由于城市土壤地带性特征不明显、面积窄小、人为影响因素多以及主要为商业、建筑服务等原因, 我国对城市土壤的研究并不深入(章家恩等, 1997; 方海兰, 2000a; 卢英等, 2002)。近年来, 随着人们生活水平和环保意识的逐步提高, 城市园林绿化建设在我国得到前所未有的重视。我国城市土壤特别是城市绿地土壤存在pH碱性、质地粘重、通气性差、污染严重等共性问题(李玉和, 1997; 韩继红等, 2003; 邓南荣等, 2000; 欧阳育林, 2004; Jim, 1998a; 1998b)。土壤是植物赖以生存的物质基础, 土壤质量直接关系到植物长势和绿地生态景观效果的发挥, 城市绿地的土壤质量直接决定了城市绿化的质量水平(崔晓阳等, 2001)。上海作为我国近年来快速发展的城市之一, 绿化建设的速度也是惊人的, 截至2003年, 上海有绿地面积24 425.97 hm², 其中大部分绿地都是在20世纪90年代末实施“生态环境工程”后营造的(胡运华, 2000)。上海由于是冲击平原, 土壤一直存在pH高、质地粘重、有机质含量低等缺陷, 土壤质量问题一直是限制上海城市快速绿化发展的关键因素之一, 特别是在短时间内要兴建这么多绿地, 土壤质量问题就显得越发关键(侯传庆, 1992; 尹伯仁等, 2004a; 2004b)。上海由于高度城市化, 人口众多, 高楼林立, 道路纵横, 肥沃的土壤资源本身就非常紧缺, 而快速绿化更加重了这一问题的严重性, 一些质量不合格的土壤被迫用于城市绿化, 许多新建城市绿地的植物长势不佳, 生态景观也不能发挥应有的效果, 限制了整个城市生态环境质量的提高(项建光等, 2004)。为此, 作者对上海近几年来新建的主要城市绿地进行土壤质量调查和评价, 并结合实际工作中存在问题进行对策分析, 以便为园林绿化的建设和管理以及城市土壤质量的研究提供依据。

1 材料与方法 1.1 土样采集

2002年9月6日—2003年5月21日, 根据不同植被情况, 乔、灌木分0 ~ 30 cm、30 ~ 60 cm两层, 地被和草花0 ~ 30 cm一层, 对上海近年来新建的18块主要城市绿地进行采样, 大约2 000 ~ 10 000 m²采一个混合样, 采样布点主要根据绿地面积大小、地形变化以及植物类型进行, 合计采样319份, 采样点见表 1。

各块绿地种植植物虽然有一定的差异, 但基本树种是一致的。一般乔木主要以香樟(Cinnamonum camphora)、雪松(Cedrus deodara)、罗汉松(Podocarpus macrophyllus)、广玉兰(Magnolia grandiflora)、白玉兰(Magnolia denudate)、榉树(Zelkova schneideriana)、银杏(Ginkgo biloba)、杜英(Elaeocarpus sylvestris)、杨树(Populus spp.)等为主; 灌木主要以桂花(Osmanthus fragrans)、栀子花(Gardenia jasminoides)、八角金盘(Fatsia japonica)、夹竹桃(Nerium indicum)、海桐(Pittosporum tobira)、垂丝海棠(Malus halliana)、红叶李(Prunus cerasifera)、紫叶小檗(Berberis thunbergii)为主; 草本主要以高羊茅(Festuca arundinacea)、麦冬(Liriope spicata)、玉簪(Hosta plantaginea)、黑麦草(Lolium perenne)、百慕大(Cynodon dactylon)、美人蕉(Canna indica)、马蹄金(Dichondra repens)等为主。

1.2 土壤理化性质分析

pH值用2.5: 1水浸提电位法; 电导率(EC值)用电导率法; 有机质用K₂Cr₂O₇容量法; 密度和通气孔隙度采用环刀法; 阳离子交换量(CEC)用乙酸铵交换法; 粘粒用比重计法; 水解性氮用碱解-扩散法; 有效磷用碳酸氢钠浸提法; 速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法。以上测定方法均严格按照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤分析方法》测定(国家林业局, 2000), 样品的每个测试项目重复2次。

2 结果与分析 2.1 土壤pH值

从表 2可以看出, 上海新建城市绿地土壤pH值表现为碱性或强碱性。319个土壤样品的pH均值为8.36 ±0.51, 只有13.52 %土壤样品pH < 8.0, 约38.37 %土壤pH在8.0 ~ 8.5, 约48.11 %土壤pH >8.5, 表现为强碱性。其中酸性土壤基本是客土, 主要是景观绿带为满足植物生长所需从东北引进的草炭、泥炭, 以及从江浙一带引进的山泥或人工栽培介质, 就上海的本底土而言, 土壤pH基本为碱性或强碱性。对于大部分植物而言, 适宜生长的土壤pH为酸性和微酸性, 特别是一些景观效果非常好的树种, 需要的是微酸性的土壤条件, 因此高pH值是影响上海绿地植物生长和景观效果发挥的主要限制因素之一。

2.2 土壤EC值

上海新建绿地土壤EC值偏低, 平均只有(0.21 ±0.16)mS·cm^-1, 有89.62 %土壤样品的EC值在0.1 ~ 0.5 mS·cm^-1之间, 只有4.20 %土样的EC值大于0.5 mS·cm^-1, 有5.66 %土样的EC值小于0.10 mS·cm^-1(表 2)。虽然调查的这些上海新建绿地的EC值较小, 但由于主要位于中心城区, 存在盐分毒害的可能性也比较小。

2.3 土壤有机质含量

上海新建绿地土壤有机质含量偏低, 平均为(17.68 ±13.31)g·kg^-1, 有53.46 %的土壤有机质含量在10 ~ 20 g·kg^-1之间, 有23.90 %的土壤有机质含量非常低(小于10 g·kg^-1), 只有22.64 %的土壤有机质含量大于20 g·kg^-1, 主要也是客土为主的山泥或草炭(表 2)。一般而言, 园艺发达国家对绿化种植土有机质最低要求也是20 g·kg^-1以上, 有的还高达50 g·kg^-1以上。总体而言上海新建城市绿地的土壤有机质含量较低, 有机质含量低是限制上海新建绿地土壤质量的又一重要因素。

2.4 土壤密度

上海新建绿地土壤密度偏高, 平均为(1.32 ±0.11)Mg·m^-3, 只有1.89 %土样的密度小于1.0 Mg·m^-3, 42.45 %的土样密度大于1.35 Mg·m^-3 (表 2)。上海市规定的绿化种植本底土密度小于1.35 Mg·m^-3。Reisinger等(1988)认为土壤密度1.4 Mg·m^-3已经成为根系生长的限制值; Zisa等(1980)的试验结果证明土壤密度>1.6 Mg·m^-3时根苗几乎不能活, 会影响植物根系的生长。因此可以看出土壤密度偏大是限制上海新建绿地土壤质量的又一重要因素。

2.5 土壤通气孔隙度

上海新建绿地土壤通气性较差, 孔隙度平均只有3.52 %±1.85 %, 只有3.14 %土壤的通气孔隙度大于10 %, 有83.02 %的土壤的通气孔隙度 < 5 %(表 2), 说明土壤透气性不好, 其中又以公路景观绿地的通气孔隙度最低, 这和施工时为了加快绿化建设速度使用推土机有一定关系。

2.6 土壤阳离子代换量(CEC)

上海新建绿地土壤CEC平均值为(14.51 ±6.24)Cmol(+) ·kg^-1, 大小分布在2.21 ~ 43.15 Cmol(+) · kg^-1之间, 69.54 %土壤的CEC在10 ~ 20 Cmol(+) ·kg^-1之间, 只有约10.59 %样品的CEC大于20 Cmol(+) · kg^-1, 有19.87 %的土壤样品的CEC小于10 Cmol(+) ·kg^-1。一般认为土壤的CEC在10 ~ 20 Cmol(+) ·kg^-1之间表明土壤的保肥保墒能力中等(黄昌勇, 2000), 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。由于CEC大小是和土壤有机质含量和粘粒含量相关的, 而土壤有机质含量偏低, 所以上海城市绿地土壤CEC值尚可的原因和土壤粘粒含量高有关(张琪等, 2005)。

2.7 土壤速效养分

从表 2可以看出, 上海新建城市绿地土壤的水解性氮含量总体偏低, 平均为(65.66 ±61.65)mg·kg^-1, 大小分布在14.1 ~ 281.98 mg·kg^-1之间, 有56.90 %土壤样品水解性氮的含量低于50 mg·kg^-1, 29.31 %土壤样品水解性氮的含量在50 ~ 100 mg·kg^-1之间, 只有13.79 %土壤样品水解性氮的含量大于100 mg·kg^-1。

上海新建绿地土壤有效磷的含量也偏低, 平均为(8.32 ±6.92)mg·kg^-1, 大小分布在0.54 ~ 48.26 mg·kg^-1之间, 有35.40 %土壤有效磷的含量低于5 mg·kg^-1, 39.42 %土壤样品速效磷中等, 在5 ~ 10 mg·kg^-1之间, 只有25.18 %土壤样品速效磷含量大于10 mg·kg^-1。

上海新建绿地土壤速效钾平均为(187.75 ±117.99)mg·kg^-1, 大小分布在31.83 ~ 539.83 mg·kg^-1之间。有50 %土壤样品的速效钾含量很高, 大于170 mg·kg^-1; 有24.66 %土壤样品含量高, 在125 ~ 170 mg·kg^-1之间; 只有6.51 %土壤样品含量低, 小于70 mg·kg^-1; 18.83 %土壤样品速效钾含量在70 ~ 125 mg·kg^-1之间。总体而言, 上海新建城市绿地土壤速效钾含量并不缺, 对钾肥的需要并不强烈(李西开, 1983)。

2.8 质地

从表 2看出, 有5.96 %土壤为粘土, 50.47 %为粉砂质粘壤土, 42.63 %为砂质壤土, 壤质砂土0.94 %。上海新建绿地土壤有一半以上的土壤质地比较粘重, 土壤质地不是上海城市土壤存在的主要问题。

3 讨论

虽然不同的植物对土壤的要求不一样, 但是对大部分植物而言, 都是喜欢肥沃疏松的土壤(崔晓阳等, 2001)。根据对上海新建的18块城市绿地319个土壤样品的质量调查分析可以看出, 上海新建城市绿地土壤普遍存在pH碱性或强碱性、有机质含量低、密度大、通气孔隙差、速效养分低等缺陷, 土壤质量依然是限制上海新建绿地植物生长和绿地生态景观效果发挥的主要限制因素, 如何提高城市土壤的质量依然是上海园林绿化建设中需要面对和解决的首要问题之一。

3.1 建立科学有效的城市绿地土壤质量评价体系

鉴于城市绿地土壤质量对城市绿化和生态环境的重要性, 如何对城市土壤质量进行客观、科学的评价是城市绿化中首先要解决的问题。城市绿地土壤不同于农田土壤的最大特点不仅是生长植物不一样, 而且为了满足绿化建设工程的需要, 往往需要在尽量短的时间内对一个工程的土方能否满足绿化种植的需要进行全面又简单、快速、有效的评价。Doran等(1994)和Karlen等(1997)建议土壤质量评价应该以土壤主要功能为基础, 着重于一个明确系统内一种特定的土壤功能的完善程度。城市绿地土壤质量的主要功能是满足园林植物生长需要, 因此对城市绿地土壤质量评价也不妨围绕城市土壤是否满足植物生长需要的角度来进行。首先要考虑该土壤是否能用, 会不会导致植物死亡, 土壤电导率(EC值)、质地和pH三个指标非常实用。EC值的测定非常方便, 在野外现场也可以直接测定, 并不需要了解土壤盐分的具体组成, 只要简单测定土壤EC值就可断定土壤盐分是否影响植物生长, 因此城市绿地土壤的EC值有实际应用价值。质地对植物成活率也非常关键, 一般城市土壤往往会质地太粘重或通气孔隙差而死苗。另外过高pH的土壤也容易导致一些喜酸性植物死亡。第二要考虑植物能否长好, 可以用一些常规的化学和物理指标表示, 如有机质、土壤颗粒组成、营养成分、团聚体结构、有效土层(空间)等等。另外有些植物还有特殊的生境要求, 如特殊功能类群根际微生物、外生菌根等等。

从对上海新建绿地土壤质量调查的情况来看, 土壤pH、EC值、有机质、密度、碱解氮、有效磷、速效钾、质地、通气孔隙度、阳离子交换量10个指标基本能对城市绿地土壤的营养质量进行简单、有效的综合评价, 而且这些指标的测定不太复杂, 有利于实际应用。

3.2 城市绿地土壤调查选点需结合具体植物配置进行

土壤调查要求土壤采样时一定要有代表性和真实性, 城市土壤主要为客土, 土方来源非常复杂, 在很小范围内土壤质量也千差万别, 为了植物造景或植物多样性需要往往在很小面积内就种植尽量多的植物, 因此即使是同一种质量的土壤在种植了不同的植物以后, 由于植物本身对土壤也有不同改良作用, 因此不同植物配置条件下的土壤差别也很大, 特别是土壤微生物生态环境明显不同(夏北成, 1998)。对上海新建城市绿地的土壤调查中也发现原先立地条件一致的绿地土壤由于种植植物不一样, 经过植物几年改良后, 土壤发生了比较大的变化。因此城市绿地土壤取样要综合考虑土方来源、植物配置、周围环境等多种因素。土壤调查的最终目的是为植物养护服务的, 因此只有结合具体植物配置下的土壤调查才更有意义。

3.3 探索城市土壤质量的检测方法

城市土壤质量检测基本是沿用自然土壤方法, 但城市土壤有许多特殊性, 容易给检测方法带来误差。如最为典型的是有机质的测定, 自然土壤有机质测定方法规定在样品制定时一定要先剔除植物根系等有机残体, 而城市土壤中像枯枝落叶等残体非常普遍, 而人工栽培土本身就是利用各种有机残体生产的, 它们也是城市土壤的重要组成部分, 很难和土壤颗粒本身区分, 如果用传统土壤有机质测定方法来分析城市土壤必然引起测定结果偏高; 另外由于人为影响因素大, 其他城市土壤改良材料如污泥等均含有其他形式碳, 也容易造成城市土壤有机质结果偏高。因此要摸索适合城市土壤有机质的检测方法。

3.4 城市土壤养分的均衡和土壤安全性不容忽视

由于城市土壤研究比较滞后, 而且城市植物不像农田作物一样对高产量有迫切要求, 因此对城市土壤养分也不重视, 特别是微量元素。但是许多微量元素是直接关系到园林植物的观赏效果的, 因此也非常有必要开展重点园林植物的营养诊断应用研究。另外, 城市土壤污染不像水体污染和大气污染那样明显直观, 即使用于绿化建设污染再严重也不直接进入食物链, 因此城市土壤污染更有隐蔽性或潜伏性, 但土壤一旦被污染却很难恢复, 后果也极其严重, 比如造成地下水污染、大气污染、影响人类健康等等。一般在城市土壤质量管理上强调的是土壤如何满足植物生长需要, 城市土壤污染没有引起足够重视, 也没有从源头上对城市土壤污染加以制止, 有些污染物质不经检测就进入城市绿化, 城市土壤的安全隐患不容忽视(张甘霖, 2005)。

3.5 城市土壤改良要符合循环经济发展理念

城市土壤改良要和城市有机废弃物的循环利用结合起来, 在美国等西方发达国家, 城市绿化已经走出了利用自然土壤的传统年代, 而是利用城乡废弃物如枯枝落叶、工厂下脚料、生活垃圾、生活污泥、畜禽粪便、食品副产品等来生产堆肥(compost)、基质(media)或有机肥来替代自然土壤用于绿化施工或土壤改良(Michael, 1994; Dominic et al., 2002)。这些废弃物的利用突破了城市土壤存在的板结、有机质含量低、通气性差、透水性不强的缺陷, 不但提高了城市土壤的理化性状, 而且又促进了废弃物循环利用, 减缓了城市废弃物处理处置的压力, 提高了整个城市生态系统自我良性循环的能力。

以上海为例, 污泥、枯枝落叶等有机废弃物的量也是非常大, 利用这些废弃物来改良上海土壤都取得比较满意的效果(方海兰, 2000b; 王军辉等, 2005)。另外树皮、树枝、碎木、松针、落叶等不同材料的地表覆盖物也是改善土壤理化性质, 防止扬尘、提高绿地景观效果的重要功能(王成等, 2005; 张庆费等, 2005)。但由于缺少政策、资金的支持, 有机废弃物利用在我国城市绿化中应用的面还不够广, 而美国等国家有机废弃物的土地利用有立法、政策和标准等方面的保证, 这方面的经验值得我们在实践中借鉴(Jana et al., 1994)。

另外城市土壤改良一定要考虑避开植物或土壤的限制因子, 要用最少的投资达到最佳的生态景观效应, 减少人为因素的干扰。如果土壤自身不能达到良性循环, 那么植物就根本谈不上什么自然维护, 而自然生态群落是无需人工养护的, 只有遵循自然规律的土壤改良才是真正意义的改良, 才能使城市绿地维护成本最经济。

3.6 加强城市土壤质量管理

由于土壤资源的重要性和有限性, 发达国家如日本、美国等对国土资源的管理都非常严格, 有关城市土壤管理也有相应的立法, 比如日本都市计划33条9项规定在绿化施工前一定要对土壤表土层和植物加以保护, 美国环保总署的“褐土”计划也要求在城市开发前期要对城市土壤的安全性进行评价和修复。相比较而言, 我国在城市土壤立法方面还是非常落后的, 这方面的意识也不强, 如果光制定城市土壤质量的技术标准而不实施或没有以立法的形式加以保证, 城市土壤质量管理还是一句空话。以后需要加强这方面制度的建立和实施, 以保护有限的城市土壤资源。