环城绿带是通过政策或立法的方式，在城市外围地区设立一定规模、连续或基本连续的、永久性的绿色开放空间^[1]。环城绿带将城市建成区与乡村进行分隔，能有效防止过度城市化、改善城市生态环境、保护区域生物多样性和增加城市游憩空间^[2]。环城绿带具有重要的生态服务价值，已在国内外许多城市建设应用^[3]。然而，近些年的快速城市化，导致环城绿带原有的功能无法满足城市发展的需要，一些超大城市已开始推动环城绿带功能提升。以上海市为例，2021年发布的《环城生态公园带环上功能提升总体规划》(以下简称“总体规划”)，明确要求提升环城绿带植物多样性和景观效果。因此，亟需查清上海外环绿带土壤质量是否能满足植被提升需要。

以往学者多从土壤肥力质量、环境质量单方面或两方面结合评价土壤质量，如李鹏等^[4]基于14个理化指标构建的最小数据集综合评价北京山区不同植被恢复类型土壤质量，结果发现选择适宜的植被恢复类型是改善区域土壤质量的关键；段碧辉等^[5]从土壤肥力质量和环境质量两方面评价了荆门市耕地不同利用方式的土壤质量，结果发现，研究区耕地土壤质量较好，以中等为主。在城市土壤质量评价中，也多选择基本理化性质作为土壤质量表征指标^[6-7]，较少考虑土壤生物学指标^[8]。但土壤质量涵盖了土壤肥力质量、环境质量和健康质量3个维度，仅从土壤肥力质量和环境质量评价，无法全面反映土壤质量^[9]。近几年，城市绿地土壤健康质量概念与评价方法已初步建立^[10-11]，使得从土壤肥力质量、环境质量和健康质量3个方面综合评价绿地土壤质量成为可能。因此，本研究将从土壤肥力质量、环境质量和健康质量3个方面，综合评价上海外环绿带土壤质量。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

上海市(120°52′E ~ 122°12′E，30°40′N ~ 31°53′N)位于长江中下游东部平原，地形平坦，水网纵横交错，属亚热带季风气候。地带性植被为亚热带常绿阔叶林。2019年气温变幅为−2.8 ~ 37.7 ℃，平均气温17.3 ℃，年平均降水量1 409.1 mm，年平均蒸发量1 129.6 mm^[12]。土壤类型主要为水稻土、灰潮土和滨海盐土。上海环城绿带沿着外环线道路(A20)外侧布置，全长98 km，总面积6 208 hm²，共包括50座公园。在研究区的45个公园绿地和6个道路绿地共布设采样点94个(图 1)。

1.2 土壤样品采集及处理

每个样点采用梅花布点法布设5个子样点，每个子样点分别采集0 ~ 20 cm环刀样、分析样和微生物样，分析样和微生物样均采用四分法混合得到一个样品。环刀样用于测定容重、孔隙度等基本物理指标；去除分析样中的根系、石块等杂物，风干、研磨后分别过2、1和0.149 mm网筛，用于测定土壤养分和重金属指标；微生物样在4 ℃保存，用于测定土壤微生物生物量碳等微生物学指标^[11]。

1.3 指标测定方法

土壤容重(BD)、总孔隙度(SP)和非毛管孔隙度(NP)采用环刀法测定^[13]。土壤pH采用电位法测定，EC采用电导率仪测定，土壤有机质(SOM)含量采用重铬酸钾外加热法测定，碱解氮(AN)采用碱解–扩散法测定，有效磷(AP) 采用钼锑抗比色法测定，速效钾(AK) 采用乙酸铵提取法测定^[14]。全Cu、全Zn、全Pb、全Cd、全Cr和全Ni采用火焰原子吸收分光光度法测定，全Hg采用热分解齐化原子吸收光度法测定，全As采用原子荧光法测定^[15]。土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸浸提法测定^[16]，土壤呼吸(SR)采用密闭静置培养二氧化碳法测定，脲酶(UR)采用比色法测定^[17]，木聚糖酶(XYL)采用改进的比色法测定^[18]。

1.4 土壤质量综合评价 1.4.1 土壤肥力质量评价

选择容重、总孔隙度、非毛管孔隙度、pH、EC、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾进行土壤肥力质量单因子和综合评价。容重、pH、EC、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾指标分级参照DB31/T 1191—2019《绿化土壤肥力质量综合评价方法》^[14]；土壤孔隙度分级参考文献[19]；非毛管孔隙度分级参照CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》^[20]；具体指标分级见表 1。

为消除各评价指标之间量纲的差别，参照DB31T1191—2019《绿化土壤肥力质量综合评价方法》^[14]中的各指标分级，采用隶属函数法对各指标进行标准化。容重、总孔隙度、非毛管孔隙度、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾分级见表 2。

采用改进的内梅罗综合指数法进行土壤肥力质量综合评价，计算公式如下：

$ F{\text{ = }}\sqrt {\frac{{{{\left( {{{\bar F}_i}} \right)}^2} + {{\left( {{F_{i{\text{, min}}}}} \right)}^2}}}{2}} \times \frac{{\left( {n - 1} \right)}}{n} $

(1)

式中：F为土壤肥力质量综合指数；${\bar F_i}$为各指标标准化数值的均值；${F_{i{\text{, }}\min }}$为各指标标准化数值的最小值。采用F_{i, min}代替原内梅罗公式中的F_{i, max}是为了突出土壤属性中最差一项指标对土壤肥力质量的影响；增加修正项(n–1)/n是为了反映可信度，即参评土壤属性项目(n)越多可信度越高。

将土壤肥力质量划分为4个等级：F≥2.7，很肥沃；1.8≤F < 2.7，肥沃；0.9≤F < 1.8，中等；F < 0.9，贫瘠。

1.4.2 土壤环境质量评价

参照CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》^[20]，选择全Cu、全Zn、全Pb、全Cd、全Cr、全Hg、全As和全Ni进行土壤环境质量单因子评价。为全面反映各污染物和主要污染物对土壤的影响，采用改进的内梅罗综合污染指数法，进行土壤环境质量综合评价^[21]。计算公式如下：

$ E=\sqrt {\frac{{{{\left( {{E_i}} \right)}^2} + \left( {{E_{i{\text{, max}}}}} \right)}}{{\text{2}}}} $

(2)

$ E_{i}=\frac{{{C_i}}}{{{S_i}}} $

(3)

式中：E为土壤环境质量综合指数；${E_i}$为第i个采样点中所有重金属元素单因子污染指数的平均值；${E_{i{\text{, max}}}}$为第i个采样点中所有重金属元素单因子污染指数的最大值；C_i和S_i分别表示土壤重金属实测值和背景值(mg/kg)。

将土壤环境质量综合指数划分为4个等级：E < 1，清洁；1≤E < 2，轻度污染；2≤E < 3，中度污染；E≥3，重度污染。

1.4.3 土壤健康质量评价

根据康奈尔土壤健康评价方法^[11]，选择微生物生物量碳、土壤呼吸、脲酶和木聚糖酶4个指标，进行土壤健康质量综合评价。具体步骤如下：采用公因子方差法，计算各指标权重^[11]；按照权重从小到大的顺序，排列各指标，计算各指标累积频率；将累积频率≤25% 的指标，赋值为1；累积频率≥75% 的指标，赋值为10；累积频率介于25% ~ 75% 的指标，通过线性内插法，赋予指标对应的内插值；将各指标赋值加权求和，即可得到土壤健康质量综合指数(H)。

土壤健康质量综合指数分级标准为：H < 4.0，很低；4.0≤H < 5.5，低；5.5≤H < 7.0，中等；7.0≤H < 8.5，较高；H≥8.5，高。

1.5 数据统计分析

采用Excel 2021分析土壤肥力质量、环境质量和健康质量指标的统计学特征并作图，采用SPSS 26.0进行土壤质量指标相关性分析。

2 结果与分析 2.1 土壤肥力质量评价

研究区土壤肥力质量指标统计特征见表 3，土壤肥力质量指标等级分布见图 2。上海外环绿带土壤容重普遍偏大，均值为1.42 g/cm³，最大值达1.71 g/cm³，变异系数为8.39%，属于弱变异；土壤容重主要分布三级、四级、五级和六级，占比之和达95.24%，四级和五级占比最大，均为28.57%。总孔隙度偏低，均值为43.6%，变异系数为16.2%，中等变异；总孔隙度全部分布在二级、三级和四级，二级占比为50.0%。非毛管孔隙均值为1.17%，整体偏低，变异系数为70.4%，中等变异；非毛管孔隙均分布在四级。

上海外环绿带土壤pH偏高，均值为8.28，总体呈碱性，变异系数为93.7%，属于中度变异；pH主要分布三级、四级和五级，合计占比为95.74%。EC均值为0.084 mS/cm，整体偏低，变异系数为59.5%，中度变异；EC主要分布在二级、三级、五级和六级。有机质、碱解氮、有效磷和速效钾均为高度变异。有机质均值为20.3 g/kg，总体尚可，变异系数为156%；有机质主要分布在三级和四级，占比分别为44.7% 和40.4%。碱解氮主要分布在四级、五级和六级，分别占比31.9%、24.5% 和25.5%。有效磷主要分布在四级、五级和六级，分别占比16.0%、42.6% 和28.7%。速效钾主要分布在三级和四级，占比分别为59.6% 和26.6%。

上海外环绿带土壤肥力质量总体堪忧，土壤肥力质量综合指数均值为0.791，变异系数为27.4%，中等变异。土壤肥力质量主要分布在“贫瘠”等级，占比78.7%。

2.2 土壤环境质量评价

研究区土壤环境质量指标统计特征见表 4，土壤环境质量指标单因子分级和综合分级见图 3。上海外环绿带全Cu、全Zn、全Pb、全Cd、全Hg、全Ni、全As和全Cr含量均值均低于GB36600—2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》要求的第二类筛选值^[15]。所有重金属含量等级主要分布在一级，全Cu一级占比为89.4%，全Zn一级占比为85.1%，全Cd一级占比为95.7%，全Ni一级占比为94.68%，全Pb、全Hg、全As和全Cr均为100%。

土壤环境质量综合指数均值为0.794，变异系数为24.5%，中等变异；土壤环境质量等级主要分布在“清洁”，占88.3%。

2.3 土壤健康质量评价

上海外环绿带土壤健康质量指标统计特征见表 5。上海外环绿带典型绿地土壤呼吸介于0.002 ~ 0.022 mg/(g·h)，均值为0.010 mg/(g·h)；土壤微生物生物量碳为2.67 ~ 114.00 g/kg，均值为0.93 g/kg；土壤脲酶介于0.24 ~ 9.86 mg/(g·h)，均值为2.55 mg/(g·h)；土壤木聚糖酶介于0.001 ~ 6.060 mg/(g·h)，均值为0.350 mg/(g·h)。土壤呼吸、微生物生物量碳和脲酶均为中等变异，木聚糖酶为高度变异。

上海外环绿带土壤健康质量综合指数均值为3.84，总体不容乐观，变异系数为65.9%，中等变异；土壤健康质量等级主要分布在“很低”等级，占比为72.6%(图 4)。

2.4 土壤质量指标相关性分析

由于上海外环绿带土壤环境质量总体清洁，故本研究重点分析了土壤肥力质量和健康质量指标对土壤质量的影响(表 6)。土壤肥力质量与总孔隙度、非毛管孔隙度、有机质、碱解氮和有效磷呈显著正相关，与容重和pH呈显著负相关，相关系数分别为0.504(P < 0.001)、0.414(P < 0.01)、0.656(P < 0.001)、0.638(P < 0.001)、0.339(P < 0.01)、–0.687(P < 0.001)、–0.400(P < 0.01)。土壤健康质量与土壤呼吸和肥力质量呈显著正相关，相关系数分别为0.487(P < 0.001)和0.325(P < 0.05)。

3 讨论 3.1 上海外环绿带土壤物理性质亟需通过土壤改良改善

本研究表明，上海外环绿带土壤物理性质是限制植物生长的土壤肥力障碍因子(图 2和表 6)。上海外环绿带土壤容重和总孔隙度均值与张凯旋等^[22]的研究结果(土壤容重1.41 g/cm³，总孔隙度40.4% ~ 49.4%)类似，但非毛管孔隙度明显小于其研究结果(1.91% ~ 5.55%)，说明上海外环绿带土壤物理性质近些年来呈恶化的趋势，这可能是游客人为踩踏导致^[23]。

上海外环绿带典型绿地土壤容重比伍海兵^[23]研究中心城区绿地土壤(1.31 g/cm³)高0.11 g/cm³，总孔隙度和非毛管孔隙度比中心城区绿地土壤(45.4% 和3.59%)分别低1.80% 和2.42%。这可能是与上海外环绿带建成时间短、土壤本底和养护水平差有关。中心城区公园绿地建成时间较长，如杨浦区的共青国家森林公园于1986年开园，黄浦区的复兴公园从19世纪80年代开建等。而上海环城林带始建于1995年，其中有将近一半的土地为建设用地，建设用地土壤物理性质较差^[7]。上海外环绿带建设中，大量的黏重淤泥和生土用作绿化栽植土来源，回填时混入建筑垃圾，以及客土的直接填埋，这些都导致新建公园土壤物理性质较差^[24]。在养护方面，上海外环绿带多采用生态养护，土壤改良等养护措施投入较少，而公园绿地需要长时间良好的养护措施才能改善^[25]。因此，只有通过土壤改良等管理措施，改善土壤物理性质，才能满足上海外环绿带植物提升的需求。

3.2 通过施用有机无机改良材料提升上海外环绿带土壤质量

pH、有机质、碱解氮和有效磷等也是限制植物生长的土壤肥力障碍因子(图 2)。同时，土壤碱解氮、肥力质量也影响着土壤健康质量(表 6)。因此，需要全面提升土壤肥力质量。有机质与容重、pH显著负相关，与碱解氮和有效磷显著正相关，这说明通过提升上海外环绿带土壤有机质可直接或间接提升土壤肥力质量。此外，消纳城市有机废物是新时期园林绿化建设面临的重要问题之一。湿垃圾是重要的城市有机废弃物，本身富含糖类、淀粉、脂肪和蛋白质等有机物及丰富的微量元素，经好氧发酵后可转化为稳定的腐殖酸和可利用的营养物质。施用湿垃圾堆肥产品不仅能增加土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量，降低土壤pH，提升土壤肥力，还能提升团聚体稳定性，改良土壤结构，促进植物生长^[26-27]。因此，可通过施用湿垃圾沼渣堆肥提升环城林带土壤肥力质量。

虽然湿垃圾沼渣堆肥产品改善土壤肥力质量效果较好，但可能提升非毛管孔隙效果较差，因此，需要将其与无机或矿质改良材料结合运用^[27]。添加黄沙虽能在一定程度上改善非毛管孔隙，但黄沙内部致密，增加非毛管孔隙效率较低。多孔的无机改良材料具有高孔隙度、高强度的特点，可以快速提升土壤非毛管孔隙^[28-29]。因此，可通过湿垃圾沼渣堆肥与多孔改良剂配用，提升上海外环绿带土壤质量。

3.3 加强上海外环绿带土壤质量监测与栽植土管理

长期的监测数据积累是客观、全面反映土壤实际情况和土壤质量演变规律的基础，也是科学指导上海外环绿带典型绿地绿化养护的重要依据和环境执法的有效证据^[30]。“上海典型绿地土壤质量监测保障体系”专项从2014年起已连续运行9年，积累了大量的土壤质量监测数据^{[11, 31]}。因此，可以通过该专项，开辟环城林带绿地土壤质量监测板块，构建上海外环绿带监测网络、指标体系和评价体系，研建环城林带专属土壤质量监测体系，定期发布土壤质量监测结果。

4 结论

上海外环绿带土壤肥力质量总体堪忧，土壤容重、总孔隙度、非毛管孔隙度、pH等土壤肥力质量特征指标主要分布在限制植物生长的四级、五级和六级；土壤环境质量总体清洁，全Cu、全Zn、全Pb、全Cd、全Cr、全Hg、全As和全Ni污染程度较轻，主要分布在一级；土壤健康质量不容乐观，土壤呼吸强度和酶活性较低。上海外环绿带需要通过土壤改良、施用有机无机改良材料等措施改善土壤基本理化性质、增加土壤有机质含量，提升土壤质量。