上海市搬遷地土壤團聚體的分布特征

梁 晶, 伍海兵, 張 浪

(1.上海市園林科學規劃研究院, 上海 200232; 2.上海城市困難立地綠化工程技術研究中心, 上海 200232)

隨著城市的快速發展，人們對城市生態環境要求的提升，導致園林綠化作為城市發展規劃的重要組成部分，是唯一有生命的基礎設施，也是生態環境建設的重要內容之一，園林綠化質量直接影響到城市文明和生態環境建設的質量和水準[1]。近年來，綠化建設在我國得到前所未有的發展，尤其是上海，如《上海市生態空間專項規劃(2018—2035年)》中提出，到2035年上海的生態用地占陸域面積的比重不低于60%，森林覆蓋率提升至23%左右，人均公園綠地面積實現13 m2以上[2]。然而，上海城市土地資源日趨緊張，要實現該目標，土地置換開發已成為城市土地可持續利用的重要手段[3]，原有高污染的化工區、高能耗的企業以及城中村等逐步從城市中心區搬遷，越來越多的城市園林綠化需在搬遷地、建(構)筑物外立面等“城市困難立地”上開展建設[4-5]，當前上海中心城區域已規未建綠地中工企業、城中村等困難立地所占比例達到76%，其中工企業搬遷地等一類城市困難立地所占比例達35%，城中村搬遷地等二類城市困難立地所占比例達50%[6]。但搬遷地土壤常常受到不同程度的退化，如土壤物理性質惡化、土壤生物活性破壞、土壤營養物質流失等，嚴重影響了植物的生長，尤其是土壤團聚體的破壞，阻礙大團聚體的再次形成，加劇土壤質量的退化，直接阻礙搬遷地園林綠化建設。土壤團聚體作為土壤結構的基本組成單元，不僅綜合土壤中各種不同形狀、大小、孔隙度和水穩性的團聚體，而且是土壤中養分的載體和微生物的生存環境[7-8]。土壤團聚體數量多少和質量好壞在一定程度上反映土壤質量水平，也是土壤保水、保肥的基礎，直接影響著土壤水肥庫作用持續性[9]，良好的土壤團聚體可使土壤表面形成蒸發界面，降低土壤地表徑流和土壤營養流失，為植物生長提供良好的生長條件[10]。目前對土壤團聚體的研究多集中在農業或林業土壤上，如王浩田等[11]開展了皖南地區不同年限煙—稻輪作的土壤團聚體組成研究，白娜玲等[12]進行了不同施肥方式對土壤團聚體分布影響的研究，喻國軍等[13]研究了造林對土壤團聚體穩定性的影響；對于城市土壤，學者們更多關注的是其土壤養分、污染特征、修復技術等研究[14-17]，對城市土壤團聚體的相關研究較少，少量報道也是針對已種植植物的綠化土壤團聚體分布特征[18]，鮮有報道城市搬遷地土壤團聚體分布特征規律的相關研究。城市搬遷地土壤受人為活動的強烈影響，除自然土壤物質外還包含大量的人為物質，如建筑垃圾、生活垃圾、工業廢棄物和污染物，部分土壤含石塊和礫石高達80%以上[19]，各種侵入體進入城市土壤中與自然土壤混合在一起，而且在大規模的建設中，土壤經過長期、無序地挖掘、搬運、混合，形成無層次和無規律的土體結構，往往改變土壤原有的特性[20]。為此，本研究以上海市城中村搬遷地和工企業搬遷地等典型城市困難立地為研究對象，對上海市搬遷地土壤團聚體特征進行研究，分析搬遷地土壤團聚體組成、分布規律及穩定性，并通過搬遷地土壤團聚體與土壤基本理化性質的相關關系，探討搬遷地土壤團粒結構的分布特征，以期為搬遷地土壤團粒結構改善提供數據支撐，為城市困難立地園林綠化建設提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與處理 本研究主要選取了10個較典型的城中村和工企業搬遷地樣地為研究對象，其中，選取了5個城中村搬遷地樣地，設置了13個樣點；選取了5個工企業搬遷地樣地，設置了14個樣點，總共設置了27個較具代表性的樣點(表1)，于2019年11月，分別采集各搬遷地表層0—30 cm原狀土(不破壞土壤結構)，每個樣點的土壤樣品均采用“S形法”由8個取樣點的樣品混合組成，并采用四分法保留2 kg左右樣品帶回實驗室(運輸的過程中，減少對土樣的擾動)，將原狀土壤沿自然裂縫剝離至1 cm左右，將土樣平攤在陰涼干燥處，風干后剔除土樣中的石塊和腐殖質殘留物，取出500 g左右土進行土壤團聚體分析。同時，每個樣點用100 cm3的環刀進行現場取樣并帶回實驗室，每個樣點5組重復，用于土壤容重、田間持水量和總孔隙度的測定。

表1 土壤采樣點分布情況

1.2.2 測定方法 土壤非水穩性團聚體采用干篩法進行測定[21]。取風干土使其通過一套直徑20 cm，孔徑由上到下順序為2，1，0.5，0.25和0.106 mm的篩組，篩組上方帶蓋防止振動灑落，下方有底盒收集<0.106 mm粒級土樣。手動篩分分別得到>2 mm，1～2 mm，0.5～1.0 mm，0.25～0.5 mm，0.106～0.25 mm和<0.106 mm的各級土壤團粒，最后將各級篩網上的土樣分別收集稱重，計算出各級干篩團聚體重量占土樣總重量的百分比。土壤水穩性團聚體采用DIK-2012土壤團粒分析儀進行測定[22]，具體為：取過10 mm孔徑篩子的風干土50 g左右，放入到燒杯中，添加蒸餾水直到完全淹沒，并放置24 h，放入到DIK-2012土壤團粒分析儀中，進行上下振蕩30 min，然后分別洗出孔徑2，1，0.5，0.25，0.106 mm篩中土壤至燒杯中，放入105 ℃烘箱中烘干，分別得到>2，1～2，0.5～1.0，0.25～0.5，0.106～0.25和<0.106 mm各級水穩性土壤團粒重量，計算出各級水穩性團聚體重量占土樣總重量的百分比。此外土壤容重、總孔隙度和田間持水量采用環刀法，土壤pH值采用電位法測定(水土比2.5∶1)，土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法，土壤水解性氮采用堿解—擴散法，土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提—比色，土壤速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法。詳細測定方法參考《森林土壤分析方法》測定[21]。

1.2.3 數據分析 試驗所得數據采用Excel 2007軟件進行作圖，利用SPSS 17.0軟件對數據進行統計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD法進行方差分析和多重比較(α=0.05)，用Pearson法對土壤基本理化性質和土壤團粒組成進行相關分析。圖中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 搬遷地土壤團粒組成分布特征

2.1.1 土壤非水穩性團聚體分布特征 上海搬遷地土壤非水穩性團聚體分布詳見表2。從表2可知，土壤非水穩性團聚體各粒徑含量大小順序為：(≥2 mm)>(1～2 mm)>(0.5～1.0 mm)>(0.25～0.5 mm)，其中以≥2 mm非水穩性團聚體含量最多，所占比例達64.9%，0.25～0.5 mm非水穩性團聚體含量最小，所占比例為4.80%。搬遷地土壤非水穩性微團聚體(<0.25 mm)分布較少，僅為8.70 %，在微團聚體中以粒徑<0.106 mm占的比例相對較高，比例為5.95%。由此可見，搬遷地土壤非水穩性團聚體主要以團粒結構體為主，所占比例高達91.3%，這可能與上海本底土壤質地偏黏有關[23]，土壤容易結塊，較易形成一定的團粒結構。

表2 搬遷地土壤非水穩性和水穩性團聚體分布及組成(n=27)

2.1.2 土壤水穩性團聚體分布特征 土壤水穩性團聚體是土粒通過各種自然作用形成的抗水力分散的結構單位[24]，其穩定性在一定程度上是反映土壤結構的穩定性，與土壤的抗侵蝕能力以及環境質量有著密切的關系[25]，也是評價判斷土壤質量是否發生退化的重要指標[26]。從表2上海搬遷地土壤水穩性團聚體分布可以得知，與土壤非水穩性團聚體分布特征不同，土壤水穩性團聚體各粒徑含量大小順序為：(≥2 mm)>(0.25～0.5 mm)>(0.5～1.0 mm)>(1～2 mm)，其中以≥2 mm水穩性團聚體含量相對最多，占比為6.10%，1～2 mm水穩性團聚體含量最小，所占比例為2.80%。搬遷地土壤水穩性微團聚體(<0.25 mm)分布較多，主要以<0.106 mm粒徑的水穩性微團聚體為主，所占比例高達73.4%。由此可見，搬遷地土壤水穩性團聚體主要以非團粒結構體為主，所占比例高達81.8%，而團粒結構體僅為18.2%，土壤團粒結構較差。

2.1.3 土壤團粒結構穩定性 土壤團粒結構的穩定性直接影響著土壤水分的運輸和存儲、土壤通氣性和土壤侵蝕等[27-28]。一般用土壤團聚體破壞率反映土壤團粒結構的穩定性，即團聚體破壞率愈小，土壤團粒結構的穩定性越好，土壤質量越佳。從表2可以發現，上海搬遷地土壤團聚體破壞率較大，高達79.8%，即搬遷地土壤團粒結構穩定性差。由此可見，上海搬遷地土壤團粒結構不穩定，主要以非穩定團粒結構組成，在外界作用下，極易遭到破壞。

2.2 不同類型搬遷地土壤團粒組成分布特征

2.2.1 不同類型搬遷地土壤非水穩性團聚體 不同的土地利用方式對團聚體含量、不同粒徑團聚體組成分布等存在重要影響[29]，不同類型搬遷地土壤非水穩性團聚體存在一定差異(圖1)。其中城中村搬遷地土壤粒徑≥2 mm和0.25～0.5 mm的大團聚體含量顯著高于工企業搬遷地(p<0.05)，而土壤粒徑<0.106 mm的微團聚體含量顯著低于工企業搬遷地(p<0.05)，而城中村搬遷地和工企業搬遷地土壤其他粒徑差異不明顯(p>0.05)。另外，城中村搬遷地土壤團粒結構體(≥0.25 mm)顯著高于工企業搬遷地(p<0.05)。

注：圖中同一粒徑上的不同小寫字母表示不同搬遷地土壤差異顯著(p<0.05)。下同

2.2.2 不同類型搬遷地土壤水穩性團聚體 不同類型搬遷地土壤水穩性團聚體也存在一定差異(圖2)，其中城中村搬遷地土壤粒徑為0.106～0.25 mm的微聚體含量顯著低于工企業搬遷地(p<0.05)，而城中村和工企業搬遷地土壤中其他粒徑分布差異不顯著(p>0.05)。另外，雖然城中村搬遷地土壤團粒結構體(≥0.25 mm)與工企業搬遷地(p>0.05)差異不顯著，但城中村搬遷地土壤團粒結構體高于工企業搬遷地，高出比例達38.9%。

圖2 不同類型搬遷地土壤水穩性團聚體

2.2.3 不同類型搬遷地土壤團粒結構穩定性 圖3表示不同類型搬遷地土壤團聚體破壞率。從圖3可以發現，工企業搬遷地土壤團聚體破壞率高于城中村搬遷地，高出13.9%，差異達到了顯著水平(p<0.05)。由此可見，城中村搬遷地土壤團粒結構穩定性優于工企業搬遷地，即說明城中村搬遷地土壤質量優于工企業搬遷地。

圖3 不同類型搬遷地土壤團聚體破壞率

2.3 搬遷地土壤團粒組成與基本理化性質相關性分析

通常土壤團粒結構的形成與土壤有機質、容重等土壤理化性質有關。從表3土壤團粒組成與土壤基本理化性質的相關性可以看出，搬遷地土壤非水穩性團聚體與土壤理化性質具有一定相關性，主要表現在大團聚體中粒徑≥2 mm，0.5～1.0 mm，0.25～0.5 mm與土壤pH值顯著相關(p<0.05)，而微團聚體中粒徑0.106～0.25 mm與土壤容重、田間持水量、總孔隙度及pH值均顯著相關(p<0.05)，尤其是與容重和田間持水量達到了極顯著相關(p<0.01)。另外，土壤團粒結構體(≥0.25 mm)與pH具有顯著相關性(p<0.05)。

土壤水穩性團聚體與土壤理化性質具有一定相關性(表3)，其中粒徑≥2 mm的大團聚體與田間持水量、容重及總孔隙度均達到了極顯著相關性(p<0.01)；粒徑1～2 mm的團聚體與容重、田間持水量及總孔隙度達到了極顯著相關性(p<0.01)，與有機質達到了顯著相關性水平(p<0.05)；粒徑0.5～1.0 mm的團聚體與有機質、容重、田間持水量及總孔隙度具有極顯著相關性(p<0.01)，與水解氮達到了顯著相關性(p<0.05)；粒徑0.25～0.5 mm團聚體與有機質、有效磷及水解氮具有極顯著相關性(p<0.01)，與總孔隙度具有顯著相關性(p<0.05)。而粒徑0.106～0.25 mm的微團聚體與有機質達到了極顯著相關水平(p<0.01)；粒徑<0.106 mm的微團聚體與容重、有機質、田間持水量及總孔隙度具有極顯著相關性(p<0.01)。另外，土壤團粒結構體(≥0.25 mm)與容重、田間持水量、總孔隙度及有機質也均達到了極顯著相關水平(p<0.01)，這與章明奎等研究結果相一致[30]。由此可見搬遷地土壤水穩性團聚體更易影響土壤理化性質。土壤團聚體破壞率與土壤容重達到了極顯著正相關性水平(p<0.01)，與土壤田間持水量、有機質及總孔隙度則具有極顯著負相關性(p<0.01)。

表3 土壤團粒組成與基本理化性質相關性分析

3 討 論

城市搬遷地作為當前大中城市進行綠地景觀建設的主要土地空間資源，其土壤理化性質尤其是土壤物理結構對植物生長至關重要，有研究表明公園綠地中，95%的樹木死亡是由于土壤物理性質退化導致的[31]。土壤團聚體的粒徑分布不僅反映土壤結構狀況[32]，且影響著土壤的通氣性、滲透性等，是評價土壤結構的重要指標[33-34]。研究土壤團聚體的組成、分布規律及穩定性對城市搬遷地綠化景觀營建具有作用。團聚體通過穩定土壤的結構而降低其水土流失，從而起到水土保持作用。一般將≥0.25 mm的團聚體稱為土壤團粒結構體。它是維持土壤結構穩定的基礎，其含量越高，土壤結構的穩定性越大[35]。土壤中不同粒級大小團聚體所占比例，可表明團聚體的機械穩定性。本研究采用干篩和濕篩法所得上海搬遷地土壤團聚體組成分布差異較為明顯，干篩法反映的是原狀土中非水穩性團聚體的總體狀況，而濕篩法所反映的是土壤中水穩定性團聚體的分布狀況，經過濕篩土壤非水穩定性團聚體易經過水的沖刷而破碎成小的微團聚體。上海市搬遷地土壤非水穩性團聚體主要以粒徑≥2.0 mm的大團聚體為主，微團聚體含量較少，土壤團粒結構體含量較高(≥0.25 mm)，高達91.3%，這可能由于上海市本底土壤質地偏黏[36]，土壤中的微團聚體在自然狀態下容易粘結在一起，形成大團聚體。然而土壤水穩性團聚體主要以粒徑<0.106 mm的微團聚體為主，所占比例高達73.4%，土壤團粒結構體含量較低，僅為18.2%，與一般人工林地土壤水穩性團粒體達62%以上[37]及農田土壤達49%以上[38]差距較大，城市搬遷地土壤結構整體較差。搬遷地土壤團聚體破壞率大，高達79.8%，土壤團粒結構穩定性較差，形成的團粒結構體易受到外力作用遭到破壞，影響土壤團粒結構的穩定性因素眾多，如土地利用方式、植被覆蓋、管理措施、氣候條件等均會影響土壤團粒結構的穩定性[39-40]，而上海搬遷地土壤結構穩定差可能主要是由于土地利用方式及人為活動干擾強而加劇了土壤團聚體的破壞，致使土壤團粒結構體不穩定，破壞率大。

對城市分布較廣泛的城中村和工企業搬遷地土壤非水穩性團聚體進行分析得知，不同類型搬遷地土壤非水穩性團聚體組成中，城中村和工企業搬遷地土壤粒徑≥2 mm團聚體含量最高，均超過了60%，由此可見，≥2 mm團聚體在不同搬遷地土壤非水穩性團粒中占主導地位。不同類型搬遷地土壤非水穩性團聚體存在一定差異性，其中城中村搬遷地土壤非水穩性大團聚體優于工企業搬遷地，土壤團粒結構體也顯著優于工企業搬遷地(p<0.05)，這可能是由于城中村含有部分菜園地、農田、果園、綠化等，經過長期的耕作、培肥等人為活動以及種植的植物根系對土壤的擠壓、穿插和分割作用，促進土壤中的微團聚體向大團聚體轉化，致使土壤團粒結構體增加，方薇、王冰等研究結果也說明植被對土壤團粒結構的形成效果明顯[41-42]，而工企業搬遷地在生產運營過程中對土壤可能存在一定的破壞，加劇了土壤的侵蝕，一方面破壞了土壤原有的團聚體，另一方面阻礙了大團聚體的形成，Tisdall等[43]研究表明，人為擾動優先破壞大團聚體，進而形成粒徑更小的團聚體，而工企業搬遷地人為擾動要強于城中村，其大團聚體更容易遭到破壞，形成小的團聚體。因此，對不同類型搬遷地可針對性地進行分類利用，以滿足植物生長和不同景觀營造需求。

不同類型搬遷地土壤水穩性團聚體組成中，城中村和工企業搬遷地土壤粒徑<106 mm團聚體含量最高，均超過了60%，由此可見，<106 mm的微團聚體在不同搬遷地土壤水穩性團粒中占主導地位，而城中村和工企業搬遷地土壤水穩性團粒結構含量均較低，分別為22.71%和13.86%，由此可見城中村和工企業搬遷地土壤質量退化嚴重。城中村搬遷地土壤水穩性團粒結構優于工企業搬遷地土壤，但差異不顯著(p>0.05)。工企業搬遷地土壤團聚體破壞率明顯高于城中村搬遷地，高出13.9%，且兩者差異達到了顯著水平(p<0.05)，這可能是由于城中村搬遷地中部分樣地受植物的影響所致，植物根系的穿插，使土壤疏松，形成較多孔隙，改善了土壤水分和通氣狀況[44]，加之根系分泌物、殘體等對土壤顆粒的膠結作用，促使團粒結構的形成[45]，從而提升了其土壤團粒結構，并增加了土壤團粒結構的穩定性，這與胡陽等研究結果一致[46]。

搬遷地土壤非水穩性團聚體和水穩性團聚體與土壤理化性質存在一定相關性，其中土壤非水穩性團聚體中的粒徑≥2 mm與土壤pH值達到了顯著負相關性(p<0.05)，粒徑0.25～0.5 mm和粒徑0.5～1.0 mm與土壤pH值達到了顯著正相關性(p<0.05)，而與土壤有機質相關性不顯著(p>0.05)，這可能是由于城市搬遷地土壤受人為干擾較大，對土壤pH值的影響大，且城市土壤有機質含量低，故土壤非水穩定性團聚體中的大團聚體受pH值影響較大。搬遷地土壤水穩性團聚體與土壤理化性質相關性較強，主要表現在土壤水穩性團粒結構體與土壤容重、田間持水量、總孔隙度及有機質均達到了極顯著相關性(p<0.01)，這與劉金福、梁士楚等研究林地土壤團粒結構結果一致[47-48]。由此可見搬遷地土壤水穩性團聚體更易影響其土壤自身特性影響，土壤團粒結構體的變化會直接影響土壤理化性質。土壤團聚體破壞率與土壤容重達到了極顯著正相關性水平(p<0.01)，與土壤田間持水量、有機質及總孔隙度則具有極顯著負相關性(p<0.01)，這主要由于土壤容重影響土壤的緊實，容重越大，土壤壓實嚴重，土壤的通氣性和持水能力弱，直接影響土壤的水肥氣熱；而土壤有機質分子上的羥基、羧基、酰胺基等功能基團可聯結礦物質顆粒形成和穩定土壤結構[49]，同時有機質為土壤微生物提供碳源，微生物分解有機質產生的有機復合物可促進土壤水穩性團粒結構體的形成[50]；土壤孔隙的增加可減少團聚體內蓄閉氣體的壓力，從而降低了消散引起的破碎，提高團聚體的穩定性[51]。由此可見，搬遷地土壤團粒結構體的穩定性受土壤理化影響，可通過降低土壤容重，提升土壤田間持水量、總孔隙度及有機質等措施來降低土壤團聚體破壞率，從而提高土壤團粒結構體的穩定性，提升搬遷地土壤質量，以滿足城市園林綠化建設。

4 結 論

上海市搬遷地土壤非水穩性團聚體主要以粒徑≥2.0 mm的大團聚體為主，土壤團粒結構體含量較高(≥0.25 mm)，高達91.3%；土壤水穩性團聚體主要以粒徑<0.106 mm的微團聚體為主，所占比例高達73.4%，土壤團粒結構體含量較低，僅為18.2%。搬遷地土壤團聚體破壞率大，土壤團粒結構穩定性較差。城中村搬遷地土壤非水穩性大團聚體優于工企業搬遷地，土壤團粒結構體也顯著優于工企業搬遷地(p<0.05)。不同類型搬遷地土壤水穩性團粒結構體差異不明顯(p>0.05)，但城中村搬遷地土壤優于工企業搬遷地土壤；工企業搬遷地土壤團聚體破壞率顯著高于城中村搬遷地(p<0.05)，高出13.9%，故上海市搬遷地土壤團粒結構體差，團聚體破壞率高，土壤團粒結構體穩定性較差，城中村土壤團粒結構體及穩定性優于工企業搬遷地。搬遷地土壤非水穩定性團聚體對土壤理化性質影響較小，而搬遷地土壤水穩性團聚體與土壤理化性質相關性較強。搬遷地土壤團聚體破壞率主要受土壤容重、田間持水量、總孔隙度及有機質等因子影響。