兰州市中心城区道路绿地土壤pH 和养分特征

程晓月，许宏刚，朱亚灵，张建旗

（兰州市园林科学研究所，甘肃 兰州 730070）

城市绿地土壤是指分布在城区或城郊，经过人类活动的长期干扰或直接“组装”，并在城市特殊的环境背景下发育起来的土壤，具有复杂的组成和时空多变的性质[1-3]。城市道路绿地作为城市绿地系统的重要组成部分，因其特殊的生态环境条件，如风大、水分蒸发快、废气、粉尘污染、路面的热辐射等诸多不利因素的影响，以及大量人为活动的干扰，致使道路绿地植物的生存环境较恶劣[4-5]。行道树作为构建城市道路绿地的主体，是一座城市的气候特色和精神面貌的直观体现，其生长状况直接反映了一座城市绿化水平的高低，也呈现了这个城市的生态环境特点及文化韵味[6-7]。

近年来，兰州市城市园林绿化建设发展较快，2017 年10 月31 日，兰州市获得“国家园林城市”荣誉称号，对兰州这座常年干旱少雨、自然条件较差，生态环境脆弱的城市而言，实属不易。为巩固提升兰州市国家园林城市创建成果，建设黄河上游国家生态安全屏障，兰州市高度重视城市绿地的建设和科学养护管理。截至2018 年底，兰州市建成区园林绿地总面积累计达到7 868.46 万m2，道路绿地面积196.33 万m2，占总绿地面积2.50%。城市园林建设步伐的加快，为兰州市整体面貌的提升和人居环境的改善起到了重要作用。随着兰州市城区面积的扩大，道路建设增加，行道树栽植和养护管理出现了更多的问题和挑战。为丰富兰州市园林绿化植物品种，道路绿地在前几年大量引入七叶树(Aesculus chinensis)、银杏(Ginkgo biloba)、悬铃木(Platanus orientalis)等树种作为行道树，但出现了不同程度的长势衰弱和病虫害较多等问题，如部分银杏栽植后出现春季发芽晚，叶片小、黄化，叶缘焦枯等；七叶树栽植后死亡率较高以及成活后叶片的病虫害较多；部分悬铃木多年后出现树梢枯死、树干开裂、蛀干害虫较多，这些问题均不同程度地影响了行道树的正常生长发育。而城市道路绿地土壤作为行道树的立地基础和生长介质，其土壤状况比其他类型绿地都差[8-11]，其质量直接影响植物的健康生长以及生态效益和景观功能的发挥。

兰州市开展城区绿地研究相对较晚，目前，仅见少量关于不同绿地类型植物种类调查的报道，而关于道路绿地土壤现状的报道更少。因此，本研究对兰州中心城区道路绿地土壤状况进行了大量调查分析，以期为城市道路绿地建设和综合管理提供理论依据和技术支撑。

1 研究区概况

研究区域位于兰州市中心城区，建成区地理坐标35°50′ − 36°55′ N，103°19′ − 103°59′ E，面积1 112.20 km2，市区平均海拔1 520 m。截至2018 年底，市区常住人口255.06 万人，占兰州总常住人口的67.95%，是兰州城市化发展程度最高的区域。兰州中心城区地貌复杂，土层深厚，质地良好，土壤类型主要为黄土起源的粉砂壤土，属于薄层典型干旱土，包括黄绵土、灰钙土、栗钙土、灰褐土、草甸土[12]。兰州市属温带半干旱性大陆气候，干燥少雨，年均温9.3 ℃，绝对最高温度39.9 ℃，绝对最低温度−23.1 ℃，气温平均日较差 12.9 ℃，年较差 29.1 ℃，≥ 10 ℃的积温为3 242.0 ℃·d，年均降水量325 mm，年最大降水量546.7 mm，最小降水量155.3 mm，降水主要集中在7 月 − 9 月，占全年降水量的60%左右，年日照时数2 424 h，年蒸发量1 600 mm 以上，是年降水量的4～6 倍，无霜期182 d 以上，最大冻土层1.2 m。

1.1 样品采集与处理

兰州市行道树主要由国槐(Sophora japonica)、雪松(Aesculus chinensis)、七叶树、银杏、悬铃木5 种行道树种组成。本研究以兰州中心城区的5 种主要行道树周围的土壤为研究对象(限定为定植3 年以上)，于2016 年6 月 − 7 月在城关区、七里河区、西固区、安宁区4 个区域内的主要道路绿地上进行土壤样品采集(表1)，包括这些区域内的行道树树穴、行道树绿带、分车绿带、街道广场绿地等。根据行道树立地土壤覆盖情况，分两种情形(裸露和植被覆盖，如图1 所示)确定取样地点，利用土钻钻取行道树(水平距离 ＜ 50 cm)的根际土壤，每30 棵行道树取1 个混合样品(每6 棵行道树钻取1 份土样，由5 份等量土样形成1 份混合土样)，混合土样分成3 份即为3 个重复，采集表层(0 − 30 cm)和下层(30 −60 cm)土壤，共采集土壤样品456 个，编号后带回实验室。土壤经自然风干去除杂质，研细分别过1 mm和0.25 mm 孔径的筛子，装入信封保存备用。

表1 兰州市中心城区道路绿地土壤采样地点和数量Table 1 Soil sampling location and number of tree holes in a roadside green belt in a central urban area of Lanzhou

1.2 土壤理化性质测定

采用221c 酸度计(HANNA,Italy)电位法 (水土比2.5 : 1)测定土壤pH；采用高温外热重铬酸钾氧化−容量法测定土壤有机质；采用碱解扩散法测定碱解氮；采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定有效磷；采用乙酸胺浸提火焰光度法测定有效钾[13]。

1.3 数据处理与统计分析

利用Excel 2007 进行最大值、最小值和分布概率等描述性统计和相关性分析，利用SPSS 19.0 软件进行平均值、标准差、并用Dancan D 法进行单因素方差分析和显著性(P ＜ 0.05)差异检验。

图1 行道树立地土壤两种方式Figure 1 The soil of the roadside tree is divided into bare tree holes and tree hole covered by plant

1.4 土壤养分分级标准

本研究参考土壤养分分级标准和《绿化种植土壤》CJ/T340-2016 国家标准[14]，结合文献[15-16]的分级标准，制定兰州市中心城区道路绿地土壤主要养分含量丰缺标准(表2)。土壤pH 分级标准：强酸性(0～4.5]、酸性(4.5～5.5]、弱酸性(5.5～6.5]、中性(6.5～7.5]、碱性(7.5～8.5]、强碱性(8.5～9.0]、极强碱性(＞ 9.0)。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

土壤pH 直接影响土壤养分元素的存在形态和对植物的有效性，是《绿化种植土壤》国家标准[14]5 项主控指标之一。兰州中心城区道路绿地土壤pH 范围在7.91～9.39，均值8.49，主要是碱性和强碱性土壤(表3)。根据国家标准[14]，土壤pH 的适宜范围在6.5～8.5，66.11%道路绿地的土壤pH 在适宜范围内，33.89%道路绿地的土壤pH 高出适宜范围，其中，33.42%道路绿地的土壤pH 在8.5～9.0，属于强碱性，0.47%的土壤pH ＞ 9.0，属于极强碱性(图2)。

表2 兰州市中心城区道路绿地土壤主要养分含量丰缺标准Table 2 Descriptive statistics of soil nutrients in a roadside green belt in a central urban area of Lanzhou

表3 兰州市中心城区道路绿地土壤pH 与养分含量Table 3 Descriptive statistics of soil nutrients in a roadside green belt in a central urban area of Lanzhou

土壤有机质是土壤肥力的重要指标，也是土壤抗干扰能力和保肥能力的衡量标准。兰州市中心城区土壤有机质含量在5.30～47.80 g·kg−1，均值18.29 g·kg−1。根据《绿化种植土壤》国家标准，有机质含量建议范围为20～80 g·kg−1。兰州市中心城区40.58%的土壤有机质在建议范围内，59.40%的道路绿地处于有机质缺乏状态，其中，37.64%土壤处于较缺乏状态，21.77%的道路绿地处于严重缺乏状态(图3)。土壤有机质是植物营养的主要来源，直接或间接影响土壤的多种属性，有机质缺乏不利于植物的正常生长发育。

图2 兰州市中心城区道路绿地土壤pH 的分布Figure 2 Distribution of soil pH in a roadside green belt in a central urban area of Lanzhou

土壤碱解氮含量在5.24～167.55 mg·kg−1，均值48.54 mg·kg−1(表3)。根据《绿化种植土壤》国家标准，土壤碱解氮建议范围40～200 mg·kg−1。兰州市中心城区58.37%土壤处于建议范围，其中，54.63%的道路绿地位于中等水平，3.74%的道路绿地处于丰富水平；而41.63%的道路绿地处于碱解氮缺乏状态，这其中，35.68%的道路绿地土壤属于较缺乏，5.95%的道路绿地土壤属于严重缺乏(图3)。

图3 兰州市中心城区道路绿地土壤有机质、碱解氮、有效磷和有效钾的分布Figure 3 Distribution of soil organic matter, alkaline nitrogen, available phosphorus, available potassium in a roadside green belt in a central urban area of Lanzhou

兰州市中心城区土壤有效磷含量在4.68～184.46 mg·kg−1，均值45.66 mg·kg−1(表3)，根据《绿化种植土壤》国家标准，土壤有效磷建议范围5～60 mg·kg−1。兰州市中心城区68.75%的道路绿地土壤处于建议范围；其中49.17%和29.17%的道路绿地土壤有效磷处于中等和丰富水平，19.58%和1.67%的道路绿地土壤有效磷处于较缺乏和严重缺乏水平（图3）。

兰州市中心城区土壤有效钾含量在72.35～449.6 mg·kg−1，均值为177.60 mg·kg−1(表3)。根据《绿化种植土壤》国家标准，土壤有效钾建议范围60～300 mg·kg−1。兰州市中心城区96.92%的道路绿地土壤有效钾位于建议范围，3.08%的道路绿地土壤有效钾含量 ＞ 300 mg·kg−1（图3）。由此可知，兰州市道路绿地土壤有效钾含量处于中等和丰富水平，不存在有效钾缺乏。

2.2 不同覆盖方式下土壤pH 和养分含量

兰州中心城区道路绿地不同覆盖方式下土壤pH 与养分指标存在差异(表4)，裸露土壤0 − 30 和30 − 60 cm 的pH 分 别 为8.54 和8.52，为 强 碱 性 土壤，均高出国家标准建议pH 范围的上限8.50。植被覆盖土壤0 − 30 和30 − 60 cm 土壤pH 分别为8.37和8.35，均在建议范围内，土壤pH 为碱性，显著(P ＜0.05)低于裸露土壤。0 − 30 与30 − 60 cm 土壤pH无显著差异(P ＞ 0.05)。

表4 不同覆盖方式下土壤pH 与养分指标的差异性分析Table 4 Comparison of soil pH and nutrient under different coverage types

裸露土壤中，0 − 30 和30 − 60 cm 有机质含量分别为19.84 和13.30 g·kg−1，0 − 30 cm 土壤有机质显著高于30 − 60 cm 土壤(P ＜ 0.05)，裸露土壤有机质含量均未达到国家标准。植被覆盖土壤0 − 30 和30 −60 cm 有机质含量分别为25.45 和22.32 g·kg−1，两层土壤有机质含量差异不显著(P ＞ 0.05)，但均达到国家标准对有机质的要求。土壤有机质含量表现为植物覆盖土壤显著高于裸露土壤。

裸露土壤中，0 − 30 和30 − 60 cm 碱解氮含量分别为46.11 和40.49 mg·kg−1，在国家标准建议适宜范围下限值(40 mg·kg−1)附近。植被覆盖土壤0 − 30 cm土层碱解氮含量最高达65.81 mg·kg−1，显著高于30 −60 cm 土 壤 和 裸 露 土 壤(P ＜ 0.05)；植 被 覆 盖30 −60 cm 土壤碱解氮含量50.04 mg·kg−1，显著高于裸露土壤30 − 60 cm。

裸露土壤有效磷含量显著低于植被覆盖土壤(P ＜ 0.05)；裸露土壤0 − 30 cm 有效磷含量显著高于30 − 60 cm。裸露和植被覆盖土壤有效磷含量均符合国家标准建议范围。

裸露土壤的有效钾含量均低于植物覆盖土壤，但二者无显著差异(P ＞ 0.05)，而裸露土壤和植被覆盖土壤有效钾均表现为0 − 30 cm 土壤显著高于30 −60 cm 土壤(P ＜ 0.05)。

2.3 土壤pH 与土壤养分间的关系

2.3.1 土壤pH 与有机质关系

将兰州城区道路绿地土壤根据pH 分为4 组，分别 为 7.9 ＜ pH ≤ 8.2、 8.2 ＜ pH ≤ 8.5、 8.5 ＜ pH ≤8.8、pH ＞ 8.8，各组样本数分别为50、266、128、12，分别统计不同土壤pH 组的有机质含量均值及样本分布频度(表5)。4 个pH 组的土壤有机质含量平均值在14.83～20.06 g·kg−1，随着土壤pH 升高，有机质含 量 呈 降 低 趋 势，7.9 ＜ pH ≤ 8.2 和8.2 ＜ pH ≤ 8.5组的土壤有机质含量显著高于pH ＞ 8.8 组(P ＜ 0.05)。不同pH 组间土壤有机质含量分布频率结果表明，7.9 ＜ pH ≤ 8.2 组的严重缺乏比例最少、中等和丰富样品比例最高，pH ＞ 8.8 组反之。

表5 不同pH 组的土壤有机质含量及其分布频率Table 5 Distribution frequency and contents of soil organic matter in different soil pH groups

将分组后的土壤有机质含量与土壤pH 进行直线回归(图4)，其方程式为y= −6.356 5x + 72.07 (R2=0.994 9)，表明土壤有机质含量随着pH 升高而降低；把 有机质含量适宜最小值20.00 g·kg−1代入公式，得出土壤pH 为8.19；因此，表明当土壤pH ＞ 8.19 时，土壤有机质开始缺乏。

图4 土壤 pH 与养分含量的关系Figure 4 Relationship between pH and nutrient content of soil

2.3.2 土壤pH 与碱解氮关系

不同pH 组的土壤碱解氮含量平均值及丰缺样本分布频率(表6)显示，4 个pH 组的土壤碱解氮含量 平 均 值 在23.56～63.30 mg·kg−1。7.9 ＜ pH ≤ 8.2和8.2 ＜ pH ≤ 8.5 组的土壤碱解氮含量显著(P ＜ 0.05)高于8.5 ＜ pH ≤ 8.8 和pH ＞ 8.8 组。不同pH 组间土壤碱解氮含量分布频率，以7.9 ＜ pH ≤ 8.2 组严重缺乏和较缺乏的比例最少、中等和丰富样品比例最高，pH ＞ 8.8 组反之。

分组后的土壤碱解氮含量与土壤pH 回归方程为y = −0.047 7x + 0.453 3 (R2=0.999) (图4)，表明土壤碱解氮含量随着pH 升高而降低；把土壤碱解氮含量适宜最小值40.00 mg·kg−1代入公式，得出土壤pH为8.66，这表明当土壤pH ＞ 8.66 时，碱解氮开始缺乏。

2.3.3 土壤pH 与有效磷关系

不同pH 组的土壤有效磷含量平均值及丰缺样本分布频率(表7)显示，4 个pH 组土壤碱解氮含量在15.41～66.26 mg·kg−1。7.9 ＜ pH ≤ 8.2 组的土壤有效磷含量显著高于其他3 组(P ＜ 0.05)，8.2 ＜ pH ≤ 8.5组的土壤有效磷含量显著高于8.5 ＜ pH ≤ 8.8 和pH ＞8.8 组(P ＜ 0.05)。不同pH 组间的壤有效磷含量分布频度，以pH ＞ 8.8 组中等水平样品比例最高，以7.9 ＜ pH ≤ 8.2 组中等水平样品比例最低。

表6 不同pH 组的土壤碱解氮含量及其分布频率Table 6 Distribution frequency and contents of soil alkaline nitrogen in different soil pH groups

将分组后的土壤有效磷含量与土壤pH 进行直线回 归(图4)，其 方 程 式 为y = −0.060 6x + 0.56) (R2=0.996 5)，表明土壤有效磷含量随着pH 升高而降低；把土壤有效磷含量适宜最小值15.00 mg·kg−1代入公式，得出土壤pH 为8.99，这表明当土壤pH ＞ 8.99时，有效磷开始缺乏。

表7 不同pH 组的土壤有效磷含量及其分布频率Table 7 Distribution frequency and contents of available phosphorus in different soil pH groups

2.3.4 土壤pH 与有效钾关系

不同pH 组的土壤有效钾含量及其分布频度(表8)显示，4 个pH 组的土壤碱解氮含量在166.13～196.55 mg·kg−1。7.9 ＜ pH ≤ 8.2 和8.2 ＜ pH ≤ 8.5 组土壤有效钾含量显著高于8.5 ＜ pH ≤ 8.8 组(P ＜ 0.05) 。土壤有效钾含量分布频度以8.2 ＜ pH ≤ 8.5 组中等水平比例最低，丰富比例最高。

将分组后的土壤有效钾含量与土壤pH 进行直线回归(图4)，其方程式为y = −0.037 4x + 0.496 8 (R2=0.750 1)，表明土壤有效钾含量随着pH 升高而降低。

表8 不同pH 组的土壤有效钾含量及其分布频率Table 8 Distribution frequency and contents of available potassium in different soil pH groups

3 讨论

道路绿地土壤作为一种独特的生态系统，受人为活动的影响较大，土壤pH 和养分会发生不同程度的改变。土壤酸碱度是《绿化种植土壤》国家标准的5 项主控指标之一，对于土壤营养成分有效性、土壤微生物活性及植物的生长发育均有明显的影响[14-15]。兰州道路绿地土壤pH 较高，主要有两方面的原因：一是道路绿地土壤主要是客土，来自于城区周边的农田，其pH 本身较高[12]；二是城市土壤随着应用年限的增加，趋向碱性变化是共同特征，广州[17]、深圳[18]、重庆[19-20]、成都[1]、武汉[21]、杭州[22]、上海[23-24]、南京[25-26]、北京[27-28]、沈阳[29-30]、长春[3]等城市均有报道。回填时混入的建筑废弃物、石灰、水泥、砖块或其他碱性混合物，不断释放钙离子；同时大量含有碳酸钙和碳酸镁灰尘的沉降；雨水冲刷建筑物和路面后带有钙离子等碱性物质流入绿地；道路积雪融化剂中氯化钙、氯化钠和其他种类的盐随地表径流积累在土壤中；树穴周围无覆盖或者用篦子和鹅卵石等材料进行硬覆盖等，这些因素都可能使道路绿地土壤pH 碱性增强。

因此，在道路绿化选择植物时，应充分考虑植物的耐碱性和耐贫瘠能力，综合分析城市道路绿地环境特点，做到适地适树。建议选择以下抗逆性强的园林植物用于道路绿化，乔木如：榆树(Ulmus pumila)、白 蜡(Fraxinus chinensis)、臭 椿(Ailanthus altissima)、枣树(Ziziphus jujuba)、旱柳(Salix matsudana)、国槐(Sophora japonica)、柿树(Diospyros kaki)、山楂(Crataegus pinnatifida)、桑 树(Morus alba)、毛 白 杨(Populus tomentosa)、丝 棉 木(Euouymus maackii)、栾树(Koelreuteria paniculata)、龙柏(Sabina chinensis)等；灌木如：胶东卫矛(Euonymus kiautschovicus)、扶芳藤(Euonymus fortunei)、大叶女贞(Ligustrum compactum)、雀舌黄杨(Buxus bodinieri)、金叶风箱果(Physocarpus opulifolium)、榆叶梅(Amygdalus triloba)等。

研究表明，兰州市道路绿地土壤养分状况也存在不同程度的缺乏。其中，有机质(59.40%)缺乏最为严重、其次为碱解氮(41.63%)、有效磷(21.25%)缺乏较轻。一方面认为与建植初期绿化用土土源紧张有关[23]。兰州市城市园林绿化建设所需要的园林种植土大部分来自于周边的农田和山地，土源资源有限、短缺形式日益严峻，致使绿化种植土购买价格逐年增高，导致质量不等的客土混入绿化种植土壤。另一方面城市道路绿地土壤随着年限增加，出现不同程度的退化[31-34]。因为道路绿地土壤环境类似于一个无排水洞的大花盆，无法通过与外界土壤的循环调节自身养分，特殊的生态环境以及行人践踏、汽车尾气、废水废物和路面的硬化铺装、落叶清理等人为活动的影响，使得道路绿地土壤的理化性质发生了改变[35-37]，出现了板结、透气性差，导致土壤质量不同程度的下降。为了提高园林绿化种植土壤质量，缓解城市园林绿化用土难的问题，必须立法加强对表土的保护和再利用。表土资源是特别珍贵且有限的自然资源，表土再利用不但可以提高种植土质量，而且保护了表土中蕴藏的大量种子资源和土著生物群体[23]。同时对绿化土壤的改良修复技术进行深入研究，从源头上保证绿化种植土壤的质量。

与裸露树穴的土壤相比，植被覆盖土壤pH 显著降低(P ＜ 0.05)，有机质、碱解氮和有效磷含量均显著升高(P ＜ 0.05)。可能因为在行道树周围种植园林植物，园林植物根系分泌有机酸，以及根际微生物的活动，均可降低土壤pH[37-40]；而裸露树穴受践踏相对严重，土壤紧实度更高，厌氧性微生物的呼吸作用导致pH 升高[41-43]。裸露树穴因市容市貌需要，枯枝落叶全部清理，而有植被覆盖的行道树绿地，落叶和植物残体大多进行了保留，不仅增加了土壤中有机质的含量，也间接增加了土壤中碱解氮的含量[43]。低矮灌木或者草本形成的物理屏障也有效阻止了水泥、石灰等含钙的碱性物质进入绿地土壤，减少了土壤中有效磷被固定的机会。裸露和植被覆盖土壤均表现为表层土壤碱解氮和有效钾含量显著(P ＜ 0.05)高于下层，而裸露土壤有机质和有效磷表现出表层显著(P ＜ 0.05)大于下层。道路绿地在养护管理时，主要向表层增施有机肥或者复合肥，有植被覆盖的土壤一般种植灌木或草本等低矮的园林植物，其根系分布相对较浅，以吸收表层土壤中的有效养分为主，而行道树根系主要分布在下层，造成裸露和植被覆盖土壤中表层和下层养分差异。因此，兰州地区道路绿地规划设计时，尽量减少裸露地表，对道路绿地土壤进行植被覆盖，可显著降低土壤的pH，提高有机质、碱解氮和有效磷含量(P ＜ 0.05)。

4 结论

兰州道路绿地土壤pH 较高，均值8.49，60%土壤有机质含量缺乏，40%土壤碱解氮缺乏，20%土壤有效磷缺乏，有效钾含量适中。土壤pH 分组研究表明，高pH 显著(P ＜ 0.05)降低土壤有机质、碱解氮、有效磷含量，是影响兰州市道路绿地土壤养分发挥的重要因子；行道树周边土壤进行植被覆盖可显著降低土壤pH (P ＜ 0.05)，显著提高有机质、碱解氮和有效磷含量(P ＜ 0.05)。