城市不同功能區綠地土壤理化性質及微生物生物量的分布特征①

李曉英，周惠民，李 暢，何麗斯，劉曉青，肖 政，陸海飛，蘇家樂

城市不同功能區綠地土壤理化性質及微生物生物量的分布特征①

李曉英1,2，周惠民2*，李 暢2，何麗斯2，劉曉青2，肖 政2，陸海飛3，蘇家樂2

(1 揚州大學園藝與植物保護學院，江蘇揚州 225009；2 江蘇省農業科學院休閑農業研究所/江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點實驗室，南京 210014；3 中國科學院南京土壤研究所，南京 210008)

為提高城市綠地生態系統服務功能和促進城市可持續發展，本文研究了南京市不同功能區綠地表層土壤理化性質和微生物生物量的分布特征。結果顯示：土壤pH整體呈堿性且容重偏大；公園綠地土壤全氮、有效磷和速效鉀含量顯著高于道路綠地；不同功能區綠地土壤有機質含量無顯著差異，但公園綠地土壤微生物生物量碳含量和微生物熵顯著高于居住區和道路綠地；公園綠地土壤結構和養分均優于道路綠地。土壤微生物生物量碳含量與有機質、全氮和速效鉀含量呈極顯著正相關，與有效磷含量呈顯著正相關，與容重呈極顯著負相關；土壤有機質與全氮和速效鉀含量呈極顯著正相關，與有效磷含量和pH無顯著相關性，與容重呈顯著負相關。因此，勤松土，合理施肥，增加枯枝落葉等凋落物覆蓋，提高土壤養護管理水平對修復城市土壤生態和建設生態城市具有重要意義。

城市綠地；功能區；土壤養分；土壤微生物生物量碳；微生物熵

城市綠地土壤作為城市園林綠化的基礎，不僅為園林植物的生長提供環境與條件，同時具有減少污染、涵養水源、調節氣候、改善生態環境等多種生態功能，是城市生態系統的重要組成部分[1]。隨著城市化和工業化進程的加快，越來越頻繁的人類活動給土壤帶來結構和功能性的破壞，如土壤壓實和板結、養分流失、污染、微生物多樣性降低等，嚴重影響了城市園林綠化的景觀效果以及人類健康[2]。近年來，隨著生態城市概念的提出，對城市綠地土壤質量的研究日益受到國內外眾多學者的重視[3-5]。

土壤養分作為土壤環境的重要組成部分，不僅直接影響地表植物的生長，也在宏觀尺度上反映了土壤質量[6]。土壤微生物參與土壤碳氮轉化、養分和能量循環、土壤團聚體的形成、土壤結構的形成等土壤過程，且其性狀隨著環境、季節等自然因素以及土地利用方式、施肥、污染等人為因素而產生變化，能快速反映土壤狀態，是最為敏感的土壤質量生物學指標[7-8]。土壤微生物生物量碳作為最具有活性的土壤有機碳庫組分，它能代表參與調控土壤中能量與養分循環以及有機質轉化所對應的微生物的量，土壤微生物生物量碳轉化迅速，可以用來表征土壤總碳的變化[9]。土壤微生物熵可表征土壤中輸入的有機質向微生物生物量碳的轉化效率，預測土壤環境的變化，對土壤有機質的長期動態變化過程具有重要的指示作用[10]。目前，國內外對于土壤微生物生物量、微生物熵及其與土壤養分的關系研究大多集中在農田、草地、森林等生態系統[11-13]，關于城市綠地土壤質量在不同人為利用方式下的改變及其演化方向的研究較少。以往研究表明，在自然林地，土壤微生物生物量與土壤肥力以及土壤健康密切相關[13-14]。然而，現有研究報道顯示，城市綠地土壤微生物生物量與土壤養分之間的關系在不同城市不同綠地中的表現并不一致。顧兵等[15]通過研究綠化植物廢棄物覆蓋對上海城市林地土壤肥力的影響，發現土壤微生物生物量碳、氮含量與土壤肥力指標呈顯著正相關；而陶曉等[16]以合肥市綠地為研究對象，發現土壤微生物生物量碳與土壤可溶性碳氮無顯著相關性。因此，為了進一步研究土壤理化性質、微生物生物量對城市生態系統土壤長期作為不同功能區綠地使用過程中的響應變化以及二者之間的關系，本研究以典型城市南京市為研究對象，研究城區不同功能區綠地(居住區、公園和道路綠化帶)土壤理化性質、微生物生物量碳和微生物熵的分布特征及其相互關系，以期為保護自然資源、提高城市綠地的生態系統功能以及制定可持續的管理方法提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

南京市位于江蘇省西南部，地理坐標為118°22′ ～ 119°14′ E，31°14′ ～ 32°37′ N。全市行政區域總面積約為6 587 km2，整體地形復雜，以低山、丘陵為骨架，以環狀山、條帶山和箕狀盆地為主要特征，屬于典型的寧鎮揚丘陵地貌[17]。氣候類型屬于亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，雨量充沛，年平均溫度為15.4 ℃，年平均降水量為1 047 mm[18]，無霜期為117 d。全市城市綠化覆蓋率為45.0%，人均公園綠地面積15 m2，在國內城市中處于較高水平[19]。

1.2 樣品采集與處理

本研究選擇南京市城區具有地標性與代表性的公園、商業街道路及其附近居住區3個主要的功能分區進行采樣，采樣地分別位于玄武區、鼓樓區、秦淮區、建鄴區、雨花臺區、棲霞區、江寧區和浦口區，共設置33個采樣地(圖1)。采樣時選擇植物種植時間10年以上的樣地進行取樣，每個采樣地選取4 ～ 5個點，所選取的點盡量均勻分布在該功能區綠地。在每個采樣點移除地表枯落物后采用環刀取土，帶回實驗室后用于土壤容重、總孔隙度的測定；并在每個采樣點的灌木叢間采集非根際表層土壤(0 ～ 20 cm)樣品，裝入自封袋內。取一部分留作鮮樣4 ℃低溫保存，過2 mm篩后用于土壤微生物生物量碳的測定；另一部分自然風干研磨過0.15 mm篩，用于土壤有機質和全氮含量的測定，土壤pH、有效磷和速效鉀含量的測定采用研磨過1 mm篩的風干土樣。

1.3 測定方法

土壤理化性質及養分指標的測定參照魯如坤的方法[20]，土壤容重和總孔隙度采用環刀法測定；pH采用1∶5土水質量比懸濁液電位法測定；有機質采用重鉻酸鉀–外加熱容量法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提–鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提–火焰光度法測定；全氮采用濃硫酸消煮–半微量凱氏定氮法測定。微生物生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法測定[21]。微生物熵(%)=土壤微生物生物量碳/有機碳×100。

1.4 數據統計分析

使用Excel 2016和SPSS 22.0軟件對數據進行統計分析，采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和LSD多重檢驗法進行差異顯著性分析(<0.05)，采用Pearson相關系數法進行相關性分析。數據采用平均值 ± 標準差表示。

圖1 南京市城區土壤采樣點分布

2 結果與分析

2.1 不同功能區綠地土壤基本理化性質

如表1所示，居住區與公園和道路綠地土壤pH之間存在顯著差異(<0.05)，居住區綠地土壤pH最高，平均值為8.26，較公園綠地和道路綠地土壤分別高0.41和0.40個單位；公園和道路綠地土壤pH無顯著差異。公園綠地土壤總孔隙度和容重與居住區和道路綠地存在顯著差異(<0.05)，公園綠地土壤容重最小，平均值為1.40 g/cm3，較居住區和道路綠地土壤分別低7.86% 和6.43%；而總孔隙度與容重的結果相反，公園綠地土壤總孔隙度最大，平均值為47.02%，居住區和道路綠地土壤總孔隙度均值分別為42.94% 和43.61%。

居住區、公園和道路綠地土壤有機質含量均值分別為19.11、24.06和19.35 g/kg，不同功能區綠地土壤間無顯著差異(表1)。土壤有機質含量范圍為7.81 ～ 36.20 g/kg，其中84.9% 的綠地土壤有機質含量在10 ～ 30 g/kg；有小部分居住區和道路綠地土壤有機質含量低于10 g/kg，占總樣本的比例為6.06%；僅部分公園綠地土壤有機質含量超過30 g/kg，占總樣本的比例為9.09%(圖2A)。居住區、公園和道路綠地土壤全氮含量均值分別為1.39、1.50和1.09 g/kg，公園綠地土壤全氮含量較道路綠地高37.6%，但與居住區綠地無顯著差異。綠地土壤全氮含量范圍為0.71 ～ 2.89 g/kg，土壤全氮含量主要分布在0.71 ～ 2 g/kg，占總樣本的比例為90.9%；有小部分居住區和公園綠地土壤全氮含量超過2 g/kg，占總樣本的比例為9.09%(圖2B)。居住區和公園綠地土壤有效磷含量均值分別為40.38 mg/kg和41.09 mg/kg，較道路綠地分別高52.8% 和55.5%；有87.9% 的綠地土壤有效磷含量超過20 mg/kg(圖2C)。公園綠地土壤速效鉀含量為214.14 mg/kg，顯著高于道路綠地土壤速效鉀含量(136.55 mg/kg)；居住區綠地土壤速效鉀含量為180.48 mg/kg，與其他兩個功能區綠地土壤無顯著差異。速效鉀含量分布頻率結果顯示，其含量范圍為90.60 ～ 319.00 mg/kg，大部分土壤速效鉀含量分布在100 ～ 300 mg/kg，占總樣本的比例為84.9%；有小部分公園綠地土壤的速效鉀含量超過300 mg/kg，占總樣本的比例為6.06%(圖2D)。

表1 不同功能區綠地土壤理化性質

注：同列不同小寫字母表示不同功能區綠地土壤間存在顯著性差異(<0.05)，下同。

圖2 不同功能區綠地土壤有機質(A)、全氮(B)、有效磷(C)和速效鉀含量(D)的分布頻率

2.2 不同功能區綠地土壤微生物生物量碳與微生物熵

如圖3所示，公園綠地土壤微生物生物量碳含量最豐富，其平均值為549 mg/kg，較居住區和道路綠地土壤分別高68.9% 和66.5%(圖3A)；與之類似，公園綠地土壤微生物熵為4.14%，較居住區和道路綠地土壤分別高31.9% 和36.2%(圖3B)。

土壤微生物生物量碳與微生物熵的分布頻率如圖4所示。不同功能區綠地土壤微生物生物量碳含量范圍為176 ～ 753 mg/kg，大部分綠地土壤微生物生物量碳含量在200 ～ 600 mg/kg，占總樣本的比例為78.8%；小部分公園綠地的土壤微生物生物量碳含量高于600 mg/kg，占總樣本的比例為18.2%；僅道路綠地有很小部分土壤微生物生物量碳含量低于200 mg/kg，占總樣本的比例為3.03%(圖4A)。土壤微生物熵的變化范圍為1.91% ～ 6.17%，大部分綠地土壤微生物熵在2.5% ～ 4.5%，占總樣本的比例為66.7%；有小部分居住區和道路綠地土壤微生物熵低于2.5%，占總樣本的比例為18.2%；有15.2% 的土壤微生物熵高于4.5%，該部分土壤樣本主要來自于居住區和公園綠地(圖4B)。

(圖中不同小寫字母表示不同功能區綠地土壤間存在顯著性差異(P<0.05))

圖4 不同功能區綠地土壤微生物生物量碳(A)與微生物熵(B)的分布頻率

2.3 土壤微生物生物量碳與理化性質間的相關性

如表2所示，綠地土壤微生物生物量碳含量與有機質、全氮和速效鉀含量呈極顯著正相關(<0.01)，與有效磷含量呈顯著正相關(<0.05)，與土壤容重呈極顯著負相關(<0.01)，與土壤pH無顯著相關性。土壤有機質含量與全氮和速效鉀含量呈極顯著正相關(<0.01)，與有效磷含量和土壤pH無顯著相關性，與土壤容重呈顯著負相關(<0.05)。土壤全氮與速效鉀含量呈極顯著正相關(<0.01)，與有效磷含量、土壤pH和容重無顯著相關性。

表2 土壤微生物生物量碳與理化性質間的相關系數

注：**表示相關性達極顯著水平(<0.01)；*表示相關性達顯著水平(< 0.05)。

3 討論

3.1 不同功能區綠地土壤理化特征

城市綠地土壤容重可以反映人類活動對土壤的壓實作用程度，容重過大影響綠色植物的正常生長[22]；土壤孔隙度不僅影響土壤的通氣狀況，而且反映土壤松緊度和結構狀況的好壞。已有研究表明，正常土壤的容重約為1.30 g/cm3，當土壤容重達到1.50 g/cm3時，植物根系已難以伸入[23]。本研究結果表明，不同功能區綠地土壤容重總體偏大，且土壤容重已達到植物根系穿插的臨界值；居住區和道路綠地土壤容重顯著大于公園綠地，總孔隙度顯著低于公園綠地，說明公園綠地土壤結構優于居住區和道路綠地，土壤較為疏松，透氣性能較好，這可能是由于公園綠地采取了松土、灌溉等措施進行養護。土壤pH是影響土壤養分有效性及供肥能力的重要因素[24]。不同功能區綠地土壤整體呈堿性(pH 7.95)，這與許多城市的土壤研究結果一致[4,25]。本研究結果顯示，居住區綠地土壤pH顯著高于公園和道路綠地，這可能是由于在小區建設過程中，挖掘、搬運以及與大量堿性建筑垃圾混合，其中的鈣向土壤中釋放，使居住區綠地土壤pH偏高。然而在城市綠化應用中，許多植物如杜鵑、茉莉、梔子等均喜酸，過高的pH直接影響植物對養分的吸收，導致其生長衰弱。

土壤有機質是植物和微生物生長發育所需的營養之源[26]。根據全國第二次土壤普查養分等級分級標準[27]，南京市城區不同功能區綠地土壤有機質含量大部分集中在10 ～ 30 g/kg，達到了全國第二次土壤普查的Ⅲ、Ⅳ級標準。公園綠地土壤有機質含量均值為24.06 g/kg，有機質含量較為豐富，較深圳市公園綠地土壤有機質含量高74.0%[28]，這可能是由于在日常養護中注重有機物質的補充，增加了土壤有機碳的歸還。土壤全氮作為土壤養分的重要組分，是衡量土壤肥力的重要指標[29]。不同功能區綠地土壤全氮含量大部分集中在0.71 ～ 2 g/kg，處于中等水平。公園綠地土壤全氮含量為1.50 g/kg，顯著高于道路綠地，且是重慶市主城區公園綠地土壤全氮含量的2.08倍[25]，說明南京市公園綠地土壤氮素供應水平相對較高，這可能是由于在公園綠地養護過程中注重水肥管理，提高了土壤養分含量。土壤速效養分作為植物可吸收的有效養分，維持著植物的生長[29]。本研究中，不同功能區綠地土壤有效磷、速效鉀含量平均值均達到園林綠化種植土要求(有效磷含量大于8 mg/kg，速效鉀含量大于60 mg/kg)，分別為36.0、180 mg/kg，均高于濟南市城市綠地土壤有效磷、速效鉀含量[30]，說明南京市城市綠地土壤速效養分供給相對充足，有利于提高植物的抗逆性。且與全氮結果類似，公園綠地土壤速效鉀含量顯著高于道路綠地，這也與公園綠地日常養護管理中適量施肥有關，進一步說明管理措施對提高綠地土壤質量的重要性。

3.2 不同功能區綠地土壤微生物生物量碳及微生物熵特征

土壤微生物生物量碳是土壤的活性碳庫，既可作為土壤養分轉化與循環的動力，又可作為土壤中植物有效養分的儲備庫，是評價與追蹤土壤質量的重要指標[9]。在本研究中，公園綠地土壤微生物生物量碳含量顯著高于居住區和道路綠地，這可能是由于不同功能區綠地土壤日常養護管理以及輸入土壤有機物的數量和質量不同導致的。為營造舒適優美的景觀環境，公園綠地植被配植合理，日常養護管理比較精細，水肥條件適宜，輸入土壤的有機質數量及質量較好，為微生物的生長與繁殖提供了良好的生境與營養。而居住區和道路綠地由于建筑、生活垃圾、道路施工殘留物等入侵土壤，以及城市綠化施工過程中出現的機械碾壓和人為踐踏等，使土壤結構嚴重破壞，理化性質迅速惡化，且日常養護管理不到位，切斷了植被和土壤間的養分循環，土壤養分歸還變慢且含量降低[31]。此外，機動車尾氣排放等人類活動也會造成土壤重金屬污染[32]。盧瑛等[33]采集了20個南京城市土壤剖面研究發現南京市全鉛的含量是世界土壤中值的3.07倍。土壤重金屬積累到一定水平時就會對土壤中微生物的生長造成毒害和抑制，降低土壤微生物數量[34]，這可能也是道路綠地微生物生物量碳含量較低的部分原因。

土壤微生物熵充分反映了活性有機碳所占的比例，從微生物角度揭示土壤養分差異[10]。本研究中，公園綠地土壤微生物熵顯著高于居住區和道路綠地，這代表公園綠地土壤有機質質量及養分利用效率要顯著高于其他兩種綠地類型，其單位資源尺度上可支持更多的微生物生物量。雖然在土壤有機碳庫尺度上，公園、居住區和道路綠地沒有顯著差異，但結合土壤微生物熵的結果，居住區和道路綠地土壤養分流失效率要顯著高于公園綠地。長此以往，如果不及時采取措施，居住區和道路綠地土壤養分會不斷降低，土壤質量越來越差，微生物生長利用效率也隨之越低，生態環境愈加脆弱。

3.3 不同功能區綠地土壤微生物生物量碳與理化性質的相關性

土壤微生物通過分解地表凋落物和地下植物根系殘體，使有機質轉化為有效養分，并對土壤中的無機營養元素起固持和保蓄作用[7]。顧兵等[15,35]研究綠化植物廢棄物覆蓋或堆肥對城市綠地土壤肥力的影響時發現，綠化植物廢棄物覆蓋或堆肥可以提高土壤總孔隙度、肥力以及土壤微生物生物量，且土壤微生物生物量碳、氮含量與土壤主要肥力指標密切相關。本研究結果表明，土壤微生物生物量碳含量與有機質、全氮和速效鉀含量呈極顯著正相關，且與土壤容重呈極顯著負相關，說明土壤微生物對城市土壤的物理結構以及其中有機質、全氮和速效鉀的供給非常敏感；但土壤微生物生物量碳與有效磷含量相關性較弱，這可能是因為在城市土壤中磷具有比較明顯的富集特征，供給可達到較高水平[36]。這可能也是土壤有機質含量與全氮、速效鉀含量呈極顯著正相關，而與有效磷含量無顯著相關性的原因。此外，土壤有機質含量與土壤容重也呈顯著負相關。因此，在城市綠地的管理養護過程中，特別是針對居住區和道路綠地，降低土壤容重，適當提高養分的補充，可提高土壤有機質的積累。提高土壤肥力及改善土壤結構，對恢復土壤與植物間養分轉化和能量流動過程、提高城市土壤質量以及修復土壤生態等都具有積極作用。

4 結論

1)南京市城區不同功能區綠地土壤容重偏大，且pH整體呈堿性。

2)公園綠地土壤質量要高于居住區和道路綠地。公園綠地土壤全氮、有效磷和速效鉀含量顯著高于道路綠地，且公園綠地土壤微生物生物量碳含量和微生物熵顯著高于居住區和道路綠地。

3)相關性分析結果表明，土壤微生物生物量碳含量與有機質、全氮和速效鉀含量呈極顯著正相關(< 0.01)，與有效磷含量呈顯著正相關(<0.05)，與土壤容重呈極顯著負相關(<0.01)；土壤有機質與全氮和速效鉀含量呈極顯著正相關(<0.01)，與有效磷含量和pH無顯著相關性，與容重呈顯著負相關(<0.05)。因此，在城市綠地土壤的養護過程中，應適當提高綠地養護精細度，合理施肥，多松土，增加枯枝落葉等凋落物覆蓋，有利于改善土壤質量和城市生態環境。

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Distribution of Soil Physicochemical Properties and Microbial Biomass in Three Green Lands with Different Use Types in the Urban Area

LI Xiaoying1,2, ZHOU Huimin2*, LI Chang2, HE Lisi2, LIU Xiaoqing2, XIAO Zheng2, LU Haifei3, SU Jiale2

(1 College of Horticulture and Plant Protection, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225009, China; 2 Jiangsu Key Laboratory for Horticultural Crop Genetic Improvement, Institute of Leisure Agriculture, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 3 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

In order to improve the service function of the urban green space ecosystem and promote the sustainable development of the city, this study explored the distribution characteristics of physicochemical properties and microbial biomass in the surface soils of green lands in different functional areas in Nanjing, China.In general, the soils of these three green lands were all alkaline and the values of soil bulk density were all very high.Importantly, compared to roadside tree-soils, the contents of soil total nitrogen, available phosphorus and available potassium were significantly higher in the park green land.In addition, although there was no significant difference in the content of organic matter among the three green lands, soil microbial biomass carbon and microbial quotient in park green land were significantly higher than other two types of green land use.These results indicated that the soil structure and nutrients in park green land were better than roadside trees land.Furthermore, correlation analysis showed that soil microbial biomass carbon was significantly positively correlated with soil organic matter, total nitrogen and available potassium.Also, there was a significant positive correlation with available phosphorus, and a significant negative correlation with soil bulk density.Soil organic matter was significantly positively correlated with soil total nitrogen and available potassium, negatively correlated to soil bulk density and not correlated to available phosphorus and soil pH.Therefore, loosening the soil frequently, applying appropriate fertilizers, increasing the mulching of greenery wastes and improving soil conservation management level would play positive roles in restoring the soil ecology and urban ecological construction.

Urban green land; Functional area; Soil nutrient; Soil microbial biomass carbon; Microbial quotient

S153；S154.36

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.04.027

李曉英, 周惠民, 李暢, 等.城市不同功能區綠地土壤理化性質及微生物生物量的分布特征.土壤, 2021, 53(4): 874–880.

國家青年科學基金項目(41807100)和江蘇省農業科技自主創新項目(CX (19) 3047)資助。

(zing1018@163.com)

李曉英(1994—)，女，甘肅酒泉人，碩士研究生，主要從事城市退化土壤改良與利用的研究。E-mail: 2440473753@qq.com