上海城市綠地土壤肥力變化分析

馬 想

張 浪*

黃紹敏

張 琪

韓繼剛

土壤是農業生產的基礎、城市建設的基石，也是食物健康和生態環境安全的保障[1]。城市土壤并不是當前土壤分類學中的術語，一般認為城市土壤是分布于城市之中或者城郊地區，受各種人為活動的干擾或直接人為“組裝”后，在城市這種特殊環境下發育而成的土壤。其廣泛分布于城市公園、道路、體育場、城市河道、城郊和垃圾填埋場等區域；或者簡單地作為建筑、街道、鐵路等城市和工業設施的“基礎”而處于埋藏狀態[2-8]。城市綠地土壤是城市中植物生長的介質，綠地土壤的質量直接影響著植物的生長，以及綠地生態效益和景觀功能的發揮[9]。因此，提高城市綠地土壤質量是充分發揮城市綠地生態效益的重要措施之一[10]。

土壤質量包括土壤肥力質量、土壤環境質量和土壤健康質量[1]。土壤肥力是土壤的基本屬性和本質特征，是土壤為植物生長供應及協調養分、水分、空氣和熱量的能力，是土壤物理、化學和生物學性質的綜合反應，由物理、化學、養分和生物四大因素構成[11]。前人研究表明中國城市土壤普遍存在土壤通氣性差、容重偏高、土壤養分貧瘠，以及土壤pH值偏高等綠化障礙因子[12-14]。城市化過程會劇烈影響城市土壤質量，人為劇烈活動可能會造成土壤污染和土壤質量退化，但隨著人們對城市生態環境重要性認識的逐漸提高，對城市綠地土壤的管理措施也日益完善。合理的管理措施可以加速綠地土壤的熟化，提高土壤肥力。那么現階段城市綠地土壤的肥力質量是否在退化？其趨勢是什么？由于土壤肥力的變化是一個相對緩慢的過程，要回答土壤肥力的變化問題，需要多年土壤指標的對比分析，才能得到可靠的結論[15]。上海市為創建國家園林城市和建設“生態之城”，于2002年開展了大規模的綠化土壤肥力調查工作，并于2014年建立上海市綠地土壤質量監測網絡，以期通過綠地土壤質量的監測，為土壤培肥和改良提供理論指導，達到改善城市綠化景觀和提高綠化品質的目的[16-18]。本文基于2002年上海綠地土壤調查數據，以及2014年開始的城市土壤質量監測數據，通過對多年間土壤質量指標的數據分析，揭示上海城市綠地土壤質量的變化特征和趨勢。在此基礎上，按照《城市綠地分類標準》(CJJ/T 85—2017)[19]將研究區分為公園綠地、廣場用地和附屬道路綠地3種類型，探究城市不同類型綠地土壤質量變化的差異及成因，以期為城市土壤的可持續利用提供科學的理論指導。

1 材料與方法

1.1 布點與土壤樣品采集

于2002年在上海市18塊城市綠地進行采樣，采樣點的分布主要依據綠地面積大小、地形地貌及綠地植物種類進行設置。約2 000～10 000m2設置一個混合樣，合計采樣319份(表1)。

上海綠地土壤質量監測項目開始于2014年，采樣點依據綠地面積和植被類型設置，其中2014年共采樣568份(圖1)，2018年共采樣428份(圖2)。

1.2 土壤指標測定方法

土壤pH值采用水土比2.5:1水浸提電位法測定；電導率(EC)采用5:1水土比浸提法測定；有機質采用重鉻酸鉀外容量法測定；水解性氮用堿解—擴散法測定；有效磷用碳酸氫鈉浸提法測定；速效鉀用乙酸銨浸提—火焰光度法測定；土壤容重和通氣孔隙度采用環刀法測定。上述各指標的測定方法按照《森林土壤分析方法》(中華人民共和國林業行業標準LY/T 1210-1275—1999)操作[20]，樣品測定時設置2個平行。

圖1 2014年綠地土壤質量監測點位分布

圖2 2018年綠地土壤質量監測點位分布

1.3 數據分析及處理

1.3.1 參數標準化

為消除不同指標之間量綱的差異，需進行參數標準化，計算公式如下[21]：

當測定值屬于“差”級時，即Xi≤Xmin，則

當測定值屬于“中等”級時，即Xmin＜Xi≤Xmid，則

當測定值屬于“良好”級時，即Xmid＜Xi≤Xmax，則

表1 2002年采樣點分布

當測定值屬于“優”級時，即Xi＞Xmax，則

式中，Pi為標準化的測定值；Xi為測定值；Xmin、Xmid、Xmax為分級標準。主要參照第二次全國土壤普查分級標準和園林綠化種植土技術標準進行設定(表2)。

1.3.2 綜合評價模型

采用修正的內梅羅指數方程進行評價：

式中，Q為土壤質量綜合指數；Pi為土壤質量單指數平均值；Pmin為單質量指數最小值。參照土壤普查資料和土壤質量指數，可將綠地土壤質量分為優、良、中、差4級(表3)。

應用Excel2016和SPSS22軟件進行數據處理和統計分析，作圖采用軟件Sigmaplot14。

2 結果與分析

2.1 上海綠地土壤肥力變化

2.1.1 上海綠地土壤理化性狀變化

由表4可知，上海綠地土壤整體呈堿性，3次土壤調查pH平均值均大于7.5。2002—2018年，土壤pH平均值逐漸降低，16年間pH值降低了0.57，年均降低0.036個單位。土壤電導率(EC)平均值在2002—2014年間保持相對穩定，分別為0.21和0.23mS/cm；2014—2018年，EC降低明顯，共降低了0.06mS/cm，年均降低0.015mS/cm。土壤有機質平均含量在16年間呈明顯增加趨勢，分別為17.7、21.0和24.1mg/kg，16年間增加了6.5mg/kg，年均增加0.41mg/kg。土壤水解性氮平均值在2002—2014年間保持相對穩定，分別為65.7和63.5mg/kg；2014—2018年，水解性氮明顯增加，共增加了24.4mg/kg，年均增加6.1mg/kg。土壤有效磷平均值在2002—2014年由8.32mg/kg增加到11.76mg/kg，12年間增加了3.44mg/kg，年均增加0.29mg/kg。土壤有效鉀平均值由2002年的187.8mg/kg降低至2014年的142.8mg/kg，12年間降低了45mg/kg，年均降低3.75mg/kg；2014—2018年有效鉀的平均值基本保持穩定。土壤容重的平均值在2002—2014年基本保持穩定，為1.32g/cm3，2014—2018年土壤容重平均值增加了0.08g/cm3，年均增加0.02g/cm3。與土壤容重變化趨勢相反，土壤通氣孔隙度平均值在2002—2014年保持相對穩定，分別為3.52%和3.54%，至2018年則下降至2.11%，降幅為1.43%，年均降低0.36%。

表5為綠化種植土相關指標的技術標準[22]，通過對比可知，土壤pH值僅在2002年超過了指標范圍，2014和2018年pH值已不是綠化的主要障礙因子，但大部分綠化植物為中性或偏酸性植物，土壤pH值的降低將更有利于植物生長。土壤EC、水解性氮、有效磷和有效鉀在3次調查中均在技術要求范圍內，速效N、P、K養分不是上海綠化的限制因子。土壤有機質平均值在2002年低于技術最低要求，之后隨著有機質含量的增加，也達到了綠化種植土的技術要求。土壤容重在2002—2014年符合綠化種植土技術要求，但在2018年超過了容重的閾值，成為綠化的障礙因子。土壤通氣孔隙度在2002—2018年均低于技術最低值，通氣孔隙度是上海城市綠地土壤綠化的主要障礙因子。

3次土壤調查中，上海綠地土壤pH值、有機質和容重3項指標的平均值變化較為明顯，且其變化范圍超過了綠化種植土理化指標技術的閾值。圖3a為上海綠地土壤在3次調查中pH值分布頻率的變化，由圖可知，2002—2018年隨著時間的變化，＜8的樣本逐漸增加，≥8.5的樣本逐漸減少，2014年pH值在8.0～8.5的樣本占比最大，而到2018年則為＜8.0的樣本占比最大，表明大部分上海綠地土壤pH值正在逐漸降低。圖3b為上海綠地土壤在3次調查中有機質分布頻率的變化，由圖可知，＜10g/kg的樣本逐漸減小，而≥20g/kg的樣本逐漸增加，表明部分綠地土壤有機質含量在逐漸增加。 圖3c為上海綠地土壤在3次調查中土壤容重分布頻率的變化，由圖可知，＜1.0g/cm3的樣本在3次調查中占比均較小，1.0～1.35g/cm3的樣本逐漸減少，≥1.35g/cm3的樣本明顯增加，表明上海綠地土壤容重在逐漸增加，且已有超過50%的樣地土壤容重超過了綠化種植土的技術標準。

表2 土壤綜合肥力評價因子分級標準

表3 土壤質量分級標準

表5 綠化種植土理化指標技術要求

表4 不同年份上海綠地土壤理化性狀比較

2.1.2 上海綠地土壤綜合肥力變化

利用修正的內梅羅公式計算綠地土壤的綜合肥力指數，結果表明，上海綠地土壤的綜合肥力指數在2002、2014和2018年分別為0.97、1.04和1.25。土壤綜合肥力呈上升趨勢，2002—2014年綜合肥力指數增加了0.07，年均增加0.006個單位；2012—2014年綜合肥力指數增加了0.21，年均增加0.05個單位。2014—2018年上海綠地土壤綜合肥力提升速率約為2002—2014年的8倍。

2.2 公園綠地土壤肥力變化

2.2.1 公園綠地土壤理化性狀變化

根據《城市綠地分類標準》，3次調查的城市綠地可以分為公園綠地、廣場用地和附屬道路綠地3種類型。表6為3次調查中公園綠地土壤的理化性狀，由表可知，土壤pH值在2002—2018年均呈堿性，其中2002—2014年pH平均值保持相對穩定，分別為8.12和8.17，2014—2018年降低了0.41，年均降低0.10個單位。參照《綠化種植土標準》，公園綠地土壤pH值不是其綠化障礙因子。公園綠地土壤的有機質平均值在3次調查中均大于20g/kg，屬于高肥力土壤有機質等級；2002—2014年土壤有機質平均值基本保持穩定，2014年之后迅速提高，至2018年提高了3.3g/kg，年均提高0.83g/kg。公園綠地土壤EC、水解性氮、有效磷和有效鉀平均值在3次取樣中均有所波動，但其含量均在《綠化種植體標準》要求的技術標準范圍內。2002—2018年3次取樣中，公園綠地土壤的容重隨時間的變化呈增加趨勢，分別為1.29、1.32和1.39g/cm3，僅2018年大于1.35g/cm3的標準閾值。但土壤通氣空隙度在3次取樣中均小于標準要求的最低值1.35g/cm3。

2.2.2 公園綠地土壤綜合肥力變化

利用修正的內梅羅公式計算公園綠地土壤的綜合肥力指數，結果表明，上海公園綠地土壤的綜合肥力指數在2002、2014和2018年分別為1.09、1.05和1.35，均為中等肥力水平。土壤綜合肥力指數在2002—2014年基本保持穩定，2014—2018年綜合肥力指數增加了0.30，年均增加0.075個單位。

2.3 廣場用地土壤肥力變化

2.3.1 廣場用地土壤理化性狀變化

廣場用地土壤pH值在3次取樣中均大于7.5，其中2002—2014年平均值大于標準要求的技術范圍(表7)；土壤pH值隨時間變化逐漸降低，2002—2018年土壤pH平均值降低了0.62，年均降低0.04個單位。土壤有機質逐漸增加，2002年土壤有機質平均值為17.5g/kg，低于標準要求的18g/kg；至2018年達到24.2g/kg，增加了6.7個單位，年均增加0.42g/kg。土壤EC、水解性氮、有效磷和有效鉀平均值在3次取樣中有所波動，但均在標準要求的技術范圍內。土壤容重平均值在2002—2014年保持相對穩定，2014—2018年增加了0.15個單位，年均增加0.037g/cm3。土壤通氣孔隙度在3次取樣中均低于標準要求的5%，土壤通氣孔隙度是廣場用地綠化的障礙因子之一。

2.3.2 廣場用地土壤綜合肥力變化

利用修正的內梅羅公式計算廣場用地土壤的綜合肥力指數，結果表明，上海廣場用地土壤的綜合肥力指數在2002、2014和2018年分別為0.95、1.02和1.25。土壤綜合肥力呈上升趨勢，2002—2014年綜合肥力指數增加了0.07，年均增加0.006個單位；2012—2014年綜合肥力指數增加了0.23，年均增加0.058個單位。2014—2018年上海廣場用地土壤綜合肥力提升速率約為2002—2014年的10倍。

2.4 附屬道路綠地土壤肥力變化

2.4.1 附屬道路綠地土壤理化性狀變化

根據《城市綠地分類標準》，道路周邊綠地歸于附屬道路綠地。表8為3次調查中附屬道路綠地的土壤理化性狀。附屬道路綠地土壤pH值在3次取樣中均大于7.5，呈堿性，從時間變化上來看，土壤pH值逐漸降低，16年間降低了0.72，年均降低0.045個單位。土壤有機質平均值呈增加趨勢，2002—2018年由14.8g/kg增加至24.2g/kg，增加了9.4g/kg，年均增加0.59個單位。土壤EC、水解性氮、有效磷和有效鉀在3次取樣中有所波動，但均在標準要求的技術范圍內。土壤容重在2002和2018年的取樣中均大于1.35g/cm3，通氣孔隙度均小于5%，附屬道路綠地的容重和通氣孔隙度均是其綠化的障礙因子。

2.4.2 附屬道路綠地土壤綜合肥力變化

利用修正的內梅羅公式計算附屬道路綠地土壤的綜合肥力指數，結果表明，上海附屬道路綠地土壤的綜合肥力指數在2002、2014和2018年分別為0.87、1.04和1.25。土壤綜合肥力呈上升趨勢，2002—2014年綜合肥力指數增加了0.17，年均增加0.014個單位；2012—2014年綜合肥力指數增加了0.21，年均增加0.05個單位。2014—2018年上海附屬道路綠地土壤綜合肥力提升速率約為2002—2014年的4倍。

3 討論

3.1 上海城市綠地土壤肥力時間變化特征

綠地土壤肥力是影響城市綠化質量和植物景觀效應的重要影響因子[9]。本研究表明上海城市綠地土壤綜合肥力指數逐漸增加，從全市綠地土壤理化性狀的平均值來看，土壤化學指標，如pH值和有機質含量在逐漸改善，但物理性狀退化形勢依然嚴峻。上海城市綠地土壤pH值均大于7.5，呈堿性，這與其他城市土壤pH值的研究結果一致，如湖北、湖南城市土壤pH平均值達7.9[23-24]，南京城市土壤pH中值達8.2[25]。城市土壤pH值較高，與人為活動造成的碳酸鈣及鈣鎂碳酸鹽等堿性物質的輸入有關[26]。但通過對比3次取樣結果可以發現，土壤pH值在逐漸降低。有研究表明，適宜植物生長的pH值范圍是6.5～7.5，pH值過低鹽基離子易流失，pH值過高則易造成中微量元素鈍化，影響植物吸收[27]。上海城市綠地土壤pH值逐漸降低，綠地土壤質量正在逐漸改善，表明已建成綠地在合理的人為管理措施下，土壤pH值可逐漸改善。值得注意的是，雖然土壤pH值在降低，但截至2018年的綠地土壤pH值仍超過植物最適宜生長的范圍，土壤pH值的改善仍是上海綠地土壤肥力質量提升的重點之一。土壤有機質是維持土壤肥力的核心指標，本研究表明上海城市綠地土壤有機質含量在逐漸增加。從全市綠地土壤有機質含量的平均值來看，2002年上海綠地土壤有機質含量低于綠化種植土的技術要求(20g/kg)，至2014和2018年時，土壤有機質含量均達到綠化種植土技術要求，表明城市綠地建成后在合理的管理措施下，土壤有機質含量可以逐漸增加。城市綠地土壤有機質含量低，與綠地建造時表土剝離，以及有機質含量低的底層土和肥力較差的客土覆蓋有關[28]。建成綠地后，植物凋落物和根系分泌物的轉化可以增加土壤有機質含量，且不同植被類型對綠地土壤有機質含量的提升效果不同，如韓榮初等[29]研究發現，灌草綠化種植對土壤有機質的提升作用顯著高于喬木和喬草種植。本研究還發現，2014—2018年上海綠地土壤有機質的提升速率顯著高于2002—2014年，這可能與園林養護管理措施的改變有關，2011年上海發布了《園林綠化養護技術規程》[30]，有機肥在園林養護中被推廣應用，外源碳的輸入增加，可加快提升土壤有機質含量。

土壤環境的劇烈改變會影響土壤中養分的有效性，有研究表明城市土壤氮礦化速率低于自然土壤，與自然土壤相比，城市土壤不能提供充足的速效N、P、K供園林植物吸收利用[31-32]。然而本研究中上海綠地土壤速效N、P、K的含量，在2002、2014和2018年的3次取樣中，均達到綠化種植土的技術要求，這可能與園林養護過程中化學肥料的施用有關。其中水解性氮和速效磷雖處于低水平，但基本達標；而速效鉀的含量較高，這可能與上海的土壤主要由長江沖積物母質發育有關，黏粒礦物以水云母和蛭石為主[33]，因此K2O含量較高。值得注意的是，上海綠地土壤有效鉀含量雖處于較高水平，但下降趨勢明顯，所以在今后的施肥和管理措施中，也應注意鉀素的補充。

表6 上海公園綠地土壤理化性狀

表7 上海廣場用地土壤理化性狀

表8 上海附屬道路綠地土壤理化性狀

土壤容重和通氣孔隙度是土壤重要的物理性質，也是土壤肥力的重要指標。城市綠地土壤的物理性質退化是普遍存在的綠化障礙因子，深圳綠地土壤表層的容重平均為1.55g/cm3，土壤總孔隙度平均為39.7%[28]；哈爾濱城市綠化用地土壤容重達1.71g/cm3，土壤通氣孔隙度僅1.7%[34]。本研究中，上海綠地土壤容重平均值在2002和2014年達到了綠化種植土技術要求(1.35g/cm3)，但仍有超過40%的樣地土壤容重超過1.35g/cm3。2018年綠地土壤容重平均值達1.40g/cm3，超過60%的樣地土壤容重超過1.35g/cm3。上海綠地土壤通氣孔隙度在3次取樣中，均小于綠化種植土的技術要求(＞5%)。城市土壤容重與人為的壓實作用密切相關，已建成綠地可以在人為疏松和植物根系及土壤動物的作用下，改善土壤壓實現象。在莫斯科[35]，已建成平均時間達69年的城市綠地土壤容重比建成9年的樣地低0.32g/cm3。

3.2 不同類型城市綠地土壤肥力變化差異

根據人類活動的要求，城市綠地可以分為不同的功能區域，不同類型綠地間土壤理化性質在不同的人為干擾作用下會發生不同的變化[24]。本研究中，3種類型的城市綠地土壤綜合肥力指數均呈逐漸上升趨勢，且化學性質逐漸改善，如pH值降低、有機質和速效養分增加；但物理性質逐漸退化，如土壤容重增加、通氣孔隙度降低。公園綠地起始土壤肥力質量最高，廣場用地次之，附屬道路綠地最低，2002年綜合肥力指數分別為1.09、0.95和0.87。在2002—2014年間，公園綠地土壤pH值和有機質并未顯著改善，這可能與本底值較高、自然凋落物進入土壤并不能迅速提高土壤有機質有關。但廣場用地和道路附屬綠地則因較低的本底值，依靠植物生長過程的凋落物和根系分泌物即可顯著提高土壤有機質含量。2014—2018年間，由于對有機肥施用的推廣和重視，公園綠地、廣場用地和附屬道路綠地土壤有機質均顯著增加。還有研究表明，城市土壤有機質含量與植被類型有關，軟闊林土壤有機質含量最高，針闊混交林土壤有機質含量最低[36]，其原因可能與不同植被凋落物影響土壤微生物群落多樣性，進而影響凋落物的分解速率有關。土壤容重的變化在不同類型綠地間也表現出了一定的差異。附屬道路綠地被人為踩踏、壓實等現象較為嚴重，因此在2002年土壤容重即超過綠化種植土技術要求，達1.39g/cm3，與2018年無顯著差異。而公園綠地和廣場用地的土壤容重則在2014—2018年顯著增大。北京市綠地土壤容重也表現為：道路綠地(1.48g/cm3)＞公園綠地(1.46g/cm3)＞廣場綠地(1.39g/cm3)[37]，與本研究結果相似，人為壓實活動越劇烈的區域土壤容重越大，表明人為活動顯著影響了城市綠地土壤的物理性質。由此可見，不同類型城市綠地土壤肥力變化的差異，受到本底土壤理化性質和人為活動影響的共同作用。

4 結論

上海城市綠地土壤總體呈堿性，2002—2018年pH值呈逐漸降低趨勢。對照綠化種植土的技術要求，上海城市綠地土壤有機質、堿解氮和有效磷處于中等偏下水平，但隨時間的變化逐漸提高；土壤有效鉀含量較高，但其含量在逐漸降低。總體而言，上海城市綠地土壤綜合肥力在逐漸提高，但土壤容重和通氣孔隙度均超過綠化種植土的技術標準閾值，表明在當前的管理措施下，綠地土壤養分指標明顯改善，但土壤物理性質退化。因此在今后的城市綠地管理過程中，需要更加注重土壤物理性質的改善。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝上海園林科學規劃研究院張冬梅教授級高工和張維維博士在論文寫作過程中給予的幫助。