武漢市園林土壤理化性狀的空間分布規(guī)律

王樸 康凱麗 金晶 聶艷

摘要：基于湖北省武漢市中心城區(qū)及遠(yuǎn)城區(qū)主要園林土壤412個(gè)采樣數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS技術(shù)研究武漢市園林土壤pH值、有機(jī)質(zhì)（OM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）含量的空間分布規(guī)律。結(jié)果表明，武漢中心城區(qū)園林土壤pH值在7.9以上，遠(yuǎn)城區(qū)土壤pH值接近中性，有向堿性發(fā)展的趨勢(shì)。中心城區(qū)土壤OM含量為19%～2.0%，處于中等水平，遠(yuǎn)城區(qū)為0.9%～1.4%，含量較低。中心城區(qū)土壤TN含量的均值為0.05%，遠(yuǎn)城區(qū)為 0.02%～0.03%，整體全氮含量處在正常范圍。中心城區(qū)及遠(yuǎn)城區(qū)土壤TP含量分別為0095%～0.12%，0017%～0.04%，全磷含量略低于正常水平。土壤TK含量為1.3%～1.4%，屬正常范圍。整個(gè)城區(qū)土壤AN含量為16～60 mg/kg，處偏低水平，AP和AK平均含量分別為15.28、100 mg/kg，含量較高。數(shù)據(jù)化系統(tǒng)的建立，可以為今后決策部門規(guī)劃與管理提供科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)城市綠化事業(yè)健康平穩(wěn)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：武漢市;園林土壤;理化性狀;空間分布

中圖分類號(hào)：S153?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）18-0256-06

收稿日期：2019-09-09

基金項(xiàng)目：湖北省武漢市園林和林業(yè)局資助項(xiàng)目（編號(hào)：武園發(fā)[2015]9號(hào)）。

作者簡介：王?樸（1979—），男，湖北荊州人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事園林土壤質(zhì)量研究。E-mail：6207683@qq.com。

城市是人類文明的產(chǎn)物，是人類生存不可或缺的部分，隨著人口增多、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但城市化進(jìn)程突飛猛進(jìn)，城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也日益惡化，這受到人們的普遍關(guān)注。作為城市生態(tài)系統(tǒng)中不可分割的部分，城市園林土壤不但能孕育綠色植物，也是城市污染物的歸宿，因此城市園林土壤是城市環(huán)境質(zhì)量和城市生態(tài)最基本的保障[1-3]，故園林土壤在城市的生態(tài)系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著非常重要的服務(wù)功能。我國城市土壤研究剛剛起步，研究內(nèi)容多為城市土壤污染[4-7]、概念、形成特征及分類[8-10]。

由于人們對(duì)城市園林土壤認(rèn)識(shí)不足和肆意破壞，導(dǎo)致其質(zhì)量下降，使城市綠地生態(tài)系統(tǒng)不能發(fā)揮正常功能，對(duì)整個(gè)城市的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響[11-12]，成為當(dāng)前不容忽視的問題。在城市生態(tài)系統(tǒng)中，土壤的組成、性質(zhì)及污染狀況對(duì)綠地建設(shè)、城市區(qū)域環(huán)境質(zhì)量及人類健康都有十分重要的影響。近年來，隨著園林綠化建設(shè)的快速發(fā)展，園林土壤研究和質(zhì)量越來越受到重視。為了全面了解武漢市園林土壤的情況，本試驗(yàn)對(duì)武漢地區(qū)園林土壤進(jìn)行了取樣分析研究，旨在為園林綠化提供科學(xué)依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?土壤樣本采集

如圖1所示，本試驗(yàn)采樣點(diǎn)共計(jì)412個(gè)，同步記錄采樣點(diǎn)的位置及周邊環(huán)境情況。中心城區(qū)采集（包括開發(fā)區(qū)、武昌區(qū)、洪山區(qū)、江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、東湖高新區(qū)）樣點(diǎn)較多，共計(jì)308個(gè)。從各行政區(qū)采樣點(diǎn)來看，新洲區(qū)采集16個(gè)樣點(diǎn)，黃陂區(qū)采集15個(gè)樣點(diǎn)，東西湖區(qū)采集14個(gè)樣點(diǎn)，蔡甸區(qū)采集16個(gè)樣點(diǎn)，漢南區(qū)采集22個(gè)樣點(diǎn)，開發(fā)區(qū)采集27個(gè)樣點(diǎn)，江夏區(qū)采集21個(gè)樣點(diǎn)，武昌區(qū)采集50個(gè)樣點(diǎn)，洪山區(qū)采集53個(gè)樣點(diǎn)，青山區(qū)采集45個(gè)樣點(diǎn)，江岸區(qū)采集36個(gè)樣點(diǎn)，江漢區(qū)采集35個(gè)樣點(diǎn)，橋口區(qū)采集23個(gè)樣點(diǎn)，漢陽區(qū)采集23個(gè)樣點(diǎn)，東湖高新區(qū)采集16個(gè)樣點(diǎn)。

為掌握武漢市園林土壤性狀的空間分異規(guī)律，重點(diǎn)選擇pH值，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀含量共8個(gè)土壤理化性狀指標(biāo)進(jìn)行分析。

1.2?測(cè)試方法

土壤pH值用電位法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測(cè)定;堿解氮含量用擴(kuò)散法測(cè)定;速效磷含量用NaHCO3-鉬銻抗比色法測(cè)定;速效鉀含量用NH4OAc浸提，火焰光度法測(cè)定;全氮含

量采用半微量開氏定氮法測(cè)定;全磷含量采用NaOH熔融鉬銻抗比色法測(cè)定;全鉀含量采用NaOH熔融原子吸收分光光度計(jì)法[13]測(cè)定。

2?技術(shù)思路

2.1?技術(shù)路線

土壤特性空間變異的研究是應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)變量空間結(jié)構(gòu)的抽象表達(dá)與模擬。特異值的存在、變量的非正態(tài)分布、趨勢(shì)面都會(huì)影響地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的有效性，因此數(shù)據(jù)預(yù)處理是變量空間結(jié)構(gòu)提取的前提;然后，計(jì)算、擬合變量的半方差函數(shù)，應(yīng)用克里格（Kriging）插值法獲取土壤變量的空間分布圖。本試驗(yàn)將武漢市園林土壤412個(gè)樣點(diǎn)的理化性狀數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中，借助克里格法插值法對(duì)pH值，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀含量這8個(gè)土壤理化性狀指標(biāo)的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，獲取武漢市園林土壤理化性狀的空間分布圖，技術(shù)路線見圖2。

2.2?克里格法插值法解析

克里格法插值法是地統(tǒng)計(jì)中應(yīng)用最廣的最優(yōu)插值法。它是利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對(duì)未采樣點(diǎn)進(jìn)行無偏最優(yōu)估值的一種方法。設(shè)在一區(qū)域內(nèi)位置x0處某一變量的估值為Z*i（xi）（i=1，2，3，…，n），現(xiàn)通過這n個(gè)測(cè)定值的線性組合來求估測(cè)值Z*（x0），即

Z*（x0）=∑ni=1λiZ*（xi）。（1）

式中：λi為與Z*（xi）位置有關(guān)的加權(quán)系數(shù)。要使估測(cè)最優(yōu)，必須滿足如下條件：

（1）無偏估計(jì)，即

E[Z*（x0）-Z（x0）]=0。（2）

式中：Z（x0）為x0的實(shí)測(cè)值。

（2）方差（σ2）最小，即

σ2[Z*（x0）-Z（x0）]=min。（3）

結(jié)合式（1）～（3），利用拉格朗日極小原理，可以導(dǎo)出λi與半方差之間的矩陣：

r11r12…r1n1

r21r22…r2n1

rn1rn2…rnn1

11…10

λ1λ2λnφ=

r10r20rn01。（4）

式中：rij為xi、xj間距|xi-xj|的半方差;φ為拉格朗日算子。求解上式方程組和φ值后，由式（4）可得出x0點(diǎn)的最優(yōu)估測(cè)值Z*（x0）。

根據(jù)拉格朗日中值定理，如果函數(shù)f（x）在閉區(qū)間[a，b]上連續(xù)，在開區(qū)間（a，b）內(nèi)至少有1點(diǎn)ζ（a<ζ

（3）精度估計(jì)

了解空間變量的估值精度，有利于改進(jìn)插值條件以及插值結(jié)果的進(jìn)一步應(yīng)用?？死锔穹ú逯捣ㄔ谔峁o偏最優(yōu)估計(jì)的同時(shí)，可以給出估值的精度（克里格方差），其計(jì)算方法如下：

σ2E=E[Z-Z*]2。（5）

克里格插值可為空間格局（在空間上有規(guī)律的分布）分析提供從取樣設(shè)計(jì)、誤差估計(jì)到成圖的理論和方法，可精確描述所研究的變量在空間上的分布、形狀、大小、地理位置或相對(duì)位置，這在確定空間定位圖式（格局）方面是比較有效的方法。

3?結(jié)果與分析

針對(duì)武漢市園林植物生長需要，篩選園林土壤養(yǎng)分及相關(guān)的物理性狀開展空間變異的研究，能夠揭示園林土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律，有助于發(fā)現(xiàn)和分析園林生產(chǎn)中存在的養(yǎng)分管理問題，進(jìn)而提出有針對(duì)性的對(duì)策和措施，全面提升武漢市園林土壤養(yǎng)分管理水平。

3.1?武漢市園林土壤pH值的空間格局

pH值對(duì)土壤中養(yǎng)分元素的狀態(tài)和有效性有重要的影響。pH值過高或過低，會(huì)使一些營養(yǎng)元素變得難溶或存在狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致養(yǎng)分的流失和固定，使?fàn)I養(yǎng)元素有效性降低，從而不能很好地被根系吸收。因而對(duì)武漢市園林土壤pH值空間變異的分析有助于理解和發(fā)現(xiàn)園林土壤養(yǎng)分空間變異的原因。

從圖3可以看出，中心城區(qū)和漢南區(qū)的pH值較高，部分地區(qū)pH值在7.90以上;蔡甸區(qū)、江夏區(qū)和中心城區(qū)東南部的pH值較低，部分地區(qū)在680以下;黃陂、新洲、東西湖區(qū)的pH值接近中性，武漢市園林土壤整體的pH值都處在正常范圍。整體上，武漢市園林土壤pH值具有明顯的地理規(guī)律性，且圖斑邊界平滑，表明土壤pH值受區(qū)域水熱條件等漸變的區(qū)域性因素影響較大。

進(jìn)一步分析中心城區(qū)園林土壤的pH值，從圖4可以看出，武漢市中心城區(qū)的pH值從西向東逐漸降低，從南向北逐漸升高，沿長江一帶地區(qū)的土壤pH值相對(duì)較高，東南方向九峰鄉(xiāng)一帶pH值較低，中心城區(qū)南部pH值接近中性。中心城區(qū)園林土壤pH值最低為6.50左右，最高為8.40左右，園林土壤pH值有向堿性發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2?武漢市園林土壤有機(jī)質(zhì)的空間格局

土壤有機(jī)質(zhì)不僅能為植物提供礦質(zhì)元素，還能改善土壤理化性質(zhì)、生物學(xué)特性。土壤有機(jī)質(zhì)除了能保持土壤養(yǎng)分，還能使養(yǎng)分避免淋溶等自然方面的損失。有機(jī)質(zhì)含量的高低決定著土壤的營養(yǎng)水平，是植物生長過程中氮素、磷素、鉀素的重要來源;土壤有機(jī)質(zhì)還可以吸附土壤中的污染物質(zhì)，并在一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)，保持土壤水分。土壤有機(jī)質(zhì)含量直接或間接影響土壤的許多屬性，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量最重要的一項(xiàng)指標(biāo)。本研究借助ArcGIS獲取武漢市園林土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布格局。

從圖5可以看出，中心城區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，平均含量為1.90%～2.00%，中心城區(qū)南部靠近蔡甸區(qū)和江夏區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量最低，平均含量為1.0%左右;其他區(qū)域有機(jī)質(zhì)平均含量約為14%。有機(jī)質(zhì)含量在不同土壤中差異很大，有的含量較高，可達(dá)20%或30%以上（如森林表層土壤等）;有的含量低，不足1.0%或0.5%（如荒漠土等），一般耕層中有機(jī)質(zhì)含量只有0.5%～25%。綜上所述，武漢市園林土壤的有機(jī)質(zhì)含量處在正常水平。

3.3?武漢市園林土壤全量養(yǎng)分（氮、磷、鉀）空間格局

氮、磷、鉀均是植物需要的大量礦質(zhì)元素，但也是自然生態(tài)系統(tǒng)尤其是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中植物生長的限制性因子。全氮、全磷、全鉀含量是指土壤中所含的植物可利用和不可利用的各種形態(tài)氮、磷、鉀的總量。

從圖6可以看出，武漢市中心城區(qū)土壤全氮含量整體較高，達(dá)到了0.050%水平，中心城區(qū)東部全氮含量較低，含量為0.025%左右。漢南區(qū)和江夏區(qū)部分地區(qū)全氮含量較高，達(dá)到0.035%～0040%，遠(yuǎn)城區(qū)的全氮含量整體較中心城區(qū)偏低，含量大致為0.020%～0.030%。土壤中的氮含量一般為0.020%～0.500%。因此，武漢市園林土壤整體的全氮含量處在正常范圍。

從圖7可以看出，武漢市中心城區(qū)的中部地帶全磷含量為全市最高，達(dá)到0.095%～0.120%，而蔡甸、江夏、東西湖、黃陂和新洲等地的全磷含量較中心城區(qū)偏低，平均為0.017%～0.040%，漢南區(qū)和江夏區(qū)的交界部分全磷含量較高，達(dá)0.060%左右。土壤中全磷含量一般為0.040%～0.250%。因此，武漢市園林土壤的全磷含量略低于正常水平。

從圖8可以看出，中心城區(qū)、東西湖區(qū)、蔡甸區(qū)、漢南區(qū)、江夏區(qū)等地的全鉀含量整體較高，大致為1.30%～1.40%，中心城區(qū)有部分地帶全鉀含量處在一個(gè)較低水平，含量為0.20%～1.00%左右，黃陂和新洲2個(gè)區(qū)的全鉀含量處于中間水平，為100%～1.20%，土壤全鉀含量一般為0.30%～360%。因此，武漢市園林土壤的全鉀含量也處在正常范圍。

3.4?武漢市園林土壤速效養(yǎng)分空間格局

土壤堿解氮是可以直接被植物根系吸收的有效性氮。從圖9可以看出，武漢市中心城區(qū)南部園林土壤堿解氮含量較高，達(dá)50.00～60.00 mg/kg，中心城區(qū)北部的園林土壤堿解氮含量較低，為1600～25.00 mg/kg;漢南區(qū)和江夏區(qū)的部分地區(qū)堿解氮含量較高，達(dá)到40.00 mg/kg，而蔡甸、東西湖、黃陂、新洲區(qū)的園林土壤堿解氮含量較低，大致為 30.00 mg/kg 左右。土壤堿解氮含量小于 45.00 mg/kg 時(shí)為缺乏，達(dá)45.00～100.00 mg/kg時(shí)為良好，可以看出，武漢市園林土壤整體的堿解氮含量不高，略低于良好水平。

速效磷是指土壤中能被植物吸收利用或易被植物吸收利用的磷，可用來表征最近一段時(shí)間或一個(gè)生長季可被植物利用的磷含量。土壤速效磷含量可表征土壤的供磷能力。武漢市土壤速效磷含量為 163～38.03 mg/kg，平均含量為15.28 mg/kg。從圖

10可以看出，速效磷的空間變異以團(tuán)塊狀為主，整體上有一定的漸變趨勢(shì)，然而圖斑較零散，受方向的影響不大。中心城區(qū)以及江夏區(qū)東北部、漢南區(qū)東部的速效磷含量較高，達(dá)到22.00 mg/kg以上水平，蔡甸、江夏、東西湖、黃陂和新洲等地的速效磷含量較低，大致為5.00～10.00 mg/kg，土壤速效磷含量一般為10～20 mg/kg ，可以看出，武漢市園林土壤的速效磷含量略低于正常水平。

鉀是作物不可缺少的大量營養(yǎng)元素。近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，在我國不少地區(qū)，特別是南方，土壤缺鉀面積日益擴(kuò)大，缺鉀程度不斷加深。從圖11可以看出，武漢市園林土壤的速效鉀含量較高，平均含量超過了100.00 mg/kg，根據(jù)農(nóng)作物施肥經(jīng)驗(yàn)，速效鉀含量超過80.00 mg/kg時(shí)，無需再對(duì)作物施鉀肥。中心城區(qū)中部的速效鉀含量最高，超過了 170.00 mg/kg，中心城區(qū)四周的速效鉀含量也較高，平均超過了100.00 mg/kg，黃陂和新洲2地的園林土壤速效鉀含量較低，在90.00 mg/kg左右，東西湖區(qū)和漢南區(qū)速效鉀含量較高，達(dá)到了 110.00 mg/kg 的水平。

4?結(jié)論與討論

本試驗(yàn)對(duì)武漢市園林土壤理化性狀進(jìn)行了摸底調(diào)查，主要結(jié)論如下：（1）研究范圍內(nèi)遠(yuǎn)城區(qū)土壤pH值為5.89～8.63，均值為7.50;中心城區(qū)土壤pH值為5.53～9.57，均值為8.06，可以看出整個(gè)園林土壤受人為影響非常嚴(yán)重，局部地區(qū)堿性污染較明顯。（2）園林綠地土壤速效磷和速效鉀含量較高，有機(jī)質(zhì)含量中等，全效養(yǎng)分和堿解氮含量偏低，養(yǎng)分分布不均衡。

由于受人類活動(dòng)的影響，尤其是經(jīng)歷過特殊的人為成土過程，武漢市綠地土壤形成了與自然土壤不同的特殊性狀。以遙感和地理信息系統(tǒng)為手段，獲取所需信息，將生態(tài)學(xué)原理與方法和土壤分布格局分析結(jié)合起來，用景觀格局指數(shù)來量化園林土壤理化性狀的空間分布規(guī)律，為園林土壤類型分布格局的定性理解和定量分析提供了相關(guān)的理論依據(jù)。由此獲得的各種分布格局?jǐn)?shù)據(jù)揭示了武漢市園林土壤理化性狀的分布規(guī)律，為今后武漢市城市整體規(guī)劃，植物選擇和園林植物養(yǎng)護(hù)、施肥和改良等提供有用的參數(shù)。

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