城市典型搬遷地土壤質量特征及綠化障礙因子研究

梁 晶

伍海兵

張 浪*

隨著人口不斷增加，城市土地資源日趨緊張，土地置換開發已成為城市土地可持續利用的重要手段[1]。尤其是城中村、工企業等城市困難立地，已不能滿足城市生態宜居的要求，逐漸被搬遷并規劃為城市發展用地。其中，綠化是城市發展規劃的重要組成部分，也是唯一有生命的基礎設施。作為“生態文明”建設的重要內容，綠化質量直接影響到城市文明和生態環境建設的質量和水準。隨著城市綠化需求快速增加與土地資源緊缺的矛盾日益嚴重，越來越多的困難立地被廣泛用于綠化建設[2]。城市搬遷地作為困難立地的主要類型之一[3]，由于搬遷地原場地所從事的生產或活動不同，其土壤質量存在差異。例如，城中村搬遷地可能存在一些菜園地、農田等用地，經過人為耕作或培肥，土壤質量往往相對較好；而某些化工場地，雖然在搬遷后經過土壤修復，土壤污染得到了控制，但在修復中土壤質量遭到了不同程度破壞或退化，其土壤是否適合綠化尚不清楚。以往學者更關注搬遷地污染特征[4]及其修復技術研究[5]，對土壤理化特征研究較少，更缺乏對搬遷地綠化用土壤質量主要障礙因子的研究，然而搬遷地土壤質量的優劣直接決定綠化的成敗。為此，本研究以上海城中村和工企業搬遷地為典型案例，主要對場地中的土壤理化性質進行調查和分析評價，并對不同類型搬遷地土壤質量進行對比分析，探討搬遷地土壤理化性質特征規律、障礙因子及其障礙程度，為城市搬遷地用于綠化提供理論依據，提升搬遷地綠化質量水平，以期為城市綠化景觀效果的充分發揮提供技術保障。

1 研究區域和方法

1.1 研究區域概況

上海地處東經120°52′～122°12′、北緯30°40′～31°53′，屬亞熱帶季風性氣候，年均氣溫17.6℃，年均日照1 886h，年均降雨量1 173mm。上海位于長江入海口、太湖流域東緣，是長江三角洲沖積平原的一部分。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集和處理

選擇上海浦東新區、普陀區、嘉定區和青浦區4個行政區的城中村和工企業搬遷地共27個樣點作為研究對象(圖1)，其中城中村搬遷地采集了13個樣點，其歷史用地中包含宅基地、農田、附屬綠地等；工企業搬遷地采集了14個樣點，其歷史用地中包含工業園區、機械鑄造廠、物流倉儲、紡織廠等。采集0～50cm的表層土，每個樣點做5組重復。

圖1 搬遷地土壤采樣點分布(作者繪)

1.2.2 測定方法

土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、飽和持水量和田間持水量采用環刀法，土壤入滲率采用雙環刀法，石礫含量采用質量法，土壤pH值采用電位法，土壤電導率(EC)采用電導法，土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，土壤水解性氮采用堿解-擴散法，土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提法，土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法[6]。

1.2.3 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件對數據進行統計分析，采用單因素方差分析(oneway ANOVA)和LSD法對不同搬遷地類型土壤理化性質的差異性進行方差分析和多重比較(α=0.05)，采用主成分分析法對搬遷地土壤進行主要因子分析。

2 結果與分析

2.1 搬遷地土壤理化性質特征

2.1.1 土壤容重

搬遷地土壤容重變化較大，變化范圍為0.90～1.63Mg/m3，均值為1.42Mg/m3(表1)，土壤容重大，壓實較嚴重，這與楊金玲等研究結果一致[7]。其中，土壤容重最小的點位于嘉定區的城中村搬遷地地塊，而容重最大的點位于浦東新區的工企業搬遷地地塊。有研究表明，當土壤容重達到1.4Mg/m3時，植物的根系生長會受到限制[8]。行業標準《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)要求土壤容重小于1.35Mg/m3，而上海則有77.8%搬遷地土壤容重超過了1.35Mg/m3，甚有59.3%的搬遷地土壤容重超過了1.4Mg/m3。可見，搬遷地土壤容重過高，是影響其作為綠化用的主要障礙因素之一。

2.1.2 土壤水分

搬遷地土壤飽和持水量(253.90～684.94g/kg)和田間持水量(241.63～627.16g/kg)變化均較大，且均值分別為350.55和320.88g/kg(表1)，土壤飽和持水量和田間持水量均較低。這表明，搬遷地土壤供水和水分涵養能力較差，用于綠化時，應加強水分的供給，以防止植物因缺水而死亡。另外，搬遷地土壤飽和持水量與田間持水量變異系數較大，分別為0.24和0.23，說明各搬遷地土壤水分變化較大。

2.1.3 土壤孔隙

搬遷地土壤各類孔隙變化均較大，其中非毛管孔隙度變化范圍為1.22%～6.06%，均值僅為3.31%(表1)。土壤非毛管孔隙度整體偏低，低于上海中心城區綠地土壤[9]，也低于南京城市土壤[7]。土壤非毛管孔隙度最小的點位于浦東新區的工企業搬遷地，最大的點位于青浦區的城中村搬遷地。《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)要求土壤非毛管孔隙度在5%～25%，但僅有2個城中村搬遷地土壤樣點在標準范圍內，其他92.6%的搬遷地小于標準要求。搬遷地土壤毛管孔隙度變化范圍為39.01%～57.65%，均值為45.33%；總孔隙度變化范圍為41.23～61.41%，均值為48.64%，土壤毛管孔隙度和總孔隙度也均較低。有研究表明，適合植物生長的最佳孔隙度在50%～56%[10]，而本次調查的27個樣點中，有67%的土壤總孔隙度低于50%。另外，在搬遷地各類孔隙中，毛管孔隙度和總孔隙度的變異系數相對較小，分別為0.09和0.10；而非毛管孔隙度變異系數較大，為0.40。由此可見，不同搬遷地樣點間土壤毛管孔隙度和總孔隙度空間變異相對較小，而土壤非毛管孔隙度空間變異較大，這與伍海兵研究上海中心城區不同綠地土壤各孔隙度的變化相一致[9]。

2.1.4 土壤入滲率

搬遷地土壤入滲率變化大，變化范圍為0～112.41mm/h，均值為13.68mm/h，而中位數僅為1.05mm/h(表1)，低于上海中心城區綠地土壤入滲率(3.5mm/h)[9]，也低于《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)中要求入滲率大于5mm/h的最低限值要求。另外，各搬遷地土壤入滲率變異系數大，高達2.04，不同搬遷地土壤入滲率空間變異大。

2.1.5 石礫含量

土壤中的石礫會改變土壤容重、孔隙度及有機質含量等理化性質[11-12]。上海搬遷地土壤石礫含量變化較大，變化范圍為0～29.64%，均值為5.09%(表1)，土壤中石礫含量相對較高，這也是當前城市普遍存在的問題[13]。另外，搬遷地土壤石礫含量變異系數大，高達1.51，說明各搬遷地土壤石礫變化較大，空間變異性大。

表1 搬遷地土壤理化指標統計分析

2.1.6 土壤pH值

搬遷地土壤為堿性或強堿性，pH值變化范圍為7.75～9.17，均值為8.78，明顯高于上海新建綠地土壤[14]。而一般城市綠化植物適宜生長的土壤為酸性或微酸性，調查的27個樣點中，有88.9%的地塊達到了強堿性(＞8.5)。由此可見，土壤pH值過高是搬遷地土壤作為城市綠化用地土壤的主要限制因素之一。

2.1.7 土壤EC值

搬遷地土壤EC值變化較大，變化范圍為0.06～0.63mS/cm，均值為0.15mS/cm，低于上海新建綠地土壤EC值[14]，有70.4%的搬遷地土壤EC值低于行業標準。由此可見，搬遷地土壤EC值偏低，土壤中可供植物吸收的水溶性養分含量較低。上海搬遷地土壤EC值變異系數大，高達0.87，故搬遷地土壤EC空間變異大，這與郝瑞軍研究上海城市綠地土壤得出的結果相一致[15]。

2.1.8 土壤有機質

搬遷地土壤有機質變化較大，變化范圍為5.49～40.72g/kg，均值為15.53g/kg，僅為上海公園綠地土壤有機質的61.6%[16]，且低于上海中心城區綠地土壤[15]。土壤有機質含量最低的點位于普陀區的工企業搬遷地地塊，而最高的點位于普陀區的城中村搬遷地地塊。根據全國第二次土壤普查有機質分級標準，上海搬遷地土壤有機質主要分布在四級(10～20g/kg)，占比達59.3%；分布在四級以下(＜10g/kg)的占比為14.9%。由此可見，上海搬遷地土壤有機質含量相對偏低。搬遷地土壤有機質變異系數較大，為0.48，故各搬遷地土壤有機質空間變異較大。2.1.9 土壤速效養分

土壤水解性氮缺乏，均值為33.17mg/kg，遠低于上海公園綠地土壤(93.8mg/kg)[16]，且土壤水解性氮含量最低的點位于普陀區的工企業搬遷地地塊，而最高的點位于青浦區的城中村搬遷地地塊。根據全國第二次土壤普查水解氮分級標準，上海搬遷地土壤水解性氮主要分布在六級(＜30g/kg)，占比高達66.7%。有效磷和速效鉀含量豐富，均值分別為81.61和151.39mg/kg，其中有效磷含量高于上海公園綠地土壤(14.7mg/kg)，而速效鉀與上海公園綠地土壤相當[16]。另外，搬遷地土壤速效養分空間變異較大，尤其是有效磷，變異系數高達1.08，這與駱玉珍等研究上海公園綠地土壤結果一致[16]。

2.2 不同搬遷地類型土壤理化性質分析

不同搬遷地類型土壤理化性質存在差異(表2)。城中村搬遷地土壤容重、石礫含量低于工企業搬遷地土壤，而土壤飽和持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度及入滲率高于工企業搬遷地土壤，且土壤容重、飽和持水量、田間持水量達到了顯著性差異(p＜0.05)，如城中村搬遷地38.5%樣點土壤容重符合《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)要求，而工企業搬遷地僅有7.1%的樣點符合標準要求。城中村搬遷地土壤pH值、速效鉀含量低于工企業搬遷地，而土壤EC值、有機質、水解性氮及有效磷含量高于工企業搬遷地，且土壤水解性氮存在顯著性差異(p＜0.05)。城中村搬遷地土壤水解性氮分布在四、五和六級，占比分別為23.1%、30.8%和46.1%；工企業搬遷地土壤水解性氮分布在五、六級，占比分別為14.3%和85.7%。可見，城中村搬遷地土壤理化性質明顯優于工企業搬遷地土壤，尤其是土壤物理性質表現更明顯。

表2 不同搬遷地類型土壤理化性質差異性分析

2.3 搬遷地土壤質量主要因子分析

由于評價搬遷地土壤質量的指標較多，且各指標間存在相互關聯性，為此本研究通過主成分分析法，分析了影響搬遷地土壤質量的主要障礙因子。結果提取出4個主成分(表3)，累積方差貢獻率為84.61%。一般認為因子的負荷絕對值越大，則該因子在對應主成分中的權重越大[17]。主成分1中，土壤容重、飽和持水量、田間持水量、毛管孔隙度和總孔隙度的因子負荷較高，將其歸納為物理指標；主成分2中，土壤水解性氮、有效磷和有機質的因子負荷較高，將其歸納為養分指標；主成分3中，土壤pH值的因子負荷較高，將其歸納為化學指標；主成分4中，土壤速效鉀的因子負荷較高，研究表明上海城市土壤速效鉀含量普遍較豐富[18]，將主成分4歸納為本底養分指標。進一步比較各主成分的貢獻率，可以得知，影響上海搬遷地土壤質量大小的因子依次為土壤物理指標、養分指標和化學指標。

表3 搬遷地土壤因子載荷矩陣、特征向量及貢獻率

3 討論

上海城市搬遷地土壤理化性質整體相對較差，主要表現為土壤容重大、持水能力弱、通氣性差、入滲能力差、pH值高、EC值低、水解性氮含量低。搬遷地土壤容重與上海中心城區綠地土壤(1.31Mg/m3)相比高出8.4%[9]，且最高達1.63Mg/m3，已嚴重阻礙植物根系生長。土壤飽和持水量與田間持水量低于城市綠地土壤飽和持水量(379g/kg)與田間持水量(347g/kg)[9]，且遠低于自然林地土壤的飽和持水量(651～900g/kg)與田間持水量(519～768g/kg)[19]，搬遷地土壤蓄水和持水能力差。土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度整體偏低，尤其是非毛管孔隙度，有92.59%的搬遷地土壤低于《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)最低限值要求。土壤入滲率低于城市綠地土壤入滲率[9]。土壤pH值高，表現為堿性或強堿性，88.89%的土壤超過標準的最大限值要求，且與上海新建綠地土壤相比偏高(8.36)[14]，這可能是由于搬遷地中存在大量建筑垃圾所致[20]。土壤EC值整體偏低，有高達70.37%的土壤EC值低于標準最低限值要求，低于上海新建綠地土壤(0.21mS/cm)[14]。土壤水解性氮含量低，有74.07%的搬遷地土壤低于標準最低限值要求，與上海新建綠地的65.66mg/kg相比差距較大[14]。

城市搬遷地土壤各理化指標空間變異性差別較大，其中土壤入滲率、石礫含量和有效磷的變異系數分別為2.04、1.51和1.08，故其空間變異性很大[21]；EC值、水解性氮、有機質、有效磷、速效鉀、非毛管孔隙度、飽和持水量、田間持水量和容重空間變異性為中等水平；總孔隙度、毛管孔隙度和pH值空間變異性小。

城中村搬遷地土壤質量明顯優于工企業搬遷地，城中村搬遷地土壤容重、飽和持水量、田間持水量和水解性氮顯著優于工企業搬遷地(p＜0.05)，而土壤飽和持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、入滲率、pH值、EC值、有機質、水解性氮及有效磷也優于工企業搬遷地，但差異不明顯(p＞0.05)。這可能是由于城中村中含有部分菜園地、農田及果園等，經過長期的耕作、培肥等人為活動，其土壤質量相對較好，而工企業搬遷地在生產運營過程中對土壤可能產生一定的破壞，加劇了土壤質量的退化。

主成分分析顯示，土壤物理指標、養分指標及化學指標是影響搬遷地土壤質量的主要因子。物理指標有土壤容重、飽和持水量、田間持水量、毛管孔隙度和總孔隙度；養分指標為水解性氮、有效磷和有機質；化學指標主要是土壤pH值。這些指標也是影響當前城市綠化土壤質量的主要障礙因素[8，13]。因此，搬遷地土壤作綠化用時，一方面，可通過改善其土壤物理性質，增加速效養分，降低土壤pH，來提升搬遷地土壤質量，以滿足城市綠化種植需求，提升搬遷地綠化景觀效果；另一方面，在城市綠化需求快速增加與城市土壤資源緊缺的矛盾日益突出的前提下，搬遷地土壤作為綠化用潛力越來越明顯，而搬遷地類型不同，土壤質量差別較大，因此應加強搬遷地土壤質量調查和分析評價，結合不同搬遷地土壤理化性質的分布狀況和各指標的重要性及綠化工程景觀需求，對搬遷地土壤質量進行分類分級評價，并對搬遷地土壤進行分類收集和儲備，對搬遷地土壤進行針對性改良，如可通過添加酸性有機基質、草炭等綜合降低土壤pH值和容重，以及增加土壤有機質含量。

4 結論

上海搬遷地土壤理化性質較差，主要表現為土壤容重大，均值為1.42Mg/m3；土壤持水能力弱，飽和持水量和田間持水量低，均值分別為350.55和320.88g/kg；土壤孔隙差，非毛管孔隙度和總孔隙度小，不能滿足植物生長需求；土壤入滲能力差，入滲率均值為13.68mm/h，中位數僅為1.05mm/h，低于《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)最低限制要求；土壤pH值高，均值高達8.78；土壤EC值偏低，均值為0.15mS/cm；土壤水解性氮較低，均值僅為33.17mg/kg。

不同搬遷地類型的土壤存在差異性，尤其是城中村搬遷地土壤容重、飽和持水量、田間持水量及水解性氮顯著優于工企業搬遷地(p＜0.05)。搬遷地土壤質量的障礙因子有4類，可歸納為土壤物理指標、養分指標、化學指標及本底養分指標，而主要障礙因子為土壤物理指標，具體為土壤容重、飽和持水量、田間持水量、毛管孔隙度和總孔隙度；其次是土壤養分指標，具體為水解性氮、有效磷和有機質；最后為土壤化學性質，具體為土壤pH值。