城市绿地土壤质量研究进展

王小涵

黄绍敏

张 浪*

韩继刚

伍海兵

城市生态系统是一个高度复杂的社会-经济-自然复合生态系统[1]，是人类活动的聚集地。美国、加拿大和澳大利亚等发达国家的城市人口数量已达总人口的85%以上，联合国发布的预测表明，到2050年世界上68%以上的人口将会居住在城市地区[2]。人口迅速膨胀和高度聚集也产生了一系列的社会与环境问题，城市生态系统中具备生态调节功能的自然地表主要为城市绿地。绿地土壤作为城市生态功能的重要介质与载体，通过一系列的生态过程，在维护城市生态系统平衡与可持续发展等方面发挥了不可替代的作用[3-4]。除了直接影响植被生长及其生态景观功能外，研究表明绿地土壤与保障人类健康福祉也存在密切关系[4-6]，因此城市绿地土壤特征与质量研究受到了越来越多的关注。2015年9月包括中国在内的全球193个国家共同签署的《变革我们的世界：2030年可持续发展议程》中目标11.7与城市绿地直接相关，要求“到2030年，向所有人，特别是妇女、儿童、老年人和残疾人，普遍提供安全、包容、无障碍、绿色的公共空间”[7]。然而与农田、草地、森林等生态系统相比，国内外围绕城市生态系统中绿地土壤特征与质量开展的研究相对较少。从土壤学、生态学及可持续发展角度，深入探讨绿地土壤与城市生态健康的关系，有助于深入理解绿地土壤质量对城市生态平衡与健康的重要意义，为城市土地资源高效规划利用及决策制定提供依据。

本文以城市绿地土壤质量为研究对象，梳理了城市绿地的相关概念，讨论土壤质量在城市绿地领域中的发展与应用。本文内容主要包括以下3个方面：1)城市绿地兴起与分类；2)城市绿地土壤质量内涵与评价；3)城市绿地土壤质量提升技术。

1 城市绿地的兴起与分类

在古希腊、古罗马时期，公众户外游憩活动主要集中在集市、墓园、军事用地等城市空间，至文艺复兴时期，随着城市改造、广场建设及部分皇家园林定期开放，出现了早期的城市公共活动空间[8]。在欧洲大部分地区，自然-城市二元论一直是城市规划和创造绿色空间的重要组成部分。18世纪中期工业革命的开始推动城市迅速发展，导致城市拥堵、空气污染等环境问题日趋严峻；19世纪30年代大霍乱在欧洲蔓延，疾病带来的高死亡率也使得社会改革的需求日益高涨，从而推动了城市公园运动及各种城市改革。19世纪中期，随着民主思想的发展，海德公园、肯辛顿公园、圣詹姆斯公园等私有狩猎场地逐步向市民开放[9]。同一时期，法国巴黎也在塞纳区行政长官奥斯曼的主持下进行了大规模的城市改造，开辟了供市民使用的绿色空间[8]。进入20世纪，接触自然生态空间成为一项普遍的权利，成为公园和其他绿地大规模扩张的新契机。

日本是亚洲最早开始进行公园与绿地建设的国家。明治维新之后，日本积极学习欧美现代化城市的建设理念，早在1873年就颁布了《作为群众游览观光城所的公园建设的相关规定》，成为日本最初的公园绿地法规[10]。之后，受到美国“地方规划”和“田园城市”思想的影响，在日本国内逐渐展开了不同于公园的“绿地”概念研究和探讨。进入20世纪30年代后，东京市面积逐渐扩大，成为仅次于纽约的世界第二大城市。为了改善城市环境，1939年通过了以景园地、环状绿地代、大公园及行乐道路为主的《东京绿地规划》。1977年日本建设省首次提出制定完整的城市“绿地总体规划”的必要性，对绿地指标做出明确要求，并在全国范围内开展了规划的编制工作。20世纪90年代，日本基本完成了城市扩张并进入“成熟型城市期”，绿地政策与建设重点变为以政务引导市民和企业进行绿化建设及绿地开放。

与欧美、日本等发达国家相比，我国的城市公共绿地发展较为滞后。清朝末期之前我国城市园林多为皇家宫苑，民国时期部分皇家园林逐步向社会开放，如北京的中央公园、天坛公园等。1840年鸦片战争爆发以后大量皇家园林遭受破坏，同时在上海、天津等租界中修建了租界公园，如上海的外滩公园、虹口公园和天津的维多利亚公园等。城市公园的出现结束了园林私有的历史，园林绿地开始进入普通大众的生活。1949年中华人民共和国成立后城市绿化工作逐步展开，在1953—1958年第一个五年计划时期，我国学习苏联文化休闲公园的模式，建立了很多公园绿地。1978年十一届三中全会后园林绿化作为城市基础设施之一被纳入城市建设规划，我国的绿地建设进入高速发展阶段。1982年城乡建设部颁发了《城市园林绿化管理暂行条例》，是我国颁发的第一个城市绿化政策法规。1992年在世界环境发展大会上中国政府宣布了“经济建设、城乡建设和环境建设同步规划、同步实施、同步发展”的方针，大力推进“园林城市”创建工作。2000年以后我国陆续颁布了《城市绿地系统规划编制技术纲要(试行)》《城市绿地分类标准》等一系列法规文件及标准规范。目前，我国城市绿地资源日益丰富，绿地建设由单纯的规模扩张转向扩容提质的新时期，城市绿地发展开始向提升城市生态文明、改善居民生活质量的目标转变[11]。

2002年建设部发布的《城市绿地分类标准》(CJJ/T 85—2002)中把城市绿地分为公园绿地、生产绿地、防护绿地、附属绿地和其他绿地5类。2017年，对该标准绿地大类、中类和小类进行调整，对“其他绿地”的名称及中类内容进行修改，发布了新的行业标准《城市绿地分类标准》CJJ/T85—2017。目前，城市绿地分为公园绿地、防护绿地、广场用地、附属绿地和区域绿地5类。在《园林基本术语标准》中对城市绿地的描述为“以植被为主要存在形态，用于改善城市生态。保护环境，为居民提供游憩场地和美化城市的一种城市用地”。《城市绿地分类标准》2017版对城市绿地的定义为“以自然植被和人工植被为主要存在形态的城市用地”，它包含2个层次的内容：1)城市建设用地范围内用于绿化的土地；2)城市建设用地之外对城市生态、景观和居民休闲生活具有积极作用、绿化环境较好的区域。

2 城市绿地土壤质量的内涵与评价

自从Mausel[12]首次引用“土壤质量”这一概念以来，随着人们对生态环境意识的深入理解，这一概念也经历了一系列发展变化。土壤质量不仅代表土壤的生产力，也包括人与土壤之间的相互作用、生态系统的可持续性，以及作为不可替代的自然资源的内在价值[13]，被广泛应用于农田、草地等生态系统的土壤质量研究中。20世纪90年代以来，欧美等发达国家针对不同研究尺度和使用人群，开展了大量评价工具研发及土壤质量评估项目。国家尺度的土壤质量评估主要基于大规模数据监测与分析，加拿大政府于1988年启动了最早的国家土壤质量评估和监测项目之一，利用基准点评估土壤质量随时间的变化，特别是与土壤侵蚀、压实、有机质流失、酸化和盐渍化威胁有关的变化[14]。新西兰[15-16]、澳大利亚[17]和欧洲[18-19]等也陆续开展了国家尺度的土壤质量评价调研与工具开发。针对地块尺度土壤质量评价，美国开发了2种工具，包括土壤质量研究所开发的土壤评估框架(Soil Management Assessment Framework)和康奈尔土壤健康测试(The Cornell Soil Health Test)[20]。其中，康奈尔土壤健康测试更加标准化，直接针对土地使用者，为农民、景观管理者和其他人提供各种土壤健康测试包，并与结果一起向他们提供管理建议[21]。随着科学技术的发展，可视化、数字化的土壤质量评价工具逐渐发展起来[20]。我国土壤质量评价研究与工作的开展相对较晚，1999年启动的“土壤质量演变机理与土壤资源持续利用研究”项目是我国第一批国家重点基础研究发展计划，该项目阐明了土壤质量的科学内涵及我国土壤质量状况，初步提出了表征土壤质量的量化指标。随着保持和改善土壤质量的压力越来越大，我国政府于2008年成立了中国土壤质量标准化与技术委员会(SAC/TC 404)，负责制定和修改土壤质量标准，包括土壤质量评估和土壤修复工作中涉及的术语、指标、标准、土壤取样方法等[22]。2017年我国农业部成立了耕地质量监测保护中心，构建了覆盖粮食主产区和主要农产品功能区的耕地质量监测网络。

与农田等生态系统土壤质量研究相比，针对城市土壤质量内涵及其变化过程的研究相对较少，已有研究中的绿地土壤质量泛指绿地土壤肥力质量。我国城市绿地土壤性质研究始于20世纪80年代末期，北京[23]、重庆[24]、广州[25]等地陆续展开了绿地土壤性质研究，以公园绿地土壤为研究对象，研究内容主要为土壤基本理化性状、养分特征变化及土壤改良剂应用效果等。2000年以后，城市绿地土壤质量评价研究在我国逐步兴起，其中上海是我国较早开展城市绿地土壤质量研究的城市之一。例如，项建光等[26]对上海市内部分新建景观绿地进行了土壤现状调查，使用pH值、EC值、有机质、容重、通气孔隙度和阳离子代换量6个土壤特征指标对新建绿地土壤质量进行评价。目前，关于绿地土壤质量评价也尚未形成统一的指标体系、评价方法及分级标准。为了确定目前国内常用的绿地土壤质量评价指标，在中国知网中以“绿地土壤质量”为关键词，对包含绿地土壤质量评价的75篇文章进行分析，发现共52个土壤性质指标被用于绿地土壤质量评价，包含土壤物理、化学和生物指标3个方面(图1)。所有评价指标中，土壤酸碱度(pH值)和有机质(SOM)是最常用的2个指标，在75篇文献中分别被使用了69和67次。有效磷、有效钾、有效氮及土壤容重也是较为常用的评价指标，50%以上的文献使用了这些指标。国内土壤质量评价研究中，大部分研究使用的评价指标会同时包含物理、化学和生物3个方面，这3个方面通常在所有土壤功能或基于土壤的生态系统服务的研究中是基本的必备内容。其中，使用频率较高的物理指标为土壤容重、土壤质地和总孔隙度；土壤化学指标中最为常用的指标为pH值、有机质、有效磷、速效钾和水解氮；使用的土壤生物指标为过氧化氢酶、脲酶、蛋白酶等，近85%的研究并未对土壤生物性质进行量化分析。这表明已有研究中的绿地土壤质量评价指标不足以全面反映绿地土壤功能及其提供的生态系统服务。此外，与较为成熟的农业土壤质量监测评价研究相比，城市绿地土壤质量研究在研究尺度及评价手段等方面都存在一定差距。我国城市绿地土壤质量研究尺度主要为地块尺度及城市尺度，尚无国家层面的绿地土壤质量监测及评价方面的研究，评价方法主要为内梅罗指数法、基于主成分分析的模糊数学法等统计方法，尚无数字化的评价手段和工具。

图1 国内绿地土壤质量评价中土壤化学、物理、生物指标及其使用频次

尽管土壤有机质含量作为土壤质量指标普遍存在，但由于有机碳库较为稳定，人为活动如管理措施和土地利用变化引起的土壤质量变化很难通过有机质的变化被快速检测出来[27]。土壤微生物是土壤的有机组分，是生态系统中最为活跃的部分，对环境条件变化的响应十分迅速，因此被认为是评价土壤质量最敏感的指标之一[28-30]。微生物生物量[31]、土壤酶活性[32-33]、土壤呼吸强度[32]等是绿地土壤质量评价中较为常用的土壤生物学指标。2010年以来，土壤生物学的迅速发展促进了基于基因型和表型群落多样性指标的发掘[34]。Tresch等[35]通过定量实时PCR(qPCR)检测细菌和真菌基因拷贝数作为城市绿地土壤质量的生物指标。此外，针对绿地土壤微生物群落组成、功能多样性、微生物群落相互作用强度等方面的研究也吸引了越来越多的关注[36-38]。与传统方法相比，以DNA和RNA为核心的分子方法在快速、廉价和信息量更大的土壤生物区系和土壤过程测量方面具有巨大的潜力。新的生物评价指标与体系，尤其是能够快速、低成本地检测并应用于大量土壤样本分析的指标体系发展可能会改变现有绿地土壤质量评价的局面。因此，在现有的土壤质量监测研究中可能会产生新的土壤生物指标以替代或补充现有的土壤质量指标。

相对于自然土壤的肥力质量而言，城市空间内的土壤环境和生态质量应受到更多关注。绿地土壤是植物的生长介质和养分的供应者，是动植物的重要栖息地和能量来源，对城市污染物具有一定的汇集和净化功能，对城市生态健康与发展有重要意义[39-40]。然而长期以来，国内外的土壤学研究大多针对土壤生产力的提高与维护方面，对城市绿地土壤的环境与生态功能关注较少。受快速的城市发展和高强度人类活动的影响，绿地土壤性质可能显著偏离同地带背景土壤特征，严重的土壤污染如金属污染[41-42]、有机物污染[43]等是城市绿地土壤面临的重要问题之一。绿地土壤质量评价除包含常规的肥力质量外，还应同时在环境质量方面有一定体现。如Tresch等[44]在针对瑞士苏黎世的85个公园绿地进行土壤质量评价时，同时考量土壤物理、化学、生物及土壤金属含量特性，将土壤As、Ba、Co、Cu、Ni和Pb等金属含量作为绿地土壤质量评价的重要指标。我国大多数绿地土壤环境质量评价研究与绿地土壤质量评价研究独立展开，同样采用污染物(重金属、多环芳烃等)含量作为评价区域绿地土壤环境质量的关键指标[42，45]。尽管污染物含量指标能够直接表征土壤污染水平，但在表征土壤对污染物过滤、净化及缓冲等环境生态功能方面还尤为欠缺。此外，城市绿地土壤通过维持动植物多样性、降低环境污染等途径在保障人类健康方面的作用与贡献也成为生态学领域的研究热点[4]，如何量化并将绿地土壤对人类健康的作用包含于绿地土壤质量中仍处于探索阶段。因此，我国城市绿地土壤质量评价与研究仍存在一些不足，主要表现在：1)绿地土壤质量内涵不明确，对绿地土壤质量评价缺乏有针对性的综合研究；2)绿地土壤质量评价体系构建较为滞后，评价指标不足以全面反映绿地土壤质量内涵。

3 城市绿地土壤质量提升技术

随着社会对城市绿地、生态环境及人类福祉认识的逐渐深入，我国各地城市绿地规模呈现快速上升趋势。据统计，2010—2016年，我国城市建成区绿化覆盖面积由16 125km2增至22 050km2，增加近40%[11]。然而，由于城市土地资源短缺问题十分严峻，城市绿地多由城市废弃地、采矿塌陷地、污染场地、滨海盐渍土等土地利用类型转变而来，导致新建绿地存在养分含量低下、保水能力较差、土层结构不完整或存在一定程度污染等问题。因此，如何快速提高绿地土壤质量是提高城市绿化质量的首要问题。近年来，绿地土壤理化性质改良与提升技术已成为新的研究热点。绿地土壤质量改良主要针对土壤物理、化学及生物性状单方面。例如，土壤中添加一定比例的粗砂、沸石等改良剂可以减少黏粒比重，增加土壤渗透性，对黏壤土的渗透性改良效果明显[46]。及时翻松、覆盖枯枝落叶等养护措施也可降低土壤容重，增加土壤通气性，提高土壤持水能力[47]。适当施用石灰、石膏及硫酸亚铁等是调节土壤酸碱性的常用改良剂。增施有机肥则是常用的提高土壤肥力、增强土壤缓冲性能的常用措施。为应对全球气候变化，我国在2020年第七十五届联合国大会上承诺在2030年实现碳达峰，努力争取在2060年前实现碳中和；2021年碳达峰和碳中和被首次写入政府工作报告中。在固碳减排、推动绿色发展的背景下，城市生活垃圾、园林废弃物等废弃物资源化利用受到了越来越多的关注，成为园林土壤养护的重要途径。司丽青等[48]通过高羊茅盆栽试验发现，城市污泥与园林废弃物堆肥混合之后，土壤有机质、全氮及全磷等养分含量显著提高了，同时改变土壤重金属赋存形态，有利于植被和微生物对重金属的吸收和降解。郑丽锦等[49]通过盆栽试验对比城市绿地常用有机肥如蘑菇渣堆肥、鸡粪有机肥、猪粪有机肥和园林废弃物堆肥的改土效果及其对园林植被台湾草生长的影响，结果表明园林废弃物堆肥处理的土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量最高，园林废弃物堆肥的施用有助于土壤大团聚体的形成。连鹏等[50]以紫穗槐为研究对象，发现城市污泥与园林废弃物混合堆肥施用能够显著提高土壤微生物量和土壤酶活性，进而改善土壤生物环境。根据各地自然环境状况采取工程技术措施进行绿化土壤改良也是绿地土壤质量提升的重要途径。沿海围垦吹填土作为重要的土地后备资源，其障碍消减及改土绿化技术也是绿地土壤质量提升的重要研究内容。近年来，上海、天津、唐山等沿海城市在吹填土原位改土绿化技术方面开展了大量工作。例如通过“浅密式”排盐系统工艺，以暗管排水技术为主，综合集成客土、培肥改土和灌溉淋洗技术等方法对滨海沿途进行综合改良绿化，改善土壤通气透水性，提高土壤养分[51]。胡月楠等[52]开展了滨海盐碱地梯田式吹填土绿化技术试验研究，通过抬高地面、梯田式造型整地等方法实现了雨水的有效拦蓄利用，不但能增加土壤的保水保肥能力，而且可以充分淋洗土壤、降低盐分，同时解决了滨海盐碱地园林绿化淡水资源不足的问题。此外，由于城市土壤质量存在较多障碍因子，针对园林绿化工程建设快速成景的实际要求，张浪等[53]提出配生土这一概念。配生土是人为干预制成并满足植物健康、快速生长条件的土壤，其主要特点是根据立地条件，对原土、客土、有机无机改良材料及微生物菌剂等进行科学配置，具有较好的物理性质、较高的生物活性及环境调控能力，能够较为全面地满足植物生长发育所需的土壤条件，可以实现工厂化、规模化生产和园林绿化快速成景等[53]。

4 展望

近年来，国内外学者已广泛开展了城市绿地土壤性质与功能的相关研究，为构建城市绿地土壤质量评价体系提供了科学基础。本文依次对城市绿地发展历程、相关概念辨析、城市绿地土壤质量评价现状及绿地土壤提升技术进行综述。城市绿地土壤是维护城市生态系统健康平衡的重要屏障，虽然人们对城市绿地土壤质量的关注逐渐加强，但其内涵与评价等方面的研究仍处于探索阶段。本文在梳理已有研究的基础上，为该领域的未来研究方向提出以下建议：1)明确绿地土壤质量的概念与内涵；2)加强大尺度绿地土壤质量的监测与长期研究，关注人类活动干扰条件下绿地土壤过程、功能及生态系统服务的响应与机制；3)针对不同研究尺度、不同目标人群，建立包含土壤肥力质量、环境质量及健康质量的综合性绿地土壤质量评价体系，开发经济高效的评价手段；4)针对不同立地条件研发绿地土壤质量提升技术。

注：文中图片均由作者绘制。