保定不同土地利用類型土壤性狀的灰色綜合評估

閆 嚴 ，周麗娜 ，常雪羽 ，郝永紅

(1.天津師范大學地理與環(huán)境科學學院，天津300387；2.天津師范大學天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津300387；3.保定學院資源與環(huán)境系，河北保定071000)

土地利用方式反映了人類與自然界之間的相互關(guān)系[1]，是人類利用土地進行生產(chǎn)、生活的綜合反映方式，不同土地利用方式是引起土壤環(huán)境變化的因素，土壤的物理及化學性質(zhì)對土地利用方式有著深遠的影響.合理的土地利用方式不但可以促進土地的循環(huán)利用而且能夠改善土壤的結(jié)構(gòu)，而不合理的土地利用方式則會使土壤性狀退化，從而導致生產(chǎn)力下降等問題[2].因此，對不同土地利用類型下的土壤性狀進行研究，可以認識土壤養(yǎng)分的動態(tài)變化以及土壤質(zhì)量現(xiàn)狀的優(yōu)劣，同時對預防土壤退化，為土地資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供科學的依據(jù).

保定是京津冀協(xié)同發(fā)展的中部核心功能區(qū)，具有重要的戰(zhàn)略地位.隨著城市化的不斷發(fā)展，城市建設(shè)占用了大量耕地，為維持本區(qū)域內(nèi)耕地總量動態(tài)平衡，人們不斷對區(qū)域內(nèi)的荒草地或其他生態(tài)用地進行開墾[3]；公園是城市的重要組成部分，是人們休閑娛樂場所，在改善城市生態(tài)環(huán)境、美化城市景觀方面起著不可替代的作用[4-5]；公路建設(shè)是城市區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的先決條件，而公路養(yǎng)護設(shè)施中公路綠化帶非常重要，它不但為人類提供了舒適的交通環(huán)境，而且對保護路面、減少機動車噪音以及美化城區(qū)環(huán)境等方面具有重大意義[6]；學校是城市的文化教育基地，承擔著提高人口素質(zhì)的重要使命，教育用地是城市土地發(fā)展規(guī)劃的重要組成；生活區(qū)在城市中占地面積較大并且與人們的生活息息相關(guān).基于以上5類土地的重要性，本文對保定市郊耕地、公園、公路綠化帶、學校和生活區(qū)5種土地利用類型土壤的理化性質(zhì)進行研究.

1 研究區(qū)域概況

保定是河北省省轄市，地理位置介于北緯38°10′～40°00′，東經(jīng) 113°40′～116°20′.該地區(qū)處于華北平原北部、河北省中部，屬溫帶季風性氣候.這里冬冷夏熱，雨熱同期.土壤類型繁多，共有土壤類型13大類，涵蓋28個亞類，細分為118個土屬及301個土種，其中褐土是最主要的土壤類型，其次為潮土.多種地形和豐富的土壤類型使該地區(qū)適合多種植物的生長.本文研究區(qū)域土壤以潮褐土為主.

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

選擇保定的5種土地利用類型，涵蓋市郊耕地、公園、公路綠化帶、學校和生活區(qū)，共計21個采樣點，采樣點位置示意圖見圖1.

圖1 采樣點示意圖Fig.1 Sketch map of sampling points

圖 1中：市郊耕地(farmland)包括大馬坊村(1)、東尹莊(2)、大西良村(3)、田西良村(4)和河北盛強太陽能科技有限公司路南(7)共5個采樣點；公園(park)包括植物園(5)、竟秀公園(12)、東風公園(16)和軍校廣場(17)共4個采樣點；公路綠化帶(road greenbelt)包括天鵝路(8)、東風路(11)、七一路(18)和五四路(21)共4個采樣點；學校(school)包括河北金融學院(6)、華北電力大學(10)、河北大學(15)和保定學院(19)共 4個采樣點；生活區(qū)(living areas)包括怡園小區(qū)(3)、泰和家園(9)、文華小區(qū)(14)和博士園(20)共4個采樣點.其中：市郊耕地土壤樣本分為0 cm～10 cm和10 cm～20 cm 2層，其他采樣點土樣均為0 cm～10 cm.每個樣點通過多點混合采樣.對同一樣點采集的同層土壤樣品，將其充分混合后裝入密封塑料袋，在實驗室中對樣品進行去除雜質(zhì)、風干、研磨、過篩后得到0.5 mm的待測土壤樣品，進行物理和化學性狀的測定和分析.

2.2 樣品分析方法

根據(jù)中國科學院南京土壤研究所的《土壤理化分析》[7]，設(shè)計樣品實驗方法.

利用烘箱測定土壤吸濕水(hygroscopic water).在鋁盒中放入5 g篩好的風干土壤(每個樣品稱2份做平行實驗)，放入已預熱的烘箱，烘箱溫度控制在105℃～110℃，連續(xù)烘干8 h.接著，將鋁盒快速放入干燥器中使其冷卻至室溫，然后取出立即測其質(zhì)量.土壤吸濕水計算公式為(W1-W2)/(W2-W)×100%，其中：W為鋁盒質(zhì)量(g)；W1為鋁盒加風干土質(zhì)量(g)；W2為鋁盒加烘干土質(zhì)量(g).平行測定結(jié)果用算術(shù)平均值表示.這種方法使得土壤吸著水被蒸發(fā)，而結(jié)構(gòu)水不致破壞，土壤有機質(zhì)也不致分解.

采用外加熱重鉻酸鉀法測定土壤有機質(zhì)(organic matter).首先稱取土樣0.1 g～0.5 g，然后用移液管加入重鉻酸鉀標準溶液5mL，再加入濃硫酸5mL，并搖勻，接著放入溫度為185℃～190℃的石蠟油浴鍋中煮沸5 min，冷卻后用硫酸亞鐵標準液滴定，直至顏色變?yōu)榘稻G色后進行讀數(shù).

采用電極法測定酸堿度(pH).首先稱取風干土10 g，然后加入25mL的0.01 mol/L氯化鈉溶液，振蕩15 min后靜置30 min.接下來將校正清洗過的電極浸入被測液，期間為使溶液均勻搖動燒杯，該溶液的pH值即為穩(wěn)定后的儀器讀數(shù).

采用凱氏定氮法測定銨態(tài)氮(nitrogen).用天平稱取土樣10 g，接著加入氯化鉀溶液50mL，用振蕩機振蕩30 min，對振蕩后的溶液進行過濾，然后吸取濾液25mL用定氮儀蒸餾，將蒸餾出來的液體用硫酸標準液滴定至紫紅色為終點，最后對儀器進行讀數(shù).

采用0.05 mol/L碳酸氫鈉溶液浸提測定速效磷(available phosphorus).先稱取風干土2.5 g，然后加入0.05 mol/L碳酸氫鈉溶液50mL，再加入一勺無磷活性炭，接下來在振蕩機上振蕩30 min，用無磷濾紙對震蕩后的溶液進行過濾并吸取濾液10mL，然后在濾液中用滴定管加入蒸餾水35mL，接著用移液管加入鉬銻抗試劑5mL，搖勻放置30 min，最后用700 nm波長進行比色.

以上實驗所得結(jié)果見表1.

表1 5種土地利用類型的土壤性狀實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results of soil properties of 5 land utilization types

根據(jù)土壤養(yǎng)分分級標準[8]，保定及郊區(qū)的土壤呈微堿性(pH7.5～8.5)；有機質(zhì)含量處于低水平(10 g/kg～20 g/kg)；速效磷含量處于中等水平(10 mg/kg～20 mg/kg).

2.3 灰色綜合評估

土地資源的開發(fā)利用是一個由多因素和多層次構(gòu)成的復雜系統(tǒng)，它是一個由已知信息和未知信息組成的灰色系統(tǒng)[9].所以對區(qū)域的土地開發(fā)利用狀況進行評估可以使用灰色綜合評估方法.

灰色綜合評估方法是基于灰色系統(tǒng)理論的一種評估方法.首先，以土壤性狀實驗結(jié)果(表1)為對象進行分析，分別對各樣本進行評估.由于各指標的涵義不同，故各指標不能用同一個界限.根據(jù)各指標的意義確定各指標的灰類界限值，見表2.

表2 評估指標的類別界限Tab.2 Class boundary of assessment indicators

文獻[10-11]的研究表明，吸濕水、有機質(zhì)、銨態(tài)氮、pH、速效磷等5個指標是反映土壤理化性質(zhì)的重要指標，本文對各指標權(quán)重均設(shè)為0.2.依據(jù)表2中的類別界限，分別計算其白化權(quán)函數(shù)，然后乘以各評估指標的權(quán)重，獲得5個評價對象(市郊耕地、公園、公路綠化帶、學校、生活區(qū))的綜合權(quán)系數(shù)矩陣A.

最后用綜合權(quán)系數(shù)矩陣A乘以歸一化權(quán)系數(shù)向量 U=(0.5，0.3，0.2)T，采用百分制計算出各評價對象的綜合得分，并由大到小排序.各對象和綜合得分結(jié)果為：公園(88.28)＞市郊耕地(78.07)＞生活區(qū)(61.75)＞學校(56.82)＞公路綠化帶(50.57).

3 結(jié)果分析與建議

3.1 結(jié)果分析

公園的土壤性狀灰評估得分最高，為88.28.這是因為公園是為城市居民提供休閑、健身的重要場所，其植被和土壤得到了園林部門的重點養(yǎng)護.公園環(huán)境優(yōu)美，綠化面積大，植被類型多，植被茂盛，土壤肥沃[5].一方面，公園的植物生長茂盛，部分枯枝落葉進入土壤分解形成土壤有機質(zhì)，促進了土壤中養(yǎng)分的自然更替；另一方面，公園大量有機物質(zhì)的施用，不但改善了土壤性狀，并且增加了微生物種群的多樣性，從而提高了土壤微生物對有機物的分解速度，對土壤性狀的改善起到了積極的作用.在保定土壤呈弱堿性的大背景下，公園的土壤pH值基本保持了中性，銨態(tài)氮含量最低，其他理化指標也較優(yōu)(表1).總之，在人為的積極培育和養(yǎng)護下，公園土壤的理化性質(zhì)最佳.

耕地土壤的灰評估得分為78.07，位居第二.耕地的得分較好是因為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對土壤起到保護與改良的作用.保定市郊耕地的農(nóng)作物大多是小麥、玉米.對農(nóng)田進行不定期的局部施肥和人工施入各種有機肥料、農(nóng)家肥，為土壤提供了大量的碳.而且作物根系、植被的枯枝落葉、秸稈等都能有效增加土壤的有機質(zhì)含量[12]，使得土壤質(zhì)量和肥力較高.保定農(nóng)業(yè)灌溉條件比較粗放，多為大水漫灌，但這對土壤水分養(yǎng)護有一定益處.耕地土壤的速效磷含量最低，其余4項理化指標處于較好水平(表1).

生活區(qū)土壤的灰評估得分為61.75，位居第三.人們對住宅用地的選擇會有一定的考量，通常生活區(qū)位于距離污染源相對較遠的區(qū)域，這樣的區(qū)域植被和土壤狀況都比較好.人們對生活區(qū)環(huán)境的保護使這里的土壤環(huán)境在一定程度上得以保持和改善.然而，在生活區(qū)，鍋爐產(chǎn)生的煙塵、生活垃圾以及污水的排放對土壤環(huán)境有一定影響.在5項評估指標中，生活區(qū)土壤性狀水平基本居中(表1).評估結(jié)果與實際情況相符.

學校土壤性狀灰評估得分為56.82，相對較低.土壤性狀差而不易于耕作的土地常常是校園區(qū)的首選.另外，在校園施工過程中土壤受到深挖、碾壓、踩踏等影響，這嚴重破壞了地表植被，土壤理化性質(zhì)會發(fā)生相應的變化[13].因為存在建筑、修路等輸入行為，而且學校經(jīng)常進行拆遷修建，所以土壤中常常混有砂巖、礫石、碳渣、煤渣、塑料袋以及建筑垃圾、石灰、水泥和磚塊.但由于學校建成后會大量恢復植被覆蓋，枯枝落葉較多，經(jīng)過分解重新轉(zhuǎn)化補充土壤中的有機質(zhì)，使得學校的土壤有機質(zhì)的含量最高(表1).由此可見，正是由于綠化使校園土壤環(huán)境在一定程度上得以改善，使得土壤質(zhì)量有了一定的恢復.

公路綠化帶土壤的灰評估得分為50.57，評估結(jié)果最差.由于公路施工過程中對周邊土壤進行了人為改造，致使公路綠地土壤太過緊實，保水性能差，不利于植物的生長，而且還會影響雨水入滲及其土壤水分的分布.汽車尾氣產(chǎn)生的SO2等氣體與空氣中的水汽會結(jié)合形成酸性物質(zhì)，也容易沉降到公路兩側(cè)，于是大量的有害物積累在土壤中，使土壤中微生物的種類減少，微生物的生理活性降低，因而使得土壤微生物對有機物的分解速度變緩.除了汽車尾氣，運輸物品的跑冒滴漏也對公路兩側(cè)土壤造成了污染[14].此外，公路為硬化路面，公路綠化帶內(nèi)裸露土壤面積較小，不利于土壤物質(zhì)與能量的輸入和遷移轉(zhuǎn)化.以上原因造成公路兩側(cè)綠化帶土壤性狀最差.

3.2 建議

灰色評估結(jié)果分析表明，土地利用類型與土壤理化性質(zhì)具有一定的相關(guān)性，人們對土地的開發(fā)利用在一定程度上會改變土壤的理化性質(zhì).公園和耕地的土壤理化性質(zhì)較好，主要得益于人們的精心養(yǎng)護，相反，公路兩側(cè)綠化帶土壤性狀差也是人為影響的結(jié)果.

針對保定5種土地利用類型土壤性狀評估結(jié)果，建議在利用過程中加強土地養(yǎng)護，以達到土地資源可持續(xù)開發(fā)利用的目的.公園管理部門可以通過科學施肥、合理灌溉等措施，補充土壤的養(yǎng)分和水分，為公園的植被提供一個良好的生長環(huán)境，從而為人們的休閑娛樂提供一個優(yōu)越的環(huán)境.市郊耕地可以通過逐步提高施用農(nóng)家肥的比例，來改善土壤的理化性質(zhì)；搞好農(nóng)田水利基本建設(shè)，大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，凈化地表徑流及農(nóng)田灌排水；修建植物緩沖區(qū)，改善土壤內(nèi)部環(huán)境；豐富植被類型，使養(yǎng)護和利用相結(jié)合.生活區(qū)的土壤需要物業(yè)部門管理規(guī)范，對植被進行定期的施肥、灌溉，生活垃圾及時清理，防止土壤污染.學校要增大綠化面積，栽種適合當?shù)赝寥篮铜h(huán)境的喬木、灌木和花草，依據(jù)植物不同生長期的需水量合理灌溉，加強土壤有機質(zhì)的循環(huán)，規(guī)范在校人員的日常行為，愛護校園的花草樹木，防止土壤被污染[15].公路綠化帶建設(shè)的關(guān)鍵是防止公路施工過程中的污染物進入綠化帶土壤，要對前期施工場地的準備工作嚴格要求，處理好剩余建筑垃圾，防止水泥、石灰、瀝青等有害物進入土壤.對于需要改良的綠化帶土壤，建議加入一些外來的優(yōu)質(zhì)土壤，同時要經(jīng)常深耕來疏松土壤，以便增加土壤的透氣性，利于植物生長；同時在種植階段要選擇適合當?shù)貧夂?、土壤環(huán)境的植物，并且要盡可能增加植物品種，豐富植被的多樣性[6].

4 結(jié)論

對保定主要的5種土地利用類型的土壤性狀進行了灰色評估分析，得到各類型土壤性狀的灰評估得分，對評估結(jié)果進行分析并提出合理化建議.灰色系統(tǒng)評估是一種行之有效的土壤性狀評估方法，能夠綜合不同土地利用條件下的土壤性狀指標，給出量化的評價結(jié)果，為土地資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供科學依據(jù).

參考文獻：

[1]任婷婷，王瑄，孫雪彤，等.不同土地利用方式土壤物理性質(zhì)特征分析[J].水土保持學報，2014，28(2)：124-126.REN T T，WANG X，SUN X T，et al.Characterization of soil physical properties under different land use type[J].Journal of Soil and Water Conservation，2014，28(2)：124-126(in Chinese).

[2]趙錦梅，張德罡，劉長仲，等.祁連山東段高寒地區(qū)土地利用方式對土壤性狀的影響[J].生態(tài)學報，2012，32(2)：0548-0556.ZHAO M M，ZHANG D G，LIU C Z，et al.The effect of different land use patterns on soil properties in alpine areas of eastern Qilian Mountains[J].Acta Ecologica Sinica，2012，32(2)：0548-0556(in Chinese).

[3]孫志英，吳克寧，呂巧玲，等.城市化對鄭州市土壤功能演變的影響[J].土壤學報，2007，44(1)：21-27.SUN Z Y，WU K N，LV Q L，et al.Impact of urbanization on soil functions in Zhengzhou City[J].Acta Pedologica Sinica，2007，44(1)：21-27(in Chinese).

[4]邵林海，王曉紅，李娜.太原市公園園林綠地土壤狀況研究[J].太原科技，2008(6)：32-33.SHAO L H，WANG X H，LI N.Research on the greenbelt and soil conditions of the main parks in Taiyuan[J].Taiyuan Science and Technology，2008(6)：32-33(in Chinese).

[5]郝瑞軍，方海蘭，沈烈英，等.城市不同功能區(qū)綠地土壤有機碳礦化和酶活性變化[J].中國農(nóng)學通報，2009，25(2)：229-235.HAO R J，F(xiàn)ANG H L，SHEN L Y，et al.Changes of soil organic carbon mineralization and enzyme activities from different urban functional areas[J].Chinese Agricultural Science Bulletin，2009，25(2)：229-235(in Chinese).

[6]張琪，方海蘭，楊意，等.上海公路綠地土壤肥力質(zhì)量評價與管理對策[J].園林科技，2008(1)：24-27.ZHANG Q，F(xiàn)ANG H L，YANG Y，et al.Quality evaluation of soil fertility in Shanghai highway greenbelt and management strategy[J].Science and Technology of Landscape Architecture，2008(1)：24-27(in Chinese).

[7]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1978.Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences.Analysis of Soil Physicochemical Properties[M].Shanghai：Shanghai Scientific and Technical Publishers，1978(in Chinese).

[8]丁一秀，謝榮輝，高安琪，等.內(nèi)蒙古西部地區(qū)土壤微生物數(shù)量及其土壤理化特性[J].干旱區(qū)研究，2017，34(6)：1294-1303.DING Y X，XIE R H，GAO A Q，et al.Quantity of soil microbes and soil physiochemical properties in west inner Mongolia[J].Arid Zone Research，2017，34(6)：1294-1303(in Chinese).

[9]郝永紅，李絨，周海潮，等.山西省可持續(xù)發(fā)展的灰色綜合評估[J].經(jīng)濟地理，2004，24(1)：18-20.HAO Y H，LI R，ZHOU H C，et al.The comprehensive evaluation of the sustainable development capacity in Shanxi Province[J].Economic Geography，2004，24(1)：18-20(in Chinese).

[10]馮萬忠，段文標，許皞.不同土地利用方式對城市土壤理化性質(zhì)及其肥力的影響—以保定市為例[J].河北農(nóng)業(yè)大學學報，2008，31(2)：62-64.FENG W Z，DUAN W B，XU H.Effects of different land use on physicochemical property and fertility of urban soil：A case study of Baoding city[J].Journal of Agricultural University of Hebei，2008，31(2)：62-64(in Chinese).

[11]洪暢，張華，鄭婷婷.遼東半島丘陵區(qū)土地利用方式對土壤特性的影響[J].國土與自然資源研究，2017(4)：66-68.HONG C，ZHANG H，ZHENG T T.Effects of land use on soil properties in hilly area of Liaodong peninsula[J].Territory and Natural Resources Study，2017(4)：66-68(in Chinese).

[12]李春艷，田永圻，華德尊，等.不同土地利用類型下土壤特性及重金屬評價[J].環(huán)境科學與管理，2007，32(9)：39-43.LI C Y.TIAN Y Q，HUA D Z，et al.Soil characteristic and heavy metal appraisal under different land utilization way[J].Environmental Science and Management，2007，32(9)：39-43(in Chinese).

[13]康玲芬，李瑞峰，化偉，等.不同土地利用方式對城市土壤質(zhì)量的影響[J].生態(tài)科學，2006，25(1)：59-63.KANG L F，LI R F，HUA W，et al.The effects of different land-use types on quality of urban soils[J].Ecologic Science，2006，25(1)：59-63(in Chinese).

[14]鄭海峰，管東生，梁愛珍，等.公路綠化帶植物群落特征與土壤理化特性[J].中山大學學報(自然科學版)，2006，45(2)：114-118.ZHENG H F，GUAN D S，LIANG A Z，et al.Characteristics of plant communities and soil properties of road green belts[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2006，45(2)：114-118(in Chinese).

[15]董煒華，袁淑影，劉志會，等.長春師范學院校園土壤研究[J].長春師范學院學報(自然科學版)，2011，30(4)：70-73.DONG W H，YUAN S Y，LIU Z H，et al.Study on the campus soil of Changchun normal university[J].Journal of Changchun Normal University(Natural Science)，2011，30(4)：70-73(in Chinese).