城市綠地土壤質量研究進展

王小涵

黃紹敏

張 浪*

韓繼剛

伍海兵

城市生態系統是一個高度復雜的社會-經濟-自然復合生態系統[1]，是人類活動的聚集地。美國、加拿大和澳大利亞等發達國家的城市人口數量已達總人口的85%以上，聯合國發布的預測表明，到2050年世界上68%以上的人口將會居住在城市地區[2]。人口迅速膨脹和高度聚集也產生了一系列的社會與環境問題，城市生態系統中具備生態調節功能的自然地表主要為城市綠地。綠地土壤作為城市生態功能的重要介質與載體，通過一系列的生態過程，在維護城市生態系統平衡與可持續發展等方面發揮了不可替代的作用[3-4]。除了直接影響植被生長及其生態景觀功能外，研究表明綠地土壤與保障人類健康福祉也存在密切關系[4-6]，因此城市綠地土壤特征與質量研究受到了越來越多的關注。2015年9月包括中國在內的全球193個國家共同簽署的《變革我們的世界：2030年可持續發展議程》中目標11.7與城市綠地直接相關，要求“到2030年，向所有人，特別是婦女、兒童、老年人和殘疾人，普遍提供安全、包容、無障礙、綠色的公共空間”[7]。然而與農田、草地、森林等生態系統相比，國內外圍繞城市生態系統中綠地土壤特征與質量開展的研究相對較少。從土壤學、生態學及可持續發展角度，深入探討綠地土壤與城市生態健康的關系，有助于深入理解綠地土壤質量對城市生態平衡與健康的重要意義，為城市土地資源高效規劃利用及決策制定提供依據。

本文以城市綠地土壤質量為研究對象，梳理了城市綠地的相關概念，討論土壤質量在城市綠地領域中的發展與應用。本文內容主要包括以下3個方面：1)城市綠地興起與分類；2)城市綠地土壤質量內涵與評價；3)城市綠地土壤質量提升技術。

1 城市綠地的興起與分類

在古希臘、古羅馬時期，公眾戶外游憩活動主要集中在集市、墓園、軍事用地等城市空間，至文藝復興時期，隨著城市改造、廣場建設及部分皇家園林定期開放，出現了早期的城市公共活動空間[8]。在歐洲大部分地區，自然-城市二元論一直是城市規劃和創造綠色空間的重要組成部分。18世紀中期工業革命的開始推動城市迅速發展，導致城市擁堵、空氣污染等環境問題日趨嚴峻；19世紀30年代大霍亂在歐洲蔓延，疾病帶來的高死亡率也使得社會改革的需求日益高漲，從而推動了城市公園運動及各種城市改革。19世紀中期，隨著民主思想的發展，海德公園、肯辛頓公園、圣詹姆斯公園等私有狩獵場地逐步向市民開放[9]。同一時期，法國巴黎也在塞納區行政長官奧斯曼的主持下進行了大規模的城市改造，開辟了供市民使用的綠色空間[8]。進入20世紀，接觸自然生態空間成為一項普遍的權利，成為公園和其他綠地大規模擴張的新契機。

日本是亞洲最早開始進行公園與綠地建設的國家。明治維新之后，日本積極學習歐美現代化城市的建設理念，早在1873年就頒布了《作為群眾游覽觀光城所的公園建設的相關規定》，成為日本最初的公園綠地法規[10]。之后，受到美國“地方規劃”和“田園城市”思想的影響，在日本國內逐漸展開了不同于公園的“綠地”概念研究和探討。進入20世紀30年代后，東京市面積逐漸擴大，成為僅次于紐約的世界第二大城市。為了改善城市環境，1939年通過了以景園地、環狀綠地代、大公園及行樂道路為主的《東京綠地規劃》。1977年日本建設省首次提出制定完整的城市“綠地總體規劃”的必要性，對綠地指標做出明確要求，并在全國范圍內開展了規劃的編制工作。20世紀90年代，日本基本完成了城市擴張并進入“成熟型城市期”，綠地政策與建設重點變為以政務引導市民和企業進行綠化建設及綠地開放。

與歐美、日本等發達國家相比，我國的城市公共綠地發展較為滯后。清朝末期之前我國城市園林多為皇家宮苑，民國時期部分皇家園林逐步向社會開放，如北京的中央公園、天壇公園等。1840年鴉片戰爭爆發以后大量皇家園林遭受破壞，同時在上海、天津等租界中修建了租界公園，如上海的外灘公園、虹口公園和天津的維多利亞公園等。城市公園的出現結束了園林私有的歷史，園林綠地開始進入普通大眾的生活。1949年中華人民共和國成立后城市綠化工作逐步展開，在1953—1958年第一個五年計劃時期，我國學習蘇聯文化休閑公園的模式，建立了很多公園綠地。1978年十一屆三中全會后園林綠化作為城市基礎設施之一被納入城市建設規劃，我國的綠地建設進入高速發展階段。1982年城鄉建設部頒發了《城市園林綠化管理暫行條例》，是我國頒發的第一個城市綠化政策法規。1992年在世界環境發展大會上中國政府宣布了“經濟建設、城鄉建設和環境建設同步規劃、同步實施、同步發展”的方針，大力推進“園林城市”創建工作。2000年以后我國陸續頒布了《城市綠地系統規劃編制技術綱要(試行)》《城市綠地分類標準》等一系列法規文件及標準規范。目前，我國城市綠地資源日益豐富，綠地建設由單純的規模擴張轉向擴容提質的新時期，城市綠地發展開始向提升城市生態文明、改善居民生活質量的目標轉變[11]。

2002年建設部發布的《城市綠地分類標準》(CJJ/T 85—2002)中把城市綠地分為公園綠地、生產綠地、防護綠地、附屬綠地和其他綠地5類。2017年，對該標準綠地大類、中類和小類進行調整，對“其他綠地”的名稱及中類內容進行修改，發布了新的行業標準《城市綠地分類標準》CJJ/T85—2017。目前，城市綠地分為公園綠地、防護綠地、廣場用地、附屬綠地和區域綠地5類。在《園林基本術語標準》中對城市綠地的描述為“以植被為主要存在形態，用于改善城市生態。保護環境，為居民提供游憩場地和美化城市的一種城市用地”。《城市綠地分類標準》2017版對城市綠地的定義為“以自然植被和人工植被為主要存在形態的城市用地”，它包含2個層次的內容：1)城市建設用地范圍內用于綠化的土地；2)城市建設用地之外對城市生態、景觀和居民休閑生活具有積極作用、綠化環境較好的區域。

2 城市綠地土壤質量的內涵與評價

自從Mausel[12]首次引用“土壤質量”這一概念以來，隨著人們對生態環境意識的深入理解，這一概念也經歷了一系列發展變化。土壤質量不僅代表土壤的生產力，也包括人與土壤之間的相互作用、生態系統的可持續性，以及作為不可替代的自然資源的內在價值[13]，被廣泛應用于農田、草地等生態系統的土壤質量研究中。20世紀90年代以來，歐美等發達國家針對不同研究尺度和使用人群，開展了大量評價工具研發及土壤質量評估項目。國家尺度的土壤質量評估主要基于大規模數據監測與分析，加拿大政府于1988年啟動了最早的國家土壤質量評估和監測項目之一，利用基準點評估土壤質量隨時間的變化，特別是與土壤侵蝕、壓實、有機質流失、酸化和鹽漬化威脅有關的變化[14]。新西蘭[15-16]、澳大利亞[17]和歐洲[18-19]等也陸續開展了國家尺度的土壤質量評價調研與工具開發。針對地塊尺度土壤質量評價，美國開發了2種工具，包括土壤質量研究所開發的土壤評估框架(Soil Management Assessment Framework)和康奈爾土壤健康測試(The Cornell Soil Health Test)[20]。其中，康奈爾土壤健康測試更加標準化，直接針對土地使用者，為農民、景觀管理者和其他人提供各種土壤健康測試包，并與結果一起向他們提供管理建議[21]。隨著科學技術的發展，可視化、數字化的土壤質量評價工具逐漸發展起來[20]。我國土壤質量評價研究與工作的開展相對較晚，1999年啟動的“土壤質量演變機理與土壤資源持續利用研究”項目是我國第一批國家重點基礎研究發展計劃，該項目闡明了土壤質量的科學內涵及我國土壤質量狀況，初步提出了表征土壤質量的量化指標。隨著保持和改善土壤質量的壓力越來越大，我國政府于2008年成立了中國土壤質量標準化與技術委員會(SAC/TC 404)，負責制定和修改土壤質量標準，包括土壤質量評估和土壤修復工作中涉及的術語、指標、標準、土壤取樣方法等[22]。2017年我國農業部成立了耕地質量監測保護中心，構建了覆蓋糧食主產區和主要農產品功能區的耕地質量監測網絡。

與農田等生態系統土壤質量研究相比，針對城市土壤質量內涵及其變化過程的研究相對較少，已有研究中的綠地土壤質量泛指綠地土壤肥力質量。我國城市綠地土壤性質研究始于20世紀80年代末期，北京[23]、重慶[24]、廣州[25]等地陸續展開了綠地土壤性質研究，以公園綠地土壤為研究對象，研究內容主要為土壤基本理化性狀、養分特征變化及土壤改良劑應用效果等。2000年以后，城市綠地土壤質量評價研究在我國逐步興起，其中上海是我國較早開展城市綠地土壤質量研究的城市之一。例如，項建光等[26]對上海市內部分新建景觀綠地進行了土壤現狀調查，使用pH值、EC值、有機質、容重、通氣孔隙度和陽離子代換量6個土壤特征指標對新建綠地土壤質量進行評價。目前，關于綠地土壤質量評價也尚未形成統一的指標體系、評價方法及分級標準。為了確定目前國內常用的綠地土壤質量評價指標，在中國知網中以“綠地土壤質量”為關鍵詞，對包含綠地土壤質量評價的75篇文章進行分析，發現共52個土壤性質指標被用于綠地土壤質量評價，包含土壤物理、化學和生物指標3個方面(圖1)。所有評價指標中，土壤酸堿度(pH值)和有機質(SOM)是最常用的2個指標，在75篇文獻中分別被使用了69和67次。有效磷、有效鉀、有效氮及土壤容重也是較為常用的評價指標，50%以上的文獻使用了這些指標。國內土壤質量評價研究中，大部分研究使用的評價指標會同時包含物理、化學和生物3個方面，這3個方面通常在所有土壤功能或基于土壤的生態系統服務的研究中是基本的必備內容。其中，使用頻率較高的物理指標為土壤容重、土壤質地和總孔隙度；土壤化學指標中最為常用的指標為pH值、有機質、有效磷、速效鉀和水解氮；使用的土壤生物指標為過氧化氫酶、脲酶、蛋白酶等，近85%的研究并未對土壤生物性質進行量化分析。這表明已有研究中的綠地土壤質量評價指標不足以全面反映綠地土壤功能及其提供的生態系統服務。此外，與較為成熟的農業土壤質量監測評價研究相比，城市綠地土壤質量研究在研究尺度及評價手段等方面都存在一定差距。我國城市綠地土壤質量研究尺度主要為地塊尺度及城市尺度，尚無國家層面的綠地土壤質量監測及評價方面的研究，評價方法主要為內梅羅指數法、基于主成分分析的模糊數學法等統計方法，尚無數字化的評價手段和工具。

圖1 國內綠地土壤質量評價中土壤化學、物理、生物指標及其使用頻次

盡管土壤有機質含量作為土壤質量指標普遍存在，但由于有機碳庫較為穩定，人為活動如管理措施和土地利用變化引起的土壤質量變化很難通過有機質的變化被快速檢測出來[27]。土壤微生物是土壤的有機組分，是生態系統中最為活躍的部分，對環境條件變化的響應十分迅速，因此被認為是評價土壤質量最敏感的指標之一[28-30]。微生物生物量[31]、土壤酶活性[32-33]、土壤呼吸強度[32]等是綠地土壤質量評價中較為常用的土壤生物學指標。2010年以來，土壤生物學的迅速發展促進了基于基因型和表型群落多樣性指標的發掘[34]。Tresch等[35]通過定量實時PCR(qPCR)檢測細菌和真菌基因拷貝數作為城市綠地土壤質量的生物指標。此外，針對綠地土壤微生物群落組成、功能多樣性、微生物群落相互作用強度等方面的研究也吸引了越來越多的關注[36-38]。與傳統方法相比，以DNA和RNA為核心的分子方法在快速、廉價和信息量更大的土壤生物區系和土壤過程測量方面具有巨大的潛力。新的生物評價指標與體系，尤其是能夠快速、低成本地檢測并應用于大量土壤樣本分析的指標體系發展可能會改變現有綠地土壤質量評價的局面。因此，在現有的土壤質量監測研究中可能會產生新的土壤生物指標以替代或補充現有的土壤質量指標。

相對于自然土壤的肥力質量而言，城市空間內的土壤環境和生態質量應受到更多關注。綠地土壤是植物的生長介質和養分的供應者，是動植物的重要棲息地和能量來源，對城市污染物具有一定的匯集和凈化功能，對城市生態健康與發展有重要意義[39-40]。然而長期以來，國內外的土壤學研究大多針對土壤生產力的提高與維護方面，對城市綠地土壤的環境與生態功能關注較少。受快速的城市發展和高強度人類活動的影響，綠地土壤性質可能顯著偏離同地帶背景土壤特征，嚴重的土壤污染如金屬污染[41-42]、有機物污染[43]等是城市綠地土壤面臨的重要問題之一。綠地土壤質量評價除包含常規的肥力質量外，還應同時在環境質量方面有一定體現。如Tresch等[44]在針對瑞士蘇黎世的85個公園綠地進行土壤質量評價時，同時考量土壤物理、化學、生物及土壤金屬含量特性，將土壤As、Ba、Co、Cu、Ni和Pb等金屬含量作為綠地土壤質量評價的重要指標。我國大多數綠地土壤環境質量評價研究與綠地土壤質量評價研究獨立展開，同樣采用污染物(重金屬、多環芳烴等)含量作為評價區域綠地土壤環境質量的關鍵指標[42，45]。盡管污染物含量指標能夠直接表征土壤污染水平，但在表征土壤對污染物過濾、凈化及緩沖等環境生態功能方面還尤為欠缺。此外，城市綠地土壤通過維持動植物多樣性、降低環境污染等途徑在保障人類健康方面的作用與貢獻也成為生態學領域的研究熱點[4]，如何量化并將綠地土壤對人類健康的作用包含于綠地土壤質量中仍處于探索階段。因此，我國城市綠地土壤質量評價與研究仍存在一些不足，主要表現在：1)綠地土壤質量內涵不明確，對綠地土壤質量評價缺乏有針對性的綜合研究；2)綠地土壤質量評價體系構建較為滯后，評價指標不足以全面反映綠地土壤質量內涵。

3 城市綠地土壤質量提升技術

隨著社會對城市綠地、生態環境及人類福祉認識的逐漸深入，我國各地城市綠地規模呈現快速上升趨勢。據統計，2010—2016年，我國城市建成區綠化覆蓋面積由16 125km2增至22 050km2，增加近40%[11]。然而，由于城市土地資源短缺問題十分嚴峻，城市綠地多由城市廢棄地、采礦塌陷地、污染場地、濱海鹽漬土等土地利用類型轉變而來，導致新建綠地存在養分含量低下、保水能力較差、土層結構不完整或存在一定程度污染等問題。因此，如何快速提高綠地土壤質量是提高城市綠化質量的首要問題。近年來，綠地土壤理化性質改良與提升技術已成為新的研究熱點。綠地土壤質量改良主要針對土壤物理、化學及生物性狀單方面。例如，土壤中添加一定比例的粗砂、沸石等改良劑可以減少黏粒比重，增加土壤滲透性，對黏壤土的滲透性改良效果明顯[46]。及時翻松、覆蓋枯枝落葉等養護措施也可降低土壤容重，增加土壤通氣性，提高土壤持水能力[47]。適當施用石灰、石膏及硫酸亞鐵等是調節土壤酸堿性的常用改良劑。增施有機肥則是常用的提高土壤肥力、增強土壤緩沖性能的常用措施。為應對全球氣候變化，我國在2020年第七十五屆聯合國大會上承諾在2030年實現碳達峰，努力爭取在2060年前實現碳中和；2021年碳達峰和碳中和被首次寫入政府工作報告中。在固碳減排、推動綠色發展的背景下，城市生活垃圾、園林廢棄物等廢棄物資源化利用受到了越來越多的關注，成為園林土壤養護的重要途徑。司麗青等[48]通過高羊茅盆栽試驗發現，城市污泥與園林廢棄物堆肥混合之后，土壤有機質、全氮及全磷等養分含量顯著提高了，同時改變土壤重金屬賦存形態，有利于植被和微生物對重金屬的吸收和降解。鄭麗錦等[49]通過盆栽試驗對比城市綠地常用有機肥如蘑菇渣堆肥、雞糞有機肥、豬糞有機肥和園林廢棄物堆肥的改土效果及其對園林植被臺灣草生長的影響，結果表明園林廢棄物堆肥處理的土壤有機質、全氮、堿解氮和有效磷含量最高，園林廢棄物堆肥的施用有助于土壤大團聚體的形成。連鵬等[50]以紫穗槐為研究對象，發現城市污泥與園林廢棄物混合堆肥施用能夠顯著提高土壤微生物量和土壤酶活性，進而改善土壤生物環境。根據各地自然環境狀況采取工程技術措施進行綠化土壤改良也是綠地土壤質量提升的重要途徑。沿海圍墾吹填土作為重要的土地后備資源，其障礙消減及改土綠化技術也是綠地土壤質量提升的重要研究內容。近年來，上海、天津、唐山等沿海城市在吹填土原位改土綠化技術方面開展了大量工作。例如通過“淺密式”排鹽系統工藝，以暗管排水技術為主，綜合集成客土、培肥改土和灌溉淋洗技術等方法對濱海沿途進行綜合改良綠化，改善土壤通氣透水性，提高土壤養分[51]。胡月楠等[52]開展了濱海鹽堿地梯田式吹填土綠化技術試驗研究，通過抬高地面、梯田式造型整地等方法實現了雨水的有效攔蓄利用，不但能增加土壤的保水保肥能力，而且可以充分淋洗土壤、降低鹽分，同時解決了濱海鹽堿地園林綠化淡水資源不足的問題。此外，由于城市土壤質量存在較多障礙因子，針對園林綠化工程建設快速成景的實際要求，張浪等[53]提出配生土這一概念。配生土是人為干預制成并滿足植物健康、快速生長條件的土壤，其主要特點是根據立地條件，對原土、客土、有機無機改良材料及微生物菌劑等進行科學配置，具有較好的物理性質、較高的生物活性及環境調控能力，能夠較為全面地滿足植物生長發育所需的土壤條件，可以實現工廠化、規模化生產和園林綠化快速成景等[53]。

4 展望

近年來，國內外學者已廣泛開展了城市綠地土壤性質與功能的相關研究，為構建城市綠地土壤質量評價體系提供了科學基礎。本文依次對城市綠地發展歷程、相關概念辨析、城市綠地土壤質量評價現狀及綠地土壤提升技術進行綜述。城市綠地土壤是維護城市生態系統健康平衡的重要屏障，雖然人們對城市綠地土壤質量的關注逐漸加強，但其內涵與評價等方面的研究仍處于探索階段。本文在梳理已有研究的基礎上，為該領域的未來研究方向提出以下建議：1)明確綠地土壤質量的概念與內涵；2)加強大尺度綠地土壤質量的監測與長期研究，關注人類活動干擾條件下綠地土壤過程、功能及生態系統服務的響應與機制；3)針對不同研究尺度、不同目標人群，建立包含土壤肥力質量、環境質量及健康質量的綜合性綠地土壤質量評價體系，開發經濟高效的評價手段；4)針對不同立地條件研發綠地土壤質量提升技術。

注：文中圖片均由作者繪制。