城市林地主要分布在城市建成区外围，受人为活动影响强烈^[1]，是森林资源的重要基础，在“海绵城市”“森林城市”、生态文明建设和低碳绿色发展中具有举足轻重的作用^[2-3]。当前，提升森林质量已经成为我国林业高质量发展的重要内容之一^[3]。土壤肥力质量是土壤质量的重要维度之一，其高低直接影响林地生产力^[4-5]。受人口密度等社会经济因素的影响，城市土壤质量，尤其是超大城市土壤质量往往呈现出不同的特点^[6-7]。因此，全面掌握城市林地土壤肥力对认识城市林地土壤质量、科学制定林业政策和提升森林质量具有重要的意义^[8]。

近些年来，不同规模城市林地土壤理化性质及其肥力评价开始得到重视。Yesilonis等^[9]基于林地空间分布、地形等因素，选取美国中等城市巴尔的摩城区、郊区和农村15个采样地，对森林斑块表层土壤化学特征进行了调查和分析，发现城乡梯度和环境变化对于森林土壤发育有显著影响。周伟等^[10]基于网格布点法设置的194个样地的调查数据，采用全国第二次土壤普查土壤养分分级标准，评价了特大城市长春城市林地在不同行政区和不同林种下土壤容重、有机质等9个土壤肥力指标特征，发现长春城市林地土壤有机质含量达到一级水平，全氮、碱解氮、速效磷含量均达到三级以上水平，速效钾含量达到一级水平，土壤pH为5.43~8.89，容重为1.11~1.62 g/cm³，内梅罗综合指数评价结果为土壤肥力中等。黄菲等^[11]基于林种布设184个采样地，对大城市南昌不同林种土壤肥力特征和综合肥力进行了调查和评价，发现南昌城市林地土壤速效磷含量均达到三级以上水平，土壤有机碳和全氮含量均达到四级水平，内梅罗综合指数评价结果为土壤肥力中等。但以上城市林地土壤肥力特征与综合评价研究主要存在两个方面的问题：一是采用网格布点法或选择典型林种(树种)设置采样地，忽略了人口密度的影响；二是研究区多集中在中等城市、大城市和特大城市，而超大城市全域范围内的林地土壤肥力特征和评价研究缺乏。

上海是中国的超大城市和金融中心，已成为世界上经济最发达、人口最密集的地区之一^[6]，对森林质量要求更高^[12]。但上海林地多由工业废弃地、填埋场或农用地转化而来^[13]，其本底土壤肥力质量总体不佳^[14-15]，导致森林质量不容乐观^[13]。因此，本研究以上海城市林地为研究对象，根据上海各行政区林地规模、人口密度和林种重要性，采用分层抽样法布设632个样点，主要研究以下科学问题：上海城市林地土壤肥力状况如何？行政区划和林种对土壤肥力是否有影响？当前影响上海城市林地土壤肥力提升的关键障碍因子是什么？

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，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。土壤类型主要为水稻土、灰潮土和滨海盐土^[5]。截至2023年年底，上海森林面积达到192.78万亩(1亩= 667 m²)，森林覆盖率为18.81%，主要分布在崇明、浦东、闵行、奉贤、金山、松江、青浦、嘉定和宝山9个行政区。根据管理需要，林种主要分为水源涵养林、防护林、环境保护林、开放休闲林和其余林5大类。

1.2 样点布设及样品采集与处理

采用分层抽样法布设样点：基于第三次国土调查获取的林地图斑，以林种、各行政区人口密度和土属分别作为分层抽样的第一层、第二层和第三层，布设632个样点(图 1)^[16]。其中，水源涵养林130个、防护林271个、环境保护林76个、开放休闲林62个和其余林93个。每个样点采用梅花法设置5个子样点，每个子样点分别采集0~20 cm环刀样、分析样，5个子样点分析样采用四分法缩分混合成一个样。环刀样用于测定容重和非毛管孔隙度；分析样去除其中的根系、石块等杂物，风干、研磨后分别过2、1和0.149 mm网筛，用于测定土壤质地、化学性质和养分指标^[12]。

1.3 测定指标与方法

由于土壤总孔隙度和毛管孔隙度不是绿化造林标准关注的重点，因此，本研究仅选取土壤质地、容重和非毛管孔隙度表征土壤物理性质^[17]。土壤质地(ST)采用密度计法测定，土壤容重(BD)、非毛管孔隙度(NP)采用环刀法测定^[18]。土壤pH采用点位法测定，电导率(EC)采用电导率仪(MP515-02，上海铂勒机电设备有限公司)测定，阳离子交换量(CEC)采用乙酸铵交换法测定，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^[19]。

1.4 土壤肥力评价 1.4.1 土壤肥力单项指标评价

鉴于城市林地土壤领域并无明确的土壤分级标准，本研究综合运用第二次全国土壤普查养分分级标准和城市绿化土壤领域相关标准^[17]。其中，土壤质地、电导率分级参照DB31/T 1191—2019《绿化土壤肥力质量综合评价方法》^[19]，容重、pH、阳离子交换量、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾分级参照全国第二次土壤普查中的土壤各指标分级标准^[10]；非毛管孔隙度分级参照CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》^[17]。具体指标分级见表 1~表 3。

1.4.2 土壤肥力质量综合评价

通过标准化消除各评价指标之间量纲的差别，土壤质地标准化参照DB31T1191—2019《绿化土壤肥力质量综合评价方法》^[19]中的各指标标准化系数(表 1)。采用隶属函数法分别对其他10个指标进行标准化(表 2和表 3)。其中，容重、pH标准化公式见文献[20]，电导率标准化公式见文献[21]，其余指标标准化公式见文献[10]。

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^[5]，计算公式如下：

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

式中：F为土壤肥力质量综合指数；$\overline {{F_i}} $为各指标标准化数值的均值；F_{i, 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。

本研究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。

1.5 数据统计分析

采用Excel 2021和Origin2021进行土壤肥力特征统计分析和作图。在SPSS 26.0中，利用单因素方差分析进行不同行政区、林种土壤肥力综合指数显著性差异检验，采用Pearson法进行土壤肥力指标与土壤肥力综合指数的相关性分析，运用逐步线性回归法分析土壤肥力指标对土壤肥力的重要性。

2 结果与分析 2.1 土壤肥力特征描述性统计 2.1.1 土壤物理性质

由表 4和图 2可知，上海城市林地土壤质地整体处于三级等级，以粉砂壤土和粉砂黏壤土为主，主要分布在二级和三级，分别占比48.1% 和43.04%；土壤容重整体处于紧实等级(四级)，容重均值达1.43 g/cm³，主要分布在紧实和过紧实等级，分别占比35.76% 和36.07%；土壤非毛管孔隙度整体处于四级等级，均值仅为1.05%，其中四级(最低等级)占比达99.68%。

2.1.2 土壤化学性质

上海城市林地土壤化学性质统计特征见表 5和图 3。由此可知，土壤pH均值7.83，整体处于五级(弱碱)，其中五级占比53.95%；土壤电导率适中，整体处于二级，主要分布在二级和三级，分别占比57.12% 和20.41%；土壤CEC整体处于四级(中等)，主要分布在二级和三级，分别占比27.69% 和49.68%。

2.1.3 土壤养分特征

上海城市林地土壤养分统计特征见图 4和表 6。由此可知，土壤有机质含量整体处于缺乏等级，其中缺乏等级占比达41.13%；全氮含量(1.15 g/kg) 整体处于中等等级，其中中等等级占比为36.28%；碱解氮含量整体处于缺乏等级，主要分布在缺乏和很缺乏等级，分别占30.22% 和32.12%；有效磷含量均值为11.23 mg/kg，整体处于中等等级，主要分布在缺乏和很缺乏等级，分别占36.08% 和25.00%；速效钾整体处于中等等级，但缺乏等级占比最高，为44.3%。

2.2 土壤肥力质量综合评价

由图 5A可知，上海城市林地土壤肥力质量中等偏低，主要分布在中等(0.9≤F < 1.2)等级，占比46.99%。松江区、金山区和青浦区林地土壤肥力综合指数显著高于宝山区和崇明区，不同行政区土壤肥力综合指数从高到低依次为：松江区(1.30) > 金山区(1.25) > 青浦区(1.21) > 浦东新区(1.15)、奉贤区(1.15) > 闵行区(1.13) > 嘉定区(1.11)、宝山区(1.11) > 崇明区(1.07)(图 5B)。不同林种土壤肥力综合指数无显著性差异，土壤肥力综合指数从大到小依次为环境保护林(1.20) > 其余林(1.18) > 防护林、开放休闲林(1.15) > 水源涵养林(1.12)(图 5C)。

2.3 土壤肥力综合指数与土壤性质的相关性

上海城市林地土壤性质与土壤肥力综合指数的相关性分析见图 6。由图 6可知，除电导率和粉粒含量外，土壤肥力综合指数与其他肥力指标极显著相关(P < 0.001)，其中，砂粒含量、容重和pH与土壤肥力综合指数显著负相关，黏粒含量、非毛管孔隙度、阳离子交换量及有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量与土壤肥力综合指数显著正相关，有机质和全氮与土壤肥力综合指数的相关系数相对较高，分别为0.73和0.76。

标准化后的城市林地土壤肥力指标与土壤肥力综合指数的逐步线性回归结果如表 7所示。线性回归方程决定系数R²=0.793，有机质、阳离子交换量和全氮对土壤肥力质量的影响较大，标准化值分别达到了0.300、0.263和0.256。

3 讨论 3.1 上海典型城市林地土壤肥力特征

本研究发现，上海城市林地存在土壤紧实、通透性差、有机质和碱解氮缺乏等质量问题。以土壤容重为例，当其达到1.4~1.5 g/cm³时，植物根系生长受限^[10]。但上海城市林地土壤容重均值为1.43 g/cm³，紧实和过紧实的比例共达71.83%(表 4)，已经达到了植物根系难以进入的程度。该研究结果与南京城市林地土壤(1.42 g/cm³)接近^[20]，但明显比北京(1.28 g/cm³)^[22]、长春(1.38 g/cm³)、哈尔滨(1.37 g/cm³)^[23]、广州(1.30~1.43 g/cm³)^[21]和南昌(1.30 g/cm³) ^[11]等城市林地土壤高。非毛管孔隙又称大孔隙，指孔径大于1 mm的土壤孔隙，其数量取决于土壤的结构，它不具有持水能力，但能使土壤通气、透水^[21]。CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》^[17]要求非毛管孔隙度≥5%，但本研究结果仅为1.05%，显著低于南京城市林地土壤(5.54%)^[20]。在土壤质地类似、容重相当，但土壤有机质含量高于南京城市林地土壤的情况下，上海城市林地土壤非毛管孔隙度明显偏低，这种现象有待进一步研究。上海城市林地土壤有机质含量均值为17.29 g/kg，高于南京(13.84 g/kg)和长沙城市林地土壤(13.84 g/kg)，与北京城市林地土壤(18.29 g/kg)^[22]接近，但低于长春(34.51 g/kg)、哈尔滨(34.26 g/kg)^[23]和南昌城市林地土壤(28.89 g/kg)^[11]。上海城市林地土壤碱解氮(62.32 mg/kg)处于缺乏的状态，低于长春(133.04 mg/kg)、哈尔滨(124.43 mg/kg)和北京城市林地土壤(75.99 mg/kg)，但比长沙城市林地土壤(21.17 mg/kg)高。

与国内其他城市相比，上海城市林地土壤物理结构较差、土壤养分偏低等障碍因子出现的原因可能主要与其用地来源和造林条件有关。上海天然林分布极为稀少，从20世纪90年代开始大规模造林，其中大多数造林地来自农田。上海农田以水旱轮作为主，土壤肥力特征好于林地，如全市农田土壤有机质含量达26.37 g/kg，碱解氮含量达167.1 mg/kg^[24]。农田转变为林地后，由传统的水旱轮作变为常年旱作，有机质快速分解，土壤肥力逐渐下降，土壤出现板结^[25]。造林过程中机械压实和人为践踏也会导致土壤物理性质退化。同时，上海现有的林地仍以中幼龄林为主，林地土壤发育尚不完全^[13]。近些年来，城市搬迁地也逐步被用作造林地，但城市搬迁地普遍立地条件不佳，土壤侵入体多，肥力状况总体也比较恶劣^[14]。此外，由于大规模的城市开发建设，部分城市林地受到明显的人为扰动，养护管理措施不到位，也进一步限制了其土壤肥力特征的改善。

3.2 上海典型城市林地土壤肥力综合评价

本研究发现，上海城市林地土壤肥力综合指数为1.15，与南京城市林地土壤相近(1.19)，但显著低于南昌(1.27) ^[11]、长春(1.55~1.65)、哈尔滨(1.41~1.59) ^[23]等城市林地土壤。这可能和上海造林地原生土壤有机质含量低、造林年限短和植被类型有关^[13]。有机质对土壤肥力的影响极大(表 7)，不同城市之间，土壤有机质含量差异显著^[21]，而上海城市林地土壤有机质含量在本研究中提及的城市中排名靠后。造林年限是影响有机质含量的重要因素之一，即使受到人为活动强烈影响，土壤有机质也会随着时间的变化而增加^[26]。但上海超过80% 的林地造林年限不足30年^[27]，低于北方城市和区域^[28-29]。植被类型也是影响有机质积累的重要因素，对有机质积累的影响排序依次为：针阔混交林 > 常绿阔叶林 > 常绿针叶林 > 落叶阔叶林 > 落叶针叶林^[30]。上海林地植被类型主要以常绿阔叶林、常绿针叶林、落叶阔叶林和落叶针叶林为主^[31]，有机质积累效率低于针阔混交林。

上海不同行政区城市林地土壤肥力质量综合指数存在显著性差异，与长春的研究结果相似，且土壤肥力综合指数变幅达0.23，比长春(0.18)高27.78%，这可能和上海不同行政区土壤发育时间不同有关。青浦、松江、金山三地土壤发育于6 000年前，嘉定、闵行、奉贤土壤发育于3 000年前，崇明和浦东土壤发育于1 400年前^[32]。青浦、松江、金山等行政区土壤由于长期利用，土壤肥力明显高于其他行政区^{[24, 33-34]}。通常情况下，由于人为活动、施肥等管理措施不同，不同林种土壤肥力往往呈现出显著性差异^[10]。但本研究发现，不同林种土壤肥力综合指数无显著性差异。这可能与上海各林种在涉林行政区内均有分布有关。虽然不同行政区土壤肥力差异显著(图 5)，但同一行政区内不同林种土壤肥力可能差异较小^[21]。

3.3 上海典型城市林地土壤肥力改良提升

本研究发现，土壤容重与有机质、全氮和碱解氮含量显著负相关，与广州^[21]的研究结果相似。土壤非毛管孔隙度与有机质含量相关性不显著，与广州^[21]的研究结果不同，但与上海外环林带^[5]的研究结果类似。这可能是因为上海土壤有机质含量总体较低，土壤板结严重，因此土壤非毛管孔隙度主要受土壤机械组成影响(图8)。有机质和全氮含量与土壤肥力综合指数的相关系数高于其他指标(图8)，逐步线性回归分析结果也表明有机质、阳离子交换量和全氮的系数最高。这说明当前限制上海城市林地的主要土壤障碍因子是有机质和全氮，有机质是关键障碍因子。本研究结果与长春^[10]的研究结果不同。全氮和容重是限制长春城市林地土壤肥力的最主要因子^[10]。这可能是因为土壤障碍因子确定的方法和限制因子的数量不同。本研究综合Pearson相关性分析和逐步线性回归分析来确定关键障碍因子，相比修正的内梅罗公式，综合考虑了土壤肥力特征之间的相关关系及其对肥力综合指数的影响程度，降低了指标之间共线性的影响。上海城市林地偏低或偏差的土壤肥力指标数量较多，如容重、非毛管孔隙度、有机质、碱解氮等(表 4~表 6)，但有机质对土壤肥力的影响程度最大(表 7)。

施用有机物料是提升土壤肥力的重要措施^[35-37]。有机物料类型、施用方式和用量和均会影响土壤肥力提升效果。采用传统有机肥提升城市林地土壤肥力，不仅成本高，还面临土壤污染的风险^[38]。有机固体废弃物资源化利用是大型城市面临的重要问题^[39]，其中绿化废弃物和湿垃圾已经进行了资源化利用研究。相较于传统有机肥，绿化废弃物堆肥和湿垃圾堆肥成本低廉、环境友好^[40]。在施用方法上，绿化废弃物可作为覆盖物利用，也可制成堆肥利用^[41-42]。湿垃圾沼渣堆肥可通过沟施提升改良效率^[43]。虽然有机物料提升土壤肥力的效果较好，但用量过多反而会影响植物生长，需要通过研究确定合理的用量^[44]。此外，虽然非毛管孔隙度偏低不是限制上海城市林地土壤肥力的关键障碍因子，但考虑到上海降雨量大，地下水埋深浅^[45]，需要增加非毛管孔隙度来提升土壤渗透性，可将多孔改良材料与有机物料复配施用来快速提升土壤非毛管孔隙度^{[5, 46]}。

4 结论

1) 上海城市林地土壤质地以壤土类为主，土壤容重偏高，非毛管孔隙度偏低；土壤pH 4.97~9.07，整体偏碱性，电导率适中，阳离子交换量中等；土壤全氮含量中等，有效磷、速效钾含量中等偏下，有机质、碱解氮含量缺乏；土壤肥力中等偏低。

2) 行政区划对土壤肥力有显著影响，不同林种对土壤肥力则无影响。

3) 有机质是当前上海城市林地土壤肥力提升的关键障碍因子。