城市土壤性质的改变对景观植物的影响

城市土壤性质的改变对景观植物的影响

郭晨鹏

华东建筑集团股份有限公司;上海现代建筑装饰环境设计研究院有限公司

摘要：土壤压实能够从多个方面影响植物的生长。首先是压实使土壤密度增大，严重增加了植物根系生长和延伸的机械阻力。这样会让植物被动的改变其根系的分布特征，一些深根系植物会被迫变成浅根分布，根量减少，植物根系对地上部分的支撑能力减弱，对于树木的话，容易造成树木稳定性降低，易受大风等外力的伤害。本文主要阐述了城市土壤性质的改变对景观植物的影响

关键词：土壤性质改变景观植物影响

1.土壤紧实度增加对景观植物的影响

在土壤密实的场地进行植物栽种，尤其是树木栽种时，由于树坑内的土壤经过重新回填和良好的人为调整，造成坑内外土壤机械阻力的差别，会使树木根系很难穿透“树坑壁”，从而形成根系环绕树坑生长的畸形状态，严重影响树木的成活与生长。其次是压实大大降低了土壤的通气性，改变了土壤中O2和CO2的含量，影响植物根系的呼吸作用。通气性的降低减少了土壤的气体交换，O2含量下降，CO2含量升高，甚至达到毒害水平，根系组织存在窒息死亡的危险（0412-01-43）。然后是压实导致土壤水环境的改变，从而影响根系和植物体的生长。一方面，如上文所述，压实会降低土壤的有效含水量，容易导致根系供水不足，植物出现萎蔫现象；另一方面，灌溉或降雨之后，树坑内的水无法或很难向周围密实土壤进行扩散，造成坑内积水，引发树木烂根死亡。土壤压实还能从化学性方面影响植物根系。压实能够引起或扩大土壤营养元素的流失，包括钙、钾、镁等（0412-01-57）。压实还容易导致土壤土壤有机质降低、pH值升高、碳氮比降低（0412-01-51）。土壤压实生物方面的危害在于降低土壤微生物的数量和活性，引起微生物生物量碳、生物量氮的下降，进而降低了土壤肥力（0412-01-58）。与某些树种根系共生形成菌根的真菌也会因为土壤压实而数量锐减。菌根能使树木根毛表面积扩大数百甚至上千倍，可为树木根系提供更多的无机盐和氮素，改善树木的营养条件，此类树木包括大部分杉科和柏科，还有银杏属、槭属和榆属的树种。

土壤压实是土壤三相结构被改变的过程，空气的占比严重降低，使土壤趋向于厌氧环境，当空气占比小于10%时，植被的正常生长就会受到影响。固体占比的升高，增加了土壤硬度。有研究显示油松、白皮松、银杏、元宝枫在土壤硬度1-5kg/cm2时，根系多；5-8kg/cm2时较多；15kg/cm2时根系少量；大于15kg/cm2时，无根系。刺槐、国槐在0.9-8kg/cm2时，根系多；8-12kg/cm2时根系较多；12-22kg/cm2时，根系较少量；大于22kg/cm2时，无根系，因为根系无法穿透密实土壤，根毛死亡（0409-04）。

植物对养分和水分的吸收很大程度上依赖根系的生长发育，土壤压实导致植物根系生活力下降，地上部分的生长势必也会受到严重影响，枝叶的生长速度会减慢，总生物量下降。土壤压实严重的地方，树苗难以成活，成年树寿命缩短，甚至倒伏（0412-01-38）。对黑松树苗的生长研究发现，土壤压实导致植株吸收养分能力下降，限制了植株的生长，使叶片、根系、茎干的生物量明显降低（0412-01-66）。Jusoff的研究发现，随着土壤容重的增加，植株高度及茎生物量均呈下降趋势，对种子出芽率产生影响，当土壤容重达到1.8g/cm3时，种子出芽率将降低34%。刘爽对几种常见园林树种的幼苗与土壤压实情况的研究发现，随土壤压实程度的增加，树苗叶绿素含量及光合生理特征参数均降低（0412-01）。

另外值得注意的是，如果土壤空气占比过大，容重过小，对植物生长也是不利的。通常良好土壤结构的三相比是5（固）：3（液）：2（气）左右，孔隙度过大会影响植物根系的固着能力，还会造成土壤水分和养分的大量流失。土壤硬度小于0.8kg/cm2，土壤容重小于0.9g/cm3，时，水分和养分匮缺，根生长细弱，会出现死根，枝叶焦枯，树势逐年减弱的现象，最后甚至导致死亡。只有土壤密实度适中，土壤硬度在0.8-8kg/cm2，土壤容重在0.9-1.45g/cm3的较疏松土壤，才能提供水肥气适宜的条件，有助于根系生长，植株枝叶繁茂（0412-02-02）。

2.土壤养分变化对景观植物的影响

城市土壤养分元素的含量较为复杂，从人类活动和大量废弃物中，某些养分元素会通过空气和地表径流富集在城市土壤中，例如P、Ca、S等。而有机质和N素却普遍缺乏，植物残体落叶和修剪残余都被作为垃圾清理，无法回归土壤形成有机质。多数城市土壤有机质含量在1%以下。有机质是土壤氮素的主要来源，有机质的减少又直接导致氮素的减少，多数土壤的碱解氮在30×10-6以下，与城郊土壤相比，属于缺素土壤（0412-02-03）。

植物生长所需要的16种以上必须营养元素，大部分都由土壤供给。植物根系从土壤中吸取溶于水中的无机盐类，是形成植物叶绿素、各种酶和色素的基础物质，也是光合作用的活化剂。城市土壤有机质和氮素的缺乏是多数土壤养分匮乏的主因。氮素不仅是植物体内蛋白质、核酸以及叶绿素的重要组成部分，而且也是多种酶的组成部分，氮素的多少还与叶片中叶绿素的含量有着密切的关系。如果绿色植物缺少氮素，会影响叶绿素的形成和光合作用。

3.土壤水分变化对景观植物的影响

植物体的60%-80%是水，植物所需要的水主要来自土壤，由根系吸收然后通过运输组织输送到地上部分。土壤水的主要来源是天然降水和人工灌溉，土壤中的水主要分为重力水和毛管水，重力水自由想下渗透，是地下水的来源，很少能被植物根系吸收，毛管水贮存在土壤毛管孔隙内，在毛细作用下做各方向扩散运动。毛管水能被植物根系吸收，土壤毛管水的最大值就是田间持水量，毛管水含量下降到萎蔫点以后便不能被根系吸收。

城市土壤的含水量情况比较复杂，不仅仅是上一节提到的土壤压实问题。首先是城市土壤来源的复杂性，不同质地的土壤被人为回填至建成环境，包括被扰动的原状土、周边地区的回填土，人工配比的土壤，甚至由人造材料组成的人工土，土壤的基本组成结构不同，透水和保水能力也就不同。另外，土壤渣砾含量、紧实度、距离地表水和铺装的远近、地下水位高低等因素也在很大程度上影响土壤水含量。整体而言，城市土壤由于密实度较高、含渣量大，路面不透水铺装占比大等原因，自然降雨无法满足植物生长的需要，密集的种植方式和被抬高的绿地边缘加重了这一影响，城市植物的生长十分依赖人为灌溉的补充。缺少人工灌溉或灌溉不足的地方就会出现土壤供水不足的现象，植物表现为生长不良，物候延迟、早期落叶，甚至植株枯死。整体供水不足的同时，还存在局部区域的土壤水过饱和问题，某些城市低洼地区的绿地，容易在降雨时汇集大量由路面而来的地表径流，致使土壤长期处于过饱和状态，植物根系无法呼吸，严重影响生长。同样的情况还出现在较狭窄的道路绿带内，两侧道路的基础放大以及施工时对基土的碾压，使得绿带内土壤下层几乎不透水，而绿带又没有类似于地库顶面覆土绿化的排水设计，所以很容易形成积水，造成植物淹水胁迫，影响正常生长。

4.土壤通气性变化对景观植物的影响

城市土壤内部空气占比的下降与土壤压实和大面积硬化铺装有关。高密实度的土壤中，贮气的非毛管空隙大量减少，土壤含氧量低，影响了植物根系的呼吸作用。如果土壤通气孔隙度减少到15%时，根系生长受阻，土壤通气孔隙度减少到9%以下时，根系严重缺氧，转向无氧呼吸而产生酒精积累，引起根中毒死亡（0412-02）。另一方面，土壤氧气不足还会抑制土壤微生物的繁殖和生长，由微生物的分解活动产生的养分减少，降低了土壤对植物的养分供给，也会间接影响植物的生长。

5.土壤温度变化对景观植物的影响

决定土温变化的最主要因素是太阳辐射。建成环境的特殊性通过改变局部地区的太阳辐射影响土壤的温度变化。最主要的干预方式有以下两个。一是建筑物对太阳辐射的遮挡，导致楼北局地土温常年偏低，会影响植物的长势和物候期。尤其对于北方地区城市，春季气温回暖，植物的地上器官开始活动，而根系由于土温仍未回升活动较弱，这会引起地上枝叶失水，发生抽条现象。秋季楼北气温和土温降低较快，又会引起树木的提前落叶。还有是大面积硬化铺装产生的夏季局地土温过高。铺装材料的导热性大于土壤，加上铺装地面大多直接暴露在阳光的直射之下，使得周围铺装面积较大的城市绿地在夏季容易表土温度过高，导致植物表层根系日灼，失去活力。

6.土壤侵入体对景观植物产生的影响

1）土壤固体碎杂物对植物生长的影响

城市建设产生的碎屑常备有意和无意的混入城市土壤之中。这些固体碎杂物通常包括砖砾、石砾、水泥砾渣和焦渣等。集中的碎砾会组成土壤内部硬体层，阻碍植物根系在土壤里的延伸。分散的碎砾除了也会增加根系生长的机械阻力外，还会严重降低土壤的保水能力，加重城市土壤水分不足的问题，尤其在春季，供水不足会严重影响植株的生长发育。当然，一定程度固体碎砾的混入能够改善土壤的透水通气性，尤其对于黏重土壤，有助于改善土壤对于植物生长的支持条件。该向优势的发挥取决于碎砾能否被均匀的混入土壤，且保持一定的容量限制，这在现实条件中是较难做到的。除了以上的物理影响，碎砾的大量混入还会对城市土壤的化学及生物环境形成不良干预。碎砾很难对土壤的营养条件产生积极的作用，反而由于自身的体积侵占减少了土壤的总量，降低了城市土壤对植物的养分供给。碎砾中包含大量的石灰成分，使土壤钙镁盐类增加，提高了土壤的PH值，碱性环境不仅降低了土壤中铁、磷等元素的有效性，也会大大抑制微生物的活性，进而影响有机质的分解。碎砾的混入还会降低土壤粘粒含量，引起胶结物质的减少，盐基代换量降低，导致土壤保肥性差。

2）土壤内部构筑物对植物生长的影响

建成环境中的多数植物生长在人工构建的环境中，根系生长所需要的物理空间和营养空间都受到各种形式的地下构筑设施的限制，引起根系分布和根量的改变。建筑和道路基础阻碍了植物根系的水平伸展，尤其是绿地边缘区域的植物；各种管线和地下设施一方面影响根系的垂直生长，而且还切断了土壤毛细管的水分垂直运输。部分热力管线散发的热量还会对局部土温产生严重的消极作用。面积较小的城市绿地就想一个大型的花盆，土壤环境水平和垂直方向上与外界的交流都被隔绝起来，形成生物孤岛。

7.土壤污染对景观植物的影响

前面已经讨论了土壤重金属和土壤碎砾的影响，这里关于土壤污染主要指土壤含盐量过高的情况。土壤盐分主要指氯盐、硫酸盐和碳酸盐，城市土壤盐分的过量累积主要来自受污染的地表径流、含盐量较高的灌溉用水、土壤杂物的风化释放以及北方地区融雪剂污染。过量的盐分会产生盐胁迫，而盐胁迫又通过渗透胁迫和离子伤害对植物根系产生损害，阻碍植物正常生长发育。渗透胁迫是由于根际的盐分浓度过高，其水势低于根系组织内水势，进而造成植株吸水困难，甚至引起植物体内水分外渗。植物在盐胁迫下降低生长，产生生理干旱，连带对植物的光合作用、呼吸作用、细胞膜结构和蛋白质合成产生消极影响，表现出植物生长异常，植株矮小，叶小暗绿等缺水症状。此外，氯化钠的积累，还会削弱氨基酸和碳水化合物的代谢作用，阻碍根部对钙、镁、磷等基本养分的吸收，导致土壤板结，通气和水供给条件的恶化。

土壤透水能力良好的条件下，充分的降雨和灌溉能够将盐分淋溶到根系很少触及的心土层和底土层，从而减轻危害，但对于城市土壤来说，土壤透水性不佳，下层土壤密实度高或被人工构筑物分隔，且降雨和灌溉由于水量有限，淋溶去盐的效果并不理想。土壤盐害对于景观植物影响的外在表现，一般为阔叶树叶片变小，叶缘和叶片有枯斑，呈棕色，严重时叶片干枯脱落。有的树木表现为多次萌发新梢，芽干枯。针叶树表现出叶枯黄，严重时整枝或全株枯死（0412-02）。

以上分析讨论表明，土壤性质的变化是相互关联的，物理性、化学性和生物性并不是彼此独立，而是相互影响的。土壤压实会产生土壤空气和土壤水的变化，也会对土温和土壤微生物产生影响；土壤水环境的改变会导致土壤空气和土壤盐的变化；土壤中碎砾的混入又会给土壤水、土壤酸碱度以及微生物活性带来影响。建成环境中各种人为的建设和活动以被动且强烈的形式作用于城市土壤，对于植物生长来说大多是消极甚至有害的，而人类又通过主动的介入改变和弥补这些消极的作用。然而，主动的介入不仅耗费大量的资源，而且在量和质上都是有限的，总体来看，对于植物生长，城市土壤的各项指标在不同程度上表现出与自然土壤相比的退化。

8.不同绿地类型的土壤环境差异

城市绿地拥有建成环境中最大面积的未封闭土壤表面，属于人为管理下仿自然空间。绿地土壤从发生到发育的过程都受到人为活动之间或间接的干预。功能分区是城市或者说建成环境组织方式的重要特征，反映在空间上就是土地利用类型的差异。城市绿地在土地外貌上可视为一种类型（其它如建筑、水面、硬化地表等），而在用地功能上被拆分划归至不同的用地功能区中，并表现出形态和结构上的差异。从城市土壤的角度来说，不同用地功能区意味着人为活动方式和强度的不同，因此土壤属性也会因此表现出空间上的分异。针对这种逻辑上的推测，很多研究者在不同地区以类似的划分标准对城市土壤的各项属性进行了测定和分析。本小节汇集了针对全国数个城市近年来的研究数据，以期从前人的研究资料中总结不同绿地类型土壤环境的差异。多数研究者对绿地类型的划分都不是严格遵循现行的城市绿地分类标准，而是从建成环境的实际出发，采用了更加具体的分类方式，总结起来包括公园、道路、居住、附属、生产、防护和广场绿地，首先来看土壤的物理属性情况，容重、孔隙度和含水量这三个因素是相互关联的，容重与孔隙度呈反比关系，容重越大说明土壤孔隙度越小，而土壤含水量在一定范围内也会随孔隙度的增大而增加。从表中数据可以看出，多数城市的道路绿地具有相对最大的容重，公园绿地相对最小，居住和附属绿地则居中且相当。这主要是因为道路绿地形态狭长，受交通活动影响较大，土壤缺乏有机质且条件较为严苛，土壤动物和微生物的数量及活性较差；而公园绿地面积较大，土壤条件较好，部分区域人为活动干预较弱，甚至能够保持与自然环境相同的物质循环及植物演替。但其中也有少数不同的情况，北京2的容重数值及长沙的容重和孔隙度数值显示，道路绿地的容重最小，孔隙度最大。这就是城市绿地土壤的复杂性，同样类型的绿地会因为建成时间、地理位置、客土来源、干预频率等原因表现出较大的属性差别。所以在进行城市土壤调查时，一方面要保证样本采集的代表性，另一方面要注意记录绿地的背景信息，以进行更为细致的比较，充分发掘特征规律。为分析土壤物理属性的整体特征，将各组数据（包括容重、孔隙度和含水率）进行标准化处理（SPSSZ标准化），并求平均值进行比较，结果如图*。容重的变化与孔隙率的变化基本呈相反的态势，整体来看，道路绿地及广场绿地的容重较高，孔隙率较低，公园、防护和生产绿地的容重较低，居住与附属绿地处于中间位置。防护绿地的容重较低可能与其土壤来源（农田、自然区域）和较少的人为干预有关。含水率的变化趋势基本与孔隙率一致，表明土壤压实能够影响土壤水环境，降低土壤含水量。

（图*，作者自绘）

土壤PH值数据首先反映出不同区域的整体特征，偏南方的城市，如列表中的长沙、成都和广州，各类型土壤基本在弱酸至中性变化中，而偏北方的城市各类型土壤则处于中性至弱碱性变化中。同一地区不同类型之间的差异反映出人为活动的影响，道路绿地土壤受入侵体影响较重，表现出相对较高的PH值。总体情况见图*，除道路和广场绿地表现为较高PH值之外，附属绿地的PH值也高于其它类型；公园、居住、防护和生产绿地的相对值较低，其中生产绿地最低可能与其多位于城郊接近自然土壤有关。另外，有学者指出土壤压实会造成有机质减少，PH值上升（0412-01-51），这里我们将土壤容重和PH值数据标准化后进行比较验证。如图*所示，容重在绿地类型间的变化趋势与PH值是大体一致的，说明土壤压实，孔隙度减少确实能引起土壤酸碱度的变化。

（图*，作者自绘）

土壤肥力的情况较为复杂，包含有机质、全N等五项指标。在有机质和氮素的比较中，不同地区间的统一性较高，均表现为公园及生产绿地的含量较高，而道路绿地的含量最低，尤其是表中长春市的情况，公园绿地的有机质含量是道路绿地的近6倍。有机质的来源，如前文所述，主要是植物落叶残体的分解，因此公园和生产绿地相对较高，生产绿地还包括人工施加有机肥的情况。道路绿地的绿化覆盖面积通常是大于绿面积的，即很多落叶残体会落到路面或铺装上而被清除，加上下层大面积常绿层的覆盖，土壤很少能够得到有机质的补充。磷素在各类型之间总体变化幅度并不大，道路绿地相对略小一些。钾素含量表现为生产绿地较高，可能是人工施肥的结果。同样，将各组数据标准化后取平均值进行比较，结果如图*。各项指标中，道路绿地均处于较低的位置；总体来说公园绿地的土壤肥力略好于居住和附属绿地，后两者则互有高低，大致相当；广场绿地优于道路绿地，比公园绿地略低；防护和生产绿地的情况较复杂，防护绿地拥有最高的钾素和最低的磷素，而生产绿地则相反，磷素较高，钾素较低。

（图*，作者自绘）

以上结合近年来全国各地的研究数据，讨论了建成环境中不同类型绿地的土壤属性情况。土壤的物理属性比较中，道路和广场绿地表现较差，大多数地区的容重值都超过1.45，表现出不利于植物生长的趋势，而公园绿地的表现则相对较好，容重值均在1.45以内。土壤的肥力属性中，道路绿地仍处于较低的水平，公园与居住、附属、广场绿地的水平则相差不大。土壤的重金属污染情况，广场绿地表现最差，其次是道路绿地，居住和附属绿地则表现较好，受污染程度较轻。综合各项指标，对于景观植物生长来说，在建成环境主要绿地类型中，土壤条件的排序为：公园绿地＞居住和附属绿地＞广场绿地＞道路绿地，“＞”表示优于。