气度显著变化。

图8 椰糠不同施用量对土壤通气度的影响

由图9可知，与Y0相比，Y20、Y30处理的土壤渗透率分别显著增加了139.41%、67.00%；与Y20相比，Y30处理的土壤通气度显著降低了30.25%，说明椰糠施用量为10%时足以引起土壤渗透率显著变化，且施用量越多反而不利于土壤渗透性的提高。

图9 椰糠不同施用量对土壤渗透率的影响

由图10可知，与Y0相比，Y20、Y30处理的土壤毛管孔隙度分别显著增加了12.92%、14.05%；与Y20相比，Y30处理的土壤毛管孔隙度只增加了1.00%，说明椰糠施用量为20%时足以引起土壤毛管孔隙度显著变化，椰糠施用量10%的差别不足以引起土壤毛管孔隙度显著变化。与Y0相比，Y20、Y30处理的土壤非毛管孔隙度分别显著增加了125.91%、111.05%；与Y20相比，Y30处理的土壤非毛管孔隙度减少了6.58%，说明椰糠施用量为20%时足以引起土壤非毛管孔隙度显著变化，椰糠施用量10%的差别不足以引起土壤非毛管孔隙度显著变化。

图10 椰糠不同施用量对土壤孔隙度的影响

由图11可知，与Y0相比，Y20、Y30处理的土壤持水性均有显著提升，在椰糠施用量为20%时足以引起土壤持水性显著的变化，椰糠施用量10%的差别不足以引起土壤持水性显著变化。

图11 椰糠不同施用量对土壤持水性的影响

2.2.2 椰糠改良时间对土壤物理性质的影响 椰糠改良时间与土壤物理性质存在耦合关系。由图12a可知，椰糠改良时间与土壤容重之间存在显著线性函数关系，土壤容重随着改良时间的增加显著增加，其决定系数（R2）为0.23949。由图12b可知，椰糠改良时间与土壤通气度之间为显著的线性函数关系，土壤通气度随着改良时间的增加显著增加，其决定系数（R2）为0.41874。由图12c可知，椰糠改良时间与土壤质量含水量之间为显著的线性函数关系，土壤质量含水量随着改良时间的增加而显著降低，其决定系数（R2）为0.34971。由图12d可知，椰糠改良时间与土壤渗透率之间为显著的线性函数关系，土壤渗透率随着改良时间的增加显著降低，其决定系数（R2）为0.27623。改良时间与土壤通气度的拟合模型的决定系数R2（0.41874）高于土壤容重、土壤质量含水量、土壤渗透率的，因此椰糠改良时间对土壤通气度的影响最大，对土壤容重的影响最小。

图12 椰糠改良时间与土壤物理性质的相关关系

2.3 蚯蚓粪对土壤物理性质的影响

依据蚯蚓粪的施用量不同设置3个处理，分别为Q0（蚯蚓粪体积占比0%）、Q10（蚯蚓粪体积占比10%）、Q20（蚯蚓粪体积占比20%）。

2.3.1 蚯蚓粪不同施用量对土壤物理性质的影响 由图13可知，与Q0相比，Q10、Q20处理的土壤容重分别显著降低了11.02%、14.17%；与Q10相比，Q20处理土壤容重下降了3.54%，说明施用量大于10%的蚯蚓粪可以引起土壤容重显著降低，不同施用量处理间降低程度无显著差异。

图13 蚯蚓粪不同施用量对土壤容重的影响

由图14可知，与Q0相比，Q10、Q20处理的土壤通气度分别上升了13.10%、41.88%；与Q10相比，Q20处理的土壤通气度显著上升了25.66%，说明当蚯蚓粪施用量为20%时才足以引起土壤通气度显著变化。

图14 蚯蚓粪不同施用量对土壤通气度的影响

由图15可知，与Q0相比，Q10、Q20处理土壤渗透率分别上升了55.99%、33.13%；与Q10相比，Q20处理的土壤通气度显著下降了14.65%，说明蚯蚓粪施用量为10%时对土壤渗透率的提升效果优于蚯蚓粪施用量为20%时的。

图15 蚯蚓粪不同施用量对土壤渗透率的影响

由图16可知，与Q0相比，Q10、Q20处理的土壤孔隙度均有显著性提升，蚯蚓粪施用量为10%时足以引起土壤孔隙度显著变化，但处理间变化程度无显著差异。

图16 蚯蚓粪不同施用量对土壤孔隙度的影响

由图17可知，与Q0相比，Q10、Q20处理的土壤持水量均有显著性提升，蚯蚓粪施用量为10%时足以引起土壤持水量显著变化，但处理间变化程度无显著差异。其中，与Q0相比，Q10、Q20处理的质量含水量分别提升73.02%、17.22%；与Q10相比，Q20处理的质量含水量降低了28.97%，说明蚯蚓粪施用量为10%时对土壤质量含水量提升效果优于蚯蚓粪施用量为20%时的处理。

图17 蚯蚓粪不同施用量对土壤持水性的影响

2.3.2 蚯蚓粪改良时间对土壤物理性质的影响 由图18可知，蚯蚓粪改良时间与土壤物理性质存在耦合关系。由图18a可知，蚯蚓粪改良时间与土壤容重之间为显著的线性函数关系，土壤容重随着改良时间的增加显著降低，其决定系数（R2）为0.20477。由图18b可知，蚯蚓粪改良时间与土壤通气度之间为显著的线性函数关系，土壤通气度随着改良时间的增加显著增加，其决定系数（R2）为0.25596。由图18c可知，蚯蚓粪改良时间与土壤质量含水量之间为显著的线性函数关系，土壤质量含水量随着改良时间的增加显著降低，其决定系数（R2）为0.26137。由图18d可知，蚯蚓粪改良时间与土壤渗透率之间为显著的线性函数关系，土壤渗透率随着改良时间的增加显著降低，其决定系数（R2）为0.44783。改良时间与土壤渗透率的拟合模型的决定系数R2（0.44783）高于土壤容重、土壤通气度、土壤质量含水量的，因此蚯蚓粪改良时间对土壤渗透率的影响最大，对土壤容重的影响最小。

图18 蚯蚓粪改良时间与土壤物理性质的相关关系

2.4 生物炭对土壤物理性质的影响

依据生物炭的施用量不同设置3个处理，分别为S0（生物炭体积占比0%）、S10（生物炭体积占比10%）、S20（生物炭体积占比20%）。

2.4.1 生物炭不同施用量对土壤物理性质的影响 由图19可知，与S0相比，S10、S20处理土壤容重分别显著降低了11.02%、18.11%；与S10相比，S20处理得土壤容重显著降低了7.96%，说明施用生物炭10%的差异足以引起土壤容重显著变化。

图19 生物炭不同施用量对土壤容重的影响

由图20可知，与S0相比，S10、S20处理的土壤通气度分别上升了5.38%、24.12%，说明生物炭施用量为10%不足以引起土壤通气度显著变化。

图20 生物炭不同施用量对土壤通气度的影响

由图21可知，生物炭施用量为10%、20%均不足以引起土壤渗透率的显著变化。

图21 生物炭不同施用量对土壤渗透率的影响

由图22可知，与S0相比，S10、S20处理的土壤毛管孔隙度、总孔隙度均有显著提升，生物炭施用量为10%时足以引起土壤孔隙度显著变化，但组间变化程度无显著差异；与S0相比，S10、S20处理对土壤非毛管孔隙度改变无显著差异。

图22 生物炭不同施用量对土壤孔隙度的影响

由图23可知，与S0相比，S10、S20处理对土壤质量含水量改变无显著差异；与S0相比，S10、S20处理对提升土壤田间持水量、土壤最大持水量均有显著差异，说明生物炭施用量为10%时足以引起土壤田间持水量、土壤最大持水量显著变化。与S0相比，S20土壤毛管持水量显著上升了18.26%，说明生物炭施用量为10%时不足以引起土壤毛管持水量显著变化。

图23 生物炭不同施用量对土壤持水性的影响

2.4.2 生物炭改良时间对土壤物理性质的影响 由图24可知，生物炭改良时间与土壤物理性质存在耦合关系。其中，由图24a可知，生物炭改良时间与土壤容重之间为显著的线性函数关系，土壤容重随着改良时间的增加显著降低，其决定系数（R2）为0.12881。由图24b可知，生物炭改良时间与土壤通气度之间为显著的线性函数关系，土壤通气度随着改良时间的增加显著增加，其决定系数（R2）为0.62835。由图24c可知，生物炭改良时间与土壤质量含水量之间为显著的线性函数关系，土壤质量含水量随着改良时间的增加显著降低，其决定系数（R2）为0.40392。由图24d可知，生物炭改良时间与土壤渗透率之间为显著的线性函数关系，土壤渗透率随着改良时间的增加显著降低，其决定系数（R2）为0.6142。改良时间与土壤通气度的拟合模型的决定系数R2（0.62835）高于土壤容重、土壤质量含水量、土壤渗透率的，因此生物炭改良时间对土壤通气度的影响最大，对土壤容重的影响最小。

图24 生物炭改良时间与土壤物理性质的相关关系

3 讨论

研究发现，在试验选取的用量范围内，就单个土壤改良材料而言，堆肥、蚯蚓粪、生物炭均能显著降低土壤容重，随着这3种改良剂添加量的增多，土壤容重降低的幅度增大，堆肥降低土壤容重的效果最理想，在堆肥添加量为50%时，可将供试土壤容重降低至0.69 g/cm3，降幅达到46%。堆肥、椰糠、蚯蚓粪、生物炭均能显著提升土壤通气度，随着这4种改良剂添加量的增多，土壤通气度提升幅度增大，但蚯蚓粪对土壤通气度提升的效果最理想，在蚯蚓粪添加量为20%时，供试土壤通气度提升至45.06%，提升幅度为41.88%。堆肥、椰糠、蚯蚓粪、生物炭均能显著提升土壤渗透率，堆肥提升土壤渗透率的效果最好，在堆肥施用量为40%时，可将供试土壤渗透率提升至382.44 mm/h，提升幅度为253.08%。椰糠、蚯蚓粪、生物炭均能显著提升土壤毛管孔隙度，蚯蚓粪提升土壤毛管孔隙度的效果最理想，在蚯蚓粪添加量为20%时，可将土壤毛管孔隙度提升至48.71%。堆肥、椰糠、蚯蚓粪就能显著提升土壤非毛管孔隙度，堆肥提升土壤非毛管孔隙度的效果最理想，堆肥添加量为50%时，可将土壤非毛管孔隙度提升至20.9%，提升幅度为279%。堆肥、椰糠、蚯蚓粪均能显著提升土壤质量含水量，堆肥提升土壤质量含水量的效果最理想，堆肥添加量为40%时，可将土壤质量含水量提升至306.08 g/kg，提升幅度为196.37%。堆肥、椰糠、蚯蚓粪、生物炭均能显著提升土壤田间持水量，堆肥添加量为50%时，可将土壤田间持水量提升至530.53 g/kg。

园林废弃物堆肥是园林绿化植物修剪下来的枝叶，以及自然脱落的枯枝落叶经过堆腐过程产生的堆肥物质，其中不仅含有大量的有机质和养分，而且具有大量的孔隙结构，是优质的土壤改良剂。研究结果表明，堆肥对降低土壤容重、提升土壤渗透率、提升土壤孔隙度、提升土壤持水性的效果最理想，这主要是由于堆肥中有机质含量较高，有机质可作为良好的有机胶结剂，能促进土壤中大团聚体的形成，改善土壤结构，这与崔萌等［22］研究结果一致。此外，有机质在分解过程中可产生能够中和土壤碱性的有机酸，因此在改良城市绿地土壤的过程中，堆肥可有效降低城市绿地土壤的土壤容重，提升土壤渗透率、孔隙度、持水性，这与顾兵等［23］的研究结果一致。综上所述，园林废弃物堆肥整体疏松多孔，具有大量的孔性结构，其孔隙大小不一，连续且形状不规则，孔径长度为5～20 μm，可以作为黏壤土的改良材料，起到增加土壤孔隙，改善土壤物理性质的作用。

蚯蚓粪对提升土壤通气度和土壤毛管孔隙度的效果最理想，这主要是由于蚯蚓粪由蚯蚓消化有机物质而产生，质地较为均一，孔隙度高，通气性好，稳定性及排水保水能力强，其粒径大多为0.3～5.0 mm，其中1～2 mm者居多，蚯蚓粪能增加土壤与空气的接触面积，疏松土壤，能较好地改善土壤物理性质。蚯蚓粪不仅具有良好的团粒结构，而且富含微生物、生物活性物质等，在施入土壤后还能增加土壤腐植质的含量，改良土壤物理性质［24-25］。

研究发现，在试验选取的改良时间内，随着改良时间的增加，堆肥、蚯蚓粪、生物炭均能使土壤容重呈降低趋势，而蚯蚓粪降低土壤容重趋势更显著（R2=2.0477）。随着改良时间的增加椰糠使得土壤容重呈上升趋势，但该趋势仍处于广州市地方标准《园林种植土（DB4401/T 36—2019）》［26］中通用种植土范围内，这可能是由于椰糠粒径大小导致的［27］。随着改良时间的增加，堆肥、椰糠、蚯蚓粪、生物炭均能使土壤通气度呈上升趋势，而生物炭提升土壤通气度趋势更显著（R2=0.62835），这与李倩倩等［28］的研究结果一致。随着改良时间的增加,土壤质量含水量、土壤渗透率均呈下降趋势，这与气温升高、空气湿度降低、土壤中水分蒸发量较大有关［29-30］。

4 结论

本研究以园林废弃物堆肥、椰糠、蚯蚓粪、生物炭为改良基质，分析这4种改良基质对典型城市绿地土壤物理性质的影响。在试验使用改良基质的范围内，园林废弃物堆肥体积占比为50%时，对改良土壤容重、土壤渗透率、土壤非毛管孔隙度、土壤田间持水量的效果最为理想。园林废弃物堆肥体积占比为40%时，对改良土壤质量含水量的效果最为理想。蚯蚓粪体积占比为20%时对改良土壤通气度和土壤非毛管孔隙度的效果最为理想。在试验改良时间范围内（30、60、90、180 d），随着改良时间的增加，蚯蚓粪对土壤容重改良的持续性更好，生物炭对土壤通气度改良的持续性更好。