上海城市化地区孤岛状山体残存半自然森林植被土壤特征*

张庆费　郑思俊　林明锐

1　上海辰山植物园　上海　201602 2　上海市园林科学规划研究院　上海　200232 3　华东师范大学环境科学系　上海　200062

上海城市化地区孤岛状山体残存半自然森林植被土壤特征*

张庆费1郑思俊2林明锐3

1上海辰山植物园上海201602 2上海市园林科学规划研究院上海200232 3华东师范大学环境科学系上海200062

摘要：通过对上海辰山植物园辰山山体残存半自然森林群落土壤理化因子的测定，结合凋落物和岩石裸露等相关分析，探讨城市化地区孤岛状山体残存植被土壤特征。结果表明，辰山山体残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，与上海普遍的中性偏碱森林土壤明显不同，残存半自然植被土壤有机质含量与总氮、总磷等养分含量较高。辰山孤岛状山体土壤理化性质不仅与残存植被协同变化，也与群落凋落物显著相关，且与地形和人为干扰有关。

关键词：土壤性状，残存森林植被，半自然群落，凋落物，辰山植物园，上海

随着城市化进程加快和土地利用方式的剧烈改变，城市植被结构与物种组成发生明显变化[1-2]，城市土壤主要功能在时空上也在发生可逆或不可逆变化[3]。处于城市化地区的残存森林植被虽受到生境破碎化的影响，但仍保留近自然生态系统的特征，在区域生物多样性保护中具有重要价值[4-5]。

植被与土壤具有协同作用。土壤理化性质影响植被发生、发展和演替，与植物群落组成结构和植物多样性关系密切，同时也因植被演替而发生改变[6-7]。森林土壤理化性质研究主要围绕自然和人工森林，城市森林土壤研究主要针对城市人工林土壤特性[8-11]，较少涉及城市化地区残存森林植被土壤特征及其对人为干扰的响应。

上海是我国城市化程度最高的地区之一，绝大多数土地被建筑物和人工植被取代；但岛屿和山系尚残存少量人为干扰较少的森林植被，对上海生物多样性保护以及受损生态系统植被恢复具有重要参照价值[12]。本文以上海辰山为研究对象，选取代表性残存植被，研究不同起源群落的土壤理化特性，分析残存自然植被生境特征，为城市近自然森林培育、区域植被生态恢复提供依据和借鉴。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究地区与森林群落概况

辰山地处上海市松江区佘山低丘地区(N 31°04′41″，E 121°10′49″)的孤岛状山丘，周边原为住宅、会议中心、公路等包围。海拔71.4 m，平均坡度33.1°，山体面积28 hm2。2007年，上海辰山植物园动工兴建，2010年建成，辰山也成为辰山植物园的组成部分。辰山属天目山余脉的东延，为残积弱富铝化母质所发育的黄棕壤，与上海地区冲积平原常见的水稻土和灰潮土不同。其土层较薄，腐殖质层薄，以砂质或粗砂质的壤质土壤为主，质地较为坚实并呈砂质，石砾较多，坡体岩石裸露率较高。

在20世纪50年代，辰山植被曾遭破坏，60年代初人工栽植枫香(Liquidambarformosana)、刺槐(Robiniapseudoacacia)，70年代在山脚栽植毛竹(Phyllostachysheterocycla)，90年代在朴树(Celtissinensis)疏林内栽植块状的秃瓣杜英(Elaeocarpussylvestris)等。由于该山体毗邻军事基地，长期处于封闭管理状态，经过50多年的封山育林和自然演替，已形成以落叶阔叶林为主、常绿落叶阔叶混交林和竹林缀块伴生的半自然植被。辰山残存半自然植被以枫香、刺槐、臭椿等落叶阔叶林为优势群落，主体处于地带性常绿阔叶林演替的初期或中期的过渡阶段。典型的半自然森林群落主要有枫香臭椿群落、刺槐群落和三角枫群落，人工起源明显的群落主要有秃瓣杜英群落和毛竹群落[4]。

应用社会群落学调查方法进行群落调查得到主要群落类型的特征如表1。

秃瓣杜英群落是比较典型的人工植被群落，与其他半自然群落镶嵌分布，林冠郁闭度高。20世纪90年代在朴树疏林中栽植秃瓣杜英，伴生构树(Broussonetiapapyrifera)、乌桕(Sapiumsebiferum)、女贞(Ligustrumlucidum)、冬青(Ilexchinensis)和刺槐等树种；刺槐群落以高大的刺槐为优势种，次优势种有枫香、朴树以及零星分布的香樟(Cinnamomumcamphora)、糙叶树(Aphanantheaspera)和榆树(Ulmuspumila)等；枫香臭椿群落分布面积较大，乔木层以枫香为优势种，臭椿(Ailanthusaltissima)以次优势种出现在亚乔木层，伴生种有榉树(Zelkovaserrata)和朴树等；三角枫群落以三角枫(Acerbuergerianum)为优势种，次优势种有臭椿、刺槐、香樟等，还伴生朴树、榔榆(Ulmusparvifolia)、冬青等；毛竹群落分布在山体下部，以毛竹为优势种，竹林混交着三角枫、糙叶树等落叶树种。

表1　辰山典型群落概况

1.2 研究方法

在每个群落类型进行梅花型5点随机取样，取样土层为0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm共3个层次。采用环刀一次取样连续测定土壤水分物理性质，利用FIA-6000流动注射分析仪测定土壤样品的全氮、全磷，土壤的有机质采用重铬酸钾外热法，土壤pH值与电导率通过水浸提液用酸度计测定。在不同群落的标准样方中，以梅花型布点方式在各群落样地中收集5个1.0 m×1.0 m样方内的凋落物，区分优势种的凋落叶、枝、花、果等以及动物残体、排泄物等其他组分，在80℃烘箱中烘干至恒量并称量。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质

由表2可见，在土层垂直分布上，土壤含水量和最大持水量随土层深度增加而下降；但在不同群落间，0～10 cm土层中枫香臭椿群落、刺槐群落、秃瓣杜英群落土壤含水量在200 g/kg以上，高于秃瓣杜英群落和毛竹群落，而枫香臭椿群落最大持水量显著大于其他植物群落。

土壤密度、土壤孔隙度、通气度、容重等物理指标密切相关。在土层垂直分布上，0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土壤密度均值分别为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)，并均低于上海平原绿地土壤密度(1.44～1.61 g/cm3)；而0～10 cm土壤含水量均值为19.4%，显著高于上海平原绿地0～10 cm土壤含水量14.6%～17.6%，10～20 cm和20～30 cm土层含水量分别为16.5%和15.9%。这可能与植被土壤表层凋落物层较厚且上层郁闭度高有关，且这种现象在表层0～10 cm土壤更为显著。0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土壤的总孔隙度均值分别为57.7%，50.9%，50.4%，而通气孔隙分别为11.5%，6.3%，8.0%。可见，辰山表层土壤总孔隙度和通气孔隙均显著高于上海平原人工林表层土土壤(42.2%和7.38%)[11]。

在不同群落间，在0～10 cm土层中，毛管孔隙度、土壤密度、土壤容重随着落叶阔叶林至常绿落叶混交林的序列逐渐增大，而竹林则下降；总孔隙度、土壤通气度则呈相反的变化趋势。土壤含水量在不同群落间保持平稳，而最大持水量、毛管持水量的变化较显著。毛管持水量变化呈随机性，最大持水量则呈下降趋势，土壤体积含水量呈上升趋势，而竹林则下降。不同群落间的土壤孔隙结构以及土壤容重、密度差异均不显著。在土壤水分指标中，土壤含水量和土壤体积含水量在不同阶段的变化不显著，秃瓣杜英群落和毛竹群落毛管持水量与其他群落存在显著差异(p<0.05)，且在各土层表现均不一致：在0～10 cm土层中呈显著下降；在20～30 cm土层呈显著上升，呈现随机性。用空间替代时间的方法，将“演替前中期——人工与自然镶嵌型”组成时间序列，则孔隙结构和持水性均平稳；而毛竹林、秃瓣杜英等人工影响较大的群落可能导致局部压实和板结等现象，间接导致土壤物理水分指标的不确定性增加。

表2　辰山不同植物群落土壤物理性质

注：表中同行数据不同小写字母表示在p<0.05水平上差异显著，同列不同大写字母表示在p<0.05水平上差异显著。

因此，辰山山体半自然群落的土壤容重、土壤密度、毛管孔隙度均低于秃瓣杜英群落以及毛竹群落等人工群落，而其表层通气孔隙度和总决孔隙度均高于后者；在10～20 cm土层除刺槐群落外，主要优势群落枫香臭椿群落孔隙特性仍表现出与表层相同趋势；而在20～30 cm土层，除土壤通气度仍较高外，群落间的孔隙特性差异趋于平缓。

2.2 土壤化学性质

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，与上海土壤普遍呈中性偏碱不同。在土层垂直分布上，仅在三角枫群落和毛竹群落的土壤pH值随深度增加而增加，其他3个群落土壤pH值随深度增加而减小；在不同群落间，0～10 cm土层各群落pH值基本接近，10～20 cm和20～30 cm土层各群落pH值相差较大，枫香臭椿群落和刺槐群落的10～20 cm和20～30 cm土层pH值较低。

表3　辰山不同植物群落土壤化学性质

注：表中同行数据不同小写字母表示在p<0.05水平上差异显著，同列不同大写字母表示在p<0.05水平上差异显著。

辰山土壤有机质含量总体偏低，30 cm以上土层有机质均值为3.86 g/kg，显著低于平原森林(15.52 g/kg)[11]。在土层垂直分布上，除毛竹群落和三角枫群落，各群落土壤有机质含量均随深度增加而显著降低，竹林有机质含量随土壤深度增加先下降后略增加。在不同群落间有机质含量也有差异，0～10 cm土层枫香臭椿群落、刺槐群落、三角枫群落、秃瓣杜英群落、毛竹群落的有机质含量依次降低，10～20 cm和20～30 cm土层各群落有机质含量差异减小。总之，以人工栽植为主的毛竹群落和秃瓣杜英群落表层有机质较低，而半自然的落叶林群落则较高，这可能与凋落物数量与植物多样性有关；但下层土壤有机质含量则缺乏明显规律性，可能与地形的差异有关。

碳氮比在土层深度垂直分布上总体呈现从表层到深层逐渐下降趋势。不同群落间，落叶阔叶林土壤有机质碳氮比范围为1.90～2.90，常绿落叶阔叶混交林为0.79～3.35，而毛竹群落碳氮比变幅缩窄为0.60～0.99。这与氮含量在毛竹群落各层普遍升高有关。30 cm土层以上土壤的总氮和总磷含量均值分别为2.72 g/kg和0.77 g/kg，均低于平原绿地土壤的总氮(3.78 g/kg)和总磷(1.13 g/kg)[18]；而土壤层间分布具有不同特征，枫香臭椿群落、刺槐群落、三角枫群落等半自然群落的总氮总磷随深度增加而下降趋势比较明显，毛竹群落则相反。

总氮和总磷在土层垂直分布上变化趋势一致，秃瓣杜英和毛竹群落随深度增加先下降后增加，其他群落随深度增加而下降。在不同群落间，毛竹林土壤的总氮和总磷均明显高于其他群落类型。在表层土壤落叶林高于秃瓣杜英常绿林，这与凋落物较多且容易分解有关；而下层则是秃瓣杜英常绿林高于枫香等落叶林，可能与秃瓣杜英人工林的人工培育措施有关。

可见，辰山山体土壤呈弱酸性，因地形以及残存的半自然群落，相比较高强度人为管护的平原森林，土壤有机质、氮和磷等含量偏低；但位于山脚且人工管护的毛竹林则表现处与平原森林相似的特性，其他类型以演替前中期的半自然群落土壤养分含量较高。枫香臭椿群落、刺槐群落、三角枫群落的各项土壤化学因子均随土层深度增加而降低，土壤特性较一致。

3 讨论

作为城市化影响下的孤岛状山体，辰山土壤化学性质呈现比较明显的层次变化规律，即随着土壤深度的增加，有机质、总氮和总磷等逐渐降低，这一变化规律与其他山地土壤养分的层次变化格局类似[13]；但不同于其他山体不同土壤层次间物理性质差异性质的特点，辰山土壤各层次间物理性质趋于相同，这可能与上海辰山森林群落的土壤物理水分特性、土壤养分特征与其群落发育协同变化以及一定程度的人为干扰有关。将演替前中期半自然群落(优势种为枫香、臭椿、刺槐等)，人工与自然起源镶嵌类型群落(优势种为秃瓣杜英、三角枫等)，人工纯林(毛竹)3种类型组成序列，则人工竹林受到人类干扰较频繁，土壤物理水分指标的不确定性增加；对于指示土壤养分性质的总氮(TN)量和总磷(TP)量，在0～10 cm表土层中表现为随序列进程下降，人工竹林阶段显著上升。

通过凋落物现存量比较，有利于了解不同森林群落养分和能量的变化，同时，森林凋落层对土壤理化性质具有明显影响[14]。由图1可以看出，辰山各优势群落的凋落物现存量排序为毛竹群落>枫香臭椿群落>三角枫群落>刺槐群落>秃瓣杜英群落，表现出辰山优势种枫香、臭椿等落叶树种的凋落物贮量相对较高的特征。结合本研究土壤理化性质数据分析，凋落物积存并没有显著改善土壤水分物理状况，这可能与山体特殊地形和石砾含量较高有关；但对养分回归起到调节作用，因为第一生产力主要通过地表凋落物回归土壤，凋落物的分解是土壤有机养分积累和C平衡的关键环节[15]。同时，群落的物种组成对凋落物产量和组成具有显著影响[16]。不同植物对土壤养分循环的影响不同，植被群落通过凋落物回归的质量和数量影响可溶性有机质的转移和养分的有效性，从而对土壤养分循环产生影响[17]。所以，从凋落物贮量与总氮、总磷的相关性来看，不同阶段群落的土壤养分特征与其群落特征较匹配，植被以凋落物为“载体”传递土壤在养分方面协同发育的信息。

图1　辰山不同植物群落的凋落物现存量

作为表现山体植物群落与生境间生态关系的重要指标，岩石裸露率在山体森林生态特征、基质植被耦合关系研究中得到重视，反映了山体母质对土壤发育的制约[18]。表4显示了凋落物贮量在0～10 cm的表土层中与土壤物理水分特性缺乏明显相关性，而与总氮量和总磷量均有较强相关性；而在20～30 cm的下层土壤中，凋落物贮量对养分分配的影响力减弱，与土壤养分无显著相关性(0.5

随着城市化发展，残存的森林斑块面临更加强烈的土地利用方式以及城市热岛效应等小气候变化的干扰，有效的管理需要更好地了解植被对干扰的适应和响应。通过研究上海辰山残存植被的土壤性状，不仅有利于分析城市化对森林植被及其生境的影响，也有利于通过生境营造途径促进近自然森林植被的恢复与重建。

表4　凋落物贮量、岩石裸露率与各土壤理化指标的相关系数

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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

*基金项目：上海市绿化和市容管理局辰山专项“基于大样地的上海城市森林生物多样性监测研究”(G142418)

作者简介：张庆费，教授级高级工程师，从事城市森林与城市生物多样性研究，E-mail：qfzhang@126.com

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2016.02.005