太原市公園綠地土壤容重特征研究

宋 麗，楊秀云，米美霞，甄志磊，陳陸琴，李嬌嬌，吳 茜，武小鋼

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801；2.太原植物園，山西太原030025）

城市土壤是城市發(fā)展的空間支撐基礎(chǔ)和重要生態(tài)環(huán)境因子[1]，是營養(yǎng)物質(zhì)和污染物的“源”和“匯”[2]，是多種生態(tài)過程的基礎(chǔ)和反饋機(jī)制中關(guān)鍵的調(diào)節(jié)器[3]，對城市可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。但長期以來，土壤學(xué)研究主要關(guān)注如何提高和維護(hù)土壤的生產(chǎn)力，有關(guān)城市土壤方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)十分有限[4]，城市土壤研究仍處于基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)和調(diào)查階段。

容重是土壤的基本參數(shù)，其大小由土壤孔隙和土壤顆粒的數(shù)量來決定。土壤容重的變化與土壤孔隙度密切相關(guān)，可較好地反映土壤透氣性、入滲性能、持水能力和溶質(zhì)遷移潛力等。過大的土壤容重常會(huì)抑制植物生長，降低植物光合速率或地上生產(chǎn)力[5]。因此，容重是生產(chǎn)實(shí)踐中衡量土壤肥力質(zhì)量高低的重要輔助指標(biāo)[6]，甚至被認(rèn)為是土壤綜合肥力的主導(dǎo)因子[7]。除了物理和生物功能外，土壤容重還是估算土壤持水力和導(dǎo)水性的關(guān)鍵參數(shù)[8]，也是估算土壤有機(jī)碳貯量的重要參數(shù)[9]。

測定土壤容重的經(jīng)典方法為環(huán)刀法。環(huán)刀法需要在研究樣點(diǎn)開挖標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面，實(shí)際操作上費(fèi)時(shí)費(fèi)力；在巖石和根系較多、土壤太干或砂粒太多等情況下，環(huán)刀法常難以實(shí)施。尤其是在城市土壤研究中，由于城市管理的特殊性，大大增加了環(huán)刀法采樣的難度。因此，盡管土壤容重是非常重要的土壤參數(shù)，國內(nèi)外對于城市土壤的調(diào)查研究中容重?cái)?shù)據(jù)普遍限于淺表層（0～30 cm），深層土壤容重?cái)?shù)據(jù)往往缺失嚴(yán)重。楊金玲等[10]在對南京城市土壤特性的研究中，城區(qū)土壤取樣深度僅為0～10 cm。有研究表明，下層土壤容重對植物根系生長及吸收活力具有顯著影響[11]。因此，在典型地區(qū)對城市土壤容重剖面分布特征開展系統(tǒng)調(diào)查，對于城市土壤相關(guān)研究的開展具有基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)支撐價(jià)值，同時(shí)，對于城市園林綠地生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮和進(jìn)一步優(yōu)化提升具有直接的指導(dǎo)價(jià)值。

本研究通過采集太原市建成區(qū)38 個(gè)公園綠地0～100 cm 土壤柱芯67 個(gè)，分析并探討太原市城區(qū)綠地土壤容重的基本特征和規(guī)律，以闡明太原市綠地土壤容重的整體分布特征，了解6 個(gè)行政區(qū)土壤容重情況，探討不同綠地植物群落結(jié)構(gòu)間土壤容重的差異。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太原市位于山西省中北部太原盆地的北端，北接忻州市，東連陽泉市，西交呂梁市，南鄰晉中市，東經(jīng)111°30′～113°09′，北緯37°27′～38°25′，平均海拔為800 m。屬北溫帶大陸性氣候，四季分明，年平均氣溫為9.5 ℃。根據(jù)《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)顯示，2017 年太原市綠地總面積13 013 hm2，建成區(qū)綠化覆蓋面積14 766 hm2。

1.2 采樣點(diǎn)的布置

以太原市繞城高速為研究區(qū)邊界，在BIGMAP軟件中布設(shè)1 km×1 km 網(wǎng)格，按照每個(gè)網(wǎng)格布設(shè)一個(gè)采樣點(diǎn)的原則，根據(jù)太原市建成區(qū)公園位置和所覆蓋的網(wǎng)格數(shù)基本確定每個(gè)公園的采樣點(diǎn)數(shù)量，共計(jì)38 個(gè)公園67 個(gè)采樣點(diǎn)，具體公園名稱及基本情況列于表1。

表1 太原市公園名稱及基本情況匯總

1.3 樣品的采集與處理

采樣使用美國犀牛S1 原狀土土壤柱芯取樣器（取樣管內(nèi)徑為3.6 cm，長度為100 cm），記錄采樣點(diǎn)坐標(biāo)、綠地結(jié)構(gòu)類型及植物組成情況。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，按照0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm 分層后，105 ℃烘干24 h 至恒質(zhì)量，測定質(zhì)量并計(jì)算容重值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Excel 和SPSS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖。太原市公園綠地不同剖面層、不同行政區(qū)和不同植被群落土壤容重的差異性采用單因素方差分析，LSD 法0.05 水平上進(jìn)行多重比較分析，數(shù)據(jù)結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”來表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 太原市公園綠地土壤容重特征分析

土壤容重通常用來說明土壤的緊實(shí)度情況，我國土壤容重分為過松（＜1.00 g/cm3）、適宜（≥1.00＜1.25 g/cm3）、偏緊（≥1.25＜1.35 g/cm3）、緊實(shí)（≥1.35＜1.45 g/cm3）、過緊實(shí)（≥1.45＜1.55 g/cm3）和堅(jiān)實(shí)（≥1.55 g/cm3）幾個(gè)級別[12]，其中，適合植物正常生長的容重范圍為1.1～1.3 g/cm3[13]。太原市公園綠地土壤容重范圍為0.65～1.86 g/cm3，平均容重為1.33 g/cm3。可以看出，太原市公園綠地土壤容重屬于偏緊的級別，且稍大于植物正常生長的容重范圍，需要經(jīng)過一定的治理和改良才能達(dá)到正常范圍。對太原市不同層次土壤容重進(jìn)行平均值計(jì)算，結(jié)果見圖1。從圖1 可以看出，不同層次土壤容重最大值為1.44 g/cm3，出現(xiàn)在40～60 cm 土層，最小值為1.19 g/cm3，出現(xiàn)在0～10 cm 土層，隨著土層深度的增加，土壤容重先增后減，0～10 cm 土層與10～20 cm 土層、10～20 cm 土層與20～40 cm 土層差異不顯著，但0～10 cm 土層與20～40 cm 土層差異顯著，0～10、10～20 cm 土層分別與40～60、60～100 cm 土層差異極顯著，且40～60 cm 土層與60～100 cm 土層差異極顯著，說明表層土壤與深層土壤容重相差甚多，土壤越深，容重差異越大。

2.2 不同行政區(qū)公園綠地土壤容重特征

太原市公園綠地土壤容重樣點(diǎn)按行政區(qū)進(jìn)行劃分，其中，小店區(qū)12 個(gè)樣點(diǎn)，迎澤區(qū)12 個(gè)樣點(diǎn)，尖草坪區(qū)9 個(gè)樣點(diǎn)，萬柏林區(qū)11 個(gè)樣點(diǎn)，杏花嶺區(qū)11 個(gè)樣點(diǎn)，晉源區(qū)12 個(gè)樣點(diǎn)。由表2 可知，各行政區(qū)土壤容重之間差異性不顯著（P＞0.05），其中，晉源區(qū)公園綠地土壤容重平均值最大，為1.37 g/cm3，小店區(qū)公園綠地土壤容重平均值最小，為1.29 g/cm3。小店區(qū)、迎澤區(qū)、尖草坪區(qū)、萬柏林區(qū)、杏花嶺區(qū)和晉源區(qū)土壤容重最大值分別為1.69、1.75、1.64、1.78、1.86、1.79 g/cm3，最 小 值 分 別 為0.95、0.65、0.92、0.95、0.65、1.01 g/cm3，土壤容重最大值一般出現(xiàn)在40～60、60～100 cm 土層，最小值均出現(xiàn)在0～10 cm土層。

由表2 還可以看出，各行政區(qū)公園綠地不同土層之間土壤容重存在顯著差異，隨著土層深度的增加，土壤容重變化趨勢不同，其中，迎澤區(qū)、尖草坪區(qū)和杏花嶺區(qū)土壤容重一直處于上升的態(tài)勢，小店區(qū)和萬柏林區(qū)公園綠地土壤容重呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，晉源區(qū)公園綠地土壤容重表現(xiàn)為先升后降再升再降的復(fù)雜趨勢。

4.互動(dòng)協(xié)同。大部分互聯(lián)網(wǎng)空間價(jià)值目標(biāo)的達(dá)成需要多主體互動(dòng)協(xié)同。由于自身資源局限性，任何單一組織或個(gè)人都無法完成全價(jià)值鏈或全生態(tài)系統(tǒng)的建構(gòu)，因此只有多主體共同參與，交流協(xié)作，才能夠整合資源，達(dá)到效用最大化。持續(xù)、雙向的信息反饋和立體、網(wǎng)狀的開放創(chuàng)新是網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的關(guān)鍵，這種結(jié)構(gòu)也塑造了網(wǎng)絡(luò)用戶的使用習(xí)慣。

從不同行政區(qū)各土層容重情況來看，迎澤區(qū)和晉源區(qū)0～10 cm 土層土壤容重存在顯著差異，晉源區(qū)公園綠地土壤容重最大，達(dá)到1.278 g/cm3，迎澤區(qū)公園綠地土壤容重最小，為1.057 g/cm3；各行政區(qū)10～20、20～40、40～60 cm 土層土壤容重差異不顯著，土壤容重范圍分別是1.239～1.379、1.293～1.408、1.348～1.515 g/cm3；在60～100 cm土層，杏花嶺區(qū)與小店區(qū)、萬柏林區(qū)公園綠地土壤容重存在顯著差異，其中，杏花嶺區(qū)土壤容重最大，小店區(qū)土壤容重最小，分別為1.643、1.240 g/cm3。

從土壤緊實(shí)度來看，小店區(qū)、迎澤區(qū)、尖草坪區(qū)和萬柏林區(qū)都屬于土壤偏緊的級別，杏花嶺區(qū)和晉源區(qū)屬于土壤緊實(shí)的級別；從適宜植物生長范圍來看，小店區(qū)和迎澤區(qū)土壤容重滿足植物正常生長的條件，而其他行政區(qū)土壤容重都偏大，需要采取一定的措施來降低緊實(shí)度，從而達(dá)到植物正常生長的范圍。

表2 不同行政區(qū)公園綠地土壤容重比較 g/cm3

2.3 不同植被類型土壤容重特征分析

太原市公園綠地土壤容重按植被類型進(jìn)行劃分，喬木17 個(gè)樣點(diǎn)，灌木3 個(gè)樣點(diǎn)，草本3 個(gè)樣點(diǎn)，喬＋灌17 個(gè)樣點(diǎn)，喬＋草18 個(gè)樣點(diǎn)，灌＋草4 個(gè)樣點(diǎn)，喬＋灌＋草5 個(gè)樣點(diǎn)。不同植被類型土壤容重存在極顯著差異（P＜0.01）。由表3 可知，土壤容重均值大小依次為灌（1.23 g/cm3）＜喬（1.29 g/cm3）＜喬+草（1.31 g/cm3）＜灌＋草（1.34 g/cm3）＜喬+灌（1.35g/cm3）＜喬＋灌＋草（1.45g/cm3）＜草（1.47g/cm3）。植被類型為灌木的土壤容重范圍為1.080～1.297 g/cm3，喬木的土壤容重范圍為1.108～1.468 g/cm3，喬＋草的土壤容重范圍為1.198～1.455 g/cm3，灌＋草的土壤容重范圍為1.053～1.629 g/cm3，喬＋灌的土壤容重范圍為1.270～1.471 g/cm3，喬＋灌＋草的土壤容重范圍為1.301～1.562 g/cm3，草的土壤容重范圍為1.382～1.574 g/cm3，土壤容重最大值分布在不同的土層（20～40、40～60、60～100 cm），最小值均出現(xiàn)在0～10 cm 土層。

表3 不同植被類型土壤容重比較 g/cm3

隨著土層深度的增加，土壤容重趨勢不同，植被類型為喬、草和灌＋草土壤容重處于增加的趨勢，植被類型為喬＋灌和喬＋草土壤容重呈現(xiàn)先升后降的趨勢，而植被類型為灌和喬＋灌＋草土壤容重表現(xiàn)為先升后降再上升的勢態(tài)。

由表3 還可知，不同植被類型土壤容重在10～20、60～100 cm 土層上存在顯著性差異，其中，在10～20 cm 土層內(nèi)植被類型為喬＋灌＋草的土壤容重最大，為1.502 g/cm3，植被類型為灌＋草的土壤容重最小，為1.211 g/cm3；在60～100 cm 土層，以灌＋草的土壤容重最大，為1.629 g/cm3，喬＋草的土壤容重最小，為1.268 g/cm3。不同植被類型土壤容重在0～10、20～40、40～60 cm 土層差異性不顯著，容重范圍分別為1.053～1.382、1.297～1.562、1.263～1.500 g/cm3。

根據(jù)我國土壤容重分級，植被類型為灌木的土壤容重屬于適宜的級別，植被類型為喬、喬＋草和灌＋草的土壤容重屬于偏緊的級別，喬木和灌木混植的土壤容重屬于緊實(shí)的級別，而植被類型為喬＋灌＋草和草坪的土壤容重屬于過緊的級別。植被類型為喬木和灌木的土壤容重達(dá)到了植物正常生長所需的容重范圍，其他植被類型土壤容重都超出了適宜植物生長的土壤容重范圍，需要對公園綠地進(jìn)行一定的管理及改良。

3 結(jié)論與討論

城市土壤容重反映了人類活動(dòng)對土壤的壓實(shí)作用。對于城市綠地土壤容重，有研究者調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，城市綠地土壤普遍存在壓實(shí)現(xiàn)象，其中，合肥市區(qū)綠地0～30 cm 表層土壤容重為1.42 g/cm3[14]，上海辰山植物園0～30 cm 土壤和西安植物園新區(qū)0～90 cm 綠地土壤容重分別為1.42、1.52 g/cm3[15-16]，香港城市綠地土壤容重過大，已嚴(yán)重影響植物正常生長[17]。太原市公園綠地土壤容重范圍為0.65～1.86 g/cm3，平均值為1.33 g/cm3，雖然與其他城市綠地土壤容重相比屬于較小值，但仍屬于偏緊實(shí)，超出適宜植物正常生長的容重范圍，說明太原市公園綠地土壤也存在壓實(shí)的現(xiàn)象，原因可能是受到的人為擾動(dòng)大，踐踏嚴(yán)重，需要通過管理和施肥等措施來提高土壤保水和通氣性能，降低土壤容重，達(dá)到適宜植物生長的條件。

對于不同剖面層土壤容重的研究，于冬雪等[18]發(fā)現(xiàn)，黃土區(qū)土壤在0～10、10～20、20～40 cm 土層土壤容重逐漸增大。太原市公園綠地表層土壤容重最小，隨著土層深度增加容重增大，原因是表層土壤植被根系分布廣，有機(jī)質(zhì)含量高，有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[19]，因而表層土壤容重小，而土壤深度越深有機(jī)質(zhì)含量越小，加之下層土壤受到超負(fù)荷壓力變得更緊實(shí)[20]。太原市不同行政區(qū)公園綠地土壤容重差異顯著性不明顯，原因可能是本試驗(yàn)是對城市公園綠地土壤容重進(jìn)行測定，城市公園綠地受到的人為擾動(dòng)較大，而且與每個(gè)行政區(qū)的公園綠化管理情況也有一定的關(guān)系，同時(shí)本試驗(yàn)是對不同行政區(qū)之間容重進(jìn)行分析，對于其他影響土壤容重的因素考慮不全，還需要進(jìn)行深層次研究。

城市土壤容重受多重因素的影響，除了土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量外，植被群落結(jié)構(gòu)也是影響土壤容重的重要因子。程歡等[21]對川中丘陵區(qū)不同植被類型土壤理化性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重農(nóng)地＞柏木純林＞柏木麻櫟混交林＞方竹林；吳江琪等[22]對黃土高原4 種植被類型的土壤物理特征研究表明，荒草地土壤容重最大，檸條灌叢的土壤容重最??；郭晨曉[23]對北京奧林匹克森林公園不同植被群落結(jié)構(gòu)下土壤容重的研究結(jié)果表明，草本＞闊葉林＞針闊混交林＞灌木＞針葉林，這與本研究中的結(jié)果一致，草的土壤容重最大，灌木土壤容重最小，原因可能是灌木的根系雖然淺，但是水平方向覆蓋范圍廣，草本植物根系淺，土壤通氣性能差，而且很容易受到人為的踐踏，從而使土壤容重增加。

本研究結(jié)果表明，太原市公園綠地土壤容重范圍為0.65～1.86 g/cm3，平均值為1.33 g/cm3，不同剖面層土壤容重向下逐漸增大，且存在極顯著差異（P＜0.01）。

不同行政區(qū)公園綠地土壤容重晉源區(qū)公園平均值最大，為1.37 g/cm3，小店區(qū)平均值最小，為1.29 g/cm3。

不同植被類型土壤容重存在極顯著性差異（P＜0.01），草本植被土壤容重最大，為1.47 g/cm3；灌木最小，為1.23 g/cm3。