上海城市綠地土壤pH 分布特征及影響因素

馬 想,伍海兵,梁 晶

(上海市園林科學規劃研究院,上海城市困難立地綠化工程技術研究中心,上海 200232)

城市土壤是在自然土壤的基礎上,在特殊的城市地貌、氣候、水文與污染的環境背景下,經直接或間接的人為擾動或組裝起來的、具有高度時空變異性的一類特殊的人為土壤[1]。 城市土壤是城市自然生態系統的重要組成部分,是城市中植物生長的介質和養分的供應者,也是土壤微生物的棲息地和生長、繁殖的能量來源,土壤還是城市污染物的匯集地和凈化器,對城市的可持續發展有著重要的意義[2]。 城市土壤理化特征的變化是城市化過程對土壤生態環境影響的直觀體現,也是土壤生態功能變化的潛在原因[3]。 土壤pH 是土壤在形成過程中受生物、氣候、地質、水文等因素綜合作用產生的重要屬性[4],是土壤化學性質和肥力高低的重要指標,對土壤環境和植被生長具有重要影響[5]。 土壤pH 具有區域變化特征,受地形、氣候[6]、成土母質、土壤類型、人為管理措施[7-8]、地上植被[9]等自然和人為因素的影響。

城市土壤雖出自于自然土壤或半自然土壤,但在成土環境、成土過程、剖面發育形態及物質組成與養分循環途徑等方面均與自然土壤和農業土壤有著較大的區別[1],因此城市綠地土壤pH 分布特征和影響因子可能與自然土壤存在較大差異。 上海作為我國發展速度最快的大城市之一,對城市綠地土壤的研究開展較早。 項建光等[10]研究表明,上海新建綠地土壤pH 基本大于8.0;方海蘭等[11]研究也表明,上海綠地土壤呈堿性或強堿性,86%的綠地土壤pH ＞8.0;彭紅玲等[12]研究表明,上海辰山植物園73.3%的土壤pH ＜7.8。 對上海綠地土壤pH 的時間變化分析表明,上海綠地土壤pH 在2002—2018 年呈逐漸降低的趨勢,平均降低了0.57[13]。 以上研究主要是針對上海綠地土壤pH 的分布現狀和變化趨勢進行分析,對其空間變異特征和影響因素的研究較少。 本試驗以上海城市綠地土壤質量監測體系為依托,對上海城市綠地土壤pH 空間分布特征及其影響因素進行探討,旨在為上海城市綠地土壤肥力提升機制的深入研究提供基礎支撐,并為城市生態環境保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

上海位于長江三角洲地區,成土母質類型包括湖相沉積物、河湖沉積物、河流沉積物、江海沉積和微酸性坡殘積物,主要土壤類型為水稻土、濱海鹽土、潮土和黃棕壤土,地勢呈西南高東北低,相對高差約為3 m,屬于平原型地貌,年均氣溫約15.7 ℃,年均降水量約1 100 mm,屬亞熱帶季風氣候。

1.2 樣品采集與處理

2014 年9—10 月在上海9 個中心城區內采集土壤樣品571 個,其中公園綠地土壤樣品395 個,公共綠地土壤樣品33 個,道路綠地土壤樣品143 個。 根據各綠地面積確定采樣點數量,表層土壤采集時,使用土鉆在采樣點按照梅花型布點采集5 個0—20 cm 土壤,并混合為1 個樣品,去除樣品中肉眼可見的磚石、草根等雜物,各樣品采用四分法保留2—3 kg。 裝入取樣袋,帶回實驗室進行理化性質分析。 剖面土壤采樣時先去除表層雜物,然后利用深層土鉆分別取出0—20 cm、20—40 cm 和40—90 cm 的土壤,每個取樣點采集5 個樣品,相同層次土壤混合為一個剖面樣品。

1.3 指標測定

土壤容重、非毛管孔隙度采用環刀法測定;土壤顆粒組成采用密度計法測定[14]。 取部分樣品進行風干,根據不同指標的要求過相應孔徑篩后進行土壤化學性質測定。 土壤pH 和土壤電導率(EC)分別采用電位法和電導法測定,有機質含量采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定,水解性氮含量采用堿解擴散法測定,有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提法測定,速效鉀含量采用乙酸銨浸提法測定[14]。

1.4 數據處理

數據經Excel 2016 軟件整理后,采用SPSS 22 軟件進行單因素方差分析,多重比較采用Duncan 法;采用Sigmaplot 14 軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤pH 分布特征

2.1.1 土壤pH 整體分布

根據《城市綠地分類標準》[15]可將所研究綠地分為公園綠地、廣場綠地和道路附屬綠地3 種類型,全市綠地土壤pH 平均值為8.20,其中最小值和最大值均來自公園綠地,分別為5.52 和9.11;公園綠地土壤pH 平均值為8.17;廣場綠地土壤pH 平均值為8.29,最小值為7.76,最大值為8.75;道路附屬綠地土壤pH 平均值為8.23,最小值為7.51,最大值為8.70。 多重比較分析表明,廣場綠地土壤pH 顯著高于公園綠地,道路附屬綠地與公園綠地及廣場綠地土壤pH 均無顯著差異。

參照《中國土壤》[16]對我國土壤酸堿度的劃分標準,將上海城市綠地土壤pH 分為5 級,pH≤5.0 為強酸性、5.0 ＜pH≤6.5 為酸性、6.5 ＜pH≤7.5 為中性、7.5 ＜pH≤8.5 為堿性、pH ＞8.5 為強堿性。 按照劃分標準,上海城市綠地土壤pH 平均值8.20,屬堿性,且公園綠地、廣場綠地和道路附屬綠地的土壤pH均屬堿性。 由圖2 可知,3 種綠地類型土壤pH 均以堿性為主,在公園綠地、廣場綠地和道路附屬綠地土壤中占比分別為81%、73%和87%,在全市綠地整體占比約為82%。 所調查綠地中無強酸性土壤,酸性和中性土壤僅存在于公園綠地中,占比分別為0.76%和2.78%。 強堿性土壤占比最高的為廣場綠地,達27.3%;公園綠地和道路附屬綠地強堿性土壤占比分別為15.7%和13.3%,強堿性土壤在全市綠地中整體占比約為15.8%。

圖1 上海城市綠地土壤pH 分布Fig.1 Soil pH distribution in Shanghai urban green space

圖2 不同綠地類型中各土壤pH 范圍占比Fig.2 Proportion of each soil pH range in different types of green space

2.1.2 各行政區土壤pH 分布

由圖3 可知,在各行政區綠地土壤pH 分布中,pH 最小值分布于長寧區,為5.72,pH 最大值分布于浦東新區,為9.11;各行政區綠地土壤pH 分布中,極差最小的為楊浦區,為0.86,極差最大的為長寧區,達3.18;楊浦區綠地土壤pH 平均值最小,為8.04,靜安區綠地土壤pH 平均值最大,為8.36;各行政區綠地土壤pH 分布中,變異系數最小的為浦東新區,約為2.53%,變異系數最大的為長寧區,達6.28%。 多重比較分析表明,靜安區、浦東新區綠地土壤pH 顯著高于長寧區、普陀區、虹口區和楊浦區;黃浦區、徐匯區、閘北區土壤pH 顯著高于楊浦區。

圖3 各行政區土壤pH 分布狀況Fig.3 Distribution of soil pH in each administrative district

2.1.3 公園綠地土壤剖面pH 分布

如圖4 所示,0—20 cm 深度土壤pH 在5.72—8.51,極差為2.79,平均值為8.00;20—40 cm 深度土壤pH 在7.34—8.66,極差為1.32,平均值為8.14;40—90 cm 深度土壤pH 在7.29—9.11,極差為1.82,平均值為8.21。 在公園綠地土壤剖面中,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。 多重比較分析表明,表層0—20 cm 土壤pH 顯著低于40—90 cm 土壤pH,但處于中間的20—40 cm 土壤與表層0—20 cm 和深層40—90 cm 的土壤pH 均無顯著差異。

圖4 公園綠地土壤剖面pH 分布Fig.4 pH distribution of soil profile in park green space

2.2 土壤pH 分布的影響因素

2.2.1 綠地土壤養分對pH 的影響

大量研究表明,土壤pH 與土壤有機質及土壤養分之間存在著一定的相關性。 由表1 可知,綠地土壤pH 與土壤EC、有機質含量、水解性氮含量、有效磷含量和速效鉀含量均呈負相關。 公園綠地土壤pH 與土壤EC 等指標均達極顯著相關,土壤pH 與土壤有機質含量和水解性氮含量的相關系數均達-0.32;與有效磷含量的相關系數為-0.30。 廣場綠地土壤pH 僅與土壤EC 顯著相關,相關系數為-0.43。 道路附屬綠地土壤pH 與土壤EC 等指標均達極顯著相關,土壤pH 與土壤有效磷含量相關系數為-0.47,與土壤EC、有機質含量、水解性氮含量和速效鉀含量相關系數基本一致。 在3 種類型綠地土壤中,土壤pH 與各養分指標的相關系數均為道路附屬綠地最大(EC 除外)。

表1 土壤pH 與土壤養分的相關性Table 1 Correlation between soil pH and soil nutrients

2.2.2 綠地土壤物理性狀對土壤pH 的影響

2.2.2.1 土壤質地對pH 的影響

由圖5 可知,上海綠地土壤質地主要為粉(沙)質黏壤土,占比約為79%;其次為粉(沙)質壤土,占比約為12%;黏土和粉(沙)質黏土占比均在5%左右。 粉(沙)質黏壤土pH 分布最廣,土壤pH 為5.52—9.11,極差為3.59;黏土pH 分布最集中在8.03—8.49,極差為0.46。 多重比較分析表明,不同類型土壤質地間土壤pH 無顯著差異,黏土、粉(沙)質黏土、粉(沙)質黏壤土和粉(沙)質壤土pH 平均值分別為8.22、8.25、8.15 和8.17。

圖5 土壤質地對pH 的影響Fig.5 Effects of soil texture on pH

參考《中國土壤》[16]中土壤酸堿度的劃分標準,結合上海城市綠地土壤pH 的實際分布狀況,將綠地土壤pH 劃分為pH≤7.5、7.5 ＜pH≤8.5、pH ＞8.5 三個范圍。 由圖6 可知,不同pH 范圍內,均以0.002—0.05 mm(含0.002 mm)粒徑的土壤占比最大,其次為＜0.002 mm 粒徑的土壤,0.05—2 mm(含0.05 mm)粒徑土壤占比最小。 多重比較分析表明,在不同pH 范圍內,土壤顆粒的粒徑組成無顯著差異?？傮w而言,在上海綠地土壤中0.002—0.05 mm 的粒徑占比約為36%,＜0.002 mm 的粒徑占比約為59%,0.05—2 mm 粒徑的占比約為5%。

圖6 不同粒徑土壤組成的綠地土壤pHFig.6 Green space soil pH of different soil particle composition

2.2.2.2 土壤容重和孔隙度對pH 的影響

土壤容重和孔隙度可以通過影響土壤中固相、液相和氣相的分配,從而影響元素的循環過程和氧化還原電位,并對土壤pH 產生影響。 由表2 可知,綠地土壤pH 與土壤容重和土壤非毛管孔隙度均達極顯著相關,相關系數分別為0.51 和0.26。 土壤pH 與土壤容重為正相關,即土壤pH 隨容重的增加而增加;土壤pH 與非毛管孔隙度為負相關,即土壤pH 隨非毛管孔隙度的增加而降低。

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

2.2.3 植被類型對土壤pH 的影響

地上植被可以通過根系分泌物和凋落物影響土壤中的元素循環,并對土壤pH 產生影響。 由圖7 可知,草地、灌木、喬木、灌草混合、喬草混合、喬灌混合及喬灌草混合7 種地上植被群落結構下的綠地土壤pH 平均值分別為8.20、8.18、8.12、8.18、8.22、8.05 和8.20。 綠地土壤pH 的最小值和最大值均分布于喬木和草被混種類型下,最小值為5.72,最大值為9.11,極差為3.39。 喬木下綠地土壤pH 的極差最小,僅0.62。 多重比較分析表明,草地、灌木、灌草混合、喬草混合及喬灌草混合5 種植被類型下的土壤pH 無顯著差異,但顯著高于喬灌混合植被下土壤pH。

圖7 不同植被類型下土壤pH 分布狀況Fig.7 Distribution of soil pH under different vegetation types

將7 種綠地植被類型進一步劃分為草地、灌木和喬木3 種類型,即只要包含草地,就劃分到草地類型中。 如圖8 所示,草地土壤pH 在5.72—9.11,灌木土壤pH 在7.07—8.70,喬木土壤pH 在5.72—9.11。草地、灌木和喬木地下土壤pH 的平均值分別為8.20、8.15 和8.15。 多重比較分析表明,草地土壤pH 顯著高于灌木土壤和喬木土壤。

圖8 不同植被結構下土壤pH 分布狀況Fig.8 Distribution of soil pH under different vegetation structures

根據地上植被類型的數量,將綠地土壤群落結構分為單層結構群落(草地或灌木或喬木),復層結構群落(喬草或灌草或喬灌)和多層結構群落(喬灌草)。 由圖9 可知,單層結構群落樣點共122 個,土壤pH 在7.13—8.75,平均值為8.17;復層結構群落樣點共161 個,土壤pH 在8.06—8.16,平均值為8.11;多層結構群落樣點共162 個,土壤pH 在8.16—8.24,平均值為8.20。 多重比較分析表明,復層結構群落土壤pH 顯著低于多層結構群落,單層結構群落土壤pH 與其他兩種群落類型均無顯著差異。

圖9 不同群落結構下土壤pH 分布狀況Fig.9 Distribution of soil pH under different community structures

2.2.4 綠地建成年限對土壤pH 的影響

城市綠地建成后,在不同的人為作用年限下,其土壤pH 會呈現一定的變化規律。 對51 個建成年限小于10 年的公園調查表明,其綠地土壤pH 平均值為8.30;對179 個建成年限在10—30 年的公園調查表明,其綠地土壤pH 平均值為8.26;對165 個建成年限大于30 年的公園調查表明,其綠地土壤pH 平均值為8.04。 多重比較分析表明,綠地建成30 年后,其土壤pH顯著低于建成年限小于30 年的綠地。

3 討論

3.1 上海城市綠地土壤pH 的空間變異性

本研究表明,上海城市綠地土壤pH 整體呈堿性,平均值為8.20。 該特征與上海地區土壤的母質特征基本一致,上海地區土壤母質以長江沖積物為主,石灰受到淋溶,土體上部無石灰反應,pH 為中性偏堿性;濱海平原地區為江海沖積物,由于成土較晚,石灰反應較強,pH 為堿性[17]。 這是因為土壤pH 對土壤母質的性質具有繼承性,向嬌等[5]研究表明,成土母質對土壤pH 具有顯著影響。 土壤pH 除了對成土母質性質的繼承外,還會受到自然因素和人為因素的共同影響[6,18]。 城市綠地土壤經過人類活動的長期干擾或直接人為“組裝”,其pH 分布主要受人為因素的影響。 本研究表明,上海城市綠地土壤pH 在不同綠地類型間差異顯著,廣場綠地土壤pH 顯著高于公園綠地,道路附屬綠地土壤pH 與公園綠地及廣場綠地均無顯著差異。 劉騫等[19]對長春市不同類型綠地各采集9 個樣品,發現道路附屬綠地土壤pH 顯著高于公園綠地。 樊蘭英等[20]調查了太原市62 個不同類型綠地,發現公園綠地土壤pH 顯著高于附屬綠地。不同類型綠地土壤pH 的差異,在城市間表現為不同的結果,可能與樣本數量有關;此外,即使是同一類型的綠地,由于所處的空間位置不同,其土壤pH 也會有較大差異。 如田宇[21]對北京4 個公園綠地土壤pH進行了調查,發現位于郊區的香山公園土壤pH 偏酸性,而位于市中心的玉淵潭公園土壤pH 偏堿性。

城市綠地土壤化學性質在城郊梯度上呈現一定的分布規律[22-23]。 本研究表明,上海城市綠地土壤pH 在各中心城區內也表現出顯著差異;靜安區、浦東新區綠地土壤pH 顯著高于長寧區、普陀區、虹口區和楊浦區,且各區土壤pH 的變異性均小于10%,呈空間弱變異性。 劉嬋[24]調查表明,從上海郊區到城區,土壤pH 逐漸堿化,土壤pH 的變異系數逐漸減小。 這主要與城市化過程中,人為活動影響土壤中鹽基離子含量有關;同時由于人為活動的強烈影響,造成土壤pH 的顯著變化因各種自然因素造成的土壤pH空間變異趨于同化,故中心城區土壤pH 的變異性較小。 土壤pH 在土壤剖面上會呈現一定的分布規律[25]。 本研究表明,上海公園綠地土壤表層0—20 cm 土壤pH 顯著低于40—90 cm 土壤,處于中間的20—40 cm 土壤pH 與表層0—20 cm 和深層40—90 cm 的土壤pH 無顯著差異,即土壤pH 隨深度的增加逐漸增大。 這主要與表層土壤有機質含量相對較高,以及植物根系對土壤陽離子選擇性獲取和凋落物降解等過程有關[26]。

3.2 城市綠地土壤pH 變化的影響因素

土壤理化性質是影響土壤pH 的重要因素[5,27-28]。 本研究表明,上海綠地土壤pH 與土壤EC、土壤有機質、水解性氮、有效磷和速效鉀含量均呈負相關關系,即土壤有機質和土壤養分含量越高,土壤pH 越低,這與向嬌等[5]研究結果基本一致。 李強等[29]研究表明,土壤pH 與土壤有機質含量呈三次曲線關系,轉折點分別為27 g∕kg 和60 g∕kg,在土壤有機質含量小于27 g∕kg 時,土壤pH 隨有機質含量的增加而減小。 本研究中,81%的土壤有機質含量小于27 g∕kg,處于擬合曲線的第一階段,土壤pH 隨有機質含量的增加而降低。 土壤pH 代表土壤固相處于平衡的溶液中的H+濃度的負對數[4]。 土壤物理性質并不直接影響土壤溶液中H+的濃度,但土壤質地、容重和孔隙度可以通過影響土壤氧化還原條件,進而影響土壤pH。 本研究表明,上海城市綠地土壤質地和黏粒含量與土壤pH 無顯著相關性;唐韻等[30]研究則表明,土壤pH 與黏粒含量呈顯著負相關。 這可能是由于上海城市綠地土壤質地以粉(沙)質黏壤土為主,占比高達79%,土壤質地較為單一,造成土壤黏粒含量變化較小,因此對區域的土壤pH 變化無顯著影響。 相關性分析表明,上海城市綠地土壤pH 與土壤容重呈顯著正相關,相關系數為0.51;土壤pH 與土壤非毛管孔隙度呈顯著負相關,相關系數為0.26。 城市綠地土壤有機質含量偏低,土壤容重變大造成土壤中水分含量及空氣比例減小,有機質分解緩慢,有機酸的生成量減少,從而導致土壤pH 增加。 非毛管孔隙度的增加則可以通過加強氧氣的供給,促進有機質分解,同時非毛管孔隙度增加還可以提高水分的入滲速率,有利于土壤鹽基離子的淋洗,從而使土壤pH 降低。

植物可以主動對土壤化學性質和養分循環過程進行調控,并影響土壤pH[26,31]。 本研究表明,城市綠地常見的7 種植物群落下,喬灌群落土壤pH 最低,種植草被區域土壤pH 顯著高于不種植草被區域土壤,兩種植被構成的群落土壤pH 顯著低于單一植被群落和喬灌草混合群落。 魏艷艷等[32]研究也表明,草被區域土壤pH 顯著高于落葉闊葉林。 這可能是由于草被相比于喬灌,植物生物量更小,凋落物更少,且喬木產生的根系分泌物量遠遠大于草被植物,凋落物分解產生的有機酸及根系分泌物中的有機酸對土壤pH 產生較大影響。 這也提示在利用植物對土壤pH 進行調控時,需要考慮植被類型,以選擇合適的植物。相比于自然因素,人為活動對土壤pH 的影響更為顯著[5,7]。 人為活動對綠地土壤的影響較為復雜,不能借用耕作制度、施肥方式等進行表示,但綠地建成年限可以體現人為活動對綠地土壤持續影響的時間長短,可在一定程度上表示人為活動對綠地土壤的影響強度。 本研究表明,隨著綠地建成時間的延長,土壤pH 呈降低的趨勢,在建成年限大于30 年時顯著降低。 在莫斯科的城市綠地研究也表明,建成年限大于30 年的綠地土壤pH 較建成年限小于5 年的土壤pH 低7%[33]。 故城市綠地土壤雖會受到人為活動的劇烈影響而出現較大變異,但合理的管理措施在長時間尺度下,可抑制土壤鹽堿化并使土壤pH 逐漸降低。

4 結論

1)上海城市綠地土壤pH 平均值為8.20,為堿性土壤;其中公園綠地土壤平均值為8.17,廣場綠地土壤pH 平均值為8.29,道路附屬綠地土壤pH 平均值為8.23,廣場綠地土壤pH 顯著高于公園綠地土壤和道路附屬綠地土壤。 在各行政區域中,楊浦區綠地土壤pH 平均值最小,為8.04,靜安區綠地土壤pH 平均值最大,為8.36。 在不同土壤層次中,0—20 cm 土壤pH 平均值為8.00,20—40 cm 土壤pH 平均值為8.14,40—90 cm 土壤pH 平均值為8.21,表層0—20 cm 土壤pH 顯著低于40—90 cm 土壤pH。

2)綠地土壤pH 與土壤EC、有機質含量、水解性氮含量、有效磷含量和速效鉀含量均呈負相關。 在3種類型綠地土壤中,土壤pH 與各養分指標的相關系數均為道路附屬綠地最大(EC 除外)。 不同類型土壤質地間土壤pH 無顯著差異,黏土、粉(沙)質黏土、粉(沙)質黏壤土和粉(沙)質壤土平均值分別為8.22、8.25、8.15 和8.17。 綠地土壤pH 隨著綠地建成年限的延長逐漸降低,綠地建成30 年后,其土壤pH 顯著低于建成年限小于30 年的綠地。

3)綠地土壤pH 偏高是上海綠化景觀提升和綠地土壤可持續發展的障礙因子之一,本研究通過大范圍上海城市綠地土壤pH 調查明確了不同類型綠地土壤pH 分布狀況,量化了綠地土壤pH 與土壤質地、土壤養分和綠地建成年限間的關系。 本研究可為上海城市綠地土壤養護管理措施的優化以及助力上海城市綠地土壤質量提升提供一定指導。