基于城市绿地土壤安全的主要生态技术研究及应用

梁晶 方海兰 张浪 崔心红   2016-11-24 22:17:46

梁晶 / LIANG Jing

方海兰 / FANG Hai-lan

张浪 / ZHANG Lang

崔心红 / CUI Xin-hong

摘 要:土壤圈是地球表层系统最为活跃的圈层,是连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的核心要素。但与大气、水体等环境问题相比,由于土壤问题更具隐蔽性和滞后性,长期以来一直未得到足够重视。在充分认识土壤安全概念及城市绿地土壤安全重要性的基础上,分析城市绿地土壤安全受到的胁迫及成因,介绍近年来项目组开展的提升城市绿地土壤安全的生态技术研究,并对未来城市绿地土壤生态安全维护进行展望,旨在唤起公众对土壤安全的重视。

关 键 词:风景园林;城市绿地土壤安全;绿化植物废弃物;污染;物理性质退化

文章编号:1000-6664(2016)08-0014-04

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2016-01-05;

修回日期:2016-03-22

基金项目:上海自然科学基金(编号14ZR1438500)资助

Abstract: Pedosphere is the most active and vital sphere of the Earthsurface system, and is the core element connecting the atmosphere, hydrosphere, biosphere and lithosphere. However, its importance has not been paid enough attention, because soil environment had a higher elusiveness and hysteresis when compared with air and water environment. Based on the full understanding of the concept of soil security and its importance for urban green space, stress being pushed and reasons were analysed in the paper, and the technical measures improving soil security of urban landscape that have been studied in recent years were then summarized, and the maintenance of soil security of urban landscape in the future was prospected lastly. The aim of the paper is to arouse public attention to soil security.

Key words: landscape architecture; soil security of urban landscape; greenery waste; contamination; degeneration of soil physical properties

城市绿地系统作为城市中唯一接近于自然的生态系统,对保障城市生态环境、维护居民身心健康有着至关重要的作用[1]。近年来,虽然城市绿化越来越受到重视,但大多片面地认为城市绿地系统生态效益和景观效果的发挥主要取决于植物,土壤安全无关紧要,长期以来城市绿地土壤安全没有得到应有的重视。因此,本文在充分认识土壤安全概念以及城市绿地土壤安全重要性的基础上,分析了城市绿地土壤安全受到的胁迫及成因,介绍了近年来项目组开展的提升城市绿地土壤安全的生态技术研究,并对未来城市绿地土壤生态安全维护进行展望。

1 土壤安全的概念及城市绿地土壤安全重要性1.1 土壤安全的概念

土壤具有维系生物质生产、容纳和消减污染物、过滤水源、固碳、维护生物多样性等多种功能。“土壤安全”指土壤功能发挥状态和水平,是基于社会可持续发展目标的一种土壤系统认知,比土壤质量、土壤健康和土壤保护的概念更为宽泛[2]。安全状态下,土壤功能可得以持续发挥,安全水平降低,则妨碍土壤功能的实现。

1.2 城市绿地土壤是城市生态安全的基石

首先,城市绿地土壤是植物生长的摇篮,植物可净化大气、缓解城市热岛效应;其次,城市绿地土壤可净化环境污染物,且净化能力与土壤性质息息相关;第三,城市绿地土壤可涵养水源、蓄积雨水、减缓雨洪;第四,城市绿地土壤中的大量微生物有助于其生态系统的能量流动和物质循环;第五,城市绿地土壤可固碳减排[3]。

2 城市绿地土壤安全受到的胁迫及成因2.1 城市绿地土壤污染现状及成因

2013年我国首次发布的土壤污染调查公报显示,全国土壤环境状况总体不容乐观[4],土壤污染是继大气和水污染之后必须予以高度重视、亟待解决的重大环境问题。但长期以来,由于土壤污染对食物链的影响,较农业土壤,城市绿地土壤污染关注较少,事实上,随着工业化和城市化进程的加快,城市土壤中重金属含量有高于附近农业土壤的趋势,且具有明显的空间差异性,对人体造成了潜在危害。如上海工业区和交通区绿地土壤重金属(Cu、Zn、Pb、Cr)分别为54.17%和67.19%,达到了重度污染水平[3,5],且多环芳烃(PAHs)含量为大学、公园、居民区绿地土壤的2~10倍[3,6],石油烃(TPH)则以道路绿地土壤污染最为严重,最高可达3 508mg/kg[3,7],而公园、公共绿地、居民区等绿地土壤则局部污染较为严重,分析其原因,除工业、交通等污染排放及垃圾随意堆放外,也与城市绿地土壤缺乏改良材料的准入标准和机制有关。

加拿大、意大利、荷兰等国不仅制定了堆肥中Cu、Zn、Cd、Pb、Hg、Cr、Ni、As等重金属的限值,而且根据堆肥的不同用途设置了不同的限值,并要求根据土壤年承载量确定堆肥的添加量[8]。而我国《有机肥料》(NY 525-2012)仅对Cd、Pb、Cr、Hg和As 5种重金属进行了限定,未对常用于饲料添加剂的Cu和Zn含量设置限值,有机肥料等改良材料的施用量、施用方法等更未提及,致使Cu和Zn含量较高的猪粪、鸡粪等有机肥“合理”地进入了绿地土壤[9-11],导致城市绿地土壤遭受重金属污染。

2.2 城市绿地土壤物理性状现状及成因

土壤养分缺乏会影响植物长势,但不会直接导致植物死亡,而土壤物理性质恶化则会直接导致植物死亡。一般常用土壤密度、孔隙度等指标来评价城市绿地土壤物理性质的好坏。纵观国内外研究,城市绿地土壤普遍存在密度大、孔隙度小的现象[3]。我国城市绿地土壤物理性状恶化趋势更为明显,如2007年上海中心城区绿地37.12%的土壤样品密度>1.35mg/m3,81.33%的土壤样品通气孔隙度<8%,2014年上海中心城区绿地47.22%的土壤样品密度>1.35mg/m3,82.46%的土壤样品通气孔隙度<5%。其原因,一方面可能由于我国尚缺相关法律、法规、标准的引导和限制,使建筑垃圾土、深层土等不合格土壤用于绿化种植(图1);另一方面,城市绿地在建初期机械设备的使用以及建成后人为践踏等导致土壤压实严重(图2)。对不同压实方式下同一植被类型土壤密度和孔隙度进行测定,发现压实越严重,密度越大,孔隙度越小。如自然条件下土壤密度和总孔隙度为1.25mg/m3和51.79%,人为践踏后土壤密度和总孔隙度为1.44mg/m3和45.15%,机械压实后土壤密度和总孔隙度为1.59mg/m3和42.31%[12]。

3 提升城市绿地土壤安全的途径与技术3.1 制定标准,设置城市绿地土壤准入门槛

3.1.1 注重城市绿地土壤环境质量评价

与其他土壤标准《展览会用地土壤环境质量评价标准(暂行)》(HJ 350-2007)、《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ 332-2006)、《温室蔬菜产地环境质量评价标准》(HJ 333-2006)、《农用地土壤环境质量标准》(征求意见稿)、《建设用地土壤污染风险筛选指导值》等相比,虽然《绿化种植土壤》(CJ/T 240-2011)对城市绿地土壤Cu、Zn、Pb、Cd等重金属总量及土壤密度和非毛管孔隙度等指标进行了限定,但尚不足以反映土壤的真实特性。

1)土壤中重金属总量越高,其潜在危害越大,但总量并不能完全决定其环境行为和生态效应,不能全面客观地评价绿地土壤污染特性,城市绿地土壤应注重重金属有效性的测定和评价。而重金属的形态是决定其对环境是否造成影响的关键因素[13],其中“有效态”指易被植物吸收的形态,能较好地反映其对植物的危害。测定有效态重金属的方法有Tessier法、碳酸氢铵-二乙三胺五乙酸浸提法(AB-DTPA)、氯化钙-三乙醇胺-二乙三胺五乙酸浸提法(DTPA)等,经不同浸提方法与植物长势相关性研究,AB-DTPA浸提法可简便快捷评价土壤重金属潜在危害。

2)城市绿地土壤多为质地不同的人工配制土壤,且实验室测定与现场实际测定有一定差异,土壤密度和非毛管孔隙度较难准确反映土壤物理结构。而土壤入渗指单位时间内通过单位土壤表层渗吸到剖面的水量,其中土壤饱和导水率是土壤被水饱和时,单位时间内通过单位面积土壤的水量,是土壤质地、密度、孔隙分布特征的函数,能较综合地评价土壤物理特性。日本等园艺发达国家已将土壤入渗作为绿化土壤质量评价的重要标准,并划分为4个等级:>100mm/h (Ⅰ级,优),30~100mm/h(Ⅱ级,良),10~30mm/h (Ⅲ级,不良),<10mm/h (Ⅳ级,差)[14],而我国城市绿地土壤鲜有采用土壤入渗评价土壤物理特性。

3.1.2 注重城市绿地土壤改良材料质量

控制威胁土壤安全的源头,是确保土壤安全,使其功能发挥最佳水平的根本措施。而源头控制的实现则需要有相应制度、体制、标准、规程等作为保障。对工业、交通等污染源,目前政府已采取了工业减排和区域联动控制等方式;但与绿地土壤改良材料质量相关的标准、制度等一直未引起重视。因此,项目组编制了国内首项绿地土壤改良材料标准——《绿化有机基质》(LY/T 1971-2011),根据其不同施用范围对重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Hg和Ni设置了三级限值要求;同时编制《绿化植物废弃物处置和应用技术规程》(GB/T 31755-2015),对其施用技术提供指导,使绿地土壤安全维护“有标可依”。

3.2 结合行业废弃物循环利用,构建城市绿地土壤安全的生态技术

3.2.1 提升土壤肥力

绿化植物废弃物指城市绿地或郊区林地中绿化植物自然或养护过程中所产生的乔灌木修剪物(间伐物)、草坪修剪物、杂草、落叶、枝条、花园和花坛内废弃草花等废弃物。富含有机质、N、P等养分,具有降低土壤pH、增加土壤有机质、总N和总P及提高土壤活性等作用。通过其与土壤混合、覆盖等可提升绿地土壤肥力、改善城市绿地景观,但其用量过大时会导致土壤C/N失衡,建议与土壤混合时用量小于13 240kg/hm2,覆盖时用量小于6 120kg/hm2[3]。

3.2.2 钝化土壤重金属

土壤对重金属的净化能力及重金属形态与土壤pH、质地、阳离子交换量、有机质含量等有关,其中有机质由于具有较强的表面络合能力,可通过影响土壤中重金属的形态,从而影响其在土壤中的移动性和生物有效性[15]。绿化植物废弃物对土壤Cu、Zn、Pb和Cd形态影响的室内模拟实验表明,绿化植物废弃物对重金属Cu和Pb的钝化效果好于Zn和Cd,且添加60%(质量比)时,对Cu和Pb的钝化效果最好。

此外,由于重金属具有不可降解性,为缓解其经雨水淋洗后会对地表水及地下水造成污染,合理的施用方法和施用量尤为重要,如绿化植物废弃物与土壤混合有抑制Cu、Zn、Pb和Cd向下淋溶的作用,而绿化植物废弃物覆盖则有促进Cu、Zn、Pb和Cd淋溶的趋势,且绿化植物废弃物添加量越大,对重金属向地下迁移的促进或抑制作用越大。

3.2.3 降解土壤有机污染物

绿化植物废弃物可在一定程度上提高土壤微生物活性,对有机污染物具有降解作用,开展绿化植物废弃物降解多环芳烃(PAHs)和总石油烃(TPH)的研究表明,添加50%(体积比)绿化植物废弃物堆制72天后,美国环境保护署(EPA)16种优控PAHs降解率高达48.57%;添加10%(重量比)绿化植物废弃物,土壤TPH降解率较对照增加了6.05%。

3.2.4 改善土壤物理性质

随着城市洪涝现象的频发,“海绵城市”建设迫在眉睫。选取绿化植物废弃物、草炭、有机肥、脱硫石膏等废弃物作为改良材料,在上海辰山植物园开展不同配比现场定位试验表明,土壤:绿化植物废弃物:有机肥=8:3:0.8(体积比)并添加0.5kg/m3脱硫石膏时,土壤饱和导水率较好,土壤田间持水量、通气孔隙度和有效水含量最高。可见,合理添加绿化植物废弃物等有机改良材料可改善绿地土壤的物理结构,有助于城市绿地土壤蓄积雨水、减缓雨洪等作用的发挥[16]。

3.3 发挥“植物”对土壤安全的指示作用

土壤是一个复杂而多相的物质系统,是连接大气、水、岩石和生物的核心要素,因此土壤安全性评价尤为重要。但传统的化学诊断法较难对土壤中各个物质进行全面测定[17],开展土壤生态毒理诊断综合评价土壤整体毒性效应具有重要意义。土壤生态毒理诊断的方法主要有植物法、动物法与生物法。土壤动物法因其数量多、分布广、实验成本高、费时等缺点导致不能及时反映土壤毒性;土壤生物法对毒性物质敏感程度各异,专一性较差,影响结果可比性;植物生长受到各种环境因素的干扰,虽然室内模拟实验与田间真实情况存在一定差异,但若室内实验多种手段相结合,则能大大提升对土壤安全性的全面评价。

3.3.1 “发芽指数”对土壤安全的指示作用

发芽指数通过检验土壤对植物是否产生抑制来评价土壤毒性,可评价土壤对植物的毒性水平和预测植物毒性变化,较发芽率能更好地反映土壤的安全性。《绿化种植土壤》(CJ/T 340-2011)、《绿化用有机基质》(LY/T 1970-2011)、《园林绿化工程种植投入质量验收规范》(DB31/T 769-2013)及《绿化用表土保护和再利用技术规范》(DB31/T 661-2012)等标准已将其作为评价土壤和改良材料质量的技术指标。

3.3.2 植物“根系”对土壤安全的指示作用

根系与土壤接触最为紧密,其在土壤中的生长发育状况能直接反映土壤的安全性。土壤养分缺乏或过高时,植物根系细小颜色发黑。土壤通气性差时,植物根系少而短粗;土壤通气性好时,植物根系多而细长。但鉴于根系分布于土壤之中,远不如地上部性状那样直观,对它的认识总是滞后于对地上部茎叶的研究和了解,且对根系生长状况的检测和观察容易对其造成损害。因此,可以通过盆栽和微区实验观察植物根系的生长状况(图3)。

3.3.3 植物“长势”对土壤安全的指示作用

城市绿地多以乔-灌-草(地被植物)进行绿化种植,而草坪植物(地被植物)分布广泛且生长周期短,开展基于不同草坪植物(地被植物)的土壤毒性实验,并与标准土壤(85%沙+10%高岭土+5%草炭或pH5.5~7.5、沙粒含量>70%、有机质含量0.5%~1.5%的土壤)的发芽率、植物鲜重、株高等指标相比,根据比值大小确定土壤安全性。

4 研究展望

目前,项目组在提升城市绿地土壤安全性上开展了大量研究,但由于土壤是复杂的动态系统,因此要实现城市绿地土壤安全,还应做好以下几点。

4.1 积极研究制定相关法规和配套政策

近年来,我国对绿地土壤保护的认识和重视虽有所提高,但对土壤质量、土壤功能及土壤的社会价值认识尚显不足,缺乏倡导公众自觉、积极保护土壤的意识。因此,各地和有关部门应研究制定绿地土壤保护的相关法规,严厉打击各种破坏绿地土壤安全的行为;并积极制定有利于土壤保护和提升土壤安全产业发展的税收、信贷、补贴等经济政策。

4.2 健全绿地土壤管理体制

土壤是不可再生资源,一旦污染或退化,治理修复十分困难,因此,在保护土壤安全方面,应坚持以防为主的原则。对已建绿地,严禁污染物排放,确保所用改良材料的质量,以防造成绿地土壤性质的退化;对新建绿地,结合园林施工,加强对土壤挖掘、堆放、运移过程的管理,防治建筑用料污染土壤,禁止废弃物、砖砾等垃圾混入绿地土壤,影响绿地土壤质量。

4.3 加强基础研究,形成标准规范

随着社会经济及城市的快速发展,城市绿地土壤的肥力质量、物理性质、污染特性等均在发生着变化,因此,需建立城市绿地土壤定期监测的长效机制,加强基础研究,形成相关标准规范,提升城市绿地土壤的准入门槛。

注:文中照片均由项目组拍摄。

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作者简介:

梁 晶/1981年生/女/山西长治人/硕士/上海市园林科学规划研究院高级工程师/研究方向为城市土壤质量评价与有机废弃物循环利用(上海 200232)

方海兰/1969年生/女/安徽绩溪人/博士/上海市园林科学规划研究院教授级高级工程师/研究方向为城市土壤质量评价与有机废弃物循环利用(上海 200232)

张 浪/1964年生/男/安徽合肥人/博士/上海市园林科学规划研究院院长/复旦大学、北京林业大学客座教授/国家科学技术协会专家/住房和城乡建设部风景园林专家委员会委员/上海市风景园林学会副理事长/研究方向为风景园林规划设计、科研和专业管理/本刊编委(上海 200232)

崔心红/1965年生/男/湖北人/博士/教授级高级工程师/上海市园林科学规划研究副院长/研究方向为城市绿地生态修复(上海 200232)

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