上海城市绿地土壤研究现状及问题

马想 张浪 黄绍敏 张琪 韩继刚 俞元春

摘要：城市绿地土壤是城市生态系统的重要组成部分，是城市中重要的自然生态系统。城市绿地土壤受到人为活动的强烈影响，土壤肥力质量和生物活性均呈现不同程度的降低，并直接影响植物的生长;污染物质进入土壤后，可以附着在粉尘上，通过气流进入人体，威胁居民身体健康。保护和提升城市绿地土壤质量，是保障城市生态环境的重要途径。城市绿地质量提升与生态城市建设息息相关，本文对上海城市绿地土壤理化特征研究现状进行了综述，上海地区土壤成土母质主要为长江冲积物，土壤黏粒矿物主要以水云母和蛭石为主。上海城市绿地土壤普遍存在压实问题，土壤容重过大，通气孔隙度太小，土壤水分库容的有效性较低。上海城市绿地土壤pH值为碱性或强碱性，土壤有机质和氮、磷含量偏低，但土壤钾素含量充足，土壤保肥能力处于中等水平。城市绿地土壤利用方式和区域位置，会影响土壤动物的分布和数量。绿地建成时间和地上植被群落结构会影响土壤微生物量和土壤酶活性。重金属在上海城市绿地土壤中的富集与土地利用方式密切相关，工业区绿地土壤和道路绿地土壤Cu、Zn、Pb、Cr、Ni明显富集，而公园绿地、校园绿地和居民区绿地则表现为明显的Cd和Hg富集。并就存在的问题和研究方向提出了4点展望：（1）建立专业的城市绿地土壤质量长期监测团队及机构，以提高城市绿地土壤质量研究的准确性;（2）构建上海城市绿地土壤环境质量和土壤健康质量评价指标体系和评价方法;（3）加强土壤变化特征和管理措施相结合的研究，以探究土壤质量变化的驱动因子;（4）探究植物生长特征及观赏特征与土壤性质的动态响应和反馈机制。

关键词：绿地土壤;土壤物理特征;土壤化学特征;土壤生物特征;土壤污染

中图分类号： S151+.3文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）08-0061-07

收稿日期：2020-09-20

基金项目：上海市科委科研计划资助项目（编号：19DZ1203300、20dz1203700）。

作者简介：马 想（1992—），男，湖北武汉人，硕士，助理工程师，主要从事城市绿地土壤培肥与改良研究。E-mail：mx@shsyky.com。

通信作者：张 浪，博士，教授级高级工程师，博士生导师，主要从事生态园林技术研发。E-mail：1132467518@qq.com。

土壤是植物生长的媒介，能够协调植物生长所需的水、肥、气、热。在陆地生态系统中土壤是最活跃的生命层，通过土壤中生物的代谢以及非生物因子的吸附、解吸过程，可以降解和转化有毒有害污染物质，因此在陆地生态系统中土壤具有“过滤器”“缓冲器”“转换器”和“净化器”的作用[1]。随着生态城市建设的推进，城市绿地土壤的生态效应和环境价值越来越受到人们的重视。与此同时，城镇化建设和人为活动对城市生态系统的影响不断加剧，并显著影响了生态系统的功能，进而威胁着城市生态安全和城市居民身体健康[2]。我国城市化进程起步较晚，但发展速度较快，截至2014年，我国城镇化常住人口已经由改革开放初期的1.7亿人增至7.3亿人[3]。人为活动导致的剧烈环境变化，驱动城市土壤质量的演变。然而这种演变下城市绿地土壤质量的现状及变化趋势，是一个尚未系统回答的科学问题，回答这个问题也是城市可持续发展的科学基础[4]。

城市土壤并不是土壤分类学上的术语，它是指在城市和城郊地区，受各种人为活动的强烈影响，原有继承特征被不同程度改變的土壤的总称，包括城市绿地、道路、城市河道、垃圾填埋场、废弃工厂等周围的土壤，也包括被建筑、街道等城市和工业设施覆盖的土壤[5-9]。城市绿地土壤是城市景观植物生长的介质，其质量直接影响着植物的生长过程和绿地景观功能的发挥[10]。上海是我国特大型城市，经济高速发展，城市绿化建设也成效显著，绿化覆盖率从1978年的8.2%增加到2008年的38%，增长近5倍[11]。但上海绿化总体质量与上海建设“生态型”国际大都市的发展目标仍有较大差距。土壤成土过程、理化特征和污染特征是土壤分类定级和障碍因子诊断的基础，也是土壤修复技术选择的重要参考。以绿地土壤理化特征为基础，对原土、客土、有机无机改良材料以及微生物菌剂进行科学配置，通过人工配制的方法消除土壤障碍因子、改善土壤物理性质和生物活性来提升城市绿地土壤质量，是提高城市绿化质量的有效手段[12]。本文综述了上海城市绿地土壤的已有研究结果，对上海城市绿地土壤的形成过程和理化特征作了阐述，以期为上海城市绿地土壤的进一步研究指明方向。

1 城市绿地土壤理化特征

1.1 上海自然土壤的形成过程和母质特征

城市土壤的性质很大程度上取决于成土过程和成土母质，要了解城市土壤的特征，首先应该了解该地区自然土壤的形成过程和母质特征[13]。上海位于长江三角洲前缘地带，是长江的入海口。长江从中上游带来的泥沙在这里与海水顶托，发生沉积，最终形成陆地[14]。在成陆过程中，最先形成的陆地称为“岗身”，上海的“岗身”西线从常熟的福山起经过太仓、方泰、马桥、新寺到漕泾，东线为娄塘、南翔、诸翟、拓林[15-16]。“岗身”为江海冲积物，沉积物为粉砂壤质，石灰受到淋溶，土体上部无石灰反应，pH值为中性。“岗身”以东地区，是较新的江海冲积物，土壤为壤质，石灰也受淋洗，表层已无石灰或仅弱石灰反应，pH值中性偏碱。东部滨海平原地区，成土较晚，石灰反应较强，沉积多为砂壤质，pH值呈微碱性。“岗身”以西地区，多为湖泊洼地，水文条件差异巨大，沉积环境也有很大区别，母质具有一定变异性。“岗身”以北地区，多为静水洼地，以黏壤性沼泽土为主，不含石灰，pH值呈中性或微酸性[14]。傅明华等通过对上海各种母质发育的土壤进行X衍射分析和电镜鉴定，发现土壤黏粒矿物主要以水云母和蛙石为主，其次是蒙脱石、绿泥石，还有少量的高岭石和氧化铁等，区域间差异较小[14]。

1.2 上海城市绿地土壤物理特征

土壤物理特征是影响植物生长发育的重要因素，土壤物理性质的差异会改变土壤水、气、热等特征，从而影响土壤中微生物的生存空间和生物活性，并进一步影响土壤中矿质养分的供应状况[17]。人为活动会直接、剧烈地改变城市土壤的物理特征，有研究表明，美国中心公园95%的植物死亡都是由土壤物理性质退化导致的[8]。

1.2.1 土壤水分特征

土壤水分是土壤的“三相”组成之一，植物的生长状况与土壤水分的变化密切相关。上海地区降水量丰富，年降水量约1 200 mm[18]，但自然降水只有在转化成为土壤水之后，才可以被植物吸收利用。刘为华等研究表明，8—10月上海城区绿地土壤自然含水率变化范围在14.6%～176%，平均为16.5%[19]。张皓等研究表明，上海地区土壤水分在0～10 cm土层范围内变化较为显著，且该层次土壤含水量最低;40～50 cm土层土壤水分波动较小，但含水量最高。不同层次间土壤水分逐月波动趋势基本一致[20]。对上海的典型新建绿地的调查则表明，相对自然土壤，绿地土壤水分的总库容、滞洪库容以及有效库容均较低，同时死库容占总库容的比重较大，达60.6%[21]。相比于自然土壤，城市绿地土壤蓄洪排涝能力减弱，土壤水分库容的有效性降低，植物可利用的水分少。《绿化种植土壤》标准要求土壤饱和导水率大于 5 mm/h，上海中心城区有87%的绿地土壤饱和导水率不满足标准要求[22]，这就容易造成雨季积水，嚴重情况下还会导致植物淹水死亡和城市内涝，影响城市绿地的景观效果和生态功能。

1.2.2 土壤孔隙度和土壤容重

质地相同的土壤，压实越严重，容重越大，孔隙度越小，所以土壤容重和孔隙度大小可以反映土壤的压实程度[23]。大量研究表明，城市绿地土壤容重大于自然土壤，土壤孔隙度则小于自然土壤[24]。伍海兵研究发现，上海中心城区绿地土壤非毛管孔隙度平均为3.6%，毛管孔隙度平均为45.4%，总孔隙度平均为490%[22]。土壤总孔隙度与植物生长最适范围50%～56%差异不大[23]，但非毛管孔隙远低于城市园林绿化种植要求的8%[25]。此外，非毛管孔隙度的变异系数约为毛管孔隙度的7倍，说明绿地土壤非毛管孔隙更易受人为因素的影响而发生变化，因此在关注土壤总孔隙度的同时，我们还需关注土壤中非毛管孔隙与毛管孔隙的比值是否合理。对上海市杨浦区部分公园绿地的调查结果也表明，绿地土壤毛管孔隙度和总孔隙度虽能基本满足植物的生长需求，但土壤非毛管孔隙度与毛管孔隙度比值（NCP/CP），平均仅为0.05，与理想的土壤结构体NCP/CP约等于1差异较大[26]。

上海公园绿地的研究结果表明，公园绿地土壤容重平均值约为1.42 g/cm3[27]，《绿化种植土壤》标准要求绿地土壤容重需小于1.35 g/cm3[28]，超过70%的公园绿地容重高于限定值。研究还表明，不同类型城市绿地间土壤容重具有显著差异，道路绿地和公共绿地土壤压实程度相比城市公园绿地土壤更为严重[29]。不同植被类型下，土壤容重也具有显著差异，城市湿地中灌丛下土壤容重显著高于河漫滩土壤容重，城市公园草地下土壤容重高于乔木植被下土壤容重[30-31]。城市绿地土壤容重变化与人为压实强度呈显著正相关。车辆通行和行人踩踏等行为均直接导致绿地土壤压实，这些行为会使土壤自然结构体变形，土粒团孔隙变小，孔隙结构被破坏甚至坍塌，土壤紧实度增加，透水透气性能下降，从而形成较自然土壤更高的容重[32]。土壤容重除受人为活动影响外，还受土壤质地、土壤结构性、有机质含量等因素的影响。上海市城市绿地土壤质地以黏壤土、砂质黏壤土和壤质黏土为主[33]，对上海辰山植物园绿地的调查结果表明，土壤黏粒（<0.002 mm ）含量在22.91%～45.80%，粉砂粒（0.05～0.002 mm）含量为40.65%～75.83%，砂粒（2～0.05 mm）含量平均为4.28%[27]，砂粒含量较低，因此土壤孔隙主要以小孔隙为主，通气孔隙偏少。值得注意的是，当前上海园林绿化采用客土较多，客土的主要来源包括地下深层土、淤泥和山泥，不同来源的土壤其质地、土壤结构性和有机质含量均会有较大差异[34]。因此客土改造后的城市绿地土壤物理性质可能在小区域内就存在较大的差异。

综上所述，上海城市绿地土壤普遍存在压实问题，土壤容重过大，通气孔隙度太小（表1），人为活动越剧烈的区域压实问题越严重，人为压实是城市绿地土壤容重变化的根本原因。土壤压实导致土壤结构的破坏，土壤孔隙和水分均受到显著影响，从而影响植物根系的生长。

1.3 上海城市绿地土壤化学特征

1.3.1 土壤pH值及电导率

方海兰等调查了上海319个城市绿地土壤的pH值，结果表明上海城市绿地土壤pH值为碱性或强碱性[36]。郝瑞军等研究表明，上海中心城区公园土壤pH值以弱碱性（pH值7.5～8.5）和碱性（pH值>8.5）为主，9847%土壤pH值高于7.5[11]。这些研究结果与大多数城市绿地土壤的研究结果[2，32]一致，城市化过程及人为活动的影响使城市土壤pH值逐渐增加，南京地区自然土壤pH值基本为酸性，但城市土壤已处于碱性范围[37]。上海城市绿地土壤电导率主要分布在0.03～0.74 mS/cm，平均为0.13 mS/cm，基本不会对植物产生盐分毒害作用。从剖面分布看，土壤各层次pH值差异不大，而电导率则随土层的加深而增加[11]。一般城市生活垃圾进入土壤后，会导致土壤电导率数值过大，上海城市绿地土壤电导率并不超标，说明上海对于生活垃圾进入绿地土壤的控制较好。

1.3.2 土壤有机质

土壤有机质是土壤肥力的核心。土壤有机质含量的高低及变化趋势会显著影响土壤肥力质量和城市生态景观质量。许卓娅等研究表明，上海城市绿地土壤有机碳含量整体呈条带状与岛状相结合的分布特征，呈现城市中心区向城郊递减的趋势[38]。郝瑞军等的研究表明，上海城市绿地土壤有机碳平均含量为11.21 g/kg[39]。根据我国土壤中有机质的分级标准，有机质含量为 6～12 g/kg为低水平含量，说明上海城市绿地土壤有机质普遍缺乏。对不同绿地类型土壤剖面有机质的研究表明，城市绿地土壤有机质含量均为0～20 cm土层显著大于其他层次，且其余层次间无显著差异[40];其可能的原因有：一方面城市绿地土壤中，植物根系也主要分布于0～20 cm土层，根系分泌物和土壤微生物的作用下，土壤会积累更多的有机质;另一方面植物凋落物主要存在于表层土壤，可以有效对土壤有机质进行补充。

1.3.3 土壤氮、磷、钾

土壤对植物生长所需养分的供应，是其主要的肥力特征之一。城市绿地土壤能否为植物生长提供所需的各种营养元素，决定了城市园林绿化的品质。上海城市土壤全氮、全磷、碱解氮、有效磷含量平均值分别为1.05 g/kg、0.77 g/kg、70.86 mg/kg和15.78 mg/kg。据我国土壤中养分的分级标准处于中等偏下水平;全钾和速效钾的含量较高，分别达到16.54 g/kg和 180.08 mg/kg[11]。由此可见上海城市绿地土壤有效磷处于缺乏状态，土壤全钾、速效钾含量则较为丰富。与有机质的剖面分布特征一致，碱解氮、有效磷、速效钾的含量均随土壤深度的增加逐渐减少，且表层显著大于底层[40]。钾素的充足可能与上海的成土母质类型有关，有效磷的缺乏则与上海城市绿地土壤pH值较大，碱性条件降低了土壤磷的有效性有关。土壤阳离子交换量（CEC）是土壤保水、保肥能力和缓冲能力的重要指标。上海绿地土壤CEC主要集中在10～20 cmol/kg，且CEC与土壤物理性质及化学性状间均存在显著的相关性[41]。一般认为土壤的CEC在10～20 cmol/kg时，土壤的保肥保墒能力处于中等水平[42]，由此可见大部分上海城市绿地土壤的保肥保墒能力处于中等水平。

综上所述，上海城市绿地土壤有机质和氮、磷含量偏低，但土壤钾素含量充足（表2），CEC为 10～20 cmol/kg，土壤保肥能力处于中等水平。与大部分城市土壤的研究结果[2，32]一致，上海城市绿地土壤pH值偏高，呈碱性;土壤电导率为0.03～074 mS/cm，不会对植物产生盐害作用。

2 上海城市绿地土壤生物学特征

土壤动物是指生活在土壤中，或生命周期内有一段时间定期在土壤中度过，而且对土壤有一定影响的动物。土壤动物一般处于土壤食物链的“顶端”，土壤动物在分解动植物残体、改变土壤理化性质、促进土壤物质循环和能量转化过程中起着重要作用[45-46]。王金凤等研究表明，上海城市绿地土壤大型土壤动物群落优势类群为：中腹足目、等足目、后孔寡毛目、膜翅目，该研究通过聚类分析将9种绿地类型分为6种土壤动物生境，其分布与植物群落以及人为活动影响有关[47]，这对于我们研究城市绿地土壤的分类具有重要的借鉴意义。关于上海城市绿地土壤中小型动物的研究表明，优势物种为：线虫纲和蜱螨目（表3），且不同土壤背景条件下，中小型土壤动物密度无显著差异，但在不同土壤层次间中小型土壤动物密度表現出显著差异[48]。而在不同植被类型的绿地土壤间，土壤动物的种群密度和多样性有显著差异，表现为阔叶落叶绿地>针叶落叶绿地>常绿阔叶绿地[49]。研究还表明，草地类型绿地土壤小型动物类群数量比较稳定，乔木类型绿地中土壤动物类群数量变异较大[48]。土壤动物对环境的变化敏感，可以作为城市绿地土壤分类和生态恢复的指示指标。

土壤微生物在维持生态系统整体服务功能方面有着重要作用，常被比作为土壤C、N、S、P等养分元素循环的“转化器”、环境污染物的“净化器”、陆地生态系统稳定的“调节器”[50]。土壤微生物性状可以反映土壤的肥力状况，是衡量土壤质量的重要指标之一。郝瑞军等研究发现，城市绿地土壤微生物生物量碳含量显著低于农田土壤，其中公园绿地土壤微生物生物量碳含量最大，居民区次之，道路绿地最低（表3）[51]。细菌、真菌和放线菌是土壤中的主要微生物群落，数量上以细菌为主，占比超过90%[52]。研究表明，上海植物园和新江湾生态保育区绿地土壤均表现为细菌为主，放线菌次之，真菌最少;而新江湾生态走廊虽是以细菌为主，但放线菌和真菌数量差别不明显[53]。上海植物园和新江湾生态保育区建成时间长，土壤环境相对稳定，而新江湾生态走廊建成仅4年，且前期绿化主要为客土，土壤微生物群落结构可能并未达到平衡状态，因此与前2种绿地土壤表现出不同的特征。土壤酶能参与土壤的各种物质转化过程，由于具有生物活性，相比于土壤理化性质对土壤质量的变化更敏感[54]。土壤酶活性的变化，可以反映植物群落对土壤性状的影响。朱莎等研究表明，上海绿地阔叶林土壤酶活性大于针叶林，混交林土壤酶活性大于单种林[55]。郝瑞军等也研究发现，上海绿地中乔灌木生长的深根系土壤尿酶、转化酶和磷酸酶的活性显著高于草坪土壤[56]。因此在今后的上海城市绿地营造过程中，混交复合群落结构应作为主要的植物群落结构类型。

3 上海城市绿地土壤污染特征

城市土壤既直接紧密地接触密集的城市人群，影响城市居民的健康和安全，又通过水体、大气间接地影响城市环境的质量[13]。实际上，城市居民每天呼吸的空气和饮用水的质量，都与城市土壤存在着密切的关系。通过对上海市不同利用方式下绿地土壤调查发现，重金属在城市绿地土壤中的富集与土地利用方式密切相关，工业区绿地土壤和道路绿地土壤Cu、Zn、Pb、Cr、Ni明显富集，而公园绿地、校园绿地和居民区绿地则表现为明显的Cd和Hg富集[57]。徐福银对上海城市绿地土壤的重金属含量和形态做了研究，Cu、Pb、Ni、Cr、Zn含量平均值分别为78.8、58.1、85.3、283.2、363.6 mg/kg，但这以上几种元素基本以惰性形态存在，对环境危害不大[58]。Cd平均含量仅0.83 mg/kg，但其交换态占比达31.3%，可交换态Cd易转化和迁移，易被植物吸收富集。左倬等对公园绿地、道路绿地和废弃地绿地土壤重金属研究后发现，综合污染指数为公园>道路>废弃地，与人为活动剧烈程度呈显著正相关[59]。因此对于城市土壤中污染物的监测，需同时注重含量和活性的变化。丁正等研究发现，上海不同类型城市绿地土壤石油烃化合物（TPH）累积情况不同，平均含量为306.9 mg/kg，整体处于轻度污染，且主要风险地区为附属道路绿地，由此推断上海城市绿地土壤TPH的主要污染源可能是汽车尾气[60]。马光军等通过主成分分析研究表明，上海道路绿地多环芳烃（PAHs）的来源主要为机动车的排放，且污染程度与通车年限和通车类型有关，其他地区的污染源则为燃烧及机动车排放[57]。城市土壤黑碳含量也明显高于自然土壤，黑碳主要来自于有机物质的不完全燃烧，可在一定程度上反映土壤的污染程度和人为活动对环境的影响[61]。上海市绿地土壤黑碳含量范围为0.29～86.07 g/kg，其分布与土地利用方式有关，工厂区域绿地土壤黑炭含量最高，居民区次之，公园绿地土壤含量最低，与人为有机物料的燃烧剧烈程度显著相关[62]。

污染场地如果不经过修复就进行绿化，不仅绿化植物成活率低、绿化质量差，还会造成人员中毒，在国内外均发生过污染地块建造公园和学校后，学生和居住在周围的人群发生疾病的恶性事件[63]。有机污染物可以通过挥发作用直接进入大气，重金属污染物可以附着在土壤颗粒上，土壤颗粒在风的作用下，会以扬尘的形式进入大气，进而被人体吸入，从而直接造成毒害作用。土壤污染不仅会破坏当地生态环境，还会使土地的经济贬值。城市中的化工厂区域，由于土壤污染后，生态环境遭受破坏，人居环境恶劣，土地价值会比同区域其他地块更低，因此大量工厂搬迁地等城市棕地被用于城市绿地建设。在对这类土地进行土壤改良和城市绿化建设时，需格外注意绿化土壤的污染问题，要对污染现状进行调查，弄清楚污染的来源及特征。土壤改良过程中不仅要提升土壤肥力质量，还要改良土壤环境指标，土壤污染物含量降低到《绿化种植土》标准要求的阈值以下才可进行绿化植物的栽植。上海城市绿地中有机污染和重金属污染均属于轻度污染（表4），土壤环境质量的控制相对较好，但城市污染状况复杂，不同类型绿地间受污染程度和污染对人体健康的危害程度有所差异，因此对城市绿地土壤环境质量的标准进行制定时，需要考虑绿地类型和功能区域间的差异。值得注意的是，相对于城市绿地土壤肥力质量的研究，关于绿地土壤污染的研究仍相对较少，还需进一步加强对土壤健康质量的重视。

4 问题与建议

城市绿地土壤由于人为活动的剧烈影响，土壤层次混乱，同一区域内土壤物理、化学和生物性状就有可能差异极大。上海城市建成区庞大，城市环境复杂，对整个城区进行取样研究非常困难。大部分研究均集中于单一点位或同一类型绿地中，将具有较大差异的研究结果进行平均研究，可能并不能反映上海城市绿地土壤质量的真实状况。这就需要对城市绿地土壤的采样和质量监测过程，出台相关的行业规范，建立专业的城市绿地土壤质量长期监测团队及机构，最大限度降低人为误差，提高城市绿地土壤质量研究的准确性。

当前城市绿地土壤研究，主要集中于土壤理化性状和养分状况等肥力质量，对于土壤环境质量和土壤健康质量的研究较少，尚处于起步阶段。土壤化学和物理学指标直接关系植物的生长状况，是土壤质量指标的重要组成因素，但没有生物学性质的指标，评价指标缺乏完整性[64]。生态城市的建设需要更加注重土壤质量的研究，土壤在生态系统的范围内除了需要維持生物的生产能力，还需要具有保护环境质量及促进动植物健康的能力[65]。因此在今后的研究中，需要加强上海城市绿地土壤环境质量和土壤健康质量评价指标体系和评价方法的构建。

当前研究偏重于土壤肥力和土壤质量的特征研究，对于土壤特征变化的驱动因子分析较少，这可能与城市绿地土壤的人为管理措施较为频繁，且并不像农业上有特定的管理模式，难以详细记录和分析有关，但明确驱动因子和贡献率是城市绿地土壤精准管理的理论基础，所以今后需要利用大数据等先进技术，提升城市绿地土壤管理的精细化和智慧化管理水平，从而加强土壤变化特征和管理措施相结合的研究。

城市绿地土壤的研究需要与植物的生长状况和景观效果紧密结合，当前研究主要关注于土壤取样的均匀性，以保证土壤样品具有代表性。然而土壤和地上植被是一个紧密联合的统一体，土壤性质和植物群落结构特征能相互影响，可以针对植物个体差异及群落分布特点对土壤进行取样研究，进而探究植物生长特征及观赏特征与土壤性质的动态响应和反馈机制。当然植物的生长除了受土壤性质的影响，还受其他生境条件的影响，这就需要对土壤学和植物学进行交叉融合研究，这将给此类研究带来巨大的挑战。

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