城市綠地土壤退化及防治技術(shù)的研究與實踐

陳慶斌 蘇亞勛 王素君 趙立偉

摘 要：本文以天津市文化中心景觀綠地為例，分析了城市綠地存在土壤鹽堿化、養(yǎng)分貧瘠化、壓實板結(jié)化、污染毒化、生物環(huán)境惡化的潛在威脅，對新建綠地土壤采用全面培育和保護(hù)技術(shù)，即建設(shè)栽植土床、實施暗管排鹽、增施有機(jī)肥和改良劑，并提出城市綠地土壤退化預(yù)警對策和建議。

關(guān)鍵詞：城市綠地；土壤退化；文化中心

中圖分類號：TU986 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.10.028

Abstract： In this paper， taking green landscape of Tianjin Cultural Center for example， urban green space presence potential threat of soil salinization， nutrient depletion， compaction compaction， pollution poisoned， the deterioration of the biological environment were analyzed. For new green soil， comprehensive cultivation and protection technology was used，namely the construction planting bed soil， implementation of underground pipe row salt， exert organic fertilizers and amendments. And urban green space soil degradation early warning measures and suggestions were proposed.

Key words： urban green space；soil degradation；cultural center

1 背 景

城市綠地土壤相對于傳統(tǒng)土壤學(xué)是一個全新的概念。綠地土壤是園林植物立地生長的載體，直接供給植物生長所必須的營養(yǎng)元素，提供樹木生長所必須的機(jī)械支撐，是綠地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量交換的重要場所。由于城市綠地系統(tǒng)是城市系統(tǒng)內(nèi)唯一執(zhí)行自然“納污吐新”的負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制的子系統(tǒng)，綠地土壤遭受到城市活動和城市化過程帶來的環(huán)境壓力，造成綠地土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，土壤質(zhì)量降低。這些變化將影響到園林植物的正常生長和綠化景觀效果。因此，抓好土壤質(zhì)量建設(shè)，科學(xué)地進(jìn)行改良和管理，是景觀綠地建設(shè)的重要保障。

天津市文化中心總占地面積90萬m2，以中心湖為中心，環(huán)繞著博物館、美術(shù)館、圖書館、大劇院、銀河購物中心，構(gòu)成了天津規(guī)模最大的公共文化設(shè)施。配植了姿態(tài)優(yōu)美且能增添建筑美感的園林植物，景觀綠地面積約15萬m2。文化中心景觀綠化地區(qū)原土不符合天津市園林種植土標(biāo)準(zhǔn)，新建綠地的土壤全部需要客土，土源來自天津市靜海區(qū)。靜海區(qū)鹽化潮土多為氯化物-硫酸鹽型和硫酸鹽-氯化物型，土壤偏堿性，有機(jī)質(zhì)含量較低，氮、磷營養(yǎng)元素缺乏，鉀素較豐富。

2 綠地土壤退化的潛在威脅分析

土壤具有多種功能，當(dāng)土壤一個或多個功能不能發(fā)揮時，便可以看作土壤退化（soil degradation）。在諸多功能中，最主要的是土壤生產(chǎn)力和環(huán)境調(diào)節(jié)功能的下降都視作為土壤發(fā)生了退化。土壤退化主要表現(xiàn)為土壤形成發(fā)展過程導(dǎo)致的退化和人為活動引起的退化。一般來說，土壤退化更多的是指人為引起的土壤質(zhì)量降低過程。

文化中心的綠化土壤是鹽化潮土經(jīng)過人工搬運(yùn)和強(qiáng)烈干擾墊積而形成的。土壤生態(tài)環(huán)境不僅發(fā)生了根本的變化，同時還將逐漸受到城市化過程和工業(yè)化過程的影響。根據(jù)天津市的自然因素和文化中心區(qū)域環(huán)境，綜合國內(nèi)外研究成果分析，項目所在范圍內(nèi)的綠地土壤潛伏著物理退化（壓實、通氣阻滯、水分不平衡、徑流侵蝕等）、化學(xué)退化（鹽堿化、化學(xué)物質(zhì)污染、養(yǎng)分貧瘠化、淋溶、養(yǎng)分不平衡等）、生物退化（有機(jī)碳衰減、微生物量衰減、土壤生物多樣性降低等）的威脅。隨著時間的推移，均將逐步有所表現(xiàn)?，F(xiàn)就土壤退化的主要潛在因子進(jìn)行分析。

2.1 土壤鹽堿化

土壤鹽堿化包括鹽化和堿化。當(dāng)今，土壤次生鹽化和次生堿化是土壤退化的重要原因。城市綠地土壤在本質(zhì)上看是一種復(fù)雜的人為新成土[1]，它遵循著區(qū)域土壤的發(fā)展和演變規(guī)律。

2.1.1 土壤次生鹽化 文化中心綠地土壤的次生鹽化威脅可從該地土壤的鹽分平衡來研究和分析。綠地土壤中鹽分的積累或損失決定鹽分的輸入和輸出過程的平衡。在輸入大于輸出時，鹽分積累到一定程度時產(chǎn)生鹽漬化；當(dāng)輸出大于輸入時，鹽分降低。從文化中心綠地的生態(tài)環(huán)境看，除基質(zhì)土壤為輕度鹽化外，外來輸入鹽分的因子主要是灌溉水、地下水、降雨和施肥等；輸出鹽分的因子主要是灌溉和降水的淋溶以及植物同化吸收等。根據(jù)天津市1971—2000年近30年的氣象要素統(tǒng)計分析，年蒸發(fā)量平均為1 730 mm，為同期降水量的3.06倍。由此看來，在自然狀態(tài)下綠地土體中鹽分垂直運(yùn)行的主體方向是趨向地表，特別是春季干旱季節(jié)，表層土壤很容易形成鹽漬化。在鹽分平衡中，灌溉是引起土壤鹽分變化的主要人為因子[2]。采取科學(xué)灌溉措施，維持鹽平衡為負(fù)值，就可以控制綠地土壤次生鹽漬化。

2.1.2 土壤次生堿化 次生堿化土壤是一類特殊的鹽土。在土壤脫鹽過程中，土壤中可溶性鹽不斷被淋洗，土壤溶液濃度下降，土壤膠體上吸附的鈉離子隨之解離，造成土壤堿度增加。此外，當(dāng)輸入到土壤中的鹽分組成以堿性鈉鹽為主的情況下，在積鹽同時也可以發(fā)生次生堿化過程。劉剛[3]認(rèn)為，當(dāng)今城市綠地土壤的顯著特征是土壤均呈堿性。2009年，天津北方園林生態(tài)科研所曾對友誼路行道樹土壤、天津賓館內(nèi)綠地土壤，海河下游沿線土壤進(jìn)行調(diào)查，pH值分別為8.77，8.20和8.0，可見中心城區(qū)綠地土壤有堿化趨勢。天津開發(fā)區(qū)二十多年的綠化建設(shè)經(jīng)驗也表現(xiàn)，在綠地土壤改良中，伴隨著脫鹽過程，表層土壤（0～20 cm）pH值上升到8.7[4]。這些均與上海[5]、廣州[6]、南京[7]、長春[3]等地的研究報告相吻合。

2.2 土壤養(yǎng)分貧瘠化

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)是土壤土壤養(yǎng)分的重要來源。王文山[8]研究，土壤有機(jī)質(zhì)在自然狀態(tài)下的礦質(zhì)化作用能導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)衰減，從而也使氮、磷、鉀等速效養(yǎng)分顯著降低。土壤養(yǎng)分不可能全部都有效，根據(jù)已有的農(nóng)田土壤研究結(jié)果估計，在完全不施肥的情況下，農(nóng)田土壤實際可以利用的有效部分，消耗極限大概是：氮為20～40年，磷為10～20年，鉀為80～130年。

客土進(jìn)入城市，固有的生態(tài)環(huán)境被打破，然后在城市綠地土壤生態(tài)系統(tǒng)中建立新的平衡，但限于環(huán)境條件的影響，它的養(yǎng)分循環(huán)過程單一，植物營養(yǎng)主要靠自身供給和降水輸入等。如無外來有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素的輸入，自身循環(huán)和消耗的結(jié)果將使土壤養(yǎng)分逐漸降低。城市生態(tài)環(huán)境中，熱島效應(yīng)很明顯，土溫升高，加速土壤有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化。雖然土壤在短期內(nèi)釋放較多養(yǎng)分，除土壤吸附和植物吸收部分外，相當(dāng)數(shù)量的營養(yǎng)元素被揮發(fā)和流失。

全國很多的研究結(jié)果說明，城市綠地土壤有機(jī)質(zhì)下降屬于共性問題。據(jù)天津市園林綠化研究所調(diào)查，市區(qū)公園土壤比郊區(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)和速效氮、磷、鉀均有顯著降低。北京林業(yè)大學(xué)對北京市綠地土壤的研究也表明，土壤有機(jī)質(zhì)與山地森林土壤相比總體偏低[9]，上海新建綠地土壤有機(jī)質(zhì)也同樣偏低[10]。由于城市綠地土壤有機(jī)質(zhì)衰減，自身分解的養(yǎng)分減少，導(dǎo)致保持養(yǎng)分能力差，可給態(tài)養(yǎng)分相對含量低，使得土壤中有效養(yǎng)分逐漸貧乏。

2.3 土壤壓實板結(jié)化

土壤壓實是土壤緊實和結(jié)構(gòu)破壞并使總孔隙和通氣孔隙減少、導(dǎo)致土壤一個或多個功能喪失或下降的過程。因為客土后，原來的結(jié)構(gòu)體破壞，結(jié)構(gòu)碎片相互結(jié)合，結(jié)構(gòu)體之間和結(jié)構(gòu)體內(nèi)部孔隙銳減，總孔隙度減少，緊實度增加，容重增大。機(jī)械施工和人為踐踏也是造成土壤壓實和板結(jié)的重要原因。

土壤壓實是世界上城市綠地土壤相當(dāng)普遍的退化現(xiàn)象。研究表明，土壤壓實板結(jié)后，土壤通透性降低，根系與大氣進(jìn)行氣體交換受到影響，直接阻礙植物根系發(fā)育。所以，緊實土壤中的根系不能為地上部分提供充足的水分和養(yǎng)分，從而導(dǎo)致地上部分生長受到限制[11]。壓實還破壞土壤結(jié)構(gòu)，儲水能力下降，土壤水庫庫容萎縮，降雨時易形成地表徑流，干旱時不能為植物提供水分。

2.4 土壤污染毒化

土壤污染源主要來自大氣沉降物、污水灌溉、固體廢棄物、農(nóng)藥和化肥的施用等。隨著城市中人口的增加與工業(yè)的發(fā)展，城市綠地土壤重金屬的污染問題日益突出。所以，目前對城市綠地土壤重金屬污染的研究較多。在全世界范圍內(nèi)，城市綠地土壤不同程度的已經(jīng)受到了重金屬污染[12-13]。我國綠地土壤重金屬的研究較有機(jī)污染物研究開展的早，而且研究更為廣泛、深入。各類研究結(jié)果表明，北京城市綠地土壤存在程度較輕的重金屬污染現(xiàn)象，其中Zn、Cu和Pb濃度均顯著高于北京市土壤背景值，屬輕度污染[8]；上海公園土壤中Pb、Zn、Cu、Cr、Cd和Ni的平均值分別為55.06， 198.54，44.57，77.01，0.40和31.17 mg·kg-1，同上海土壤背景值相比，均有不同程度的超標(biāo)[14]。

交通運(yùn)輸與工業(yè)生產(chǎn)是導(dǎo)致城市綠地土壤重金屬污染的主要原因。尾氣排放和輪胎磨損以及工業(yè)活動產(chǎn)生的固體廢棄物直接對城市綠地土壤進(jìn)行污染，或者汽車尾氣和工業(yè)廢氣排放出的重金屬進(jìn)入空氣中，再經(jīng)大氣的沉降富集到城市土壤中。冬季用氯化鈉鹽溶液作為主干道路的融雪劑，融化的鹽水也構(gòu)成影響植物生存的一個新污染源。因此，不同地區(qū)植物體內(nèi)的累積量差異很大。

重金屬不能被微生物分解，但被生物富集。從而影響植物正常的生長發(fā)育，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致植株死亡[15]。土壤一旦被重金屬污染，其自然凈化和人工治理都非常困難。如果超過土壤生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)閾限，必然導(dǎo)致綠地土壤的生態(tài)退化。

2.5 土壤生物環(huán)境惡化

土壤是一個重要的地下物種庫和基因庫，擁有豐富、數(shù)量巨大的土壤生物，主要包括土壤微生物、土壤動物和一些低等動物。其中，土壤微生物最為重要，它參與土壤中能量流動與物質(zhì)循環(huán)的各種生化過程，如呼吸作用、纖維素分解作用、氨化作用等。

城市綠地土壤由于人為破壞、壓實、封閉、擾動等使微生物的自然生存環(huán)境消失，微生物的多樣性減少，群落結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變化，生物的數(shù)量、生物量和種類遠(yuǎn)比農(nóng)業(yè)土壤或自然土壤少[16]。此外，城市綠地土壤中的碳素、氮素和有機(jī)質(zhì)的貧乏，土壤通氣透水性差、結(jié)構(gòu)緊實，也會限制許多土壤動物、微生物的活動與生存，從而直接降低了土壤的生態(tài)服務(wù)功能。

鄭州市的研究發(fā)現(xiàn)，不同綠地類型土壤的微生物數(shù)量、微生物量、理化指標(biāo)差異較大。地表植被種類多樣、土壤疏松、有機(jī)質(zhì)含量豐富的綠地土壤的微生物數(shù)量、微生物量均高于那些植被單一、土壤裸露、土壤硬度大、堿性的綠地土壤[17]。因此，張常寶[18]認(rèn)為，土壤微生物數(shù)量、微生物量可作為土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)。張安才等[19]從研究北京市不同健康程度的銀杏樹時也表明，健康銀杏樹立地（根際和非根際）土壤中微生物數(shù)量、土壤養(yǎng)分含量、土壤微生物作用強(qiáng)度均高于衰弱銀杏樹。由此說明，有機(jī)質(zhì)豐富和良好的土壤環(huán)境，有利于土壤生物生存和提高活性，綠地土壤則能持續(xù)發(fā)揮其生態(tài)功能。

3 綠地土壤改良和保護(hù)技術(shù)

城市綠地的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展首先決定于城市綠地土壤的質(zhì)量。為了保證新建綠地系統(tǒng)的土壤質(zhì)量， 改良和培育土壤，保持“地力常新”是一項具有戰(zhàn)略地位的重要工作。在文化中心景觀建設(shè)中，重點(diǎn)強(qiáng)化了土壤基礎(chǔ)建設(shè)，全面實施土壤改良和保護(hù)工程。

3.1 精細(xì)填土和整地，建造松軟適度的栽植土床

文化中心新墊種植土壤的下層是排水管網(wǎng)和石硝淋層，上層栽植苗木，這個有限的空間是植物扎根和生長發(fā)育的土床。因此，建造好松軟適度的栽植土床，對保證土壤良性發(fā)育，綠色永續(xù)極為重要。

栽植土床表層土壤的平整是控制土壤次生鹽堿化的重要環(huán)節(jié)。因為土壤中鹽分的積聚不僅與中小地形有關(guān)，而且與微地形的關(guān)系也十分密切。局部微地形的變化會引起土壤中鹽分的再分配。當(dāng)降雨或灌溉洗鹽在平地或稍低的地上有暫時積水時，局部微起的高地則淹不到水或淹水時間很短，水層很薄，使得低平地上的土壤脫鹽較好而微高地的脫鹽差。旱季時，低平地的水分和鹽分向微高地側(cè)向移動，水分蒸發(fā)后，鹽分就留在微高地。年復(fù)一年，局部微高地上就形成一層鹽斑。在苗木生長過程中，地面平整的園區(qū)，灌溉和降水能均勻滲入土壤，既節(jié)約用水，又有利于植物吸收。

此外，綠地的平整工作還嚴(yán)格按照設(shè)計標(biāo)高和要求進(jìn)行。對不同用途綠地和不同地形部位因地制宜，依據(jù)地下排鹽管道的走向，保證平整后地面的坡度和坡向符合種植要求。綠地栽植的園林植物包括數(shù)量較多的大喬木，根系群體大，活動旺盛，移栽后要求土質(zhì)疏松、深厚肥沃的土壤。因此，對于這些區(qū)域抬高了地面標(biāo)高，相對降低地下水位，控制地下水隨毛管作用上升，再配合暗管排鹽、土壤培肥和改良等其他措施，以快速形成適合大樹生長的土壤環(huán)境。

3.2 實施暗管排鹽，防止土壤次生鹽堿化

土壤次生鹽堿化是文化中心綠地土壤退化的重要方面。同時，文化中心及周邊地區(qū)地勢低平，夏季有積水的危險。因此，采用暗管排鹽技術(shù)，實施水鹽統(tǒng)一治理，防止次生土壤鹽堿化。

水鹽兼治的實質(zhì)是對土壤中水鹽運(yùn)動的科學(xué)管理。土壤中多余的可溶性鹽分，通過水分管理在排水的同時帶走土壤中多余的鹽分。在水分管理中，遵循兩條原理：一是系統(tǒng)原理，即把水鹽的來源、運(yùn)輸、再分配和排除看成是一個統(tǒng)一的、連續(xù)的運(yùn)動系統(tǒng)；二是平衡原理，即運(yùn)用水鹽平衡的理論和方法去觀察、分析和管理區(qū)域的水鹽運(yùn)動。水鹽管理的主要內(nèi)容包括排水、灌溉、洗鹽、水源的水質(zhì)管理和鹽堿變化動態(tài)監(jiān)測。排水可以加速水分運(yùn)動，調(diào)節(jié)土壤中水鹽的運(yùn)動和平衡，所以是控制土壤次生鹽堿化的關(guān)鍵技術(shù)。

場地完成基礎(chǔ)填墊和粗平整后建設(shè)排鹽工程。排鹽工程采用暗管排鹽盲管、支排水管和主排水管模式。施工時還多次與設(shè)計方和監(jiān)理溝通，在執(zhí)行設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)場的栽植模式和地下水位，因地制宜的進(jìn)行調(diào)整。

3.3 增施有機(jī)肥和改良劑，全面培育綠地土壤

有機(jī)肥可有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤物理性質(zhì)，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，從而加強(qiáng)淋鹽作用，減少蒸發(fā)，抑制返鹽；有機(jī)肥中的腐殖酸還可對土壤中的鹽分起緩和作用，減弱鹽分對植物的危害；有機(jī)肥為微生物提供能源和營養(yǎng)，促進(jìn)土壤微生物的繁殖和活性；有機(jī)物可促使土壤溶液中的活性金屬形成絡(luò)合物或螯合物，或使重金屬以堿化物形式沉淀，降低活性；有機(jī)肥補(bǔ)充植物必須的多種營養(yǎng)元素，使苗木更快適應(yīng)環(huán)境，恢復(fù)長勢，增加苗木的抗性，提高成活率，并維持茁壯成長。

土壤改良劑是以鈣質(zhì)化合物為主的一種混合物。其作用如下：一是使土壤中鈣離子濃度增加，以代換出土壤膠體上的鈉離子，降低土壤堿化度；二是鈣作為電解質(zhì)可以改善鈉質(zhì)土在沖洗改良期間水的傳導(dǎo)度，從而增加粘質(zhì)土的滲透性，提高脫鹽效果；三是石灰可使許多重金屬（如Cd、Hg、Zn、Pb等）形成氫氧化物沉淀，降低毒性。

4 綠地土壤退化預(yù)警對策和建議

4.1 制定綠地土壤保護(hù)的管理辦法

對于城市景觀綠地，應(yīng)嚴(yán)禁一切可能污染土壤以及破壞土壤保護(hù)相關(guān)的活動。應(yīng)嚴(yán)禁游人向綠地排放垃圾和其他廢棄物，防止游人踐踏，冬季降雪時嚴(yán)格控制融雪劑的危害等。借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗制定城市綠地土壤保護(hù)管理辦法。

4.2 加強(qiáng)綠地土壤保護(hù)的長效管理

主要是加強(qiáng)土壤肥水的長效管理。改變園林植物不需施肥的習(xí)慣，要在園林植物各個不同生長階段增施有機(jī)肥料和速效性復(fù)合肥料。對重點(diǎn)樹種和重點(diǎn)區(qū)域，還應(yīng)結(jié)合施肥適當(dāng)深翻，以刺激新根發(fā)生，保證樹木隨樹齡的增長對肥、水的需要，促使樹體健壯。每年生長期應(yīng)中耕除草，以減少水分蒸發(fā)和養(yǎng)分消耗，防止土壤返鹽，使踏實的園土恢復(fù)疏松。合理灌溉和排水，保持土壤水鹽平衡。在園林植物生長過程中，發(fā)現(xiàn)土壤生態(tài)功能低下時，還要松土、深翻、補(bǔ)施微生物肥料等。通過各種長效管理措施，改善土壤理化性狀，促進(jìn)土壤生物活性，實現(xiàn)土壤養(yǎng)分有效供給，保障綠地土壤可持續(xù)利用。

4.3 建立綠地土壤質(zhì)量退化預(yù)警系統(tǒng)

土壤本身具有的潛在性和滯后性特點(diǎn)，使得土壤總是在嚴(yán)重退化后才被人們發(fā)現(xiàn)和認(rèn)知，后果嚴(yán)重且很難恢復(fù)。因此，園林管理部門要加強(qiáng)土壤退化的監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)研究，在園區(qū)設(shè)置土壤退化監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，定期開展土壤水鹽動態(tài)和土壤質(zhì)量演變的監(jiān)測，建立土壤退化動態(tài)監(jiān)測與動態(tài)數(shù)據(jù)庫及其管理信息系統(tǒng)。對中心綠地土壤質(zhì)量演變進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，及時采取措施，防止進(jìn)一步退化。

4.4 開展退化土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的研究

主要運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理及專家系統(tǒng)等技術(shù)，研究和開發(fā)以綠地土壤持續(xù)利用為目標(biāo)的土壤和環(huán)境綜合整治決策支持系統(tǒng)與優(yōu)化模式，退化土壤質(zhì)量恢復(fù)重建的關(guān)鍵技術(shù)及其集成運(yùn)用的試驗示范研究等，為城市綠地土壤退化防治提供決策咨詢和示范樣板。

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