綠地土壤孔隙度檢測方法及其對土壤肥力評價的重要性

伍海兵，李愛平，方海蘭，郝冠軍

綠地土壤孔隙度檢測方法及其對土壤肥力評價的重要性

伍海兵1，李愛平2，方海蘭1，郝冠軍1

（1.上海市園林科學研究所，上海 200232；2.南京農業大學 資源與環境科學學院，江蘇 南京210095）

為研究不同測定方法對土壤孔隙度大小及孔隙度對土壤肥力的影響，以上海辰山植物園典型綠地土壤和自然土壤為例，分析農業和林業2種檢測方法對土壤孔隙度測定結果的影響；以上海世博會規劃區典型土樣為例，分析主要物理指標對綠地土壤評價結果的影響。結果表明：2種方法測定綠地土壤孔隙度差異明顯，其中農業方法測定的總孔隙度、非毛管孔隙度均顯著高于林業方法（P＜0.05），但毛管孔隙度差異不顯著；2種方法測定的自然土壤的孔隙度各組成差異不顯著（P＞0.05）；林業方法更適宜綠地土壤孔隙度的檢測；非毛管孔隙度比土壤容重對綠地土壤肥力影響大（P＜0.01），應作為綠地土壤肥力評價的重要指標。圖1表2參22

土壤學；綠地土壤；農業方法；林業方法；非毛管孔隙度；土壤肥力

綠地土壤作為城市土壤中受人為嚴重干擾的特殊土壤類型，有別于一般自然土壤或農業土壤，具有自身特有的理化性質［1］。尤其是為了滿足園林造景或特殊立地條件植物生長的需求，大多綠地土壤為客土或人工合成土壤，特別是循環經濟理念的發展以及對綠化種植土要求的提高，綠化植物廢棄物、生活垃圾等有機廢棄物改良的比例越來越高，如花壇、花境、屋頂綠化等特殊綠化地帶甚至是利用有機基質、草炭、珍珠巖等各種改良材料替代自然土壤進行栽植［1－2］。與農業和林業上的自然土壤相比，綠地土壤的研究起步較晚。就研究內容而言，綠地土壤研究基本側重于城市土壤污染或者土壤養分［3－4］，對綠地土壤的物理性質研究相對較少，其實中國園林植物長勢不佳主要原因是綠地土壤物理性質不好，特別是土壤通氣孔隙不好是引起綠地土壤肥力退化和植物生長不佳的主要原因［5－6］。就研究方法而言，綠地土壤的研究方法基本沿用農業或者林業現有的方法，對試驗方法是否規范以及是否適宜綠地土壤則相對考慮較少，也很少有學者專門研究適宜綠地土壤的方法［7］。當農業和林業上研究方法一致時，綠地土壤只要參考其中一種就行，當農業方法和林業方法有差異時，綠地土壤該選擇何種方法就存在歧義。最典型就是土壤孔隙度的測定，雖然原理同為環刀法，但農業土壤孔隙度測定方法是根據土壤風干或烘干的容重占土壤體積質量的比值來計算各種孔隙度組成，由于體積質量測定較為繁瑣，體積質量一般取均值為2.65 g·cm－3［8］；而林業土壤孔隙度測定方法則是測定不同時段下土壤所維持的水量來計算對應的土壤孔隙含量組成的［9］。由于農業方法采用的體積質量數值是參考農業上自然土壤的平均值，而林業方法是實測值，就理論而言，由于綠地土壤物質組成差異大，林業方法似乎更符合實際情況，但林業方法是通過測定不同時間段的土壤含水量來計算對應的孔隙度的，該方法是否更適宜綠地土壤孔隙度測定至今尚無定論，也直接影響了綠地土壤研究水平提高。由于土壤孔隙是土壤氣相和液相物質轉移的通道，其大小、數量和空間結構決定了土壤中物質轉移的形式和速率，是評價土壤肥力特征和土壤儲水性能的重要因素之一［10］，也是園林綠化工程設計和建設時必須重點控制的指標［11］。為明確適宜綠地土壤孔隙度的測定方法，并探討孔隙度在綠地土壤肥力評價中重要性，本研究選擇上海新建植物園——上海辰山植物園中幾種典型的綠地土壤以及沒有被人工破壞的自然山地土壤，采取農業和林業等2種方法分別測定其孔隙度組成，探討這2種方法對測定土壤孔隙度結果的影響；同時以原上海世博會規劃區域的典型綠地土壤為案例，探討土壤孔隙度在綠地土壤肥力評價中的作用，以期為建立適宜綠地土壤孔隙度的測定方法和肥力評價提供技術依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

上海辰山植物園坐落于上海市松江區佘山國家旅游度假村內，占地面積207.6萬m2，2007年3月動工興建，2011年1月建成正式對外開放。除園區內原有的辰山山脈仍保持原有林地土壤特點沒有人為破壞外，其余區域如各個專類園、溫室、綠環均是經過人為改造形成人為土壤。辰山處于北亞熱帶季風濕潤氣候區，四季分明，年平均氣溫為15.6℃，無霜期為236.0 d，年平均日照時數為1 817.0 h，降水量為1 213.0 mm，年陸地蒸發量為754.6 mm，最低氣溫為－8.9℃，最高氣溫37.6℃。

2010年上海世博會會址位于距離上海市中心約5.1 km的區域，會址橫跨黃浦江兩岸，介于南浦大橋和盧浦大橋之間，總面積約為5.3 km2，其中浦西1.4 km2，浦東3.9 km2。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品的采集 辰山植物園：為選取典型綠地土壤，于2013年10月根據多點混合原則采取了人為踐踏少、添加改良材料多的花壇、溫室和部分專類園中0~30 cm的綠地土壤10個；同時采集人為干擾少的辰山山脈中林地自然土壤10個，采樣方法和深度同綠地土壤。上海世博會原規劃區：于2006 年7月，在上海世博會園址規劃之后和全面拆遷動工之前，選取廠內園林綠化區、路邊綠化帶和學校、居民區等園林綠地土壤為研究對象，總共采集0～30 cm的表層土壤80份［12］。

1.2.2 測定方法 農業土壤孔隙度測定方法：用環刀取待測土樣，放入盛水培養皿，水深2~3 mm，放置8~12 h或更久，稱量，直至前后2次質量無顯著差異，然后烘干至恒量。主要采用計算法，土壤毛管孔隙度（%）＝土壤田間持水量（質量%）×容重；土壤總孔隙度（%）＝（1－容重／體積質量）×100%，一般人為自然土壤的體積質量為2.65 g·cm－3；土壤非毛管孔隙度（%）＝總孔隙度（%）－毛管孔隙度（%）；具體實驗方法參照《土壤農業化學分析方法》［8］。林業土壤孔隙度測定方法：用環刀取待測土樣，放入培養皿，加水至環刀上沿，放置12 h或更久，可得最大持水量；放置在鋪有干砂的平底盤2 h，得毛管持水量；再放置2~3 d，稱量，為最小持水量；烘干至恒量。毛管孔隙度（%）＝毛管持水量×土壤容重；非毛管孔隙度（%）＝（最大持水量－毛管持水量）×土壤容重；總孔隙度（%）＝非毛管孔隙度＋毛管孔隙度；具體實驗方法參照國家林業行業標準《森林土壤分析方法》［9］。數據分析采用Excel 2003和SPSS 17.0軟件。

2 結果與分析

2.1 不同測定方法和土地利用方式對土壤孔隙度影響

2.1.1 非毛管孔隙度 非毛管孔隙度是土壤空氣流動的通道，是土壤快速儲水的場所，非毛管孔隙度越大，表明土壤中可能吸持的無效水容量小，有效水的儲存容量越大，是衡量土壤質量優劣的指標之一，尤其對綠地土壤質量評價具有重要意義［13－14］。從圖1A可以看出：綠地土壤林業方法測定的非毛管孔隙度為11.63%±5.33%，而農業方法測定結果為21.97%±5.34%，是林業方法的1.89倍，兩者存在顯著差異（P＜0.05）。自然土壤非毛管孔隙度的林業方法是農業方法的0.46倍，2種測定方法差異不顯著（P＞0.05）。由此可見：不同測定方法對綠地土壤非毛管孔隙度測定結果影響較大，但對自然土壤影響較少。從圖1A還可以看出：不同土地利用方式之間非毛管孔隙度差異顯著，不管是林業方法還是農業方法測定的非毛管孔隙度，綠地土壤均顯著高于自然土壤（P＜0.05）。

圖1 不同測定方法和土地利用方式對土壤孔隙度的影響Figure 1 Effect of soil capillary porosity of different testing methods and land utilization types

2.1.2 毛管孔隙度 毛管孔隙度是土壤毛管水所占據的孔隙，主要用于植物根系吸收和土壤蒸發，是土壤孔隙的重要組成部分之一［15］。2種方法測定的土壤毛管孔隙度分別為：綠地土壤，林業方法為54.36% ±5.48%，農業方法為50.85%±5.34%，林業方法略高于農業方法，但差異不顯著（P＞0.05）；自然土壤，林業方法為45.65%±2.81%，農業方法為44.49%±2.52%，林業方法略高于農業方法，差異不顯著 （P＞0.05）。林業方法測定的土壤毛管孔隙度略高于農業方法，但兩者差異不顯著，這與農業方法方法中沒有引用體積質量平均值而是通過直接測定有關的。同樣，不管是林業方法還是農業方法測定的毛管孔隙度，綠地土壤均顯著高于自然土壤（P＜0.05）（圖1B），原因與非毛管孔隙度相同［14,16］。

2.1.3 總孔隙度 土壤總孔隙度是非毛管孔隙度和毛管孔隙度之和，是評價土壤儲水性和肥力特性的基本特性之一［17］。從圖1C可以看出：綠地土壤林業方法測得土壤總孔隙度為66.01%±8.28%，而農業方法為72.82%±9.72%，林業方法略低于農業方法，且2種方法差異顯著（P＜0.05）；自然土壤，林業方法測定為49.00%±3.82%，農業方法為51.83%±4.16%， 林業方法略低于農業方法，且兩者差異不顯著（P＞0.05）。由此可見：農業方法和林業方法對綠地土壤總孔隙度影響較大，但對自然土壤影響較少。同樣，不管是林業方法還是農業方法測定的土壤總孔隙度均是綠地土壤顯著高于自然土壤（P＜0.05）（圖1C）。

2.2 非毛管孔隙度作為綠地土壤肥力評價的重要性評價

國際上常用的土壤肥力評價模型為內梅羅（Nemoro）綜合指數法［18］。本研究利用郝冠軍等［12］對上海世博會規劃區80個典型綠地土壤的分析結果，采用修正的內梅羅公式計算［19－20］，如下：其中：P0為土壤肥力綜合系數，Pi為土壤肥力各分級系數的平均值；Pimin為分級系數中的最小值，n為土壤肥力評價因子數。利用Pi代替原內梅羅公式中Pimax，突出了土壤屬性中最差一項指標對土壤肥力的影響，為了反映可信度增加了修正項（n-1）／n。根據城市綠地土壤特點，選取土壤pH值、電導率、陽離子交換量、堿解氮、速效鉀、有效磷、有機質、質地、容重以及非毛管孔隙度等10項指標構成土壤肥力評價因子（即表1中的處理1）［7,12］。為進一步驗證土壤物理指標在綠地土壤肥力評價中重要性，對各項物理指標在評價中重要性逐一進行分析。由于80種土壤基本為上海典型砂壤土，所以物理指標中沒有考慮質地的影響；其他分別設置了不包含非毛管孔隙度的另外9種評價因子（處理2）；不包含容重的另外9種評價因子（處理3）；同時，不包含容重和非毛管孔隙度的另外8種評價因子（處理4）（表1）。根據修正的內梅羅公式計算出不同處理的土壤綜合系數，結果見表2。其中處理1得出的土壤肥力綜合系數均值為0.97±0.19，土壤肥力為 “一般”；而處理2土壤肥力綜合系數為1.02±0.21，土壤肥力雖然也為 “一般”，但處理2與處理1相比土壤肥力綜合系數提高了5.15%，兩者差異極顯著（P＜0.01）。由此可以得：非毛管孔隙度對綠地土壤肥力綜合系數影響顯著，再次驗證了非毛管孔隙度對綠地土壤肥力評價的重要性。處理3土壤肥力綜合系數均值0.95±0.19與處理1相比無明顯變化，而與處理2相比顯著降低，兩者差異極顯著（P＜0.01）。由此可見：土壤容重對綠地土壤肥力評價結果影響不明顯，沒有非毛管孔隙度對綠地土壤肥力評價影響大。處理4土壤肥力綜合系數為1.01±0.21，與處理2差異不顯著（P＞0.05），而與處理3差異極顯著（P＜0.01），進一步證明土壤非毛管孔隙度對綠地土壤肥力評價的重要性。

表1 綠地土壤肥力不同評價因子Table 1 Different evaluation factors for green-belt soil fertility

進一步分析表2中不同處理的土壤肥力綜合系數，雖然上海世博會原規劃區域綠地土壤肥力基本上為 “一般”或 “貧瘠”，但不同處理對結果影響較大。如處理1中43.57%土壤肥力為 “一般”，56.43% 為 “貧瘠”；處理2土壤肥力為 “一般”占68.03%，較處理1提高了56.76%；而處理3較處理1僅提高了24.46%；但處理4與處理2土壤肥力綜合系數的頻率分布無明顯變化。由此可見：土壤非毛管孔隙度對土壤肥力評價結果影響較大，而土壤容重相對較少。

表2 不同處理的土壤肥力綜合系數比較Table 2 Soil fertility comprehensive coefficient comparison of different treatments

3 結論與討論

通過對上海辰山植物園典型綠地土壤孔隙度的研究表明：綠地土壤的非毛管孔隙度、毛管孔隙度以及總孔隙度均顯著高于自然土壤（P＜0.05），這跟本次選擇的綠地土壤改良力度大，人為踐踏少直接相關；而一般園林綠地調查中，綠地土壤往往較自然土壤質地黏重和非毛管孔隙小，這可能與綠地土壤本身改良力度小、土壤嚴重壓實有關［5］。

對于自然土壤，林業方法和農業方法等2種方法測定的土壤孔隙度差異不顯著；但綠地土壤差異顯著，其中農業方法測定綠地土壤的非毛管孔隙度和總孔隙度顯著高于林業方法（P＜0.05），但毛管孔隙度差異不明顯。這是因為綠地土壤作為一種比較特殊的城市土壤，大多屬于客土或人造土，其物質組成復雜，體積質量差異大，如果采樣農業方法對所有土樣均進行體積質量的測定，則比較繁瑣，增加實驗難度；如果直接取自然土體積質量的平均值2.65 g·cm-3，由于綠地土壤中添加各種改良材料，則與綠地土壤的實際情況出入較大。綜合而言，林業方法測定孔隙度時不需要引用體積質量數值是直接測定，故更接近實際值。所以在研究綠地土壤等人為土壤的孔隙度時，應優先選擇林業方法。

利用修正的內梅羅公式計算上海世博會原規劃區域典型綠地土壤的肥力綜合系數，結果也表明：土壤物理性質顯著影響綠地土壤肥力，其中非毛管孔隙度對土壤肥力評價的影響顯著大于土壤容重，非毛管孔隙度直接影響著綠地土壤肥力評價結果，是評價綠地土壤肥力不可忽視的主要因子之一。

鑒于不同的檢測方法對綠地土壤毛管孔隙度檢測結果的影響以及非毛管孔隙度對綠地土壤肥力評價的重要性，建立適宜綠地土壤孔隙度檢測方法并了解這些方法對綠地土壤肥力評價的重要性對提高城市綠地土壤的研究水平和管理肥力有積極作用，希望為園林綠化行業工作者提供借鑒。

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Green-belt soil testing methods for porosity and the importance of porosity on soil fertility evaluation

WU Haibing1,LI Aiping2,FANG Hailan1,HAO Guanjun1
（1.Shanghai Institute of Landscape Gardening,Shanghai 200232,China;2.College of Resources and Environmental Science,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,Jiangsu,China）

In order to discuss the influence of different testing methods for soil porosity and the importance of porosity on soil fertility.First,using typical green-belt soils and natural soils from Shanghai Chenshan Botanical Garden,two soil porosity testing methods,the agriculture method （NY）and the forestry method （LY）were compared.Then,the former Shanghai World Exposition Site was used to evaluate the influence on the fertility of green-belt soils by the main physical properties.Results for green-belt soils showed that except for capillary porosity,total porosity and non-capillary porosity with the NY method was much higher than the LY method （P＜0.05）.For natural soils,no porosity differences were found when comparing the two methods（P＞0.05）. Thus,in green-belt soils,the LY method was more suitable for testing porosities.Results of the green-belt soil fertility evaluation showed that non-capillary porosity influenced soil fertility evaluation more than soil bulk density（P＜0.01）.To evaluate the fertility of green-belt soils,non-capillary porosity should be applied as an important index.［Ch，1 fig.2 tab.22 ref.］

soil science;green-belt soil;agriculture method;forestry method;non-capillary porosity;soil fertility

S151.9；S714.2

A

2095-0756（2015）01-0098-06

浙 江 農 林 大 學 學 報，2015，32（1）：98-103

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.01.014

2014-04-14；

2014-05-27

上海辰山植物園專項基金資助項目（G102402）

伍海兵，助理工程師，從事城市土壤物理性質等研究。E-mail：wuhaibing22@163.com。通信作者：方海蘭，教授級高級工程師，博士，從事城市土壤質量評價與有機廢棄物土地利用等研究。E-mail：fhl_1969@126.com