北京市核心區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異特征

祝鑫海, 張遠智, 楊少斌

(北京林業(yè)大學林學院，北京 100083)

土壤養(yǎng)分是指由土壤提供的植物必需的營養(yǎng)元素，是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎，也是評價土壤肥力水平的重要內(nèi)容之一.受自然因子和人為因素的影響，土壤空間變異是廣泛存在的[1]，充分了解土壤養(yǎng)分的空間變異及分布情況，對于土壤合理施肥和科學管理尤為重要.土壤是植物生長的重要介質(zhì)，而園林及綠地景觀是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，對于提升居民的生活質(zhì)量和城市的景觀格局都具有重要的意義[2].對城市土壤養(yǎng)分空間變異特征進行研究，能夠為城市土壤精細化管理、景觀植物合理種植和綠地科學規(guī)劃建設提供可靠依據(jù).地統(tǒng)計學是分析土壤空間變異特征的一種非常有效的方法[3]，近年來國內(nèi)外使用GIS技術結合地統(tǒng)計學研究土壤養(yǎng)分的空間變異特征已經(jīng)有了很多實踐，如Patil et al[4]對印度卡納塔克邦Karlawad村154個農(nóng)耕地表層土壤養(yǎng)分的空間變異特征進行了量化評級并制作了專題圖，Umali et al[5]對澳大利亞南部的一個蘋果園的土壤養(yǎng)分空間變異特征與地形、管理方式的關系進行了研究，國內(nèi)的蔡太義等[6]對新鄭市農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異進行了研究，柳富坤等[7]對武功山山地草甸土壤有機質(zhì)空間變異進行了研究，總體來說，這些應用涵蓋了農(nóng)田、果園、草地、森林等土壤類型，但是對于城市核心區(qū)土壤的研究探索還相對較少.北京市作為全國的政治、經(jīng)濟、文化中心，有著強大的人口聚集效應，據(jù)2015年北京市統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，北京市核心區(qū)五環(huán)內(nèi)有常住人口1 050.7萬人，占全市總常住人口的48.9%.對于一個人口眾多、商業(yè)活動頻繁、地理區(qū)位十分重要的北京市五環(huán)內(nèi)區(qū)域，對其土壤的研究更多的在于土壤重金屬污染方面[8-9]，對養(yǎng)分空間變異特征的研究還相對較少.因此，本研究運用GIS技術結合地統(tǒng)計學對北京市五環(huán)內(nèi)土壤的有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的空間變異特征進行了研究，旨在為促進北京市核心區(qū)域土壤的可持續(xù)利用和城市生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為北京市主城區(qū)(39°45′12″—40°02′13″N，116°12′16″—116°33′40″E)，主要包含核心城區(qū)(西城區(qū)、東城區(qū))及其向周圍輻射的朝陽區(qū)、海淀區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū)等區(qū)域，面積約668 km2.研究區(qū)內(nèi)地勢平坦，平均海拔約50 m，屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促.年平均氣溫10～12 ℃，1月平均氣溫-7～-4 ℃，7月平均氣溫25～26 ℃.全年極端低溫-27.4 ℃，極端高溫42.6 ℃，全年無霜期180～200 d，年降水量400～750 mm.另外，據(jù)北京市園林綠化局統(tǒng)計，截至2016年底，全市綠地面積達82 112.55 hm2，綠地率達46.08%，人均綠地面積40.17 m2.

1.2 土壤采樣方法

土壤樣品采樣時間為2017年5月20日至6月5日，采樣地點主要為北京市五環(huán)內(nèi)的各類土地功能區(qū)，例如公園、商業(yè)區(qū)、居住區(qū)以及道路綠化帶等.采樣點通過“線上”和“線下”相結合的方法來確定，先通過高德地圖標記出五環(huán)內(nèi)的各類可采樣地位置，再通過實地調(diào)查，綜合土壤類型、行政區(qū)劃、土地管理、采樣密度等因素確定土壤采樣點.最終依據(jù)《全國土壤調(diào)查技術規(guī)程》，采用棋盤式布點法和隨機采樣相結合的方法確定采樣點共計150個(圖1).

采樣過程中，根據(jù)采樣點地形和面積，在采樣點附近用梅花型布點法布3～5個點進行混合采樣，采樣對象為0～20 cm的表層土壤，每個樣點采集樣品約500 g，而后進行四分取舍并裝袋，同時利用GPS記錄坐標，并記錄樣點的植被、土壤類型等環(huán)境信息.將樣品帶回室內(nèi)存放，待土樣自然風干后再按四分法制成用于4種養(yǎng)分指標測定的粒徑待測樣，其中用于有機質(zhì)、堿解氮測定的土樣粒徑≤0.149 mm，用于有效磷、速效鉀測定的土樣粒徑≤1 mm.為防止樣品污染，采樣、樣品保存和處理過程中均使用塑料制品.

1.3 土壤養(yǎng)分指標測定方法

有機質(zhì)通過重鉻酸鉀外加熱法測定，堿解氮通過堿解擴散法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提法測定(本研究區(qū)土壤為中性或弱堿性土壤)，速效鉀使用醋酸銨浸提法測定.測定過程中，均按照各指標測定有關規(guī)程操作，并利用GBW 07430 (GSS-16)標準物質(zhì)進行質(zhì)量控制，以確保測定結果的可靠性.

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

首先通過“3σ準則”對樣本數(shù)據(jù)進行檢查和處理，去除數(shù)據(jù)特異值.由于地統(tǒng)計學一般要求原始數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，否則會導致比例效應，比例效應會使實驗變異函數(shù)值產(chǎn)生畸變，具體表現(xiàn)為基臺值和塊金值增大，降低估計精度，導致某些結構特征不明顯[10].因此，在去除特異值后，又在SPSS軟件中采用K-S方法對各指標的數(shù)據(jù)進行了正態(tài)分布檢驗，最后以GPS定位作糾偏處理后的經(jīng)緯度作為空間位置字段導入到ArcGIS中，通過Web Mercator (EPSG: 3857)投影轉(zhuǎn)換為平面空間數(shù)據(jù)點.分析工具主要采用了ArcGIS 10.1軟件地統(tǒng)計分析模塊，方法包括數(shù)據(jù)探索、半方差函數(shù)模型選擇和擬合、普通Kriging空間插值等.在得到北京市主城區(qū)五環(huán)內(nèi)的土壤養(yǎng)分空間變異特征及分布情況后，再結合全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標準進行分析研究.

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling points

1.4.1 土壤養(yǎng)分空間變異特征 采用普通克里金方法設定參數(shù)對各土壤養(yǎng)分進行函數(shù)擬合，并分別通過對指數(shù)模型、高斯模型和球面模型3種模型的驗證，選出半變異函數(shù)圖擬合的最優(yōu)模型，從而得到各養(yǎng)分的空間半變異函數(shù)及空間變異特征.最優(yōu)模型選擇的判斷標準為：標準均方根預測誤差越趨近于1，預測誤差的均值越趨近于0，其他值越小時，模型擬合達到最優(yōu)[11].

1.4.2 土壤養(yǎng)分空間分布特征 根據(jù)各類土壤養(yǎng)分的最優(yōu)擬合函數(shù)模型，采用普通克里金插值法進行插值分析，并根據(jù)全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標準進行分級顯示，得到4種土壤養(yǎng)分的插值分析預測圖.為了定量描述研究區(qū)內(nèi)4種土壤養(yǎng)分的具體分布情況，通過ArcGIS的幾何計算功能，分別計算出插值分析預測圖中各養(yǎng)分各等級水平的區(qū)域面積，并計算相應占比，定量解析土壤養(yǎng)分的空間分布特征.

2 結果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計學特征

4種土壤的養(yǎng)分含量及其統(tǒng)計學描述性特征、K-S檢驗結果如表1、表2所示.可見4種土壤養(yǎng)分的含量平均值及其對應的全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標準為：有機質(zhì)17.81 g·kg-1(四級)；堿解氮61.82 mg·kg-1(四級)；有效磷19.44 mg·kg-1(三級)；速效鉀183.38 mg·kg-1(二級).由此可初步判斷，研究區(qū)內(nèi)有機質(zhì)與堿解氮含量相對偏低，有效磷和速效鉀含量相對較高.另外，變異系數(shù)的大小可反映樣本個體之間的變異程度，其分級為：CV<10%為弱變異性，10%≤CV≤100%為中等變異性，CV>100%為強變異性[12].4種土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)在24.19%～56.14%之間，都屬于中等變異.因為本研究區(qū)屬于小尺度范圍，因此這種結果是與現(xiàn)實情況相符合的，另一方面這也體現(xiàn)出研究區(qū)內(nèi)的土壤施肥、土壤管理等人為干擾因素比較均衡.經(jīng)K-S檢驗，堿解氮含量符合正態(tài)分布，有機質(zhì)、速效鉀和有效磷服從對數(shù)正態(tài)分布.

2.2 土壤養(yǎng)分的空間變異特征

表3為有機質(zhì)的模型擬合參數(shù)結果，依據(jù)模型選擇標準可得出有機質(zhì)的最優(yōu)擬合模型為高斯模型.使用同樣的方法對其他3種養(yǎng)分數(shù)據(jù)進行擬合，得到土壤養(yǎng)分變異函數(shù)最優(yōu)模型及參數(shù)如表4，半變異函數(shù)r(h)～h散點圖如圖2.從中可以看出，有機質(zhì)與有效磷的最優(yōu)模型為高斯模型，堿解氮和速效鉀的最優(yōu)模型為球面模型.在半變異函數(shù)模型中，塊金系數(shù)通常表示隨機部分引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例，若系數(shù)值小于25%，則說明系統(tǒng)具有強空間相關性，變異受結構性因素影響更大；若系數(shù)值大于75% 則說明系統(tǒng)空間相關性很弱，變異受隨機性因素影響更大[13].有研究發(fā)現(xiàn)，影響土壤養(yǎng)分的結構性因素有氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等，隨機性因素包括施肥、耕作措施、種植制度等影響土壤養(yǎng)分分布的人為活動[14].結合圖2與表4可以看出，研究區(qū)內(nèi)4種養(yǎng)分均呈中等空間相關性，且有機質(zhì)與有效磷相對較強，堿解氮和速效鉀相對較弱.由此說明，4種土壤養(yǎng)分在受到施肥不均、植物種植類型等人為因素影響的同時，也呈現(xiàn)出一定的空間相關性，且這種相關性在有機質(zhì)和有效磷中表現(xiàn)更明顯.堿解氮未經(jīng)過對數(shù)變換，塊金值與偏基臺值均較大，但是其塊金系數(shù)也最大，說明堿解氮的空間自相關性相對較弱.從變程來看，速效鉀的變程最大，為17 325 m，說明速效鉀的空間自相關尺度較大，其次為有機質(zhì)，堿解氮和有效磷的變程較小(<1 000 m)，表明控制這兩種土壤養(yǎng)分的生態(tài)過程作用尺度較小.

表1 土壤養(yǎng)分極值與平均值Table 1 Extremum and average valueof soil nutrient

表2 土壤養(yǎng)分統(tǒng)計結果Table 2 Statistical results of soil nutrients

圖2 土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)r(h)～h散點圖Fig.2 The scatter plot of semi variable function for soil nutrients r(h)-h

理論模型平均值均方根標準平均值標準均方根平均標準誤差指數(shù)模型0.336 27.513 8-0.009 60.892 39.171 0高斯模型0.392 57.484 7-0.012 00.919 99.039 0球面模型0.378 97.537 5-0.012 10.911 39.092 9

表4 半變異函數(shù)最優(yōu)模型及相關參數(shù)Table 4 Semi variable function optimal model and related parameters

2.3土壤養(yǎng)分的空間分布特征

圖3為4種土壤養(yǎng)分的插值分析預測結果，表5為4種養(yǎng)分各等級水平的區(qū)域面積相應占比結果.從中可以看出4種土壤養(yǎng)分的空間分布特征如下：研究區(qū)內(nèi)有機質(zhì)大部分區(qū)域(占比72.36%)處于四級(10～20 g·kg-1)水平，整體含量偏低，尤其是在南四環(huán)至南五環(huán)部分區(qū)域，有機質(zhì)含量為六級水平(占比8.80%).相對而言，含量高的區(qū)域較少，且呈斑塊狀零散分布，三級(20～30 g·kg-1)及以上區(qū)域共占比8.61%，并且一級水平(>40 g·kg-1)無顯示，說明樣本中的個別高含量值屬于偶然因素引起，在插值分析時無法體現(xiàn).相對而言，研究區(qū)內(nèi)有機質(zhì)含量高的區(qū)域多為建成年代較長的公園，如故宮、北海、頤和園、圓明園等古典皇家園林，另外，紫竹院公園、朝陽公園、北京動物園、北京花卉大觀園、奧林匹克公園(建成時間相對短)等區(qū)域有機質(zhì)含量也較高；與有機質(zhì)相比，研究區(qū)內(nèi)的堿解氮含量缺乏形勢更加嚴峻.二環(huán)內(nèi)及其西部、北部，三環(huán)至五環(huán)東北部區(qū)域含量相對較高，但這些含量較高區(qū)域大部分屬于四級(60～90 mg·kg-1)水平，其他區(qū)域含量都較低，總體上呈現(xiàn)出北高南低的趨勢.結合表5來看，研究區(qū)內(nèi)堿解氮四級(60～90 mg·kg-1)及其以下水平的區(qū)域占比99.48%，三級(90～120 mg·kg-1)占比0.52%，一級、二級無插值結果，說明其由偶然因素引起；研究區(qū)內(nèi)有效磷的含量整體較高，數(shù)值區(qū)間在11.33～36.15 mg·kg-1，且全區(qū)域內(nèi)的含量處于三級(10～20 mg·kg-1)和二級(20～40 mg·kg-1)水平，其中三級占比58.93%，二級占比41.07%，在空間上呈現(xiàn)出二級區(qū)域由二環(huán)向四周輻射并與三級區(qū)域交錯分布的特點；速效鉀含量的插值結果涵蓋了一至四級，且高含量區(qū)域比較明顯，主要位于二環(huán)西部及其與四環(huán)之間的西南部和北五環(huán)的奧林匹克森林公園區(qū)域，并呈階梯狀由中心向周邊遞減，含量最低的區(qū)域位于五環(huán)西南部的狼垡二村.其中，一級區(qū)域占比12.29%，二級區(qū)域占比32.68%，三級區(qū)域占比52.74%，四級區(qū)域面積較小，僅為2.29%.

圖3 土壤養(yǎng)分空間插值分布圖Fig.3 Spatial interpolation distribution map of soil nutrient

養(yǎng)分類型項目六級五級四級三級二級一級有機質(zhì)標準/(g·kg-1)<66～1010～2020～3030～40>40比例/%8.8010.2372.368.120.49—堿解氮標準/(mg·kg-1)<3030～6060～9090～120120～150>150比例/%6.8452.5540.090.52——有效磷標準/(mg·kg-1)<33～55～1010～2020～40>40比例/%———58.9341.07—速效鉀標準/(mg·kg-1)<3030～5050～100100～150150～200>200比例/%——2.2952.7432.6812.29

3 討論與結論

城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是各類園林植物賴以生存的物質(zhì)基礎.土壤養(yǎng)分是植物生長的營養(yǎng)來源，直接影響著植物的健康狀況和景觀效果，從而對整個城市生態(tài)系統(tǒng)有著舉足輕重的意義.城市土壤不同于農(nóng)田土壤和森林土壤，它受到人為干擾的程度更劇烈，各種物質(zhì)元素的封閉式自然循環(huán)鏈條被打斷，土壤施肥是保證園林植物健康生長、城市生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的重要途徑.對土壤養(yǎng)分的空間變異及分布特征進行研究，并根據(jù)其內(nèi)在規(guī)律進行科學培肥、合理使用，對于確保城市土地可持續(xù)利用和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展都有著重要意義.本研究通過GIS及相關統(tǒng)計學原理對北京市主城區(qū)五環(huán)內(nèi)的土壤養(yǎng)分進行研究，揭示了該區(qū)域內(nèi)有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的分布規(guī)律，可得出以下結論：

(1)通過本研究區(qū)內(nèi)樣本的統(tǒng)計特征來看，堿解氮在95%的置信度下服從正態(tài)分布，有機質(zhì)、有效磷和速效鉀在經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后服從正態(tài)分布，并且四種養(yǎng)分的變異系數(shù)在24.19%～56.14%之間，都屬于中等變異，說明四種土壤養(yǎng)分各自分布整體較為均勻，在全局上“兩極分化”現(xiàn)象不突出；

(2)通過半變異函數(shù)最優(yōu)模型擬合，發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)與有效磷的最優(yōu)模型為高斯模型，堿解氮和速效鉀的最優(yōu)模型為球面模型.從塊金系數(shù)來看，4種養(yǎng)分分布呈中等空間相關性，受結構性因素和隨機因素共同作用，且有機質(zhì)與有效磷的空間相關性相對更強，堿解氮和速效鉀相對較弱，在空間相關性尺度上速效鉀最大(17 325 m)，其他3種養(yǎng)分空間相關性尺度依次為有機質(zhì)>有效磷>堿解氮，其中有效磷和堿解氮的空間相關性尺度不足1 000 m，相對較??；

(3)采用普通克里金插值分析繪制出北京市主城區(qū)五環(huán)內(nèi)的有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀的含量空間插值分布圖，結合統(tǒng)計學結果、基于全國第2次土壤養(yǎng)分分級標準的空間插值結果以及北京市《城市綠地土壤施肥技術規(guī)程》[15]，可以判定：研究區(qū)內(nèi)有機質(zhì)和堿解氮含量基本可滿足喬、灌木的需求，但對于草本和花卉還有所欠缺，尤其堿解氮含量在99.48%的區(qū)域無法滿足草本和花卉的生長需求，缺乏形勢嚴峻；土壤有效磷和速效鉀的含量較高，達到中等偏上水平，已基本滿足喬、灌、草、花的生長需求，但速效鉀在西南五環(huán)小部分區(qū)域含量略低.因此，建議有關部門對相關區(qū)域在今后的土壤施肥、管理中應當適當增加有機質(zhì)與堿解氮的施肥量，以全面提升土壤肥力.

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的4種土壤養(yǎng)分的空間插值結果，結合相關資料和實地調(diào)查情況，可對其原因作如下分析討論：(1)有機質(zhì)含量較低可能與北京市氣候干燥且年均降水量較少、城市綠地缺少枯枝落葉及還田生物質(zhì)、人口與車輛眾多導致的土壤中微生物和無脊椎動物的數(shù)量和多樣性較少有關；(2)有機質(zhì)的礦化可以釋放出堿解氮[16]，有機質(zhì)的含量低減少了堿解氮的來源，另外，堿解氮的含量低也可能與植物對氮的需求大、氮肥易揮發(fā)，以及本次采樣時間為夏季，北京市降水多導致土壤中的硝態(tài)氮淋溶有關；(3)有效磷的含量高可能與研究區(qū)內(nèi)的施肥方式、有效磷自身移動性差且容易被土壤固定、城市土壤的建筑和生活垃圾污染、再生水灌溉等因素有關；(4)速效性養(yǎng)分一般在土壤中的含量較低，但研究區(qū)內(nèi)的速效鉀含量情況反而相反，這可能與本區(qū)域的土壤管理和施肥方式等人為干擾因素有關.

本研究通過半變異函數(shù)最優(yōu)模型擬合發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)4種土壤養(yǎng)分均呈中等空間相關性，這與張敏等[17]研究的新鄭市土壤、陳桂香等[18]研究的福州市農(nóng)田土壤發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀4種養(yǎng)分均呈中等空間相關性是一致的，說明不論是城市土壤還是農(nóng)田土壤，土壤養(yǎng)分同時受到結構性因素和人為干擾等隨機性因素控制的現(xiàn)象都是存在的.其次，研究區(qū)內(nèi)堿解氮的含量偏低，四級(60～90 mg·kg-1)及其以下水平的區(qū)域面積占比99.48%，缺乏形勢嚴峻.這與深圳市[19]、重慶市[20]、合肥市[21]城區(qū)綠地土壤堿解氮的缺乏情況是一致的，這說明城市土壤堿解氮缺乏可能是一種普遍現(xiàn)象，導致這一現(xiàn)象的原因還需要深入研究和探討.再次，本研究利用全國第2次土壤養(yǎng)分分級標準探討了城市土壤養(yǎng)分的豐缺狀況，這個標準是目前評估土壤肥力的重要參考，與相關研究對北京市崇文區(qū)[22]、深圳[19]、北戴河[23]、濟南[24]等城市的綠地土壤養(yǎng)分評價方法相同，此方法可從整體上分析研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的養(yǎng)分差異，具有普遍意義，但在具體園林、綠地植物種植或施肥時還應該結合物種習性因地制宜、綜合考慮.最后，對于研究區(qū)內(nèi)4種土壤養(yǎng)分空間分布特征的影響因素，本研究只根據(jù)相關文獻和北京市的氣候條件、綠地類型、園林綠地管理方式等做了定性分析，在下步研究中還可根據(jù)相關影響因素做量化分析，深入探討其土壤養(yǎng)分分布規(guī)律和影響因子，從而為城市土壤施肥管理提供更詳實具體的理論支持.