上海市公園綠地土壤肥力特征分析與綜合評(píng)價(jià)

駱玉珍，張維維，李雅穎，姚槐應(yīng)，王永杰*，韓繼剛*

（1．上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 200120；2．上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海 200030；3．中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門 361021）

城市公園作為城市園林綠化的主體之一，在承擔(dān)居民休憩及游樂(lè)作用的同時(shí)，還具有改善大氣質(zhì)量、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)溫度、維持生物多樣性及美化城市景觀等諸多生態(tài)服務(wù)功能［1］。上海市作為典型的園林城市代表，城市內(nèi)公園綠地占地面積大，公園數(shù)量已達(dá)243 座，人均公園綠地面積8.02m2［2］。可以說(shuō)，公園綠地土壤肥力質(zhì)量關(guān)乎到整個(gè)城市的生態(tài)發(fā)展［3-4］。由于密集的人類活動(dòng)，公園綠地土壤受到的人為擾動(dòng)往往強(qiáng)于農(nóng)業(yè)土壤和森林土壤，發(fā)生土壤板結(jié)、污染等土壤退化現(xiàn)象，土壤質(zhì)量問(wèn)題日益突出［5］。開展城市綠地土壤質(zhì)量相關(guān)研究，對(duì)于科學(xué)管理和調(diào)控城市生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)城市生態(tài)文明建設(shè)和保證城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［5］。

目前國(guó)內(nèi)不少城市［3-9］已開展公園綠地土壤肥力特征的研究，發(fā)現(xiàn)城市公園綠地土壤肥力往往呈現(xiàn)出主要養(yǎng)分元素變異性強(qiáng)、土壤結(jié)構(gòu)差、壓實(shí)嚴(yán)重、土壤呈堿性等特點(diǎn)［10-11］。也有學(xué)者對(duì)上海市綠地土壤肥力特征［12-13］進(jìn)行了研究，但多集中于上海市少數(shù)行政區(qū)或少數(shù)公園，并且主要關(guān)注土壤物理性質(zhì)及主要養(yǎng)分元素含量的分布，忽略了植物生長(zhǎng)必不可少的中、微量營(yíng)養(yǎng)元素的研究，不能全面反映整個(gè)上海市公園綠地土壤肥力特征總體狀況［14］。中、微量元素在維持植物體內(nèi)正常代謝過(guò)程，保證植株?duì)I養(yǎng)供應(yīng)及參與土壤主要元素循環(huán)的過(guò)程中起著十分重要的作用［15-16］。目前，中、微量元素作為土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，已被應(yīng)用于膠園［17］、農(nóng)田［18］、中藥材栽培地［19］、植煙區(qū)［14］等不同類型土壤中，但在城市綠地土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)卻極少應(yīng)用。因此，為了對(duì)土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行更全面評(píng)價(jià)，本研究采集了上海全市16 個(gè)行政區(qū)的公園綠地土壤表層樣品，測(cè)定土壤pH 值、EC、主要養(yǎng)分和中微量養(yǎng)分元素，結(jié)合GIS 技術(shù)對(duì)上海市公園綠地土壤肥力特征進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)，為今后有針對(duì)性地指導(dǎo)城市公園綠地養(yǎng)護(hù)以及提升公園整體質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

上海市位于中國(guó)東部的長(zhǎng)江三角洲地區(qū)（120°52′～122°12′E，30°40′～31°53′N），地處黃棕壤地帶，與非地帶性水稻土復(fù)式組合，主要土壤類型為水稻土、濱海鹽土、潮土和黃棕壤土，總地勢(shì)西南高東北低，相對(duì)高差3～4m，屬于平原地貌，年平均氣溫15.7℃，年均降水量1000mm 左右，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候［19-20］。上海市是中國(guó)特大型城市，經(jīng)濟(jì)繁華，工業(yè)發(fā)達(dá)，交通線路多，人流量大，擁有黃浦區(qū)、徐匯區(qū)、浦東新區(qū)、崇明縣等16 個(gè)市轄區(qū)，總面積6340km2，其中公園面積為192km2［2］，中心城區(qū)公園數(shù)量占上海市公園總量的80%以上［12］，根據(jù)實(shí)地調(diào)查，公園內(nèi)主要種植物包括樟樹、雪松、水杉等喬木，海桐、女貞、八角金盤等灌木以及麥冬、大吳風(fēng)草、地毯草等草本植物。

1.2 土壤樣品采集和測(cè)定

本研究選擇上海全市16 個(gè)行政區(qū)內(nèi)65 個(gè)代表性公園進(jìn)行表層土壤樣品采集（2017 年10 月至11月），共采集公園綠地土壤樣品87 個(gè)（圖1）。根據(jù)公園面積及植被類型確定采樣點(diǎn)，使用土鉆在每個(gè)采樣點(diǎn)的不同植被類型下采集5 或8 個(gè)0～20cm 表層土壤，作為一個(gè)樣品。將其充分混合，去除樣品中的石塊、草根等雜物，過(guò)2mm 篩后，裝入聚乙烯密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)的分析。每份樣品采用四分法保留2～3kg。

取部分樣品進(jìn)行風(fēng)干，根據(jù)不同指標(biāo)的要求過(guò)相應(yīng)孔徑篩后進(jìn)行土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定。pH 值和EC分別采用電位法和電導(dǎo)法進(jìn)行測(cè)定，有機(jī)質(zhì)使用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測(cè)定，全氮使用凱氏定氮法測(cè)定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，全磷和全鉀采用氫氧化鈉熔解-鉬銻抗比色法測(cè)定［21］；有效磷、速效鉀、有效鈣、有效鎂、有效硫、有效鐵、有效錳和有效鉬使用AB-DTPA 浸提-電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定［22］。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

1.3 土壤肥力單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)

參照第二次全國(guó)土壤普查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［7，23］及上海市《園林綠化工程種植土壤質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（DB31/T769-2013）［22］要求對(duì)上海市公園綠地土壤pH 值、EC、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鈣、有效鎂、有效硫、有效鐵、有效錳和有效鉬15 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)（表1、2、3）。

表1 土壤pH 值、EC 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 土壤有機(jī)質(zhì)及大量元素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 土壤中、微量元素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 土壤綜合肥力評(píng)價(jià)

采用模糊評(píng)價(jià)法［24］對(duì)上海市公園綠地土壤綜合肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)。參照文獻(xiàn)中的方法建立拋物線型（公式1）、反S 型（公式2）和S 型（公式3）隸屬度函數(shù)對(duì)各肥力指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除量綱差異［14，17］，選擇土壤pH 值、EC、有機(jī)質(zhì)、全量氮磷鉀、有效態(tài)氮磷鉀及有效態(tài)鈣、鎂、硫、鐵、錳、鉬作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

pH 值、有效鐵和有效錳屬于拋物線型隸屬度函數(shù)［17］：

EC 屬于反S 型隸屬度函數(shù)［24］：

其余指標(biāo)屬于S 型隸屬度函數(shù)［17，24］：

式中，f（x）為土壤各肥力指標(biāo)的隸屬度值，x1、x2、x3、x4分別為隸屬函數(shù)的各個(gè)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)的取值參照標(biāo)準(zhǔn)［23］和規(guī)范［22］要求并結(jié)合上海市綠地土壤肥力特征［25］確定（表4）。

使用主成分分析法計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)［17］，按照模糊數(shù)學(xué)中加乘法原理，將土壤各肥力指標(biāo)的隸屬度值與權(quán)重系數(shù)相乘，加和后即為土壤綜合肥力評(píng)價(jià)指數(shù)IFI［24］。

表4 各隸屬度函數(shù)拐點(diǎn)值

式中，fi為第i 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬值，wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。隸屬值和IFI 的取值范圍均為0.1～1.0，值越高表示土壤肥力越好。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理、柱形圖及箱式圖制作使用Excel2016，主成分分析、Pearson 相關(guān)性分析和單因素方差分析（one-way ANOVA）使用SPSS25.0 處理，采樣點(diǎn)分布圖及土壤綜合肥力分布圖使用ArcMap10 軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤單項(xiàng)肥力指標(biāo)評(píng)價(jià)

上海市公園綠地土壤pH 值范圍為4.63～8.89，平均值為8.10，變異系數(shù)為6.5%（表5）。對(duì)比pH值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤整體呈堿性（86.7%），強(qiáng)堿性土壤占7.2%（圖2a）。上海市公園綠地土壤呈堿性的特點(diǎn)與長(zhǎng)春市［7］、杭州市［8］、北京市［26］、湖北?。?7］等地的城市綠地土壤pH 值結(jié)果呈現(xiàn)出一致性，可見(jiàn)，由建筑垃圾回填以及碳酸鹽沉降等問(wèn)題導(dǎo)致的pH 值偏高［11］已成為目前國(guó)內(nèi)城市綠地土壤的特征。土壤EC 值在0.05～0.69mS/cm 之間，平均值為0.12mS/cm，EC 值整體偏小，不會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)造成傷害［25］，變異系數(shù)為65.3%（表5），為中等變異強(qiáng)度，EC 較大的點(diǎn)位主要集中于上海市南部沿海區(qū)域。

土壤有機(jī)質(zhì)含量為8.69～58.2g/kg，平均值25.2g/kg，其中73.6%的公園綠地土壤有機(jī)質(zhì)含量較高（圖2b）。有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)35.2%，為中強(qiáng)度變異。全氮、全磷和全鉀含量變幅分別為0.46～8.38、0.39～3.94 和15.9～23.3g/kg， 平均值分別為1.75、0.73、19.3g/kg（表5）。其中，各指標(biāo)變異系數(shù)處于7.7%～118.6%之間。全氮的變異系數(shù)最大，為強(qiáng)變異程度。全氮含量較高的區(qū)域多集中在中心城區(qū)，可能原因是中心城區(qū)公園管理養(yǎng)護(hù)較多，施加了充足的氮肥；全氮含量較低的區(qū)域集中在南部沿海區(qū)域（圖3c）；全磷的變異系數(shù)次之，為53.0%，表現(xiàn)為中等變異程度。全磷含量較低的點(diǎn)位大多集中在西部靠近江浙地帶的區(qū)域（圖3d）。全鉀的變異系數(shù)最小。上海市公園綠地土壤樣點(diǎn)中，分別有54%、69.9%和100%的樣點(diǎn)全氮、全磷和全鉀含量充足（圖2c）。

表5 上海市公園綠地土壤各指標(biāo)描述統(tǒng)計(jì)

圖2 上海市公園綠地土壤各指標(biāo)分布頻率

土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為16.4～176、1.44～96.0 和46.7～282mg/kg，平均 值 為93.8、14.7 和155mg/kg（表5）。有 效 磷變異系數(shù)為110.2%，表現(xiàn)為強(qiáng)變異。其中，上海市中部及東南部地區(qū)有效磷含量最低，北部地區(qū)有效磷含量最高，整體呈現(xiàn)北高南低的趨勢(shì)（圖3g）。堿解氮、有效磷和速效鉀含量處于中下及以下水平的樣點(diǎn)分別占50.6%、53.0%和15.7%（圖2d）。

土壤中、微量元素是植物生長(zhǎng)不可或缺的營(yíng)養(yǎng)元素。土壤中有效態(tài)中量元素有效鈣、有效鎂和有效硫含量分別在215～415、22.3～342 和3.43～253mg/kg 之間，平均值分別為322、166和41.0mg/kg，3 種指標(biāo)的變異系數(shù)分別為13.6%，43.7%和89.2%（表5），屬于中度變異或強(qiáng)變異。其中，有效鈣在西北部和東南部區(qū)域含量較低（圖3i）；西部地區(qū)的有效硫含量明顯低于其他地區(qū)（圖3k）。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，所有樣點(diǎn)的有效鈣都處于中下及以下水平，81.9%樣點(diǎn)的有效硫含量均中等水平，85.5%的樣點(diǎn)有效鎂含量處于中等及以上水平（圖2e）。在《上海市園林綠化工程種植土壤質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中，有效鈣＞300mg/kg 即處于較優(yōu)水平，可以滿足植物生長(zhǎng)所需。由于上海市公園綠地土壤中建筑材料等堿性材料堆積及灰塵中碳酸鈣和碳酸鎂沉降富集［28］，土壤呈堿性，碳酸鈣含量豐富，有效鈣含量充足。因此，在評(píng)價(jià)綠地土壤有效鈣含量時(shí)，需結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥捞攸c(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3 上海市公園綠地土壤各肥力指標(biāo)空間分布圖

土壤中有效態(tài)微量元素有效鐵、有效錳和有效 鉬 的 含 量 分 別 在45.7～361、3.67～27.5 和0.01～0.11mg/kg 之間，平均值分別為115、13.3和0.04mg/kg，變異系數(shù)在37.2%～47.3%之間（表5），屬于中度變異，其中有效錳含量較高的點(diǎn)位主要集中于上海北部地區(qū)（圖3m）。所有樣點(diǎn)的有效鐵均處于很高水平，95.2%樣點(diǎn)的有效錳屬于中等偏高水平（圖2f），與公園在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中施用了含鐵、錳元素較多的有機(jī)改良材料有關(guān)［29］。所有樣點(diǎn)的有效鉬均處于很低水平（圖2f），表明上海市公園綠地土壤中缺乏有效鉬。鉬參與無(wú)機(jī)磷到有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化過(guò)程及植物體內(nèi)的大氣固氮過(guò)程［16］，促進(jìn)植株的生長(zhǎng)發(fā)育，上海市綠地土壤質(zhì)地多為砂壤土［10］，母質(zhì)鉬含量較低，并且由于鉬肥成本高，公園養(yǎng)護(hù)過(guò)程中施用鉬肥較少可能是造成上海市公園綠地土壤鉬素缺乏的主要原因。

2.2 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

上海市公園綠地土壤綜合肥力指數(shù)IFI 在0.49～0.75 之間，平均值為0.62。將IFI 劃分為3 個(gè)等級(jí)，分別為較好（0.7＜IFI）、中等（0.4 ≤IFI ≤0.7）、較差（IFI＜0.4）［17］，表明上海市公園綠地土壤綜合肥力處于中等水平，其中處于較好水平的占17.2%，處于中等水平的占82.8%（圖4a）。

使用ArcMap 軟件根據(jù)綜合肥力指數(shù)對(duì)上海市各行政區(qū)綜合肥力的空間分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明上海市公園綠地土壤綜合肥力整體表現(xiàn)出從南部到北部地區(qū)逐漸變好的規(guī)律（圖4b）。上海北部區(qū)域的綜合肥力均大于上海市中、南部區(qū)域。有機(jī)質(zhì)、全磷含量較高的區(qū)域也集中在北部；全氮和堿解氮分布較分散，這與上海市的土壤類型有關(guān)。上海市很大面積為水稻土的黃泥頭土亞類，有機(jī)質(zhì)、全量氮磷鉀和鐵錳含量較高；西部地區(qū)多為青黃土和青黃泥土，養(yǎng)分含量低；北部地區(qū)，尤其崇明縣，大部分地區(qū)為黃泥土，有機(jī)質(zhì)及大量養(yǎng)分含量較高；東部沿海區(qū)域多為滲育水稻土，有機(jī)質(zhì)和全量養(yǎng)分較低［20］，這也從一方面解釋了上海市公園綠地土壤中養(yǎng)分含量變異較大的原因。中心城區(qū)及浦東部分區(qū)域的肥力較低可能是由于人為活動(dòng)、汽車尾氣及生活垃圾排放量較大造成的［7］，城市化的發(fā)展可能會(huì)影響土壤肥力。西南部地區(qū)土壤肥力偏低的原因除了土壤類型的因素影響，可能還受到當(dāng)?shù)貙?duì)其綠化的投資力度較小、綠化管理難度較大等人為因素的影響。此外，由于施肥情況、公園人流量及各方面人為干擾的影響［13］，相同行政區(qū)內(nèi)的不同公園綠地土壤綜合肥力也不一致（圖4）。

圖4 上海市各行政區(qū)公園綠地土壤綜合肥力狀況

2.3 上海市公園綠地土壤肥力的限制因子

將隸屬值劃分為3 個(gè)等級(jí)，分別為較好（＞0.7）、中等（0.4 ≤IFI ≤0.7）、較低（＜0.4）［17］，發(fā)現(xiàn)有效鉬的隸屬平均值為0.1，處于下限值；有效磷的隸屬值較低（＜0.4）的樣品占55%以上。結(jié)合單因子評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià)分析，全氮、堿解氮、有效磷和有效鉬在一定程度上限制了上海市公園綠地的土壤肥力。氮肥和磷肥施用量高而利用率低［30］，加上上海市年降水量較大導(dǎo)致氮磷淋溶以及公園養(yǎng)護(hù)時(shí)的個(gè)體差異可能是造成氮素和磷素分布不均、部分地區(qū)氮磷缺乏的主要原因。此外，結(jié)合相關(guān)性分析，有效鉬和堿解氮呈顯著正相關(guān)，鉬缺乏可能也是造成堿解氮含量較低的原因［16］。因此對(duì)每個(gè)公園因地制宜，合理施用氮磷肥等措施［8］是解決氮磷分布不均的有效措施。

通過(guò)15 個(gè)土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表6），pH 值、EC 值與大多數(shù)土壤肥力指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其是pH 值。pH 值與有機(jī)質(zhì)、有效硫和有效錳呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有效磷和有效鉬呈顯著負(fù)相關(guān)，而植物多喜在中性土壤中生長(zhǎng)，堿性或強(qiáng)堿性土壤會(huì)降低土壤結(jié)構(gòu)的通透性［13］，根據(jù)相關(guān)性分析的結(jié)果，pH 值高可能會(huì)降低有機(jī)質(zhì)、有效磷、有效硫、有效錳和有效鉬在土壤中的積累。有機(jī)質(zhì)和全氮一般會(huì)呈現(xiàn)顯著性的正相關(guān)關(guān)系［31］，在本研究中，不同公園在管理過(guò)程中施加無(wú)機(jī)肥的差異可能是導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)和全氮沒(méi)有出現(xiàn)顯著正相關(guān)的原因。

表6 上海市公園綠地土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析

3 結(jié)論

上海公園綠地土壤主要呈堿性，有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀、速效鉀、有效鈣、有效鎂、有效硫、有效錳、有效鐵等養(yǎng)分含量整體充足，超出一半的區(qū)域堿解氮和有效磷含量不足，有效鉬嚴(yán)重缺乏。其中，全氮、全磷、有效硫和有效磷的變異系數(shù)較大。

上海市公園綠地土壤綜合肥力為中等水平，土壤綜合肥力表現(xiàn)出北高南低的趨勢(shì)。中心城區(qū)的全氮含量較高；北部地區(qū)有機(jī)質(zhì)、有效磷及有效錳含量較高；西部地區(qū)全磷和有效硫含量較低；西北部和東南部地區(qū)有效鈣含量較低；這與上海市土壤類型有著密切關(guān)系。城市化活動(dòng)可能是造成中心城區(qū)土壤肥力較低的原因。

全氮、堿解氮、有效磷和有效鉬是上海市公園綠地土壤肥力的主要限值因子。對(duì)于上海市公園綠地的管理和養(yǎng)護(hù)而言，改善土壤的pH 值，種植耐堿植物和豆科植物，施加鉬肥，避免種植鉬素敏感植物，因地制宜等方法是改善上海市公園綠地土壤肥力質(zhì)量的有效措施。