上海市土地整治區土壤環境因子與草本植物群落分析研究

楊佳賓，黃海峰

（1.上海市地礦建設有限責任公司, 上海 200072；2.自然資源部大都市區國土空間生態修復工程技術創新中心，上海 200072；3.上海市地礦工程勘察(集團)有限公司, 上海 200072）

隨著中國城市現代化進程推進，城市的生態環境問題日益凸顯。土地資源緊約束已經成為上海城市發展的新常態[1]。上海早在 20 世紀 80 年代就已開始以“三集中”為理念的現代意義上的土地整治，并于 2011 年開展上海首批市級土地整治項目[2]。《關于開展全域土地綜合整治試點工作的通知》（自然資發〔2019〕194號）明確了全域土地綜合整治的重點任務，即農用地整理、建設用地整理和鄉村生態保護修復，并首次在任務中提出了“鄉村生態保護修復”，要將土地綜合整治與生態保護修復相結合，形成新的功能。

城市需要更加富有生態服務功能的自然景觀[3]，城市要規范景觀秩序，協調好城市空間擴張與生態價值功能的平衡[4-5]，城市森林是城市生態系統的重要組成部分[6]，草本植物孕育了森林生態系統80%的生物多樣性[7]，是城市森林生態系統最重要的保育層[8]，在城鄉生物多樣性方面具有極為重要且無可替代的生態功能[9]。在特定的氣候條件下，土壤是影響植被發育的重要因素。土壤條件的優劣可直接影響森林生態系統植被的更新和演替[10]，同時生態系統的群落構成和多樣性又影響著土壤的形成、發育以及土壤養分的有效性[11]。有研究表明，土壤養分元素含量對植物物種多樣性有明顯影響[12-13]。但研究區域或研究對象不同會出現不同的研究結果，植被發育與土壤之間的關系錯綜復雜，因此，開展上海市全域土地綜合整治區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不同用地類型為研究對象，統計了各用地類型土壤理化性質、草本植物分布特征，完成了土壤養分及環境質量水平分析，草本植物優勢度、多樣性分析，并結合環境理化性質與草本植物多樣性進行相關性分析，以期為區域生物多樣性保護和全域土地綜合整治提供參考。

1 材料與方法

1.1 監測點位布設

根據金山區廊下鎮全域土地綜合整治項目特點，本次研究分別在農田、園地、林地、建設用地4種用地類型區域布設3個采樣點，共布設12個采樣點采集土壤樣品（圖1）。結合國家林業局《全國植物物種資源調查技術規定》，開展研究區草本植物調查，調查于2021年10月進行，植物調查點位與土壤采樣點位重合，每個點位選擇4個草本樣方作為重復，樣方規格為1m×1m。

圖1 研究區域及采樣點分布圖Fig.1 Study area and distribution of sampling points

1.2 現場調查與實驗室分析

本次調查采集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。送實驗室檢測pH、有機質、全氮、總磷、有效磷、速效鉀、水解性氮等指標。

草本植物調查采用典型樣方法，記錄草本小樣方內的物種、株數、高度、蓋度，選取物種豐富度（S）、優勢度、Shannon-Wiener指數、Simpson指數、Pielou均勻度指數等指標分析草本植物多樣性。

1.3 評價方法

1.3.1 土壤質量地球化學綜合等級

根據《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295-2016），對土壤中養分元素和環境元素進行等級評價，并最終對其進行綜合等級評定。

（1）土壤養分等級：參照《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295-2016）附錄D“土壤養分指標等級劃分標準”，對土壤養分元素進行等級評價。

（2）環境元素等級：按照下列公式計算土壤中污染指標i的單項污染指數Pi，對土壤環境元素進行等級評價。

式中：Ci為土壤中污染物指標i的實測質量分數，mg/kg；

Si為土壤中污染物指標i在《土壤環境質量標準》（GB 15618-2018）中給出的二級標準值，mg/kg。

（3）土壤質量地球化學綜合等級：結合土壤養分和環境元素情況，參考《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295-2016），對土壤質量進行綜合等級評定。

1.3.2 生物多樣性

草本植物生物多樣性計算：

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

相對重要值（P）= [相對密度（RED）+相對蓋度（RCO）+相對頻度（RFE）]/3

優勢度（DV）= 平均高度·蓋度/100（m·%）

物種豐富度（S）= 樣地內所有物種數目

Shannon-Wiener指數（H）= -∑Pi·lnPi

Simpson指數（D）= 1-∑Pi2

Pielou 均勻度指數（J）= (-∑Pi·lnPi) /lnS

式中：Pi為第i個種的個體的相對重要值，S等于總物種數。

1.3.3 相關性分析

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

利用SPSS軟件進行相關性分析，并進行相關性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同用地類型土壤環境質量

對比農田（NT）、園地（YD）、林地（LD）、建設用地（JS）4種不同用地類型的土壤環境質量水平，發現各用地類型中的土壤環境質量存在一定差異。建設用地的總磷（TP）和有效磷（OP）處于較高水平；林地中，有機質（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，但建設用地稍高于其他用地類型，說明建設用地區域內土壤重金屬由于人類活動呈現富集現象（表1、圖2）。

圖2 4種用地類型土壤理化性質分布圖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Table 1 Soil physicochemical properties of 4 land use types

2.2 土壤質量地球化學綜合等級評價

綜合分析養分元素和環境元素可知，土壤質量地球化學綜合等級為林地＞農田＞園地＞建設用地。林地綜合等級主要集中在二等，說明其土壤環境清潔，養分含量適中；農田和建設用地集中在三等，說明其土壤環境清潔，但養分較缺乏；園地在二到四等平均分布，說明其土壤質量不均衡，部分區域養分處于中等水平，而部分區域養分較缺乏，甚至達到差等水平（表2）。4種用地類型土壤環境質量總體較好，但部分區域養分水平缺乏，建議后期土地整治過程中針對土壤養分缺乏區域施加有機肥加以改善。

表2 土壤質量地球化學綜合等級評價Table 2 Comprehensive grade evaluation of soil quality geochemistry

2.3 草本植物分布特征

本次對草本植物調查中，共發現并記錄草本植物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，占總科數的一半以上，說明調查區域草本植物種系分化程度較低。參考《中國入侵植物名錄》，按照物種來源分，本地原生種57種，外來入侵種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50%，物種生活型主要與調查區域氣候和光照等物理環境因素有關。

2.4 草本植物優勢種分析

根據草本植物蓋度和高度，計算發現調查區域草本植物中占優勢的科為禾本科（Poaceae），共有7種。占優勢的屬主要為狗尾草屬（Setaria）和蓮子草屬（Alternanthera sessilis），分別有2種。通過計算樣方中所有物種的優勢度，發現優勢度大于1的共有22個物種，其中馬唐（Digitaria sanguinalis）、葎草（Humulus scandens）、千金子（Leptochloa chinensis）優勢度最高，最高達20.96。

對比發現4種用地類型中物種優勢度存在一定差異，農田、園地、林地和建設用地優勢種分別為7種、8種、7種、10種，其中建設用地的優勢種最多，可能是因為建設用地被合理的規劃，使物種呈現出明顯的優勢性。4種用地類型中優勢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）在林地和園地中優勢度均處于首位且均在10以上，說明項目區林地和園地的環境更適宜其生長。

部分外來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）等已經在項目區形成優勢物種，且草本植物群落中入侵植物比例已超過20%（圖3），入侵范圍和類型廣泛，對當地生態系統存在重大威脅。建議在土地整治的過程中，及時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；另外在工程建設中，如果存在客土現象，盡量清除客土土壤中植物的種子，并對鄉土樹種的利用構建多層次植物群落[14]，為當地植被的生存和繁衍營造穩定、安全的生態空間。

圖3 4種用地類型種草本植物優勢度分析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[12]。廊下鎮草本植物總體Shannon-Wiener指數達到3.421，Simpson指數為0.940，Pielou均勻度指數為0.789。對比4種用地類型可以發現，在平均水平上（圖4-abc），4種用地類型的多樣性指數和均勻度指數均無顯著差異（P＞0.05），Shannon-Wiener指數和Simpson指數均以園地最高，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，以農田為最低。說明調查區域林地的質量不均一，發展不平衡，不同類型林地郁閉度差別較大，進而呈現出平均林地的多樣性水平低但總體高的趨勢。當郁閉度過高時，林下地被層很難見光，導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。由于農田以固定作物為主，受人為因素干擾較大，導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成為影響其生長的主要因子之一[15]。本次調查選取0~20 cm的土壤對其理化性質與草本植物物種多樣性進行相關性分析。由表3可知，研究區域Shannon-Wiener多樣性指數與土壤中pH、有機質、全氮呈負相關，與水解性氮、速效鉀、有效磷呈正相關，且與水解性氮的相關性達到了顯著水平；Simpson指數與土壤中pH、全氮呈負相關，與有機質、水解性氮、速效鉀、有效磷呈正相關，與水解性氮的相關性也達到了顯著水平；豐富度與土壤中速效鉀呈顯著正相關，其余均未達到顯著水平；Pielou指數與砷達到顯著正相關水平。

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

本次調查區域土壤中水解性氮與Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson指數均呈現顯著正相關關系，說明水解性氮、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，后續可以適當增加土壤中三種物質的含量。而多數重金屬與草本植物多樣性未達到顯著水平，表明土壤中重金屬元素對于草本植物而言不是限制因子，能夠滿足其生長需要。

有關物種多樣性與土壤養分的關系有不同的研究結果[16]。如有研究表明灌木群落豐富度指數、均勻度指數及多樣性指數與全氮、全磷、全鉀、有效磷、堿解氮等土壤養分含量呈正相關，與pH呈負相關[17]；另有發現河岸帶草本植物群落的植被蓋度、物種多樣性與土壤有機質和含水率呈正相關關系，而與pH、TN 和TP 呈負相關關系[18]；也有發現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相關關系，與土壤有機質、堿解氮、全磷含量也呈負相關關系，但未達到顯著水平[19]。Strengbom等對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[20]。也有學者認為由于土壤養分的增加促使優勢種群快速擴展，并抑制了其他植物生長，導致群落結構逐漸單一化[21]。所以，物種多樣性與土壤養分之間的關系錯綜復雜，仍需進一步研究。

3 結論

本文通過對上海市金山區廊下鎮全域土地整治項目區不同用地類型土壤質量與草本植物多樣性分析研究得出：

（1）項目區4種用地類型的土壤質量地球化學綜合等級為林地＞農田＞園地＞建設用地。

（2）本次調查共記錄草本植物77種，以菊科（Compositae）和禾本科（Poaceae）為主。調查區域入侵物種比例較高且在某些生境中已形成優勢群落，建議在土地整治的過程中及時鏟除各類入侵植物，為當地植被的生存營造安全的生態空間。

（3）草本植物物種豐富度指數以林地最高，園地稍低，農田最低。但生物多樣性以園地最高，林地最低，說明受森林類型和郁閉度等因素影響，調查區域林地的質量不均一。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多樣性指數和Simpson指數均呈顯著正相關關系，說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；Pielou指數與砷達到顯著正相關。而多數重金屬與草本植物多樣性未達到顯著水平，表明土壤中重金屬元素對草本植物不是限制因子，能夠滿足其生長需要。