上海城市绿地土壤肥力变化分析

马 想

张 浪*

黄绍敏

张 琪

韩继刚

土壤是农业生产的基础、城市建设的基石，也是食物健康和生态环境安全的保障[1]。城市土壤并不是当前土壤分类学中的术语，一般认为城市土壤是分布于城市之中或者城郊地区，受各种人为活动的干扰或直接人为“组装”后，在城市这种特殊环境下发育而成的土壤。其广泛分布于城市公园、道路、体育场、城市河道、城郊和垃圾填埋场等区域；或者简单地作为建筑、街道、铁路等城市和工业设施的“基础”而处于埋藏状态[2-8]。城市绿地土壤是城市中植物生长的介质，绿地土壤的质量直接影响着植物的生长，以及绿地生态效益和景观功能的发挥[9]。因此，提高城市绿地土壤质量是充分发挥城市绿地生态效益的重要措施之一[10]。

土壤质量包括土壤肥力质量、土壤环境质量和土壤健康质量[1]。土壤肥力是土壤的基本属性和本质特征，是土壤为植物生长供应及协调养分、水分、空气和热量的能力，是土壤物理、化学和生物学性质的综合反应，由物理、化学、养分和生物四大因素构成[11]。前人研究表明中国城市土壤普遍存在土壤通气性差、容重偏高、土壤养分贫瘠，以及土壤pH值偏高等绿化障碍因子[12-14]。城市化过程会剧烈影响城市土壤质量，人为剧烈活动可能会造成土壤污染和土壤质量退化，但随着人们对城市生态环境重要性认识的逐渐提高，对城市绿地土壤的管理措施也日益完善。合理的管理措施可以加速绿地土壤的熟化，提高土壤肥力。那么现阶段城市绿地土壤的肥力质量是否在退化？其趋势是什么？由于土壤肥力的变化是一个相对缓慢的过程，要回答土壤肥力的变化问题，需要多年土壤指标的对比分析，才能得到可靠的结论[15]。上海市为创建国家园林城市和建设“生态之城”，于2002年开展了大规模的绿化土壤肥力调查工作，并于2014年建立上海市绿地土壤质量监测网络，以期通过绿地土壤质量的监测，为土壤培肥和改良提供理论指导，达到改善城市绿化景观和提高绿化品质的目的[16-18]。本文基于2002年上海绿地土壤调查数据，以及2014年开始的城市土壤质量监测数据，通过对多年间土壤质量指标的数据分析，揭示上海城市绿地土壤质量的变化特征和趋势。在此基础上，按照《城市绿地分类标准》(CJJ/T 85—2017)[19]将研究区分为公园绿地、广场用地和附属道路绿地3种类型，探究城市不同类型绿地土壤质量变化的差异及成因，以期为城市土壤的可持续利用提供科学的理论指导。

1 材料与方法

1.1 布点与土壤样品采集

于2002年在上海市18块城市绿地进行采样，采样点的分布主要依据绿地面积大小、地形地貌及绿地植物种类进行设置。约2 000～10 000m2设置一个混合样，合计采样319份(表1)。

上海绿地土壤质量监测项目开始于2014年，采样点依据绿地面积和植被类型设置，其中2014年共采样568份(图1)，2018年共采样428份(图2)。

1.2 土壤指标测定方法

土壤pH值采用水土比2.5:1水浸提电位法测定；电导率(EC)采用5:1水土比浸提法测定；有机质采用重铬酸钾外容量法测定；水解性氮用碱解—扩散法测定；有效磷用碳酸氢钠浸提法测定；速效钾用乙酸铵浸提—火焰光度法测定；土壤容重和通气孔隙度采用环刀法测定。上述各指标的测定方法按照《森林土壤分析方法》(中华人民共和国林业行业标准LY/T 1210-1275—1999)操作[20]，样品测定时设置2个平行。

图1 2014年绿地土壤质量监测点位分布

图2 2018年绿地土壤质量监测点位分布

1.3 数据分析及处理

1.3.1 参数标准化

为消除不同指标之间量纲的差异，需进行参数标准化，计算公式如下[21]：

当测定值属于“差”级时，即Xi≤Xmin，则

当测定值属于“中等”级时，即Xmin＜Xi≤Xmid，则

当测定值属于“良好”级时，即Xmid＜Xi≤Xmax，则

表1 2002年采样点分布

当测定值属于“优”级时，即Xi＞Xmax，则

式中，Pi为标准化的测定值；Xi为测定值；Xmin、Xmid、Xmax为分级标准。主要参照第二次全国土壤普查分级标准和园林绿化种植土技术标准进行设定(表2)。

1.3.2 综合评价模型

采用修正的内梅罗指数方程进行评价：

式中，Q为土壤质量综合指数；Pi为土壤质量单指数平均值；Pmin为单质量指数最小值。参照土壤普查资料和土壤质量指数，可将绿地土壤质量分为优、良、中、差4级(表3)。

应用Excel2016和SPSS22软件进行数据处理和统计分析，作图采用软件Sigmaplot14。

2 结果与分析

2.1 上海绿地土壤肥力变化

2.1.1 上海绿地土壤理化性状变化

由表4可知，上海绿地土壤整体呈碱性，3次土壤调查pH平均值均大于7.5。2002—2018年，土壤pH平均值逐渐降低，16年间pH值降低了0.57，年均降低0.036个单位。土壤电导率(EC)平均值在2002—2014年间保持相对稳定，分别为0.21和0.23mS/cm；2014—2018年，EC降低明显，共降低了0.06mS/cm，年均降低0.015mS/cm。土壤有机质平均含量在16年间呈明显增加趋势，分别为17.7、21.0和24.1mg/kg，16年间增加了6.5mg/kg，年均增加0.41mg/kg。土壤水解性氮平均值在2002—2014年间保持相对稳定，分别为65.7和63.5mg/kg；2014—2018年，水解性氮明显增加，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年间增加了3.44mg/kg，年均增加0.29mg/kg。土壤有效钾平均值由2002年的187.8mg/kg降低至2014年的142.8mg/kg，12年间降低了45mg/kg，年均降低3.75mg/kg；2014—2018年有效钾的平均值基本保持稳定。土壤容重的平均值在2002—2014年基本保持稳定，为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。与土壤容重变化趋势相反，土壤通气孔隙度平均值在2002—2014年保持相对稳定，分别为3.52%和3.54%，至2018年则下降至2.11%，降幅为1.43%，年均降低0.36%。

表5为绿化种植土相关指标的技术标准[22]，通过对比可知，土壤pH值仅在2002年超过了指标范围，2014和2018年pH值已不是绿化的主要障碍因子，但大部分绿化植物为中性或偏酸性植物，土壤pH值的降低将更有利于植物生长。土壤EC、水解性氮、有效磷和有效钾在3次调查中均在技术要求范围内，速效N、P、K养分不是上海绿化的限制因子。土壤有机质平均值在2002年低于技术最低要求，之后随着有机质含量的增加，也达到了绿化种植土的技术要求。土壤容重在2002—2014年符合绿化种植土技术要求，但在2018年超过了容重的阈值，成为绿化的障碍因子。土壤通气孔隙度在2002—2018年均低于技术最低值，通气孔隙度是上海城市绿地土壤绿化的主要障碍因子。

3次土壤调查中，上海绿地土壤pH值、有机质和容重3项指标的平均值变化较为明显，且其变化范围超过了绿化种植土理化指标技术的阈值。图3a为上海绿地土壤在3次调查中pH值分布频率的变化，由图可知，2002—2018年随着时间的变化，＜8的样本逐渐增加，≥8.5的样本逐渐减少，2014年pH值在8.0～8.5的样本占比最大，而到2018年则为＜8.0的样本占比最大，表明大部分上海绿地土壤pH值正在逐渐降低。图3b为上海绿地土壤在3次调查中有机质分布频率的变化，由图可知，＜10g/kg的样本逐渐减小，而≥20g/kg的样本逐渐增加，表明部分绿地土壤有机质含量在逐渐增加。 图3c为上海绿地土壤在3次调查中土壤容重分布频率的变化，由图可知，＜1.0g/cm3的样本在3次调查中占比均较小，1.0～1.35g/cm3的样本逐渐减少，≥1.35g/cm3的样本明显增加，表明上海绿地土壤容重在逐渐增加，且已有超过50%的样地土壤容重超过了绿化种植土的技术标准。

表2 土壤综合肥力评价因子分级标准

表3 土壤质量分级标准

表5 绿化种植土理化指标技术要求

表4 不同年份上海绿地土壤理化性状比较

2.1.2 上海绿地土壤综合肥力变化

利用修正的内梅罗公式计算绿地土壤的综合肥力指数，结果表明，上海绿地土壤的综合肥力指数在2002、2014和2018年分别为0.97、1.04和1.25。土壤综合肥力呈上升趋势，2002—2014年综合肥力指数增加了0.07，年均增加0.006个单位；2012—2014年综合肥力指数增加了0.21，年均增加0.05个单位。2014—2018年上海绿地土壤综合肥力提升速率约为2002—2014年的8倍。

2.2 公园绿地土壤肥力变化

2.2.1 公园绿地土壤理化性状变化

根据《城市绿地分类标准》，3次调查的城市绿地可以分为公园绿地、广场用地和附属道路绿地3种类型。表6为3次调查中公园绿地土壤的理化性状，由表可知，土壤pH值在2002—2018年均呈碱性，其中2002—2014年pH平均值保持相对稳定，分别为8.12和8.17，2014—2018年降低了0.41，年均降低0.10个单位。参照《绿化种植土标准》，公园绿地土壤pH值不是其绿化障碍因子。公园绿地土壤的有机质平均值在3次调查中均大于20g/kg，属于高肥力土壤有机质等级；2002—2014年土壤有机质平均值基本保持稳定，2014年之后迅速提高，至2018年提高了3.3g/kg，年均提高0.83g/kg。公园绿地土壤EC、水解性氮、有效磷和有效钾平均值在3次取样中均有所波动，但其含量均在《绿化种植体标准》要求的技术标准范围内。2002—2018年3次取样中，公园绿地土壤的容重随时间的变化呈增加趋势，分别为1.29、1.32和1.39g/cm3，仅2018年大于1.35g/cm3的标准阈值。但土壤通气空隙度在3次取样中均小于标准要求的最低值1.35g/cm3。

2.2.2 公园绿地土壤综合肥力变化

利用修正的内梅罗公式计算公园绿地土壤的综合肥力指数，结果表明，上海公园绿地土壤的综合肥力指数在2002、2014和2018年分别为1.09、1.05和1.35，均为中等肥力水平。土壤综合肥力指数在2002—2014年基本保持稳定，2014—2018年综合肥力指数增加了0.30，年均增加0.075个单位。

2.3 广场用地土壤肥力变化

2.3.1 广场用地土壤理化性状变化

广场用地土壤pH值在3次取样中均大于7.5，其中2002—2014年平均值大于标准要求的技术范围(表7)；土壤pH值随时间变化逐渐降低，2002—2018年土壤pH平均值降低了0.62，年均降低0.04个单位。土壤有机质逐渐增加，2002年土壤有机质平均值为17.5g/kg，低于标准要求的18g/kg；至2018年达到24.2g/kg，增加了6.7个单位，年均增加0.42g/kg。土壤EC、水解性氮、有效磷和有效钾平均值在3次取样中有所波动，但均在标准要求的技术范围内。土壤容重平均值在2002—2014年保持相对稳定，2014—2018年增加了0.15个单位，年均增加0.037g/cm3。土壤通气孔隙度在3次取样中均低于标准要求的5%，土壤通气孔隙度是广场用地绿化的障碍因子之一。

2.3.2 广场用地土壤综合肥力变化

利用修正的内梅罗公式计算广场用地土壤的综合肥力指数，结果表明，上海广场用地土壤的综合肥力指数在2002、2014和2018年分别为0.95、1.02和1.25。土壤综合肥力呈上升趋势，2002—2014年综合肥力指数增加了0.07，年均增加0.006个单位；2012—2014年综合肥力指数增加了0.23，年均增加0.058个单位。2014—2018年上海广场用地土壤综合肥力提升速率约为2002—2014年的10倍。

2.4 附属道路绿地土壤肥力变化

2.4.1 附属道路绿地土壤理化性状变化

根据《城市绿地分类标准》，道路周边绿地归于附属道路绿地。表8为3次调查中附属道路绿地的土壤理化性状。附属道路绿地土壤pH值在3次取样中均大于7.5，呈碱性，从时间变化上来看，土壤pH值逐渐降低，16年间降低了0.72，年均降低0.045个单位。土壤有机质平均值呈增加趋势，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个单位。土壤EC、水解性氮、有效磷和有效钾在3次取样中有所波动，但均在标准要求的技术范围内。土壤容重在2002和2018年的取样中均大于1.35g/cm3，通气孔隙度均小于5%，附属道路绿地的容重和通气孔隙度均是其绿化的障碍因子。

2.4.2 附属道路绿地土壤综合肥力变化

利用修正的内梅罗公式计算附属道路绿地土壤的综合肥力指数，结果表明，上海附属道路绿地土壤的综合肥力指数在2002、2014和2018年分别为0.87、1.04和1.25。土壤综合肥力呈上升趋势，2002—2014年综合肥力指数增加了0.17，年均增加0.014个单位；2012—2014年综合肥力指数增加了0.21，年均增加0.05个单位。2014—2018年上海附属道路绿地土壤综合肥力提升速率约为2002—2014年的4倍。

3 讨论

3.1 上海城市绿地土壤肥力时间变化特征

绿地土壤肥力是影响城市绿化质量和植物景观效应的重要影响因子[9]。本研究表明上海城市绿地土壤综合肥力指数逐渐增加，从全市绿地土壤理化性状的平均值来看，土壤化学指标，如pH值和有机质含量在逐渐改善，但物理性状退化形势依然严峻。上海城市绿地土壤pH值均大于7.5，呈碱性，这与其他城市土壤pH值的研究结果一致，如湖北、湖南城市土壤pH平均值达7.9[23-24]，南京城市土壤pH中值达8.2[25]。城市土壤pH值较高，与人为活动造成的碳酸钙及钙镁碳酸盐等碱性物质的输入有关[26]。但通过对比3次取样结果可以发现，土壤pH值在逐渐降低。有研究表明，适宜植物生长的pH值范围是6.5～7.5，pH值过低盐基离子易流失，pH值过高则易造成中微量元素钝化，影响植物吸收[27]。上海城市绿地土壤pH值逐渐降低，绿地土壤质量正在逐渐改善，表明已建成绿地在合理的人为管理措施下，土壤pH值可逐渐改善。值得注意的是，虽然土壤pH值在降低，但截至2018年的绿地土壤pH值仍超过植物最适宜生长的范围，土壤pH值的改善仍是上海绿地土壤肥力质量提升的重点之一。土壤有机质是维持土壤肥力的核心指标，本研究表明上海城市绿地土壤有机质含量在逐渐增加。从全市绿地土壤有机质含量的平均值来看，2002年上海绿地土壤有机质含量低于绿化种植土的技术要求(20g/kg)，至2014和2018年时，土壤有机质含量均达到绿化种植土技术要求，表明城市绿地建成后在合理的管理措施下，土壤有机质含量可以逐渐增加。城市绿地土壤有机质含量低，与绿地建造时表土剥离，以及有机质含量低的底层土和肥力较差的客土覆盖有关[28]。建成绿地后，植物凋落物和根系分泌物的转化可以增加土壤有机质含量，且不同植被类型对绿地土壤有机质含量的提升效果不同，如韩荣初等[29]研究发现，灌草绿化种植对土壤有机质的提升作用显著高于乔木和乔草种植。本研究还发现，2014—2018年上海绿地土壤有机质的提升速率显著高于2002—2014年，这可能与园林养护管理措施的改变有关，2011年上海发布了《园林绿化养护技术规程》[30]，有机肥在园林养护中被推广应用，外源碳的输入增加，可加快提升土壤有机质含量。

土壤环境的剧烈改变会影响土壤中养分的有效性，有研究表明城市土壤氮矿化速率低于自然土壤，与自然土壤相比，城市土壤不能提供充足的速效N、P、K供园林植物吸收利用[31-32]。然而本研究中上海绿地土壤速效N、P、K的含量，在2002、2014和2018年的3次取样中，均达到绿化种植土的技术要求，这可能与园林养护过程中化学肥料的施用有关。其中水解性氮和速效磷虽处于低水平，但基本达标；而速效钾的含量较高，这可能与上海的土壤主要由长江冲积物母质发育有关，黏粒矿物以水云母和蛭石为主[33]，因此K2O含量较高。值得注意的是，上海绿地土壤有效钾含量虽处于较高水平，但下降趋势明显，所以在今后的施肥和管理措施中，也应注意钾素的补充。

表6 上海公园绿地土壤理化性状

表7 上海广场用地土壤理化性状

表8 上海附属道路绿地土壤理化性状

土壤容重和通气孔隙度是土壤重要的物理性质，也是土壤肥力的重要指标。城市绿地土壤的物理性质退化是普遍存在的绿化障碍因子，深圳绿地土壤表层的容重平均为1.55g/cm3，土壤总孔隙度平均为39.7%[28]；哈尔滨城市绿化用地土壤容重达1.71g/cm3，土壤通气孔隙度仅1.7%[34]。本研究中，上海绿地土壤容重平均值在2002和2014年达到了绿化种植土技术要求(1.35g/cm3)，但仍有超过40%的样地土壤容重超过1.35g/cm3。2018年绿地土壤容重平均值达1.40g/cm3，超过60%的样地土壤容重超过1.35g/cm3。上海绿地土壤通气孔隙度在3次取样中，均小于绿化种植土的技术要求(＞5%)。城市土壤容重与人为的压实作用密切相关，已建成绿地可以在人为疏松和植物根系及土壤动物的作用下，改善土壤压实现象。在莫斯科[35]，已建成平均时间达69年的城市绿地土壤容重比建成9年的样地低0.32g/cm3。

3.2 不同类型城市绿地土壤肥力变化差异

根据人类活动的要求，城市绿地可以分为不同的功能区域，不同类型绿地间土壤理化性质在不同的人为干扰作用下会发生不同的变化[24]。本研究中，3种类型的城市绿地土壤综合肥力指数均呈逐渐上升趋势，且化学性质逐渐改善，如pH值降低、有机质和速效养分增加；但物理性质逐渐退化，如土壤容重增加、通气孔隙度降低。公园绿地起始土壤肥力质量最高，广场用地次之，附属道路绿地最低，2002年综合肥力指数分别为1.09、0.95和0.87。在2002—2014年间，公园绿地土壤pH值和有机质并未显著改善，这可能与本底值较高、自然凋落物进入土壤并不能迅速提高土壤有机质有关。但广场用地和道路附属绿地则因较低的本底值，依靠植物生长过程的凋落物和根系分泌物即可显著提高土壤有机质含量。2014—2018年间，由于对有机肥施用的推广和重视，公园绿地、广场用地和附属道路绿地土壤有机质均显著增加。还有研究表明，城市土壤有机质含量与植被类型有关，软阔林土壤有机质含量最高，针阔混交林土壤有机质含量最低[36]，其原因可能与不同植被凋落物影响土壤微生物群落多样性，进而影响凋落物的分解速率有关。土壤容重的变化在不同类型绿地间也表现出了一定的差异。附属道路绿地被人为踩踏、压实等现象较为严重，因此在2002年土壤容重即超过绿化种植土技术要求，达1.39g/cm3，与2018年无显著差异。而公园绿地和广场用地的土壤容重则在2014—2018年显著增大。北京市绿地土壤容重也表现为：道路绿地(1.48g/cm3)＞公园绿地(1.46g/cm3)＞广场绿地(1.39g/cm3)[37]，与本研究结果相似，人为压实活动越剧烈的区域土壤容重越大，表明人为活动显著影响了城市绿地土壤的物理性质。由此可见，不同类型城市绿地土壤肥力变化的差异，受到本底土壤理化性质和人为活动影响的共同作用。

4 结论

上海城市绿地土壤总体呈碱性，2002—2018年pH值呈逐渐降低趋势。对照绿化种植土的技术要求，上海城市绿地土壤有机质、碱解氮和有效磷处于中等偏下水平，但随时间的变化逐渐提高；土壤有效钾含量较高，但其含量在逐渐降低。总体而言，上海城市绿地土壤综合肥力在逐渐提高，但土壤容重和通气孔隙度均超过绿化种植土的技术标准阈值，表明在当前的管理措施下，绿地土壤养分指标明显改善，但土壤物理性质退化。因此在今后的城市绿地管理过程中，需要更加注重土壤物理性质的改善。

注：文中图片均由作者绘制。

致谢：感谢上海园林科学规划研究院张冬梅教授级高工和张维维博士在论文写作过程中给予的帮助。