《Biology and Fertility of Soils》：Incorporation of crushed asphalt as a circular economy strategy for de-sealed soil reclamation: case study in Prato, Italy
编辑推荐：
为解决城市土壤“解封”（de-sealing）成本高、表土资源紧张的难题，研究人员探讨了将解封过程中产生的破碎沥青作为人工城市土壤（Technosols）组分的可行性。意大利普拉托的现场试验表明，即使最高50% (w/w) 的沥青掺入量，在短期内也未对土壤化学肥力、微生物活性、温室气体通量（CO2， N2O， CH4等）及植被建立与多样性产生负面影响。这为在城市绿化中实现废物资源化和降低解封成本提供了有力依据。
随着全球城镇化进程的加速，土地“硬化”（sealing）现象日益严重，沥青和混凝土等不透水材料覆盖了大量的自然土地。这种被称为“土壤封存”（soil sealing）的行为，被认为是土地占用最有害的形式之一，它不仅剥夺了土壤原有的呼吸、渗水和生长能力，还严重削弱了土壤提供的多种生态系统服务。面对这种局面，欧洲乃至全球的决策者开始反思，并提出了“土壤解封”（soil de-sealing）的补偿策略，即移除硬质覆盖层，恢复土壤的渗透性和生态功能。然而，理想很丰满，现实却很骨感。将一片停车场或硬质广场重新变为绿地，不仅工程浩大，而且成本高昂。其中一个关键障碍在于，移除沥青等材料会产生大量惰性废弃物，而修复土壤又常常需要从外地大量运入优质表土，这既增加了运输和处理成本，也引发了新的环境扰动。于是，一个充满挑战与机遇的问题摆在了研究者和城市规划者面前：能否找到一种更“聪明”、更可持续的解封方案？能否将解封过程中产生的“废弃物”——即破碎的沥青，变废为宝，重新利用到新生的土壤中去，形成一个“就地消化、循环再生”的闭环？这不仅关乎经济成本，更关系到城市生态修复能否大规模推广的未来。为了回答这个问题，一支研究团队在意大利的普拉托市（Prato）开展了一项引人入胜的现场试验，他们的研究成果发表在土壤学专业期刊《Biology and Fertility of Soils》上。
为了验证破碎沥青掺入土壤的可行性与生态影响，研究人员在一个新近解封的停车场内精心设计了一个田间试验。他们将经过堆肥改良的外运城市土壤与不同比例（0%、10%、25%和50%， w/w）的破碎沥青（<2 cm）混合，构建了4种处理的人工土壤（Technosols）。在超过一年的时间里，他们对这些土壤的理化性质、生物化学指标、温室气体排放以及草本植被的建植和多样性进行了系统监测。研究团队通过田间采样和实验室分析相结合的方式进行。关键的实验技术包括：1. 现场原位测定土壤饱和导水率（Ksat），以评估土壤的渗透排水性能；2. 在长达一年的时间里，通过12个静态箱（static chamber）结合光声多气体分析仪（Photoacoustic Gas Monitor），周期性监测了包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）、氨（NH3）和二氧化硫（SO2）在内的温室气体和痕量气体通量，以评估土壤的生物地球化学过程和气候变化影响；3. 采用经典土壤学方法（如湿筛法和比重计法测定土壤质地，碱液吸收滴定法测定基础呼吸，以及对硝基苯磷酸盐等底物比色法测定多种水解酶活性），分析了土壤的物理、化学和生物学特性；4. 通过定期观测和收获，量化了人工播种的草坪草（包括多年生黑麦草Lolium perenneL.等）的地表覆盖度和生物量，并在后期调查了所有自然定植的维管植物物种，计算了物种丰富度、香农多样性指数和均匀度，以评估植被恢复效果。
研究结果
1. 土壤理化性质
- •
土壤质地与结构：研究表明，最高剂量（50%）的沥青掺入显著改变了土壤质地，增加了砂粒比例，使土壤从粉壤土向砂壤土转变。在试验末期，掺入50%沥青的土壤容重显著低于对照。饱和导水率在不同处理间没有表现出明显的规律性变化，但掺入25%沥青的处理显示出显著更高的导水率。
- •
土壤化学性质：沥青掺入对土壤化学肥力的影响有限且短暂。在试验初期，高沥青掺量增加了总有机碳和总无机碳含量，但并未导致全氮的持续减少。土壤pH、电导率、阳离子交换容量和交换性钾在整个研究期间均未表现出显著差异。一个积极的信号是，一年后所有土壤中的有效磷浓度均比初期显著增加，表明土壤功能得到改善。
2. 土壤气体交换、温度和湿度
- •
温湿度动态：土壤温度和湿度呈现出明显的季节性变化，二者呈反相关关系。唯一观察到沥青掺入影响的是土壤湿度，在最后的监测期（M10-M12），掺入50%沥青的土壤含水量显著低于其他处理，表明其保水能力下降。
- •
气体排放：沥青掺入，无论比例高低，在任何一个监测时期都未对土壤气体排放产生显著影响。二氧化碳排放量随季节变化，冬季较高。一氧化二氮、氨气和二氧化硫的排放通量普遍可忽略不计。有趣的是，在大部分监测期，甲烷呈现净吸收（负通量），表明土壤处于好氧状态；但在最后监测期，所有处理均出现了可检测到的甲烷排放，这可能暗示了短暂的厌氧环境。
3. 土壤基础呼吸和酶活性
- •
微生物活性：土壤基础呼吸、酸性磷酸单酯酶、碱性磷酸单酯酶、β-葡萄糖苷酶、蛋白酶和脲酶活性，在大部分监测时间点和不同处理间均未表现出显著的系统性差异。仅在试验末期，观察到25%沥青处理组的碱性磷酸单酯酶和β-葡萄糖苷酶活性略低于其他处理。这说明沥青掺入对土壤微生物的整体代谢活性和关键养分循环相关的水解酶活性影响不大。
4. 植被评估
- •
建植与生长：植被的初期建植在沥青掺量最高的处理中显著较慢。然而，随着时间的推移，这种差异迅速缩小。从播种后约14个月直到试验结束，所有处理的地表植被覆盖度已无显著差异。除了在第二个生长季初期的一个时间点外，各处理间的收获生物量也基本一致。
- •
物种多样性：调查共记录了43种维管植物。物种丰富度、香农多样性指数和均匀度在四个处理间均无显著差异。这表明，即使在掺入高达50%沥青的土壤中，在短期内也并未阻碍当地植物群落的自然定植和物种多样性。
研究结论与讨论
这项研究评估了在城市土壤解封后，将破碎沥青掺入外运土壤中进行生态修复的可行性。其主要结论是：即使在高达50%（重量比）的掺入量下，沥青的加入虽然改变了一些土壤物理性质（如使质地砂化、降低容重、减少土壤持水量），但对土壤化学肥力、微生物活性、温室气体排放以及植被的最终建植和多样性，在为期一年的短期内均未产生持久的负面影响。这有力地支持了将解封产生的沥青废物“就地消化”并作为人工土壤组分的循环经济策略。
研究的深刻之处在于多方面的讨论。首先，沥青的加入实质上引入了大量源自沥青和其中碳酸盐骨料的、高度稳定（难降解）的有机碳和无机碳。这使得传统的碳氮比指标在评估此类人工土壤的有机质分解动态时可能失效。其次，土壤持水量的降低主要是由于非多孔的沥青粗颗粒取代了能够持水的细颗粒基质，而非由于土壤大孔隙增加导致的优先流。这种水分条件的变化，可能解释了为什么在导水率较高的25%沥青处理中，观测到了相对较低的β-葡萄糖苷酶和碱性磷酸单酯酶活性，因为酶活性高度依赖水分有效性。
最重要的是，研究表明植被恢复并未受到高比例沥青掺入的根本性阻碍。最初建植的延迟可能与水分条件有关，但后期多样化的乡土和先锋植物（包括一年生禾草、深根性双子叶植物，甚至可能具有固氮能力的豆科植物）成功定植，说明城市环境中的植物群落具有强大的恢复潜力。堆肥的加入则为贫瘠基质提供了关键的养分和微生物活性刺激，是成功的关键辅助措施。
综上所述，这项在意大利普拉托开展的现场试验表明，将解封产生的破碎沥青以不超过25%的比例（研究中甚至50%在短期也基本可行）掺入到修复土壤中，是一种技术上可行、环境上可接受的策略。它能够显著降低解封项目的成本和对外部表土的依赖，减少建筑废物，从而推动更广泛、更可持续的城市土壤解封和生态复绿实践。当然，研究者也谨慎地指出，需要更长期的监测来评估土壤功能和生态系统服务的持久性，并需在不同气候和土壤条件下验证该方法的普适性，以确定安全且最优的沥青掺入阈值。这项研究为迈向“循环城市”和“海绵城市”的目标，提供了一条充满希望且务实的技术路径。
