成都市龍泉山城市森林公園土壤肥力空間格局及其影響因子

謝川, 陳俊華, 謝天資, 林靜, 趙昊天,2, 蔣雨軒,2, 駱宗詩*, 慕長龍*

1.四川省林業(yè)科學研究院，森林與濕地生態(tài)恢復與保育四川重點實驗室，四川 成都 610081；

2.成都理工大學城鄉(xiāng)規(guī)劃與旅游學院，四川 成都 610000

土壤作為植物生存和發(fā)展的重要基地，不僅是農業(yè)、林業(yè)和其他生態(tài)系統(tǒng)的自然基礎，更是人類社會發(fā)展至關重要的載體[1-3]。土壤質量是衡量土壤條件相對于一個或多個生物物種的要求和任何人類的需要或目的[4-5]。近些年來，隨著城市規(guī)模的不斷擴大和生態(tài)環(huán)境問題的日益突顯，城市及其周邊區(qū)域土壤質量的評價和研究一直是當今城市生態(tài)學研究者關注的重點。然而，國內外的研究主要集中在城市內部的公共綠地區(qū)域土壤質量的評價[3, 6-7]，很少有研究著重考察城市周邊起著生態(tài)屏障作用的區(qū)域。

土壤肥力反映了土壤維持農林植物生長的能力，是衡量土壤質量優(yōu)劣的重要指標。而土壤的理化性質，特別是土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀是土壤肥力的關鍵指標[8-10]，能夠在一定程度上量化土壤的肥力。大量的科學考察和研究表明，無論研究區(qū)域的尺度大小，土壤肥力的空間異質性是普遍存在的事實[3, 11-13]。研究土壤肥力空間格局及其影響因素，可為土壤資源的科學管理提供依據，對于指導農業(yè)、林業(yè)均具有十分重要的意義。國內外專家經過多年的研究認為，土壤肥力的空間格局主要受自然因素和人為因素影響[14-16]。其中自然因素包括地形地貌、氣候水文、成土母質和植被類型等；而人為因素主要包括土地利用類型、耕作措施等。隨著“3S”技術（全球定位系統(tǒng)、遙感和地理信息系統(tǒng)）的飛速發(fā)展，與地統(tǒng)計學的有機結合，不同區(qū)域不同尺度的土壤養(yǎng)分空間變異研究取得了一定的成果[17-21]。然而，重點聚焦于森林公園，特別是離中心城市很近的城市森林公園土壤肥力空間格局的研究卻鮮見報道。

龍泉山脈作為成都市東部重要的生態(tài)屏障，對保障成都市的生態(tài)環(huán)境和安全有著極其深遠的戰(zhàn)略意義[22-23]。鑒于龍泉山城市森林公園土壤肥力的空間格局以及影響因子的研究未見相關報道。因此，通過野外實地調查和土壤采樣分析，結合收集資料，運用地統(tǒng)計學與“3S”技術相結合的方法，揭示龍泉山城市森林公園土壤肥力的空間變異規(guī)律，分析和探索影響土壤肥力空間分布的主要因子。這些研究結果將不僅能為龍泉山城市森林公園生態(tài)恢復和景觀配置工作提供科學依據，還有助于為我國城市森林公園的構建和研究提供有益的補充。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

龍泉山城市森林公園（103°40′—104°40′E，29°40′—30°30′N）位于成都平原東緣，東西距離大約 12 km，南北約 90 km，總面積為 1275 km2[23]。地質構造處于龍泉山褶皺帶，地形上以低山和丘陵為主，海拔從385~1051 m。研究區(qū)域屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫16 ℃，年降水量約920 mm，并以中亞熱帶常綠闊葉林為地帶性植被[26]。該區(qū)域內的天然植被幾乎被破壞殆盡，天然的常綠闊葉林僅在局部地段殘存。龍泉山城市森林公園主要的森林類型為人工柏木林，另外也分布著一些以桃、枇杷為主的果園。

1.2 數(shù)據來源

收集了龍泉山城市森林公園森林資源二類調查數(shù)據庫以及行政區(qū)劃圖。包括龍泉驛區(qū)、青白江區(qū)、金堂縣、簡陽市、雙流區(qū)的部分，面積共計1 275 km2，共計 75 964 個小班。

1.3 樣地設置與調查

在ArcGIS10.2中對研究區(qū)進行漁網創(chuàng)建，將龍泉山城市森林公園按2 km×2 km劃分成 319個網絡。以每個網絡的中心點進行樣點設置，若中心點在水體或建設用地上，則相應地移動樣點，若在2 km范圍均為水體或建設用地，則該樣點取消，共計設置樣點307個（見圖1）。在確定的樣點附近設置樣地，樣地大小為20 m×20 m。在樣地內調查地貌特征（地形起伏度<20 m劃為平原、海拔>650 m且地形起伏度≥20 m為丘陵、海拔650 m以上為低山）、土地利用類型、植被情況、土壤狀況。記錄因子主要有地形因子（土壤類型、土層厚、土壤腐殖質層厚、經緯度、海拔、坡度、坡位、坡向）、植被因子（若為林地，則詳細記錄如下信息：喬木種名、平均胸徑、平均樹高，灌木種名、平均高、蓋度，草本種名、蓋度）。沿順坡方向S形挖取土壤剖面，取0~20 cm的表層土壤樣品帶回試驗分析土壤化學性質。土壤化學性質分析pH、有機質含量、堿解氮、速效鉀、有效磷等指標。有機質采用燃燒法（儀器型號：vario MACRO CUBE），堿解氮采用堿解擴散法，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰分光光度法（儀器型號：FTP 640），有效磷采用鹽酸、氟化銨浸提-紫外分光光度法（儀器型號：UV-2600）。土壤化學性質由中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所綜合測試與模擬中心分析測試。

圖1 調查樣點分布圖[24]Fig.1 Distribution map of survey sample points

1.4 土壤肥力指數(shù)計算

土壤綜合肥力指數(shù)的計算采用修正后的內梅羅公式[3, 25-28]。同時，選擇土壤有機質、堿解氮、速效鉀、有效磷這4個指標作為綜合評價參數(shù)。對于原始數(shù)據的標準化處理如下：

當屬性值屬于差一級時，即Ci≤Xp，則：

當屬性值屬于中等一級時，即Xp

當屬性值屬于較好一級時，即Xm

當屬性值屬于好一級時，即Xg

當屬性值屬于優(yōu)秀一級時，即Ci>Xb，則：

式中，Pi為土壤各屬性分質量系數(shù)；Ci為該屬性的測定值；X為參照全國第二次土壤普查標準的屬性值分級標準（表1）。式中，Xp，Xm，Xg，Xb分別為四級、三級、二級、一級的分級標準。

表1 基于內梅羅公式的土壤各屬性分級標準值Tab.1 Standard value of soil properties classification based on Nemerow formula

土壤綜合肥力指數(shù)P的計算公式如下：

式中，P為土壤綜合肥力， Pi為土壤各屬性分肥力系數(shù)的平均值，Pimin為土壤各屬性分肥力系數(shù)中的最小值，n為參與評價的土壤屬性個數(shù)。

1.5 數(shù)據處理

利用 Microsoft Excel 2010 錄入測試數(shù)據，計算平均值等數(shù)據；應用SPSS 20.0進行數(shù)據方差分析和多重比較。土壤綜合肥力空間插值分析在ArcGIS 10.2里進行，對307個樣點土壤肥力指數(shù)進行Kriging空間插值。為了更好地了解研究區(qū)的土壤肥力空間分布情況，插值結果出來后，在ArcGIS 10.2中對其采用自然間斷點分級方法，將其劃分為5級，從高到低分別表示為“優(yōu)”“良”“中等”“較差”“差”。

2 結果與分析

2.1 土壤性質參數(shù)描述性統(tǒng)計

對比研究區(qū)表層土壤各養(yǎng)分均值（見表2）與全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，可以發(fā)現(xiàn)龍泉山城市森林公園范圍內的土壤有機質和堿解氮的平均含量均處于五級水平，屬于很低水平；速效鉀的平均含量處于四級水平，屬于低水平；有效磷則處于一級水平，含量較高。pH的變異系數(shù)為7.53%，為弱變異強度；堿解氮、有效磷、有機質的變異系數(shù)在58%~68%之間，為中等變異強度；速效鉀的變異系數(shù)高達95.77%，已經接近強變異。

表2 土壤性質參數(shù)描述性統(tǒng)計Tab.2 Descriptive statistics of soil properties

2.2 土壤養(yǎng)分的地統(tǒng)計學分析

通過運用GS+軟件計算土壤養(yǎng)分的全向半方差函數(shù)，以決定系數(shù)接近于1、殘差趨向于0的標準進行最優(yōu)理論模型的選擇。本研究對龍泉山城市森林公園土壤養(yǎng)的地統(tǒng)計學分析可以發(fā)現(xiàn)：5種土壤化學性質均符合指數(shù)模型，其結果見表3。速效鉀、pH的半方差函數(shù)的決定系數(shù)均大于0.6，說明理論模型擬合具有一定合理性。從基臺值可以看出，各土壤屬性值均具有一定的基臺值，說明受地形、土壤、植被和人類活動等因素所控制，其中有機質受影響最大。塊金值均為正值，說明存在隨機誤差。由塊金系數(shù)可知，各養(yǎng)分指標由結構因素主導，而受隨機因素的影響較小。pH、堿解氮分布呈強空間相關性，有機質、速效鉀和有效磷均屬中等程度的空間相關性。

表3 土壤養(yǎng)分的半方差模型參數(shù)Tab.3 Semi-variance theoretical model parameters of soil nutrients

2.3 地形因子對土壤綜合肥力指數(shù)的影響

通過不同的地形因子對土壤肥力的影響分析可知，龍泉山城市森林公園不同地貌的土壤綜合肥力指數(shù)相差不大，按大小排序為平原>丘陵>低山（見圖2-A）。從不同坡度土壤綜合肥力指數(shù)來看（見圖2-B），坡度越大，其土壤綜合肥力指數(shù)越小。尤其是陡坡，其土壤綜合肥力指數(shù)比平坡小31.46%。坡向對土壤綜合肥力指數(shù)也有一定影響，但規(guī)律性不強（見圖2-C）。土壤綜合肥力指數(shù)最高的坡向是西北方向（1.38），最低的是東南方向（1.00）。坡位對土壤綜合肥力指數(shù)的影響大體表現(xiàn)出坡位越低，該指數(shù)越大（見圖2-D）。但平地的該指數(shù)卻只有0.97，為該因素的最低值。

圖2 不同地形因子土壤綜合肥力指數(shù)Fig.2 Comprehensive soil fertility index of different topographic factors

2.4 土地利用方式對土壤綜合肥力指數(shù)的影響

結果顯示（見圖3），幾種土地利用類型的土壤綜合肥力指數(shù)按大小排列為耕地>果園>竹林地>混交林地>純林地>撂荒地>廢棄宅基地。其中，耕地的土壤綜合肥力指數(shù)明顯高于其他地類。

圖3 不同土地利用方式的土壤綜合肥力指數(shù)Fig.3 Comprehensive soil fertility index of different land use patterns

2.5 龍泉山城市森林公園土壤綜合肥力指數(shù)的空間布局

由圖4可知，龍泉山城市森林公園土壤綜合肥力指數(shù)屬于“較差”和“差”的區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部和西南部的龍泉驛區(qū)、金堂縣南部、簡陽市中東部和雙流區(qū)境內。土壤綜合肥力指數(shù)高（包括“優(yōu)”和“良”）的區(qū)域主要集中分布在研究區(qū)北部的金堂縣和青白江區(qū)境內。另外，土壤綜合肥力分布的“熱點”和“冷點”分析顯示，在龍泉山城市森林公園境內的區(qū)域性“熱點”有15個，主要分布在公園的北部。

圖4 龍泉山城市森林公園土壤綜合肥力空間分布示意圖Fig.4 Spatial distribution of soil comprehensive fertility in Longquan Mountain urban forest park

3 結論及討論

3.1 不同的地形因子對土壤綜合肥力指數(shù)的影響

通常情況下，氣候和母質條件相對穩(wěn)定一致的地區(qū)，地形對于土壤物資和能量的分配起著重要的作用[29]。龍泉山城市森林公園位于龍泉山脈的核心地區(qū)，其地貌類型主要以丘陵、低山和平原為主。在龍泉山城市森林公園中，平原地區(qū)的土壤綜合肥力略高于低山和丘陵地區(qū)。這一結果反映出，相對于低山和丘陵區(qū)，平原地區(qū)以其平坦的地勢、方便的交通、較厚的土層特別適宜于發(fā)展農業(yè)生產，從而受到人為干擾的影響較大。

大量的研究表明，坡度和坡位等地形因素能夠通過影響小尺度區(qū)域的水熱資源再分配，來影響土壤養(yǎng)分的分布[30-33]。龍泉山城市森林公園土壤綜合肥力指數(shù)和坡度呈負相關，這一現(xiàn)象與鄧歐平[19]和張國平[34]對紫色土丘區(qū)的土壤養(yǎng)分與地形的相關性研究結果是一致的。事實上，影響土壤養(yǎng)分流失的一個重要因素就是坡度，當坡度越大時，就會造成泥沙流失量的增大，進而導致土壤的養(yǎng)分大量流失。高雪松等[30]在四川盆地西緣山地土壤養(yǎng)分與不同地形部位之間關系的研究中顯示，下坡位的化學特性好于上坡位和中坡位。與高雪松等[30]的研究相似的是龍泉山城市森林公園處于下坡位的土壤綜合肥力指數(shù)略大于中坡位和上坡位（見圖2-D）。這一結果反映出，相對于中高山地區(qū)，低山和丘陵區(qū)按坡位分布的土壤肥力差異不太顯著。同時，也印證了在一定的海拔范圍內，坡位對土壤養(yǎng)分含量的變化起著關鍵的作用[35]。

一般情況下，陽坡的土壤養(yǎng)分含量高于陰坡[29, 36]。然而，龍泉山城市森林公園境內的土壤綜合肥力指數(shù)和坡向的關系不明顯。這一結果可能反映出，位于成都平原以東的龍泉山脈以其低山和丘陵為主的地形地貌所呈現(xiàn)出的獨特土壤養(yǎng)分分布模式。

3.2 不同土地利用方式對土壤綜合肥力指數(shù)的影響

土地利用方式的不同往往影響著土壤、水分和植物之間的相互作用，進而對生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能產生極其深遠的影響[30, 37]。對龍泉山城市森林公園研究結果顯示耕地和果園的綜合肥力指數(shù)明顯高于其他土地利用方式。事實上，耕地和果園是龍泉山城市森林公園中受人為影響最為頻繁的土地利用方式，人為的施肥管理使該類區(qū)域土壤的綜合肥力指數(shù)相對較高。相對于廢棄宅基地和撂荒地所反映出極低的土壤綜合肥力指數(shù)，各類林地，特別是竹林和混交林都在這一指數(shù)上表現(xiàn)出了較高的水平。林地中的喬木能產生的大量凋落物，分解所釋放的養(yǎng)分能夠明顯地提高土壤的肥力[3, 21, 38]。

3.3 龍泉山城市森林公園土壤綜合肥力指數(shù)的空間分布及管理對策

土壤綜合肥力指數(shù)較高（“優(yōu)”和“良”）的區(qū)域主要集中在公園北部的沱江流域片區(qū)，這一片區(qū)水源涵養(yǎng)能力較好。另外，土壤綜合肥力指數(shù)較低（“差”和“較差”）的區(qū)域表現(xiàn)為在公園中部和南部的斑塊狀分布。據推測，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于這一地區(qū)離城區(qū)較近，或者在景區(qū)周邊，存在著較多的建設用地，受人為干擾較大。根據土壤綜合肥力評價的5個等級制定不同的管理策略：

（1）對于土壤綜合肥力指數(shù)為“優(yōu)”的區(qū)域，應以保護為重點，可定期對水土保持方面的能力進行評估，保持生態(tài)系統(tǒng)的正常循環(huán)體系。

（2）對于土壤綜合肥力指數(shù)為“良”的地區(qū)，重點也應以保護為主，并進一步探究其主要的限制條件，并針對弱項，通過檢測對其進行進一步優(yōu)化，通過適當?shù)囊龑нM行土壤質量的提升和結構上的優(yōu)化。

（3）對于指數(shù)結果為“中等”的地區(qū)，應以重點監(jiān)測為主，加強提升其自然修復能力，適宜采取間斷性經營模式，即合理判斷其開發(fā)的承載能力，在臨近其承受閾值時，應給其預留自然恢復及自然演替的時間，盡量減少人為因素的影響。

（4）評價為“較差”的地區(qū)，以改善為目的，在空間里栽種適應能力更強和有利于生態(tài)修復的樹種，以此慢慢提升該片區(qū)域的生態(tài)功能和潛在生產力。

（5）評價為“差”的地區(qū)來說，需采取較大幅度的改善措施。重點改善方向應以生態(tài)修復為主，嚴格遵循植被動態(tài)演替規(guī)律，根據情況考慮施行封山育林地經營方案，在群落配置方面，可通過人工補種共生的植物種類，提升物種多樣化，促進植被群落正向演替，穩(wěn)定和修復群落結構。