城市绿地土壤是城市生态系统的重要组成部分，对城市的可持续发展具有重要意义^[1-4]。不同于自然土壤，城市绿化土壤受各种人为活动的强烈影响^[5]，具有物理性质差、pH 高、养分有效性低等特点^[6-8]。研究表明，上海城市绿地土壤以碱性或强碱性为主，其中公园绿地土壤容重平均值（约 1.42 g/cm³）高于《绿化种植土壤》标准要求（<1.35 g/cm³），中心城区公园土壤 pH>7.5 占比高达 98.47%^[6，9-10]。此外，土壤养分及肥力状况不高，土壤有效磷含量平均值为 15.78 mg/kg，大型景观绿地土壤阳离子交换量（CEC）多集中在 10～20 cmol/kg，处于中等保肥保墒水平^[11-12]。

生物炭或生物质炭是指生物残体在无氧或低氧环境下，通过高温慢裂解（一般低于 700℃）形成的一种富含炭素、高度芳香化且稳定的物质，是以固定碳元素、获取其吸附、抗氧化等功能特性为目的生产的一种黑炭^[13]。由于生物炭富含营养物质，施用生物炭后可在一定程度上提升土壤养分含量^[14]。另外，由于生物炭表面富含羧基官能团，还能有效提高土壤 CEC 值，进而提升土壤保水保墒能力。因此，若能将生物质废弃物制成性质稳定、比表面积大且高度芳香化的生物炭应用于绿化土壤改良等，将有助于城市的建设及绿地生态系统健康的恢复，对建设宜居城市和生态文明有重要意义。为此，本研究基于盆栽试验，研究了不同施用量的生物炭和炭基肥对绿地土壤容重、养分含量及常见绿化植物生长的影响，旨在为城市绿地土壤改良提供指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自上海市园林科学规划研究院苗圃基地。采集 0～20 cm 表层土壤样品，混合均匀，去除石块、根茬、杂物等物质后自然风干，过 1 cm 筛后作为盆栽试验土壤，其基础物理化学性质如下：pH 8.67、碱解氮 98.7 mg/kg、速效钾 83.56 mg/kg、有效磷 8.41 mg/kg、有机质 12.65 g/kg。试验中施用的生物炭和炭基肥基础性质如表1 所示。

1.2 盆栽试验

盆栽试验共设置 11 个处理，分别为：（1）对照 / 不添加生物炭或炭基肥、（2）添加 0.5% 生物炭、（3）添加 1% 生物炭、（4）添加 2% 生物炭、 （5）添加 4% 生物炭、（6）添加 6% 生物炭、（7） 添加 0.5% 炭基肥、（8）添加 1% 炭基肥、（9）添加 2% 炭基肥、（10）添加 4% 炭基肥、（11）添加 6% 炭基肥；每个处理 4 次重复。每盆称取土壤 10 kg，生物炭或炭基肥 50、100、200、400 和 600 g 与土壤充分混匀后装入盆中，并用水湿润土壤。

选取大小相似的大叶罗勒种子 50 粒，均匀地播入盆中。在盆栽试验早期，水分补充主要以底部托盘吸水为主，避免影响种子萌发。随着植株生长对水分的需求增大，转为上部喷水和下部托盘吸水，按照每天早、晚分别进行 1 次补水。

盆栽试验于 2020 年 6 月 23 日开始，10 月 5 日收获。收获前测定大叶罗勒叶片叶绿素含量（测定新梢顶叶下第 2、3 张叶片）、株高等指标，收获后测定植株生物量。同时采集土壤样品，测定土壤容重、孔隙度等物理指标，土壤 pH、速效氮磷钾含量、阳离子交换量等化学指标。

1.3 样品分析

采用电位法测定土壤 pH 值（水土比 2.5∶1），乙酸铵交换法（1 mol/L，pH=7）测定土壤 CEC 值； 土壤碱解氮、有效磷和速效钾分别采用碱解扩散法、0.5 mol/L NaHCO₃ 浸提-钼锑抗比色法和 1.0 mol/L 中性乙酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤容重和孔隙度分别采用环刀法和比重计法测定^[15]。叶绿素含量采用叶绿素仪 SPAD-502 测定。

1.4 数据处理

使用 SPSS 22.0 进行显著性比较和统计分析，通过 Duncan 多重比较分析不同处理间土壤物理化学指标以及植物生长指标的差异显著性。采用 Excel 2010 进行制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭和炭基肥对土壤物理性质的影响

生物炭和炭基肥对土壤容重、土壤孔隙度和土壤水稳性团聚体分布的影响如图1 所示。与对照相比，随着生物炭用量的增加土壤容重呈降低的趋势。与对照相比，添加炭基肥处理土壤容重无显著变化。添加生物炭和炭基肥对土壤孔隙度的影响与容重相似。同时，短期内添加生物炭和炭基肥对土壤团聚体无显著影响。

2.2 生物炭和炭基肥对土壤化学性质的影响

试验结果表明，生物炭和炭基肥对土壤 pH 的影响如图2 所示。与对照相比，添加生物炭对土壤 pH 无显著影响。而添加炭基肥处理，随着添加量的增加，土壤 pH 显著降低。与对照相比，0.5%、 1%、2%、4% 和 6% 炭基肥处理的土壤 pH 分别降低了 0.23、0.70、1.02、1.04 和 1.09 个单位，土壤表现出酸化现象。

试验结果表明，生物炭和炭基肥对土壤碱解氮含量的影响如图3A 所示。与对照相比，添加生物炭对土壤碱解氮含量无显著影响，但炭基肥添加量大于 1% 时，可显著提高土壤碱解氮的含量，且随着炭基肥添加量的增加，土壤碱解氮含量逐渐提高，炭基肥处理碱解氮含量为100.80～168.00 mg/kg，与对照相比，0.5%、1%、2%、4% 和 6% 炭基肥处理土壤碱解氮含量分别增加了 4.78、6.77、14.23、 29.75 和 53.55 mg/kg。

生物炭和炭基肥对土壤有效磷含量的影响如图3 B 所示。与对照相比，生物炭和炭基肥添加量大于 1% 时土壤有效磷含量均显著升高，且随添加量的增加升幅增大。与对照相比，0.5%、1%、2%、 4% 和 6% 生物炭处理土壤有效磷含量分别增加了 1.26、1.43、2.62、4.10 和 6.05 mg/kg，而 0.5%、 1%、2%、4% 和 6% 炭基肥处理土壤有效磷含量则分别增加了 1.11、0.97、3.88、6.58 和 8.51 mg/kg。由此可见，生物炭和炭基肥均能有效提高绿地土壤有效磷含量，其中炭基肥提高幅度更大，但改良后土壤有效磷含量仍处在中等偏下水平，因此在绿化植物种植过程中应适当补充磷肥。

注：a、b 的多重比较分析均为 11 个处理间的比较，c 为 6 个处理间的比较，相同小写字母表示处理间在 0.05 水平上无显著性差异。下同。

与对照相比，当生物炭添加量大于 0.05% 和炭基肥添加大于 1% 时，土壤速效钾的含量均显著增加。且随添加量的增加升幅增大（图3C）。与对照相比， 0.5%、1%、2%、4% 和 6% 生物炭处理土壤速效钾含量分别增加了 22.6、30.6、75.1、176.0 和 326.9 mg/kg； 而 0.5% 和 1% 炭基肥处理土壤速效钾含量与对照相比无显著差异，2%、4% 和 6% 炭基肥处理土壤速效钾含量则分别显著升高了 43.2、128.2 和 174.7 mg/kg。

添加生物炭和炭基肥对土壤阳离子交换量的影响如图4 所示。与对照相比，添加生物炭和炭基肥后土壤阳离子交换量均显著升高，且随添加量的增加升幅增大。与对照相比，0.5%、1%、2%、4% 和 6% 生物炭处理土壤阳离子交换量分别增加了 0.79、0.54、0.92、1.04 和 1.27 cmol/kg； 而 0.5%、 1%、2%、4% 和 6% 炭基肥处理土壤阳离子交换量分别增加了 1.16、1.69、1.59、1.75 和 2.42 cmol/kg，其中以 6% 炭基肥处理增幅最大。

2.3 生物炭和炭基肥对大叶罗勒生长的影响

2.3.1 大叶罗勒生物量

生物炭和炭基肥对大叶罗勒株高的影响如图5A 所示。与对照相比，添加生物炭对大叶罗勒株高无显著差异。而添加炭基肥处理中，当添加量大于 1% 时，随着添加量的增加，株高呈逐渐降低的变化趋势，其中以 1% 炭基肥处理株高最高，6% 炭基肥处理株高最低。生物炭和炭基肥对大叶罗勒茎冠的影响如图5B 所示，生物炭和炭基肥对茎冠的影响与株高一致。

生物炭和炭基肥对大叶罗勒生物量的影响如图5C 所示。与对照相比，添加生物炭促进了大叶罗勒植株的生长，其中 1%、2%、4% 和 6% 生物炭处理大叶罗勒生物量显著高于对照，增加幅度为分别 39.7%、29.5%、29.3% 和 27.1%。而添加炭基肥处理，随着添加量的增加，生物量呈降低的变化趋势。与对照相比，添加 0.5%、1% 和 2% 炭基肥处理的大叶罗勒生物量分别增加了 56.7%、71.6% 和 30.8%。1% 炭基肥处理的大叶罗勒生物量增幅最大，显著高于对照和生物炭处理。当炭基肥添加量超过 1%，地上部生物量呈显著降低的趋势，相比于炭基肥添加量为 1% 处理，添加量达到 2%、4% 和 6% 后，地上部生物量仅为前者的 76%、27% 和 28%。

2.3.2 大叶罗勒叶绿素相对含量

生物炭和炭基肥对大叶罗勒叶绿素相对含量 （SPAD 值）的影响如图6 所示。与对照相比，添加生物炭对大叶罗勒叶绿素相对含量无显著影响；炭基肥处理叶绿素相对含量显著高于对照和生物炭处理。与对照相比，0.5%、1%、2%、4% 和 6% 炭基肥处理叶绿素相对含量分别增加了 45.3%、69.1%、 89.9%、73.0% 和 92.9%。

3 讨论

3.1 生物炭和炭基肥对土壤理化性质的影响

生物炭和炭基肥在农业上的应用研究一直倍受关注，生物炭和炭基肥具有含碳率高、孔隙类型丰富、比表面积大、密度低、理化性状稳定等固有特性。因此，施用生物炭材料可提高土壤肥力，增加土壤碳固持能力，同时在改良土壤结构方面具有广阔的应用前景^[16-19]。本研究结果表明，施用生物炭和炭基肥对土壤容重、孔隙度和水稳性团聚体等土壤物理指标无显著影响。本研究所选生物炭和炭基肥容重分别为 0.32 和 0.78 g/cm³，随着生物炭和炭基肥添加比例的提高，土壤容重均呈降低的趋势，但均未达到显著性差异，表明生物炭和炭基肥对土壤容重的影响与其添加比例有关，同时研究结果表明，生物炭处理土壤容重低于炭基肥处理，这可能与生物炭容重小于炭基肥有关。本研究表明，生物炭和炭基肥对土壤水稳性团聚体的分布也无显著影响，与李鑫等^[20]施用生物炭与猪粪配施增加土壤水稳性团聚体的结果不一致，这可能是由于生物炭和炭基肥性质较为稳定，无法在短时间内与土壤矿物形成有机-无机复合体有关。因此生物炭及炭基肥对土壤物理性质的改良效果还有待原位定位试验进一步验证。

生物炭和炭基肥施用对土壤 pH 和土壤速效养分含量具有显著影响。本研究结果表明，生物炭对土壤 pH 无显著影响，但炭基肥能显著降低土壤 pH。前人研究表明土壤 pH 的变化与氮素添加量有关，添加到土壤中的氮素经过微生物的矿化作用生成铵态氮，生成的铵态氮在硝化微生物的作用下氧化成硝态氮，同时释放出质子酸化土壤^[21]。本研究所选炭基肥全氮含量是生物炭的 6.55 倍，相同比例的炭基肥施用可以带入更多的氮素，因此炭基肥较生物炭对土壤 pH 的影响更大。同时大量的氮素投入，也会提高土壤中碱解氮的含量，研究结果表明，炭基肥处理碱解氮含量为 100.80～168.00 mg/kg，达到了较丰富和丰富的水平，能满足绿化植物生长的需求^[22]。生物炭和炭基肥施用均可显著提升土壤有效磷和速效钾的含量，其提升效果随添加量的增加而增强，对比生物炭和炭基肥的改良效果，可以发现其土壤养分含量与施用肥料的养分含量有关。生物炭处理土壤的全钾和速效钾含量也高于炭基肥处理，由此可见，生物炭和炭基肥均能有效提高绿地土壤速效钾含量，其中生物炭提高幅度更大，但改良后土壤速效钾含量处在中等和丰富水平，当生物炭添加量低于 2% 时，可适量补充钾肥，高于 2% 时则无需额外施用钾肥。而炭基肥处理土壤全磷和有效磷含量也高于生物炭处理。生物炭和炭基肥施用还显著提高了土壤的阳离子交换量，这与有机材料孔隙丰富有关，生物炭和炭基肥施用后对土壤中的盐基离子吸附作用增强，有利于土壤的保肥。

3.2 生物炭和炭基肥对大叶罗勒生长的影响

前人研究表明，生物炭施用可以显著提高作物和蔬菜的产量^[23-24]。本研究结果表明，施用生物炭和炭基肥均可显著提高大叶罗勒的生物量。其中，生物炭的施用量需大于 1%。炭基肥施用量在 0.5%～1% 之间时，大叶罗勒生物量达到最大，当施用量大于 2% 时，炭基肥对植物生物量有抑制作用。Glaser 等^[25]的研究也表明生物炭类材料施用比例过大会降低作物产量。这可能与过高的养分投入量有关，1%、2%、4% 和 6% 炭基肥处理纯氮投入量分别为 367、734、1468 和 2202 mg/kg，过量的氮肥经矿化作用，生成铵态氮和硝态氮，造成土壤盐分含量过高，从而限制大叶罗勒生长。短期内土壤 pH 降低了 0.70～1.09 个单位，也进一步说明了土壤硝化和酸化作用显著，大量硝态氮在土壤中累积。从大叶罗勒的茎冠和株高看，当炭基肥施用量超过 2% 后，其抑制作用也较为明显。同时植株形态会对茎冠和株高产生较大影响。值得注意的是，炭基肥施用量大于 2% 时，虽然对大叶罗勒的生物量产生了严重的抑制作用，但其叶片的叶绿素含量却是最高的。生物炭和炭基肥对大叶罗勒叶绿素含量的影响，一方面决定于二者的养分含量，另一方面也取决于土壤的养分状况。供试土壤碱解氮含量为 98.7 mg/kg，处于中等水平，需要一定量的氮素补充以满足绿化植物生长的正常需求，本研究所选炭基肥全氮含量是生物炭的 6.55 倍，供氮潜力大，且随炭基肥施用量增大，大叶罗勒叶绿素含量显著升高。孙全平等^[26]的研究指出，随着牛粪生物炭用量的增加，青稞叶绿素含量逐渐升高。这可能与生物炭等肥料带入的氮素越多，植物吸收的氮素也越多，而叶绿素含量与叶片含氮量密切相关^[27]。

4 结论

生物炭可以降低土壤容重，而炭基肥对容重的影响较弱；生物炭和炭基肥均能提高土壤阳离子交换量，改善土壤性状；生物炭能提高土壤速效钾、有效磷含量，而炭基肥则能有效提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾和可溶性碳氮的含量；炭基肥能提高大叶罗勒叶绿素含量，1% 炭基肥处理能显著提高株高；与对照相比，添加 1%、2%、4%、6% 生物炭或 0.5% 和 1% 炭基肥大叶罗勒生物量均显著增加，以 1% 炭基肥处理增幅最大。综合作物生长，推荐炭基肥用量不能超过 1%，且避免在播种期施用，以免影响出苗，而生物炭改良园林土壤可与适量氮肥配合施用以增加绿化植物叶绿素含量和观赏性。

参考文献