摘要
为了探索蚯蚓类（蚓粪）栽培基质对空中庭院栽培用土的改良效果和绿植生长的影响，减少商品基质中草炭原料的开采，保护生态环境。通过利用蚓粪栽培基质与基坑土配比进行红叶石楠盆栽试验，并模拟空中庭院环境条件下研究不同基坑土配比对土壤理化性质、红叶石楠存活率和生长的影响。结果表明，基坑土配比基质可以有效增加土壤的有机质，提高土壤的含水量、总孔隙度和微生物总量，调节土壤 pH，降低土壤容重，起到改良基坑土壤的作用。其中以蚓粪栽培基质与基坑土 1∶3 配比（T3）对基坑土壤的改良效果最好，红叶石楠的成活率和生长都优于草炭商品基质与基坑土壤互配（CK2、T1 和 T2），其对裸根红叶石楠的成活率为 76.19%，比草炭商品基质与基坑土壤 1∶3 最优配比（T1）的红叶石楠的成活率提高了 6.66%，其株高、新梢长、叶片数和 SPAD 值比 CK1 分别提高了 24.7%、2.07 倍、87.3% 和 24.88%。主要是蚓粪栽培基质与基坑土 1∶3 配比显著提高了土壤的有效磷、速效钾含量，分别比 CK1 增加了 11.58、2.66 倍，并显著增加细菌、放线菌和微生物总量，分别比 CK1 增加了 2.84、2.05 和 2.79 倍，尤其是解磷菌数量，比 CK1 增加了 10.56 倍，比 CK2 增加了 15.63%，有利于土壤中养分循环利用，提高红叶石楠的存活率，促进其生长。因此，蚓粪栽培基质可以替代草炭商品基质用于改良空中庭院的土壤理化性质，促进空中庭院的绿植生长，减少草炭资源的开发利用。
Abstract
The study aimed at explore effect of earthworm casts culture substrate on the improvement of cultivated soil and the growth of green plants in the air courtyard，reduce the exploitation of peat raw materials in commercial substrate and protect the ecological environment. In this study，the mixing of earthworm casts culture substrate and foundation pit soil was used to carry out pot experiment of Photinia fraseri Dress，and the effects of different culture substrate and soil ratio on soil physical and chemical properties，survival rate and growth of Photinia fraseri Dress were studied under simulated air courtyard environment. The results showed that the mixing substrates effectively increased soil organic matter，soil water content，total porosity and total microorganism，adjusted soil pH，reduced soil bulk density，and played a role in improving foundation pit soil. Among them，the 1∶3 ratio of earthworm casts culture substrate and foundation pit soil（T3）had the best effect on the improvement of foundation pit soil，and the survival rate and growth of Photinia fraseri Dress were better than that of the mixture of peat commercial substrate and foundation pit soil（CK2，T1 and T2），and the survival rate of Photinia fraseri Dress was 76.19%. Compared with the optimal ratio of 1∶3 of peat commercial substrate and foundation pit soil（T1），the survival of Photinia fraseri Dress was increased by 6.66%. Compared with CK1，the plant height，new shoot length，number of leaves and SPAD were increased by 24.7%，2.07 times，87.3% and 24.88%，respectively. Mainly， the 1 ∶ 3 ratio of earthworm casts culture substrate and foundation pit soil significantly increased the content of available phosphorus and available potassium in soil，which increased by 11.58 and 2.66 times compared with CK1，respectively. The total amount of bacteria，actinomyces and microorganisms significantly increased by 2.84，2.05 and 2.79 times compared with CK1，respectively. In particular，the number of phosphorus-solubilizing bacteria increased by 10.56 times compared with CK1，and 15.63% compared with CK2，which were conducive to the recycling of nutrients in soil，improving the survival rate of Photinia fraseri Dress and promoting its growth. Therefore，the earthworm casts culture substrate could replace the peat commercial substrate to improve the physical and chemical properties of the soil in the air courtyard，promote the growth of green plants，and reduce the development and utilization of peat resources.
Keywords
随着我国城市化建设的快速发展，高层建筑拔地而起，解决了土壤资源紧缺、城市人口密集等问题[1]，但是在发展过程中对于城市环境与生态环境也带来了消极的影响，单调均质的高层建筑无法满足城市环境的美观以及人们对舒适健康居住环境的需求[2]。第四代建筑中的空中庭院可以栽花种菜，人们享受到别墅的绿色庭院视觉感官和生活体验，满足了对更高居住品质的需求。空中庭院打造出城市森林园林建筑氛围感，促进自然生态环境与城市建筑融为一体[3]，成为每个家庭的理想花园。
空中庭院的花园打造除了根据建筑的光照、温度、风力和干旱等特性条件来选择绿植外[4]，还需要有较好肥力条件的土壤和土层厚度来满足绿植生长的需求，而一个楼盘项目最适合种植的表层土壤在平整土方时被收集起来用于售楼部和样板间周围的绿化用土。由于受运输成本和市政对土方输送距离管控等因素的影响，导致空中庭院的绿化用土基本上都是采用项目的基坑土，这些深层土壤贫瘠，表现为容重大、粘性重，有机质严重缺乏，碱解氮和有效磷含量非常低，透气保水能力差，土壤微生物种类和数量较少，群落结构相对简单，微生态环境容易失衡。若不经改良直接用于空中庭院的苗木栽培，则绿植存活低、生长缓慢、容易烂根死苗，特别是空中庭院造景需要移栽一定数量的小灌木或小乔木，其树形大，成本高，带土移栽，后期补种涉及上楼困难，严重浪费大量人力物力财力。目前，针对新垦土壤的改良方法有增施有机肥[5]、秸秆覆盖还田[6]、种植绿肥并接种有益微生物[7]、有机肥与生物质炭再组合调理剂[8]等，主要利用有机物质和调理剂对新垦土壤进行有效改良，调节土壤酸度，提高土壤水稳性团聚体和有效养分含量，快速提升土壤的有机碳水平，加速新垦地贫瘠土壤的培肥效果。同时存在调理剂成本高、秸秆收集转运覆盖用工多、绿植种植时间长等问题[6-8]，需要选择一些优质、高效、低成本和环境友好型的原料对新垦的基坑土进行改良，还要兼顾保水保肥、改善土壤理化性质等功能，才能更加适合空中庭院的绿植生长。蚯蚓类（蚓粪） 是蚯蚓通过采食有机废弃物，经过其肠道与微生物协同作用进行生物分解和转化的产物[9]。蚓粪质地均一疏松，营养丰富，富含有机质、腐殖酸、氮磷钾和多种中微量元素，具有良好的孔隙性、通气性和排水性等特点[10]，是集植物营养、生长调节剂和有益微生物融为一体的优质高效有机肥料和土壤改良剂[11]，可以有效改善土壤环境、促进植物生长、抑制土壤病害的发生[12]。袁中友[13]利用低量蚓粪修复改善高速公路损毁土壤的理化和微生物学性状，快速提高土壤综合质量，促进作物生长。杨宁等[14]研究发现蚓粪与根际促生菌配施对城市绿地的土壤改良具有好的应用效果。因此，利用蚓粪对空中庭院的基坑土壤进行改良是可行，通过互配研发出适合改良庭院土壤的栽培基质[15]，以满足空中庭院绿植栽培生长的土壤营养需求，促进绿植高效栽培。
本研究利用蚓粪、腐熟蘑菇渣、椰糠、腐熟牛粪等原料进行互配的蚓粪栽培基质对空中庭院采用的基坑土进行改良，研究其对基坑土的理化性质、微生物菌群以及盆栽红叶石楠存活率和生长的影响，并分析红叶石楠的生长情况与基坑土理化性质指标的相关性，旨在明确蚓粪栽培基质改良基坑土对红叶石楠存活率和生长影响的关键因素，为进一步对空中庭院栽培用土的改良提供理论依据和技术参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验所用红叶石楠苗木购买于湖南省农业科学院花卉中心，为扦插一年的裸根苗，株高在 30 cm 左右，种植前喷洒清水防止苗木缺水干枯并摘掉部分叶片。基坑土采自长沙市长沙县某房地产项目地下 2.5 m 深红壤。蚓粪栽培基质是课题组以湖南省某蚯蚓养殖有限公司的蚓粪为主要原料配制的栽培基质，其中蚓粪按照体积占比为 35%，配比腐熟蘑菇渣 20%、腐熟牛粪 15%、椰糠 15%、生物炭 8%、珍珠岩 5%、钙镁磷肥 2% 等原料制备而成。商品基质来自湖南某农业技术开发有限公司，主要以草炭、椰糠、珍珠岩等原料互制而成。基坑土壤、蚓粪栽培基质和草炭商品基质的基本理化性质见表1。
表1原料的基本理化性质
1.2 试验设计
试验在湖南省农业环境生态研究所的露台上进行（模拟空中庭院的生态环境），红叶石楠于 2021 年 11 月 23 日种植，于 2022 年 6 月 26 日结束。采用盆栽试验，设 6 个处理：CK1，全基坑土；CK2，商品基质和基坑土 1∶1（按照体积比，下同；此配比为恒凯环保公司利用商品基质为湖南福天置业有限公司开发第四代建筑的空中庭院改土方案，基质用量大、成本高，需要进一步优化配比减少基质用量以节约投入成本或者改良基质达到更优栽培效果）；T1，商品基质和基坑土 1∶3；T2，商品基质和基坑土 1∶5；T3，蚓粪基质和基坑土 1∶3； T4，蚓粪基质和基坑土 1∶5。首先将 45% 的复合肥（即 N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）与各个处理混合均匀后装盆，复合肥添加量为 0.5%（重量比），盆子的内尺寸上底直径、下底直径和高分别为 25、 15 和 17 cm，装土高度为 16 cm；然后栽种红叶石楠裸根苗，每盆 3 株，每处理种植 15 盆，每 5 盆为 1 组，共计 18 组 90 盆。然后随机放置露台上，露台朝西，地面为水泥板，南北两侧 20 m 距离都有高楼，每天的光照时间约 3 h，日常管理主要是浇水。
1.3 测定项目和方法
春季待红叶石楠发芽抽新梢后（2022 年 3 月 20 日），统计存活株数，并计算存活率：存活率 = 存活株数 / 栽种株数 ×100%。
2022 年 3 月 28 日采用环刀法测定土壤容重等指标（参考 NY/T1121.1—2006），同时测定含水率、总孔隙度，含水率（%）=（W2-W4）/（W2-W1） ×100，总孔隙度（%）=（W3-W4）/V×100。其中 V 为环刀的容器，其重量为 W1，环刀取土加盖子后称重量为 W2，然后将装有土壤的环刀放在水中浸泡一昼夜充分吸水后，再称重量为 W3，最后吸收水的环刀土壤在 65℃烘干至恒重为 W4，注意加水浸泡时要缓慢加水让水位高于环刀上盖，取出充分吸水的环刀土壤时要沥掉下盖多余的水。
剔除表层土壤，取土深 5~10 cm，分成 2 份，一份经自然风干后测定土壤的理化性质相关指标[16]：pH 按照土水比为 1∶5 利用 PHS-3C 型 pH 计进行测定，土壤有机质采用硫酸-重铬酸钾氧化法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；一份利用平板梯度稀释法测定细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）、真菌（马丁氏培养基）、放线菌（改良高氏培养基）和解磷菌（蒙金娜无机磷培养基）[17-18]，并随机选取植株测定从新梢长的展开叶数起的第 5 片 SPAD 值、株高、最长新梢长。
1.4 数据统计分析
采用 WPS 2020 对试验数据进行记录、整理和制图，采用 SPSS 18.0 对数据进行相关的统计分析，利用最小显著差异法进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 蚓粪栽培基质对红叶石楠存活率的影响
由图1可以看出，T3 的红叶石楠存活率最高，为 76.19%，其次是 T1，为 71.43%，CK1 最低，为3 8.1%，T3 的红叶石楠成活率与 T1 相差不显著，但是显著高于其他处理，其中 T3 的红叶石楠成活比 T1 提高了 6.66%，比 CK1 提高了 1 倍。结果表明蚓粪栽培基质与基坑土适宜的配比有利于提高裸根红叶石楠苗木的成活率，以蚓粪栽培基质与基坑土 1∶3 的配比对裸根红叶石楠蚓粪的成活率最好。
图1蚓粪栽培基质对红叶石楠成活率的影响
注：图柱上的不同小写字母表示在 0.05 水平上差异显著。
2.2 蚓粪栽培基质对红叶石楠生长的影响
由表2可知，红叶石楠株高、新梢长、叶片数和 SPAD 值都以 T3 为最好，T3 的株高和新梢长显著高于其他处理，其叶片数、SPAD 值与 CK2 和 T1 的相差不显著。株高、新梢长、叶片数和 SPAD 值都以 CK1 为最低，其新梢长、叶片数都显著低于其他处理。T3 的株高、新梢长、叶片数和 SPAD 值比 CK1 分别提高了 24.7%、2.07 倍、87.3% 和 24.88%。结果表明蚓粪栽培基质与基坑土 1∶3 的配比最有利促进红叶石楠的生长。
表2蚓粪栽培基质对红叶石楠生长的影响
注：表中同列数据后不同小写字母表示在 0.05 水平上差异显著。下同。
2.3 蚓粪栽培基质对基坑土微生物数量的影响
由表3可知，土壤的细菌数量、放线菌数量和微生物总量都以 T3 为最多，其次都是 CK2，最少的都是 CK1，其中 T3 的细菌数量、放线菌数量和微生物总量都显著高于其他处理，分别比 CK1 增加了 2.84、2.05、2.79 倍。真菌数量以 CK2 为最多，其次是 T3，最少的是 CK1，其中 CK2 与 T1、T3 的真菌数量相差不显著，但是都显著高于 CK、T2，T3 的真菌数量比 CK2 减少了 6.55%。解磷菌数量以 T3 为最多，其次是 T4，最少的都是 CK1，其中 T3 和 T4 的解磷菌数量相差显著，但是都显著高于其他处理， T3 的解磷菌数量比 CK1 增加了 10.56 倍，比 CK2 增加了 227.56%，说明添加蚓粪有利于增加基坑土中的解磷菌数量，并且解磷菌数量跟蚓粪的添加量有关，解磷菌的丰富可以有效活化土壤中固定态磷素。因此，蚓粪栽培基质与基坑土 1∶3 的配比有利于增加土壤中的微生物总量，尤其是解磷菌数量。
表3蚓粪栽培基质对土壤微生物数量的影响
2.4 蚓粪栽培基质对基坑土理化性质的影响
由表4可知，土壤的含水量、总孔隙度、pH、有机质和碱解氮都以 CK2 为最大，这些指标比都是最小的 CK1 分别提高了 9.07%、24.6%、18.7%、8.53 倍、6.45 倍，并且 CK2 的总孔隙度、有机质和碱解氮都显著高于其他处理。土壤的容重以 CK1 为最大，其次是 T4，最小的为 CK2，其中 CK1 的土壤容重显著高于其他处理。有效磷和速效钾都以 T3 为最大，其次都是 T4，最小的为 CK1，其中 T3 的土壤有效磷和速效钾显著高于其他处理。其中 T3 的有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量比 CK1 分别增加了 5.84、 4.52、11.58、2.66 倍，有效改善了基坑土的理化性质。以上说明基坑土配比基质有利于提高土壤的有机质，调节了土壤 pH，增加了土壤的总孔隙度、含水量，降低了土壤的容重，尤其是添加蚓粪栽培基质可以显著提高土壤中的有效磷和速效钾含量。
表4蚓粪栽培基质对土壤理化性质的影响
2.5 红叶石楠的生长情况与基坑土理化性质指标的相关性分析
由表5可知，土壤的有机质含量与微生物总量、含水量、总孔隙度、pH、碱解氮呈极显著正相关 （P<0.01），与速效钾含量呈显著正相关（P<0.05），相关系数分别为 0.742、0.850、0.908、0.882、0.974 和 0.476，与土壤容重呈极显著负相关（P<0.01），相关系数 r 为-0.906；微生物总量与总孔隙度、 pH、有机质、碱解氮、速效钾含量呈极显著正相关（P<0.01），与含水量、有效磷呈显著正相关 （P<0.05），相关系数分别为 0.602、0.901、0.742、 0.825、0.724、0.581、0.584，与土壤容重呈极显著负相关（P<0.01），相关系数为-0.633；红叶石楠的株高与微生物总量、pH 和速效钾含量呈极显著正相关（P<0.01），与碱解氮、有效磷含量呈显著正相关（P<0.05），相关系数分别为 0.868、0.703、 0.613、0.543、0.528，与土壤容重呈负相关。结果表明，在基坑土与栽培基质配比可以有效增加土壤的有机质含量，提高土壤的微生物总量、含水量、总孔隙度，调节土壤 pH，降低土壤容重，进而有利于土壤的养分循环，促进红叶石楠的生长。
表5红叶石楠的生长情况与基坑土理化性质指标的相关性分析
注：* 表示相关性显著（P<0.05），** 表示相关性极显著（P<0.01）。
3 讨论
红叶石楠（Photinia fraseri Dress）是蔷薇科 （Rosaceae）石楠属（Photinia）的杂交树种，为常绿灌木或小乔木，因其具有鲜红的新梢和嫩叶而得名，是城市园林绿化的优选苗木，被誉为“红叶绿篱之王”[19]。红叶石楠对土质的要求不高，耐瘠薄性较强，选择其进行模拟空中庭院环境的栽培生长差异，更能了解不同类型的栽培基质对基坑土的改良效果。
空中庭院利用的栽培土壤是以基坑土为主，一般为深层土壤，十分贫瘠，表现为容重大，有机质严重缺乏，含量仅为 3.08 g/kg，碱解氮和有效磷含量非常低，有效磷含量仅为 0.36 g/kg，透气保水能力差，需要进行土壤改良才能够有利于庭院苗木的生长，目的是提高基坑土壤的有机质、碱解氮和有效磷的含量，降低容重，增加通气性，增强土壤有益微生物的数量和活性。恒凯环保公司进行第四代建筑空中庭院的改土方案采用以草炭为主要原料的商品基质，按照基质和基坑土壤的配比为 1∶1 进行改土，可以较好地提高土壤有机质的含量，但是基质用量大，成本高，并且还存在死苗较多的问题，后期换树补苗工作量大，主要原因可能是基坑土本身有效养分缺乏，商品基质的高配比虽然有利于改良基坑土的有机质和营养物质，移栽促进红叶石楠的生长，但是基坑土微生态环境较弱，很难有效转化土壤中被固定的养分，幼苗后期生长不旺。商品基质的高配比为土壤微生物生长繁殖提供营养物质和适宜的生态环境[20]，增强相关土壤微生物多样性和活性[21]，也会消耗土壤中的氧气和营养物质[22]，影响苗木的根系生长，尤其是土壤真菌的数量增多，会引起根部病害严重，造成苗木死亡。商品基质中添加的草炭原料是不可再生资源，储量有限，部分地区草炭资源过度开采引起环境破坏严重、生态系统退化等问题[23]。因此，我国部分地区限制或禁止采集草炭以保护生态环境，部分企业生产基质时寻求草炭改土的替代品，部分企业从国外进口草炭生产商品基质，其售价相比较高，大量使用会增加改土成本。从生态效益和经济效益的角度，减少草炭开采使用或寻找其替代品都是十分必要的。
蚓粪是配制育苗基质和无土栽培基质非常好的原材料，利用蚯蚓转化农业废弃物产生蚓粪互配基质成为了研究热点[24]。蚓粪栽培基质是蚓粪为主要原料，互配腐熟蘑菇渣、椰糠、腐熟牛粪、生物炭、珍珠岩等原料制备而成，可以减少泥炭的用量，节约基质的生产成本。蚓粪替代草炭明显增加了栽培基质的容重、pH、速效钾和有效磷含量，明显降低了栽培基质的总孔隙度和有机碳含量[25]。胡蒙爱等[26]研究表明蚓粪替代草炭作为黄瓜的栽培基质，促进黄瓜生长和可溶性固形物含量增加，蚓粪栽培基质是一种优质的栽培基质。本研究蚓粪栽培基质与基坑土 1∶3 的红叶石楠存活率最好，并与草炭商品基质相差不显著，说明蚓粪栽培对基坑土的改良效果是最好的，并且可以替代泥炭商品基质，能够更好促进红叶石楠的生长，主要是蚓粪栽培基质合适配比降低了土壤容重，增加了土壤总孔隙度，优化土壤的通气性能，调节了土壤 pH，尤其是提高了土壤的微生物总量和活性，进而有利于土壤的养分循环和分解释放[27]，促进红叶石楠苗木的养分吸收和生长。虽然蚓粪栽培基质改善基坑土有利于裸根红叶石楠的存活，但是其存活率并不高，仅 76.19%，考虑裸根红叶石楠在运输和施工条件下可能会存在损伤和缺水等因素的影响而导致存活率降低，因此，在空中庭院的施工过程中采用容器苗更有利于苗木的存活和生长。
蚓粪可以用作贫瘠土壤快速培肥改良剂，富含细菌、真菌和放线菌等大量微生物和氨基酸、多糖、维生素等大量生物活性物质[28]，施入土壤改善土壤微生物区系，显著增加细菌群落丰富度及多样性[29]，微生物群落丰富度和多样性的增加对土壤物质转化、养分循环和能量传递起着非常关键的作用，有利于维持土壤肥力[30-31]。尤其是增加解磷菌数量，同时蚓粪的施入还能提高土壤中的脱氢酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶和脲酶等一些重要土壤酶的活性[32-33]，促进养分循环，提高土壤肥力，并且蚓粪中含有的赤霉素、生长素、细胞分裂素等植物激素[34]，可加速营养物质的转化和吸收利用，有效促进红叶石楠的生长。随着红叶石楠种植面积的增加，其病害问题日益严重[35-36]，蚓粪中含有的拮抗微生物、多种氨基酸、腐殖酸类等活性物质促进空中庭院绿植生长，增强绿植的抗病抗逆能力，在一定程度上还能够有效抑制病原菌的生长繁殖，降低红叶石楠苗木栽培过程中的土传病害发生率[28]。蚓粪栽培基质在提升空中庭院栽培用土-基坑土的有机质含量，增加总孔隙度，尤其是利用蚓粪中含有的微生物活化土壤的有效磷、速效钾等方面具有显著的作用效果，提高了红叶石楠的存活率，促进其生长。土壤改良是一个长期的过程，特别是基坑土这种深层土壤的理化性质优化和微生物群落结构稳定构建更需要漫长的时间，持续监测蚓粪栽培基质对空中庭院基坑土的微生物群落结构作用效果和补施培肥方案等方面的研究具有重要的现实意义。
4 结论
基坑土配比基质可以有效增加土壤的有机质，提高土壤的含水量、总孔隙度和微生物总量，调节土壤 pH，降低土壤容重，起到改良基坑土壤的作用。其中以蚓粪栽培基质与基坑土 1∶3 配比对基坑土的改良效果最好，显著提高了土壤的有效磷、速效钾含量，并显著增加细菌、放线菌数量和微生物总量，尤其是解磷菌数量，促进土壤养分循环利用，其红叶石楠的成活率和生长都优于草炭商品基质与基坑土互配，其对裸根红叶石楠的成活率为 76.19%，比草炭商品基质与基坑土 1∶3 的最优配比对红叶石楠成活提高了 6.66%。因此，蚓粪栽培基质可以替代草炭商品基质用于改良空中庭院的土壤理化性质，促进空中庭院的绿植生长，减少草炭资源的开发利用。