氨基酸、木醋液与湿垃圾堆肥配施对搬迁地土壤物理性质的影响

梁 晶,张青青,张 浪

(上海市园林科学规划研究院,上海城市困难立地绿化工程技术研究中心,上海 200232)

为满足城市居民人均绿化面积的需求,缓解城市绿化需求与城市土地资源紧缺的矛盾,城市困难立地再利用将成为一项实现城市可持续发展、保护开放空间的城市发展策略。 搬迁地作为城市困难立地的主要类型之一,其土壤理化性质直接影响植物生长,尤其是土壤物理性质。 一般而言,土壤化学性质影响植物的长势,不会直接导致植物死亡,而土壤物理性质的恶化会直接导致植物死亡[1]。 如美国纽约中央公园95%的植物死亡是由于土壤物理性质差引起的。 相关研究表明,搬迁地土壤容重大、持水能力弱、通气性差、水稳定性团粒结构差,这些特性严重制约了搬迁地的快速绿化[2]。 如何高效改善搬迁地土壤物理特性,尤其是快速提升土壤通气性、持水性、入渗率及团粒结构的形成,是搬迁地绿化急需解决的重要问题。 因此,开展城市搬迁地土壤物理性质改良已成为研究重点。

近年来,虽然学者们对土壤物理性质改良进行了大量的研究[3-7],但对搬迁地土壤物理性质的改良研究仍较少,尤其是缺乏对改良材料施用方法、施用量的详细研究。 罗珈柠等[8]研究发现,餐厨垃圾堆肥可以降低土壤容重和pH,增加土壤持水量、有机质、全氮、全磷含量及EC 值。 张航等[9]研究发现,木醋液可以降低土壤容重和全盐含量,提高团粒结构的稳定性。 陈杰等[10]研究发现,鱼蛋白制备的氨基酸肥可以提高土壤全碳、全氮、有效磷、微生物碳和微生物氮等含量。 由于湿垃圾pH 及盐分高[11],常需同酸性改良材料配合施用;而木醋液、氨基酸含有的有机碳、全氮和碱解氮较低,不利于改良养分贫瘠的土壤[12]。理论上,湿垃圾堆肥和氨基酸、木醋液等配合施用改良土壤物理性质效果更佳,但目前尚未见关于几种改良材料配施比例的研究。 基于此,本试验以上海市浦东新区三林镇遗留搬迁地土壤为研究对象,开展为期10 个月的盆栽培养试验,通过向搬迁地土壤拌施湿垃圾堆肥和氨基酸并喷洒木醋液,探讨不同配比改良材料施用方法及施用量对搬迁地土壤物理性质及植物成活率的影响,以期为城市搬迁地快速绿化提供科学依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用土壤采自上海市浦东新区三林镇遗留搬迁地(121°27′—121°30′E,31°7′—31°8′N),该区域原先为城中村,因规划要求拟建成公共绿地,镇上的居民、工厂等搬出该区域,遗留下土壤破坏严重的搬迁地。 该搬迁地0—50 cm 土层土壤理化性质为:土壤容重(1.47 ± 0.08) g∕cm3,饱和含水量(291.3 ±20.1)g∕kg,田间持水量(278.4 ±22.3)g∕kg,非毛管孔隙度1.22%±0.07%,总孔隙度42.88%±5.62%,土壤pH 9.28 ±0.25,EC(0.10 ±0.05)mS∕cm,有机质含量(9.8 ±0.5)g∕kg,全氮含量(0.21 ±0.07)g∕kg。 采集0—50 cm 土层土壤,自然风干,剔除根系、石块等非土壤物质,磨碎过5 mm 孔筛备用。

试验所用改良材料为湿垃圾堆肥、氨基酸和木醋液。 湿垃圾堆肥主要由菜皮、果皮、木屑和黑碳素等堆制3 个月而成,各项指标显示已经腐熟,其pH 为8.49,EC 为4.87 mS∕cm,有机质含量为464.2 g∕kg。氨基酸为白色结晶粉末,购买自国药集团化学试剂有限公司。 木醋液为棕色液体,由北京溪青春农业科技有限公司生产。 试验所用植物为园林上常见的绿化苗木望春玉兰(Magnolia biondii)。

1.2 试验设计

盆栽试验于2018 年3 月—2019 年1 月在大棚中进行,共设置6 个处理(表1),每个处理8 次重复。

改良材料施用方法:将搬迁地土壤同湿垃圾堆肥、氨基酸按表1 配比混匀后[13],分别分层填充于规格为30 cm(内径) ×22 cm(高)的底部带有出水孔的花盆中,每盆装15 L,木醋液按照表1 的用量用自来水稀释后喷施于花盆中土壤,水饱和处理后自然沉降。 静置一周后,保持土壤含水量为田间持水量的60%—70%,在每个花盆中种植1 年生望春玉兰小苗,待试验结束后,避开植物根系采用环刀法对每个花盆内土壤进行采样,测定各配比处理的土壤容重、非毛管孔隙度、总孔隙度、入渗率、水稳性团聚体、饱和持水量和田间持水量,并分析望春玉兰的成活率。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

1.3 测定方法

土壤pH 采用电极法测定(水土比2.5∶1)。 土壤EC 值采用电导法测定(水土比5∶1)。 土壤容重、饱和持水量、田间持水量、非毛管孔隙度、总孔隙度和入渗率均采用环刀法测定;土壤水稳性团聚体采用DIK-2012 土壤团粒分析仪进行测定[14]。

湿垃圾堆肥pH 采用电极法测定(水土比10∶1),EC 值采用电导法测定(水土比10∶1),有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定。

1.4 数据统计

采用SAS 9.0 软件对不同处理的土壤物理指标进行显著性差异分析,P <0.05 为差异显著,并采用Origin 8.5 软件作图。

图1 改良材料不同配比对搬迁地土壤容重的影响Fig.1 Effects of different ratios of improved materials on soil bulk density in relocation area

2 结果与分析

2.1 土壤容重

土壤容重是极为重要的土壤物理指标,影响着土壤水分、空气、热量、养分转化等土壤理化性质[15]。 从图1可以看出,与对照相比,施用湿垃圾堆肥可以显著降低土壤容重,且湿垃圾堆肥添加量越多,搬迁地土壤容重降低幅度越大。 其中,配比2(单施40%湿垃圾堆肥)土壤容重降幅最大,为22.3%。 通过比较配比1、配比3、配比4 和配比5 处理的土壤容重可以看出,湿垃圾堆肥施用量为20%时,随着木醋液和氨基酸添加量的增加,不同配比处理间的土壤容重差异并不显著,说明木醋液和氨基酸对降低土壤容重的效果不明显。

2.2 土壤孔隙度

土壤孔隙度的大小体现土壤的疏松程度及水分和空气容量的大小。 从图2 可以看出,对照(CK)土壤非毛管孔隙度和总孔隙度较低,分别为1.44%和43.09%,土壤通气性较差。 添加改良材料后搬迁地土壤非毛管孔隙度和总孔隙度均显著高于对照,其中配比2 处理改善土壤孔隙度效果最好,非毛管孔隙度和总孔隙度较对照分别提高了143.5%和34.0%,且显著高于其他配比处理。 这说明湿垃圾堆肥可促进土壤非毛管孔隙度和总孔隙度的增加。 此外,配比3、配比4 和配比5 处理土壤非毛管孔隙度均显著高于配比1,配比4 和配比5 处理土壤总孔隙度均显著高于配比1,表明当湿垃圾堆肥添加量一致时(如添加量为20%时),木醋液和氨基酸添加量越多,土壤通气性越好。

2.3 土壤持水能力

由图3 可知,对照(CK)土壤饱和持水量和田间持水量均最低,分别为303.80 g∕kg 和287.42 g∕kg。添加不同配比改良材料后,搬迁地土壤的饱和持水量和田间持水量均显著高于对照,与对照相比,饱和持水量和田间持水量分别提高了26.6%—72.6%和26.0%—69.2%。 比较配比2 与配比1 处理,可以发现配比2 处理土壤饱和持水量和田间持水量均显著高于配比1,表明湿垃圾堆肥添加量增加,搬迁地土壤持水能力增强。 此外,配比4 和配比5 处理土壤饱和持水量和田间持水量显著高于配比1 处理,而配比3 与配比1 处理土壤饱和持水量和田间持水量差异不显著,表明木醋液和氨基酸的添加对改善土壤持水能力有一定作用,当木醋液和氨基酸添加量分别0.5 L∕m3和0.5 kg∕m3时,可显著增强土壤持水能力。

图2 改良材料不同配比对搬迁地土壤非毛管孔隙度和总孔隙度的影响Fig.2 Effects of different ratios of improved materials on soil non-capillary porosity and total porosity in relocation area

图3 改良材料不同配比对搬迁地土壤饱和持水量和田间持水量的影响Fig.3 Effects of different ratios of improved materials on soil saturated moisture capacity and field capacity in relocation area

2.4 土壤入渗率

土壤入渗率是土壤入渗能力的一个重要指标,是指单位时间、单位面积土壤表面入渗的水量。 未经改良的搬迁地土壤入渗率接近0,这是因为搬迁地土壤受人为干扰的影响,土壤结构遭到破坏,土壤容重过高,不利于土壤入渗。 添加改良材料后,搬迁地土壤入渗率均得到了提升,其中配比2 处理土壤入渗率最高,达到了7.01 mm∕h。 当湿垃圾堆肥添加量为20%时,随着氨基酸和木醋液添加量的增加,土壤入渗率逐渐增加。 如与配比1(0.21 mm∕h)处理相比,配比3(0.35 mm∕h)、配比4(1.63 mm∕h)和配比5(4.01 mm∕h)处理的土壤入渗率分别增加了0.69 倍、6.75 倍和19.07 倍。 可见,湿垃圾堆肥与氨基酸和木醋液的合理配施有利于促进土壤入渗。

2.5 土壤水稳定性团聚体

土壤团聚体作为土壤肥力的重要物质基础,是反映土壤物理性质和结构状况的重要指标之一。 一般而言,>0.25 mm 的水稳性团聚体含量越高,土壤的团粒结构越好[16]。 对照土壤>0.25 mm 的水稳定性团聚体含量最低,仅为4.1%。 单施湿垃圾堆肥或湿垃圾堆肥与氨基酸和木醋液配施后,搬迁地土壤>0.25 mm 的团聚体含量均显著高于对照,其中配比2 处理土壤>0.25 mm 的团聚体含量(10.88%)最高,比对照提高了165.4%,比配比1 处理提高了20.5%。 这说明添加湿垃圾堆肥有利于土壤水稳性团聚体的形成,且湿垃圾堆肥添加量较大时效果较好。 相比配比1(9.03%)处理,配比3 和配比4 处理土壤>0.25 mm 的团聚体含量(8.78%和8.87%)并没有显著增加,但配比5 处理土壤>0.25 mm 的团聚体含量(10.02%)增加显著,表明木醋液和氨基酸添加量分别为1 kg∕m3和1 L∕m3时,对土壤团聚体形成的促进作用更明显。

2.6 植株成活率

经过1 年的培养,不同配比处理望春玉兰成活率差异较大。 其中,对照望春玉兰成活率最低,只有12.5%。 添加改良材料后,望春玉兰成活率明显提高。 其中,配比5 处理望春玉兰成活率最高,为100%;配比2 处理望春玉兰成活率较低,为50%。 这是由于配比2 只添加了湿垃圾堆肥,没有酸性改良材料的配合,且添加量较高(40%),不利于植株的生长。 由此可见,添加少量(20%)的湿垃圾堆肥,并配合施用木醋液以及氨基酸等酸性改良材料可以提高植物成活率。

3 讨论

本研究表明,培养10 个月后,对照搬迁地土壤物理性质基本无明显变化,单施湿垃圾堆肥或湿垃圾堆肥与氨基酸和木醋液配施后,土壤容重、通气性、持水量、土壤入渗能力、土壤>0.25 mm 的水稳性团聚体均有明显改善;添加湿垃圾堆肥40%的配比2 处理土壤物理性质最优,土壤容重降为1.11 g∕cm3,土壤非毛管孔隙度和总孔隙度分别增加为3.51%和57.75%,土壤饱和持水量和田间持水量分别增加至524.51 g∕kg 和486.45 g∕kg,土壤入渗率为7.01 mm∕h,土壤>0.25 mm 的水稳性团聚体含量增加到10.88%。 分析其原因,主要是因为湿垃圾堆肥比较疏松,同土壤混合后,可以降低土壤的固相,增加土壤的液相和气相部分,从而降低土壤容重,提高土壤的通气性和持水量[17]。 此外,由于湿垃圾堆肥中富含有机质,有机质中的腐殖质是土壤团聚体的主要胶结剂,而土壤有机胶体是形成水稳性团粒结构不可缺少的胶结物质,故土壤中水稳性团聚体增加[18-19]。

比较湿垃圾堆肥添加量为20%的配比1、配比3、配比4 和配比5 处理,发现添加1 kg∕m3氨基酸并喷施1 L∕m3木醋液的配比5 处理土壤容重较低,土壤通气性、持水量及入渗能力较强,土壤>0.25 mm 的水稳性团聚体含量较高,土壤物理性质最佳。 这主要是因为在湿垃圾堆肥添加量一致时,木醋液和氨基酸对土壤物理性质发挥了较大作用,如木醋液中含有多种有机酸和酚类,能够显著降低土壤pH,且其中的有机化合物对土壤结构具有胶结作用[20],可以提高土壤团粒结构稳定性;氨基酸具有很强的活性和吸附能力,可以降低土壤容重,增加土壤总孔隙度和持水量,促进土壤团聚体的形成,提高土壤保水保肥的能力[21]。 故在木醋液和氨基酸的共同作用下,配比3、配比4 和配比5 处理的土壤物理性质各项指标均优于配比1 处理,且随着木醋液和氨基酸添加量的增多,土壤物理性质改善效果越好。 综合来看,在搬迁地土壤中添加湿垃圾堆肥、氨基酸和木醋液等改良材料,对土壤的容重、孔隙度、持水量、入渗率和团粒结构均有促进作用。 从植物种植试验成活率来看,配比2 处理种植的望春玉兰成活率仅为50%,低于其他处理,可能是由于其添加的湿垃圾堆肥过量而导致土壤化学性质恶化,从而引起植物死亡。

综合考虑配比1、配比3、配比4 及配比5 处理的土壤物理性质及植物种植情况,配比5 处理的各项物理指标及植物成活率(100%)均最佳。 可见,当湿垃圾堆肥添加量为20%时,添加1 kg∕m3氨基酸并喷施1 L∕m3木醋液对土壤的物理性质改良效果明显,促进植物的生长效果显著。 该处理的土壤容重为1.22 g∕cm3,土壤非毛管孔隙度和总孔隙度分别为2.52%和52.56%,饱和持水量和田间持水量分别为429.47 g∕kg 和403.80 g∕kg,土壤入渗率为4.01 mm∕h,>0.25 mm 的土壤水稳性团聚体含量为10.02%。

综上,添加湿垃圾堆肥、氨基酸和木醋液均对改善搬迁地土壤物理结构具有较好的效果,但由于湿垃圾堆肥pH 较高,且含有一定盐分,其用量过大时将对植物产生制约作用。 因此,仅考虑对土壤物理性质的改良情况时,单施40%湿垃圾堆肥的配比2 处理改良效果最佳,即单施湿垃圾堆肥用量越大,其改善效果越好;综合考虑土壤物理性质改良情况和植物长势时,添加20%湿垃圾堆肥和1 kg∕m3氨基酸并喷施1 L∕m3木醋液的配比5 处理改良效果最佳。