上海市公园绿地土壤肥力特征分析与综合评价

2019-12-26骆玉珍张维维李雅颖姚槐应王永杰韩继刚

中国土壤与肥料 2019年6期

骆玉珍，张维维，李雅颖，姚槐应，王永杰*，韩继刚*

（1．上海海洋大学食品学院，上海 200120；2．上海市园林科学规划研究院，上海 200030；3．中国科学院城市环境研究所，福建厦门 361021）

城市公园作为城市园林绿化的主体之一，在承担居民休憩及游乐作用的同时，还具有改善大气质量、涵养水源、调节温度、维持生物多样性及美化城市景观等诸多生态服务功能［1］。上海市作为典型的园林城市代表，城市内公园绿地占地面积大，公园数量已达243 座，人均公园绿地面积8.02m2［2］。可以说，公园绿地土壤肥力质量关乎到整个城市的生态发展［3-4］。由于密集的人类活动，公园绿地土壤受到的人为扰动往往强于农业土壤和森林土壤，发生土壤板结、污染等土壤退化现象，土壤质量问题日益突出［5］。开展城市绿地土壤质量相关研究，对于科学管理和调控城市生态系统，促进城市生态文明建设和保证城市生态系统可持续发展具有重要意义［5］。

目前国内不少城市［3-9］已开展公园绿地土壤肥力特征的研究，发现城市公园绿地土壤肥力往往呈现出主要养分元素变异性强、土壤结构差、压实严重、土壤呈碱性等特点［10-11］。也有学者对上海市绿地土壤肥力特征［12-13］进行了研究，但多集中于上海市少数行政区或少数公园，并且主要关注土壤物理性质及主要养分元素含量的分布，忽略了植物生长必不可少的中、微量营养元素的研究，不能全面反映整个上海市公园绿地土壤肥力特征总体状况［14］。中、微量元素在维持植物体内正常代谢过程，保证植株营养供应及参与土壤主要元素循环的过程中起着十分重要的作用［15-16］。目前，中、微量元素作为土壤肥力质量评价指标，已被应用于胶园［17］、农田［18］、中药材栽培地［19］、植烟区［14］等不同类型土壤中，但在城市绿地土壤肥力质量评价时却极少应用。因此，为了对土壤肥力质量进行更全面评价，本研究采集了上海全市16 个行政区的公园绿地土壤表层样品，测定土壤pH 值、EC、主要养分和中微量养分元素，结合GIS 技术对上海市公园绿地土壤肥力特征进行综合分析与评价，为今后有针对性地指导城市公园绿地养护以及提升公园整体质量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

上海市位于中国东部的长江三角洲地区（120°52′～122°12′E，30°40′～31°53′N），地处黄棕壤地带，与非地带性水稻土复式组合，主要土壤类型为水稻土、滨海盐土、潮土和黄棕壤土，总地势西南高东北低，相对高差3～4m，属于平原地貌，年平均气温15.7℃，年均降水量1000mm 左右，属亚热带湿润季风气候［19-20］。上海市是中国特大型城市，经济繁华，工业发达，交通线路多，人流量大，拥有黄浦区、徐汇区、浦东新区、崇明县等16 个市辖区，总面积6340km2，其中公园面积为192km2［2］，中心城区公园数量占上海市公园总量的80%以上［12］，根据实地调查，公园内主要种植物包括樟树、雪松、水杉等乔木，海桐、女贞、八角金盘等灌木以及麦冬、大吴风草、地毯草等草本植物。

1.2 土壤样品采集和测定

本研究选择上海全市16 个行政区内65 个代表性公园进行表层土壤样品采集（2017 年10 月至11月），共采集公园绿地土壤样品87 个（图1）。根据公园面积及植被类型确定采样点，使用土钻在每个采样点的不同植被类型下采集5 或8 个0～20cm 表层土壤，作为一个样品。将其充分混合，去除样品中的石块、草根等杂物，过2mm 筛后，装入聚乙烯密封袋，带回实验室进行化学性质的分析。每份样品采用四分法保留2～3kg。

取部分样品进行风干，根据不同指标的要求过相应孔径筛后进行土壤化学性质测定。pH 值和EC分别采用电位法和电导法进行测定，有机质使用重铬酸钾-硫酸氧化法测定，全氮使用凯氏定氮法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，全磷和全钾采用氢氧化钠熔解-钼锑抗比色法测定［21］；有效磷、速效钾、有效钙、有效镁、有效硫、有效铁、有效锰和有效钼使用AB-DTPA 浸提-电感耦合等离子体原子发射光谱法测定［22］。

图1 采样点分布图

1.3 土壤肥力单项指标评价

参照第二次全国土壤普查相关标准［7，23］及上海市《园林绿化工程种植土壤质量验收规范》（DB31/T769-2013）［22］要求对上海市公园绿地土壤pH 值、EC、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、有效钙、有效镁、有效硫、有效铁、有效锰和有效钼15 项指标进行单因子评价（表1、2、3）。

表1 土壤pH 值、EC 分级标准

表2 土壤有机质及大量元素分级标准

表3 土壤中、微量元素分级标准

1.4 土壤综合肥力评价

采用模糊评价法［24］对上海市公园绿地土壤综合肥力进行评价。参照文献中的方法建立抛物线型（公式1）、反S 型（公式2）和S 型（公式3）隶属度函数对各肥力指标进行标准化处理以消除量纲差异［14，17］，选择土壤pH 值、EC、有机质、全量氮磷钾、有效态氮磷钾及有效态钙、镁、硫、铁、锰、钼作为评价指标。

pH 值、有效铁和有效锰属于抛物线型隶属度函数［17］：

EC 属于反S 型隶属度函数［24］：

其余指标属于S 型隶属度函数［17，24］：

式中，f（x）为土壤各肥力指标的隶属度值，x1、x2、x3、x4分别为隶属函数的各个拐点，拐点的取值参照标准［23］和规范［22］要求并结合上海市绿地土壤肥力特征［25］确定（表4）。

使用主成分分析法计算出各评价指标的权重系数［17］，按照模糊数学中加乘法原理，将土壤各肥力指标的隶属度值与权重系数相乘，加和后即为土壤综合肥力评价指数IFI［24］。

表4 各隶属度函数拐点值

式中，fi为第i 个评价指标的隶属值，wi为第i个评价指标的权重系数。隶属值和IFI 的取值范围均为0.1～1.0，值越高表示土壤肥力越好。

1.5 数据处理

数据处理、柱形图及箱式图制作使用Excel2016，主成分分析、Pearson 相关性分析和单因素方差分析（one-way ANOVA）使用SPSS25.0 处理，采样点分布图及土壤综合肥力分布图使用ArcMap10 软件绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤单项肥力指标评价

上海市公园绿地土壤pH 值范围为4.63～8.89，平均值为8.10，变异系数为6.5%（表5）。对比pH值分级标准，土壤整体呈碱性（86.7%），强碱性土壤占7.2%（图2a）。上海市公园绿地土壤呈碱性的特点与长春市［7］、杭州市［8］、北京市［26］、湖北省［27］等地的城市绿地土壤pH 值结果呈现出一致性，可见，由建筑垃圾回填以及碳酸盐沉降等问题导致的pH 值偏高［11］已成为目前国内城市绿地土壤的特征。土壤EC 值在0.05～0.69mS/cm 之间，平均值为0.12mS/cm，EC 值整体偏小，不会对植物生长造成伤害［25］，变异系数为65.3%（表5），为中等变异强度，EC 较大的点位主要集中于上海市南部沿海区域。

土壤有机质含量为8.69～58.2g/kg，平均值25.2g/kg，其中73.6%的公园绿地土壤有机质含量较高（图2b）。有机质变异系数35.2%，为中强度变异。全氮、全磷和全钾含量变幅分别为0.46～8.38、0.39～3.94 和15.9～23.3g/kg，平均值分别为1.75、0.73、19.3g/kg（表5）。其中，各指标变异系数处于7.7%～118.6%之间。全氮的变异系数最大，为强变异程度。全氮含量较高的区域多集中在中心城区，可能原因是中心城区公园管理养护较多，施加了充足的氮肥；全氮含量较低的区域集中在南部沿海区域（图3c）；全磷的变异系数次之，为53.0%，表现为中等变异程度。全磷含量较低的点位大多集中在西部靠近江浙地带的区域（图3d）。全钾的变异系数最小。上海市公园绿地土壤样点中，分别有54%、69.9%和100%的样点全氮、全磷和全钾含量充足（图2c）。

表5 上海市公园绿地土壤各指标描述统计

图2 上海市公园绿地土壤各指标分布频率

土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为16.4～176、1.44～96.0 和46.7～282mg/kg，平均值为93.8、14.7 和155mg/kg（表5）。有效磷变异系数为110.2%，表现为强变异。其中，上海市中部及东南部地区有效磷含量最低，北部地区有效磷含量最高，整体呈现北高南低的趋势（图3g）。碱解氮、有效磷和速效钾含量处于中下及以下水平的样点分别占50.6%、53.0%和15.7%（图2d）。

土壤中、微量元素是植物生长不可或缺的营养元素。土壤中有效态中量元素有效钙、有效镁和有效硫含量分别在215～415、22.3～342 和3.43～253mg/kg 之间，平均值分别为322、166和41.0mg/kg，3 种指标的变异系数分别为13.6%，43.7%和89.2%（表5），属于中度变异或强变异。其中，有效钙在西北部和东南部区域含量较低（图3i）；西部地区的有效硫含量明显低于其他地区（图3k）。根据全国第二次土壤普查的分级标准，所有样点的有效钙都处于中下及以下水平，81.9%样点的有效硫含量均中等水平，85.5%的样点有效镁含量处于中等及以上水平（图2e）。在《上海市园林绿化工程种植土壤质量验收规范》中，有效钙＞300mg/kg 即处于较优水平，可以满足植物生长所需。由于上海市公园绿地土壤中建筑材料等碱性材料堆积及灰尘中碳酸钙和碳酸镁沉降富集［28］，土壤呈碱性，碳酸钙含量丰富，有效钙含量充足。因此，在评价绿地土壤有效钙含量时，需结合当地土壤特点进行评价。

图3 上海市公园绿地土壤各肥力指标空间分布图

土壤中有效态微量元素有效铁、有效锰和有效钼的含量分别在45.7～361、3.67～27.5 和0.01～0.11mg/kg 之间，平均值分别为115、13.3和0.04mg/kg，变异系数在37.2%～47.3%之间（表5），属于中度变异，其中有效锰含量较高的点位主要集中于上海北部地区（图3m）。所有样点的有效铁均处于很高水平，95.2%样点的有效锰属于中等偏高水平（图2f），与公园在养护过程中施用了含铁、锰元素较多的有机改良材料有关［29］。所有样点的有效钼均处于很低水平（图2f），表明上海市公园绿地土壤中缺乏有效钼。钼参与无机磷到有机磷的转化过程及植物体内的大气固氮过程［16］，促进植株的生长发育，上海市绿地土壤质地多为砂壤土［10］，母质钼含量较低，并且由于钼肥成本高，公园养护过程中施用钼肥较少可能是造成上海市公园绿地土壤钼素缺乏的主要原因。

2.2 土壤肥力综合评价

上海市公园绿地土壤综合肥力指数IFI 在0.49～0.75 之间，平均值为0.62。将IFI 划分为3 个等级，分别为较好（0.7＜IFI）、中等（0.4 ≤IFI ≤0.7）、较差（IFI＜0.4）［17］，表明上海市公园绿地土壤综合肥力处于中等水平，其中处于较好水平的占17.2%，处于中等水平的占82.8%（图4a）。

使用ArcMap 软件根据综合肥力指数对上海市各行政区综合肥力的空间分布进行分析，结果表明上海市公园绿地土壤综合肥力整体表现出从南部到北部地区逐渐变好的规律（图4b）。上海北部区域的综合肥力均大于上海市中、南部区域。有机质、全磷含量较高的区域也集中在北部；全氮和碱解氮分布较分散，这与上海市的土壤类型有关。上海市很大面积为水稻土的黄泥头土亚类，有机质、全量氮磷钾和铁锰含量较高；西部地区多为青黄土和青黄泥土，养分含量低；北部地区，尤其崇明县，大部分地区为黄泥土，有机质及大量养分含量较高；东部沿海区域多为渗育水稻土，有机质和全量养分较低［20］，这也从一方面解释了上海市公园绿地土壤中养分含量变异较大的原因。中心城区及浦东部分区域的肥力较低可能是由于人为活动、汽车尾气及生活垃圾排放量较大造成的［7］，城市化的发展可能会影响土壤肥力。西南部地区土壤肥力偏低的原因除了土壤类型的因素影响，可能还受到当地对其绿化的投资力度较小、绿化管理难度较大等人为因素的影响。此外，由于施肥情况、公园人流量及各方面人为干扰的影响［13］，相同行政区内的不同公园绿地土壤综合肥力也不一致（图4）。

图4 上海市各行政区公园绿地土壤综合肥力状况

2.3 上海市公园绿地土壤肥力的限制因子

将隶属值划分为3 个等级，分别为较好（＞0.7）、中等（0.4 ≤IFI ≤0.7）、较低（＜0.4）［17］，发现有效钼的隶属平均值为0.1，处于下限值；有效磷的隶属值较低（＜0.4）的样品占55%以上。结合单因子评价和综合评价分析，全氮、碱解氮、有效磷和有效钼在一定程度上限制了上海市公园绿地的土壤肥力。氮肥和磷肥施用量高而利用率低［30］，加上上海市年降水量较大导致氮磷淋溶以及公园养护时的个体差异可能是造成氮素和磷素分布不均、部分地区氮磷缺乏的主要原因。此外，结合相关性分析，有效钼和碱解氮呈显著正相关，钼缺乏可能也是造成碱解氮含量较低的原因［16］。因此对每个公园因地制宜，合理施用氮磷肥等措施［8］是解决氮磷分布不均的有效措施。

通过15 个土壤化学性质的相关性分析发现（表6），pH 值、EC 值与大多数土壤肥力指标呈负相关关系，尤其是pH 值。pH 值与有机质、有效硫和有效锰呈极显著负相关关系，与有效磷和有效钼呈显著负相关，而植物多喜在中性土壤中生长，碱性或强碱性土壤会降低土壤结构的通透性［13］，根据相关性分析的结果，pH 值高可能会降低有机质、有效磷、有效硫、有效锰和有效钼在土壤中的积累。有机质和全氮一般会呈现显著性的正相关关系［31］，在本研究中，不同公园在管理过程中施加无机肥的差异可能是导致有机质和全氮没有出现显著正相关的原因。