濟南市城市綠地土壤肥力綜合評價及管理

劉毓，趙鳳蓮，劉紅權，呂娟，占習林

1.濟南市園林花卉苗木培育中心，山東濟南2500022.濟南百合園林集團有限公司，山東濟南250102

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濟南市城市綠地土壤肥力綜合評價及管理

劉毓1，趙鳳蓮2，劉紅權1，呂娟1，占習林1

1.濟南市園林花卉苗木培育中心，山東濟南250002
2.濟南百合園林集團有限公司，山東濟南250102

摘要：本文對147個土壤樣品的10項土壤肥力指標進行主成分分析，按照累計貢獻率大于85%的原則提取6個主成分，并求得土壤樣品6個主成分得分和綜合得分。以主成分綜合得分為聚類指標，采用等間距法將147個樣品分為四個肥力質量等級。其中，第Ⅰ等級為養分豐富型土壤，其各項養分指標最高，綜合得分在0.90～2.18之間，所占比例14.96%；第Ⅱ等級為養分較豐富型土壤，其綜合得分在0.16～0.70之間，所占比例17.01%；第Ⅲ等級土壤肥力一般，其綜合得分在-0.24～0.10之間，所占比例23.81%；第Ⅳ等級土壤各養分因子均缺乏，為養分缺乏型綠地土壤，其綜合得分在-1.04～-0.27之間，所占比例44.22%。根據濟南市城市綠地土壤肥力質量狀況提出了加強濟南市城市綠地土壤科學管理的措施和建議。

關鍵詞：城市綠地；土壤肥力；綜合評價；管理

城市土壤是指城市和城郊地區，受多種方式人為活動的強烈影響，原有繼承特性被強烈改變的土壤的總稱［1］。城市綠地土壤是城市土壤系統的重要組成部分，也是城市生態環境系統的重要組成部分，它一方面為綠地植物生長提供重要的物質基礎和環境條件，另一方面是城市環境污染主要的凈化器［2］。土壤肥力質量是土壤的本質屬性，它的高低直接影響著作物生長、生產的結構、布局和效益等方面［3］。濟南市位于北緯36°40′，東經117°00′，年平均氣溫13.8℃，年平均降水量685 mm，屬于暖溫帶半濕潤季風型氣候。濟南城市綠地總面積從2003年的27.438 km2到2005年的31.94 km2，再到2010的42.8 km2［4］，濟南市的綠地面積明顯增多，與此同時，綠地土壤肥力質量變得尤為重要。國內外在土壤質量評價方面已開展了大量的研究［5-10］，綜合定量化研究已成為土壤養分管理與評價的趨勢［11-14］。應用主成分分析方法，可在復雜的土壤肥力指標體系中篩選出若干個彼此不相關的綜合性指標，且能反映出原來全部指標所提供的大量信息［15］。利用聚類分析的方法對土壤養分狀況分類，更能尊重事實，把土壤養分狀況相同或相似的單元歸為一類［16］。目前，在廣州［17，18］、深圳［19］、重慶［20］、沈陽［21］等地對綠地土壤肥力質量評價已有所報到，但對濟南城市綠地土壤肥力質量評價的報到較少。

本文在對濟南市城市綠地土壤養分總體狀況進行分析的基礎上，進一步通過系統聚類對濟南市城市綠地土壤肥力進行分類，提出了加強濟南市城市綠地土壤科學管理的措施和建議，為園林綠地科學施肥及合理規劃利用提供依據。

1　材料與方法

1.1樣品采集與處理

在濟南市繞城高速內選取公園綠地、廣場綠地、道路綠地、居住區綠地、工業區綠地五類綠地進行土壤樣品采集，在研究區域內選取有代表性的綠地進行土壤樣品的采集，采樣深度為0～20 cm，每個樣品由3～5鉆土混合而成，共采集樣品147個（詳細取樣地點見表1）。取回土壤樣品帶回實驗室自然風干后，用“四分法”取部分土樣，分別過1 mm和0.15 mm篩備用。

表1　取樣點匯總Table 1 The locations of samples

1.2測定方法

土壤容重，用環刀法測定；土水比1：5，電位法測pH值；土水比1：5，電導法測EC值；采用半微量開氏法（K2SO4-CuSO4-Se蒸餾法）測全氮；堿解擴散法測堿解氮；碳酸鈉熔融法測全磷；0.5 mol·L-1NaHCO3法測有效磷；氫氧化鈉熔融法測全鉀；1 mol·L-1NH4OAc浸提，火焰光度法測速效鉀；重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法測有機質［22］。

1.3數據處理

2　結果與分析

2.1濟南市城市綠地土壤肥力指標值的描述統計

各項肥力指標值的統計分析結果見表2，濟南市城市綠地土壤容重平均值為1.35 g·cm-3，變異系數為11.28%，土壤較緊實。參照中華人民共和國城鎮建設行業標準—綠化種植土［23］和全國第2次土壤普查土壤肥力狀況分級標準［24］，濟南市城市綠地土壤pH均值為8.06，變異系數較小，為4.89%，均值在一般植物對酸堿度要求的范圍內。電導率平均為0.22 mS·cm-1，變異系數較大，為74.49%，但土壤仍均處于無鹽害的安全區。有機質含量達到園林綠化種植土要求（大于12 g/kg），含量中等偏低，平均為14.68 g·kg-1，變異系數為57.61%，處于第二次土壤普查分級標準的四級（10～20 g·kg-1）。

堿解氮、有效磷、速效鉀含量平均值均達到園林綠化種植土要求（堿解氮含量大于40 mg/kg，有效磷含量大于8 mg·kg-1，速效鉀含量大于60 mg·kg-1，分別為59.01、20.56、169.55 mg·kg-1，有效磷變異系數較大，為121.29%，堿解氮和速效鉀變異系數不大，分別為47.43%、44.70%，三者分別處于第二次土壤普查分級標準的五級（30～60 mg·kg-1）、四級（5～10 mg·kg-1）和三級（100～150 mg·kg-1）。全氮、全磷、全鉀含量平均值分別為0.93、0.65、19.15 g·kg-1，變異系數均不大，分別為44.53%、42.31%和15.20%，分別處于第二次土壤普查分級標準的四級（0.75～1 g·kg-1）、三級（0.6～0.8 g·kg-1）和三級（15～20 g·kg-1）。

表2　土壤肥力指標的描述統計Table 2 Descriptive statistics of soil fertility indexes

2.2濟南市城市綠地土壤肥力指標的相關分析

土壤肥力指標的相關系數見表3，指標間存在著不同程度的相關關系。pH值與有機質、堿解氮、有效磷、全氮呈極顯著負相關，與容重、速效鉀呈顯著正相關，與電導率呈顯著負相關；有機質與堿解氮、速效鉀、全磷呈極顯著正相關，與pH和全鉀呈極顯著負相關；堿解氮與有效磷、速效鉀、全氮、全磷、有機質呈極顯著正相關，與pH和容重呈極顯著負相關；有效磷與電導率、堿解氮、速效鉀、全氮呈極顯著正相關，與有機質、全鉀呈顯著正相關，與pH值呈極顯著負相關；全氮與有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全磷呈極顯著正相關，與pH和容重呈極顯著負相關；全磷與容重、有機質、堿解氮、速效鉀、全磷呈極顯著正相關。

表3　土壤肥力指標相關系數Table 3 Correlation coefficient of soil fertility indexes

由于這些相關性的存在，直接利用各養分指標對土壤養分狀況進行綜合評價時，可能會出現信息的重疊，致使評價結果產生偏差。上述相關系數通過Bartlett球度檢驗所得出的相伴概率為0.00，小于顯著性水平0.05，因此認為適合進行主成分分析。因此，本文利用主成分分析法對復雜的養分指標體系進行信息提取。

2.3濟南市城市綠地土壤肥力指標的主成分分析

由表4可見，前6個特征值的累積貢獻率達到了87.48%，表明這6個主成分從10項指標中提取的信息量，已達到原始數據提供信息總量的絕大部分（≥85%）［25］。根據因子載荷矩陣求得前6個特征值的特征向量列于表5。

由表4、表5可見，第1主成分的貢獻率為33.16%，其中有機質、堿解氮、全氮的系數明顯大于其他養分指標，說明第1主成分是有機質、堿解氮、全氮養分狀況的綜合反映；第2主成分的貢獻率為15.98%，是全磷和容重狀況的綜合反映；第3主成分的貢獻率為13.30%，其中有效磷有較大的正系數，表明其反映的主要是有效磷養分狀況；第4主成分的貢獻率為10.52%，反映的主要是土壤酸堿度和速效鉀狀況；第5主成分的貢獻率為8.96%，反映的主要是電導率狀況；第6主成分的貢獻率為5.56%，其中全鉀有較大的正系數，表明其反映的主要是全鉀養分狀況。

根據土壤肥力指標的得分系數矩陣（特征向量）計算6個主成分得分Fi（i=1，2，3，4，5，6），主成分得分Fi等于10個土壤肥力指標的主成分得分系數（特征向量）與相對應的標準化變量（Xij*）之積的加和。然后再根據6個主成分的貢獻率和得分，建立土壤肥力綜合得分（F）的數學模型：F=F1×33.16%+F2×15.98%+F3×13.30%+F4×10.52%+F5×8.95%+F6×5.56%，并計算綜合得分［25，26］。

表4　土壤肥力指標的特征值、貢獻率和累計貢獻率Table 4 Eigenvalue, contribution ratio and accumulated contribution ratio of soil fertility indexes

表5　土壤肥力指標前6個特征值對應的特征向量Table 5 Eigenvectors corresponding to the first 6 eigenvalue of soil fertility indexes

2.4濟南市城市綠地土壤肥力等級的劃分

將計算出的土壤肥力綜合指標值，按一定的方法即可劃分土壤肥力等級。常用的劃分方法有等間距法［27］、灰色關聯聚類法［28］、系統聚類分析法［29］等，本研究采用等間距法，以土壤肥力綜合得分為劃分指標，將土壤肥力劃分為4個等級。從表6可以看出，第Ⅰ等級為養分豐富型土壤，其各項養分指標高，綜合得分在0.90～2.18之間，占樣品總數的14.96%；第Ⅱ等級為養分較豐富型土壤，其綜合得分在0.16～0.70之間，所占比例17.01%；第Ⅲ等級土壤肥力一般，其綜合得分在-0.24～0.10之間，占樣品總數的23.81%；第Ⅳ等級土壤各養分因子均缺乏，為養分缺乏型綠地土壤，其綜合得分在-1.04～-0.27之間，所占比例44.22%。

表6　不同等級綠地養分類型及綜合得分Table 6 The nutrient type and comprehensive score of different grade green lands

表7為各等級綠地10個指標含量差異性狀況。第Ⅰ等級土壤整體養分水平最高，其有機質、堿解氮、有效磷含量均顯著高于其它3類，電導率、全氮、全磷含量也顯著高于第Ⅲ等級和第Ⅳ等級土壤；第Ⅱ等級土壤整體養分含量處于較高水平，除有機質、堿解氮、有效磷含量顯著低于第Ⅰ等級外，其它養分含量與第Ⅰ等級差異不顯著；第Ⅲ等級土壤養分含量水平一般，各養分中速效鉀、全氮、全磷含量顯著低于第Ⅱ等級土壤，有機質、堿解氮、有效磷含量顯著高于第Ⅳ等級土壤；第Ⅳ類土壤整體養分水平較低，除全鉀外所有養分因子含量均小于總體平均水平。

表7　不同等級綠地土壤各指標平均值Table 7 The average of soil fertility indexes of different grade green lands

3　結論與討論

通過主成分分析和等間距聚類分析將147個土壤樣品分為了4個肥力質量等級，第Ⅰ等級為養分豐富型土壤，其各項養分指標最高，第Ⅱ等級為養分較豐富型土壤，與第Ⅰ等級相比，有機質、堿解氮、有效磷含量相對較低，第Ⅲ等級土壤肥力一般，與第Ⅱ等級相比，速效鉀、全氮、全磷含量相對缺乏，第Ⅳ等級為養分缺乏型綠地土壤，各指標均偏低。其中養分豐富型土壤和養分較豐富型土壤樣品占樣本總數的31.97%，土壤肥力一般的樣品占樣本總數的23.81%，養分缺乏型的樣品占樣本總數的44.22%，說明濟南市城市綠地土壤肥力質量整體屬于中等偏低水平。

目前，對土壤肥力進行綜合評價的方法較多，評價時選用的養分指標也不盡相同，因此，評價結果會有所差異。土壤肥力綜合評價的結果僅代表一種潛在的生產能力，在實際生產中，還要結合園林植物的品種、生長特點、需肥規律以及土壤養分的有效性等統籌考慮。本研究在主成分分析的基礎上，以土壤肥力綜合得分為指標，通過等間距聚類實現了土壤肥力質量等級的劃分，對濟南市城市綠地土壤肥力質量進行了初步評價，其可靠性需接受實踐的檢驗。

4　管理對策

首先，應適量施用有機與無機肥料，進行科學培肥。由于濟南市城市綠地土壤有機質含量偏低，而綠地植物的枯枝落葉、修剪的枝、葉和草都被運走，土壤中有機質含量不斷減少，因此，必須重視城市綠地土壤中有機質的補充，多施有機肥。還應針對不同等級的土壤進行施肥，第Ⅰ等級土壤應少施肥，保持其均衡肥力；第Ⅱ和第Ⅲ等級土壤應適量施用氮、磷肥以增加土壤養分含量；而第Ⅳ等級土壤應多施肥來改善土壤養分狀況，使園林植物處于營養均衡的土壤環境中，健康生長。

其次，應采取有效措施，防止機械、人群對城市綠地過度的壓實和踐踏，避免讓各種有害物質進入土壤，降低土壤容重，增加土壤孔隙度和通氣、透水性能，促進園林植物生長發育，增強城市綠地土壤涵養水源功能。如警示牌、碎石、鐵欄等。另外，為減少城市構筑物對植物生長的不利影響，對植物有限營養面積內的土壤進行分期分段深翻改良和進行根系修剪，選淺根地被植物和改進植物配置，以減少共生矛盾。

再次，應科學規劃和種植園林植物。濟南市城市綠地土壤pH值偏高，主要為堿性土壤。因此，在進行園林植物的種植時，必須根據土壤類型選擇栽植適宜植物，力求做到適地適樹、適地適花（草）。在堅實的土壤上，應選擇適應性強的樹種栽植，在養分較貧瘠的土壤上，不宜種植喜肥的樹種，在鹽堿綠地上要選擇耐鹽堿樹種栽植；在橋下、樓北綠地上，要選耐陰、萌動晚的樹種栽植。

最后，應進一步加強園林土壤肥力質量管理，制定適合綠地的施肥技術規程，提高綠地土壤養護水平。建立綠地土壤質量的動態數據庫及管理信息系統，預測土壤肥力質量的變化趨勢，實現綠地質量管理的標準化、模擬化和網絡化。

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Comprehensive Evaluation for the Soil Fertility Quality of Urban Green Land in Jinan City and and Management

LIU Yu1，ZHAO Feng-lian2，LIU Hong-quan1，LU Juan1，ZHAN Xi-lin1

1. Jinan Municipal Garden and Plant Cultivation Center，Jinan 250002，China
2. Jinan Lily Landscape Group，Jinan 250102，China

Abstract：Based on principal component analysis and cluster analysis，the comprehensive evaluation for soil fertility quality of green land in Jinan was conducted. Ten soil fertility indexes of 147 soil samples were analyzed by principal component analysis and six principal components with accumulative contribution rate over 85%were obtained. The scores of the six principal components and comprehensive scores were also obtained. The 147 samples were clustered with comprehensive scores as a measurement and they were divided into 4 ranks by regularly spaced distinct method. Bank 1 was nutrient-richest samples with general scores range of 0.90～2.18 and occupied the position of the highest soil nutrient status and took up 14.91%of the total soil sample；Bank 2 was the nutrient richer with the composite score range of 0.16～0.70 and proportion of 17.01%. Soil nutrient status of Bank 3 was general，the composite score was range of -0.24～0.10 and proportion of 23.81%. Bank 4 was the nutrient deficiency type，the comprehensive score range of -1.04～-0.27 and proportion of 44.22%. According to soil quality situation of urban green space in Jinan city，some measures and suggestions were put forward for soil scientific management.

Keywords：Urban green land；soil fertility；comprehensive evaluation；management measures

中圖法分類號：S158.3

文獻標識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）03-0366-06

收稿日期：2014-05-10修回日期：2014-06-16

基金項目：濟南市科技發展計劃項目（201302137）

作者簡介：劉毓（1978-），女，碩士研究生，工程師，主要從事園林植物引種選育、土壤肥力方面的研究.E-mail：lilyliuyu@126.com