上海市行道树土壤肥力特征及其空间分布

贺 坤,王俊洁,王本耀,朱海军,奉树成

(1.上海应用技术大学生态技术与工程学院,上海 201418;2.上海市绿化管理指导站,上海 201020;3.江苏省农业科学研究院,江苏 南京 210014)

行道树是城市绿地系统的重要组成部分,具有提升城市道路景观、调节城市气候、净化街区空气等功能,是重要的城市绿色基础设施[1-2]。城市绿化带土壤在城市生态系统中具有极为重要的媒介作用,其性质优劣直接影响生态效益的发挥,进而影响树木生长以及区域生物多样性[3]。但由于密集的人类活动,行道树土壤受到的人为扰动往往强于其他绿地土壤,更易发生板结、污染等土壤退化现象,土壤质量问题日益突出[4-6]。作为城市土壤研究的重要组成内容,南京[7]、兰州[8]、北京[9]、广州[10]、长春[11]等城市绿地土壤肥力研究均显示行道树土壤相较于公园、街头、居住区等绿地土壤综合肥力低,具有主要养分元素变异性强、压实严重、土壤呈碱性等特点[12-13]。目前,关于公园绿地土壤理化性质、土壤肥力与重金属污染特征的研究较多,但针对行道树土壤的系统性研究较少。行道树土壤肥力综合评价涵盖的指标也不够丰富,相关研究多关注土壤物理性质、pH及主要养分元素含量的分布[8,11],忽略了行道树生长必不可少的中量营养元素,不能全面反映行道树土壤肥力特征的总体状况。

开展行道树土壤肥力特征研究,对于科学管理行道树健康,促进行道树精确施肥和保证城市生态系统可持续发展具有重要意义。上海市由于城市化程度高、人口众多、建筑密度大、交通污染排放量大,对行道树土壤肥力造成的影响更为显著。为全面评价上海市行道树土壤质量,本研究测定了土壤 pH、电导率、主要养分元素含量,结合GIS 技术对行道树土壤综合肥力指标和影响因子进行空间分析与评价,探究影响土壤综合肥力的关键因子,从困难立地改良的角度为上海市行道树土壤改良及绿化建设提供科学依据,为建立长效的行道树土壤质量监测、管理体系提供数据支持。

1.1 研究区概况

上海市(120°52′～122°12′E,30°40′～31°53′N)位于中国东部长三角地区,地处黄棕壤地带,与非地带性水稻土复式组合。上海郊区大部分土壤类型为水稻土,沿江沿海区域多为滨海盐土和潮土,西部郊区多为黄棕壤土,总地势西南高东北低,属平原地貌。上海年均气温17.9 ℃,年均降水量约为1 178.2 mm,属亚热带湿润季风气候。本研究包含的行道树有樟 (Cinnamomumcamphora)、三球悬铃木(Platanusorientalis)、栾树(Koelreuteriapaniculata)、银杏(Ginkgobiloba)和无患子(Sapindussaponaria)等,多数行道树种植于2013年前。

1.2 土壤样品采集及测定

根据城市道路等级和空间分布,选择上海16个区136条街道的行道树土壤,采用系统抽样法(又称顺序采样法,即在每段道路上随机选择连续的5棵行道树)进行土壤表层样品采集(图1)。

底图审图号:GS(2021)6026号。

使用土钻在每个采样点的行道树周边4个方位,各采集1份表层(0～30 cm)土壤,充分混合后去除石块、植物根系等杂物带回实验室风干,共计采集680个土壤样品。土壤质地颗粒的测定采用密度计法,粒级划分采用国际制土壤质地分类的分级标准[14]。土壤容重、土壤孔隙度测定采用环刀法[10]。土壤pH 和电导率分别采用电位法和电导法进行测定[12],有机质含量(OM)使用重铬酸钾-硫酸氧化法测定,全氮含量(TN)使用凯氏定氮法测定,碱解氮(AN)含量采用碱解扩散法测定,有效磷(AP)含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法,速效钾含量(AK)采用中性乙酸铵溶液浸提法[15]。有效钙(ACa)和有效镁(AMg)含量采用原子吸收分光光度计法测定,有效硫(AS)含量采用氯化钙浸提-硫酸钡比浊法测定。

1.3 土壤肥力指标评价标准

行道树土壤主要养分含量评价根据第2次全国土壤普查土壤肥力分级标准[16],土壤基本理化性质以及中量元素含量标准依据全国农业技术推广服务中心对全国土壤中量元素含量等级划分相关标准[17],以及上海市《园林绿化工程种植土壤质量验收规范》[18](以下简称《规范》),具体评价标准见表1。

参与综合评价的指标各自对于行道树土壤肥力影响的程度不同,且在数值上具有连续性和模糊性,因此基于模糊数学的隶属度和隶属函数来对各指标进行标准化处理[19]。土壤肥力评价指标选择容重(BD)、pH及有机质(OM)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)、有效钙(ACa)、有效镁(AMg)、有效硫(AS)含量。

其中容重、pH采用梯形型隶属函数测算。

F(x)=

(1)

式中:x为指标值,容重拐点x1、x2、x3、x4值分别为0.90、1.00、1.35及1.60;pH拐点x1、x2、x3、x4值分别为4.5、6.5、7.5及8.5。

有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有效钙、有效镁、有效硫含量在一定范围内增大对土壤综合肥力有正向影响,低于或超过一定范围将产生负面影响,因此使用S型隶属函数测算。

(2)

以上隶属函数中养分指标和中量元素指标拐点值(x1—x4)参考表1标准确定。OM、TN、AN、AP、AK、ACa、AMg和AS含量拐点x1值分别为10、0.75、60、5、50、400、100及15;拐点x2值分别为30、1.50、120、20、150、1 200、200及30。

采用主成分分析法提取各指标代表性因子,基于指标间相关性计算各指标公因子方差占所有指标总公因子方差和的百分比,以此作为土壤肥力综合评价中的权重值,具体见文献[20]。本研究各指标数据经KMO检验得出KMO取样适切性量数为0.741,巴特利特球形度检验显著性为0,可做因子分析。土壤综合肥力指标值(integrated fertility index,以下简称IFI)可以较为全面地反映土壤的综合肥力情况,运用加法模型计算所有指标的综合指数IFI[21](式中记为IFI):

IFI=∑FiWi(i=0,1,2,…,n)。

(3)

式中:Fi表示第i个指标的隶属函数值,Wi表示第i个指标的权重。研究表明,IFI值越高则代表该土壤综合肥力越高,通常分为低(0

1.4 数据处理

数据采用SPSS 26.0、JASP 0.16、Origin 2019b和Excel进行描述统计、样本检验、主成分分析和相关性分析(Pearson’s correlations),采用 AcrGIS 10.4对土壤采样点和土壤肥力指标空间分布作图。

2.1 上海市行道树土壤单项肥力指标评价

2.1.1 行道树土壤基本理化性质

上海市行道树土壤中黏粒(粒径<0.002 mm)占比3.65%,粉粒(0.002 mm≤粒径<0.02 mm)占比85.49%,砂粒(粒径≥0.02 mm)占比10.84%,上海的行道树土壤主要以粉砂壤土为主(表2)。

由表2可知,土壤类型中砂粒变异系数最大,为强变异程度,含量较高的区域多集中于郊区。上海市行道树土壤容重平均值为1.38 g/cm3,高于DB31/T 769—2013《规范》要求(1.35 mg/kg)[18]。土壤总孔隙度平均值为47.92%,高于上海市广场用地(46.5%),但低于公园用地(50.4%)[22]。通气孔隙度的平均值为24.53%,存在较大变幅(3.61%～49.18%)。行道树土壤pH平均值为8.43,变幅为5.97～8.91,仅有1%的行道树土壤属于非碱性,63.3%为碱性土壤,36%呈强碱性。土壤电导率为102.40～971.00 μS/cm,平均为198.99 μS/cm,电导率整体偏小,变异系数51.7%为中等变异强度,一定程度上说明上海行道树土壤含盐量在各区域分布不均。

2.1.2 行道树土壤养分含量特征

上海市行道树土壤有机质含量为15.92 g/kg,变幅为7.72～32.30 g/kg,中等强度变异(表2,图2A)。有机质含量仅有16.2%达到《规范》[18]要求(20 g/kg)。土壤全氮含量平均为0.86 g/kg,变异强度中等,全氮含量在4级标准以下分布达75.7%。碱解氮、有效磷、速效钾的含量变幅分别为22.93～147.60、0.51～61.93、81.26～662.68 mg/kg,平均含量分别为56.10 mg/kg、13.01 mg/kg、187.93 mg/kg。碱解氮为中等变异强度,含量在3级标准以下分布占比为94.1%,绝大部分行道树土壤氮肥含量较少。有效磷含量变异系数最大,为强变异程度,不同标准均有分布且没有明显集中分布。速效钾平均含量较高,也为中等变异强度,其中含量在4级标准的仅有8.1%,其余均在3级及以上水平(图2B),说明绝大部分行道树土壤钾肥含量充足。除速效钾外各主要土壤养分指标含量均处于中下水平。

图2 行道树土壤养分含量分级频率图Fig.2 The classification frequency map of soil nutrients contents of street trees

中量元素中有效钙、有效镁和有效硫平均含量分别为3 851.50、129.40和20.90 mg/kg。其中有效钙变异程度较低,含量处于1级标准的占99.3%,远远高于《规范》要求的最高水平。有效镁含量绝大部分处于3级标准,中度变异,没有土壤样品的有效镁含量低于标准下限(50 mg/kg)(图2C)。说明有效镁含量可以满足树木生长需求。有效硫含量中等偏低,属于强变异程度,空间分布不均,含量在3级标准以下分布的占比为86.8%,说明大部分行道树土壤缺硫。

2.2 上海市行道树土壤肥力指标空间分布特征

利用 ArcGIS绘制上海市土壤肥力指标的空间分布图。上海市中心城区的行道树土壤容重高、孔隙度低,南部地区及东南部地区的行道树土壤也存在相同现象(图3A、3B)。行道树土壤pH整体较高,其中,中心城区的部分道路pH相对较低,而东部、南部沿海和北部沿江地区土壤pH较高。总体来说,上海市行道树土壤的电导率较低,大部分区域为数值稍高的蓝色区域,数值略小的浅黄色区域呈斑块状分布,数值最小的红色和黄色区域仅有零星分布(图3C、3D)。

图3 上海行道树土壤各指标空间分布Fig.3 The spatial distribution map of each indices of street tree soil

行道树土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等营养物质的含量分布不均,图像呈斑块状。营养物种空间分布差异说明行道树土壤的营养物质分布空间变异大,这一特征在中心城区、南部区域和崇明等地表现最为明显(图3E—3H),也是行道树土壤类型和质量管理差异的重要表现。行道树土壤有效钙和有效镁与pH分布趋势相似,中心城区含量相较其他区域低(图3J、3K)。除了零星区域,有效钙含量远远高于《规范》[18]中有效钙>300 mg/kg 即符合较优水平的要求。土壤有效硫含量普遍较低,仅有崇明地区的零星区域有效硫含量较高,其余绝大部分区域行道树土壤缺乏有效硫。

2.3 上海市行道树土壤肥力综合评价

2.3.1 土壤综合肥力指数分析

通过计算得到136条道路的行道树土壤综合肥力指数IFI在0.098～0.459之间,平均值为0.236,变异系数为3.01%,属于较低变异,土壤综合肥力指数相较于上海公园绿地(0.49～0.75)的低[22]。根据此标准,上海市行道树土壤IFI值有31.6%处于低水平,66.2%处于较低水平,仅有2.2%处于中等水平。总体来说,上海市行道树土壤肥力较差,大部分土壤质量处于较低水平。

由于行道树立地条件、土壤来源以及受外部干扰程度在一定范围内相似,且不同区域的行道树土壤在上述因素中均存在差异,可以看作周边环境对距离在一定范围内的行道树土壤影响水平相等,而在超出该距离阈值时影响几乎为零,故选择Fixed-Distance做空间自相关分析。结果表明,上海市行道树土壤综合肥力指数在空间格局上随全市各地区的环境条件差异表现为随机分布(P>0.5,z=0.45),Moran’I指数为0.002 9,因此,所有区域的IFI值在空间上不存在明显的相关性。

进一步利用ArcMap分析各区域行道树土壤的综合肥力空间分布,结果可知上海市行道树土壤综合肥力整体表现出中间低、周边高的总体趋势(图3L)。西部区域、南部区域以及崇明区域的行道树土壤IFI值相对较高,北部、外环以内以及浦东部分区域的行道树土壤IFI值相对较低。其中IFI值小于0.2的采样点主要集中与东北部区域,IFI值大于0.4的区域在全域零星分布。结合空间自相关分析可进一步证实上海市各区域土壤肥力差异显著且关联不明显,土壤肥力分布的随机性较强。

2.3.2 行道树土壤肥力指标相关性分析

通过土壤肥力值与各肥力指标之间的相关性分析可知(表3),行道树土壤肥力IFI值与有机质、全氮、碱解氮、有效磷和有效硫含量等呈极显著正相关(P<0.001),与pH和有效钙含量呈极显著和显著负相关(P<0.001,P<0.05),可见以上因子是上海市行道树土壤肥力指数的限制性因子。此外,土壤pH与有机质、有效磷、全氮、碱解氮的含量均存在极显著负相关,与有效钙含量极显著正相关,与有效硫含量呈显著负相关,而植物多喜在中性土壤中生长,碱性或强碱性土壤还会降低土壤结构的通透性,降低植物对其他营养物质的吸收[12]。

表3 行道树土壤理化指标间的相关系数及显著性水平

城市绿地土壤肥力受土壤物理、化学和生物性质等综合作用的同时也受到自然因素和人类活动的影响。行道树土壤多为客土,导致土壤理化性质和养分特征等变异性较大,土壤肥力空间分布存在不确定性。

行道树土壤多为搬迁土壤,理化性质和土壤养分含量受到区域成土母质和人类活动的共同影响,不同城市的行道树土壤理化性质存在差异。上海市行道树土壤多为粉砂壤土,粉粒占比高,平均容重大,平均总孔隙度低于上海的公园绿地[12]。土壤砂粒的变异系数较大,通常郊区的行道树土壤砂粒含量更高,这与郊区新建道路较多、受干扰程度高及土壤中混有建筑垃圾有关。通气孔隙受到土壤中砂粒含量影响,砂粒含量较低的土壤颗粒间隙较小、通气孔隙偏低[23]。容重过大、通气性能差等物理性质恶化是行道树长势不良的重要原因[24-25]。上海城市绿地土壤,长期存在土壤pH偏高、电导率空间变异较大的问题[26],大多数行道树土壤呈碱性或强碱性,这与兰州市[8]、北京市[9]、长春市[11]等地的行道树土壤 pH 结果较为接近,可见由树穴裸露[12]、建筑垃圾回填以及碳酸盐沉降等问题导致的 pH 偏高已成为我国行道树土壤普遍面临的重要问题。上海市的行道树土壤电导率远高于同为沿海城市的深圳市南山区(100 μS/cm)[27],南山区多为人工填海造地,而上海市属于长江冲积形成,受此影响后者水溶性盐浓度更高。由于行道树土壤通常裸露或被树池盖板覆盖,很难通过植物及其凋落物覆盖所产生的一系列生化反应来自然调控pH和电导率[24],这也是行道树土壤与城市公共绿地和林地土壤在理化性质上产生差异的重要原因。

本研究以上海市为例,开展行道树土壤综合肥力特征和空间分布的研究,希望研究结果可为改良行道树土壤质量提供指导性和可操作性更强的信息和启示。

1)有机质含量是衡量土壤肥力的重要指标,直接影响土壤理化性质及植物生长[28-29]。土壤有机质及全氮等主要来源于地上凋落物分解及养分输入,但行道树周边大多被硬化,难以做到养分自循环或参与外界土壤循环调节,导致有机质和氮素含量普遍较低[25]。研究表明,上海市行道树土壤有机质的平均含量低于南京(19.35 g/kg)[30]和青岛(29.30 g/kg)[31]的道路绿地,除了土壤本底的影响,还可能是由于上海的城市化水平更高,人类活动更加集中、建设强度更大,从而区域热量产出高、地表温度更高,导致表层土壤有机碳更易分解,使得有机质整体积累量较低[32]。除速效钾外,上海行道树土壤的碱解氮、有效磷等主要养分含量均处于中下水平,主要原因应该在于行道树施肥管理较为粗放,人为供给不足,加之道路日常清扫减少了土壤养分的自然积累[33]。行道树土壤速效钾含量较高,主要受上海成土母质中水云母含量的影响[34]。土壤有效钙含量远高于全国土壤中量元素含量等级划分[17]上限(2 500 mg/kg),有效钙含量受区域土壤母质发育和城市建设中的石灰富集影响较大。由于行道树土壤回填时混入建筑废弃物、石灰、水泥、砖块或其他碱性混合物,不断释放钙离子;大量含有碳酸钙和碳酸镁灰尘的沉降;雨水冲刷建筑物和路面后带有钙离子等碱性物质流入树穴等都会增加行道树土壤中的钙含量。在成都市[35]、武汉市[36]等地的道路土壤中均存在类似问题,有效钙含量过高会增加土壤溶液的游离态钙离子数量,从而导致土壤pH升高,影响如铁、锌、锰、硼、铜和磷等其他元素的有效吸收。上海的大部分行道树土壤普遍缺硫,使用含硫肥料既能增加土壤有效硫含量,也可以起到降低土壤pH的作用。

2)行道树的综合土壤肥力状况和分布差异与城市化进程和各个区域的绿地管养水平相关。此外,行道树土壤质地的分布差异也反映出各区域均使用了客土用于行道树种植,而客土多来源于各区域周边的邻近地区,由于土地资源紧张,导致质量不等的客土和大量建筑废物被混入种植土壤。研究表明,上海中心城区与南部区域行道树土壤容重大、总孔隙度较低,中心城区土壤容重高与城市建设强度高和密集的人类活动导致表层土壤压实有关,而南部区域的行道树土壤相较于中心城区受到的人为干扰少,可能是由土壤内在因素引发,如上文中提到的土壤砂砾含量高及有机质含量低也会导致土壤容重高且孔隙度较低。有机质、碱解氮、有效磷以及速效钾含量分布不均,呈斑块状,空间变异大,这4类指标的空间分布呈现一定共性,中心城区、浦东临港地区、崇明以及西侧与江浙接壤的区域以上营养元素含量均较低,这与上海市的土壤类型有着密切关系,此外行道树绿地的利用年限也是导致这一差异的原因,新开发区域相较于老城区对土壤质量的要求更为严格。由于行道树土壤的营养物质与水肥管理、落叶清理等人为干扰关系较大,近年来随着城市绿地精细化管理政策的实施,部分区域的行道树土壤施肥更加精准和细致,但日常管理中各区域并未采取相同标准的管理体系,大部分区域的行道树土壤还需要更科学的养分管理方案。

中心城区土壤pH低于其他区域,有效钙和有效镁分布与pH分布趋势相似。中心城区的部分区域pH相对较低,可能与市中心各区日常开展的土壤改良有关。而沿海、沿江地区土壤pH较高,从第二次上海市土壤普查结果可知这些区域多为滨海盐土,含盐碱量高而有机质积累少。有效钙含量普遍较高说明上海各个区域的行道树土壤都存在由建筑垃圾等碱性材料堆积及灰尘中碳酸钙沉降富集所导致的碳酸钙含量过高问题。

3)上海市行道树土壤肥力水平较差,大部分土壤综合肥力指数IFI处于较低水平。行道树土壤综合肥力整体表现出中间低、周边高的趋势。各个区域的行道树土壤肥力差异显著,除了受各区域土壤类型的内在影响因素,也与行道树的日常施肥管理等外界干扰相关。中心城区及浦东部分区域的肥力较低可能是由该区域较快的城市化发展伴随的人为活动、汽车尾气及生活垃圾排放量较大造成;北部区域的pH较高、有机质和氮含量相对较低;上海西部地区多为黄棕壤土,养分含量低;北部地区、东南沿海区域多为渗育性水稻土,有机质和全量养分较低;西南部地区土壤肥力偏低的原因除了土壤类型的因素影响,可能还受到当地绿化的投资力度较小、绿化管理难度较大等人为因素的影响。此外,由于上述几个主要因素的影响,相同区域内的不同行道树土壤综合肥力也不一致,如中心城区多数道路的行道树土壤综合肥力低下,而部分道路较高,应该与近年来行道树管理养护的投资力度增大有关。上海的行道树土壤肥力IFI值与有机质、全氮、碱解氮、有效磷和有效硫含量呈极显著正相关,与pH和有效钙含量呈现极显著负相关。多数植物更喜在中性土壤中生长,碱性或强碱性土壤会降低土壤结构的通透性,因此pH高会降低土壤主要营养物质的含量,进而影响土壤综合肥力,较高的土壤钙含量是制约行道树土壤pH和其他营养元素吸收的主要障碍因子,降低土壤有效钙含量,并增加土壤有效硫含量可以显著降低土壤pH,改善行道树土壤肥力。为了提高行道树土壤的质量,缓解土壤pH和有效钙含量高导致的植物生长不良等问题,必须从源头解决种植土的质量问题,同时要对现有的行道树土壤改良修复技术进行深入研究,理论与实践结合以保证绿化种植土壤的质量。

影响行道树土壤综合肥力的因子不止本研究提出的各项指标。研究表明,不同行道树种类也会影响到土壤肥力状况[15],比如种植悬铃木的土壤有机质和土壤氮的维持能力就高于其他树种,因此在未来的研究应将生物因素[37]也纳入评价体系中。此外,在肥力指标的空间分析上,可按照更小的空间尺度划分区域,从而更为精准地反映当地行道树土壤的肥力特征,在开展行道树土壤的改良行动中做到有的放矢。同时,可以结合城市建设强度、城市热岛效应、韧性城市建设要求以及行道树健康评价[38]等进一步分析行道树对土壤的质量需求。综上,上海市行道树土壤多为粉砂壤土,粉粒占比高,土壤平均容重大,通气孔隙度变异程度大,且土壤pH普遍较高,整体成碱性;行道树土壤养分含量除速效钾外均较低,氮磷等平均含量处于中下水平,且空间分布不均,土壤有效钙含量较高,有效硫含量中等偏低;上海市行道树土壤的综合肥力指数整体处于较低水平,在空间上呈中间低周边高的整体趋势,各区域土壤肥力分布的随机性较强、关联不明显;行道树土壤肥力与有机质含量、全氮含量、碱解氮含量、有效磷含量和有效硫含量等极显著正相关,与pH和有效钙含量呈极显著负相关。

上海市行道树土壤管理和改良需要结合空间分布特征,因地制宜地采取以下3个措施:①从源头改善,制定行道树土壤质量标准,尽量使用表土回填,严格控制土壤中建筑垃圾的混入;②针对行道树土壤理化性质和营养元素分布现状,有针对性地开展土壤改良研究,通过绿化有机废弃物循环利用、土壤植被或有机物覆盖等措施来增加土壤孔隙度,施用酸性肥料或者改良剂进行土壤pH调控,提高土壤有效态养分的转换。通过精准施肥增加土壤有机质含量,提高整体养分含量;③结合行道树树种选择和健康管理等统筹行道树土壤的管理,构建“树池管理-树种选择-土壤调配-种植技术-科学管养”的一体化行道树土壤管理体系。近年来,结合绿化特色街区建设和重点区域行道树改良工程,上海先后开展了行道树健康质量评价、优良行道树树种选择、模块化树池种植技术等探索,并采取树池内种植地被植物、增加树池连接带、拓展树池空间等具体措施,显著提高了城市行道树土壤的质量,促进了行道树的健康生长。

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