長春城市森林綠地土壤肥力評價(jià)

周 偉,王文杰,*,張 波,肖 路,呂海亮,何興元

1 東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150040 2 城市森林與濕地學(xué)科組,中國科學(xué)院濕地與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長春 130102

長春城市森林綠地土壤肥力評價(jià)

周 偉1,2,王文杰1,2,*,張 波1,肖 路1,呂海亮2,何興元2

1 東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150040 2 城市森林與濕地學(xué)科組,中國科學(xué)院濕地與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長春 130102

以長春城市森林綠地為研究對象,測定9種土壤指標(biāo)并參照全國第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對長春城市森林綠地土壤整體特征進(jìn)行評級(jí),采用內(nèi)梅羅指數(shù)法分析長春城市森林綠地不同林型、行政區(qū)、環(huán)路土壤肥力,結(jié)合ArcGIS分析長春城市森林綠地土壤養(yǎng)分空間分布特征,以期對長春城市森林建設(shè)提供依據(jù)和建議。對比全國第二次土壤普查所確定的分類等級(jí)(6等級(jí)),土壤有機(jī)質(zhì)平均含量(34.51 g/kg)及其空間分布(大部分區(qū)域>30 g/kg)達(dá)到了2級(jí)、含量高的水平;全氮(均值1.37 g/kg)、堿解氮(均值133.04 mg/kg)、速效磷(均值38.47 mg/kg)及其空間分布均達(dá)到了3級(jí)以上水平;全鉀(均值58.7 g/kg)和速效鉀(均值255.85 mg/kg)及其空間分布達(dá)到1級(jí)、含量很高的水平;全磷平均含量0.51 g/kg,空間上大部分區(qū)域集中在0.4—0.6 g/kg,為4級(jí)、含量中下水平。土壤pH為5.43—8.89,容重為1.11—1.62 g/cm3。內(nèi)梅羅綜合肥力指數(shù)分析表明長春城市多數(shù)區(qū)域處于1.5—1.8之間,處于中等水平(4級(jí)制中排第3級(jí))。不同林型間差異主要表現(xiàn)在pH、全氮、全磷和堿解氮(P<0.05),不同環(huán)路間差異主要在pH、有機(jī)質(zhì)和全磷(P<0.05),而不同行政區(qū)間差異指標(biāo)最多,為有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷和pH(P<0.05)。綜合肥力指數(shù)顯示：景觀林>單位附屬林=農(nóng)田防護(hù)林>道路林,綠園區(qū)>朝陽區(qū)>南關(guān)區(qū)>二道區(qū)>寬城區(qū),1環(huán)>3=4環(huán)>2環(huán)>4環(huán)外。根據(jù)以上結(jié)果,可采取疏松土壤、枯枝落葉漚肥、增施氮磷有機(jī)肥而控制鉀肥、種植固氮耐低磷植物等措施推進(jìn)長春城市森林建設(shè),提升城市植被生態(tài)服務(wù)功能。

土壤有機(jī)質(zhì);土壤氮磷鉀;土壤理化性質(zhì);綜合肥力指數(shù)及等級(jí)評價(jià);空間分布圖;城市森林類型

城市森林具有美化城市、凈化空氣、防塵減噪、保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)城市生態(tài)平衡等重要作用[1]。城市森林綠地土壤是城市森林生長的物質(zhì)基礎(chǔ),提升城市綠化水平的重要介質(zhì),保護(hù)城市環(huán)境的重要生態(tài)屏障,城市土壤的好壞直接關(guān)系到城市森林綠地建設(shè)的質(zhì)量及其生態(tài)服務(wù)功能的提供[2]。城市土壤肥力綜合評價(jià)是判斷城市土壤質(zhì)量的有效手段,土壤肥力是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征,是土壤物理、化學(xué)和生物等特性的綜合反映,其中土壤物理性質(zhì)、土壤酸堿度、土壤有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀及其有效態(tài)是其重要表現(xiàn)方面[3]。參照全國第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),可以將城市土壤分為不同等級(jí),從而可以直觀分析城市土壤養(yǎng)分概況[4]。內(nèi)梅羅指數(shù)法可對農(nóng)田、草地、城市綠地等進(jìn)行土壤肥力質(zhì)量綜合評價(jià)[5]。將傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法與GIS技術(shù)相結(jié)合可以研究土壤養(yǎng)分的空間分布特征[6- 8]。不同城市森林類型、行政區(qū)及環(huán)路帶具有不同的生態(tài)功能,綜合不同土壤理化指標(biāo)構(gòu)建評價(jià)方法并結(jié)合空間圖示技術(shù),能夠更好的反映城市森林綠地的土壤質(zhì)量差異,將有助于城市綠化造林的實(shí)踐。

長春市是我國東北重要城市,也是重要的園林城市,森林覆蓋率達(dá)到30%以上。以往研究更多的注重美觀、綠量及生態(tài)服務(wù)功能,如冷島效應(yīng)等的研究,在城市森林綠地肥力評價(jià)及空間分布方面的研究還較少。通過全國第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及內(nèi)梅羅指數(shù)法并結(jié)合ArcGIS分析長春城市森林綠地土壤肥力變化,可以科學(xué)判斷城市綠化現(xiàn)狀,從而有針對性的為城市森林建設(shè)提供建議。具體回答如下3個(gè)問題：1)長春市城市森林綠地土壤養(yǎng)分概況及空間分布有何特征,評級(jí)有多高？2)不同行政區(qū)域、環(huán)路梯度和林型間土壤肥力差異有多大,其主要限制因子是哪些？3)上述發(fā)現(xiàn)對城市造林綠化管理有何建議？

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長春市位于43°05′—45°15′N,124°18′—127°05′E,市區(qū)海拔在250—350 m之間,地勢平坦開闊。屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),春季干燥多風(fēng),夏季濕熱多雨,秋季天高氣爽,冬季寒冷漫長,具有四季分明,雨熱同季,干濕適中的氣候特征。長春市年平均氣溫4.8℃,最高溫度39.5℃,最低溫度-39.8℃,日照時(shí)間2688 h。

1.2 土壤樣品采集與測定

1.2.1 土壤采集

2014年7—8月,網(wǎng)格法均勻選取長春市197個(gè)樣地,如圖1所示,分別按照城市森林以及不同林型樣地所在的行政區(qū)、環(huán)路梯度帶進(jìn)行分類[9]。其中按城市森林分類劃分樣地,道路林43個(gè)(主要干道、街道綠化帶等)、單位附屬林36個(gè)(市內(nèi)住宅小區(qū)、學(xué)校綠地等)、景觀林82個(gè)(市區(qū)公園等)、農(nóng)田防護(hù)林36個(gè)(主要為4環(huán)外);按行政區(qū)劃分樣地,朝陽區(qū)40個(gè)、二道區(qū)34個(gè)、寬城區(qū)30個(gè)、綠園區(qū)39個(gè)、南關(guān)區(qū)54個(gè);按環(huán)路梯度帶劃分樣地,1環(huán)20個(gè)、2環(huán)41個(gè)、3環(huán)63個(gè)、4環(huán)18個(gè)、4環(huán)外55個(gè)。每個(gè)樣地重復(fù)采集林下綠地0—20 cm表土4環(huán)刀并混合為1個(gè)樣品,共采集197個(gè)土樣帶回實(shí)驗(yàn)室。待樣品自然風(fēng)干后,粉碎研磨,過2 mm和0.25 mm土壤篩備用。

圖1 長春城市森林綠地樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of sampling locations in Changchun city

1.2.2 土壤指標(biāo)測定

對pH、容重、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀等9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測定。土壤容重測定采用環(huán)刀法,pH測定采用pH計(jì)法,有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀外加熱法,全氮測定采用半微量凱氏定氮法,全磷測定采用NaOH熔融鉬銻抗比色法,全鉀測定采用NaOH熔融原子吸收分光光度計(jì)法,堿解氮測定采用NaOH堿解擴(kuò)散法,速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提鉬藍(lán)比色法,速效鉀測定采用乙酸銨浸提原子吸收分光光度計(jì)法[10]。

1.3 土壤質(zhì)量評價(jià)方法

1.3.1 土壤肥力單項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)

本文參照表1全國第二次土壤普查及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對長春城市森林綠地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH、容重等指標(biāo)進(jìn)行評級(jí),并比較不同林型、行政區(qū)、環(huán)路差異[4,11-13]。

表1 土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 土壤綜合肥力評價(jià)

采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對長春城市森林綠地土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)[4,11-13]。

參照第二次土壤普查中的土壤各屬性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)對所選指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以消除各參數(shù)之間的量綱差別,標(biāo)準(zhǔn)化處理的方法如下：

當(dāng)屬性值屬于差的一級(jí),即ci≤xa時(shí),Fi=ci/xa(Fi≤1);

(1)

當(dāng)屬性值屬于中等一級(jí),即xa

(2)

當(dāng)屬性值屬于較好一級(jí),即xc

(3)

當(dāng)屬性值屬于好一級(jí),即ci>xp時(shí),Fi=3

(4)

上述各式中,Fi為屬性分系數(shù),ci為該屬性測定值,xa,xc,xp為分級(jí)指標(biāo)。

此外,由于土壤容重在1.14—1.26 g/cm3之間比較有利于幼苗的出土和根系的正常生長,其標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)數(shù)值應(yīng)該較大,而大于或小于這個(gè)范圍的土壤容重不利于植被生長,其標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)數(shù)值應(yīng)該較小,因此,對容重標(biāo)準(zhǔn)化做特殊處理,具體方法如下[13]。

當(dāng)容重(ci)≥1.45 時(shí),Fi=1.45/ci(Fi≤1)

(5)

當(dāng)1.35 g/cm3≤ci

(6)

當(dāng)1.25 g/cm3≤ci<1.35 g/cm3時(shí),Fi=2+(ci- 1.35)/(1.35-1.45)(2

(7)

當(dāng)1.14 g/cm3≤ci<1.25 g/cm3時(shí),Fi=3

(8)

當(dāng)pH≤7時(shí),適用公式1—4,當(dāng)pH>7時(shí),適用公式5—8,標(biāo)準(zhǔn)pH值9、8、7分別對應(yīng)容重1.45、1.35、1.25。

最后采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對城市森林綠地土壤肥力質(zhì)量作綜合評價(jià)。修正的內(nèi)梅羅計(jì)算公式:

式中,F為土壤綜合肥力指數(shù),-Fi為各分肥力指數(shù)的平均值,Fimin為各分肥力指數(shù)中最小值,n為參評指標(biāo)數(shù)。

表2 內(nèi)梅羅評定方法中土壤各屬性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 土壤理化性質(zhì)及綜合肥力指數(shù)空間分布圖示

克里金插值法是空間統(tǒng)計(jì)分析方法的重要內(nèi)容之一,基于這種方法比傳統(tǒng)方法更精確、更有效的避免系統(tǒng)誤差。本文根據(jù)各指標(biāo)值并結(jié)合全國第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用ArcGIS 10.2將樣地的土壤理化指標(biāo)及綜合肥力指數(shù)進(jìn)行克里金插值,其中pH和容重插值劃分好(pH 6.5—7.5,容重1.2—1.3)、中(pH 7.5—8,容重1.3—1.4)、差(pH >8,容重>1.4)3個(gè)等級(jí);有機(jī)質(zhì)、堿解氮?jiǎng)澐譃?個(gè)等級(jí),分別是中下水平(有機(jī)質(zhì) 14—20 g/kg,堿解氮 70—90 mg/kg)、中上水平(有機(jī)質(zhì)20—30 g/kg,堿解氮90—120 mg/kg)、高(有機(jī)質(zhì)30—40 g/kg,堿解氮120—150 mg/kg)、很高(有機(jī)質(zhì)>40 g/kg,堿解氮>150 mg/kg);全鉀劃分2個(gè)等級(jí),分別是高(50—60 g/kg)和很高(>60 g/kg);全氮?jiǎng)澐?個(gè)等級(jí),分別是中下(0.9—1 g/kg)、中上(1—1.5 g/kg)、高(>1.5 g/kg);全磷劃分為3個(gè)等級(jí),分別是低(0.3—0.4 g/kg)、中下(0.4—0.6 g/kg)、中上(>0.6 g/kg);速效鉀劃分3個(gè)等級(jí),分別是較高(150—200 mg/kg)、很高(200—300 mg/kg)、非常高(>300 mg/kg);綜合肥力指數(shù)劃分為差(1.4—1.5)、中(1.5—1.8)、較好(>1.8)。從而繪制了長春城市森林土壤理化性質(zhì)及綜合肥力指數(shù)空間分布圖。

1.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用 JMP 10.0對不同林型、行政區(qū)、環(huán)路間土壤理化指標(biāo)進(jìn)行方差分析和多重比較,Excel 2010分析土壤理化性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征并繪制表格。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

長春市森林綠地土壤的pH值為5.43—8.89,平均值為7.57,變異系數(shù)9.26%。長春土壤容重為1.11—1.62 g/cm3,平均值為1.38 g/cm3,變異系數(shù)6.99%。土壤有機(jī)質(zhì)6.58—124.74 g/kg,平均為34.51 g/kg,變異系數(shù)為50.41%。土壤全氮平均含量為1.37 g/kg,變化范圍0.35—3.4 g/kg,變異系數(shù)39.03%。全磷平均含量為0.51 g/kg,變化范圍0.21—1.81 g/kg,變異系數(shù)41.04%。全鉀平均含量為58.7 g/kg,變化范圍29.27—87.32 g/kg,變異系數(shù)16.12%。土壤堿解氮平均含量為133.04 mg/kg,變化范圍28—402.5 mg/kg,變異系數(shù)39.67%。速效磷平均含量為38.47 mg/kg,變化范圍2.83—302.65 mg/kg,變異系數(shù)94.71%。速效鉀平均含量為255.85 mg/kg,變化范圍69.99—1055.4 mg/kg,變異系數(shù)55.77%(表3)。

表3 長春城市森林綠地土壤各指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)量

2.2 不同林型、不同行政區(qū)、不同環(huán)路帶土壤理化性質(zhì)

不同林型土壤理化性質(zhì)比較來看pH、全氮、全磷、堿解氮達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。pH表現(xiàn)為道路林>單位附屬林>農(nóng)田防護(hù)林>景觀林,全氮表現(xiàn)為景觀林>農(nóng)田防護(hù)林>單位附屬>道路林,全磷表現(xiàn)為景觀林>單位附屬>道路林>農(nóng)田防護(hù)林,堿解氮表現(xiàn)為農(nóng)田防護(hù)林>景觀林>單位附屬>道路林。其他指標(biāo),包括容重、有機(jī)質(zhì)、速效磷、全鉀和速效鉀不同林型間差異不顯著(P>0.05)(表4)。

不同行政區(qū)土壤理化指標(biāo)除容重、全鉀、速效鉀外,差異均達(dá)到了顯著水平(P<0.05),pH表現(xiàn)為綠園區(qū)、寬城區(qū)>二道區(qū)>朝陽區(qū)>南關(guān)區(qū),有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)為綠園區(qū)>朝陽區(qū)>二道區(qū)>南關(guān)區(qū)>寬城區(qū),全氮表現(xiàn)為二道區(qū)>南關(guān)區(qū)>綠園區(qū)>朝陽區(qū)>寬城區(qū),全磷表現(xiàn)為南關(guān)區(qū)>綠園區(qū)>二道區(qū)>寬城區(qū)>朝陽區(qū),堿解氮表現(xiàn)為朝陽區(qū)>南關(guān)區(qū)>綠園區(qū)>二道區(qū)>寬城區(qū),速效磷表現(xiàn)為南關(guān)區(qū)>綠園區(qū)>寬城區(qū)>二道區(qū)>朝陽區(qū)(表4)。

在城市化梯度上,pH為3環(huán)>4環(huán)>2環(huán)>4環(huán)外>1環(huán),有機(jī)質(zhì)為1環(huán)>2環(huán)>4環(huán)>3環(huán)>4環(huán)外,全磷為4環(huán)>1環(huán)>2=3環(huán)>4環(huán)外。不同環(huán)路除pH、有機(jī)質(zhì)、全磷外多表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)(表4)。

2.3 不同林型、不同行政區(qū)、不同環(huán)路帶綜合肥力指數(shù)

長春城市森林不同林型土壤綜合肥力指數(shù)變幅在1.55—1.65,景觀林(1.65)>單位附屬林=農(nóng)田防護(hù)林(1.63)>道路林(1.55)(表5)。

表4 不同林型、行政區(qū)、環(huán)路各土壤指標(biāo)比較

表中RF為Roadside forest縮寫,AF為Affiliated forest縮寫,LF為 landscape forest縮寫,FF為Farmland shelterbelt forest 縮寫;a,b不同字母間表示差異顯著

表5 基于土壤肥力指數(shù)法的土壤肥力綜合評價(jià)

不同行政區(qū)土壤綜合肥力指數(shù)為1.51—1.69,綠園區(qū)(1.69)>朝陽區(qū)(1.66)>南關(guān)區(qū)(1.64)>二道區(qū)(1.61)>寬城區(qū)(1.51)(表5)。

不同環(huán)路帶土壤綜合肥力指數(shù)為1.58—1.79,1環(huán)(1.78)>3=4環(huán)(1.62)>2環(huán)(1.59)>4環(huán)外(1.58)(表5)。

2.4 長春城市森林綠地土壤理化性質(zhì)及綜合肥力指數(shù)的空間分布

長春城市森林綠地土壤各理化指標(biāo)及綜合肥力指數(shù)的空間分布如圖2、圖3所示,大部分土壤pH集中在7.5—8之間,6.5—7.5之間的土壤主要集中在東南角朝陽和南關(guān)部分區(qū)域,大于8的區(qū)域主要集中在西南角;土壤容重大部分區(qū)域?yàn)?.3—1.4 g/cm3,大于1.4 g/cm3的區(qū)域主要為中部及西南部部分區(qū)域;有機(jī)質(zhì)東、西大部分區(qū)域>30 g/kg,北部和南部區(qū)域主要為20—30 g/kg;全氮除北部寬城區(qū)有小部分區(qū)域<1 g/kg外,大部分區(qū)域集中在1—1.5 g/kg;全磷大部分區(qū)域?yàn)?.4—0.6 g/kg;全鉀大部分區(qū)域?yàn)?0—60 mg/kg;堿解氮大部分區(qū)域集中在90—150 mg/kg;速效磷除朝陽區(qū)有小部分區(qū)域小于20 mg/kg外,大部分區(qū)域?yàn)?0—40及>40 mg/kg;速效鉀大部分區(qū)域?yàn)?00—300 mg/kg。綜合肥力指數(shù)除北部寬城區(qū)小部分區(qū)域?yàn)?.4—1.5,朝陽區(qū)很小部分區(qū)域大于1.8外,大部分區(qū)域集中在1.5—1.8。

圖2 長春城市森林綠地不同土壤指標(biāo)空間差異分布圖Fig.2 Spatial distribution map of various soil properties in urban forests and green spaces of Changchun city其中黑線是行政區(qū)劃,具體見圖3標(biāo)示;紅色圈狀線為環(huán)路。pH和容重圖中,綠色、黃色和白色區(qū)域分別表示有利、中等、不利于植物生長。其他土壤指標(biāo)圖中參照表1分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行畫圖,其中全鉀圖,綠色和白色分別代表高和很高;速效鉀綠色表示較高,黃色很高,白色非常高;全磷綠色表示低,黃色中下,白色中上;其他指標(biāo)綠色表示中下水平,黃色中上水平,褐色較高水平,白色很高水平

圖3 長春城市森林綠地土壤綜合肥力指數(shù)空間分布圖 Fig.3 Spatial distribution of comprehensive fertility index in Changchun city

3 討論

3.1 參照全國第二次土壤普查并結(jié)合養(yǎng)分空間分布特征評級(jí)長春城市森林綠地土壤

土壤有機(jī)質(zhì)是反映土壤肥力的重要指標(biāo)[14],城市化對土壤有機(jī)碳及肥力存在顯著影響[15]。長春城市森林土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為34.51 g/kg (表3),空間上看大部分區(qū)域集中在30—40 g/kg(圖2),達(dá)到了第二次土壤普查的2級(jí)水平,這與王喜寧等研究結(jié)果類似[16]。北京大興區(qū)有機(jī)質(zhì)平均含量為12.76 g/kg[17],沈陽公園綠地有機(jī)質(zhì)含量平均為23.7 g/kg[18]。與上述城市相比,長春有機(jī)質(zhì)含量更高,一方面這可能與長春市綠化面積大,枯枝落葉能及時(shí)歸還土壤有關(guān)[16],另一方面高密度人口、大量生活垃圾等構(gòu)成了長春森林土壤的主要有機(jī)碳源,使得長春市森林土壤有機(jī)質(zhì)含量高[19]。此外,土壤有機(jī)質(zhì)受溫度和降水影響大,降水量大、溫度低有利于有機(jī)質(zhì)積累,而城市土壤有機(jī)質(zhì)更易積累于表層[20-21]。

全氮、全磷、全鉀是指土壤中所含的植物可利用和不可利用的各種形態(tài)的氮、磷、鉀總量;堿解氮、速效磷、速效鉀是土壤中可以被植被直接利用的氮、磷、鉀。楊皓等發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)的磷鉀含量較低[4];邊振興等研究發(fā)現(xiàn)沈陽公園綠地富磷缺鉀[18]。我們發(fā)現(xiàn)長春市區(qū)土壤全磷偏低(均值0.51 g/kg,表3),大部分區(qū)域集中在0.4—0.6 g/kg(圖2),為第二次土壤普查的4級(jí)中下水平;而土壤速效磷含量很高(平均為38.47 mg/kg,表3),空間上看大部分區(qū)域速效磷都>20 g/kg(圖2),達(dá)到了第二次土壤普查的2級(jí)、高的水平,全磷含量較低而速效磷含量較高,可能是由于土壤pH 值較高,增加了磷營養(yǎng)元素的有效性,釋放較多的磷素形成的[22]。上海等城市全氮含量多為1—1.5 g/kg,速效鉀含量大于200 mg/kg[23],與本文結(jié)果類似。本文研究發(fā)現(xiàn)全氮含量和堿解氮平均值分別為1.37 g/kg和133.04 mg/kg(表3),空間上看大部分區(qū)域都達(dá)到了第二次土壤普查的3級(jí)(中上)及以上水平(圖2)。全鉀(均值58.7 g/kg)和速效鉀(均值255.85 mg/kg)含量很高,從空間上看大部分區(qū)域都達(dá)到了第二次土壤普查的1級(jí)、很高水平(表3,圖2),長春土壤鉀素含量較高,應(yīng)該適當(dāng)控制。

土壤pH是土壤化學(xué)性質(zhì)的綜合反映,直接關(guān)系到土壤中養(yǎng)分元素的存在形態(tài)和植物有效性[23]。一般中性土壤(pH= 6.5—7.5)較易適合植物生長,而pH 值太高會(huì)影響土壤微生物的活動(dòng),對養(yǎng)分的釋放也有一定的影響[24]。長春市森林土壤的pH值平均為7.57(表3),空間上看,大部分土壤集中在7.5—8(圖2),多為堿性土壤[25],這與王喜寧、陳旭彤的研究結(jié)果類似[16,26]。這主要是由于城市化進(jìn)程中,建筑垃圾等人為干擾因素造成的[15,19]。因此在今后管理過程中,應(yīng)注意改善土壤pH值。土壤容重是重要的土壤物理性質(zhì)指標(biāo),它反映了土壤的松緊程度、孔隙狀況等,容重越大,越不適合植物生長。適合植物生長的土壤容重范圍為1.14—1.26 g/cm3,當(dāng)土壤密度達(dá)到 1.4—1.5 g/cm3時(shí),植物根系難以進(jìn)入[13,15,26-27]。長春土壤容重平均為1.38 g/cm3(表3),空間上看大部分區(qū)域集中在1.3—1.4 g/cm3(圖2),容重值偏高。對南京、徐州、日照等城市研究均表明城市土壤容重過大[12-13,15],這與城市人口密度大,人為干擾踩踏有很大關(guān)系。

3.2 林型、行政區(qū)域及環(huán)路梯度間土壤差異及限制因子

城市中不同森林類型、行政區(qū)、環(huán)路帶往往表現(xiàn)出不同的生態(tài)功能及景觀特征,對不同林型、行政區(qū)、環(huán)路帶城市綠地土壤養(yǎng)分研究是認(rèn)識(shí)城市內(nèi)部差異的重要手段,可以更加科學(xué)有效地對城市森林綠地進(jìn)行管理[28-30]。

研究發(fā)現(xiàn)不同林型pH、全氮、全磷及堿解氮差異達(dá)到了顯著水平,景觀林全氮、全磷最高而pH值最低(表4),綜合肥力指數(shù)也表明景觀林最高(表5)。許多研究結(jié)果均表明公園綠地綜合肥力比道路綠地高[12-13,23]。景觀林主要為市區(qū)內(nèi)公園,在綠化管理上投入更大,由專人負(fù)責(zé)養(yǎng)護(hù),且公園內(nèi)綠地多有防護(hù)欄,標(biāo)示牌、監(jiān)控設(shè)備等警示游人保護(hù)綠地,所以其肥力指數(shù)最高。道路林的土壤養(yǎng)分指標(biāo)相對較低,綜合肥力指數(shù)最小,主要是疏于管理、人為過度干擾踩踏造成的[31]。不同行政區(qū)間除容重、全鉀、速效鉀外,其他養(yǎng)分指標(biāo)均達(dá)到差異顯著水平(表4)。綜合肥力指數(shù)來看,西南部的綠園區(qū)、朝陽區(qū)、南關(guān)區(qū)要大于東北部的二道和寬城區(qū)(表5)。不同環(huán)路帶除土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全磷外,其他養(yǎng)分指標(biāo)多表現(xiàn)為差異不顯著(表4),土壤綜合肥力指數(shù)及有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)由里向外遞減趨勢(表5),這與Zhang等研究結(jié)果類似[32],說明了城市化并沒有使土壤肥力降低,這一方面可能是由于人為活動(dòng)、汽車尾氣排放、生活垃圾污染等造成的,另一方面環(huán)路帶由里向外面積逐漸擴(kuò)大,綠化管理難度隨之加大,而投入可能沒有加大。根據(jù)F值將土壤肥力分為4級(jí),即 1級(jí)F>2. 7時(shí),土壤肥力為很肥沃;2級(jí)F=2.7—1.8時(shí),土壤肥力為肥沃;3級(jí)F=1.8—0.9時(shí),土壤肥力為中等;4級(jí)F<0.9時(shí),土壤肥力為貧瘠[11]。從空間上看,大部分區(qū)域土壤肥力指數(shù)(F)集中在1.5—1.8(圖3),為肥力3級(jí)(中等水平)。

修正的內(nèi)梅羅公式突出了最差因子對土壤肥力的影響,反映了生態(tài)學(xué)中植物生長最小因子定律[3]。我們可以發(fā)現(xiàn)不同林型、行政區(qū)、環(huán)路的全磷、全氮及容重的Fi值均小于其他指標(biāo)(表5),這說明全磷、全氮及容重是限制土壤肥力的最主要因子。因此,在城市林分管理上,也要更加注重這些限制因子的管理和提高。

3.3 基于土壤肥力調(diào)節(jié)的城市森林綠地管理建議

針對上述分析,我們可以采取有針對性的措施改善土壤質(zhì)量。一方面可采取生物措施改善土壤質(zhì)量,如枯枝落葉漚肥、種植豆科植物固氮并提高磷的有效性[33],選植N：P適中的鄉(xiāng)土樹種等[34];另一方面應(yīng)加強(qiáng)人為調(diào)控,如疏松土壤,增加護(hù)欄避免人為踐踏、專人定期養(yǎng)護(hù)、避免生活垃圾污染土壤等措施改善土壤pH及容重,控制土壤鉀素含量,增施氮磷有機(jī)肥等調(diào)控土壤肥力。

4 結(jié)論

長春城市森林綠地土壤養(yǎng)分概況及空間特征顯示,除全磷含量較低外,其他養(yǎng)分指標(biāo)均達(dá)到了全國第二次土壤普查的3級(jí)(中上)及以上水平,pH和土壤容重偏高。景觀林、綠園區(qū)、1環(huán)以內(nèi)的土壤肥力最好,空間上大部分區(qū)域肥力綜合指數(shù)集中在1.5—1.8,為3級(jí)(中等)水平,全磷、全氮、容重是其主要限制因子。針對上述分析,應(yīng)從生物及人為調(diào)控兩方面著手改善長春城市森林綠地質(zhì)量。

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Soil fertility evaluation for urban forests and green spaces in Changchun City

ZHOU Wei1,2, WANG Wenjie1,2,*, ZHANG Bo1, XIAO Lu1, Lü Hailiang2, HE Xingyuan2

1KeyLaboratoryofForestPlantEcologyofMinistryofEducation,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China2Urbanforestandwetlandgroup,KeyLaboratoryofWetlandEcologyandEnvironment,NortheastInstituteofgeographyandagroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102,China

The fertility of urban soil is an important factor for urban forestry and urban greening. There has been no comprehensive evaluation of soil fertility at the city scale upon which to base greening practices in Changchun City. In this study, 197 soil samples from the 0—20 cm layer were collected to determine soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), total potassium (TK), available nitrogen (AN), available phosphorus (AP), available potassium (AK), pH, and soil bulk density. Variables analyzed with respect to differences in soil fertility were forest types (roadside forest [RF], affiliated forest [AF], landscape forest [LF], and farmland shelterbelt forest [FF]), districts (Chaoyang, Lvyuan, Nanguan, Kuancheng, and Erdao districts), and ring roads (1—4 ring roads and outside 4-ring roads). Classification criteria for soil nutrients in the 2nd National Soil Survey (6-grade evaluation) and a modified Nemorow formula were used to compare soil fertility. Moreover, kriging interpolation was used to map the spatial distribution of soil nutrients and fertility using ArcGIS software. With reference to the 6-grade criteria from the 2nd National Soil Survey, SOM in Changchun was graded as no. 2 (high level) with an average of 34.51 g/kg and most regions had >30 g/kg. TN, AN, and AP were graded no. 3 or higher, with an average of 1.37 g/kg, 133.04 mg/kg and 38.47 mg/kg, respectively. The spatial map revealed that most urban regions had TN 1—1.5 g/kg, AN 90—150 mg/kg and AP 20—40 mg/kg. TK and AK were graded the highest (grade no. 1) averaging 58.7 g/kg and 255.85 mg/kg, respectively, and most regions had 50—60 g/kg and 200—300 mg/kg, respectively, based on the ArcGIS map analysis. TP reached the mid-low level (no. 4 grade), averaging 0.51 g/kg and most regions on the spatial map had 0.4—0.6 g/kg. The pH of the urban forest soil ranged from 5.43 to 8.89, and soil bulk density was in the range of 1.11—1.62 g/cm3. Spatial distribution of the Nemorow comprehensive soil fertility index (F) revealed that most urban regions were within the 1.5—1.8 range, indicating medium soil fertility overall for Changchun City (grade no. 3 in the 4-grade system). In addition, forest type-related differences were mainly found in pH, TN, TP, and TK (P< 0.05), and ring road-related urban-rural gradient differences occurred in pH, SOM, and TP (P< 0.05), whereas administrative district-related differences were found in all studied parameters, except soil bulk density, TK, and AK (P< 0.05).Fdifferences in different forest types followed the sequence LF > AF=FF > RF. In different administrative districts, the sequence was Lvyuan > Chaoyang > Nanguan > Erdao > Kuancheng, whereas for ring road-relatedFdifferences it was 1-ring > 3-ring=4-ring > 2-ring > outside 4-ring. Based on these results, some measures to improve the urban soil of Changchun were proposed, such as loosening soil, reducing soil alkalinity, litter compost cycling on-site, N-P fertilizer addition without the addition of K, and N-fixing using trees with low P demand to maintain suitable soil fertility. These soil diagnosis-oriented measures could promote better development of urban forests and green spaces, and our data provided an example of urban soil fertility evaluation for improving soil-based urban vegetation ecological services for resident life.

soil organic matter; soil N, P and K; soil physiochemical properties; soil comprehensive fertility index and grading evaluation; spatial distribution map; urban forest types

中國科學(xué)院重點(diǎn)部署資助項(xiàng)目(KFZD-SW- 302-04);中國科學(xué)院百人計(jì)劃資助項(xiàng)目(Y3H1051001);黑龍江省杰出青年資助項(xiàng)目(JC201401);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2572014EA01)；國家自然科學(xué)基金(31670699)

2016- 04- 18;

2016- 07- 25

10.5846/stxb201604180723

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wjwang225@hotmail.com

周偉,王文杰,張波,肖路,呂海亮,何興元.長春城市森林綠地土壤肥力評價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(4):1211- 1220.

Zhou W, Wang W J, Zhang B, Xiao L, Lü H L, He X Y.Soil fertility evaluation for urban forests and green spaces in Changchun City.Acta Ecologica Sinica,2017,37(4):1211- 1220.