构建的人工土壤作为城市绿色基础设施土壤管理解决方案的功能表现

《Journal of Environmental Management》：Functional performance of constructed technosols as a soil management solution for urban green infrastructure

本研究通过18个月半干旱城市微宇宙实验，评估了由本地废物（挖掘亚表层土壤、破碎混凝土、绿色废物堆肥）构成的Technosols性能，发现ExS丰富的混合物显著提升土壤物理化学特性，如孔隙率、阳离子交换容量和有机碳含量，且灌溉量主要影响植物生长而非土壤属性，为可持续城市绿化提供新策略。

　　

Vicente Maass | Patrice Cannavo | álvaro Villarroel | Rosanna Ginocchio | Eduardo Arellano

智利天主教大学农学与自然系统学院，Vicu?a Mackenna大道4860号，8940000，圣地亚哥，智利

摘要

城市绿色基础设施（UGI）需要功能性的土壤，然而获取肥沃的表土和天然骨料可能会带来环境上的权衡。本研究通过一个为期18个月的半干旱城市条件下的中型实验，评估了由废弃物制成的Technosols在UGI中的应用性能。四种Technosol混合物使用了当地可获得的废弃物，包括挖掘出的底土（ExS）、碎混凝土（CC）和绿色废弃物堆肥（GWC），并与沙砾对照组进行了对比。中型实验中种植了Lavandula angustifolia，并施加了两种灌溉制度（每周6毫米与12毫米）。测量了土壤的物理、化学和生物指标，并将其整合到基于功能的性能评分中。富含ExS的壤土砂Technosol（TE；35% ExS，35% CC）在关键土壤性质上优于沙砾对照组：容重增加了0.18克/立方厘米，微孔隙度（22.7% vs 8.4%）和植物可利用水分增加了6.3%。接近饱和的水力传导率（11厘米/小时）也高于沙砾对照组。TE还提高了阳离子交换容量（29.4 meq 100克^-1 vs 12.2 meq 100克^-1）和土壤有机碳（31.2克/千克 vs 19.2克/千克）。在所有混合物中，较高的灌溉制度使地上生物量增加了26%，根系生物量增加了39%。在养分供应、养分循环、水分调节和碳储存方面，富含ExS的混合物表现更好。这些结果表明，用当地可获得的挖掘底土结合回收的矿物材料和绿色废弃物堆肥可以快速改善Technosols的关键土壤质量属性。因此，由废弃物制成的Technosols代表了一种有前景的策略，可用于设计半干旱城市绿色基础设施的功能性土壤。需要跨植被类型的长期现场验证来完善设计阈值并评估大规模应用。

引言

城市绿色基础设施（UGI）越来越多地被视为一种基于自然的解决方案（NbS），用于增强城市的韧性（Haase, 2021），并因其能够为城市带来的生态和社会效益而受到推广（Bouzouidja et al., 2021）。其性能取决于支撑土壤的质量（Castellar et al., 2021）。土壤质量是物理、化学和生物性质的综合作用状态，这些性质使土壤能够执行关键功能（Bünemann et al., 2018）。然而，在许多城市中，由于土壤密封和土地用途的竞争，城市土壤已经退化或受到限制，从而限制了适合UGI的土壤的可用性（Fikri et al., 2021; Rentier and Cammeraat, 2022）。

因此，为了建立UGI，实践者通常会进口肥沃的表土（Deeb et al., 2016），或者依赖基于沙砾成分的类似土壤的材料用于城市种植系统（EPA, 2011）。持续依赖天然材料可能会加剧资源稀缺和土地用途之间的权衡（Rentier and Cammeraat, 2022）。骨料的开采还会破坏河床及其相关生态系统（Lenoir et al., 2019）。

通过将UGI的部署与循环资源流相结合，构建的Technosols提供了一种解决方案（Kisser et al., 2020）。通过将人为矿物材料与有机改良剂混合，可以制备出具有关键土壤功能特性的Technosols（Deeb et al., 2020）。这种方法非常及时，因为建筑和拆除废弃物（CDW）是全球最大的固体废弃物流之一（Castillo and Ossio, 2012）。城市建设还产生了大量挖掘出的底土（ExS），这些底土通常被视为残余材料（Soto-Paz et al., 2023），但作为当地可用的土壤建设资源具有很高的回收潜力（Snoussi et al., 2024）。

实证研究表明，添加了堆肥的Technosols可以在城市环境中支持植被的生长（Cannavo et al., 2018; Pruvost et al., 2020）。包含CDW矿物成分的设计也被报道为可行的生长基质（Yilmaz et al., 2018），其物理化学特性符合UGI的要求（Fourvel et al., 2018）。Technosols还可以根据UGI应用的具体目标进行定制（Pruvost et al., 2025）。此外，Ugolini et al.（2020）将Technosol的性质与城市建筑场地的绿色再生中的植物生长结果联系起来。Ruiz et al.（2020）在环境管理背景下推进了基于土壤质量的评估。

从功能的角度来看，土壤有机碳（SOC）至关重要。它支持构建基质的聚集和水分保持（Pruvost et al., 2020），并且广泛用于解释管理环境中的土壤功能和长期性能（González-Méndez and Chávez-García, 2020）。材料选择可以影响构建土壤的生化和微生物属性（Abbruzzini et al., 2021）。因此，微生物反应被认为是Technosol功能的重要组成部分（Ivashchenko et al., 2021）。基础呼吸作用被用作构建土壤和城市土壤中微生物活动的指标（Ivashchenko et al., 2021; Tresch et al., 2018a），而代谢商（qCO2）被用来解释受干扰条件下的微生物压力或碳利用模式（Zhou et al., 2023）。

以功能为导向的评估框架提供了将指标与管理相关功能联系起来的结构化途径。土壤管理评估框架（SMAF）将指标数据转化为与功能相关的评分（Andrews et al., 2004）。Imbaná et al.（2024）表明，使用土壤质量指数评估构建的Technosols可以全面监测恢复轨迹与参考条件的对比。城市应用也遵循相同的框架，讨论了基于功能的评分如何支持Technosols的性能规范和适应性监测（Séré et al., 2024）。

最近，为UGI开发的工程土壤朝着量身定制的设计方向发展，其中混合物被制造出来以满足多种功能目标（例如，水分调节、肥力、碳储存）（Porter et al., 2025）。与此同时，这一研究领域扩展了用于土壤建设的可回收矿物材料的选择范围（例如，岩石加工废弃物），强调了在水压力下验证早期功能性能的必要性，并加速新组装基质的结构发展（Bucka et al., 2024）。在更广泛的城市管理层面，Technosols越来越多地被视为可持续城市代谢策略中的工具，这对于将废物增值整合到基于自然的解决方案和相关生态系统服务中具有重要意义，包括在碳相关目标中的作用（Rodríguez-Espinosa et al., 2024）。

尽管取得了这些进展，但在半干旱城市管理方面仍存在关键差距。粗矿物混合物可能会面临水力限制，从而减少植物可利用的水分（González-Méndez and Chávez-García, 2020）。来自人为矿物输入的碳酸盐可能会提高基质的pH值（Greinert et al., 2019）。电导率可能会根据堆肥输入和废物来源的特性而增加，从而产生额外的部署限制（Fourvel et al., 2019）。许多构建土壤的评估仍然依赖于短期的中型实验，这无法提供关于水限制和季节性变化的中期动态的充分见解（Prado et al., 2020）。

本研究在半干旱的地中海气候下进行了为期18个月的中型实验，涵盖了两个冬季和一个夏季。研究的目的是评估由ExS、碎混凝土（CC）和绿色废弃物堆肥（GWC）制成的Technosols是否能够在不同的灌溉制度下发展出与UGI环境及其管理相关的物理、化学和生物属性。尽管这是一个受控的中型实验，但它针对的是那些适合UGI的土壤有限或不可用的城市所面临的设计挑战。通过将材料设计与基于多功能的性能评估相结合，这项工作旨在为Technosol的设计和监测提供证据，作为实现可持续UGI的实际途径。

研究地点、气候和实验设计

实验在智利天主教大学（PUC）的San Joaquín校区进行，位于圣地亚哥。该城市具有半干旱的地中海气候，特点是11月至5月为干燥季节，冬季降雨量较大，年平均降水量约为300毫米（Steinfort et al., 2020）。研究期间恰好是一个异常湿润的年份（2024年降雨量为575毫米），在解释灌溉效果时需要考虑这一点。季节性温度

Technosol组成和灌溉对土壤和植物性质的影响

排列等级转换（ART）方差分析（ANOVA）显示Technosol处理对大多数物理、化学和生物土壤性质有显著影响，而灌溉效果有限，主要与植物生长相关（表3，表4）。含有挖掘底土（TE和TAE）的处理显示出较低的容重和较高的微孔隙度及植物可利用水分（p < 0.001）。

实验结束时构建Technosols的物理、化学和生物性质

增加挖掘底土（ExS）的比例提高了Technosols在物理、化学和生物性质方面的质量，而灌溉对土壤性质的影响较小。这种模式与混合物之间的质地差异及其与UGI土壤指标和功能的关系一致（Séré et al., 2024）。

从物理角度来看，与富含沙子的混合物（C, A）相比，富含ExS的TE显示出较低的容重、较高的微孔隙度和植物可利用水分，而TAE则处于中间水平。

结论

经过18个月后，富含挖掘底土（ExS）的Technosols在土壤质量方面有所提高，包括更高的水分保持能力、阳离子交换容量（CEC）、有机碳（SOC）和微生物活性，同时没有牺牲钾（K）或显示出明显的权衡。相比之下，植物生物量主要受灌溉控制，表明一旦满足水分阈值，这些混合物在半干旱条件下支持类似的薰衣草生长。

土壤的生态功能紧密反映了其潜在的土壤性质。

CRediT作者贡献声明

Vicente Maass：撰写——初稿撰写、调查、数据分析、概念化。Patrice Cannavo：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。álvaro Villarroel：撰写——审阅与编辑、调查。Rosanna Ginocchio：撰写——审阅与编辑、资金筹集。Eduardo Arellano：撰写——审阅与编辑、监督、资金筹集、概念化。

资助

本工作得到了智利国家研究与发展机构（ANID）通过PIA/BASAL计划（AFB240003）、ANID博士奖学金计划（21210613）、Erasmus+计划（2022-1-FR01-KA171-HED-000077785；2022–2025）以及智利天主教大学博士奖学金（VRI）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢Armony?提供本研究中使用的绿色废弃物堆肥。我们还要感谢Agroanálisis UC服务实验室在分析支持方面的帮助以及部分成本覆盖。