园林废弃物基栽培基质的配方筛选及综合评价

• 花匠小妙招
• 2024-11-01 08:46

近年来，随着我国城市绿化覆盖率的不断提高，每年均会产生大量的园林废弃物(主要为剪枝、枯枝及落叶)。以北京市为例，根据北京市园林绿化局《关于加快园林绿化废弃物科学处置利用的意见》[1]的数据显示，北京市每年产生园林绿化废弃物的干重约为300×104 t。枯枝落叶等园林废弃物中含有大量营养成分和有机物质，是一种有利用价值的生物质资源，焚烧或填埋的处置方式不仅造成了该生物质资源的浪费，而且容易引发环境污染问题[2]。堆肥处理是园林废弃物较为常用的处理方法之一，其产物可用于制备无土栽培基质、土壤改良剂等[3]。有研究表明，园林废弃物经过人工调控堆肥化处理的产物可为植物生长提供全面的营养物质，不同种类的园林废弃物堆肥产物在种植基质、喷播绿化基质等应用中均表现出了较好的使用效果[4-7]。吴宇等[8]研究园林废弃物堆肥替代泥炭对紫薇容器育苗影响时发现，在草炭基质中掺入质量分数为20%园林废弃物堆肥产物后的栽培基质对茎生植物的生长有显著的促进效果；刘冠宏等[9]将园林废弃物用于边坡喷播绿化基质时发现，在基质中掺入体积占比为20%~40%的园林废弃物可以获得适合边坡绿化用的基质，且基质性能不低于常规草炭基质。但是，目前该类基质中园林废弃物质量分数通常少于20%，且需使用草炭土等不可再生的、宝贵的自然资源，有悖于绿色可持续发展理念。

本研究旨在开发一种以园林废弃物为主要原材料，在无需添加草炭土等天然资源的前提下，制作植物栽培基质的配方体系。其中，园林废弃物在基质中的总质量分数可达30%~40%，既可为解决园林废弃物消纳问题提供一种可行的方法，又能达到保护草炭土等宝贵自然资源的目的。

1.  材料与方法

1.1  供试材料

供试用园林废弃物取自北京市房山区大石窝镇，园林废弃物经粉碎机粉碎后呈细长状，直径小于1 mm，长径比约10∶1。园林废弃物堆肥腐熟后的产品为市场通用产品，亦按照上述方法进行粉碎。商用营养土及保水剂(吸水倍率>40)均为市场通用产品。对照土壤取自北京某生态园，按照《土壤质量 土壤采样技术指南》(GB/T 36197-2018)[10]的要求进行采样。各原料的主要性能指标如表1所示。

表 1 原料主要性能指标

Table 1. Main performance indexes of raw materials

供试原料pH干容重/(g·cm−3)有机质含量/%总养分(TN+TP+TK)/%全钾/(mg·kg−3)全磷/(mg·kg−3)全氮/(mg·kg−3)电导率EC/(mS·cm−1)含水率/% 未腐熟园林废弃物6.590.3167.342.477913981159315.5706.69腐熟园林废弃物7.380.4869.402.979481975192339.2706.48商品营养土4.620.2772.542.788664677183025.13018.80对照土壤7.571.330.130.63485213611911.0441.59

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1.2  实验方案

1)实验设计。为确保本研究的基质在其养分满足植物生长需求的同时，其干容重亦能符合《绿化用有机基质》(GB/T 33891-2017)[11]和《绿化用有机基质》(LY/T 1970-2011)[12]对该类基质的指标要求，本研究结合表1中的原料主要性能指标，共设计了9组基质配方，每组设置3个重复，基质配方如表2所示。

表 2 基质配方的质量分数

Table 2. Mass fraction of substrates formula

% 基质编号对照土壤腐熟园林废弃物未腐熟园林废弃物商品营养土 基质15040010基质25035510基质350301010基质4603505基质5603055基质66025105基质7653005基质8652555基质96520105

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基质配方实验。准确称量各原料并加水混合均匀制成基质，水固比为1∶1~1.2∶1；将制备好的基质装入20 cm×20 cm×10 cm的模具内，装填高度为9 cm，将高羊茅种子均匀撒播在基质上(种植密度为15 g·m−2)，最后覆盖一层1 cm厚的基质，浇足水，盖上无纺布防止基质表面水分快速蒸发；待高羊茅种子出芽后，每周浇水1次并持续观察其生长情况，实验35 d后检测基质各项指标。

2)基质理化性质指标测定方法。容重、通气孔隙度、非毛细管孔隙度和总孔隙度采用环刀法，参照标准为《绿化用有机基质》(LY/T 1970-2011)[12]；有机质含量采用重铬酸钾容量法(100 ℃水浴)，参照标准为《有机肥料》(NY 525-2012)[13]；pH采用玻璃电极法，参照标准为《森林土壤pH值的测定》(LY/T 1239-1999)[14]；全钾采用乙酸铵提取法、全磷采用钒钼酸铵比色法、全氮采用半微量凯氏法、总养分(TN+TP+TK)采用重铬酸钾容量法、电导率采用水保和浸提法，参照标准为《绿化用有机基质》(GB/T 33891-2017)[11]；阳离子交换量的测定采用土壤标准《土壤阳离子交换量的测定三氯化六氨合钴浸提-分光光度法》(HJ 889-2017)[15]。

1.3  基质性能研究方法

基质研究的本质是对天然土壤进行人工模拟，为此，从众多影响土壤质量的因素中筛选出具有代表性、独立性和主导性的因子是定量、准确评价基质质量的关键[16]。有研究表明，影响土壤质量的主要因素包括有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、pH、阳离子交换量等因素，且因素之间很大程度上存在相关性[17-18]。为此，本研究选择pH、干容重、通气孔隙度、非毛细管孔隙度、总孔隙度、有机质含量、全钾、全磷、全氮、总养分、电导率、阳离子交换量、植物根系长度和地上高度14个指标作为评价基质性能的主要影响因素，采用主成分分析法进行综合评价，以期筛选出效果较好、配制简便、成本较低的生态型基质配方[19-22]。

2.  结果与讨论

2.1  种植实验

本实验设计的9组基质所播撒的高羊茅种子在3 d后开始发芽，10 d内的种子发芽率均超过了85 %。在实验的第35 d进行采样分析，基质的pH、干容重、通气孔隙度、非毛细管孔隙度、总孔隙度、有机质含量、全钾、全磷、全氮、总养分、电导率、阳离子交换量、植物根系长度和地上高度的测试数据如表3所示。

表 3 基质与植物测试指标

Table 3. Indexes of substrates and vegetation

基质编号或标准pH通气孔隙度/%干容重/(g·cm−3)有机质含量/%总养分(TN+TP+TK)/%全钾/(mg·kg−3)全磷/(mg·kg−3)全氮/(mg·kg−3)非毛细管孔隙度/%总孔隙度/%电导率/(mS·cm−1)阳离子交换量/(cmol·kg−1)根系长度/mm地上生长高度/mm 基质17.8654.810.6033.141.576 8058018 0929.5264.334.2035.3815.736.3基质26.9656.150.6743.551.158 9229497 5818.2564.403.6835.5824.442.5基质37.6560.250.6238.692.0410 4759978 9557.1967.443.6437.1230.645.6基质47.8755.910.7937.871.597 2278647 8174.5260.435.7335.0012.322.5基质57.6457.520.6730.491.456 0398597 6136.9464.465.3230.9924.839.4基质67.5755.340.6943.561.829 9238887 4158.8364.174.6030.3215.624.7基质77.8353.140.7835.941.688 6929537 1765.8959.035.2335.2112.936.8基质87.7752.680.7038.031.658 6489056 93912.0364.714.7930.7215.942.1基质97.6956.340.7542.311.518 3938225 9045.1461.484.0729.0830.239.6《绿化用有机基质》(GB/T 33891-2017)4.00~9.50−0.10~1.00≥25.00≥1.50−−−≥15.00−12.00−−−《绿化用有机基质》(LY/T 1970-2011)5.00~8.00≥20.000.10~0.80≥15.00≥1.50−−−−−0.50~3.00−−− 　　注：“−”代表国标和行业标准对该指标未作要求。

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将表3中不同配方基质的理化性质测试数据与国标《绿化用有机基质》(GB/T 33891-2017)[11]和林业标准《绿化用有机基质》(LY/T 1970-2011)[12]中对不同用途基质的指标限值进行比较发现，本研究设计的9组基质配方的pH、干容重、通气孔隙度、有机质含量、总养分、电导率等指标均满足标准中对栽培基质的指标要求；同时，结合实验研究中高羊茅的种植结果表明，9组基质都可用于植物栽培。

2.2  主成分分析

为进一步分析9组基质配方的优劣，本研究采用主成分分析法计算不同基质的综合得分，并依此对这9组配方进行优劣排序。根据主成分分析的数学分析模型，主成分是原14个性状指标的线性组合，为确保主成分分析的有效性，必须提取特征根大于1，累积贡献率达到85%以上的成分作为主成分[23-24]。本研究从14个成分中选出5个作为主成份，分析结果见表4。可见，主成分的特征根都>1，且5个主成分的累积贡献率为89.299%(>85%)，即表明这5个主成分基本能涵盖全部评价指标的所有信息，可以较好地反映基质的综合状况。

表 4 主成分分析结果

Table 4. Results of principal component analysis

主成分各评价指标的得分系数特征根方差贡献率/%累积贡献率/%pH通气孔隙度干容重有机质含量总养分非毛细管孔隙度总孔隙度电导率阳离子交换量根系长度全钾全磷全氮地上高度 1−0.5340.641−0.7580.2410.2050.3110.847−0.8370.3750.6660.5510.5400.5400.6414.76634.04334.04320.5720.155−0.371−0.8100.4110.0810.2110.3340.473−0.300−0.386−0.0550.719−0.0192.46017.57251.61430.1190.1320.4350.3760.570−0.420−0.2680.1390.408−0.2090.6230.6170.275−0.4122.18015.57467.18940.104−0.641−0.1690.1720.2720.8360.199−0.038−0.158−0.5310.3500.106−0.050−0.0461.74012.42879.61750.5010.267−0.0250.0300.615−0.0620.179−0.037−0.5820.3330.168−0.290−0.226−0.0591.3569.68289.299

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根据表4的结果，对选取的5个主成分进行载荷值旋转计算后得到主成分的得分系数矩阵(见表5)，由此可以计算出5个主成分的综合得分。其中，单个主成分得分线性方程如式(1)~式(5)所示。

表 5 得分系数矩阵

Table 5. Component score coefficient matrix

评价指标主成分12345 pH−0.1120.2320.0550.0600.369通气孔隙度0.1350.0630.060−0.3690.197干容重−0.159−0.1510.200−0.097−0.019有机质含量0.051−0.3290.1730.0990.022总养分0.0430.1670.2620.1570.454非毛细管孔隙度0.0650.033−0.1930.480−0.046总孔隙度0.1780.086−0.1230.1140.132电导率−0.1760.1360.064−0.022−0.027阳离子交换量0.0790.1920.187−0.091−0.429根系长度0.140−0.122−0.096−0.3050.246全钾0.116−0.1570.2860.2010.124全磷0.113−0.0220.2830.061−0.214全氮0.1130.2920.126−0.029−0.167地上高度0.134−0.008−0.189−0.026−0.044

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F1=−0.112X1+0.135X1−0.159X1+⋯+0.113X1+0.134X1" role="presentation">F1=−0.112X1+0.135X1−0.159X1+⋯+0.113X1+0.134X1(1)" role="presentation">(1)F5=0.369X1+0.197X2−0.019X3+⋯−0.167X13−0.044X14" role="presentation">F5=0.369X1+0.197X2−0.019X3+⋯−0.167X13−0.044X14(2)" role="presentation">(2)

式中：F1和F5是单个主成分得分值；X1~X14是各个指标原始数据标准化后的数值。

将各基质配方的指标标准化数据分别代入式(1)~式(5)计算各主成分的得分，再以各主成分的方差贡献率为权重，对所提取的得分进行加权求和，得到不同基质的综合得分(见表5)。加权求和如式(3)所示。

F=λ1λ1+λ2+λ3+λ4+λ5F1+λ2λ1+λ2+λ3+λ4+λ5F2+⋯+λ5λ1+λ2+λ3+λ4+λ5F5" role="presentation">F=λ1λ1+λ2+λ3+λ4+λ5F1+λ2λ1+λ2+λ3+λ4+λ5F2+⋯+λ5λ1+λ2+λ3+λ4+λ5F5(3)" role="presentation">(3)

式中：F为某一基质配方的综合得分；F1~F5是该基质配方对应的单个主成分得分值；λ1~λ5是5个主成分的初始特征根。

根据主成分综合模型即可计算各基质配方的综合主成分分值，并对其进行排序，即可对所有基质配方进行综合评价比较，结果如表6所示。基质的综合得分越高，代表该基质所有测试指标的表现越好，从而表明其性能相对更优。结果显示，9组基质配方的优势排序为：基质3>基质6>基质1>基质2>基质8>基质5>基质7>基质4>基质9。

表 6 各基质的综合得分

Table 6. Comprehensive evaluation score of substrates

基质编号主成分1主成分2主成分3主成分4主成分5综合得分综合得分排名 基质10.08392.0664−1.80860.6003−0.31210.17293基质22.2561−2.0425−0.4918−0.3506−2.32430.07154基质34.40881.29331.6694−0.57200.87322.24141基质4−2.87880.87721.5399−1.0335−0.4614−0.85028基质5−0.48631.2390−1.8962−1.45800.2597−0.44706基质6−0.1426−0.88571.01651.52190.93380.26172基质7−2.06130.20121.64950.2016−0.8611−0.52397基质8−0.3611−0.2217−0.91152.41120.27480.02525基质9−0.8186−2.5272−0.7672−1.32091.6175−0.95159

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3.  结论

1)对不同原料配比基质的理化指标测试数据与相关国家标准和行业标准的比对分析表明，本研究中以园林绿化废弃物为主要原材料的基质大部分指标满足标准要求，可用于植物栽培。

2)主成分分析结果表明，基质的总孔隙度、氮、磷、钾和总养分对基质理化性能的影响最大；利用主成分分析法进行综合评价的结果表明，9组基质配方的得分按降序排序为：基质3>基质6>基质1>基质2>基质8>基质5>基质7>基质4>基质9。

3)在综合得分最高的基质中，腐熟和未腐熟园林废弃物的质量分数之和达到40%，且基质中无需添加草炭土等不可再生天然资源，因而具有较明显的生态效益。

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