上海城市化地區孤島狀山體殘存半自然森林植被土壤特征*

張慶費　鄭思俊　林明銳

1　上海辰山植物園　上海　201602 2　上海市園林科學規劃研究院　上海　200232 3　華東師范大學環境科學系　上海　200062

上海城市化地區孤島狀山體殘存半自然森林植被土壤特征*

張慶費1鄭思俊2林明銳3

1上海辰山植物園上海201602 2上海市園林科學規劃研究院上海200232 3華東師范大學環境科學系上海200062

摘要：通過對上海辰山植物園辰山山體殘存半自然森林群落土壤理化因子的測定，結合凋落物和巖石裸露等相關分析，探討城市化地區孤島狀山體殘存植被土壤特征。結果表明，辰山山體殘存半自然植被的土壤容重、密度、毛管孔隙度多低于人工植被土壤，土壤呈弱酸性，與上海普遍的中性偏堿森林土壤明顯不同，殘存半自然植被土壤有機質含量與總氮、總磷等養分含量較高。辰山孤島狀山體土壤理化性質不僅與殘存植被協同變化，也與群落凋落物顯著相關，且與地形和人為干擾有關。

關鍵詞：土壤性狀，殘存森林植被，半自然群落，凋落物，辰山植物園，上海

隨著城市化進程加快和土地利用方式的劇烈改變，城市植被結構與物種組成發生明顯變化[1-2]，城市土壤主要功能在時空上也在發生可逆或不可逆變化[3]。處于城市化地區的殘存森林植被雖受到生境破碎化的影響，但仍保留近自然生態系統的特征，在區域生物多樣性保護中具有重要價值[4-5]。

植被與土壤具有協同作用。土壤理化性質影響植被發生、發展和演替，與植物群落組成結構和植物多樣性關系密切，同時也因植被演替而發生改變[6-7]。森林土壤理化性質研究主要圍繞自然和人工森林，城市森林土壤研究主要針對城市人工林土壤特性[8-11]，較少涉及城市化地區殘存森林植被土壤特征及其對人為干擾的響應。

上海是我國城市化程度最高的地區之一，絕大多數土地被建筑物和人工植被取代；但島嶼和山系尚殘存少量人為干擾較少的森林植被，對上海生物多樣性保護以及受損生態系統植被恢復具有重要參照價值[12]。本文以上海辰山為研究對象，選取代表性殘存植被，研究不同起源群落的土壤理化特性，分析殘存自然植被生境特征，為城市近自然森林培育、區域植被生態恢復提供依據和借鑒。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究地區與森林群落概況

辰山地處上海市松江區佘山低丘地區(N 31°04′41″，E 121°10′49″)的孤島狀山丘，周邊原為住宅、會議中心、公路等包圍。海拔71.4 m，平均坡度33.1°，山體面積28 hm2。2007年，上海辰山植物園動工興建，2010年建成，辰山也成為辰山植物園的組成部分。辰山屬天目山余脈的東延，為殘積弱富鋁化母質所發育的黃棕壤，與上海地區沖積平原常見的水稻土和灰潮土不同。其土層較薄，腐殖質層薄，以砂質或粗砂質的壤質土壤為主，質地較為堅實并呈砂質，石礫較多，坡體巖石裸露率較高。

在20世紀50年代，辰山植被曾遭破壞，60年代初人工栽植楓香(Liquidambarformosana)、刺槐(Robiniapseudoacacia)，70年代在山腳栽植毛竹(Phyllostachysheterocycla)，90年代在樸樹(Celtissinensis)疏林內栽植塊狀的禿瓣杜英(Elaeocarpussylvestris)等。由于該山體毗鄰軍事基地，長期處于封閉管理狀態，經過50多年的封山育林和自然演替，已形成以落葉闊葉林為主、常綠落葉闊葉混交林和竹林綴塊伴生的半自然植被。辰山殘存半自然植被以楓香、刺槐、臭椿等落葉闊葉林為優勢群落，主體處于地帶性常綠闊葉林演替的初期或中期的過渡階段。典型的半自然森林群落主要有楓香臭椿群落、刺槐群落和三角楓群落，人工起源明顯的群落主要有禿瓣杜英群落和毛竹群落[4]。

應用社會群落學調查方法進行群落調查得到主要群落類型的特征如表1。

禿瓣杜英群落是比較典型的人工植被群落，與其他半自然群落鑲嵌分布，林冠郁閉度高。20世紀90年代在樸樹疏林中栽植禿瓣杜英，伴生構樹(Broussonetiapapyrifera)、烏桕(Sapiumsebiferum)、女貞(Ligustrumlucidum)、冬青(Ilexchinensis)和刺槐等樹種；刺槐群落以高大的刺槐為優勢種，次優勢種有楓香、樸樹以及零星分布的香樟(Cinnamomumcamphora)、糙葉樹(Aphanantheaspera)和榆樹(Ulmuspumila)等；楓香臭椿群落分布面積較大，喬木層以楓香為優勢種，臭椿(Ailanthusaltissima)以次優勢種出現在亞喬木層，伴生種有櫸樹(Zelkovaserrata)和樸樹等；三角楓群落以三角楓(Acerbuergerianum)為優勢種，次優勢種有臭椿、刺槐、香樟等，還伴生樸樹、榔榆(Ulmusparvifolia)、冬青等；毛竹群落分布在山體下部，以毛竹為優勢種，竹林混交著三角楓、糙葉樹等落葉樹種。

表1　辰山典型群落概況

1.2 研究方法

在每個群落類型進行梅花型5點隨機取樣，取樣土層為0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm共3個層次。采用環刀一次取樣連續測定土壤水分物理性質，利用FIA-6000流動注射分析儀測定土壤樣品的全氮、全磷，土壤的有機質采用重鉻酸鉀外熱法，土壤pH值與電導率通過水浸提液用酸度計測定。在不同群落的標準樣方中，以梅花型布點方式在各群落樣地中收集5個1.0 m×1.0 m樣方內的凋落物，區分優勢種的凋落葉、枝、花、果等以及動物殘體、排泄物等其他組分，在80℃烘箱中烘干至恒量并稱量。

2 結果與分析

2.1 土壤物理性質

由表2可見，在土層垂直分布上，土壤含水量和最大持水量隨土層深度增加而下降；但在不同群落間，0～10 cm土層中楓香臭椿群落、刺槐群落、禿瓣杜英群落土壤含水量在200 g/kg以上，高于禿瓣杜英群落和毛竹群落，而楓香臭椿群落最大持水量顯著大于其他植物群落。

土壤密度、土壤孔隙度、通氣度、容重等物理指標密切相關。在土層垂直分布上，0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土壤密度均值分別為1.25 g/cm3，1.42 g/cm3，1.38 g/cm3，均接近自然土壤平均密度(1.3 g/cm3)，并均低于上海平原綠地土壤密度(1.44～1.61 g/cm3)；而0～10 cm土壤含水量均值為19.4%，顯著高于上海平原綠地0～10 cm土壤含水量14.6%～17.6%，10～20 cm和20～30 cm土層含水量分別為16.5%和15.9%。這可能與植被土壤表層凋落物層較厚且上層郁閉度高有關，且這種現象在表層0～10 cm土壤更為顯著。0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土壤的總孔隙度均值分別為57.7%，50.9%，50.4%，而通氣孔隙分別為11.5%，6.3%，8.0%。可見，辰山表層土壤總孔隙度和通氣孔隙均顯著高于上海平原人工林表層土土壤(42.2%和7.38%)[11]。

在不同群落間，在0～10 cm土層中，毛管孔隙度、土壤密度、土壤容重隨著落葉闊葉林至常綠落葉混交林的序列逐漸增大，而竹林則下降；總孔隙度、土壤通氣度則呈相反的變化趨勢。土壤含水量在不同群落間保持平穩，而最大持水量、毛管持水量的變化較顯著。毛管持水量變化呈隨機性，最大持水量則呈下降趨勢，土壤體積含水量呈上升趨勢，而竹林則下降。不同群落間的土壤孔隙結構以及土壤容重、密度差異均不顯著。在土壤水分指標中，土壤含水量和土壤體積含水量在不同階段的變化不顯著，禿瓣杜英群落和毛竹群落毛管持水量與其他群落存在顯著差異(p<0.05)，且在各土層表現均不一致：在0～10 cm土層中呈顯著下降；在20～30 cm土層呈顯著上升，呈現隨機性。用空間替代時間的方法，將“演替前中期——人工與自然鑲嵌型”組成時間序列，則孔隙結構和持水性均平穩；而毛竹林、禿瓣杜英等人工影響較大的群落可能導致局部壓實和板結等現象，間接導致土壤物理水分指標的不確定性增加。

表2　辰山不同植物群落土壤物理性質

注：表中同行數據不同小寫字母表示在p<0.05水平上差異顯著，同列不同大寫字母表示在p<0.05水平上差異顯著。

因此，辰山山體半自然群落的土壤容重、土壤密度、毛管孔隙度均低于禿瓣杜英群落以及毛竹群落等人工群落，而其表層通氣孔隙度和總決孔隙度均高于后者；在10～20 cm土層除刺槐群落外，主要優勢群落楓香臭椿群落孔隙特性仍表現出與表層相同趨勢；而在20～30 cm土層，除土壤通氣度仍較高外，群落間的孔隙特性差異趨于平緩。

2.2 土壤化學性質

由表3可知，辰山植物群落土壤呈弱酸性，pH值多在6.1～6.7，與上海土壤普遍呈中性偏堿不同。在土層垂直分布上，僅在三角楓群落和毛竹群落的土壤pH值隨深度增加而增加，其他3個群落土壤pH值隨深度增加而減小；在不同群落間，0～10 cm土層各群落pH值基本接近，10～20 cm和20～30 cm土層各群落pH值相差較大，楓香臭椿群落和刺槐群落的10～20 cm和20～30 cm土層pH值較低。

表3　辰山不同植物群落土壤化學性質

注：表中同行數據不同小寫字母表示在p<0.05水平上差異顯著，同列不同大寫字母表示在p<0.05水平上差異顯著。

辰山土壤有機質含量總體偏低，30 cm以上土層有機質均值為3.86 g/kg，顯著低于平原森林(15.52 g/kg)[11]。在土層垂直分布上，除毛竹群落和三角楓群落，各群落土壤有機質含量均隨深度增加而顯著降低，竹林有機質含量隨土壤深度增加先下降后略增加。在不同群落間有機質含量也有差異，0～10 cm土層楓香臭椿群落、刺槐群落、三角楓群落、禿瓣杜英群落、毛竹群落的有機質含量依次降低，10～20 cm和20～30 cm土層各群落有機質含量差異減小。總之，以人工栽植為主的毛竹群落和禿瓣杜英群落表層有機質較低，而半自然的落葉林群落則較高，這可能與凋落物數量與植物多樣性有關；但下層土壤有機質含量則缺乏明顯規律性，可能與地形的差異有關。

碳氮比在土層深度垂直分布上總體呈現從表層到深層逐漸下降趨勢。不同群落間，落葉闊葉林土壤有機質碳氮比范圍為1.90～2.90，常綠落葉闊葉混交林為0.79～3.35，而毛竹群落碳氮比變幅縮窄為0.60～0.99。這與氮含量在毛竹群落各層普遍升高有關。30 cm土層以上土壤的總氮和總磷含量均值分別為2.72 g/kg和0.77 g/kg，均低于平原綠地土壤的總氮(3.78 g/kg)和總磷(1.13 g/kg)[18]；而土壤層間分布具有不同特征，楓香臭椿群落、刺槐群落、三角楓群落等半自然群落的總氮總磷隨深度增加而下降趨勢比較明顯，毛竹群落則相反。

總氮和總磷在土層垂直分布上變化趨勢一致，禿瓣杜英和毛竹群落隨深度增加先下降后增加，其他群落隨深度增加而下降。在不同群落間，毛竹林土壤的總氮和總磷均明顯高于其他群落類型。在表層土壤落葉林高于禿瓣杜英常綠林，這與凋落物較多且容易分解有關；而下層則是禿瓣杜英常綠林高于楓香等落葉林，可能與禿瓣杜英人工林的人工培育措施有關。

可見，辰山山體土壤呈弱酸性，因地形以及殘存的半自然群落，相比較高強度人為管護的平原森林，土壤有機質、氮和磷等含量偏低；但位于山腳且人工管護的毛竹林則表現處與平原森林相似的特性，其他類型以演替前中期的半自然群落土壤養分含量較高。楓香臭椿群落、刺槐群落、三角楓群落的各項土壤化學因子均隨土層深度增加而降低，土壤特性較一致。

3 討論

作為城市化影響下的孤島狀山體，辰山土壤化學性質呈現比較明顯的層次變化規律，即隨著土壤深度的增加，有機質、總氮和總磷等逐漸降低，這一變化規律與其他山地土壤養分的層次變化格局類似[13]；但不同于其他山體不同土壤層次間物理性質差異性質的特點，辰山土壤各層次間物理性質趨于相同，這可能與上海辰山森林群落的土壤物理水分特性、土壤養分特征與其群落發育協同變化以及一定程度的人為干擾有關。將演替前中期半自然群落(優勢種為楓香、臭椿、刺槐等)，人工與自然起源鑲嵌類型群落(優勢種為禿瓣杜英、三角楓等)，人工純林(毛竹)3種類型組成序列，則人工竹林受到人類干擾較頻繁，土壤物理水分指標的不確定性增加；對于指示土壤養分性質的總氮(TN)量和總磷(TP)量，在0～10 cm表土層中表現為隨序列進程下降，人工竹林階段顯著上升。

通過凋落物現存量比較，有利于了解不同森林群落養分和能量的變化，同時，森林凋落層對土壤理化性質具有明顯影響[14]。由圖1可以看出，辰山各優勢群落的凋落物現存量排序為毛竹群落>楓香臭椿群落>三角楓群落>刺槐群落>禿瓣杜英群落，表現出辰山優勢種楓香、臭椿等落葉樹種的凋落物貯量相對較高的特征。結合本研究土壤理化性質數據分析，凋落物積存并沒有顯著改善土壤水分物理狀況，這可能與山體特殊地形和石礫含量較高有關；但對養分回歸起到調節作用，因為第一生產力主要通過地表凋落物回歸土壤，凋落物的分解是土壤有機養分積累和C平衡的關鍵環節[15]。同時，群落的物種組成對凋落物產量和組成具有顯著影響[16]。不同植物對土壤養分循環的影響不同，植被群落通過凋落物回歸的質量和數量影響可溶性有機質的轉移和養分的有效性，從而對土壤養分循環產生影響[17]。所以，從凋落物貯量與總氮、總磷的相關性來看，不同階段群落的土壤養分特征與其群落特征較匹配，植被以凋落物為“載體”傳遞土壤在養分方面協同發育的信息。

圖1　辰山不同植物群落的凋落物現存量

作為表現山體植物群落與生境間生態關系的重要指標，巖石裸露率在山體森林生態特征、基質植被耦合關系研究中得到重視，反映了山體母質對土壤發育的制約[18]。表4顯示了凋落物貯量在0～10 cm的表土層中與土壤物理水分特性缺乏明顯相關性，而與總氮量和總磷量均有較強相關性；而在20～30 cm的下層土壤中，凋落物貯量對養分分配的影響力減弱，與土壤養分無顯著相關性(0.5

隨著城市化發展，殘存的森林斑塊面臨更加強烈的土地利用方式以及城市熱島效應等小氣候變化的干擾，有效的管理需要更好地了解植被對干擾的適應和響應。通過研究上海辰山殘存植被的土壤性狀，不僅有利于分析城市化對森林植被及其生境的影響，也有利于通過生境營造途徑促進近自然森林植被的恢復與重建。

表4　凋落物貯量、巖石裸露率與各土壤理化指標的相關系數

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Soil Properties of Remnant Semi-natural Forest Vegetation on Isolated Hills in Shanghai Built Area

Zhang Qingfei1Zheng Sijun2Lin Mingrui3

(1.Shanghai Chenshan Botanical Garden,Shanghai 201602,China;2.Shanghai Academy of Landscape Architecture Science and Planning, Shanghai 200232,China;3.Department of Environmental Science, East China Normal University, Shanghai 200062,China)

Abstract:This paper discussed the soil properties of the remnant forest vegetation on isolated hills located in built area of Shanghai by testing the soil physical and chemical factors of the remnant semi-natural forest vegetation in Shanghai Chenshan Botanical Garden and analyzing the litterfall and rock exposure. The results showed that bulk density, density and capillary porosity capacity of soil in semi-natural vegetation communities was lower than those of artificial vegetation soil. And the soil there is weak acidic, which differs from the neutral and alkaline soils of most forest in Shanghai, and also contains higher organic matter content, total N and total P.In Chenshan, which is an isolated island-like hill, the soil physical and chemical properties have changed synchronously with the natural process of the vegetation communities, and are significantly correlated with the litterfall, terrain and human disturbance respectively.

Key words:soil properties, remnant forest vegetation, semi-natural community, litterfall, Chenshan Botanical Garden

收稿日期：2015-11-05

*基金項目：上海市綠化和市容管理局辰山專項“基于大樣地的上海城市森林生物多樣性監測研究”(G142418)

作者簡介：張慶費，教授級高級工程師，從事城市森林與城市生物多樣性研究，E-mail：qfzhang@126.com

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2016.02.005