2023, Vol. 55
2. 上海城市困难立地绿化工程技术研究中心, 上海 200232
随着社会经济和城市化进程的快速发展，人们对人居环境和城市生态要求越来越高。城市绿地作为城市生态系统的重要组成部分，是唯一有生命的基础设施，对维持良好的城市生态环境和可持续发展具有重要作用[1-2]。近年来，城市绿化建设在国内得到迅速的发展，但由于土地资源紧张，越来越多的绿化需在工企业、城中村等搬迁地上开展建设，如李晓策等[3]研究表明当前上海中心城区已规未建绿地中搬迁地占比达到76%。然而搬迁地可能受到原生产和生活活动等的长期影响[4-5]，土壤质量退化严重，如土壤紧实、板结、结构差等[6]，尤其土壤团聚体的破坏制约了搬迁地绿化建设质量。
土壤团聚体作为土壤结构的基本组成单元，主要靠凝聚、无机物质的粘结、有机物质的胶结以及有机–矿质复合体等作用形成[7-9]，合理的土壤团聚体比例通过调节土壤水、肥、气、热等因素来影响土壤肥力的释放。土壤团聚体的大小、数量及排列方式是决定土壤肥力、通气能力、抗蚀性和固碳能力的重要因素[10]，是土壤结构和肥力的重要评价指标。目前对土壤团聚体的研究，一方面多集中在农业或林业土壤上，较少对拟建绿化搬迁地土壤进行研究[11]；另一方面，采用的改良材料多为农林业废弃物，较少研究厨余垃圾对土壤团聚体的影响。如，Zhao等[12]研究发现，添加有机物料玉米、小麦秸秆，可显著提高玉米–小麦复种系统土壤大团聚体的质量分数；朱秋丽等[13]利用石膏、贝壳、生物质炭和炉渣等废弃物施入稻田，土壤大团聚体分别增加了12.8%、32.7%、12.1% 和19.7%，且均提高了土壤团聚体稳定性；刘景海等[14]研究北京林地土壤团聚体表明，覆盖园林废弃物能够增加北京延庆县的杜仲林、桧柏林、槭树林和油松林下不同深度土壤的大团聚体数量和水稳性大团聚体数量，改善土壤结构。城市搬迁地土壤受人为活动、工程修复的强烈影响，土壤团粒结构含量低，结构体破坏率高，团聚体稳定性差[11]，是搬迁地园林绿化的主要障碍因素之一。厨余垃圾是指易腐烂的、含有机质的生活垃圾，又称湿垃圾[15]。据统计，2020年我国厨余垃圾占比为38%，产量高达1.4×108 t[16]。厨余垃圾极易腐烂变质，若处置不当，不仅占用大量的土地资源，还可能会严重影响市容并污染环境，危及居民身体健康。如何对厨余垃圾进行合理的资源化利用是当前减轻环境负担的一项挑战。为此，本研究采用厨余垃圾沼渣堆肥、化学改良剂等材料，研究其单施、混施对搬迁地土壤团聚体数量、团粒结构形成的影响，以为改善城市搬迁地土壤团粒结构、促进厨余垃圾资源化利用提供技术支撑。
1 材料与方法 1.1 试验材料供试土壤取自上海市浦东新区三林镇遗留搬迁地(121°27′ E ~ 121°30′E，31°7′N ~ 31°8′N)，该区域原有城中村、工企业厂房等，据规划要求拟建成公共绿地。将采集的土壤自然风干，去除石块、石砾、根系等，过10 mm筛备用，土壤基本性质见表 1。供试厨余垃圾沼渣堆肥(简称“沼渣堆肥”)为厨余垃圾沼渣(由上海老港生物能源再利用中心提供)好氧发酵腐熟，自然风干，过2 mm筛备用。沼渣堆肥pH为8.26，有机质含量为443 g/kg，发芽指数为85%。供试化学改良剂：氧化铁为红棕色粉末，纯度≥99.99%；硫酸钙为白色微带灰色固体，纯度≥97.0%；β-环糊精为白色至类白色结晶性固体，纯度≥98%。3种改良剂均从国药集团化学试剂有限公司采购。
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表 1 搬迁地土壤基本理化性质 |
将供试搬迁地土壤、沼渣堆肥、化学改良剂按表 2中的用量进行配比，共设置12个处理，每个处理3个重复。将每个处理的供试材料混匀后，装入长×宽×高为135 cm×45 cm×40 cm的花盆中，浇水至土壤含水率保持在田间持水量的60% ~ 70%，放至上海市园林科学规划研究院试验地室外培养6个月后，每个花盆重复取3个原状土样混合为1个土壤样品，并通过四分化法保留至1 kg备用。
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表 2 试验处理 |
土壤水稳性团聚体采用湿筛法，通过DIK-2012土壤团粒分析仪进行测定[17]。具体为：将备用土样中大的土块按其结构轻轻剥开至约10 mm；自然风干后，取过10 mm筛风干土50 g左右放至烧杯中；添加蒸馏水完全淹没，放置24 h后放入土壤团粒分析仪中，进行上下振荡30 min；然后分别洗出孔径2、1、0.5、0.25和0.106 mm筛中土壤至烧杯中，放入105℃烘箱中烘干称重，分别得到 > 2、1 ~ 2、0.5 ~ 1.0、0.25 ~ 0.5、0.106 ~ 0.25和 < 0.106 mm各级土壤水稳性团聚体质量，计算各级水稳性团聚体质量占土样总质量的百分比。
1.4 数据处理试验数据采用Excel 2007软件进行作图；利用SPSS 22.0软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD法进行方差分析和多重比较(α=0.05)。图和表中数据为平均值±标准差。
2 结果与分析 2.1 不同改良剂对搬迁地土壤水稳性团聚体形成的影响 2.1.1 沼渣堆肥对搬迁地土壤水稳性团聚体形成的影响良好的土壤水稳性团聚体结构，有利于增强土壤的抗侵蚀能力，提高土壤肥力质量[18]。由表 3可知，沼渣堆肥添加量对搬迁地土壤各粒径水稳性团聚体影响不同，在大团聚体(≥0.25 mm)中，WG10处理各粒径大团聚体质量分数与CK处理均无显著差异；WG20处理1 ~ 2和0.5 ~ 1 mm粒径大团聚体质量分数均显著高于CK处理(P < 0.05)，较CK处理分别提高了115.6% 和355.8%；WG30处理1 ~ 2、0.5 ~ 1和0.25 ~ 0.5 mm粒径大团聚体质量分数均显著高于CK处理(P < 0.05)，较CK处理分别提高了72.0%、97.3% 和61.2%。在微团聚体(< 0.25 mm)中，WG10处理各粒径微团聚体质量分数较CK处理均无显著差异，而WG20和WG30处理0.106 ~ 0.25 mm粒径微团聚体数量均显著高于CK处理(P < 0.05)，较CK处理分别提高了145.9% 和178.2%，但WG20和WG30处理 < 0.106 mm粒径微团聚体质量分数均显著低于CK处理(P < 0.05)，较CK处理分别降低了14.0% 和12.4%。由此可见，WG10处理对土壤各粒径团聚体质量分数影响不明显，而WG20和WG30处理可明显提高0.5 ~ 1、1 ~ 2 mm粒径大团聚体以及0.106 ~ 0.25 mm粒径微团聚体质量分数。
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表 3 沼渣堆肥对搬迁地土壤水稳性团聚体形成的影响 |
不同化学改良剂对土壤各粒径水稳性团聚体影响不同(表 4)。在大团聚体中，β-环糊精处理(SM1β和SM3β)和硫酸钙处理(SM1Ca和SM3Ca) > 2 mm粒径大团聚体质量分数均低于CK处理，但前者差异显著(P < 0.05)，后者差异不显著；而氧化铁处理及其混合处理(SM1Fe、SM3Fe和SMmix)均高于CK处理，但差异不显著；另外，SM1β与SM3β、SM1Ca与SM3Ca、SM1Fe与SM3Fe处理间差异不显著(P > 0.05)。各化学改良剂处理对1 ~ 2 mm粒径大团聚体质量分数均较CK处理有所提高，其中SM3Fe处理较CK处理显著提高了62.4%(P < 0.05)，而其他处理较CK处理差异不明显；另外，对于相同化学改良剂不同用量处理，1 kg/m3和3 kg/m3处理间差异不显著(P > 0.05)。各化学改良剂均可增加0.5 ~ 1 mm粒径大团聚体占比，其中SM1β处理增加显著(P < 0.05)，较CK处理增加了72.1%，而其他处理较CK处理差异不明显；相同化学改良剂不同添加量处理间仅SM1β显著高于SM3β (P < 0.05)，其他处理差异不明显。SM3Ca与SM1β处理0.25 ~ 0.5 mm粒径大团聚体质量分数较CK处理显著提高(P < 0.05)，分别增加了217.6%和73.6%，而其他处理与CK处理相比，差异不显著；SM3Ca处理较SM1Ca处理、SM3Fe处理较SM1Fe处理可显著增加0.25 ~ 0.5 mm粒径大团聚体比例(P < 0.05)，而SM3β处理较SM1β处理显著降低(P < 0.05)。
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表 4 化学改良剂对搬迁地土壤水稳性团聚体形成的影响 |
在微团聚体中，与CK处理相比，各化学改良剂处理对0.106 ~ 0.25 mm粒径微团聚体质量分数有提高趋势，其中SM1β、SM3Ca、SM3Fe及SM1Fe处理达到了显著水平(P < 0.05)，分别提高了470.3%、306.8%、188.9%及118.8%。不同处理中SM1β、SM3Ca、SM3Fe及SM1Fe处理 < 0.106 mm粒径微团聚体质量分数较CK处理显著降低(P < 0.05)，降幅分别为25.6%、24.5%、13.7% 及6.4%；而对于相同化学改良剂不同添加量处理，SM3β较SM1β、SM3Ca较SM1Ca、SM3Fe较SM1Fe < 0.106 mm粒径微团聚体质量分数显著降低(P < 0.05)，而SM3β较SM1β其显著增加(P < 0.05)。
2.1.3 沼渣堆肥与化学改良剂混施对搬迁地土壤水稳性团聚体形成的影响沼渣堆肥与化学改良剂混施较沼渣堆肥、化学改良剂单施对搬迁地土壤各粒径水稳性团聚体影响不同(图 1)。在大团聚体中，混施处理(WG20+ SMmix) > 2.0 mm粒径大团聚体质量分数较WG20、SMmix和CK处理均显著提高(P < 0.05)，分别提高了108.8%、69.8% 和50.1%；其1 ~ 2 mm粒径大团聚体质量分数较CK和SMmix处理均显著提高(P < 0.05)，分别提高了135.5% 和47.0%；其0.5 ~ 1 mm粒径大团聚体质量分数较CK和SMmix处理均显著提高(P < 0.05)，分别提高了202.0% 和151.0%，而较WG20处理显著降低(P < 0.05)，降低了33.7%；其0.25 ~ 0.5 mm粒径大团聚体较SMmix、WG20、CK处理均显著提高(P < 0.05)，分别提高了78.0%、75.5%、63.5%。在微团聚体中，WG20 + SMmix处理0.106 ~ 0.25 mm粒径微团聚体质量分数较CK和SMmix处理显著提高(P < 0.05)，分别提高了106.3% 和100.6%，而较WG20处理显著降低(P < 0.05)，降低了16.1%；其 < 0.106 mm粒径微团聚体较CK、SMmix、WG20处理显著降低(P < 0.05)，分别降低了16.5%、15.2%、2.9%。
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(柱图上方不同小写字母表示不同处理间差异达P < 0.05显著水平，下同) 图 1 沼渣堆肥和化学改良剂混施对搬迁地土壤水稳性团聚体形成的影响 |
团粒结构是由若干土壤单粒黏结在一起形成团聚体的一种土壤结构，是土壤最理想的结构。一般将≥0.25 mm粒径团聚体称为土壤团粒结构，其是维持土壤结构稳定的基础，含量越高，土壤结构越稳定[19]。沼渣堆肥添加量对搬迁地土壤团粒结构具有一定影响，其中，WG20处理土壤团粒结构含量最高(图 2)，达15.1%，其次是WG30处理，达12.25%，均较CK处理提升显著(P < 0.05)，分别提高了53.9% 和24.9%，而WG10处理对搬迁地土壤团粒结构影响不明显(P > 0.05)。
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图 2 沼渣堆肥对搬迁地土壤团粒结构形成的影响 |
不同化学改良剂对搬迁地土壤团粒结构具有一定影响(图 3)，其中SM3Ca处理改良效果最佳，显著高于CK处理(P < 0.05)，较CK处理增加了70.5%，其次是SM3Fe处理，较CK处理增加了31.3%；同一改良剂不同添加量处理对土壤团粒结构影响明显，其中SM3Ca较SM1Ca、SM3Fe较SM1Fe土壤团粒结构分别显著增加了58.0% 和30.6%(P < 0.05)，而SM3β较SM1β土壤团粒结构反而显著降低了27.4%(P < 0.05)；SMmix处理较SM3Fe、SM3Ca处理土壤团粒结构显著降低，较SM3β处理显著提高，而较CK处理提高了11.8%，但差异不明显。由此可见，3种化学改良剂混施对土壤团粒结构改良效果不显著，主要是由于β-环糊精降低了土壤团粒结构的形成。
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图 3 化学改良剂对搬迁地土壤团粒结构形成的影响 |
沼渣堆肥和化学改良剂混施较沼渣堆肥、化学改良剂单施对搬迁地土壤团粒结构形成影响明显(图 4)，混施处理(WG20+ SMmix)搬迁地土壤团粒结构含量最高，达19.03%，显著高于CK、SMmix和WG20处理(P < 0.05)，分别增加了94.0%、73.5% 和26.0%。由此可见，沼渣堆肥与化学改良剂混施对搬迁地土壤团粒结构的改良效果明显优于沼渣堆肥、化学改良剂单施处理。
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图 4 沼渣堆肥和化学改良剂混施对搬迁地土壤团粒结构形成的影响 |
搬迁地作为当前城市绿化建设的主要土地资源，其土壤质量尤其土壤物理结构是决定绿化成败的关键所在。伍海兵[20]研究表明，土壤物理特性差是导致城市绿地中植物长势不佳或死亡的主要原因。土壤水稳性团聚体的粒径分布不仅反映土壤结构的稳定性[21]，还影响土壤容重、孔隙度、含水量等多种物理特性[22]，也是衡量土壤质量是否发生退化的重要指标[23]。土壤水稳性团聚体是土粒通过各种自然作用形成的抗水力分散的结构单位[24]，与土壤抗侵蚀性有着密切关系[25]。本研究中，沼渣堆肥、β-环糊精、硫酸钙和氧化铁等一种材料单施或几种材料混施对土壤水稳性团聚体质量分数影响明显，10% 沼渣堆肥处理对土壤各粒径水稳性团聚体质量分数影响不明显，20% 和30% 沼渣堆肥处理可显著降低 < 0.106 mm粒径微团聚体质量分数(P < 0.05)，而提升0.106 ~ 0.25 mm粒径微团聚体和1 ~ 2、0.5 ~ 1 mm粒径大团聚体质量分数(P < 0.05)。这一方面可能是由于沼渣堆肥含有丰富的碳，外源碳的施用可有效促进土壤微团聚体向大团聚体转化，与Puttaso等[26]的研究结果类似；另一方面可能是由于沼渣堆肥降低了搬迁地土壤pH，促进了有机物质和矿物颗粒间的胶结[27]。本研究表明，3种化学改良剂处理对土壤大团聚体、微团聚体形成的影响不同，其中β-环糊精处理可显著促进土壤微团聚体总量的形成，而降低土壤大团聚体含量，这与谢国雄等[28]研究结果不一致，可能是由于β-环糊精主要可促进粉砂或砂质土壤大团聚体形成，对于上海搬迁地黏质土壤改良效果不明显，也可能β-环糊精改善土壤团聚体需要长期效应。本研究表明，1 kg/m3硫酸钙以及1 kg/m3氧化铁处理均可促进土壤微团聚体形成大团聚体，但效果不明显，而3 kg/m3硫酸钙以及3 kg/m3氧化铁处理可显著促进大团聚体的形成。其中，硫酸钙处理主要促进0.25 ~ 0.5 mm粒径大团聚体形成，这可能由于硫酸钙能明显降低土壤pH[29]，从而促进 < 0.25 mm粒径微团聚体向大团聚体转化；同时钙离子本身具有一定的胶结作用，能够提高微团聚体间的黏结性，从而促进大团聚体的形成[30]。氧化铁处理显著降低 < 0.106 mm粒径微团聚体质量分数，增加1 ~ 2 mm粒径大团聚体质量分数，这可能是由于氧化铁在土壤中可形成各种形态的铁氧化物，一方面铁氧化物在土壤溶液中充当絮凝剂将微团聚体结合在一起形成大团聚体，如Zhao等[31]研究发现铁氧化物可改善土壤团聚体粒径分布，提升大团聚体结构含量；另一方面铁氧化物较粉砂粒和砂粒细小，少量铁氧化物的吸附可显著增加粉砂粒/砂粒的表面积，促进较大矿物颗粒和有机物质之间的相互作用[32]，有利于土壤颗粒的相互团聚，从而促进大团聚体的形成。沼渣堆肥和化学改良剂混施较单施对土壤团聚体改善明显，尤其是显著增加了 > 2.0、0.25 ~ 0.5 mm粒径大团聚体质量分数，而降低了 < 0.106 mm粒径微团聚体质量分数，这可能是由于沼渣堆肥分解的腐殖质、多糖等有机化合物，在硫酸钙、氧化铁的协同作用下，通过吸附、包裹、黏结、凝聚和复合等作用，使微团体更易胶结为大团聚体。
本研究发现，不同处理对土壤团粒结构改良明显，沼渣堆肥处理中，以20% 沼渣堆肥添加量对土壤团粒结构体改良效果最佳，这主要是由于沼渣堆肥分解产生的多糖、脂肪等都是土壤胶结剂，促进土壤团粒结构体的形成[33]，这与张志毅等[34]研究结果类似；而添加10% 沼渣堆肥处理，可能是由于沼渣堆肥分解产生的多糖、脂肪等土壤胶结剂含量少，故对团粒结构的形成作用效果不明显。化学改良材料中，硫酸钙对土壤团粒结构改良效果最佳，其次是氧化铁，且3 kg/m3处理显著优于1 kg/m3处理，这可能是由于Ca2+置换Na+、K+后被土壤颗粒吸附，削弱了Na+、K+对土壤颗粒及团聚体的分散作用，从促进了土壤团粒结构的形成[35]，而铁氧化物拥有较大的比表面积[36]，在土壤颗粒团聚过程中，能够与不同大小的土壤颗粒通过吸附作用形成粒径较大的团粒结构[37]。沼渣堆肥和化学改良剂混施处理较其单施处理对土壤团粒结构的提升效果显著(P < 0.05)，这是由于一方面沼渣堆肥增加了搬迁地土壤有机质含量，其分解产生的腐殖质、多糖等有机化合物以及硫酸钙、氧化铁产生的金属阳离子均具有吸附、黏结能力；另一方面沼渣堆肥分解产生的多种有机化合物可与铁、钙等金属阳离子、氧化物等形成有机矿物复合体，其作为土壤团粒结构形成的重要胶结物质[38]，从而促进了搬迁地土壤中的微团聚体向团粒结构胶结和转化。
4 结论1) 在搬迁地，10% 沼渣堆肥处理对土壤各粒径团聚体影响不明显，20%、30% 沼渣堆肥处理显著增加土壤0.5 ~ 1、1 ~ 2 mm粒径大团聚体以及0.106 ~ 0.25 mm粒径微团聚体质量分数(P < 0.05)，而显著降低土壤 < 0.106 mm粒径微团聚体质量分数(P < 0.05)。β-环糊精处理可显著增加土壤微团聚体总量，而降低大团聚体质量分数；3 kg/m3硫酸钙处理可显著增加土壤0.25 ~ 0.5 mm粒径大团聚体质量分数(P < 0.05)，3 kg/m3氧化铁处理可显著降低土壤 < 0.106 mm粒径微团聚体质量分数，增加1 ~ 2 mm粒径大团聚体质量分数。沼渣堆肥与化学改良剂混施较单施对土壤水稳性团聚体形成具有促进作用，尤其是显著增加了 > 2.0、0.25 ~ 0.5 mm粒径大团聚体质量分数，而降低了 < 0.106 mm粒径微团聚体质量分数(P < 0.05)。
2) 沼渣堆肥单施处理中，20% 沼渣堆肥对搬迁地土壤团粒结构改良效果最佳；化学改良剂单施处理中，3 kg/m3硫酸钙对搬迁地土壤团粒结构改良效果最佳，其次是3 kg/m3氧化铁处理。而沼渣堆肥与化学改良剂混施(WG20+ SMmix)对搬迁地土壤团粒体改良效果最佳，团粒结构达19.03%，较CK、SMmix、WG20处理分别增加了94.0%、73.5%和26.0%。
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