城市绿地土壤是影响绿化植物生长的重要环境因子，对树木根系水分平衡、气体交换及能量转运等生理活动的影响较大[1]。科学合理的栽培基质选择与配比优化是确保绿化植物健康生长和优良品质形成的关键因素。目前，常用栽培基质以泥炭、珍珠岩和蛭石为主，而稻壳、椰糠、枯枝落叶等经济实惠的农林废弃物利用较少[2]。焦雪辉等[3]和刘大同等[4]研究证明，绿化植物废弃物经粉碎后直接覆盖或堆肥处理后再利用，可替代草炭等常规栽培基质、改善土壤理化性质并促进植物生长发育。但由于原料和生产工艺的不同，绿化植物废弃物加工生成的树皮块、碎木片、有机基质、菌菇下脚料堆肥和生物炭等产品的理化性质和功能用途差别较大[5-6]。因此，需充分发挥各产品的优势形成适宜的基质配方比例，以实现绿化植物废弃物的综合利用。基于此，本文通过不同配比的基质产品进行栽培试验，观测配方土土壤理化性状和樟树根系发育的变化，探讨不同基质对树木根系生长的影响，筛选出最佳的栽培配方比例，为植物栽培中有机废弃物的利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验苗木为生长基本一致的两年生香樟容器苗，苗木平均高度约1 m。配方土壤原料有园土、菌菇下脚料堆肥、枝叶粉碎物堆肥和碎木片4种，其中园土取自园区苗圃地，其他原材料均由绿化植物废弃物经不同工艺加工而成，各种材料的基本理化性质具体见表1。菌菇下脚料堆肥为菌菇棒粉碎后堆制，具有相对较高的速效养分含量；枝叶粉碎物堆肥和碎木片原料为阔叶树种修剪下来的树枝落叶，前者粒径较细（0.3～1.0 cm）且充分腐熟，后者粒径较粗（2.0～3.0 cm）可作为填充骨料。
表1 配方土壤原料的基本理化性质 |
| 土壤配方 | 粒径/cm | 容重/（g/m3） | pH | 有机质/（g/kg） | 全氮/（g/kg） | 全磷/（g/kg） | 速效氮/（mg/kg） | 有效磷/（mg/kg） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 园土 | - | 1.29 | 8.20 | 45.9 | 2.36 | 1.62 | 0.06 | 0.15 |
| 菌菇下脚料堆肥 | 0.3～0.8 | 0.66 | 5.86 | 89.22 | 2.47 | 1.80 | 0.24 | 0.44 |
| 枝叶粉碎物堆肥 | 0.3～1.0 | 0.40 | 7.57 | 69.89 | 2.37 | 1.74 | 0.19 | 0.21 |
| 碎木片 | 2.0～3.0 | 0.38 | 7.85 | 109.20 | 2.45 | 1.75 | 0.07 | 0.18 |
1.2 试验设计
表2 正交试验的因素水平 (份) |
| 水平 | 因素 | |||
|---|---|---|---|---|
| 园土A | 菌菇下脚料堆肥B | 枝叶粉碎物堆肥C | 碎木片D | |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 3 | 2 | 2 | 1 |
| 3 | 5 | 4 | 4 | 2 |
表3 正交试验的因素方案 |
| 处理 | A | B | C | D |
|---|---|---|---|---|
| T1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| T2 | 1 | 2 | 2 | 2 |
| T3 | 1 | 3 | 3 | 3 |
| T4 | 2 | 1 | 2 | 3 |
| T5 | 2 | 2 | 3 | 1 |
| T6 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| T7 | 3 | 1 | 3 | 2 |
| T8 | 3 | 2 | 1 | 3 |
| T9 | 3 | 3 | 2 | 1 |
1.3 测定指标及方法
1.3.1 配方土土壤理化性质
种植稳定1个月后，采用200 cm3环刀采集0～20 cm土壤样品，并参照LY/T 1215—1999《森林土壤水分—物理性质的测定》测定容重、总孔隙度、最大持水量和毛管持水量。采集预制土壤样品，带回实验室阴干、粉碎待用。pH采用电极法（水土比为5∶1），参照NY/T 1121.6—2006《土壤检测 第6部分：土壤有机质的测定》测定土壤有机质含量，参照NY/T 1121.7—2014《土壤检测 第7部分：土壤有效磷的测定》测定土壤有效磷含量，参照DB64/T 1734—2020《土壤水解性氮的测定 凯氏定氮仪法》测定水解性氮含量，全氮和全磷含量采用Elemental元素分析仪测定。
1.3.2 树木根系生长
生长6个月后，采用根系取样器（φ10 cm）在4个方向上分别钻0～30 cm土层的根系样品，混合后装入塑料袋封闭编号，带回实验室，筛分、挑拣出所有根系，用蒸馏水缓慢清洗干净。采用WinRhizo Pro STD4800根系分析系统测定根长、根表面积、根直径、根体积和根尖数等参数，具体方法参考文献[7]。扫描后，根系样品置于80 ℃烘箱，烘干至恒重，用电子天平称干重。
1.4 数据分析
采用极差法分析确定因素的最优水平，先计算每个因素同一水平下试验值的实测值之和（Ki，i=1，2，3），再计算同一因素不同水平间的极差（Rj ），并根据极差的大小来判断因素的主次；最后，采用隶属函数法和综合评价指数确定最优水平组合[3]。采用SPSS 22.0软件进行Spearman秩相关分析，解析配方土土壤理化性状变化与根系发育的关系，进而分析其原料对根系生长的影响。
2 结果与分析
2.1 对配方土土壤理化性质的影响
由表4可知，园土对总孔隙度的影响较大，其极差为10.00%；菌菇下脚料堆肥对全氮、全磷、水解性氮和有效磷含量的影响较大，极差分别为2.42 g/kg、0.83 g/kg、140.54 mg/kg和108.30 mg/kg；枝叶粉碎物堆肥对有机质含量的影响较大，极差为51.43 g/kg；碎木片对容重、最大持水量、毛管持水量、pH的影响较大，极差分别为0.34 g/cm3、336.51 g/kg、192.71 g/kg和6.8。容重、总孔隙度、最大持水量、毛管持水量、pH、有机质、全氮、全磷、水解性氮、有效磷的最佳配比分别是A3B1C1D1、A2B2C3D2、A1B2C3D2、A1B2C2D2、A3B1C1D1、A1B2C3D3、A1B2C3D2、A1B3C3D3、A1B3C3D3、A1B3C2D3。
表4 配方土土壤理化性质的极差分析 |
| 指标 | 因素 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| A | B | C | D | ||
| 容重/（g/cm3） | 极差 | 0.07 | 0.21 | 0.33 | 0.34 |
| 最优水平 | 3 | 1 | 1 | 1 | |
| 总孔隙度/% | 极差 | 10.00 | 1.83 | 1.30 | 5.11 |
| 最优水平 | 2 | 2 | 3 | 2 | |
| 最大持水量/（g/kg） | 极差 | 336.05 | 257.68 | 271.63 | 336.51 |
| 最优水平 | 1 | 2 | 3 | 2 | |
| 毛管持水量/（g/kg） | 极差 | 162.12 | 160.23 | 158.21 | 192.71 |
| 最优水平 | 1 | 2 | 2 | 2 | |
| pH | 极差 | 0.9 | 3.2 | 3.5 | 6.8 |
| 最优水平 | 3 | 1 | 1 | 1 | |
| 有机质/（g/kg） | 极差 | 46.38 | 43.69 | 51.43 | 50.39 |
| 最优水平 | 1 | 2 | 3 | 3 | |
| 全氮/（g/kg） | 极差 | 2.35 | 2.42 | 1.94 | 1.54 |
| 最优水平 | 1 | 2 | 3 | 2 | |
| 全磷/（g/kg） | 极差 | 0.79 | 0.83 | 0.16 | 0.68 |
| 最优水平 | 1 | 3 | 3 | 3 | |
| 水解性氮/（mg/kg） | 极差 | 77.68 | 140.54 | 111.1 | 75.99 |
| 最优水平 | 1 | 3 | 3 | 3 | |
| 有效磷/（mg/kg） | 极差 | 21.99 | 108.30 | 7.12 | 44.57 |
| 最优水平 | 1 | 3 | 2 | 3 | |
2.2 对树木根系生长的影响
由表5可知，根系的表面积、长度、直径和根尖数受碎木片的影响较大，极差分别为166.66 cm2、530.03 cm、0.26 mm和1 536.67；菌菇下脚料堆肥对体积、干重的影响较大，极差分别为5.11cm3、91.42 g。最适宜表面积、体积、长度、直径、根尖数、生物量增加的配比分别是A1B3C2D2、A1B3C2D2、A1B3C2D2、A1B2C2D1、A3B3C1D2、A2B3C2D2。
表5 树木根系指标的极差分析 |
| 指标 | 因素 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| A | B | C | D | ||
| 表面积/cm2 | 极差 | 128.04 | 137.60 | 100.29 | 166.66 |
| 最优水平 | 1 | 3 | 2 | 2 | |
| 体积/cm3 | 极差 | 4.18 | 5.11 | 3.21 | 3.94 |
| 最优水平 | 1 | 3 | 2 | 2 | |
| 长度/cm | 极差 | 296.00 | 331.51 | 233.25 | 530.03 |
| 最优水平 | 1 | 3 | 2 | 2 | |
| 直径/mm | 极差 | 0.14 | 0.12 | 0.03 | 0.26 |
| 最优水平 | 1 | 2 | 2 | 1 | |
| 根尖数 | 极差 | 1 055.56 | 1 090.00 | 597.56 | 1 536.67 |
| 最优水平 | 3 | 3 | 1 | 2 | |
| 干重/g | 极差 | 22.31 | 91.42 | 26.75 | 68.59 |
| 最优水平 | 2 | 3 | 2 | 2 | |
2.3 树种根系生长的最优水平
由表6可知，促进根系发育的各因素主次顺序为A、B、D、C，理论基质配比为A1B3C2D2，因此，最适宜配方为园土∶菌菇下脚料堆肥∶枝叶粉碎物堆肥∶碎木片体积比为1∶4∶2∶1。
表6 配方土壤对树木根系发育影响的综合评价 |
| A | B | C | D | 最优水平 | |
|---|---|---|---|---|---|
| K1 | 292.98 | 262.18 | 275.65 | 283.70 | A1B3C2D2 |
| K2 | 272.60 | 283.50 | 283.03 | 284.52 | |
| K3 | 264.22 | 284.12 | 271.11 | 262.58 | |
| Rj | 3.20 | 2.44 | 1.32 | 2.35 |
2.4 土壤理化性状与根系生长的相关性
根系表面积与配方土的容重呈负相关，相关性具有统计学意义（P<0.05），与最大持水量、毛管持水量以及有机质、全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量呈正相关，相关性具有统计学意义（P<0.05，P<0.01）；根系体积与配方土的容重呈负相关，相关性具有统计学意义（P<0.05），与最大持水量、毛管持水量以及有机质、全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量呈正相关，相关性具有统计学意义（P<0.05）；根系长度与配方土的最大持水量、毛管持水量、全磷含量呈正相关，相关性具有统计学意义（P<0.05，P<0.01）。其余指标间相关性无统计学意义（P>0.05）。说明土壤指标对植物根系的表面积、体积和长度等影响较大（表7）。
表7 配方土指标与植物根系指标相关性 |
| 指标 | 表面积 | 体积 | 干重 | 长度 | 直径 | 根尖数 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 容重 | -0.677* | -0.692* | -0.176 | -0.611 | 0.329 | -0.091 |
| 总孔隙度 | 0.017 | 0.037 | 0.355 | 0.019 | 0.103 | 0.230 |
| 最大持水量 | 0.824** | 0.778* | 0.314 | 0.747* | -0.396 | 0.093 |
| 毛管持水量 | 0.940** | 0.882** | 0.420 | 0.861** | -0.403 | 0.274 |
| pH | -0.489 | -0.438 | 0.142 | -0.483 | -0.155 | 0.202 |
| 有机质 | 0.720* | 0.687* | 0.196 | 0.639 | 0.363 | -0.005 |
| 全氮 | 0.769* | 0.780* | 0.318 | 0.625 | -0.524 | 0.050 |
| 全磷 | 0.852** | 0.771* | 0.184 | 0.821** | -0.299 | 0.165 |
| 水解性氮 | 0.692* | 0.711* | 0.381 | 0.559 | 0.525 | -0.037 |
| 有效磷 | 0.762* | 0.794* | 0.362 | 0.615 | 0.532 | 0.032 |
|
3 结论与讨论
植物根系的生长发育受到内源激素和外界环境的共同影响[8]，其中土壤微生物、水分、养分等外因对其影响较大，尤其是各种养分的有效性[9]。目前，绿化植物废弃物多为粉碎加工至粒径10～30 mm的树枝落叶基质，含有丰富的有机质和氮、磷等营养元素，常与青石粒、珍珠岩、蛭石等混合配比，以改良土壤质量[10]。树皮块或碎木片具有粒径粗（20～50 mm）、间隙大的特点，常作为有机覆盖物直接覆盖于树木周围或土壤表层[4]。植物根系生长与土壤中养分的空间分布相关性较强，氮素和磷素可以刺激根系的生长[11]。利用碎木块替代青石粒填充土壤结构，可以提高土壤持水性能和通气性，而枝叶粉碎物堆肥增加了土壤的有机质含量，提高了水分可利用性和根系发育空间，促进其表面积、体积和长度的增加。菌菇下脚料堆肥原料为草本类植物，通过堆肥处理转化为有机物、微生物、大量和微量营养元素丰富的肥料[12]，促进了根系表面积、体积和长度的增加。将绿化植物废弃物中占比较大且难以降解的枝干部分进行粉碎，直接加入生产基质，可以快速改良土壤容重[13]，而土壤容重能显著影响根系在土壤中的生长与扩展，降低氮素的淋溶损失，提高植株的抗旱性。植物废弃物中另一部分绿化修剪物、落叶、草屑在堆肥化处理中可以缩短堆肥生产周期，同时，实现物质的循环利用，符合绿色发展理念。
综上，本研究分析了不同绿化植物废弃物对配方土土壤理化性质和幼树根系生长的影响，结果表明，栽培基质不同配比对容器苗根系生长的影响较大，菌菇下脚料堆肥、枝叶粉碎物堆肥和碎木片通过改变土壤的养分、容重和持水能力等影响其根系生长，理论适宜配方为园土∶菌菇下脚料堆肥∶枝叶粉碎物堆肥∶碎木片体积比为1∶4∶2∶1。