上海城市绿地土壤pH 分布特征及影响因素

马 想,伍海兵,梁 晶

(上海市园林科学规划研究院,上海城市困难立地绿化工程技术研究中心,上海 200232)

城市土壤是在自然土壤的基础上,在特殊的城市地貌、气候、水文与污染的环境背景下,经直接或间接的人为扰动或组装起来的、具有高度时空变异性的一类特殊的人为土壤[1]。 城市土壤是城市自然生态系统的重要组成部分,是城市中植物生长的介质和养分的供应者,也是土壤微生物的栖息地和生长、繁殖的能量来源,土壤还是城市污染物的汇集地和净化器,对城市的可持续发展有着重要的意义[2]。 城市土壤理化特征的变化是城市化过程对土壤生态环境影响的直观体现,也是土壤生态功能变化的潜在原因[3]。 土壤pH 是土壤在形成过程中受生物、气候、地质、水文等因素综合作用产生的重要属性[4],是土壤化学性质和肥力高低的重要指标,对土壤环境和植被生长具有重要影响[5]。 土壤pH 具有区域变化特征,受地形、气候[6]、成土母质、土壤类型、人为管理措施[7-8]、地上植被[9]等自然和人为因素的影响。

城市土壤虽出自于自然土壤或半自然土壤,但在成土环境、成土过程、剖面发育形态及物质组成与养分循环途径等方面均与自然土壤和农业土壤有着较大的区别[1],因此城市绿地土壤pH 分布特征和影响因子可能与自然土壤存在较大差异。 上海作为我国发展速度最快的大城市之一,对城市绿地土壤的研究开展较早。 项建光等[10]研究表明,上海新建绿地土壤pH 基本大于8.0;方海兰等[11]研究也表明,上海绿地土壤呈碱性或强碱性,86%的绿地土壤pH ＞8.0;彭红玲等[12]研究表明,上海辰山植物园73.3%的土壤pH ＜7.8。 对上海绿地土壤pH 的时间变化分析表明,上海绿地土壤pH 在2002—2018 年呈逐渐降低的趋势,平均降低了0.57[13]。 以上研究主要是针对上海绿地土壤pH 的分布现状和变化趋势进行分析,对其空间变异特征和影响因素的研究较少。 本试验以上海城市绿地土壤质量监测体系为依托,对上海城市绿地土壤pH 空间分布特征及其影响因素进行探讨,旨在为上海城市绿地土壤肥力提升机制的深入研究提供基础支撑,并为城市生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

上海位于长江三角洲地区,成土母质类型包括湖相沉积物、河湖沉积物、河流沉积物、江海沉积和微酸性坡残积物,主要土壤类型为水稻土、滨海盐土、潮土和黄棕壤土,地势呈西南高东北低,相对高差约为3 m,属于平原型地貌,年均气温约15.7 ℃,年均降水量约1 100 mm,属亚热带季风气候。

1.2 样品采集与处理

2014 年9—10 月在上海9 个中心城区内采集土壤样品571 个,其中公园绿地土壤样品395 个,公共绿地土壤样品33 个,道路绿地土壤样品143 个。 根据各绿地面积确定采样点数量,表层土壤采集时,使用土钻在采样点按照梅花型布点采集5 个0—20 cm 土壤,并混合为1 个样品,去除样品中肉眼可见的砖石、草根等杂物,各样品采用四分法保留2—3 kg。 装入取样袋,带回实验室进行理化性质分析。 剖面土壤采样时先去除表层杂物,然后利用深层土钻分别取出0—20 cm、20—40 cm 和40—90 cm 的土壤,每个取样点采集5 个样品,相同层次土壤混合为一个剖面样品。

1.3 指标测定

土壤容重、非毛管孔隙度采用环刀法测定;土壤颗粒组成采用密度计法测定[14]。 取部分样品进行风干,根据不同指标的要求过相应孔径筛后进行土壤化学性质测定。 土壤pH 和土壤电导率(EC)分别采用电位法和电导法测定,有机质含量采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定,水解性氮含量采用碱解扩散法测定,有效磷含量采用碳酸氢钠浸提法测定,速效钾含量采用乙酸铵浸提法测定[14]。

1.4 数据处理

数据经Excel 2016 软件整理后,采用SPSS 22 软件进行单因素方差分析,多重比较采用Duncan 法;采用Sigmaplot 14 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH 分布特征

2.1.1 土壤pH 整体分布

根据《城市绿地分类标准》[15]可将所研究绿地分为公园绿地、广场绿地和道路附属绿地3 种类型,全市绿地土壤pH 平均值为8.20,其中最小值和最大值均来自公园绿地,分别为5.52 和9.11;公园绿地土壤pH 平均值为8.17;广场绿地土壤pH 平均值为8.29,最小值为7.76,最大值为8.75;道路附属绿地土壤pH 平均值为8.23,最小值为7.51,最大值为8.70。 多重比较分析表明,广场绿地土壤pH 显著高于公园绿地,道路附属绿地与公园绿地及广场绿地土壤pH 均无显著差异。

参照《中国土壤》[16]对我国土壤酸碱度的划分标准,将上海城市绿地土壤pH 分为5 级,pH≤5.0 为强酸性、5.0 ＜pH≤6.5 为酸性、6.5 ＜pH≤7.5 为中性、7.5 ＜pH≤8.5 为碱性、pH ＞8.5 为强碱性。 按照划分标准,上海城市绿地土壤pH 平均值8.20,属碱性,且公园绿地、广场绿地和道路附属绿地的土壤pH均属碱性。 由图2 可知,3 种绿地类型土壤pH 均以碱性为主,在公园绿地、广场绿地和道路附属绿地土壤中占比分别为81%、73%和87%,在全市绿地整体占比约为82%。 所调查绿地中无强酸性土壤,酸性和中性土壤仅存在于公园绿地中,占比分别为0.76%和2.78%。 强碱性土壤占比最高的为广场绿地,达27.3%;公园绿地和道路附属绿地强碱性土壤占比分别为15.7%和13.3%,强碱性土壤在全市绿地中整体占比约为15.8%。

图1 上海城市绿地土壤pH 分布Fig.1 Soil pH distribution in Shanghai urban green space

图2 不同绿地类型中各土壤pH 范围占比Fig.2 Proportion of each soil pH range in different types of green space

2.1.2 各行政区土壤pH 分布

由图3 可知,在各行政区绿地土壤pH 分布中,pH 最小值分布于长宁区,为5.72,pH 最大值分布于浦东新区,为9.11;各行政区绿地土壤pH 分布中,极差最小的为杨浦区,为0.86,极差最大的为长宁区,达3.18;杨浦区绿地土壤pH 平均值最小,为8.04,静安区绿地土壤pH 平均值最大,为8.36;各行政区绿地土壤pH 分布中,变异系数最小的为浦东新区,约为2.53%,变异系数最大的为长宁区,达6.28%。 多重比较分析表明,静安区、浦东新区绿地土壤pH 显著高于长宁区、普陀区、虹口区和杨浦区;黄浦区、徐汇区、闸北区土壤pH 显著高于杨浦区。

图3 各行政区土壤pH 分布状况Fig.3 Distribution of soil pH in each administrative district

2.1.3 公园绿地土壤剖面pH 分布

如图4 所示,0—20 cm 深度土壤pH 在5.72—8.51,极差为2.79,平均值为8.00;20—40 cm 深度土壤pH 在7.34—8.66,极差为1.32,平均值为8.14;40—90 cm 深度土壤pH 在7.29—9.11,极差为1.82,平均值为8.21。 在公园绿地土壤剖面中,土壤pH 最小值分布于0—20 cm 深度,最大值分布于40—90 cm深度。 多重比较分析表明,表层0—20 cm 土壤pH 显著低于40—90 cm 土壤pH,但处于中间的20—40 cm 土壤与表层0—20 cm 和深层40—90 cm 的土壤pH 均无显著差异。

图4 公园绿地土壤剖面pH 分布Fig.4 pH distribution of soil profile in park green space

2.2 土壤pH 分布的影响因素

2.2.1 绿地土壤养分对pH 的影响

大量研究表明,土壤pH 与土壤有机质及土壤养分之间存在着一定的相关性。 由表1 可知,绿地土壤pH 与土壤EC、有机质含量、水解性氮含量、有效磷含量和速效钾含量均呈负相关。 公园绿地土壤pH 与土壤EC 等指标均达极显著相关,土壤pH 与土壤有机质含量和水解性氮含量的相关系数均达-0.32;与有效磷含量的相关系数为-0.30。 广场绿地土壤pH 仅与土壤EC 显著相关,相关系数为-0.43。 道路附属绿地土壤pH 与土壤EC 等指标均达极显著相关,土壤pH 与土壤有效磷含量相关系数为-0.47,与土壤EC、有机质含量、水解性氮含量和速效钾含量相关系数基本一致。 在3 种类型绿地土壤中,土壤pH 与各养分指标的相关系数均为道路附属绿地最大(EC 除外)。

表1 土壤pH 与土壤养分的相关性Table 1 Correlation between soil pH and soil nutrients

2.2.2 绿地土壤物理性状对土壤pH 的影响

2.2.2.1 土壤质地对pH 的影响

由图5 可知,上海绿地土壤质地主要为粉(沙)质黏壤土,占比约为79%;其次为粉(沙)质壤土,占比约为12%;黏土和粉(沙)质黏土占比均在5%左右。 粉(沙)质黏壤土pH 分布最广,土壤pH 为5.52—9.11,极差为3.59;黏土pH 分布最集中在8.03—8.49,极差为0.46。 多重比较分析表明,不同类型土壤质地间土壤pH 无显著差异,黏土、粉(沙)质黏土、粉(沙)质黏壤土和粉(沙)质壤土pH 平均值分别为8.22、8.25、8.15 和8.17。

图5 土壤质地对pH 的影响Fig.5 Effects of soil texture on pH

参考《中国土壤》[16]中土壤酸碱度的划分标准,结合上海城市绿地土壤pH 的实际分布状况,将绿地土壤pH 划分为pH≤7.5、7.5 ＜pH≤8.5、pH ＞8.5 三个范围。 由图6 可知,不同pH 范围内,均以0.002—0.05 mm(含0.002 mm)粒径的土壤占比最大,其次为＜0.002 mm 粒径的土壤,0.05—2 mm(含0.05 mm)粒径土壤占比最小。 多重比较分析表明,在不同pH 范围内,土壤颗粒的粒径组成无显著差异。总体而言,在上海绿地土壤中0.002—0.05 mm 的粒径占比约为36%,＜0.002 mm 的粒径占比约为59%,0.05—2 mm 粒径的占比约为5%。

图6 不同粒径土壤组成的绿地土壤pHFig.6 Green space soil pH of different soil particle composition

2.2.2.2 土壤容重和孔隙度对pH 的影响

土壤容重和孔隙度可以通过影响土壤中固相、液相和气相的分配,从而影响元素的循环过程和氧化还原电位,并对土壤pH 产生影响。 由表2 可知,绿地土壤pH 与土壤容重和土壤非毛管孔隙度均达极显著相关,相关系数分别为0.51 和0.26。 土壤pH 与土壤容重为正相关,即土壤pH 随容重的增加而增加;土壤pH 与非毛管孔隙度为负相关,即土壤pH 随非毛管孔隙度的增加而降低。

表2 土壤pH 与土壤容重和非毛管孔隙度的相关性Table 2 Correlation of soil pH value with soil bulk density and non-capillary porosity

2.2.3 植被类型对土壤pH 的影响

地上植被可以通过根系分泌物和凋落物影响土壤中的元素循环,并对土壤pH 产生影响。 由图7 可知,草地、灌木、乔木、灌草混合、乔草混合、乔灌混合及乔灌草混合7 种地上植被群落结构下的绿地土壤pH 平均值分别为8.20、8.18、8.12、8.18、8.22、8.05 和8.20。 绿地土壤pH 的最小值和最大值均分布于乔木和草被混种类型下,最小值为5.72,最大值为9.11,极差为3.39。 乔木下绿地土壤pH 的极差最小,仅0.62。 多重比较分析表明,草地、灌木、灌草混合、乔草混合及乔灌草混合5 种植被类型下的土壤pH 无显著差异,但显著高于乔灌混合植被下土壤pH。

图7 不同植被类型下土壤pH 分布状况Fig.7 Distribution of soil pH under different vegetation types

将7 种绿地植被类型进一步划分为草地、灌木和乔木3 种类型,即只要包含草地,就划分到草地类型中。 如图8 所示,草地土壤pH 在5.72—9.11,灌木土壤pH 在7.07—8.70,乔木土壤pH 在5.72—9.11。草地、灌木和乔木地下土壤pH 的平均值分别为8.20、8.15 和8.15。 多重比较分析表明,草地土壤pH 显著高于灌木土壤和乔木土壤。

图8 不同植被结构下土壤pH 分布状况Fig.8 Distribution of soil pH under different vegetation structures

根据地上植被类型的数量,将绿地土壤群落结构分为单层结构群落(草地或灌木或乔木),复层结构群落(乔草或灌草或乔灌)和多层结构群落(乔灌草)。 由图9 可知,单层结构群落样点共122 个,土壤pH 在7.13—8.75,平均值为8.17;复层结构群落样点共161 个,土壤pH 在8.06—8.16,平均值为8.11;多层结构群落样点共162 个,土壤pH 在8.16—8.24,平均值为8.20。 多重比较分析表明,复层结构群落土壤pH 显著低于多层结构群落,单层结构群落土壤pH 与其他两种群落类型均无显著差异。

图9 不同群落结构下土壤pH 分布状况Fig.9 Distribution of soil pH under different community structures

2.2.4 绿地建成年限对土壤pH 的影响

城市绿地建成后,在不同的人为作用年限下,其土壤pH 会呈现一定的变化规律。 对51 个建成年限小于10 年的公园调查表明,其绿地土壤pH 平均值为8.30;对179 个建成年限在10—30 年的公园调查表明,其绿地土壤pH 平均值为8.26;对165 个建成年限大于30 年的公园调查表明,其绿地土壤pH 平均值为8.04。 多重比较分析表明,绿地建成30 年后,其土壤pH显著低于建成年限小于30 年的绿地。

3 讨论

3.1 上海城市绿地土壤pH 的空间变异性

本研究表明,上海城市绿地土壤pH 整体呈碱性,平均值为8.20。 该特征与上海地区土壤的母质特征基本一致,上海地区土壤母质以长江冲积物为主,石灰受到淋溶,土体上部无石灰反应,pH 为中性偏碱性;滨海平原地区为江海冲积物,由于成土较晚,石灰反应较强,pH 为碱性[17]。 这是因为土壤pH 对土壤母质的性质具有继承性,向娇等[5]研究表明,成土母质对土壤pH 具有显著影响。 土壤pH 除了对成土母质性质的继承外,还会受到自然因素和人为因素的共同影响[6,18]。 城市绿地土壤经过人类活动的长期干扰或直接人为“组装”,其pH 分布主要受人为因素的影响。 本研究表明,上海城市绿地土壤pH 在不同绿地类型间差异显著,广场绿地土壤pH 显著高于公园绿地,道路附属绿地土壤pH 与公园绿地及广场绿地均无显著差异。 刘骞等[19]对长春市不同类型绿地各采集9 个样品,发现道路附属绿地土壤pH 显著高于公园绿地。 樊兰英等[20]调查了太原市62 个不同类型绿地,发现公园绿地土壤pH 显著高于附属绿地。不同类型绿地土壤pH 的差异,在城市间表现为不同的结果,可能与样本数量有关;此外,即使是同一类型的绿地,由于所处的空间位置不同,其土壤pH 也会有较大差异。 如田宇[21]对北京4 个公园绿地土壤pH进行了调查,发现位于郊区的香山公园土壤pH 偏酸性,而位于市中心的玉渊潭公园土壤pH 偏碱性。

城市绿地土壤化学性质在城郊梯度上呈现一定的分布规律[22-23]。 本研究表明,上海城市绿地土壤pH 在各中心城区内也表现出显著差异;静安区、浦东新区绿地土壤pH 显著高于长宁区、普陀区、虹口区和杨浦区,且各区土壤pH 的变异性均小于10%,呈空间弱变异性。 刘婵[24]调查表明,从上海郊区到城区,土壤pH 逐渐碱化,土壤pH 的变异系数逐渐减小。 这主要与城市化过程中,人为活动影响土壤中盐基离子含量有关;同时由于人为活动的强烈影响,造成土壤pH 的显著变化因各种自然因素造成的土壤pH空间变异趋于同化,故中心城区土壤pH 的变异性较小。 土壤pH 在土壤剖面上会呈现一定的分布规律[25]。 本研究表明,上海公园绿地土壤表层0—20 cm 土壤pH 显著低于40—90 cm 土壤,处于中间的20—40 cm 土壤pH 与表层0—20 cm 和深层40—90 cm 的土壤pH 无显著差异,即土壤pH 随深度的增加逐渐增大。 这主要与表层土壤有机质含量相对较高,以及植物根系对土壤阳离子选择性获取和凋落物降解等过程有关[26]。

3.2 城市绿地土壤pH 变化的影响因素

土壤理化性质是影响土壤pH 的重要因素[5,27-28]。 本研究表明,上海绿地土壤pH 与土壤EC、土壤有机质、水解性氮、有效磷和速效钾含量均呈负相关关系,即土壤有机质和土壤养分含量越高,土壤pH 越低,这与向娇等[5]研究结果基本一致。 李强等[29]研究表明,土壤pH 与土壤有机质含量呈三次曲线关系,转折点分别为27 g∕kg 和60 g∕kg,在土壤有机质含量小于27 g∕kg 时,土壤pH 随有机质含量的增加而减小。 本研究中,81%的土壤有机质含量小于27 g∕kg,处于拟合曲线的第一阶段,土壤pH 随有机质含量的增加而降低。 土壤pH 代表土壤固相处于平衡的溶液中的H+浓度的负对数[4]。 土壤物理性质并不直接影响土壤溶液中H+的浓度,但土壤质地、容重和孔隙度可以通过影响土壤氧化还原条件,进而影响土壤pH。 本研究表明,上海城市绿地土壤质地和黏粒含量与土壤pH 无显著相关性;唐韵等[30]研究则表明,土壤pH 与黏粒含量呈显著负相关。 这可能是由于上海城市绿地土壤质地以粉(沙)质黏壤土为主,占比高达79%,土壤质地较为单一,造成土壤黏粒含量变化较小,因此对区域的土壤pH 变化无显著影响。 相关性分析表明,上海城市绿地土壤pH 与土壤容重呈显著正相关,相关系数为0.51;土壤pH 与土壤非毛管孔隙度呈显著负相关,相关系数为0.26。 城市绿地土壤有机质含量偏低,土壤容重变大造成土壤中水分含量及空气比例减小,有机质分解缓慢,有机酸的生成量减少,从而导致土壤pH 增加。 非毛管孔隙度的增加则可以通过加强氧气的供给,促进有机质分解,同时非毛管孔隙度增加还可以提高水分的入渗速率,有利于土壤盐基离子的淋洗,从而使土壤pH 降低。

植物可以主动对土壤化学性质和养分循环过程进行调控,并影响土壤pH[26,31]。 本研究表明,城市绿地常见的7 种植物群落下,乔灌群落土壤pH 最低,种植草被区域土壤pH 显著高于不种植草被区域土壤,两种植被构成的群落土壤pH 显著低于单一植被群落和乔灌草混合群落。 魏艳艳等[32]研究也表明,草被区域土壤pH 显著高于落叶阔叶林。 这可能是由于草被相比于乔灌,植物生物量更小,凋落物更少,且乔木产生的根系分泌物量远远大于草被植物,凋落物分解产生的有机酸及根系分泌物中的有机酸对土壤pH 产生较大影响。 这也提示在利用植物对土壤pH 进行调控时,需要考虑植被类型,以选择合适的植物。相比于自然因素,人为活动对土壤pH 的影响更为显著[5,7]。 人为活动对绿地土壤的影响较为复杂,不能借用耕作制度、施肥方式等进行表示,但绿地建成年限可以体现人为活动对绿地土壤持续影响的时间长短,可在一定程度上表示人为活动对绿地土壤的影响强度。 本研究表明,随着绿地建成时间的延长,土壤pH 呈降低的趋势,在建成年限大于30 年时显著降低。 在莫斯科的城市绿地研究也表明,建成年限大于30 年的绿地土壤pH 较建成年限小于5 年的土壤pH 低7%[33]。 故城市绿地土壤虽会受到人为活动的剧烈影响而出现较大变异,但合理的管理措施在长时间尺度下,可抑制土壤盐碱化并使土壤pH 逐渐降低。

4 结论

1)上海城市绿地土壤pH 平均值为8.20,为碱性土壤;其中公园绿地土壤平均值为8.17,广场绿地土壤pH 平均值为8.29,道路附属绿地土壤pH 平均值为8.23,广场绿地土壤pH 显著高于公园绿地土壤和道路附属绿地土壤。 在各行政区域中,杨浦区绿地土壤pH 平均值最小,为8.04,静安区绿地土壤pH 平均值最大,为8.36。 在不同土壤层次中,0—20 cm 土壤pH 平均值为8.00,20—40 cm 土壤pH 平均值为8.14,40—90 cm 土壤pH 平均值为8.21,表层0—20 cm 土壤pH 显著低于40—90 cm 土壤pH。

2)绿地土壤pH 与土壤EC、有机质含量、水解性氮含量、有效磷含量和速效钾含量均呈负相关。 在3种类型绿地土壤中,土壤pH 与各养分指标的相关系数均为道路附属绿地最大(EC 除外)。 不同类型土壤质地间土壤pH 无显著差异,黏土、粉(沙)质黏土、粉(沙)质黏壤土和粉(沙)质壤土平均值分别为8.22、8.25、8.15 和8.17。 绿地土壤pH 随着绿地建成年限的延长逐渐降低,绿地建成30 年后,其土壤pH 显著低于建成年限小于30 年的绿地。

3)绿地土壤pH 偏高是上海绿化景观提升和绿地土壤可持续发展的障碍因子之一,本研究通过大范围上海城市绿地土壤pH 调查明确了不同类型绿地土壤pH 分布状况,量化了绿地土壤pH 与土壤质地、土壤养分和绿地建成年限间的关系。 本研究可为上海城市绿地土壤养护管理措施的优化以及助力上海城市绿地土壤质量提升提供一定指导。