城市典型搬遷地土壤質(zhì)量特征及綠化障礙因子研究

梁 晶

伍海兵

張 浪*

隨著人口不斷增加，城市土地資源日趨緊張，土地置換開(kāi)發(fā)已成為城市土地可持續(xù)利用的重要手段[1]。尤其是城中村、工企業(yè)等城市困難立地，已不能滿足城市生態(tài)宜居的要求，逐漸被搬遷并規(guī)劃為城市發(fā)展用地。其中，綠化是城市發(fā)展規(guī)劃的重要組成部分，也是唯一有生命的基礎(chǔ)設(shè)施。作為“生態(tài)文明”建設(shè)的重要內(nèi)容，綠化質(zhì)量直接影響到城市文明和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的質(zhì)量和水準(zhǔn)。隨著城市綠化需求快速增加與土地資源緊缺的矛盾日益嚴(yán)重，越來(lái)越多的困難立地被廣泛用于綠化建設(shè)[2]。城市搬遷地作為困難立地的主要類型之一[3]，由于搬遷地原場(chǎng)地所從事的生產(chǎn)或活動(dòng)不同，其土壤質(zhì)量存在差異。例如，城中村搬遷地可能存在一些菜園地、農(nóng)田等用地，經(jīng)過(guò)人為耕作或培肥，土壤質(zhì)量往往相對(duì)較好；而某些化工場(chǎng)地，雖然在搬遷后經(jīng)過(guò)土壤修復(fù)，土壤污染得到了控制，但在修復(fù)中土壤質(zhì)量遭到了不同程度破壞或退化，其土壤是否適合綠化尚不清楚。以往學(xué)者更關(guān)注搬遷地污染特征[4]及其修復(fù)技術(shù)研究[5]，對(duì)土壤理化特征研究較少，更缺乏對(duì)搬遷地綠化用土壤質(zhì)量主要障礙因子的研究，然而搬遷地土壤質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定綠化的成敗。為此，本研究以上海城中村和工企業(yè)搬遷地為典型案例，主要對(duì)場(chǎng)地中的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行調(diào)查和分析評(píng)價(jià)，并對(duì)不同類型搬遷地土壤質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，探討搬遷地土壤理化性質(zhì)特征規(guī)律、障礙因子及其障礙程度，為城市搬遷地用于綠化提供理論依據(jù)，提升搬遷地綠化質(zhì)量水平，以期為城市綠化景觀效果的充分發(fā)揮提供技術(shù)保障。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域概況

上海地處東經(jīng)120°52′～122°12′、北緯30°40′～31°53′，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫17.6℃，年均日照1 886h，年均降雨量1 173mm。上海位于長(zhǎng)江入?？?、太湖流域東緣，是長(zhǎng)江三角洲沖積平原的一部分。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集和處理

選擇上海浦東新區(qū)、普陀區(qū)、嘉定區(qū)和青浦區(qū)4個(gè)行政區(qū)的城中村和工企業(yè)搬遷地共27個(gè)樣點(diǎn)作為研究對(duì)象(圖1)，其中城中村搬遷地采集了13個(gè)樣點(diǎn)，其歷史用地中包含宅基地、農(nóng)田、附屬綠地等；工企業(yè)搬遷地采集了14個(gè)樣點(diǎn)，其歷史用地中包含工業(yè)園區(qū)、機(jī)械鑄造廠、物流倉(cāng)儲(chǔ)、紡織廠等。采集0～50cm的表層土，每個(gè)樣點(diǎn)做5組重復(fù)。

圖1 搬遷地土壤采樣點(diǎn)分布(作者繪)

1.2.2 測(cè)定方法

土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、飽和持水量和田間持水量采用環(huán)刀法，土壤入滲率采用雙環(huán)刀法，石礫含量采用質(zhì)量法，土壤pH值采用電位法，土壤電導(dǎo)率(EC)采用電導(dǎo)法，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，土壤水解性氮采用堿解-擴(kuò)散法，土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提法，土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法[6]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 17.0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(oneway ANOVA)和LSD法對(duì)不同搬遷地類型土壤理化性質(zhì)的差異性進(jìn)行方差分析和多重比較(α=0.05)，采用主成分分析法對(duì)搬遷地土壤進(jìn)行主要因子分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 搬遷地土壤理化性質(zhì)特征

2.1.1 土壤容重

搬遷地土壤容重變化較大，變化范圍為0.90～1.63Mg/m3，均值為1.42Mg/m3(表1)，土壤容重大，壓實(shí)較嚴(yán)重，這與楊金玲等研究結(jié)果一致[7]。其中，土壤容重最小的點(diǎn)位于嘉定區(qū)的城中村搬遷地地塊，而容重最大的點(diǎn)位于浦東新區(qū)的工企業(yè)搬遷地地塊。有研究表明，當(dāng)土壤容重達(dá)到1.4Mg/m3時(shí)，植物的根系生長(zhǎng)會(huì)受到限制[8]。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)要求土壤容重小于1.35Mg/m3，而上海則有77.8%搬遷地土壤容重超過(guò)了1.35Mg/m3，甚有59.3%的搬遷地土壤容重超過(guò)了1.4Mg/m3?？梢?jiàn)，搬遷地土壤容重過(guò)高，是影響其作為綠化用的主要障礙因素之一。

2.1.2 土壤水分

搬遷地土壤飽和持水量(253.90～684.94g/kg)和田間持水量(241.63～627.16g/kg)變化均較大，且均值分別為350.55和320.88g/kg(表1)，土壤飽和持水量和田間持水量均較低。這表明，搬遷地土壤供水和水分涵養(yǎng)能力較差，用于綠化時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)水分的供給，以防止植物因缺水而死亡。另外，搬遷地土壤飽和持水量與田間持水量變異系數(shù)較大，分別為0.24和0.23，說(shuō)明各搬遷地土壤水分變化較大。

2.1.3 土壤孔隙

搬遷地土壤各類孔隙變化均較大，其中非毛管孔隙度變化范圍為1.22%～6.06%，均值僅為3.31%(表1)。土壤非毛管孔隙度整體偏低，低于上海中心城區(qū)綠地土壤[9]，也低于南京城市土壤[7]。土壤非毛管孔隙度最小的點(diǎn)位于浦東新區(qū)的工企業(yè)搬遷地，最大的點(diǎn)位于青浦區(qū)的城中村搬遷地?！毒G化種植土壤》(CJ/T 340—2016)要求土壤非毛管孔隙度在5%～25%，但僅有2個(gè)城中村搬遷地土壤樣點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，其他92.6%的搬遷地小于標(biāo)準(zhǔn)要求。搬遷地土壤毛管孔隙度變化范圍為39.01%～57.65%，均值為45.33%；總孔隙度變化范圍為41.23～61.41%，均值為48.64%，土壤毛管孔隙度和總孔隙度也均較低。有研究表明，適合植物生長(zhǎng)的最佳孔隙度在50%～56%[10]，而本次調(diào)查的27個(gè)樣點(diǎn)中，有67%的土壤總孔隙度低于50%。另外，在搬遷地各類孔隙中，毛管孔隙度和總孔隙度的變異系數(shù)相對(duì)較小，分別為0.09和0.10；而非毛管孔隙度變異系數(shù)較大，為0.40。由此可見(jiàn)，不同搬遷地樣點(diǎn)間土壤毛管孔隙度和總孔隙度空間變異相對(duì)較小，而土壤非毛管孔隙度空間變異較大，這與伍海兵研究上海中心城區(qū)不同綠地土壤各孔隙度的變化相一致[9]。

2.1.4 土壤入滲率

搬遷地土壤入滲率變化大，變化范圍為0～112.41mm/h，均值為13.68mm/h，而中位數(shù)僅為1.05mm/h(表1)，低于上海中心城區(qū)綠地土壤入滲率(3.5mm/h)[9]，也低于《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)中要求入滲率大于5mm/h的最低限值要求。另外，各搬遷地土壤入滲率變異系數(shù)大，高達(dá)2.04，不同搬遷地土壤入滲率空間變異大。

2.1.5 石礫含量

土壤中的石礫會(huì)改變土壤容重、孔隙度及有機(jī)質(zhì)含量等理化性質(zhì)[11-12]。上海搬遷地土壤石礫含量變化較大，變化范圍為0～29.64%，均值為5.09%(表1)，土壤中石礫含量相對(duì)較高，這也是當(dāng)前城市普遍存在的問(wèn)題[13]。另外，搬遷地土壤石礫含量變異系數(shù)大，高達(dá)1.51，說(shuō)明各搬遷地土壤石礫變化較大，空間變異性大。

表1 搬遷地土壤理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

2.1.6 土壤pH值

搬遷地土壤為堿性或強(qiáng)堿性，pH值變化范圍為7.75～9.17，均值為8.78，明顯高于上海新建綠地土壤[14]。而一般城市綠化植物適宜生長(zhǎng)的土壤為酸性或微酸性，調(diào)查的27個(gè)樣點(diǎn)中，有88.9%的地塊達(dá)到了強(qiáng)堿性(＞8.5)。由此可見(jiàn)，土壤pH值過(guò)高是搬遷地土壤作為城市綠化用地土壤的主要限制因素之一。

2.1.7 土壤EC值

搬遷地土壤EC值變化較大，變化范圍為0.06～0.63mS/cm，均值為0.15mS/cm，低于上海新建綠地土壤EC值[14]，有70.4%的搬遷地土壤EC值低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由此可見(jiàn)，搬遷地土壤EC值偏低，土壤中可供植物吸收的水溶性養(yǎng)分含量較低。上海搬遷地土壤EC值變異系數(shù)大，高達(dá)0.87，故搬遷地土壤EC空間變異大，這與郝瑞軍研究上海城市綠地土壤得出的結(jié)果相一致[15]。

2.1.8 土壤有機(jī)質(zhì)

搬遷地土壤有機(jī)質(zhì)變化較大，變化范圍為5.49～40.72g/kg，均值為15.53g/kg，僅為上海公園綠地土壤有機(jī)質(zhì)的61.6%[16]，且低于上海中心城區(qū)綠地土壤[15]。土壤有機(jī)質(zhì)含量最低的點(diǎn)位于普陀區(qū)的工企業(yè)搬遷地地塊，而最高的點(diǎn)位于普陀區(qū)的城中村搬遷地地塊。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查有機(jī)質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，上海搬遷地土壤有機(jī)質(zhì)主要分布在四級(jí)(10～20g/kg)，占比達(dá)59.3%；分布在四級(jí)以下(＜10g/kg)的占比為14.9%。由此可見(jiàn)，上海搬遷地土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)偏低。搬遷地土壤有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)較大，為0.48，故各搬遷地土壤有機(jī)質(zhì)空間變異較大。2.1.9 土壤速效養(yǎng)分

土壤水解性氮缺乏，均值為33.17mg/kg，遠(yuǎn)低于上海公園綠地土壤(93.8mg/kg)[16]，且土壤水解性氮含量最低的點(diǎn)位于普陀區(qū)的工企業(yè)搬遷地地塊，而最高的點(diǎn)位于青浦區(qū)的城中村搬遷地地塊。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查水解氮分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，上海搬遷地土壤水解性氮主要分布在六級(jí)(＜30g/kg)，占比高達(dá)66.7%。有效磷和速效鉀含量豐富，均值分別為81.61和151.39mg/kg，其中有效磷含量高于上海公園綠地土壤(14.7mg/kg)，而速效鉀與上海公園綠地土壤相當(dāng)[16]。另外，搬遷地土壤速效養(yǎng)分空間變異較大，尤其是有效磷，變異系數(shù)高達(dá)1.08，這與駱玉珍等研究上海公園綠地土壤結(jié)果一致[16]。

2.2 不同搬遷地類型土壤理化性質(zhì)分析

不同搬遷地類型土壤理化性質(zhì)存在差異(表2)。城中村搬遷地土壤容重、石礫含量低于工企業(yè)搬遷地土壤，而土壤飽和持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度及入滲率高于工企業(yè)搬遷地土壤，且土壤容重、飽和持水量、田間持水量達(dá)到了顯著性差異(p＜0.05)，如城中村搬遷地38.5%樣點(diǎn)土壤容重符合《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)要求，而工企業(yè)搬遷地僅有7.1%的樣點(diǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。城中村搬遷地土壤pH值、速效鉀含量低于工企業(yè)搬遷地，而土壤EC值、有機(jī)質(zhì)、水解性氮及有效磷含量高于工企業(yè)搬遷地，且土壤水解性氮存在顯著性差異(p＜0.05)。城中村搬遷地土壤水解性氮分布在四、五和六級(jí)，占比分別為23.1%、30.8%和46.1%；工企業(yè)搬遷地土壤水解性氮分布在五、六級(jí)，占比分別為14.3%和85.7%?？梢?jiàn)，城中村搬遷地土壤理化性質(zhì)明顯優(yōu)于工企業(yè)搬遷地土壤，尤其是土壤物理性質(zhì)表現(xiàn)更明顯。

表2 不同搬遷地類型土壤理化性質(zhì)差異性分析

2.3 搬遷地土壤質(zhì)量主要因子分析

由于評(píng)價(jià)搬遷地土壤質(zhì)量的指標(biāo)較多，且各指標(biāo)間存在相互關(guān)聯(lián)性，為此本研究通過(guò)主成分分析法，分析了影響搬遷地土壤質(zhì)量的主要障礙因子。結(jié)果提取出4個(gè)主成分(表3)，累積方差貢獻(xiàn)率為84.61%。一般認(rèn)為因子的負(fù)荷絕對(duì)值越大，則該因子在對(duì)應(yīng)主成分中的權(quán)重越大[17]。主成分1中，土壤容重、飽和持水量、田間持水量、毛管孔隙度和總孔隙度的因子負(fù)荷較高，將其歸納為物理指標(biāo)；主成分2中，土壤水解性氮、有效磷和有機(jī)質(zhì)的因子負(fù)荷較高，將其歸納為養(yǎng)分指標(biāo)；主成分3中，土壤pH值的因子負(fù)荷較高，將其歸納為化學(xué)指標(biāo)；主成分4中，土壤速效鉀的因子負(fù)荷較高，研究表明上海城市土壤速效鉀含量普遍較豐富[18]，將主成分4歸納為本底養(yǎng)分指標(biāo)。進(jìn)一步比較各主成分的貢獻(xiàn)率，可以得知，影響上海搬遷地土壤質(zhì)量大小的因子依次為土壤物理指標(biāo)、養(yǎng)分指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)。

表3 搬遷地土壤因子載荷矩陣、特征向量及貢獻(xiàn)率

3 討論

上海城市搬遷地土壤理化性質(zhì)整體相對(duì)較差，主要表現(xiàn)為土壤容重大、持水能力弱、通氣性差、入滲能力差、pH值高、EC值低、水解性氮含量低。搬遷地土壤容重與上海中心城區(qū)綠地土壤(1.31Mg/m3)相比高出8.4%[9]，且最高達(dá)1.63Mg/m3，已嚴(yán)重阻礙植物根系生長(zhǎng)。土壤飽和持水量與田間持水量低于城市綠地土壤飽和持水量(379g/kg)與田間持水量(347g/kg)[9]，且遠(yuǎn)低于自然林地土壤的飽和持水量(651～900g/kg)與田間持水量(519～768g/kg)[19]，搬遷地土壤蓄水和持水能力差。土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度整體偏低，尤其是非毛管孔隙度，有92.59%的搬遷地土壤低于《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)最低限值要求。土壤入滲率低于城市綠地土壤入滲率[9]。土壤pH值高，表現(xiàn)為堿性或強(qiáng)堿性，88.89%的土壤超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的最大限值要求，且與上海新建綠地土壤相比偏高(8.36)[14]，這可能是由于搬遷地中存在大量建筑垃圾所致[20]。土壤EC值整體偏低，有高達(dá)70.37%的土壤EC值低于標(biāo)準(zhǔn)最低限值要求，低于上海新建綠地土壤(0.21mS/cm)[14]。土壤水解性氮含量低，有74.07%的搬遷地土壤低于標(biāo)準(zhǔn)最低限值要求，與上海新建綠地的65.66mg/kg相比差距較大[14]。

城市搬遷地土壤各理化指標(biāo)空間變異性差別較大，其中土壤入滲率、石礫含量和有效磷的變異系數(shù)分別為2.04、1.51和1.08，故其空間變異性很大[21]；EC值、水解性氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、非毛管孔隙度、飽和持水量、田間持水量和容重空間變異性為中等水平；總孔隙度、毛管孔隙度和pH值空間變異性小。

城中村搬遷地土壤質(zhì)量明顯優(yōu)于工企業(yè)搬遷地，城中村搬遷地土壤容重、飽和持水量、田間持水量和水解性氮顯著優(yōu)于工企業(yè)搬遷地(p＜0.05)，而土壤飽和持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、入滲率、pH值、EC值、有機(jī)質(zhì)、水解性氮及有效磷也優(yōu)于工企業(yè)搬遷地，但差異不明顯(p＞0.05)。這可能是由于城中村中含有部分菜園地、農(nóng)田及果園等，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的耕作、培肥等人為活動(dòng)，其土壤質(zhì)量相對(duì)較好，而工企業(yè)搬遷地在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)土壤可能產(chǎn)生一定的破壞，加劇了土壤質(zhì)量的退化。

主成分分析顯示，土壤物理指標(biāo)、養(yǎng)分指標(biāo)及化學(xué)指標(biāo)是影響搬遷地土壤質(zhì)量的主要因子。物理指標(biāo)有土壤容重、飽和持水量、田間持水量、毛管孔隙度和總孔隙度；養(yǎng)分指標(biāo)為水解性氮、有效磷和有機(jī)質(zhì)；化學(xué)指標(biāo)主要是土壤pH值。這些指標(biāo)也是影響當(dāng)前城市綠化土壤質(zhì)量的主要障礙因素[8，13]。因此，搬遷地土壤作綠化用時(shí)，一方面，可通過(guò)改善其土壤物理性質(zhì)，增加速效養(yǎng)分，降低土壤pH，來(lái)提升搬遷地土壤質(zhì)量，以滿足城市綠化種植需求，提升搬遷地綠化景觀效果；另一方面，在城市綠化需求快速增加與城市土壤資源緊缺的矛盾日益突出的前提下，搬遷地土壤作為綠化用潛力越來(lái)越明顯，而搬遷地類型不同，土壤質(zhì)量差別較大，因此應(yīng)加強(qiáng)搬遷地土壤質(zhì)量調(diào)查和分析評(píng)價(jià)，結(jié)合不同搬遷地土壤理化性質(zhì)的分布狀況和各指標(biāo)的重要性及綠化工程景觀需求，對(duì)搬遷地土壤質(zhì)量進(jìn)行分類分級(jí)評(píng)價(jià)，并對(duì)搬遷地土壤進(jìn)行分類收集和儲(chǔ)備，對(duì)搬遷地土壤進(jìn)行針對(duì)性改良，如可通過(guò)添加酸性有機(jī)基質(zhì)、草炭等綜合降低土壤pH值和容重，以及增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。

4 結(jié)論

上海搬遷地土壤理化性質(zhì)較差，主要表現(xiàn)為土壤容重大，均值為1.42Mg/m3；土壤持水能力弱，飽和持水量和田間持水量低，均值分別為350.55和320.88g/kg；土壤孔隙差，非毛管孔隙度和總孔隙度小，不能滿足植物生長(zhǎng)需求；土壤入滲能力差，入滲率均值為13.68mm/h，中位數(shù)僅為1.05mm/h，低于《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)最低限制要求；土壤pH值高，均值高達(dá)8.78；土壤EC值偏低，均值為0.15mS/cm；土壤水解性氮較低，均值僅為33.17mg/kg。

不同搬遷地類型的土壤存在差異性，尤其是城中村搬遷地土壤容重、飽和持水量、田間持水量及水解性氮顯著優(yōu)于工企業(yè)搬遷地(p＜0.05)。搬遷地土壤質(zhì)量的障礙因子有4類，可歸納為土壤物理指標(biāo)、養(yǎng)分指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)及本底養(yǎng)分指標(biāo)，而主要障礙因子為土壤物理指標(biāo)，具體為土壤容重、飽和持水量、田間持水量、毛管孔隙度和總孔隙度；其次是土壤養(yǎng)分指標(biāo)，具體為水解性氮、有效磷和有機(jī)質(zhì)；最后為土壤化學(xué)性質(zhì)，具體為土壤pH值。