园林废弃物覆盖材料组分及厚度对土壤化学性质的影响*

潘松，史正军，毛晓宁，袁峰均，曾伟，焦玉佳

(1.深圳市中国科学院仙湖植物园，广东 深圳 518004；2.广东深圳城市森林生态系统国家定位观测研究站，广东 深圳 518004；3.青海师范大学生命科学学院，青海 西宁 810008)

园林废弃物主要包括城市园林维护和灾害天气过程中产生的绿化修剪物、枯死木、枯枝落叶。园林废弃物是富含有机物的清洁材料，且产量巨大，但过去很长间被进行简单焚烧和填埋处置，造成环境污染和资源浪费。园林废弃物用于城市绿地地表覆盖是近年来继堆肥化利用外的关注焦点和主要的研究应用方向[1-3]。近年来，关于凋落物覆盖可提高土壤肥力和促进生态系统健康的效果证实和机理已研究较为成熟[4-5]；在城市绿地中，植物凋落物对土壤、城市雨洪管理等的影响和人为移除后导致的问题也广受学者关注[6]。目前在园林废弃物覆盖研究和应用方面则主要侧重于堆肥化后覆盖[7]、染色覆盖[8]等，而鲜有对不同组分原生材料覆盖效果进行系统比较的报道。

本研究从园林废弃物资源再利用和土壤肥力提升的技术需求出发，定量研究园林废弃物地表覆盖的应用效果。根据生产可行性将园林废弃物分为树枝、枝叶、树叶及草屑共4类，并设定3、6、9 cm共3个覆盖厚度，分析比较不同类型材料和厚度对土壤有机质、养分、酸碱性等土壤基本化学特性的影响，为园林废弃物作为地表覆盖物的应用推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在深圳市仙湖植物园试验基地进行。采用定制种植槽种植植物、土表覆盖园林废弃物材料进行试验观察。供试覆盖物材料选用园林日常养护过程中修剪的多种乔木侧枝混合物和草坪草修剪混合物，其中乔木包括马占相思(Acaciamangium)、大叶榕(Ficusaltissima)、小叶榕(F.microcarpa)、水蒲桃(Syzygiumjambos)等华南本土阔叶植物，以马占相思和大叶榕为主；草屑包括马尼拉草(Zoysiamatrella)和台湾草(Z.pacifica)的修剪物。

上述覆盖物材料按树枝、枝叶、树叶、草屑共4类进行分类处理。其中“树枝”为木质化程度较高的乔木主干一级侧枝，枝条硬化且无叶片生长；“枝叶”为乔木主干的二级以上生长树叶的二级以上柔枝；“树叶”为从乔木柔枝上摘取的叶片；“草屑”即草坪草修剪物。分类后，树枝、枝叶、树叶用小型树枝粉碎机粉碎至粒径约30～80 mm，草屑未粉碎，草叶长度约为50～150 mm。所有材料经自然晾干后备用。供试土壤为采自试验基地附近人工垒山林地0～30 cm深度内的自然赤红壤,自然晾干后过2 cm筛。供试土壤有机质含量4.23 g/kg，氮、磷、钾全量分别为0.26 g/kg、0.22 g/kg、5.1 g/kg，土壤pH为6.12，质地为砂壤，肥力贫瘠。

试验容器为用市场购置的黑色PVC阻根板卷材围合加工的圆柱形种植槽，规格为高50 cm、直径80 cm，外围用铁丝捆绑加固。每个种植槽种8棵从苗木市场购置的龙船花(Lxorachinensis)袋苗，株高为25～30 cm。

1.2 试验处理与过程

试验采用AB双因素完全随机设计试验共设12个处理。其中因素A为覆盖材料类型，共设草屑、树叶、枝叶、树枝共4种材料；因素B为覆盖厚度，共设3、6、9 cm共3个厚度。此外，设置无覆盖物的裸土处理作为对照(CK)。每个处理布置了3个种植槽作为3次重复，试验处理及编号见表1。

种植前，将种植槽竖直平稳摆放，底部填入10 cm陶粒以促进排水。在陶粒上部填土、灌水及适度压实稳定后，土表距种植槽上缘10 cm左右，将去袋后的龙船花苗带土球均匀植入，根据表1处理在土表添加覆盖物。试验自2019年11月种植布置完成，按常规养护方法进行植物生长维护。试验后第1、第6、第12、第18个月各处理及对照分别统一表施15-15-15复合肥1次，每次10 g/槽；每6个月检查、补充1次分解消耗的覆盖物至预设厚度，共补充3次。植物生长期历时21个月，于2021年8月进行收获，每个种植槽内用取土钻在植株间隙均匀采集5个点并混合，取样深度为20 cm。土壤样品带回实验室经预处理后，测定有机质(SOM)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、全磷(TP)、有效磷(AP)、全钾(TK)、pH值、电导率(EC)等基本指标。

表1 试验处理表Tab.1 Test treatment table

1.3 测定项目与方法

土壤SOM采用重铬酸钾容量法-外加热法，TN采用凯氏定氮法，AN采用碱解扩散法，全磷(TP)采用HClO4-H2SO4消煮法，AP采用NH4F-HCl法，TK和速效钾AK均采用火焰光度法，pH值采用电位法，EC采用电导法[9-10]。

1.4 数据统计与处理

使用SPSS 22.0软件进行方差分析和逐步回归分析，用 Gaphpad 9.3.1进行相关性统计和绘制热力图，其它图形用EXCEL 2016进行绘制。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖材料及厚度对土壤有机质、氮磷钾养分含量的影响

土壤有机质和土壤养分含量是反映土壤肥力的基本化学指标。由各覆盖处理及CK的单因素方差分析结果(表2)可以看出，与较种植前土壤相比，试验收获时各处理及CK的土壤有机质及氮、磷、钾全量养分含量均有增加；同时，与CK相比，不同覆盖处理下的除TP外的SOM及其它养分指标均有不同程度的增加。这说明有机覆盖物可能通过材料分解及减少养分淋失过程能够提高土壤的有机质，并能够提高土壤对植物的氮磷钾有效养分供给能力。

由表2可以看出，在T1～T12中，6 cm厚度草屑覆盖在提高土壤SOM和氮钾储量以及磷的有效供给方面表现最佳，但对提高氮钾的有效供给方面表现较差；同时可以看出，草屑覆盖效果受覆盖厚度的影响较大，以6 cm厚度为宜，而9 cm厚度覆盖效果较差；树叶覆盖有利于提高土壤SOM、钾储量和提高氮有效性，以6 cm厚度为宜；枝叶覆盖有利于提高土壤SOM、钾储量及磷的有效性，且受厚度影响较小；树枝覆盖有利于提高土壤钾储量和有效供应，且6 cm和9 cm厚度覆盖效果优于3 cm。

表2 不同处理下的土壤养分含量Tab.2 Soil nutrient content under different treatment

双因素方差分析结果(表3)表明，覆盖材料和厚度差异对土壤的SOM、TN、AN、AP和AK含量具有显著影响。其中以枝叶覆盖的土壤SOM、TN、AN和AK含量表现最优，较树枝覆盖处理差异达到显著水平；土壤AP含量以草屑覆盖处理最优，显著高于其它覆盖处理。不同覆盖厚度处理对土壤的SOM、TN和AK含量影响显著，土壤SOM和TN含量以6 cm处理最优，且显著高于其它处理，覆盖厚度9 cm处理的土壤AK含量显著提高。覆盖材料和覆盖厚度双因素影响下，土壤TN含量、土壤SOM和AK含量反映的交互作用达到显著或极显著水平；而覆盖材料及覆盖厚度的差异对土壤TP和TK含量影响不显著。由双因素分析结果综合来看，枝叶混合物对提高土壤SOM含量水平和土壤氮磷钾储量、氮钾有效供应能力方面表现最优，树枝覆盖物表现较差；草屑覆盖物在提高土壤有效磷方面表现最优；同时，从覆盖厚度来看，6 cm厚度最为适宜，该厚度在提高土壤SOM、土壤氮钾储量方面表现最佳。

表3 不同覆盖材料与覆盖厚度对土壤养分的双因素检验结果Tab.3 Two-factor analysis results for soil nutrients with different coverage materials and coverage thicknesses

2.2 不同覆盖材料及厚度对土壤pH和EC的影响

土壤pH和EC是反映土壤酸碱性和盐分含量的基本指标。由图1可以看出，CK处理土壤pH为6.07，较试验前的6.12变化不大，说明试验维护期间除处理外的其它因素对土壤pH影响较小。与CK相比，6 cm厚度草屑覆盖(T2)、6 cm厚度枝叶覆盖(T8)、9 cm厚度树枝覆盖(T12)土壤pH呈显著性下降，且影响程度一致；其它覆盖处理土壤pH与CK相比总体呈下降趋势，但未达到显著差异。进而对土壤pH影响的覆盖物类型和厚度进行双因素方差分析，结果表明(表4)覆盖材料与厚度两种因素对土壤pH的影响均不显著，且无交互作用。

由图2 可以看出，与CK相比，各覆盖处理的土壤EC总体呈增加趋势，但不同材料和厚度影响程度不同。6 cm草屑覆盖(T2)和9 cm枝叶(T9)覆盖处理土壤EC值最高，同时3个厚度的草屑覆盖均显著提高了土壤EC；6 cm和9 cm的树叶(T5、T6)、枝叶(T8、T9)土壤EC也显著提高，但3 cm下土壤EC变化不显著；3个厚度的树枝覆盖(T10、T11、T12)土壤EC呈增加趋势，但均未达到显著性差异。

图1 不同处理对土壤pH的影响注：不同小写字母表示差异性显著(P<0.05)。下同。Fig.1 Impacts of different treatment on soil pH

图2 不同处理对土壤EC的影响Fig.2 Impacts of different treatment on soil EC

双因素方差分析结果(表4)表明，覆盖材料和厚度差异对土壤EC影响均显著，但无交互作用。4种材料中，树枝覆盖的土壤EC显著低于其它材料，而草屑、树叶、枝条间无显著性差异；厚度因素中，3 cm厚度的土壤EC最低，而6 cm和9 cm间无明显差异。

表4 不同覆盖材料与覆盖厚度对土壤pH的双因素检验结果Tab.4 Two-factor analysis results for soil pH and EC with different coverage materials and coverage thicknesses

2.3 土壤有机质与养分、pH及EC间的相关分析

相关统计分析结果(图3)表明，土壤SOM和土壤TN、AN、AP等养分指标之间呈极显著的正相关关系，而与TP、TK及AK相关关系不显著，说明土壤有机质与土壤氮储量、氮磷有效供应能力关系密切；此外TN与AN呈极显著的正相关关系，说明氮储量显著影响其有效供应能力；而TP与AP、TK与AK之间相关关系不显著，可能是因为受其它环境因素的影响较大。

由图3可以看出，土壤EC与SOM、TN、AN、AP等养分指标之间达到极显著的正相关关系，说明本试验所用土壤中EC值大小与有机质和氮磷养分之间关系密切，可以指示有机质和养分变化；同时，EC与pH之间呈显著的负相关关系，说明随土壤pH降低，有助于有机质和氮储量的增加，同时提高了氮磷养分的有效性。

图3 土壤各化学指标间的相关性热图注：*表示相关性达到显著水平(P<0.05)； 表示相关性达到极显著水平(P<0.01)。Fig.3 Correlation hot map between various chemical indicators of soil

3 讨论与结论

3.1 讨论

在自然界中，植物从土壤汲取养分，又通过枯枝落叶转化分解等方式与土壤融合，保持了土壤系统的稳定性和可持续性[11-12]，而园林废弃物的移出，使得城市绿地生态系统的物质循环和能量流动断裂，土壤肥力得不到自我维持。对促进城市土壤健康来讲，堆肥化结合土壤改良和施肥进行利用是最好方法[13-15]，但由于堆肥周期长、场地限制等因素，往往满足不了城市园林废弃物处置的需要。而近年开始关注的绿地土壤覆盖则为园林废弃物资源化利用和垃圾围城提供了极好的解决方案。

相关研究表明绿地植被自然凋落物和人工覆盖物均可不同程度提高土壤有机质、氮磷钾养分总量及有效性[2,16-18]。顾兵[2]用粉碎过的园林废弃物新鲜树叶和小枝混合物进行裸土覆盖，发现土壤有机质、全氮、全磷及氮磷钾有效性显著提高。Qu等[16]发现草屑覆盖能够提高0～20 cm层土壤有机质、全氮和氮磷钾有效性，但对深层土壤影响不明显。本研究发现各覆盖物处理均能提高土壤有机质、全氮、全钾含量及氮磷钾养分有效性，其影响效果受覆盖厚度、材料组成影响显著；但各覆盖物处理对全磷含量影响不明显，其原因有待进一步研究。此外，本研究还发现添加适量厚度的园林废弃物可降低土壤pH，但也有一些研究发现有机覆盖物对土壤pH影响不大或变化规律不一[19-20]，这可能与覆盖材料种类和措施差异有关。一般认为有机覆盖物减低土壤pH的机理是通过促进硫元素的氧化分解和各类有机酸的形成对土壤发生作用[21-22]，事实上有机物覆盖也是盐碱土治理的常用措施[23]。土壤EC值是对土壤盐渍程度指标[24]，一般来讲，当土壤盐分含量较高时，可通过添加有机覆盖物缓解[20,23]，反映为土壤EC的降低，但在低盐分土壤中或无土栽培基质中，EC值也可指示土壤总养分状况。本研究中添加覆盖物后土壤EC表现为提高，同时发现EC与土壤SOM、TN、AN、AP均呈显著正相关关系，这可能与土壤本底盐分较低有关。

3.2 结论

本研究结果表明，园林废弃物覆盖能够改善土壤有机质、养分，调节土壤pH，但其效果受材料和覆盖厚度影响。就材料组分选择来说，草屑覆盖可提高土壤SOM、氮钾储量以及磷的有效性，树叶覆盖有利于提高土壤SOM、钾储量和提高氮有效性，枝叶覆盖有利于提高土壤SOM、钾储量及磷的有效性，树枝覆盖有利于提高土壤钾储量和有效供应。就覆盖厚度来说，草屑、树叶、枝叶以 6 cm为宜，树枝可覆盖6 cm或9 cm，其中6 cm厚度草屑、枝叶和9 cm厚度树枝对降低土壤pH效果最明显。