盾構余泥用作3種綠化植物種植基質的改良處理及可行性評價

摘要" ［目的］研究城市固體廢棄物盾構余泥的資源化處理方式，為盾構余泥的資源最大化利用和多元化利用提供參考。［方法］將盾構余泥和園林廢棄物按不同比例配制成復合基質，通過盆栽試驗研究不同基質的pH、容重、孔隙度、陽離子交換量、有效氮、有效磷、速效鉀含量等基本理化性質，及各處理的發芽情況，分析不同基質對種子萌發的影響，探究適合用于綠化種植的基質配比。［結果］各改良基質處理下3種植物的綜合評價指數不盡相同。熵權TOPSIS集成評價法分析結果顯示，T40-5對鹽膚木和草決明的綜合評價指數最高，T50-3對刺槐的綜合評價指數最高。［結論］鹽膚木和草決明的最佳基質配方為：40%盾構余泥+40%園林廢棄物+8%生物炭+10%膨潤土+2%緩釋顆粒肥；刺槐的最佳基質配方為：50%盾構余泥+30%園林廢棄物+10%生物炭+8%膨潤土+2%緩釋顆粒肥。

關鍵詞" 盾構余泥；改良；種植基質；發芽指數；評價

中圖分類號" S688" 文獻標識碼" A" 文章編號" 0517-6611（2024）05-0212-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.05.050

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Improvement Treatment and Feasibility Evaluation of Shield Muck as Planting Substrate for Three Kinds of Green Plants

CHENG Yan1，2， XU Yong1，2， LI Lang1，2 et al

（1. Shenzhen Wenke Landscape Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518000;2. Guangdong Landscape Architecture and Ecological Restoration Engineering Technology Research Center， Shenzhen， Guangdong 518026）

Abstract" ［Objective］ Search for a resource-oriented mode of shield muck， providing a reference for the maximum and diversified utilization of shield muck resources. ［Method］ Through pot experiment， the shield muck and garden waste compost were prepared into compound substrates according to different proportions， analyzing basic physical and chemical properties such as pH value， bulk density， porosity， CEC（cation exchange capacity）， available nitrogen， available phosphorus， available potassium content the and seeds germination of each treatment， so as to explore the suitable substrate ratio for green planting. ［Result］ The comprehensive evaluation indexes of the three plants under different ameliorated substrate treatments are different. The results of entropy weight TOPSIS integrated evaluation method show： T40-5 has the highest comprehensive evaluation index for Rhus chinensis and Cassia tora， and T50-3 has the highest comprehensive evaluation index for Robinia pseudoacacia. ［Conclusion］ Suitable formula for Rhus chinensis and Cassia tora is： 40% shield muck+40% garden waste compost+8% biochar+10% bentonite+2% slow-release fertilizer pellet;suitable formula for Robinia pseudoacacia is： 50% shield muck+30% garden waste compost+10% biochar+8% bentonite+2% slow-release fertilizer pellet.

Key words" Shield muck;Amelioration;Planting substrate;Germination index;Evaluation

基金項目" 深圳市科技計劃項目（KCXFZ202002011006491）。

作者簡介" 程艷（1994—），女，湖北荊州人，助理工程師，碩士，從事土壤改良及污染土壤修復研究。

*通信作者，高級工程師，碩士，從事園林景觀與生態恢復研究。

收稿日期" 2023-02-18；修回日期" 2023-04-13

城市綠化種植用土廣泛采用客土，客土質量良莠不齊，優質的種植土十分稀缺。另一方面，城市軌道交通不斷延伸擴張，盾構棄土余泥產生量逐年增長。盾構余泥通常外運至渣土場填埋處理［1］，我國部分城市如深圳市現有填埋場容納量已基本飽和［2］。部分企業將盾構余泥棄土燒結制磚，實現了盾構余泥的資源化利用。但在碳中和目標下，燒結工藝產生及排放的廢氣對工業碳減排造成了較大壓力，難以大規模推廣應用。盾構余泥透水性差、黏重緊實，不宜直接用作園林種植土。添加環境友好的改良材料是改良土壤養分狀況及結構的有效途徑。近年來，部分研究者開展了關于種植基質的材料、基質配比［3-6］方面的研究，大部分研究以泥炭、珍珠巖、椰糠為主要材料［7-10］。少部分研究開始關注園林廢棄物作為基質材料的可行性，園林廢棄物經堆肥化處理后，腐殖質物質和有效營養元素增加，可提高土壤的肥力，促進土壤團粒結構的形成，增加土壤孔隙［11］，在邊坡綠化、植物栽培中均表現出了較好的使用效果［12-14］。已有研究提出，將園林廢棄物堆肥制品用作土壤改良劑［15］。然而，以消納和改良盾構余泥為目的的相關研究及應用仍較少。

為解決盾構余泥的就近處置，同時實現盾構余泥和園林廢棄物這2種城市固體廢棄物的資源化利用，筆者以盾構余泥為原料，將已粉碎腐熟的園林廢棄物、生物炭、膨潤土以不同比例調配種植基質，與中國城鎮建設行業綠化種植土壤標準（CJ/T 340—2016）中各項指標及含量要求進行對比，并開展植物發芽試驗，以期獲得適用于城市綠化的優質種植土配比方案，為2種城市固體廢棄物的資源化利用提供新的方法和思路，推動城市固體廢棄物的資源化利用和無廢城市建設。

1" 材料與方法

1.1" 試驗材料

供試園林廢棄物主要為城市綠化修剪產生的樹枝粉和碎木屑，經高溫腐熟消毒處理，各項指標均符合《園林綠化廢棄物堆肥技術規程》（DB11/T 840—2011）。生物炭為自制，粒徑0.08～0.25 mm。盾構余泥來源于深圳市后海地鐵站盾構工程廢棄余泥渣土，基本理化性質如下：pH 8.36、電導率（EC）0.622 mS/cm、容重0.967 g/cm3、有機質10.68 g/kg、有效氮2.57 mg/kg、有效磷12.33 mg/kg、速效鉀10.07 mg/kg、陽離子交換量（CEC）14.34 cmol+/kg。膨潤土購自廣鑫源化工廠，粒徑0.075 mm。生物炭顆粒緩釋肥為自制，粒徑3～4 mm，有效氮含量67.8 mg/kg、有效磷含量10.7 mg/kg、速效鉀含量47.1 mg/kg，各項指標均符合中華人民共和國國家標準《緩釋肥料》（GB/T 23348—2009）。

刺槐、鹽膚木、草決明種子購自深圳市花卉批發市場。

1.2" 試驗設計

試驗于2020年12月在深圳文科園林股份有限公司實驗室塑料大棚進行。將盾構余泥、園林廢棄物、生物炭、膨潤土以不同體積比制備成6種改良配方。試驗以盾構余泥為對照，共7個處理。其中，T40-1、T40-3、T40-5園林廢棄物添加量均為40%，生物炭添加量分別為18%、10%和8%，膨潤土添加比例逐漸增大，分別為0、8%、10%；T50-1、T50-3、T50-5園林廢棄物添加量均為30%，生物炭添加量分別為18%、10%和8%，膨潤土添加比例逐漸增大，分別為0、8%、10%，6組混合基質均添加2%的生物炭緩釋顆粒肥，詳見表1。

發芽試驗容器為盆口直徑26 cm、高22 cm的塑料花盆。基質經80%多菌靈800倍液噴灑消毒后裝入花盆，基質容積占花盆總容積的90%。刺槐、鹽膚木、草決明種子經85 ℃熱水浸泡24 h后均勻撒入花盆，每處理3次重復，共63盆。每盆撒種量為50粒。15 d后統計種子發芽率和根長。

1.3" 指標測定方法

試驗對照組及添加園林廢棄物、生物炭和膨潤土的6個改良試驗組，測定pH、容重、孔隙度、陽離子交換量（CEC）、有效氮、有效磷、速效鉀含量等基本理化性質。pH、電導率（EC）、陽離子交換量分別參照國家林業標準LY/T 1239—1999中規定的電位法，國家林業標準LY/T 1251—1999中規定的電導法，國家環境保護標準HJ 889—2017中規定的三氯化六氨合鈷-分光光度法；容重、孔隙度參照董愛香等［16］的方法。有效氮、有效磷、速效鉀、有機質含量的測定參照鮑士旦的《土壤農化分析》［17］。

發芽率及發芽指數（GI）的測定：播種15 d后統計種子發芽率，并用游標卡尺測量種子根長。發芽指數（GI）的計算參照下式：

發芽指數（GI）=試驗組發芽率×試驗組平均根長對照組發芽率×對照組平均根長

1.4" 數據分析

采用Excel 2013對試驗數據進行整理，SPSS19.0對數據進行方差分析（one-way ANOVA）和多重比較（Duncan），顯著水平設置為Plt;0.05。采用熵權TOPSIS集成評價法對試驗組的基本理化性狀和GI指數進行綜合評價，得出最優的改良配方。

2" 結果與分析

2.1" 不同改良基質的基本理化性狀分析

改良基質的pH、電導率、容重、陽離子交換量等基本性狀如表2所示。pH一般在6.0～7.5［18］，過低、過高都會影響植物的生長。由表2可見，各處理pH差異顯著，余泥添加量40%組明顯高于余泥添加量50%組，但均在適宜范圍內。

電導率（EC）是衡量基質可溶性養分含量的重要物理指標，通常不宜超過2.6 mS/cm［19］，各處理電導率差異顯著，在0.6～0.9 mS/cm，屬植物生長安全范圍內。

容重直接影響基質的蓄水性，通常在0.1～0.8 g/cm3范圍內為宜［20］，基質容重過大影響通氣性，過小則對植物的支撐作用減弱。由表2可知，各處理容重差異顯著，余泥添加量50%組明顯高于余泥添加量40%組；與T40-1、T40-3、T40-5相比，T50-1、T50-3、T50-5容重分別增加了21.06%、14.53%和28.97%。各處理容重在0.4～0.7 g/cm3，均在理想范圍內。

陽離子交換量（CEC）反映了基質的保肥能力。一般認為，CEC低于10 cmol+/kg的基質保肥性能較差［21］。園林廢棄物對陽離子交換量有顯著影響，其他材料添加量相同時，園林廢棄物添加量較高的處理陽離子交換量也較高。園林廢棄物添加量40%的T40-1、T40-3、T40-5處理CEC分別高出T50-1、T50-3、T50-5處理23.47%、19.66%和33.84%。

有機質、有效氮、有效磷、速效鉀是衡量基質肥力的重要指標。各處理有機質、有效氮含量均表現為：T40-5gt;T40-3gt;T50-3gt;T50-5gt;T40-1gt;T50-1。不同處理下的基質有效磷含量差異顯著，具體表現為：T40-5gt; T50-5gt; T40-3gt; T40-1gt;T50-3gt; T50-1；速效鉀含量則表現為：T40-3gt;T50-3gt;T40-5gt;T50-5gt;T40-1gt;T50-1。T40-1、T50-1有機質、有效氮、有效磷和速效鉀含量均低于同等園林廢棄物添加量下的其他處理，添加膨潤土可顯著提高基質的有機質、有效氮、有效磷、速效鉀含量。

2.2" 不同改良基質對鹽膚木、刺槐和草決明發芽指數的影響

過量的小分子有機酸和氨態氮、多酚等物質會對植物產生毒害作用［22］，發芽指數是反映基質植物毒性大小的重要指標［23-24］。一般認為，種子發芽指數達到50%時，其毒害作用在植物可承受范圍內；種子發芽指數達到80%時，植物毒性基本消失［25］。

由圖1可知，各組基質中鹽膚木、刺槐和草決明的發芽指數均大于80%，說明各處理基質基本無植物毒性。不同改良處理對鹽膚木、刺槐和草決明的萌發存在顯著差異。值得注意的是，在盾構余泥添加量50%的3個處理中，鹽膚木、刺槐和草決明的發芽指數均高于盾構余泥添加量40%的處理，T50-1組中鹽膚木、刺槐和草決明GI較T40-1分別增加了16.76%、3.91%和2.07%，T50-3組中鹽膚木、刺槐和草決明GI較T40-3分別增加了8.54%、12.92%和3.09%，T50-5組中鹽膚木、刺槐和草決明GI較T40-5分別增加了6.35%、3.44%和1.92%。其中，鹽膚木、刺槐發芽指數在T50-3處理達到最大值，草決明發芽指數在T50-5處理中最高。

2.3" 不同改良基質的綜合評價

將改良基質的基本理化指

標與鹽膚木、刺槐和草決明3種植物的發芽指數進行顯著性

分析和各指標間的對比，評價了改良基質的植物適生性，但3種植物對改良基質的反應存在顯著差異，僅通過顯著性分析和比較不能準確、定量地反映改良基質的綜合品質。采用熵權TOPSIS法對改良基質的基本理化性質和3種植物的發芽指數進行綜合評判。通過熵權系數法計算出各評價指標的熵權系數作為TOPSIS評價法的權重系數，經TOPSIS法得出最終的評價指數［26-28］。正理想解是虛擬的最佳方案，負理想

解則是最劣，離理想解距離越近，改良基質的綜合評價指數

越高，說明該基質的植物適生性越強。

各指標的權重系數見表3。由表3可知，試驗植物不同，各指標所占權重不相同。試驗植物為鹽膚木時，有效磷的權重值最大，為0.171 9；其次是電導率（EC），權重值為0.152 7；再次是速效鉀，權重值為0.139 2，具體排序為：有效磷gt; ECgt;速效鉀gt;有機質gt; CECgt;有效氮gt; GIgt; 容重gt; pH。試驗植物為刺槐時，發芽指數（GI）的權重系數最大，為0.162 2；其次是有效磷，權重值為0.152 7；再次是電導率（EC），權重值為0.140 8，具體排序為：GIgt;有效磷gt; ECgt;有機質gt;速效鉀gt; CECgt;有效氮gt;容重gt;pH。試驗植物為草決明時，前4位所占權重較大的指標與鹽膚木相同，具體排序為：有效磷gt; ECgt;有機質gt;速效鉀gt; GIgt; CECgt;有效氮gt;容重gt;pH。

不同改良基質的綜合評價指數結果見表4。由表4可知，不同改良基質在不同植物下的綜合評價指數略有不同。在鹽膚木處理中，T40-5對鹽膚木的綜合影響效果較好，改良基質的評價指數由大到小依次為：T40-5gt; T50-5gt; T40-3gt; T50-3gt; T50-1gt;T40-1。對草決明萌發生長的影響排序為：T40-5gt; T50-5gt; T50-3gt; T40-3gt; T50-1gt;T40-1。T40-5對鹽膚木和草決明的綜合評價指數均較高，說明T40-5對鹽膚木和草決明的綜合影響效果最好。對刺槐萌發生長的綜合評價排序具體為：T50-3gt; T40-5gt; T50-5gt; T40-3gt; T50-1gt;T40-1。與鹽膚木和草決明不同，T50-3對刺槐的綜合評價指數較高，說明T50-3對刺槐的綜合影響效果較好。

在余泥同等添加量的處理下，添加膨潤土的處理（即T40-5、T40-3、T50-5、T50-3）中3種植物的綜合評價指數均高于不添加膨潤土的處理（即T40-1、T50-1），且對于鹽膚木和草決明來說，生物炭與膨潤土的添加量分別為8%和10%效果較好，而對于草決明則分別是10%和8%。

3" 討論與結論

盾構余泥通常是性質優良的清潔土壤［29］，對其養分和結構進行改良，再利用其作為種植基質，是解決盾構土堆積的有效方式［1］。膨潤土、生物炭是廣泛應用的土壤改良材料，對土壤的理化性質、肥料利用效率均有較好的改良作用［30-32］。泥炭價格較高且不可再生，已有關于園林廢棄物堆肥的研究，論證了園林廢棄物替代泥炭作為基質材料的可能性。張強等［13］開展了以園林廢棄物堆肥為基質物料的大花馬齒莧、矮牽牛和彩葉草栽培基質研究，結果表明：綠化廢棄物堆肥用作花卉基質能改善花卉的生長狀況和基質的通氣性、保水性和養分供應能力。該研究中，各組基質的基本理化特性均符合《綠化種植土壤》（CJ/T 340—2016）標準要求；改良處理基質的EC、CEC、有效氮、有效磷和速效鉀含量有顯著增加，容重有不同程度地降低。這與馮曉燕等［33］、倪肖衛等［28］的研究結果一致。該研究中，園林廢棄物添加量為40%的處理有效氮、有效磷、速效鉀和有機質含量均高于添加量為30%的處理，這與吳宇等［34］的研究結果一致；且單一添加生物炭，改良效果較弱，添加膨潤土的處理對基質EC、CEC和養分的增加效果更好。

沈烽華等［35］研究表明，鹽膚木以草炭和珍珠巖基質播種發芽率較高，在該試驗以園林廢棄物和盾構余泥為主要材料的基質中，發芽指數（GI）亦較高，說明盾構余泥與園林廢棄物為主的基質也可作為鹽膚木的栽培基質。曹靜等［36］以園林廢棄物和牛糞堆肥替代泥炭，討論了園林廢棄物作為刺槐育苗基質的可行性，結果表明：25%牛糞堆肥+75%園林廢棄物堆肥和 100%園林廢棄物能夠替代泥炭進行刺槐育苗，效果優于泥炭及其他處理；在該研究的試驗基質中，各處理刺槐發芽指數均在120%以上，與其研究結果相似。董春華等［37］研究表明，在南方丘陵區酸性紅壤上，施用石灰和磷肥對圓葉決明生長發育有顯著影響，這與該研究采用熵權系數法計算出各評價指標熵權系數中有效磷含量的權重最大結果一致。

該研究采用熵權TOPSIS分析法對各組改良基質與鹽膚木、刺槐和草決明3種植物的適生性進行綜合評價。結果表明，各改良基質處理對3種植物的綜合評價指數不盡相同，T40-5對鹽膚木和草決明的綜合評價指數最高，T50-3對刺槐的綜合評價指數最高。

綜上所述，添加30%或40%的園林廢棄物對盾構余泥的物理化學性質和養分狀況均有顯著改善作用，改良后的盾構余泥可作為種植土再利用。該試驗中，鹽膚木和草決明的最佳基質配方為：40%盾構余泥+40%園林廢棄物+8%生物炭+10%膨潤土+2%緩釋顆粒肥；刺槐的最佳基質配方為：50%盾構余泥+30%園林廢棄物+10%生物炭+8%膨潤土+2%緩釋顆粒肥。

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