土壤异位改良工程在中国大型景观场地开发中的应用——以第十届中国花博会为案例

周建强 方海兰 黄 伟

土壤工程是指与土壤处理有关的工程，不仅包括土壤力学、土壤结构学、土壤发生分类等土壤方面的内容，也包含工程学、经济学、生态学、环境学等学科的先进技术，在中国国民经济建设和生态环境保护中发挥着重要作用[1]。中国有影响力的土壤工程如黄河和长江流域的水土保持工程[2-3]，高标准农田建设的耕地质量提升工程[4]，因公路、矿山开发而兴起的生态护坡工程[5]，以及随着2015年土壤污染防治法颁布后在全国大热的污染土壤修复工程等[6]。相对而言，虽然我国每年不同形式的园林绿化工程投入巨大[7]，但传统绿化工程各个环节往往只注重地上植物部分，对土壤的重要性认知不足[8]20-24。近年来，随着传统绿化所导致的植物长势衰退、景观质量差、绿地海绵功能脆弱等弊端的普遍凸显，土壤的重要性已得到人们的重视[9]。但在我国还未从园林绿化景观和土壤学角度形成土壤工程的理念，系统地开展绿化土壤工程的研究和报道也较少。而早于1968年，美国的Garret Hardin就在《科学》期刊撰文《公地悲剧》时指出，美国及世界各地很多城市在废弃或恶化内城区更新时都会碰到土壤的问题[10]；在20世纪，城市土壤问题就已引起美国风景园林师、建造商、土壤和城市生态研究者的重视[11-12]；1992年，美国的Phillip就城市土壤存在问题，专门提出“土壤设计”的理念，将土壤改良工程引入绿化景观工程，并引领该理念在美国的全面应用和发展[13]。

国内为数不多的与绿化景观土壤工程相关的报道多以土壤原位改良为主[14-15]，土壤原位改良造价低、成效快，易被一般工程所接受；但也存在土壤改良范围和精细度有限、易受其他交叉施工工程影响、无法改变整个开发场地立地条件，以及易发生土壤再次退化等缺陷，对施工复杂且景观要求高的大型工程未必适用。香港迪士尼和上海迪士尼是国内报道的仅有的2个实施绿化土壤异位改良工程的案例，受其技术保密和高投入等因素制约，在中国直接推广应用受限[16]7-13[17]207。而随着我国人民对生态环境质量和生活品质要求的不断提高，中国花卉博览会、中国国际园林博览会、植物园和游乐园等不同形式的大型景观场地开发工程在我国日益增多，采用何种土壤改良技术，已成为制约我国场地开发施工技术水平并困扰绿化景观行业发展的重要问题。为此，本文以第十届中国花博会(以下简称“花博会”)现场实施的土壤异位改良工程为例，总结其关键步骤和技术要领，并对标国际知名花展和乐园土壤质量，进一步探讨其适用性和应用前景，以期为土壤异位改良工程在我国其他大型景观场地中的应用提供借鉴。

1 研究区概况和方法

1.1 项目概况

花博会是我国集中对外展示花卉发展成果的重要品牌展会，第十届中国花博会于2021年5月21日—7月2日在上海崇明岛中北部举办，总规划约1 000hm2[18]；其中核心区约589hm2，拟打造面积最大、品种最多、形式最全的生态示范性海岛森林花博盛会。设计种植乔木有玉兰、黄山栾树等；大灌木有紫薇、梅花等；小灌木有树状月季、木本绣球等；草花有波斯菊、一串红和百日草等数百种，对土壤质量提出了高标准要求。预估整个园区需各类优质种植土约60万m3。

1.2 规划地本底土壤现状

花博会规划地(以下简称“规划地”)地处长江入海口与东海的交汇处，长江和东海带来的淤涨成陆，地势和海拔较低，土壤为冲积沉淀成土，地下水位高，常年受海水浸渍，土壤普遍盐碱严重[19]146-149。按照设计标高需抬高地形，将导致大量土方空缺；同时，园内需开挖大面积湖泊，开挖出的大量深层土也需处置；两者存在土方平衡问题。园区拟建大型场馆，大范围交叉施工多，土壤就地保护和改良困难。

1.3 材料和方法

崇明岛地处偏远，土源紧缺，大量外运客土不现实，加上花博会工期紧张和交叉施工多，因此拟借鉴上海和香港迪士尼实施的土壤异位改良工程经验。但崇明花博会会展结束后其园址仍主要作为花卉产业基地做永久保留，加上种植植物种类繁多且大多为花卉，因此花博会土壤改良配方和设计目标等都不同于上海迪士尼。为确保土壤改良质量，对全过程所有材料进行调查抽样和主控指标监控。

1.3.1 材料调查和采集

1)本底土壤：2019年10月，按照林业行业标准《绿化用表土保护技术规范》(LY/T 2445—2015)[20]规定，对整个规划地均匀布点，约10～15hm2采集一个混合样，共采集0～30cm表层土样30个；选择有代表性的1/3土样，增加30～60和60～90cm剖面采样，共采集30个剖面样(含10个表层土样)；总共50个土样。

2)土壤改良原材料：每个产地原材料至少采集1个样品，连续3次抽查性能稳定后可免检或抽样频次放宽5～10倍；原材料采集数量为：草炭27个、有机肥56个、黄沙43个、椰糠18个、脱硫石膏9个。

3)种植土配方和种植土成品：每种配方至少采集1个代表性样品； 共生产58万m3种植土成品，先按1 000m3采1个样，连续5次抽检稳定后放宽到2 000～4 000m3采1个样，共采集210个样品。

1.3.2 分析方法

样品分析按照林业行业标准《绿化用表土保护技术规范》[20]和住房和城乡建设部行业标准《绿化种植土壤》(CJ/T 340—2016)[21]规定的方法进行：其中pH值用水饱和浸提-电位法；EC值用水饱和浸提-电导率法；有机质用K2Cr2O7容量法；质地用比重计法；水解性氮用碱解-扩散法；有效磷用AB-DTPA浸提-钼锑抗比色法；速效钾用AB-DTPA浸提-火焰光度法；交换性钠用AB-DTPA浸提-火焰光度法；可溶性氯用水饱和浸提-硝酸银滴定法；每个测试项目重复2次。

1.4 评价方法

鉴于花博会景观要求较高，其理化指标主要参考《绿化种植土壤》标准中表1的技术要求；肥力指标主要参考表2的技术要求，其中土壤有机质评价标准为20～80g/kg[21]；并与上海迪士尼2012—2015年600个种植土成品的原始数据[17]189及2018年5月从英国切尔西花展采集的3个土壤样品进行分析比较。

表1 第十届花博会规划地本底土壤性质

2 第十届花博会土壤异位改良工程实施

2.1 表土收集和再利用

2.1.1 表土性质分析

花博会规划地本底土壤分析结果见表1，主要特性如下。

1)土壤pH值：土壤pH值在7.90～9.08之间，平均值为8.30±0.24，只有55.3%的土壤样品符合《绿化种植土壤》pH值<8.3的要求。

2)土壤盐分：土壤 EC 值在0.127～1.500 mS/cm 之间，平均值为0.477±0.216mS/cm；91.7%的土壤符合《绿化种植土壤》EC值在0.15～0.90mS/cm之间的要求。对盐分含量大于0.5mS/cm的土壤增加钠离子和氯离子含量分析，其中钠含量在84.0～311.0mg/kg之间，氯离子含量在84.2～474.0mg/L之间，部分样品远超出《绿化种植土壤》交换性钠<120mg/kg和可溶性氯<180mg/L的限值要求。

3)土壤有机质：土壤有机质含量在4.34～48.70g/kg之间，平均值为15.90±7.04g/kg，只有22.22%的土壤样品符合《绿化种植土壤》有机质含量在20～80g/kg之间的要求，有机质含量总体偏低。

4)土壤养分：土壤水解氮含量在36.3～86.7 mg/kg 之间；有效磷含量在6.41～51.30mg/kg之间；速效钾含量在94.4～235.0mg/kg之间；氮、磷含量中等，钾含量丰富。

5)土壤质地：土壤81.7%为粉壤土，16.7%为粉黏壤土，土壤含砂量低，土壤板结严重。

从表1可以看出，除土壤速效钾外，花博会规划地本底土壤不仅与《绿化种植土壤》标准有差距[21]，与切尔西花展和上海迪士尼土壤更是差异极显著(P<0.01)，土壤质量难以满足高品质种植需求，土壤改良任务艰巨。

从表2花博会本底土壤不同层次的理化性质可以看出，土层从0～90cm，土壤pH值显著升高，土壤盐分和有机质含量显著降低，盐分表聚明显。本底土壤质量以0～30cm层最佳；30～60cm层次之；60～90cm层最差；应优先保护0～30cm层土壤，30～60cm层土壤次之。

表2 第十届花博会崇明规划地本底剖面土壤性质

2.1.2 优化表土收集主控指标

虽然花博会规划地本底土壤存在各种障碍因子，但鉴于崇明岛和花博会土壤资源紧缺问题[19]142，为多收集表土资源，只能降低表土收集标准。针对花博会土壤盐碱主要障碍，确定现场表土收集主控指标以钠离子和氯离子为主，并将《绿化种植土壤》标准要求的交换性钠从<120mg/kg降低到<180mg/kg，可溶性氯从<180mg/L降低到<230mg/L[21]。

2.1.3 表土规范化收集和堆放

为规范花博会现场表土收集，按照《绿化用表土保护技术规范》[20]和上海迪士尼表土收集经验[22]，专门制订了《第十届花博会崇明规划地表土收集规范》，并将流程一一落实到地形图中，标明可收集表土地块、运输路线和集中堆放场地；对施工单位进行表土规范化收集培训，确保整个园区规范、有效地进行表土清表、剥离、运输和集中堆放，共完成15万m3的表土收集。同时结合花博会外围施工，另收集10余万立方米表土，基本解决了花博会原土的缺口。

2.2 设计土壤改良配方

“适地适栽”是基于生态园林理念所提倡的一种因地制宜选择植物品种的方法[23]，但大型景观场地开发工程与之相反，特别像花博会这种全国性的园艺盛会，往往是先确定展会地点和主题，再从设计的角度提出规划布局和拟种植的主要植物品种，土壤往往是最后才考虑的因素。因此，对于花博会这种大型景观场地的土壤改良，只能根据设计目标和拟种植植物的生长习性来研制有针对性的土壤改良方案。

2.2.1 研制4种土壤改良配方

针对花博会本底土壤的主要障碍因子，汲取上海辰山植物园[14-15]和迪士尼[16]203-205[17]91-113土壤的改良经验，以有机肥、黄沙、草炭、椰糠、脱硫石膏等为主要原料，选择一串红、金盏菊等花博会拟种植花卉，进行不同原料配比的栽培试验。通过植物长势和土壤质量变化监测，同时兼顾项目工程造价，从80种配方中筛选出4种适用于花博会主要景观植物和不同种植需求用的土壤改良配方(表3)。

表3 第十届中国花博会4种土壤改良配方

2.2.2 制订主要原材料的主控标准

将花博会土壤质量的控制提前到对原材料的质量控制，专门制订了各种原材料的主控标准，规定只有主控指标合格的原材料才能进入花博会现场。主控指标设定主要参考其对花博会土壤障碍所起的改良作用，如为改善花博会的土壤黏重，规定用中粗粒径黄沙；为降低花博会的土壤盐分，规定所用有机肥氯含量＜2 500mg/L、椰糠EC值＜0.6mS/cm；为提高花博会土壤的有机质含量，规定所用有机改良剂的有机质含量>450g/kg等。

2.2.3 制订主要原材料的质控流程

制订主要改良原材料的质控流程，全程按照流程实施。如制订实施表土资源再利用过程中的防压实、和翻耕、晾晒、粉碎、平整、运输直至生产基地的规范流程；制订必须为合格供应商，且材料检测合格方可进场和不合格则退货等改良材料的采购和控制实施流程。

2.3 土壤改良生产基地建立和运营

参考标准厂房的建设要求，建设带有采光板顶棚的生产车间，严控整个车间原料渗滤液、气味、噪声、粉尘等环境质量。根据场地、机械尺寸和操作空间，优化种植土生产工艺和生产流水线布局，按照设计60万m3的产能，配置日产量1 500～3 000m3的自动化生产流水线；从原土处理、原料进场、计量、搅拌、进仓、装车、过磅、检测到产品出场和二次改良，实现全程机械化和数字控制。通过工艺化流程控制(图1)，确保改良后土壤主控指标变异系数<8%，次要指标<15%，实现土壤改良工厂化、机械化、规模化和标准化的精准生产[17]167-171[24]。

图1 第十届中国花博会土壤异位改良工程工艺流程

2.4 地形再建和种植成品土回填

为防止花博会湖泊开挖引起的土层错乱，将下层盐碱严重的土壤上移，专门制订了《花博会地形和土层再建现场施工规范》。除0～30cm的表土剥离收集后用于改良；对30～90cm的土层用挖掘机剥离后作为心土层堆置周边待用；而将埋深超过90cm的土层开挖后作为地形垫土层直接用于构建新地形；根据种植植物种类，新土层预留50cm以上用于铺设心土层；待整个地形平整建成后，再将生产好的改良成品土回填在心土层上，待植物种植。通过地形有序再建，使得整个土层结构合理，也有力保障了花博会土壤异位改良工程的实施效果。

2.5 土壤质量主控指标的全过程监控

为确保监测时效，忽略了速效钾等基本稳定且无风险指标的控制，确立了pH值、EC值、有机质、水解性氮、有效磷、交换性钠和可溶性氯7项可能发生异常或对植物生长重要的主控指标(表4)，实时监测并及时了解土壤改良效果。从表4可以看出，花博会本底土壤改良后，原本强碱性的土壤pH值显著降低(P<0.01)，土壤有机质、水解性氮、有效磷含量显著增加(P<0.01)，均达到《绿化种植土壤》标准关于高景观种植的土壤质量要求[21]。虽然交换性钠含量显著降低(P<0.01)，但EC值和可溶性氯显著升高(P<0.01)，均高出《绿化种植土壤》标准的相应指标要求。这主要与花博会土壤资源紧缺而降低收集表土的可溶性氯和交换性钠标准直接相关，也与改良配方中其他改良材料含盐量高有关。

表4 花博会土壤改良前后及现场应用后质量对比

为了解超标的交换性钠和可溶性氯对植物生长是否存在危害，对花博会大花核心区进行种植土回填后的跟踪监测，从表4可以看出，种植2个月后，土壤EC值、交换性钠和可溶性氯均显著降低(P<0.01)，均达到《绿化种植土壤》标准的质量要求[21]，这主要是配方中添加了富含Ca2+和SO42-的脱硫石膏，并置换出土壤中的Na+和Cl-的缘故[25]348。

2.6 花博会土壤异位改良工程取得的成效

短短280天，花博会采取的异位土壤改良工程共完成了58万m3优质种植土的生产和现场应用，为花博会在整个花展期间的高品质景观维持提供了保障，达到了“百花争艳，芳香满园”的华美意境的设计愿景。花博会参考了上海迪士尼土壤异位改良工程经验，但相比上海迪士尼单一的种植土改良配方，花博会针对规划地土壤盐碱的主要障碍，研发了适宜全冠移植容器苗、大型花海造景、屋顶绿化等不同需求的种植土改良配方，并全部实现标准化、规模化生产，丰富了我国土壤异位改良工程的应用技术。

3 土壤异位改良工程技术启示

3.1 现状和展望

目前，我国大部分绿化景观工程土壤改良都以原位改良为主，无论从实施效果、工程造价还是整个工程造价占比，原位土壤改良很难作为专项或单项工程来实施，这也是制约我国绿化土壤工程兴起的客观原因。花博会和上海迪士尼是我国少数将土壤改良作为单独的专项工程来实施的项目，开创了我国绿化土壤异位改良工程的先例，也带动了绿化土壤异位改良工程理念在我国的萌芽和兴起，且时机也趋于成熟。

就社会发展形势而言，随着中国的国力提升和对生态文明质量要求的不断提高，各种形式的大型景观场地开发日益增多，这些开发的景观品质要求高、时效性强、工程规模大且交叉施工多，传统的土壤原位改良显然难以满足要求，为土壤异位改良工程提供了客观需求[16]7-11[17]19-21。

就经济而言，成本和效益产出是决定一项技术能否推广应用的决定性要素。土壤异位改良造价相对高，如上海迪士尼生产的优质种植土，成本约450元/m3，总共生产120万m3，总投入高达5亿多元，占了整个绿化工程造价的50%以上，远超国内一般绿化工程土壤改良费用及占比[7][17]19；但相对上海迪士尼一期300多亿的总投入和土壤改良所取得的景观效果及对游客吸引度等综合考量，在项目后的评估中还是获得了大家的一致肯定。而花博会土壤异位改良工程造价最低降到了300元/m3，总共投入1.92亿，对比整个花博会50多亿的投入和土壤改良对花博会景观维护取得的效果，同样也获得肯定。可见，土壤异位改良工程虽然造价偏高，但由于效益显著，对于类似花博会、迪士尼、乐高乐园等景观质量要求高的大型景观场地开发项目而言，不仅接受度高，甚至是提倡的。而上海辰山植物园在大面积原位土壤改良同时，对重点景观地带和土壤主要退化区采取异位改良技术相结合，不仅保证了土壤改良质量，也大大降低了费用，拓宽了土壤异位改良工程的应用面[15，26]。

就理念而言，如果说上海迪士尼是国际合作项目在我国的被动实施[17]19-21，那么花博会则是建设方——光明食品集团根据实际需求而主动开展的，而且在上海及周边的一些大型场地开发中也在陆续应用，这都说明土壤异位改良工程的理念已从国外转向国际合作，再到本土的逐步消化吸收，花博会更展示了上海在土壤异位改良工程上多年研究和工程实践的成果[7]。

就技术而言，无论是花博会还是上海迪士尼的土壤工程，均包含了表土收集和再利用、土壤改良配方设计、土壤生产基地建设和运营、地形再建和改良种植土回填4个主要步骤。与之相对应的，我国已颁布实施了《绿化用表土保护技术规范》[20]《绿化种植土壤》[21]和《绿化用有机基质》[27]等系列标准，这些标准的颁布实施不仅为我国开展土壤异位改良工程提供技术依据，还有效提高了我国绿化土壤异位改良工程的技术水平[7]。

就学科发展而言，从21世纪初我国土壤学者呼吁开展土壤工程学科研究和应用的重要性[1]，到2016年中国土壤学会专门成立了土壤工程专业委员会，都促进了我国土壤工程学科的建立和发展。而绿化土壤异位改良工程正是融合了土壤学科和园林绿化工程的发展需求，也是绿化景观工程在新形势下发展起来的新技术，势必成为我国土壤工程学的新兴分支。

3.2 作为专项实施工程

树立土壤异位改良工程理念，落实是关键。比如将土壤改良纳入专项工程，能提高对土壤改良的重视，便于平衡其他工程交叉施工的各种不利影响[28]；将土壤改良纳入专项工程管理，从设计、施工、监理、验收到后期养护的各环节把控，在设计环节就预留和保障土壤改良的专项费用，在施工环节从质量、进度、安全、成本4个方面进行把控，提高土壤改良工程的质量和效率[17]17-19。

3.3 树立土壤异位改良工程快速成景的理念

我国传统绿化通常采用密植快速成景，前期效果虽好，但后期植物生长空间受阻，土壤地力易退化[7]。而花博会和上海迪士尼采用的土壤异位改良工程不但能保护优质表土和生物多样性，并且避免工程交叉施工带来的土壤破坏和工期延误，再结合有机覆盖等生态技术应用，能在种植当年就取得较好的景观效果[17]215-220。可见，土壤异位改良工程虽然前期投入增加，但能快速成景，且后期效益显著，是一种可持续的绿化模式。

3.4 建立适宜我国不同场地应用的技术体系

广义的土壤工程是结构工程的一种形式或一个分支，但土壤不像一般工程原料那样性质稳定，不仅不同区域土壤千差万别，同一土壤其性质也会随着湿度、温度、地下水位等外界环境的变化而处于不断的变化之中[29]。为此，土壤异位改良工程应针对不同情况区分对待，建立适宜不同场地应用的技术体系。

就不同场地而言，土壤异位改良工程的4个关键步骤可调整或优化。若时间衔接好，表土收集后可直接再利用不必堆放；若土壤改良体量小又无时间进度要求，用铲车搅拌既能达到土壤改良效果又可大大降低生产成本[25]441，只有土壤改良体量大且工期紧的工程才有必要建立专门标准化生产车间和流水线[17]167-170。

就不同土壤而言，技术对策也应调整。如表土收集的主控指标，花博会侧重交换性钠和可溶性氯，而上海迪士尼是有效铜[17]61-62；土壤改良配方更应根据本底土壤的主要障碍适时调整，如花博会用脱硫石膏来降低盐害[25]348，而香港迪士尼则用石灰来提高土壤pH值[16]206。

就不同设计目标而言，土壤异位改良工程的具体技术措施也应不同。由于景观植物种植后相对固定，土壤物理性质不像养分可以通过后期施肥来解决，因此绿化土壤改良工程首先要考虑对土壤物理性质尤其是质地的改良，这完全不同于农田土壤改良技术[7，30]。再如花博会是集中展示花卉成果，设计植物种类繁多，因此设计的土壤改良配方数量要多于植物景观只是点缀的上海迪士尼项目。

3.5 开展长期定位监测研究

进一步比较表1、4可知，通过土壤异位改良工程，不管是花博会还是上海迪士尼土壤质量都比本底土壤有了质的提升，满足了快速成景的需求；但与英国切尔西花展土壤相比，差距显著。始于1862年的切尔西花展[31]，土壤关键指标均达到了《绿化种植土壤》标准的理想值[21]，这也是切尔西花展长盛不衰的重要支撑之一。对标百年切尔西花展，虽然土壤异位改良工程能为花博会等大型景观场地在短期内取得较好景观效果提供保障[7]，但土壤质量维护是一项长期、专业化的工程，而缺少长期的土壤定位监测研究一直是我国绿化土壤技术水平滞后于其他类型土壤的主要原因[8]26[32]。因此，非常有必要开展花博会等土壤异位改良工程的长期定位监测研究，进一步摸清土壤异位改良工程各项技术对策的长期效应，也为中国能够建成类似切尔西花展这样的百年景观工程奠定土壤基础。