上海市土地整治區(qū)土壤環(huán)境因子與草本植物群落分析研究

楊佳賓，黃海峰

（1.上海市地礦建設(shè)有限責(zé)任公司, 上海 200072；2.自然資源部大都市區(qū)國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，上海 200072；3.上海市地礦工程勘察(集團(tuán))有限公司, 上海 200072）

隨著中國(guó)城市現(xiàn)代化進(jìn)程推進(jìn)，城市的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益凸顯。土地資源緊約束已經(jīng)成為上海城市發(fā)展的新常態(tài)[1]。上海早在 20 世紀(jì) 80 年代就已開(kāi)始以“三集中”為理念的現(xiàn)代意義上的土地整治，并于 2011 年開(kāi)展上海首批市級(jí)土地整治項(xiàng)目[2]。《關(guān)于開(kāi)展全域土地綜合整治試點(diǎn)工作的通知》（自然資發(fā)〔2019〕194號(hào)）明確了全域土地綜合整治的重點(diǎn)任務(wù)，即農(nóng)用地整理、建設(shè)用地整理和鄉(xiāng)村生態(tài)保護(hù)修復(fù)，并首次在任務(wù)中提出了“鄉(xiāng)村生態(tài)保護(hù)修復(fù)”，要將土地綜合整治與生態(tài)保護(hù)修復(fù)相結(jié)合，形成新的功能。

城市需要更加富有生態(tài)服務(wù)功能的自然景觀[3]，城市要規(guī)范景觀秩序，協(xié)調(diào)好城市空間擴(kuò)張與生態(tài)價(jià)值功能的平衡[4-5]，城市森林是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[6]，草本植物孕育了森林生態(tài)系統(tǒng)80%的生物多樣性[7]，是城市森林生態(tài)系統(tǒng)最重要的保育層[8]，在城鄉(xiāng)生物多樣性方面具有極為重要且無(wú)可替代的生態(tài)功能[9]。在特定的氣候條件下，土壤是影響植被發(fā)育的重要因素。土壤條件的優(yōu)劣可直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)植被的更新和演替[10]，同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)的群落構(gòu)成和多樣性又影響著土壤的形成、發(fā)育以及土壤養(yǎng)分的有效性[11]。有研究表明，土壤養(yǎng)分元素含量對(duì)植物物種多樣性有明顯影響[12-13]。但研究區(qū)域或研究對(duì)象不同會(huì)出現(xiàn)不同的研究結(jié)果，植被發(fā)育與土壤之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，因此，開(kāi)展上海市全域土地綜合整治區(qū)草本植物多樣性研究工作意義重大。

本文以上海市全域土地綜合整治區(qū)不同用地類型為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)了各用地類型土壤理化性質(zhì)、草本植物分布特征，完成了土壤養(yǎng)分及環(huán)境質(zhì)量水平分析，草本植物優(yōu)勢(shì)度、多樣性分析，并結(jié)合環(huán)境理化性質(zhì)與草本植物多樣性進(jìn)行相關(guān)性分析，以期為區(qū)域生物多樣性保護(hù)和全域土地綜合整治提供參考。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

根據(jù)金山區(qū)廊下鎮(zhèn)全域土地綜合整治項(xiàng)目特點(diǎn)，本次研究分別在農(nóng)田、園地、林地、建設(shè)用地4種用地類型區(qū)域布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，共布設(shè)12個(gè)采樣點(diǎn)采集土壤樣品（圖1）。結(jié)合國(guó)家林業(yè)局《全國(guó)植物物種資源調(diào)查技術(shù)規(guī)定》，開(kāi)展研究區(qū)草本植物調(diào)查，調(diào)查于2021年10月進(jìn)行，植物調(diào)查點(diǎn)位與土壤采樣點(diǎn)位重合，每個(gè)點(diǎn)位選擇4個(gè)草本樣方作為重復(fù)，樣方規(guī)格為1m×1m。

圖1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Study area and distribution of sampling points

1.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與實(shí)驗(yàn)室分析

本次調(diào)查采集0~20 cm土壤樣品，將采集的土壤樣品干燥后去除土樣中的異物，研磨、篩分混勻后密封保存。送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、總磷、有效磷、速效鉀、水解性氮等指標(biāo)。

草本植物調(diào)查采用典型樣方法，記錄草本小樣方內(nèi)的物種、株數(shù)、高度、蓋度，選取物種豐富度（S）、優(yōu)勢(shì)度、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)等指標(biāo)分析草本植物多樣性。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)

根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0295-2016），對(duì)土壤中養(yǎng)分元素和環(huán)境元素進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，并最終對(duì)其進(jìn)行綜合等級(jí)評(píng)定。

（1）土壤養(yǎng)分等級(jí)：參照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0295-2016）附錄D“土壤養(yǎng)分指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)”，對(duì)土壤養(yǎng)分元素進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)。

（2）環(huán)境元素等級(jí)：按照下列公式計(jì)算土壤中污染指標(biāo)i的單項(xiàng)污染指數(shù)Pi，對(duì)土壤環(huán)境元素進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)。

式中：Ci為土壤中污染物指標(biāo)i的實(shí)測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；

Si為土壤中污染物指標(biāo)i在《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-2018）中給出的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg。

（3）土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)：結(jié)合土壤養(yǎng)分和環(huán)境元素情況，參考《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0295-2016），對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合等級(jí)評(píng)定。

1.3.2 生物多樣性

草本植物生物多樣性計(jì)算：

草本層重要值（IV）=相對(duì)密度（RED）+相對(duì)蓋度（RCO）+相對(duì)頻度（RFE）

相對(duì)重要值（P）= [相對(duì)密度（RED）+相對(duì)蓋度（RCO）+相對(duì)頻度（RFE）]/3

優(yōu)勢(shì)度（DV）= 平均高度·蓋度/100（m·%）

物種豐富度（S）= 樣地內(nèi)所有物種數(shù)目

Shannon-Wiener指數(shù)（H）= -∑Pi·lnPi

Simpson指數(shù)（D）= 1-∑Pi2

Pielou 均勻度指數(shù)（J）= (-∑Pi·lnPi) /lnS

式中：Pi為第i個(gè)種的個(gè)體的相對(duì)重要值，S等于總物種數(shù)。

1.3.3 相關(guān)性分析

為了探究土地整治項(xiàng)目區(qū)草本植物群落多樣性和物種豐富度與土壤環(huán)境因子之間的關(guān)系，選擇12個(gè)樣地的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson指數(shù)、Pielou指數(shù)、物種豐富度S、pH、速效鉀（AK）、水解性氮（HN）、總氮（TN）、有機(jī)質(zhì)（OM）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鋅（Zn）、砷（As）、汞（Hg）等環(huán)境因子，

利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，并進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同用地類型土壤環(huán)境質(zhì)量

對(duì)比農(nóng)田（NT）、園地（YD）、林地（LD）、建設(shè)用地（JS）4種不同用地類型的土壤環(huán)境質(zhì)量水平，發(fā)現(xiàn)各用地類型中的土壤環(huán)境質(zhì)量存在一定差異。建設(shè)用地的總磷（TP）和有效磷（OP）處于較高水平；林地中，有機(jī)質(zhì)（OM）、全氮（TN）、速效鉀（AK）的含量較高；園地中，水解性氮（HN）含量處于較高水平。重金屬元素中，各類重金屬含量水平相差不大，但建設(shè)用地稍高于其他用地類型，說(shuō)明建設(shè)用地區(qū)域內(nèi)土壤重金屬由于人類活動(dòng)呈現(xiàn)富集現(xiàn)象（表1、圖2）。

圖2 4種用地類型土壤理化性質(zhì)分布圖Fig.2 Distribution map of soil physical and chemical properties for 4 land use types

表1 4種用地類型土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physicochemical properties of 4 land use types

2.2 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)評(píng)價(jià)

綜合分析養(yǎng)分元素和環(huán)境元素可知，土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)為林地＞農(nóng)田＞園地＞建設(shè)用地。林地綜合等級(jí)主要集中在二等，說(shuō)明其土壤環(huán)境清潔，養(yǎng)分含量適中；農(nóng)田和建設(shè)用地集中在三等，說(shuō)明其土壤環(huán)境清潔，但養(yǎng)分較缺乏；園地在二到四等平均分布，說(shuō)明其土壤質(zhì)量不均衡，部分區(qū)域養(yǎng)分處于中等水平，而部分區(qū)域養(yǎng)分較缺乏，甚至達(dá)到差等水平（表2）。4種用地類型土壤環(huán)境質(zhì)量總體較好，但部分區(qū)域養(yǎng)分水平缺乏，建議后期土地整治過(guò)程中針對(duì)土壤養(yǎng)分缺乏區(qū)域施加有機(jī)肥加以改善。

表2 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)評(píng)價(jià)Table 2 Comprehensive grade evaluation of soil quality geochemistry

2.3 草本植物分布特征

本次對(duì)草本植物調(diào)查中，共發(fā)現(xiàn)并記錄草本植物77種，隸屬于32科68屬。其中菊科（Compositae）和禾本科（Poaceae）植物種類最多，分別有12屬13種和10屬11種；其次為莧科（Amaranthaceae）、莎草科（Cyperaceae）、十字花科（Cruciferous）、玄參科（Scrophulariaceae）、大戟科（Euphorbiaceae）等。單科單屬種18種，占總科數(shù)的一半以上，說(shuō)明調(diào)查區(qū)域草本植物種系分化程度較低。參考《中國(guó)入侵植物名錄》，按照物種來(lái)源分，本地原生種57種，外來(lái)入侵種19種，歸化種1種，占比分別為74.02%、24.68%、1.30%，其中入侵植物比例已超過(guò)20%，入侵范圍和類型廣泛；按照生活型劃分，多年生草本29種，一或兩年以及一或多年生草本7種，一年生草本40種，兩年生草本1種，占比分別為37.66%、9.09%、51.95%、1.30%，其中一年生草本占比超過(guò)50%，物種生活型主要與調(diào)查區(qū)域氣候和光照等物理環(huán)境因素有關(guān)。

2.4 草本植物優(yōu)勢(shì)種分析

根據(jù)草本植物蓋度和高度，計(jì)算發(fā)現(xiàn)調(diào)查區(qū)域草本植物中占優(yōu)勢(shì)的科為禾本科（Poaceae），共有7種。占優(yōu)勢(shì)的屬主要為狗尾草屬（Setaria）和蓮子草屬（Alternanthera sessilis），分別有2種。通過(guò)計(jì)算樣方中所有物種的優(yōu)勢(shì)度，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)度大于1的共有22個(gè)物種，其中馬唐（Digitaria sanguinalis）、葎草（Humulus scandens）、千金子（Leptochloa chinensis）優(yōu)勢(shì)度最高，最高達(dá)20.96。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)4種用地類型中物種優(yōu)勢(shì)度存在一定差異，農(nóng)田、園地、林地和建設(shè)用地優(yōu)勢(shì)種分別為7種、8種、7種、10種，其中建設(shè)用地的優(yōu)勢(shì)種最多，可能是因?yàn)榻ㄔO(shè)用地被合理的規(guī)劃，使物種呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)性。4種用地類型中優(yōu)勢(shì)度最大的物種分別為耳基水莧（Ammannia arenaria）、馬唐（Digitaria sanguinalis）、馬唐（Digitaria sanguinalis）和葎草（Humulus scandens）。其中馬唐（Digitaria sanguinalis）在林地和園地中優(yōu)勢(shì)度均處于首位且均在10以上，說(shuō)明項(xiàng)目區(qū)林地和園地的環(huán)境更適宜其生長(zhǎng)。

部分外來(lái)入侵物種如喜旱蓮子草（Alternanthera philoxeroides）、加拿大一枝黃花（Solidago canadensis）、鉆葉紫菀（Aster subulatus）等已經(jīng)在項(xiàng)目區(qū)形成優(yōu)勢(shì)物種，且草本植物群落中入侵植物比例已超過(guò)20%（圖3），入侵范圍和類型廣泛，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)存在重大威脅。建議在土地整治的過(guò)程中，及時(shí)鏟除各類惡性入侵植物，尤其要避免該物種類群在廢棄地的蔓延；另外在工程建設(shè)中，如果存在客土現(xiàn)象，盡量清除客土土壤中植物的種子，并對(duì)鄉(xiāng)土樹(shù)種的利用構(gòu)建多層次植物群落[14]，為當(dāng)?shù)刂脖坏纳婧头毖軤I(yíng)造穩(wěn)定、安全的生態(tài)空間。

圖3 4種用地類型種草本植物優(yōu)勢(shì)度分析Fig.3 Dominance of herbaceous plants in 4 land use types

2.5 草本植物多樣性分析

物種多樣性是物種豐富度和均勻度的綜合體現(xiàn)[12]。廊下鎮(zhèn)草本植物總體Shannon-Wiener指數(shù)達(dá)到3.421，Simpson指數(shù)為0.940，Pielou均勻度指數(shù)為0.789。對(duì)比4種用地類型可以發(fā)現(xiàn)，在平均水平上（圖4-abc），4種用地類型的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均無(wú)顯著差異（P＞0.05），Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)均以園地最高，林地為最低，而在整體水平上（圖4-d），4種用地類型之間豐富度則以林地為最高，園地、建筑用地與林地相似，以農(nóng)田為最低。說(shuō)明調(diào)查區(qū)域林地的質(zhì)量不均一，發(fā)展不平衡，不同類型林地郁閉度差別較大，進(jìn)而呈現(xiàn)出平均林地的多樣性水平低但總體高的趨勢(shì)。當(dāng)郁閉度過(guò)高時(shí)，林下地被層很難見(jiàn)光，導(dǎo)致草本植物種類稀少，所以在造林初期，要充分考慮種植密度，做到合理種植，以保證林下生物多樣性。由于農(nóng)田以固定作物為主，受人為因素干擾較大，導(dǎo)致整體的物種豐富度較低。

圖4 不同用地類型物種多樣性及分布情況Fig.4 Species diversity and distribution of different land use types

2.6 草本植物多樣性與土壤因子相關(guān)性分析

草本植物由于其自身根系較淺，淺層土壤的理化性質(zhì)成為影響其生長(zhǎng)的主要因子之一[15]。本次調(diào)查選取0~20 cm的土壤對(duì)其理化性質(zhì)與草本植物物種多樣性進(jìn)行相關(guān)性分析。由表3可知，研究區(qū)域Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與土壤中pH、有機(jī)質(zhì)、全氮呈負(fù)相關(guān)，與水解性氮、速效鉀、有效磷呈正相關(guān)，且與水解性氮的相關(guān)性達(dá)到了顯著水平；Simpson指數(shù)與土壤中pH、全氮呈負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)、水解性氮、速效鉀、有效磷呈正相關(guān)，與水解性氮的相關(guān)性也達(dá)到了顯著水平；豐富度與土壤中速效鉀呈顯著正相關(guān)，其余均未達(dá)到顯著水平；Pielou指數(shù)與砷達(dá)到顯著正相關(guān)水平。

表3 草本植物多樣性與土壤因子相關(guān)性Table 3 Correlation Analysis of Herb Diversity and Soil Factors

本次調(diào)查區(qū)域土壤中水解性氮與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson指數(shù)均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明水解性氮、速效鉀和砷分別是影響草本植物多樣性、豐富度和均勻度的主要因素之一，后續(xù)可以適當(dāng)增加土壤中三種物質(zhì)的含量。而多數(shù)重金屬與草本植物多樣性未達(dá)到顯著水平，表明土壤中重金屬元素對(duì)于草本植物而言不是限制因子，能夠滿足其生長(zhǎng)需要。

有關(guān)物種多樣性與土壤養(yǎng)分的關(guān)系有不同的研究結(jié)果[16]。如有研究表明灌木群落豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)及多樣性指數(shù)與全氮、全磷、全鉀、有效磷、堿解氮等土壤養(yǎng)分含量呈正相關(guān)，與pH呈負(fù)相關(guān)[17]；另有發(fā)現(xiàn)河岸帶草本植物群落的植被蓋度、物種多樣性與土壤有機(jī)質(zhì)和含水率呈正相關(guān)關(guān)系，而與pH、TN 和TP 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[18]；也有發(fā)現(xiàn)草本物種豐富度與土壤全氮以及速效磷含量之間具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全磷含量也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平[19]。Strengbom等對(duì)瑞典的森林物種多樣性的研究表明，隨著土壤中氮含量的增加，物種多樣性呈下降趨勢(shì)[20]。也有學(xué)者認(rèn)為由于土壤養(yǎng)分的增加促使優(yōu)勢(shì)種群快速擴(kuò)展，并抑制了其他植物生長(zhǎng)，導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)逐漸單一化[21]。所以，物種多樣性與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，仍需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)上海市金山區(qū)廊下鎮(zhèn)全域土地整治項(xiàng)目區(qū)不同用地類型土壤質(zhì)量與草本植物多樣性分析研究得出：

（1）項(xiàng)目區(qū)4種用地類型的土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)為林地＞農(nóng)田＞園地＞建設(shè)用地。

（2）本次調(diào)查共記錄草本植物77種，以菊科（Compositae）和禾本科（Poaceae）為主。調(diào)查區(qū)域入侵物種比例較高且在某些生境中已形成優(yōu)勢(shì)群落，建議在土地整治的過(guò)程中及時(shí)鏟除各類入侵植物，為當(dāng)?shù)刂脖坏纳鏍I(yíng)造安全的生態(tài)空間。

（3）草本植物物種豐富度指數(shù)以林地最高，園地稍低，農(nóng)田最低。但生物多樣性以園地最高，林地最低，說(shuō)明受森林類型和郁閉度等因素影響，調(diào)查區(qū)域林地的質(zhì)量不均一。所以在造林初期，要充分考慮種植密度，做到合理種植，以保證林下生物多樣性。

（4）土壤中水解性氮與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson指數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明水解性氮是影響草本植物多樣性的主要因素之一。豐富度與土壤中速效鉀呈顯著正相關(guān)；Pielou指數(shù)與砷達(dá)到顯著正相關(guān)。而多數(shù)重金屬與草本植物多樣性未達(dá)到顯著水平，表明土壤中重金屬元素對(duì)草本植物不是限制因子，能夠滿足其生長(zhǎng)需要。