不同綠化植物對城市土壤腐殖質特征的影響

王麗潔，馮 鈺，周雯星，張曉曦,2

(1.延安大學生命科學學院，陜西 延安716000；2.延安大學陜西省紅棗重點實驗室，陜西 延安716000)

土壤腐殖質占土壤有機質總質量的50%～75%，其膠結能力和化學反應活性使其在改善土壤結構、維持土壤供肥和保肥能力、增加土壤對環境變化和各種污染的緩沖能力等方面均發揮重要作用[1-2]。此外，土壤腐殖質可促進植物根系的吸收作用和葉片的光合作用，因此，它對增加植物生產力也具有重要意義[3]。因此，增加土壤腐殖質含量并促進其形成良好的結構，對改善和維持土壤生態功能，特別是在城市環境中土壤經常受擾動、表土損失嚴重的情況下尤為重要。

研究表明，除通過混施無機-有機肥料或者添加有機殘體補充土壤腐殖質外[4-5]，通過栽植植物也可以利用其凋落物和根系分泌物等的微生物轉化形成和積累腐殖質[2,6]。然而，受到不同植物自身生物學特性差異的影響，其歸還土壤的有機質的數量和類型，以及其對生長區域微生物種類和群落結構的影響存在明顯不同，對土壤酸堿性和養分狀況的影響也有顯著差異[7]。植物自身的生物學特性差異直接影響了土壤腐殖質的物質來源和轉化過程，不同植物長期栽植后，土壤腐殖質經常發生含量和結構上的明顯分異[6]，影響綠化植物改良城市土壤的實際效果。更重要的是，對于園林綠化植物而言，其栽植管理方式(路面硬化、修剪和清掃工作等)在一定程度上控制了有機殘體的產生量和形式(凋落物量及其葉、根和枝條占比)，以及凋落物實際歸還土壤的比例。特定植物在其常用的綠化應用形式(栽植和管理方式)下，將造成土壤腐殖質性質的何種分異、其潛在機制為何？上述問題尚少研究。鑒于此，選擇我國北方地區栽植較為廣泛的25種綠化植物(均以其主要的綠化應用形式為代表)，以其栽植區土壤為研究對象，研究土壤腐殖質含量、結構特征的差異以及腐殖質特性與土壤化學和生物學性質的關系，以期明確25種綠化植物在具體綠化應用方式下，其生長區域土壤腐殖質特征并分析其形成原因。研究結果可為選擇栽培適宜的綠化植物，改善城市土壤的腐殖質含量及其品質提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區限制在延安大學楊家嶺校區北區(36°37′42″N，109°27′22″E，總面積約0.21 km2)內，以避免研究區域過大導致土壤初始性狀差異過大。該地所處的延安市寶塔區位于黃土高原丘陵溝壑區，海拔860～1 525 m;屬大陸性季風氣候，平均年日照時間2 418 h，年平均降水量550 mm，且多集中于夏季，年平均溫度9.7 ℃，無霜期約152 d。土壤類型為黃綿土，裸地有機質含量8.74 g·kg-1，堿解氮含量4.98 mg·kg-1，有效磷含量3.66 mg·kg-1，速效鉀含量106.93 mg·kg-1，pH值7.68。

1.2 土壤樣品采集

土壤采樣選用的地塊均經過調查篩選，篩選標準為：具有相似的綠化年限、光照和灌溉條件，中途未經過植物種添加或替換，在栽植管理過程中未進行客土置換、施肥處理或其他可能顯著影響土壤背景的操作，木本植物生長區域的草本植物相對稀疏或不存在，廣場、道路之間的人流量和車流量近似。所有樣品均獲取3個重復，但由于綠化植物相對固定的應用形式，不同生長區土壤重復樣品的獲取方式有所差異(圖1)。其中，同種樹種叢植、綠籬或草坪區域均在校內隨機選擇3個地塊，每個地塊獲取1個土樣作為重復；行道樹樹種選擇3條道路，每條道路獲取1個土樣作為重復；孤散植樹種隨機選擇3個樹池，每個樹池獲取1個土樣作為重復。在每個地塊內隨機設置3個1 m×1 m的小樣方，取3個小樣方內土樣的等比例混合物作為第一類植物的土樣；在每條道路旁隨機選擇3個樹池內土樣的等比例混合物作為行道樹植物的土樣。在樣方或樹池內采樣時，均采用5點采樣法收集其0～20 cm土層土壤，充分混合并過1 mm篩，去除植物根系等雜物。

供試植物共25種，分別為國槐(SophorajaponicaL., Sj)、旱柳(SalixmatsudanaKoidz., Sm)、桑樹(MorusalbaL., Ma)、銀杏(GinkgobilobaL., Gb)、核桃(JuglansregiaL., Jr)、龍爪槐(Sophorajaponicavar.pendulaLoud., Sjp)、桃樹[Amygdalusdavidiana(Carr.) C. de Vos, Ad]、紫葉李[PrunuscerasiferaEhrhart f.atropurpurea(Jacq.) Rehd., Pc]、榆樹(UlmuspumilaL., Up)、丁香(SyringaoblateLindl., So)、云杉(PiceaasperataMast., Pa)、油松(PinustabulaeformisCarr., Pt)、樟子松(PinussylvestrisL. var.mongolicaLitv, Ps)、側柏[Platycladusorientalis(L.) Franco, Jo]、刺柏(JuniperusformosanaHayata, Jf)、榆葉梅[Amygdalustriloba(Lindl.) Ricker, At]、小葉黃楊[Buxussinica(Rehd. et Wils.) Cheng, Bs]、紫葉小檗(Berberisthunbergiivar.atropurpureaChenault, Bt)、木槿(HibiscussyriacusL., Hs)、月季(RosachinensisJacq., Rc)、連翹[Forsythiasuspense(Thunb.) Vahl, Fs]、金銀木[Loniceramaackii(Rupr.) Maxim., Lm]、紫花地丁(ViolaphilippicaCav., Vp)、酢漿草(OxaliscorniculataL., Oc)、沿階草(OphiopogonbodinieriLevl., Ob)，栽植利用形式、日常管護狀態如表1所示。

(a)行道樹Border tree(b)叢植Group planting(c)孤散植Solitary planting(d)草坪Lawn

表1 供試植物及其周邊情況

1.3 指標測定

待測土樣懸濁液經70 ℃恒溫振蕩水浴1 h后離心、過濾。離心后的沉淀中加1.0 mol·L-1氫氧化鈉和0.1 mol·L-1焦磷酸鈉混合堿液，經前述相同步驟處理，上清液為可提取的土壤腐殖質，殘渣洗凈、低溫烘干后過0.25 mm篩，得到胡敏素(humin，HM)。堿提取液用硫酸調節pH值為1.0～1.5，靜置過夜后過濾、定容，獲得富里酸(fulvic acid，FA)溶液。濾渣用0.025 mol·L-1硫酸洗滌后，經0.05 mol·L-1氫氧化鈉溶解定容，獲得胡敏酸(humic acid，HA)溶液。使用重鉻酸鉀容量法結合腐殖質組分間的差減關系測定胡敏素碳、富里酸碳和胡敏酸碳含量[8]。

采用氯化鉀浸提-靛酚藍比色法測定土壤銨態氮含量，氯化鉀浸提-紫外分光光度計測定硝態氮含量，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷含量，乙酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量[8]。采用玻璃電極法(m水∶m土=2.5∶1)測定土壤pH值[8]。分別采用靛酚藍比色法、3,5-二硝基水楊酸比色法和磷酸苯二鈉比色法測定土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性，結果以每克干土每小時催化產生的氨基氮、葡萄糖和酚的量表示。采用高錳酸鉀滴定法測定鮮土的過氧化氫酶活性，結果以克干土(經鮮土含水率換算)每小時催化分解后殘留的過氧化氫還原0.01 mol·L-1高錳酸鉀溶液的體積表示[9]。

1.4 數據處理

基于腐殖質各組分含量的測定結果計算腐殖化程度(humification degree，HD，即胡敏酸碳與腐殖質碳的質量比值)、胡富比(ratio of humic acid to fulvic acid，HA/FA，即胡敏酸碳與富里酸碳的質量比值)、胡敏酸碳與腐殖酸碳的質量比值(PQ值)，用以反映腐殖質的結構特征。

采用Microsoft Excel 2019軟件對數據進行基本計算，采用DPS 18.0軟件對不同處理下的土壤指標做單因素方差分析，多重比較采用最小顯著差法，置信度為95%。采用SPSS 23.0軟件對土壤腐殖質性質以及其他土壤化學和生物學性質分別做主成分分析，采用R 3.6.3軟件對腐殖質指標及其他土壤生物學和化學指標做Pearson相關性分析。繪圖采用Microsoft Excel 2019和R 3.6.3軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同植物生長區土壤的腐殖質組分含量與結構特征

不同植物生長區土壤的腐殖質及其組分含量分別如圖2和圖3所示。25種植物生長區土壤的腐殖質含量介于8.48～23.75 g·kg-1之間，其中闊葉喬木和針葉灌木生長區土壤的腐殖質含量普遍顯著高于其他類型植物，表明植物生長顯著影響了土壤腐殖質的積累量，且這種影響在一定程度上受到植物生長型的控制。較之土壤總腐殖質含量，不同植物生長區土壤的3種土壤腐殖質組分的含量及相應的組成結構特征存在更為普遍的顯著差異，其中富里酸碳含量呈現草本≈闊葉灌木>闊葉喬木≈針葉灌木>針葉喬木的趨勢，胡敏酸碳含量呈現針葉灌木>闊葉喬木>針葉喬木>草本≈闊葉灌木的趨勢，胡敏素碳含量則呈現其他類別>針葉喬木的趨勢。上述結果表明，不同植物生長型對促進腐殖質不同組分的積累存在一定“偏好”，且其對腐殖質組成的影響強于其對腐殖質積累量的影響。

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note: different letters indicate significant differences among soil samples(P<0.05).

注：同色柱體內部不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note: different letters in the bars with the same colour indicate significant differences among soil samples(P<0.05).

不同植物生長區土壤腐殖質的結構特征如圖4所示，25種植物生長區土壤的HD、HA/FA和PQ值并未表現出顯著的大小規律。

注：同色柱體上方不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note: different letters above the bars with the same colour indicate significant differences among soil samples(P<0.05).

為綜合評價25種植物生長區土壤的腐殖質性質，采用主成分分析法對供試土壤腐殖質含量和結構特征指標進行分析，結果如圖5所示，第一主成分(PC1軸，反映HD、HA/FA和PQ值，均為正荷載；FA含量為負荷載)和第二主成分(PC2軸，反映總腐殖質、特別是其中HA和HM的含量，均為正荷載)共解釋了總變異的84%。據此分析，旱柳和刺柏生長區土壤除FA外的腐殖質含量以及月季生長區土壤的腐殖質組成結構明顯優于其他土壤；龍爪槐和金銀木生長區土壤的FA含量明顯優于其他土壤，但腐殖質結構總體偏差；榆樹和丁香生長區土壤的腐殖質含量和結構均偏差。因此，上述7種植物生長區土壤的的腐殖質含量和結構特征明顯區別于腐殖質性質相對類似的其他土壤。

圖5 不同植物生長區土壤腐殖質性質主成分分析

2.2 不同植物生長區土壤的化學性質和酶活性

不同植物生長區土壤的化學性質和4種酶的活性分別如表2和表3所示。25種植物生長區土壤的速效養分含量、pH值和酶活性同樣存在一定差異，但其中多數土樣的銨態氮和有效磷含量、pH值以及4種酶(蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶)活性差異未達到顯著水平。植物生長對土壤化學性質和酶活性的影響較為復雜，不存在顯著規律性變化。大體而言，旱柳和金銀木生長區土壤的銨態氮、有效磷和速效鉀含量以及蔗糖酶活性總體較高，刺柏、木槿和側柏生長區土壤的硝態氮、有效磷和速效鉀含量以及蔗糖酶和脲酶活性總體較高而pH值偏低，月季、沿階草和酢漿草生長區域的土壤養分含量和蔗糖酶活性總體偏低。

表2 不同植物生長區土壤的化學性質

表3 不同植物生長區土壤酶活性

2.3 不同植物生長區的土壤生化性質與腐殖質特征的關系

將不同植物生長區的土壤化學性質和酶活性與腐殖質特征的相關性進行分析，結果如圖6所示。土壤總腐殖質碳含量(total content of humus carbon, HSC)和胡敏素碳含量(content of humin carbon, HMC)均與銨態氮(NH4-N)含量、有效磷(available phosphorus, AP)含量、有效鉀(available potassium, AK)含量、蔗糖酶活性(sucrase activity, SUCA)以及過氧化氫酶活性(catalase activity, CATA)呈現顯著的正相關關系(P<0.05)，與pH值呈現顯著的負相關關系。此外，HMC與硝態氮含量(NO3-N)也呈現顯著的正相關關系，富里酸碳含量(content of fulvic acid carbon, FAC)與AP含量呈現顯著的正相關關系、與pH值呈現顯著的負相關關系。HD與NH4-N含量、AP含量、AK含量和SUCA呈現顯著的負相關關系。胡敏酸碳含量(content of humic acid carbon, HAC)、HA/FA以及PQ與土壤的其它生化性質無顯著的相關性(P>0.05)。

上述結果表明，可以通過補充速效養分、調節相關酶活性和土壤酸堿度，促進腐殖質及其組分積累，但同時可能導致土壤腐殖質品質有所降低。

注：扇形面積和顏色代表相關系數數值，僅顯示通過顯著性檢驗的相關系數(P<0.05)。NO3-N為硝態氮含量、NH4-N為銨態氮含量、AP為有效磷含量、AK為有效鉀含量，SUCA為蔗糖酶活性、UREA為脲酶活性、APA為堿性磷酸酶活性、CATA為過氧化氫酶活性，HSC為總腐殖質碳含量、FAC為富里酸碳含量、HAC為胡敏酸碳含量、HMC為胡敏素碳含量、HAcC為腐殖酸碳含量、HD為胡敏酸碳與腐殖質碳的質量比、HA/FA為胡敏酸碳/富里酸碳的質量比、PQ為胡敏酸碳與腐殖酸碳的質量比。Note: the area and color of the fans indicate the values of correlation coefficient. NO3-N is content of nitrate nitrogen, NH4-N is content of ammonium nitrogen, AP is content of available phosphorus, AK is content of Available potassium, SUCA is sucrase activity, UREA is urease activity, APA is alkaline phosphatase activity, CATA is catalase activity, HSC is total content of humus carbon, FAC is content of fulvic acid carbon, HAC is content of humic acid carbon, HMC is content of humin carbon, HAcC is total content of humic acid carbon, HD is ratio of humic acid carbon to humus carbon, HA/FA is ratio of HAC to FAC, PQ is ratio of HAC to HAcC.

3 討論與結論

3.1 不同植物生長區的腐殖質積累及組成結構差異

不同植物長期生長區土壤的腐殖質含量差異明顯(圖2和圖3)，這與前人的研究結果相似[10-12]。大體而言，其總腐殖質含量呈現一定的闊葉喬木≈針葉灌木>闊葉灌木>草本≈針葉喬木生長區的趨勢，這一趨勢在很大程度上是由不同類型植物在其特定的應用形式下，能夠歸還土壤的有機殘體的數量和特性差異共同決定的[13-14]。就有機殘體數量而言，部分闊葉喬木自身生物量較大，或生物量相對較小、但生長區距離硬化路面相對較遠，能夠保留部分凋落物。因此，前者可以通過大量的根系凋落物的分解轉化提高土壤腐殖質含量，而后者除根系外，還可以通過較多的地上凋落物形成腐殖質。針葉灌木用于構建綠籬，其樹體下方枯死部分和定期修剪產生的細碎殘體少被清理，從而可為土壤提供更多木質殘體。而對于闊葉灌木、草本植物(生物量最低)和針葉喬木(孤植，絕大部分凋落物被清理，且生長緩慢生物量低)，較闊葉喬木和針葉灌木均存在生物量低(如腐殖質含量最低的云杉、榆葉梅、酢漿草和沿階草)或地上凋落物基本無法歸還土壤的現象，因此其腐殖質積累量均偏低。同時，凋落物的化學組成也被認為對腐殖質的積累具有顯著影響[6,13]。闊葉喬木的根凋落物，針葉灌木(如刺柏)的根凋落物、針葉和枝條均含有較多的木質素成分[15]，有利于腐殖質積累[16]。闊葉樹種和草本植物的地上、地下部分凋落物通常含有更多的可溶性碳、較高的氮磷養分，導致其更傾向于快速、徹底的分解，使其在凋落物保留較多的條件下反而無法積累更多的腐殖質[6]。

此外，上述規律并非絕對普遍，例如桃樹和榆葉梅生長區土壤的腐殖質含量較低，而油松生長區土壤則相反。這表明除可歸還有機殘體的數量和質量外，其他因素同樣在相當程度上影響了土壤腐殖質的積累。首先，凋落物中的錳和鎂等其他元素，可通過影響凋落物的分解速率而影響腐殖質的形成和積累[13]。因此，凋落物的某些特殊化學特征可能使其腐殖質積累偏離前述趨勢。其次，各種植物根系影響范圍內的微生物類群對有機殘體的利用傾向差異，如徹底分解或僅初步代謝并產生腐殖質的前體物質[17-18]，也可能是導致腐殖質含量分異的原因之一。

除腐殖質含量外，不同植物生長區土壤的腐殖質組成結構也差異明顯，這與叢高等[19]的研究結果一致。其原因可能是，有機殘體的化學性質差異導致其轉化成的腐殖質組分不同，如闊葉樹種和草本植物的凋落物通常含有較高的可溶性組分，因此更傾向于形成FA[20]，而針葉灌木和闊葉喬木相對較高的有機殘體輸入量及其更高的木質化程度[21]，則更有利于HA的積累。此外，不同植物生長區的微生物對HA和FA形成的偏好也對腐殖質品質的分化具有關鍵作用[22]。

需要特別指出的是，不同植物特殊的形態特征基本上已經決定了其在城市綠化工作中的主要應用形式，亦即同時控制了其周邊地面硬化和人為干擾情況。因此，本研究在獲取土樣時，選擇采集各種植物實際影響范圍內的土壤，檢測每種植物在其常用綠化應用形式下對土壤腐殖質的影響，將與植物應用形式相應的干擾因素視為城市背景下植物的一種“附帶屬性”進行討論，而非單純討論植物自身生物學性狀的作用，這使得本研究的結果在城市條件下更具有參考價值。

3.2 不同植物生長區土壤的生化性質差異及其與腐殖質性質的關系

不同植物長期生長后土壤的生化性質往往出現明顯分異[6]，其原因與物種對養分的吸收和歸還特性、根系分泌物的特異性和凋落物對周邊微生物組成結構的影響有關[23]。本研究中也發現了類似的現象，但不同類型植物生長區的土壤間的差異并無明顯規律，且其分異程度(特別是土壤酶)較之腐殖質含量差異相對不明顯，可能是土壤的生化性質受到土壤本底和氣候條件控制的程度更高。與前人研究結果相似[6,13]，土壤生化性質與腐殖質含量及結構存在密切關系。其原因可能是較高的土壤養分含量為微生物提供了生長和生命活動所必須的氮源和磷源，從而促進了其對有機殘體的分解、轉化和再合成，提高了腐殖質含量[6]。同時，腐殖質含量與SUCA和CATA也存在顯著的正相關關系，其原因可能是前者的催化產物參與了腐殖質的合成[18]。對于后者，可能是CAT的高活性降低了環境中的H2O2濃度，從而維持木質素降解酶系的活性[24]，為腐殖質的合成提供更多的前體物質。與養分含量和酶活性相反，土壤pH值與腐殖質含量呈顯著的負相關關系。榆樹(pH值=9.28)、榆葉梅(pH值=8.65)、紫葉李(pH值=8.57)和月季(pH值=8.54)長期生長區的土壤較強的堿性，可能是抑制其生長區土壤腐殖質積累的原因之一[25]。另外，與前人研究結果一致，土壤其他生化性質對腐殖質組成結構也存在顯著影響[12]。例如本研究中，NH4-N、AP、AK含量以及SUCA對HAC的影響并不顯著，而能有效地提高HSC(主要是HMC)，從而導致HD明顯下降。當然，鑒于養分含量和酶活性與HA和FAC相關性不顯著，而樣品間HA和FA相關結構指標顯著不同的現象，植物源腐殖質前體物質以及植物生長區間微生物的差異應是導致其組成結構差異的最主要原因。

3.3 結論

25種綠化植物生長區土壤中，旱柳和刺柏生長區土壤具有較高的總腐殖質含量，且各組分含量均相對較高；月季生長區土壤的腐殖質品質較高。在滿足實際綠化工作需求的基礎上，可考慮優先配置旱柳、刺柏和月季，以提高城市土壤腐殖質含量或改善其品質。土壤總腐殖質(特別是胡敏素)含量與NH4-N、AP和AK含量以及SUCA和CATA活性呈顯著的正相關關系，與pH值呈顯著的負相關關系。HD則與NH4-N、AP、AK含量和SUCA呈顯著的負相關關系。在城市綠地管護過程中，可以通過適當施肥和調節土壤酸堿度等方式影響腐殖質形成與轉化，改善不同園林植物生長區的土壤性狀。