建阳中心城区绿化用地土壤基本理化特征与肥力评价

2024-05-27李云锋吴晨浩

宜春学院学报 2024年3期

陈建，李云锋，吴晨浩

(1.上海市政工程设计科学研究所有限公司，上海 200092；2.武夷学院生态与资源工程学院，福建省生态产业绿色技术重点实验室，福建武夷山 354300)

绿化用地可泛指城市绿化建设的土地，城市绿化土壤是城市生态系统一个不可分割的部分，能够为城市各类植物直接提供养分。[1]但由于城市化的进程越来越快且对城市中的土壤用地知识缺乏，绿化用地的肥力日渐下降。

土壤作为农业生产最基本的生产资料，合理的土壤培肥对维持和提升改善土壤肥力水平具有重要意义。因此，土壤的基本理化性质一直是土壤学领域中的研究热点之一，其养分的充足情况是判断土壤肥力是否丰富的一个重要方向。[2]各国研究者对土壤肥力评价有很多研究，我国土壤学家也做了大量的实验，并利用多种方法对肥力进行评价。[3]其中，应用较多的方法主要包括内梅罗指数法、主成分分析法、聚类分析法、模糊数学评价法以及灰色关联度法等。这些方法的基础都是通过数学的原理，多种因素、多重角度全方面的进行评价。[4]同时，涉及的土壤养分主要针对有机质、氮、磷、钾等元素。

南平市于2021年6月成功获批全国第一批系统化全域推进海绵城市建设示范城市。文中以南平市建阳中心城区为例，探究该区域土地利用情况，分析土壤营养元素含量及分布，可为海绵城市建设中土地施肥提供合理的科学指导。

1 研究方法

1.1 研究区概况

南平市建阳区位于福建省北部区域，介于北纬27°16′32″～27°43′41″，东经117°32′20″～118°37′51″之间。属于亚热带的中间地带，光热资源丰富，气候宜人，温差大，雨季集中，年平均气温18.1℃，年平均降雨量1788毫米。

1.2 样品采集

2022年7月在建阳中心城区设置61个土壤取样点。根据样品用地类型分为草坪、工业绿化林带、道路绿化林带、公园绿化林带、居住地绿化林带、商业绿化林带和农业用地。采样时以梅花形布点，采集表层土壤的混合样品，并记录位置信息、地形地貌、利用类型、人类活动强度和周围环境等。将采集好的土样带回实验室，自然风干，剔除较大颗粒的石子、砂粒以及腐根后，过筛装袋备用。

1.3 测定方法

测定指标包括土壤pH、有机质、总氮、总磷、总钾五项指标，使用方法分别为电位酸度计法、重铬酸钾容量法-外高温法、凯氏消煮法、酸熔-钼锑抗比色法、氢氧化钠熔融法，步骤参考《耕地土壤pH测定方法比较研究》[5]和《土壤农业化学常规分析方法》[6]。

1.4 土壤养分肥力评价方法

1.4.1 单因子指标评价法

参照《勐海县甘蔗土壤养分空间分布特征及肥力评价》[7]与全国土壤普查养分分级标准(表1、表2)对绿化用地类型进行分级。

表1 土壤养分指标分级(organic matter)

表2 土壤养分指标分级(酸碱度)

1.4.2 主成分分析法

主成分分析(PCA)法，是运用SPSS对多个指标的标准化，一般来说KMO的值需大于0.5。同时，当累计贡献>85 %或特征值>1时，保留的主成分具有较好解释性。[8]Bartlett球形度检验显著低于0.05时，说明指标间存在相关关系。[9-10]文中满足KMO值=0.625，Bartlett球形度检验为P<0.05。

其中主成分综合分值(F)：

F=α1F1+α1F1+…α1F1

(1)

式中，F表示主成分得分，即土壤肥力综合分值，α对应主成分的贡献率。其中，F>1为极高水平(一等)；0

1.4.3 内梅罗指数评价法

本文采用修正的内梅罗综合指数法[11]进行综合评价：

(2)

式中：P表示综合肥力指数大小；Pi是土壤单项养分指数的平均值；Pmin是土壤单项养分指数中的最小值；n为指标个数。

根据土壤肥力指数值，将土壤肥力用四个等级表示如表3。

表3 土壤质量等级

1.5 数据处理

通过Excel对原始数据进行处理，SPSS26.0进行数据分析以及Origin2021绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤肥力指标分布

由图1-1可知，pH值差异不显著，土壤整体呈现弱酸性。以居民绿化林带>工业绿化林带>农业用地>商业绿化林带>道路绿化林带>公园绿化林带>草坪的规律呈现。其中草坪pH值最小，可能因为植被覆盖广，微生物的频繁活动以及植物根系分泌物使pH值低；道路绿化林带、公园绿化林带长期处于城市中央，pH值受雨水淋溶影响；农业用地呈现弱酸性与翻耕频繁有关；居民绿化林带和工业绿化林带pH与城市开发建设相关。[11]

图1-1 土壤pH分布情况

图1-2 土壤有机质含量分布

图1-3 土壤总氮含量分布

图1-4 土壤总磷含量分布

图1-5 不同绿化用地土壤总钾含量分布图1 不同绿化用地土壤各肥力指标分布

研究区整体OM均值为15.04 g·kg-1。图1-2可知，商业绿化林带和农业用地OM含量最高；工业绿化林带、公园绿化林带和居民绿化林带次之，这些用地大多数的枯枝落叶被清洁，土壤的有机物质不能通过落叶等方式来积累，以至于流失大于积累，是其土壤OM积累量相比较低的重要原因之一；而草坪OM含量均值最低，可能由于长期缺乏养护，有机肥施加不当，无法有效补充土壤OM。[12]

图1-3可知，各类用地土壤TN均值为0.37～1.15 g·kg-1，综合平均为0.74 g·kg-1，整体含量偏低。同时，含量均值表现出：农业用地>商业绿化林带>道路绿化林带>居民绿化林带>公园绿化林带>工业绿化林带>草坪。整体分布规律与土壤OM含量大小分布基本一致，反映了TN主要来源于OM。[13]

土壤TP含量均值(图1-4)大小依次为：农业用地>商业绿化林带>道路绿化林带>公园绿化林带>居民绿化林带>工业绿化林带>草坪，整体均值为1.11 g·kg-1，含量较高，且多集中在耕作历史长、农耕利用强度高的区域。[14-15]此外，研究区草坪和工业绿化林带土壤粒径较大，磷含量相对较少；而道路绿化林带、公园绿化林带和居民绿化林带由于环境因素长期受到雨水侵蚀导致土壤养分单向流失。[16]

由图1-5得，土壤TK含量均值由高到低的顺序为草坪>农业用地>居民绿化林带>工业绿化林带>商业绿化林带>公园绿化林带>道路绿化林带。草坪中TK含量属于极丰富，道路绿化林带含量最低但仍然属于丰富，其它用地类型中均为高水平。由此可见，研究区绿化用地土壤TK累积丰富。

2.2 土壤肥力评价

2.2.1 土壤单因子肥力评价

由图2-1可知，研究区整体绿化林带土壤pH多处于Ⅲ级，即弱酸性。草坪pH较低，为酸性；工业绿化林带主要为酸性和中性，占比各50 %左右；道路绿化林带的46 %为弱酸性；公园绿化林带pH多处于酸性与弱酸性之间，占比分别为37.5 %和43.7 %；居民绿化林带57 %处于中性；商业绿化林带pH多处于弱酸性；农业用地以中性占比最多，占42.8 %。土壤呈现酸性以及盐基的流失，与雨季的长期冲刷和人为活动有关。

图2-1 土壤pH分布特征

图2-2 土壤有机质分布特征

图2-3 土壤总氮分布特征

图2-4 土壤总磷分布特征

图2-5 土壤总钾分布特征图2 不同绿化用地土壤养分分布特征

由图2-2可知，草坪OM含量极缺，Ⅴ级占比达75 %，最高仅达Ⅳ级；工业绿化林带OM含量达中等水平仅34 %；道路、公园绿化林带OM含量分布达到Ⅳ级占比在53.3 %左右，属于缺乏；居民绿化林带OM含量分布57 %低于Ⅴ级标准，也属极缺状态；商业绿化林带、农业用地与其它用地相比，达到Ⅲ级标准较多，属于中等水平。工业、道路、公园和居民绿化林带土壤OM含量有明显下降，已处于缺乏甚至极缺状态，这四类绿化用地与城市接轨，其凋落物长期清理，土壤表面较少存在凋落物，裸露在雨季的环境中，遭受到雨水长期侵蚀流失；草坪环境长期未翻耕，且其中蕴藏着大量的微生物，不利于OM的积累。

由图2-3可知，草坪TN含量分布75 %以上仅达Ⅵ级标准，属贫瘠水平；工业绿化林带TN含量分布与草坪相似，多处于Ⅵ级贫瘠水平；道路绿化林带多处于Ⅳ级和Ⅵ级标准，属于中等偏下水平；公园绿化林带TN含量分布在Ⅴ级以下标准最高可到达占比70 %；居民绿化林带TN含量分布50 %属于贫瘠；农业用地、商业绿化林带的土壤TN含量能够达到Ⅲ级标准，57.1 %以上均属于中等水平；本研究认为土壤中TN的含量规律和土壤OM的含量呈现一致。

由图2-4可知，草坪TP含量Ⅲ级以上占比75%，属中等偏上；工业绿化林带TP含量达到Ⅲ级居多，最高占比100 %；86.6 %的道路绿化林带TP含量达到Ⅲ级，为中等偏上水平；公园绿化林带TP含量偏低，但76.5 %仍属Ⅲ级，属中等水平；居民绿化林带TP含量分布71.4 %处于Ⅲ级标准；商业绿化林带、农业用地基本处于Ⅲ级标准以上，Ⅰ级占比为60 %、100 %，属极丰富水平。

由图2-5可知，研究区的TK含量基本处于Ⅱ级标准；其中草坪、工业绿化林带、道路绿化林带分别有75 %、83.3 %、60 %的TK含量分布处于Ⅲ级以上，属于中等偏上；64.7 %的公园绿化林带TK含量达到Ⅲ级标准以上；居民绿化林带、商业绿化林带与农业用地达Ⅲ级以上占比较高，且农业用地占比可达85.7 %。

图3 单项肥力指标系数

2.2.2 土壤主成分肥力分析

通过对土壤肥力各指标进行主成分分析，计算各项指标的特征值与贡献率即表4。得到前2个成分的特征值都大于1，累计方差贡献率达到92.71 %。因此，用前2个主成分，表示土壤肥力的整体信息。

表4 主成分特征值及其贡献率

由表5可知主成分1中有机质、总氮占比最大，表明总氮和有机质贡献是主要部分；总磷的占比仅次于有机质、总氮，表明磷的贡献次于前两者；其次是pH最小。而这四项指标以及代表了68.6 %的信息。

表5 各项肥力指标的公因子方差和权重

主成分2中土壤总钾占比最大，反映了24.1 %的全部信息。钾是植物生长发育必备元素之一，能够使农林作物生长变得更加高大，土壤中的含钾矿物，能够通过风化作用和分解作用逐步释放出钾，具有良好的供给能力。

由上述主成分的分类，确定主相关线性组合关系，建立主成分方程，可得以下线性关系，求得综合值F。

F1=0.53X1+0.52X2+0.44X3-0.32X6+0.40X7

(3)

F2=0.15X1+0.21X2+0.50X3+0.68X4-0.47X5

(4)

F=0.686F1+0.241F2

(5)

根据各主成分得分，见表6。土壤肥力差异较大，农业用地>商业绿化林带>道路绿化林带>居民绿化林带>公园绿化林带>工业绿化林带>草坪。主要与绿化种植作物品种、施肥方式以及各类活动行为等因素有关。

表6 各主成分得分及综合得分

农业用地和商业绿化林带土壤肥力最高，属一等肥力，其原因可能农耕有关，不但可以减少土壤养分的流失，而且腐化以后会变成有机肥，能提高土壤肥力。而商业绿化林带则通过定时定量的人为施肥以及大量的人工养护管理而导致的肥力水平极高；道路绿化林带属二等，肥力为高等，其原因可能为道路绿化养护过程中通过施有机肥，防治病虫害以及定期浇水不断刺激其新根萌发和增加肥力；三等肥力包括居民绿化林带、公园绿化林带、工业绿化林带，此三种用地类型类似，由于大量人群长期存在生活，通过各种不经意间的行为活动导致周围土壤肥力下降，而草坪的肥力极低，可能原因为由于前期大量施用化肥，以至于土壤板结严重。

2.2.3 内梅罗指数综合分析

对数据进行标准化处理，可以得到各单项肥力指数Pi值。如图4所示研究区土壤有机质、总钾和pH的Pi值较高，其中较显著的是总钾，在各个不同绿化用地类型中均达到了最大值3。土壤总氮、总磷在商业绿化林带和农业用地中也较丰富。

由表7可知，研究区的土壤在不同绿化用地类型的土壤综合肥力指数(P)变幅在0.73～1.60，平均值为1.18。土壤肥力指数的均值大小为农业用地(1.70)>商业绿化林带(1.60)>道路绿化林带(1.20)>居民绿化林带(1.04)>公园绿化林带(1.01)>工业绿化林带(0.94)>草坪(0.73)。研究区的总体肥力水平为一般，不同绿化用地类型的土壤肥力差异显著。