人工湖沿岸帶綠地土壤質(zhì)量特征研究
——以上海滴水湖沿岸帶為例

伍海兵

梁 晶

蔡永立

何小麗

隨著中國對(duì)城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，城市綠化得到了快速發(fā)展，同時(shí)，城市綠化需求的快速增加與城市土地資源緊缺間的矛盾也日益突出，尤其是在沿海發(fā)達(dá)城市，一方面城市土地資源面積狹小，可用于綠地建設(shè)的土地越來越少；另一方面由于城市在建設(shè)過程中，各種人為活動(dòng)干擾因素對(duì)土壤質(zhì)量的影響較大，土壤空間變異復(fù)雜，而且在其特殊的地理及氣候環(huán)境背景干擾下的土壤，與自然土壤和農(nóng)業(yè)土壤相比，既繼承了自然土壤的某些特性，又有其獨(dú)特的成土環(huán)境與過程，表現(xiàn)特殊的土壤特性，如具有高鹽堿、低養(yǎng)分、高礦化度地下水侵蝕等缺陷[1-2]，不利用于植物生長。滴水湖是在上海市臨港新城圍墾灘地上人工開挖而成的人工湖泊，承擔(dān)著臨港新城防汛排澇、置換水體和塑造城市景觀生態(tài)的功能和作用，其沿岸帶綠地扮演著污染物凈化、養(yǎng)分截留、涵養(yǎng)水源、景觀提升等生態(tài)功能[3-4]，土壤作為綠地的基礎(chǔ)，沿岸帶綠地土壤質(zhì)量直接制約著滴水湖各功能的發(fā)揮。關(guān)于沿海城市土壤質(zhì)量的研究較多[5-7]，但有關(guān)沿海地區(qū)人工湖沿岸帶這種受地理環(huán)境及人為干擾眾多因素影響的綠地土壤研究鮮有報(bào)道。為此，本研究以滴水湖沿岸帶綠地土壤為研究對(duì)象，分析沿岸帶綠地土壤質(zhì)量特征及空間分布變異規(guī)律，以期為沿岸帶綠地建設(shè)和管理提供科學(xué)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

滴水湖位于東海之濱的上海臨港新城，總面積5.6km2，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，春夏多雨濕潤，秋冬少雨干燥，最高氣溫在8月，最低氣溫在1月，年均氣溫15.7℃，年均降雨量為1 111mm，全年總?cè)照諡? 100h左右，月均蒸發(fā)量92mm。自20世紀(jì)起，為使岸灘淤長，臨港新城修建了人民塘、解放塘、八五塘、九四塘、2002海堤等堤塘[8]，滴水湖則位于2002海堤和九四塘之間。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集和處理

本研究主要以滴水湖西側(cè)已建綠地為研究對(duì)象，其他區(qū)域沿岸帶主要以規(guī)劃綠地和正在建設(shè)綠地為主，于2018年8—10月進(jìn)行采樣，共設(shè)置了59個(gè)樣點(diǎn)，分3層采樣，分別采集表層(0～20cm)、中層(20～40cm)和深層(40～80cm)，共177個(gè)土壤樣品。此外，選取了滴水湖西側(cè)3個(gè)典型裸地土壤(CK1)和中心城區(qū)7個(gè)綠地土壤(CK2)為對(duì)照，中心城區(qū)綠地植物與滴水湖沿岸帶綠地類似，以探討植被、地理環(huán)境對(duì)滴水湖沿岸帶綠地土壤質(zhì)量的影響。采樣點(diǎn)分布見圖1。

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布

1.2.2 測定方法

土壤pH值采用電位法；土壤EC值采用電導(dǎo)率法；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；土壤全鹽量采用質(zhì)量法；土壤容重、飽和持水量、田間持水量、總孔隙度及非毛管孔隙度采用環(huán)刀法測定；土壤含水率采用烘干法；土壤顆粒組成采用密度計(jì)法。各指標(biāo)的具體分析方法均參照《森林土壤分析方法》[9]。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007和SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD法進(jìn)行方差分析和多重比較(α=0.05)，利用Excel 2007軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴水湖沿岸帶綠地土壤理化性質(zhì)概況

2.1.1 土壤化學(xué)性質(zhì)

滴水湖沿岸帶綠地土壤化學(xué)性質(zhì)如表1所示，其中土壤pH值變化范圍為8.00～9.57，均值為8.90，土壤堿性較強(qiáng)，土壤pH值變異程度小，變異系數(shù)僅為0.03，這與土壤酸堿性本身較穩(wěn)定有關(guān)。滴水湖沿岸帶綠地土壤中有高達(dá)89.4%的土壤為強(qiáng)堿性(＞8.5)，8.9%的土壤為極強(qiáng)堿性(＞9.5)。

土壤EC值變化范圍為0.03～0.62mS/cm，均值僅為0.11mS/cm(表1)，滴水湖沿岸帶綠地土壤EC含量較低，間接反映土壤中的養(yǎng)分含量偏低；土壤EC值變異程度較高，變異系數(shù)高達(dá)0.93，故滴水湖沿岸帶不同綠地土壤EC值差別較大。

土壤有機(jī)質(zhì)變化范圍為2.57～38.30g/kg，均值僅為9.04g/kg(表1)，滴水湖沿岸帶綠地土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，土壤有機(jī)質(zhì)缺乏直接阻礙土壤物理、化學(xué)及生物功能的發(fā)揮[10]，從而易引起土壤質(zhì)量的退化。土壤有機(jī)質(zhì)變異程度高，變異系數(shù)高達(dá)0.57，故滴水湖沿岸帶不同綠地土壤有機(jī)質(zhì)含量差別較大。

土壤全鹽量變化范圍為0.23～0.97g/kg，均值為0.45g/kg(表1)，滴水湖沿岸帶綠地土壤全鹽量含量低，為非鹽化土，由此可見，滴水湖沿岸帶雖臨近東海，但其綠地土壤為非鹽化土壤，這與一般濱海城市土壤鹽分含量較高有所差別[11]。土壤全鹽量變異程度較高，變異系數(shù)為0.40，故滴水湖沿岸帶不同綠地土壤全鹽量差別較大。

表1 綠地土壤基本化學(xué)性質(zhì)

2.1.2 土壤物理性質(zhì)

滴水湖沿岸帶綠地土壤容重變化范圍為1.14～1.65g/cm3(表2)，均值為1.44g/cm3，土壤容重偏大，說明滴水湖沿岸帶土壤緊實(shí)。土壤容重變異程度較小，變異系數(shù)僅為0.07，故不同綠地土壤容重差異較小，土壤容重偏大是滴水湖沿岸帶綠地土壤普遍存在的障礙因子之一。

土壤非毛管孔隙度變化范圍為0.22%～7.46%(表2)，均值僅為3.13%，土壤非毛管孔隙度較低，土壤非毛管孔隙度偏低在城市綠地土壤中普遍存在[12]；土壤總孔隙度變化范圍為39.14%～57.85%，均值為46.59%，土壤總孔隙度相對(duì)偏低。滴水湖沿岸帶綠地土壤總孔隙變異程度小，變異系數(shù)僅為0.08，而土壤非毛管孔隙度變異程度較大，變異系數(shù)為0.45，故滴水湖沿岸帶各綠地土壤非毛管孔隙度差別較大。

土壤含水率變化范圍為9.10%～45.53%(表2)，均值為21.05%，變異系數(shù)為0.30，變異程度較高，這主要是由于綠地土壤含水率受灌溉和降雨影響較大；土壤飽和持水量為240.32～493.81g/kg，均值僅為326.49g/kg，土壤飽和持水量較低，土壤田間持水量變化范圍為225.32～468.68g/kg，均值僅為299.30g/kg；滴水湖沿岸帶綠地土壤飽和持水量和土壤田間持水量變異系數(shù)均為0.15，變異程度一般，故滴水湖沿岸帶各綠地土壤持水能力差別相對(duì)較小。

表2 綠地土壤基本物理性質(zhì)

土壤粉砂粒含量較大，變化范圍為31.64%～80.02%(表2)，均值為59.17%，其次是黏粒含量，砂粒含量相對(duì)最小，均值為16.37%。不同綠地土壤顆粒組成變異程度較大，尤其是土壤砂粒變異程度最大，變異系數(shù)高達(dá)1.08，而粉砂粒變異程度相對(duì)最小，為0.20。土壤質(zhì)地類型有壤土、粉(砂)壤土、粉(砂)質(zhì)黏壤土和砂質(zhì)壤土4種類型，而以粉(砂)壤土和粉(砂)質(zhì)黏壤土為主，所占比例分別為55.5%和27.8%。

2.2 滴水湖沿岸帶綠地不同深度土壤理化性質(zhì)

2.2.1 不同深度土壤化學(xué)性質(zhì)

不同深度土壤化學(xué)性質(zhì)存在一定差異性(表3)，其中表層土壤pH值最小，而深層和中層土壤pH較大，且深層和中層土壤均顯著高于表層土壤(p＜0.05)。土壤EC值和全鹽量隨著土層深度的增加而增加，深層土壤EC值(0.14mS/cm)顯著高于表層和中層土壤(p＜0.05)；深層土壤全鹽量(0.58g/kg)顯著高于表層土壤(p＜0.05)，而表層與中層土壤全鹽量差異不明顯(p＞0.05)。表層土壤有機(jī)質(zhì)含量最高(12.24g/kg)，且顯著高于中層和深層土壤(p＜0.05)。

表3 不同土層土壤化學(xué)性質(zhì)差異性

2.2.2 不同深度土壤物理性質(zhì)

不同深度土壤物理性質(zhì)存在一定差異性(表4)，其中表層土壤容重最小，為1.42g/cm3，隨著土層深度增加，土壤容重有增加趨勢，且表層土壤容重顯著低于中層和深層土壤(p＜0.05)，這與林地土壤容重變化規(guī)律類似[13]，而一般在無人為干擾時(shí)，表層土壤容重遠(yuǎn)低于下層，隨干擾強(qiáng)度的增加，上下層之間土壤容重趨于接近[14]。

隨著土層深度增加，含水率逐漸增加(表4)，且表層土壤含水率顯著低于中層和深層土壤(p＜0.05)，這與段民福等研究林地土壤含水率的空間變異規(guī)律一致[15]。不同土層的土壤飽和持水量、田間持水量變化規(guī)律類似，隨著深度增加均先降低，后增加，不同土層土壤飽和持水量和田間持水量均差異不明顯(p＞0.05)。

不同土層的土壤非毛管孔隙度差異明顯(表4)，其中土壤表層非毛管孔隙度最大，且隨著土層深度的增加而降低，尤其是深層土壤非毛管孔隙度顯著低于表層土壤(p＜0.05)，這與林義輝等研究森林土壤結(jié)果相似[16]。不同土層總孔隙度差異不明顯(p＞0.05)，但表層土壤總孔隙度相對(duì)最大，高于中層和深層土壤，這與曾峰等研究林地土壤結(jié)果一致[17]。

不同土層的土壤顆粒組成無明顯差異(表4)，表層土壤的黏粒和粉砂粒含量相對(duì)低于中層和深層土壤，而砂粒含量高于其他土層，但均無顯著差異(p＞0.05)。

表4 不同土層土壤物理性質(zhì)差異性

2.3 不同區(qū)域綠地土壤理化性質(zhì)差異性

2.3.1 不同區(qū)域綠地土壤化學(xué)性質(zhì)

不同區(qū)域綠地土壤pH值存在顯著差異性(圖2)，其中沿岸帶裸地土壤pH值最大(9.40±0.10)，顯著高于沿岸帶綠地土壤(p＜0.05)，可見，植被可有效降低土壤pH值；沿岸帶綠地土壤pH值顯著高于上海中心城區(qū)綠地(p＜0.05)。

圖2 不同區(qū)域土壤pH值差異性

沿岸帶裸地土壤EC值最高，為(0.25±0.19)mS/cm，顯著高于沿岸帶綠地和中心城區(qū)綠地(p＜0.05)，而沿岸帶綠地和中心城區(qū)綠地土壤EC值差異不明顯(圖3)。

圖3 不同區(qū)域土壤EC值差異性

不同區(qū)域綠地土壤全鹽量存在顯著差異性(圖4)，其中沿岸帶裸地土壤全鹽量最高，為(0.89±0.43)g/kg，顯著高于沿岸帶綠地和中心城區(qū)綠地(p＜0.05)。

圖4 不同區(qū)域土壤全鹽量差異性

中心城區(qū)綠地土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，為(27.24±10.24)g/kg，而沿岸帶裸地土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，為(4.55±1.83)g/kg(圖5)。且沿岸帶裸地土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著低于沿岸帶綠地(p＜0.05)，這說明植被對(duì)提升土壤有機(jī)質(zhì)具有促進(jìn)作用。沿岸帶綠地土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著低于中心城區(qū)綠地土壤(p＜0.05)。

圖5 不同區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)差異性

2.3.2 不同區(qū)域綠地土壤物理性質(zhì)

沿岸帶裸地土壤容重最大，為(1.55±0.03)g/cm3，其次為沿岸帶綠地土壤，中心城區(qū)綠地土壤容重最小，為(1.28±0.09)g/cm3，且中心城區(qū)綠地顯著低于沿岸帶綠地和沿岸帶裸地(p＜0.05)(圖6)。

圖6 不同區(qū)域土壤容重差異性

中心城區(qū)綠地土壤飽和持水量和田間持水量均最大，其次為沿岸帶綠地土壤，而沿岸帶裸地土壤最小，且中心城區(qū)綠地土壤飽和持水量和田間持水量均顯著高于沿岸帶綠地和沿岸帶裸地(p＜0.05)(圖7)。

圖7 不同區(qū)域土壤持水量差異性

中心城區(qū)綠地土壤非毛管孔隙度和總孔隙度均最大，其次是沿岸帶綠地土壤，而沿岸帶裸地土壤最小。不同綠地土壤非毛管孔隙度差異不明顯(p＞0.05)，而土壤總孔隙度差異明顯，其中沿岸帶綠地和沿岸帶裸地顯著低于中心城區(qū)綠地(p＜0.05)(圖8)。

圖8 不同區(qū)域土壤孔隙差異性

中心城區(qū)綠地土壤黏粒含量顯著高于沿岸帶綠地和沿岸帶裸地(p＜0.05)，而沿岸帶綠地土壤黏粒含量顯著高于沿岸帶裸地；沿岸帶綠地土壤粉砂粒含量顯著高于沿岸帶裸地(p＜0.05)，但與中心城區(qū)綠地差異不明顯；沿岸帶裸地土壤砂粒顯著高于沿岸帶綠地和中心城區(qū)綠地，而沿岸帶綠地土壤砂粒含量高于中心城區(qū)綠地，但差異不明顯(p＞0.05)(圖9)。

圖9 不同區(qū)域土壤顆粒組成差異性

3 討論

滴水湖沿岸帶綠地土壤理化性質(zhì)相對(duì)較差，主要表現(xiàn)在土壤pH值偏高，而大多數(shù)用于綠地建設(shè)的植物適宜的土壤pH值一般為中性或微酸性，因此，土壤偏堿是滴水湖沿岸帶綠地土壤質(zhì)量的主要障礙因子之一，這也是沿海城市綠地土壤普遍存在的問題。土壤EC值含量偏低，說明滴水湖沿岸帶可溶性養(yǎng)分偏低，不利用植物生長。土壤有機(jī)質(zhì)含量低，不利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，從而加劇土壤質(zhì)量的退化。土壤全鹽量相對(duì)天津、廈門等沿海城市偏低[18-19]，這可能由于滴水湖沿岸帶在綠地建設(shè)過程中土壤主要是客土，且施工過程中大部分綠地設(shè)置了隔鹽層，減緩了地下水對(duì)土壤的侵蝕。土壤容重偏大，土壤壓實(shí)嚴(yán)重，研究表明，當(dāng)容重超過1.4g/cm3，則嚴(yán)重阻礙根系生長發(fā)育[20]，容重偏大在城市綠地土壤普遍存在，這也是城市綠地土壤物理性質(zhì)退化的主要因素之一[21]。土壤通氣性較差，非毛管孔隙度和總孔隙度均較低，一般適于植物正常生長的土壤總孔隙高于50%[22]，而滴水湖沿岸帶有高達(dá)83.9%的綠地土壤總孔隙度低于50%，這主要是由于滴水湖沿岸帶土壤板結(jié)，降低了土壤孔隙含量。土壤飽和持水量和田間持水量相對(duì)較低，與一般林地土壤飽和持水量高達(dá)651～900g/kg和田間持水量高達(dá)519～768g/kg相差較大[23]，滴水湖沿岸帶綠地土壤的蓄水和持水能力相對(duì)較弱，主要是由于土壤中孔隙含量較低，阻礙了土壤水分的蓄積和存儲(chǔ)。土壤砂粒含量相對(duì)較高，而黏粒含量偏低，與上海中心城區(qū)綠地土壤砂粒含量僅為5.0%和黏粒含量為35.4%相差較大[12]。

滴水湖沿岸帶綠地不同深度土壤理化性質(zhì)存在差異性，表層土壤理化性質(zhì)明顯優(yōu)于深層土壤，主要體現(xiàn)在表層土壤pH值、EC值、全鹽量顯著低于深層土壤(p＜0.05)，一方面可能是由于降雨和灌溉水對(duì)表層土壤的淋洗，另一方面可能是由于滴水湖沿岸帶地下水位較高，深層土壤較表層土壤更易受地下水中鹽分的侵蝕。表層土壤容重顯著低于深層土壤(p＜0.05)，而土壤有機(jī)質(zhì)、非毛管孔隙度顯著高于深層土壤(p＜0.05)，這主要是由于綠地土壤表層植物根系相對(duì)較多，根系對(duì)土壤的穿插等機(jī)械作用使土體疏松并產(chǎn)生縫隙[24]，形成大孔隙，從而降低了土壤容重和增加了土壤非毛管孔隙度，而且表層植物凋落物較豐富和土壤生物活動(dòng)較頻繁，其分解增加了土壤有機(jī)質(zhì)，隨著土層的加深，且下層生物活動(dòng)少，從而使有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，這與梁晶等研究上海植物園的土壤肥力特性結(jié)果一致[25]。

滴水湖沿岸帶綠地土壤質(zhì)量明顯優(yōu)于沿岸帶裸地土壤，主要體現(xiàn)在滴水湖沿岸帶綠地土壤pH值、EC值、全鹽量、容重和砂粒均顯著低于裸地土壤(p＜0.05)；土壤黏粒、粉砂粒、有機(jī)質(zhì)均顯著高于裸地土壤(p＜0.05)，這主要是由于植物及其凋落物覆蓋一方面降低了土壤水分的蒸發(fā)，也降低了地下水中的鹽分通過蒸騰作用經(jīng)過土壤毛管孔隙遷移而被截留在土壤中，從而降低土壤pH值、EC值及全鹽量，并且植物通過自身的新陳代謝對(duì)土壤的改良具有促進(jìn)作用，如根系的生長和穿插可疏松土壤，降低土壤容重，提高土壤孔隙，并且植物凋落物的分解增加土壤有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[26]，從而改善了土壤質(zhì)量。滴水湖沿岸帶綠地土壤質(zhì)量與上海中心城區(qū)綠地相比較差，主要體現(xiàn)在滴水湖沿岸帶綠地土壤容重、pH值、全鹽量均顯著高于中心城區(qū)綠地土壤(p＜0.05)，而土壤飽和持水量、田間持水量、總孔隙度、黏粒、有機(jī)質(zhì)均顯著低于中心城區(qū)綠地土壤(p＜0.05)，這主要是由于滴水湖位于長江與杭州灣交匯處，東臨大海，長期受臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等影響程度遠(yuǎn)高于中心城區(qū)，從而受海風(fēng)、海水帶有的鹽分對(duì)土壤的毒害明顯高于中心城區(qū)，且滴水湖沿岸帶地下水位整體偏高，雖然在一些綠地建設(shè)過程中設(shè)置隔鹽層，但沿岸帶綠地土壤也會(huì)不同程度受地下水侵蝕而導(dǎo)致土壤各理化的退化。

4 結(jié)論

滴水湖沿岸帶綠地土壤pH值較大，EC值和有機(jī)質(zhì)含量較低，土壤容重較大，土壤孔隙含量和持水量較低，土壤以粉(砂)壤土和粉(砂)質(zhì)黏壤土為主。滴水湖沿岸帶綠地不同深度土壤理化性質(zhì)存在一定差異性，表層土壤pH值、EC值、全鹽量、容重、含水率顯著低于深層土壤(p＜0.05)，表層土壤有機(jī)質(zhì)、非毛管孔隙度顯著高于深層土壤(p＜0.05)，而土壤飽和持水量、田間持水量以及土壤顆粒組成差異不明顯。滴水湖沿岸帶綠地土壤質(zhì)量明顯優(yōu)于裸地土壤，土壤容重、砂粒、pH值、EC值、全鹽量均顯著低于裸地土壤(p＜0.05)，而土壤黏粒、粉砂粒、有機(jī)質(zhì)均顯著高于裸地土壤(p＜0.05)，其他指標(biāo)差異不明顯，由此可見，植被對(duì)土壤質(zhì)量的改善作用較為明顯。滴水湖沿岸帶綠地土壤質(zhì)量與上海中心城區(qū)綠地相比較差，土壤容重、pH值、全鹽量均顯著高于中心城區(qū)綠地土壤(p＜0.05)，而土壤飽和持水量、田間持水量、總孔隙度、黏粒、有機(jī)質(zhì)均顯著低于中心城區(qū)綠地土壤(p＜0.05)，由此可見，沿岸帶綠地土壤易受沿海地理環(huán)境影響而導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化。

注：文中圖片均由作者繪制。