城市地下环境对园林植物生存条件的影响

    〔编者按〕　人们在建设城市的各种活动中，往往建造了一个以人工环境严重干扰了自然环境为特征的城市生态环境，导致植物生存条件的改变。而城市的地下环境是影响园林植物生长、生存与分布的重要生态因子，研究其影响规律及探讨相应措施，对加强城市园林建设的科学性，充分发挥园林绿地的综合功能，建设生态健全的城市，都有着十分重要的意义。本文作者根据近年对北京市区的调查研究，对此问题进行探讨。
　　
    北京城区位于北京小平原，永定河与潮白河两大水系之间，座落在以永定河为主的洪积冲积扇脊部，自然土壤以潮褐土为主。其地势自西北向东南倾斜，自然土中粘粒含量也自西北向东南逐渐增加。市区土质多为壤土，以中壤、轻壤比重较大、粘土、沙土较少。随着城市的发展和范围的扩大、市区多数土地都经历了由自然土到经过耕作的农田、进而成为城市用地的演变过程，市区土壤的自然性状已发生很大改变。目前的市区包括了自辽金以来历经兴废、五次建都的全部范围，部分地域已有上千年的城市历史。尤其自元代建大都以来的700多年间，城市基本保持在旧城区的有:目前的东城、西城，崇文，宣武这些区域内。长期以来，城市兴建的房屋和道路逐步取代了原有的植被；日益增加的人群活动和各种车辆、机械的辗压，使市区土壤的密实度显著增高；由于大量建筑物多次重建，城市居民从事炊事、取暖以及工业生产和市政道路工程施工等活动，产生了大量房碴土、废弃建筑材料、炉灰、焦渣、垃圾等废弃物，这些废弃物在消纳的过程中，填埋、掺混到土壤中，形成了含有部分自然土和部分城市废弃物的人工填土；市区植物枝叶归回土壤的营养循环过程中断，加上城市大量夹杂物的入侵，土壤日趋贫瘠；城市地面及地下的各种构筑物又直接限制了植物根系的生存空间；近年来，洒盐融雪又造成土壤的局部污染。如此等等因素构成了独特的北京城市地下环境，从而对城市园林植物的生存条件产生直接的影响。

    一、城市土壤密实度及其对植物的影响

    土壤密实度显著大于郊区土壤，是城市土壤的一个主要特点。一般人流践踏地区影响深度为3～10厘米，土壤硬度在14～28公斤/厘米2之间；车辆辗压影响深度为30～35厘米，土壤硬度在10??20公斤/厘米2之间，在某些特殊地段，经机械多层压实后其影响深度可达1米以上。

    由于城市土壤不存在耕作条件，而且土壤缺少有机质，一般难以利用形成团块结构的方法进行改良。土壤填埋后长期不能改变其结构状况，因此，土壤透气、排水和持水能力在很大程度上受土壤密实度的制约。而土壤的机械组成(粒级分布)是影响密实度(除了外力因素以外)的另一个主要因素。土壤粒级分布不同，其压缩性也有差异。由粒径越小的颗粒组成的土壤，在受压后其体积变化越大，通气孔隙减少也越多。一般砂性土受压后变化小，壤土变化较大，粘土变化最大。据调查分析表明:北京市区砂粒与粗粉粒(粒径1～0.01毫米)占61～85%、粘粒(粒径小于0.001毫米)占5～19%的土壤，通气孔隙度一般为9～19%；而砂粒及粗粉粒含量不足60%，粘粒多在20%以上的土壤，通气孔隙度在9%以下(包括北京市园林局科教处等调查材料)。

    几年来我们对北京市区不同地段的土壤密实度与树木生长关系作了大量调查测定，一般适于树木生长的土壤硬度在8公斤/厘米2以，下相应容重在1.45克/厘米3以下，这样的土壤在市区测定点中不足44%。有些地区土壤硬度可达100公斤/厘米2以上，容重最大值为1.9克/厘米3。城区土壤的高密实度对树木的生长与生存产生十分不利的影响。

    土壤密实度的增高，使通气孔隙减少，导致土壤透气性的降低。减少了土壤和大气之间的气体交换，树木因而生长不良，严重时可使根组织窒息死亡。对通气性要求较高的树木，如油松、白皮松等树种尤为明显。同时，随着土壤密实度的增加，机械阻抗也加大，妨碍树木根系的延伸。

    不同树种对土壤密实的耐受能力不同，据对树木根系正常分布范围内(树冠垂线以内，地下土层80厘米以上，浅根树种如刺槐在40厘米以上)进行的大量测定表明，北京常见树木中对土壤硬度的反应大致如表1所示:

    由于北京市区许多地方人工填土是经多次填埋而成，不同层次的土质及密实度常存在差异。一般树木依其耐受密实能力的不同，根系总是朝着适合于其生长的土层伸长，而不适合的土层则很少或没有根系分布，致使树木在其正常营养面积范围内的有效根量减少(见表2)。

    上表指明，当土壤硬度达到14公斤/厘米时，油松很难扎根生长。硬度再高，更无根系分布。其他树种的扎根也存在不同的土壤硬度极限指标。

    土壤是由固体(在城市土壤有机质含量极低的情况下，主要是矿物质)、液体和气体三相物质构成的统一体。其中液相、气相物质在土壤中所占比例处于一种动态平衡的状态。土壤中三相物质所占的不同比例及土壤的相应容重，可以较准确地反映出土壤的通气孔隙和持水孔隙数量及其对植物生长的影响。调查分析表明，不耐土壤密实的树种(如油松)在固相为4.7～5.5，液相为2.7～3.2，气相为1.3～2.4，相应土壤容重为1.30～1.47克/厘米3时，生长良好。固相超过5.5，气相仅为0.7～1.2，相应容重高达1.54～1.67克/厘米3时，由于通气性差而生长不良。当固相仅为3.5～3.6，气相高达3.2，土壤容重为0.84～0.88克/厘米3时，保水保肥性差，也会导致树木生长恶化(见表3)。

    在土壤密实的地区，由于植树坑内土壤经过挖掘回填，而造成坑内外，土壤密实度的差别，不仅常使树木根系无法穿透坑外密实土层，而形成环绕植树坑壁生长的畸形分布，树木生长状况因而恶化，还由于灌溉或降雨后坑内水分的垂直渗漏和水平扩散受阻而造成坑内积水，导致树木烂根而死亡。

    土壤密实可使某些树木形成菌根的数量锐减。与树木根系共生的菌根，可使吸收水份和盐类的根表面积扩大100～1000倍，可提供额外的一些无机盐类，特别是增加可给态氮素以改善树木的营养状况(《树木生态与养护》，联邦德国贝尔纳茨基著，中译本第47页)。这在北京城市碴土极缺氮素的情况下尤为重要。城市土壤密实对菌根发生的抑制作用，使具外寄生型菌根的树木如松属、云杉属、冷杉属、落叶松属等，以及具有内寄生型菌根的树木如杏银属、柏科、杉科、槭属、悬铃木属、榆属等的树种适应生存的能力下降。这也是某些北京常见树种，从郊区移入城市栽植后生长不良的一个原因。

    土壤密实对根系生长的限制，常使树木改变其根系分布特性，不少深根树种变为浅根分布，多数树种支持树体的根量减少，从而使树木的稳定性减弱，易受大风及其他城市机械因子的伤害而刮倒或撞倒。如1985年7月27日，大风将北京城区1000多株树木刮倒，其中部分树木被连根拔起，造成了严重的损失。

    为减少土壤密实对城市植物生长的不良影响，除选择一些抗逆性强的树种外，还可通过往土壤中掺入碎树枝、腐叶土等多孔性有机物，或混入适量粗砂砾、碎砖瓦等以改善通气状况。对已种树木的过地段，可在若干年内分期改良。在各项建设工程中应避免对绿化地段的机械辗压。对根系分布范围内的地面应防止践踏。

    二、城市土壤??人工填土的构成及其对植物的影响

    北京市区人工填土的埋深及分布，既受城建历史的制约，又同北京地理条件密切相关，不同地段表现较大差异。旧城区多数地段由于城市人口的增加，使城市各种生产、生活废弃物大量增加，大部分就地消纳，一般埋深为2～4米；有些建设历史悠久、人口集中的地段达4～6米；建国以来新开发区，如朝阳区建国门外、西城区钓鱼台等一般埋深小于1米。永定河曾在北京小平原多次改道和由于地形差异而形成的湖、泊、沟、坑及凹地等地段，由于城市建设需要而陆续被填埋，其埋深度一般在6米以上。在历代城建过程中，大量砖瓦在郊区取土生产，形成大量的窑坑，以及过去王公贵族在其庭院内开挖人工湖泊、小河等，又形成许多沟坑凹地，以后陆续废弃和用碴土填埋，这类地段一般深达4～6米。就城区整体而言，一般人工填埋深度在1～5米之间。

    据近年对北京市区园林植物根系调查，多数树木根系深度在地下2米以内，其中行道树、分车带等树木由于土壤密实度和地下设施等影响，根系多集中分布在1米以内。有些灌木和草坪等地被植物根系更浅。由此可见，北京旧城区绝大多数绿色植物并非生长于自然土壤上，而是生长于人工填土上。新发展市区范围内有些分布在原来洼地的人工填土上，有些则分布在农田土上，其中含有一定数量的人工夹杂物，因此，人工填土的理化性质对城市植物的生存和分布产生直接的影响。

    北京市区人工填土的单质夹杂物，常见的有20多种，依其主要理化性质可分为下列几类:

    1.砖碴类:来源于建筑碴土。解放前几百年间所建房屋，绝大多数是砖木结构，重建时废弃的残砖碎瓦多就地消纳。粒径一般为2～5厘米，容重为1.63～1.82g/厘米3，质地较硬，不易风化。通气孔隙度仅4.8～8.17%，但以固体形式侵入土壤后，常使土中的大孔隙增加，透气、排水性增强。持水孔隙度为29.78～32.33%，具有吸水性，能在土壤中吸收并保持一定的水份，但比一般中壤土的持水数低得多。砖瓦含量过多时，可使土壤持水能力下降。

    经粉碎后测定，其全氮、速效磷及速效钾含量分别为0.016%，5.2ppm及35ppm，含量极微。除了其粉末掺入土壤时略有营养效果外，通常大量以固态存在于土壤中，且不易分解，故可视为对土壤不起营养补充的作用。砖瓦含量过高时，还会使提供养分的土壤容积减少，从而使城市土壤的贫瘠程度加剧。

    2.煤灰类:以煤球灰渣为主，是民间炊事，取暖小煤炉燃烧后的残余物，也包括碎煤灰等。煤球灰多为椭圆形的多孔体，粒径一般为2～3厘米，容重0.67～0.94克/厘米3，质松易碎。持水孔隙度为31.25～33.50%，通气孔隙度为21.25～39.7%，具有通气、吸水性，含量适当时，可改善土壤的通气性，吸水和排水状况也具有一定的保水作用。且由于容重较小易碎而有利于植物根系的穿透。含量过多时由于球粒间空隙过多，而使土壤持水能力下降。煤球灰类含有部分养分，磷、锰的含量都较其他夹杂物为高，且由于质脆易碎，而多以粉末状态存在于土壤中，故能为土壤提供部分养份，也有一定的保肥作用。

    3.煤焦碴:为大型锅炉燃烧后的残余物，其灰烬大部分炼成焦状，呈多角形，粒径大小不等。容重差异较大，为0.83～1.23克/厘米3，不易破碎。大孔隙多，细孔隙少，通气孔隙度为21.1～40.5%，故以固体状态存在于土壤时，可使土壤透气及排水性增强。但持水孔隙度仅为8.5～11.5%，保水性极差。焦碴含有微量养分，但不易为植物吸收。焦碴在土壤中含量过多时，其减少提供养分的土壤容积的作用同砖瓦类相似，但降低土壤持水能力较砖瓦类为大。

    4.石灰碴类:由石灰石锻烧而成。石灰可使土壤增加碱性。石灰土的持水孔隙度为40.3～46.8%，吸水性强，而且具胶结性，易使土壤固结。一般还原成碳酸钙后，不易破碎。容重为1.14～1.4克/厘米3。但以固体存在于土壤时，可加大土壤大孔隙。石灰对植物根系有伤害作用，生石灰在土壤上层堆积经淋溶后伤根更甚。

    5.混凝土块及砾石类:来源于道路、建筑的废弃物，包括水泥混凝土块、沥青混凝土块及砂砾、石碴卵石等。混凝土块容重高达2.05～2.38克/厘米3。总孔隙度仅为14.93～19.43%，持水孔隙及通气孔隙都低。在土壤中含量适当时增加大孔隙，改善透气排水状况，没有持水作用。含量多时，会使土壤持水力显著下降，内含极微量养分，也因极难分解而不可利用。其减少提供养分的土壤容积的作用与砖瓦类相同。

    不同类型夹杂物理化性质的测定(见表4、表5)。

    以上不同类型夹杂物掺混到土壤后，即形成各种类型的城市碴土，即砖碴土、煤灰碴土、焦碴土、石灰碴土及砾石碴土。

    各类夹杂物进入土壤，是一种人为的、又是随机的过程，因此，不同地区夹杂物的分布也表现为很大的随机性。由于夹杂物在消纳过程中侵入土壤方式的不同，可分别形成单一夹杂物堆积层；因大量填埋或经过两次以上掘填的地方，形成两种以上夹杂物同土壤的混合存在；以及由于夹杂物多次回填，而形成不同夹杂物相交替的堆积层等，其种类及分布深度也各不相同。城市碴土这种形成的特点决定了其在调查研究上的复杂性。但从城区整体来看，不同类型夹杂物的分布比重，也表现有一定的规律性。老城区多数地段以砖碴类为主，也包括一些煤灰类；一些主要干道及分车带，以砾石碴为主；原有湖泊沟坑填埋地段以混埋为主。

    据对市区内分布于不同城区的5862个土坑调查分析，以每一地段相同的碴土类型只按一个调查点计算，共178个点，不同碴土类型所占比例(见表6)。

    以上数据是对市区不同地段调查统计的，故可在一定程度上，说明北京城区不同碴土类型的分布数量状况。其中砖碴土、砾石碴土，煤球灰碴土所占比例近90%，是北京市区主要的碴土类型。

    以上各种类型夹杂物，对植物生存条件的有利或不利影响，依碴土类型、侵入土壤的方式和数量、侵入地原有土壤的机械组成等因素不同而异。

    固体类夹杂物(如砖碴、焦碴、砾石碴等)侵入土根后，由于在土壤中有一定支撑作用，在城区外力作用频繁的地区以及土壤较粘重的地段，其适当含量，尤其是和土壤相间混合的存在状态，有利于改善士壤通气状况，是形成树木局部根系伸长，从而增加根量，改善树木生长状况的有利因素。但在形成单一的坚硬夹杂物层的地方，又常会使树根无法穿越而限制其分布深度或广度(见表7)。

    土壤中固体夹杂物含量适当时，能在一定程度上提高土壤(尤其是粘重土壤)的排水能力。但含量过多会使土壤持水能力下降。碴粒本身占有一定体积，使土壤相对减少，而降低土壤水份的绝对含量，常使城市植物的水份逆境加剧，尤其早春供水不足，是植物越冬的最大威胁。城市植物由于水份平衡经常处于负值，而表现生长不良，早期落叶，甚至死亡。

    对城市人工碴土的利用和改良可采取如下措施:选择适宜的树种；对难以用于植树的土壤进行更换；对由于细粒太少而持水能力差的土壤，应将大粒径的固体夹杂物挑出，保留夹杂物占土壤总容积的比例不超过1/3，并可掺人部分细粒进行调整；对由于粗粒太少而透气、渗水、排水能力差的土壤，可掺人部分粗粒加以改良。

    三、城市土壤贫瘠化及其对植物的影响

    市区内植物的落叶、残枝常作为垃圾而被清除运走，难以回到土中，使土壤营养循环中断，土壤有机质含量很低。据测定市区土壤有机质含量均在1%以下，只及郊区菜园土的1/2～1/4。有机质是土壤氮素的主要来源，城市土壤中有机质的减少又直接导致氮素的减少。

    城市土壤所含夹杂物中，煤球灰碴内含养份虽可参与分解活动而被植物吸收，但含量极低。其余夹杂物基本不起营养作用。随着夹杂物含量增加，土壤可给总养分相对减少。某些含石灰的夹杂物可使土壤钙镁盐类增加，使土壤PH值增高。据在北京城区211个测点测定表明，土壤PH值为7.4～9.7，平均值为8.1，一般比郊区为高。由于PH值的增高，不仅降低了土壤中铁、磷等元素的有效性，也抑制了土壤微生物的活动及对其它养分的分解。夹杂物的存在，又使土壤中的粘粒含量相对减少，胶结物质减少，盐基代换量低。据测定北京城区土壤平均代换量为8.51m?1/100克土，属于保肥性差的土壤。北京城区土壤主要养分含量测定(见表8)。

    由表8可见，北京城市土壤除钾含量较高外，全氮含量仅及菜园土的1/2～1/8，碱解氮减少3/4，磷素部分地区较缺，少部分地区极缺，全磷比菜园土减少1/3，速效磷减少20%。如同北京郊区土壤养分分级标准(共分8类)相比较，速效磷仅相当于与7类土的含量，有机质相当于7类土，全氮则相当于8类土，属于极缺氮素的贫瘠土壤。

    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，尤其低氮会阻碍光合作用的进行。城市土壤养分(除钾以外)的亏缺，使城市植物的碳素生长量大为减少，加上通气性差和水分亏乏，影响土壤肥力等其他因素，使城市植物较郊区同类植物生长量要低，其寿命也相应缩短。

    为改善城市植物养分贫乏的状况，结合城市土壤改良进行人工施肥是必要的措施，应增加城市土壤有机质的含量。并可采取适用于城市植物的肥钉、肥棒、缓释肥等不同类型的肥料和相应的施肥器械和施肥方法。还可选种具有固氮能力的植物以改善土壤的低氮状况，以及根据不同植物生长需要进行合理的灌溉等。

    四、城市地面及地下构筑物对植物的影响

    城市多数植物生长于人工环境中，其正常生长所需的营养面积，包括根系垂直生长和水平伸展的生存空间，都由于城市构筑物的影响而受到限制，从而改变其分布状况及数量。城市植物周围铺装地面封闭，阻碍降水的渗入和气体的交换；行道树由于种植距车行道过近而形成根系的不对称分布:在狭窄的分车带中(宽1.6～3米)由于路牙和两侧车道的阻隔，造成车道下垫层处，树木吸收根大量饥饿死亡，多数根系呈同车道相平行的方向伸展；地下管道的铺设，虽有局部疏松土壤、有利于根系沿缝隙穿透的作用，个别地区铺设热力管道在与种植物距离适当时还可提高地温、减少冻土层而有利于如棣棠、大叶黄杨等不耐寒树种的越冬和存活；但在管道密挤排列铺设的情况下(如长安街)，则会限制根系的垂直分布，并使土壤提升水分的毛细管被切断。在某些地下工程如地铁的加强层范围内这种情况更为典型，从而使植物生长在构筑物上下阻隔类似大花盆的环境之中。近年还发现由于煤气泄漏而使一批毛白杨死亡。

    不同树种对城市构筑物所形成的狭小生存空间适应能力有较大差异。较耐土壤密实和对土壤通气要求较低的树种如国槐、绒毛白腊、栾树等，在地面铺装的条件下较能适应生存，并在营养面积较小的情况下，有较多根系分布；有些树种如毛白杨等作行道树栽植时，可在很远的地段形成庞大根群，侧根较多；不耐密实和对土壤通气要求较高的树种如云杉、白皮松、油松等则适应能力较低。城市构筑物对植物根系生长的影响虽因树种不同而有异，但不良影响只是程度不同而已。

    城市构筑物对植物生存空间的限制，加上土壤的密实与贫瘠，人们又常在一定的面积上配置不同植物，或株距较密，致使植物的共生矛盾突出。主要表现为植物根系在有限空间及贫瘠土壤中争夺水份、养分和空气，常使某些植物生长占优势而使另一些植物生长不良。城市植物的种间矛盾不同于自然林地或郊区的特点，在于他们都受城市恶劣的地下环境的制约。

    为了减少城市构筑物对植物生存的不利影响，在营养面积较小的地段应选栽抗逆性强的深根树种，对植物有限营养面积内的土壤进行分期分段深翻改良和进行根系修剪，选栽浅根地被植物和改进植物配置以减少共生矛盾，为改进城市街道植物生存空间过于狭小的状况，应合理设计道路断面。

    五、化雪盐对植物的伤害

    近年来北京主要干道使用10～20%的氯化钠盐作为融雪剂，融化的盐水通过道牙缝隙渗透或车行飞溅污染植物根区土壤而引起伤害，已构成城区地下环境中影响植物生存的一个新因素。1981年东长安大街局部土壤含盐量曾高达0.55%，毛白杨死亡145株；1985年三里河路分车带油松部分土壤含盐量达0.3?0.7%，使100多株受害，死亡38株；黄杨、桧柏等绿篱也大量受害或死亡。

    盐分能阻碍水分从土壤中向根内渗透和破坏原生质吸附离子的能力而引起原生质的脱水，造成不可逆转的伤害。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，妨碍根部对钙、镁、磷等基本养份的吸收，导致土壤板结、通气和供水状况恶化。

    城市树木受害后，一般阔叶树表现为叶片变小，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及开花，芽干枯。针叶树针叶枯黄，严重时全枝或全株枯死。

    树木摄取了过多盐份，在尚未致死的情况下，可通过落叶，部分地转移盐份，但又可随落叶回归土壤中。在土壤排水能力很好的情况下，充分的降水和过量的灌溉则可把盐分淋溶到根系以下更深的土层中而减轻危害；但当盐分过高时，在很短时间内就可致树木于死地，而淋溶土壤中的盐份却需要较长的时间。据1983年7月8日在三里河分车带测定，表明土壤中含盐量已较早春受害时显著减少，同时也反映出经降雨和正常灌溉淋溶后不同深度的土壤中含盐量分布状况。见表9。

    虽然受害植株土壤盐分可得到水分的淋溶，但在北京城区自然降雨和人工灌溉数量都有限的情况下，将盐分淋溶到根系分布范围以下的数量是很少的，并且还受城市土壤底层密实因素的制约。

    树木的抗盐性是原生质的一种特性，不同树种对盐分耐受力有较大差异。北京一般落叶树，当土壤中含盐量达0.3%时引起伤害，针叶树达0.18～0.2%时，即可引起伤害。因此，干道两侧防止化雪盐危害树木已成为一个急需解决的问题。改进现有的路牙结构并将路牙缝隙封严，是阻止化雪盐水进入植物根区的关键措施。由于树木吸收盐量中仅一部分随落叶转移，多数贮存于树干木质部、树枝和根内，翌年春天，又会随蒸腾流而被重新输送到叶片、树木。这种对盐分贮存的特性常使其抗盐性减弱，在连续使用化雪盐的地段，由于头几年盐分的积累，在以后盐分浓度较低的情况下也会引起伤害。因此，严格控制化盐雪的合理用量非常重要，及时消除融化雪水，可减少过往车辆引起飞溅伤害植物，必须严禁将带盐的雪，堆放到树木根区改善行道树土壤的通气性和水分供应，以及增施硝态氮、钾、磷、锰、和硼等肥料，都有利于淋溶和减少树木对氯化钠的吸收而减轻危害。