汉城湖绿化区土壤养分的分析与评价

耿 荣，耿增超，林 云

（西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨陵712100）

随着城市化的加剧，人类活动与生态环境的矛盾问题日益尖锐。为了改善城市人居环境，保护城市生态环境，从20世纪70年代起，人们逐步发展出一种新的公园类型——城市绿化公园。城市绿化公园是城市生态系统的重要组成部分，是城市生态保护和恢复的重要基地，在我国城市建设和发展过程中必将扮演越来越重要的角色［1］。城市绿化公园不仅具备环境、社会文化、经济等方面的功能［2-3］，而且其建设与全体市民的切身利益息息相关，是全社会共同关注的基础性和公益事业，因此其发展越来越受到人们的追捧［4］。然而城市绿化公园一般草木类型单一，与周边环境关系复杂多变，容易受到当地的自然条件以及人为因素的破坏，尤其人为因素对于公园绿化区土壤的破坏较为严重。因此，有必要对城市绿化公园及其周边的自然和人文资源进行详细切实的考察和调研，并对其自然生态环境进行保护，发挥其独特资源的最大优势［1］。土壤是城市绿化公园中诸多生态过程的载体和植物生长的基质，因此土壤养分含量的多少对于绿化区植物的维持与恢复具有重要意义。

汉城湖绿化区域内土壤绝大多数属新积土的堆垫土土属，即目前所定义的城市土壤，并且各个功能区的土壤条件、人为因素的干扰程度以及植被的生长状况等差异明显，因此，科学合理地评价汉城湖绿化区域土壤养分，对指导湖区绿化具有重要意义。目前，用于土壤养分综合评价的方法较多，常用的有相关分析法、主成分分析法、聚类分析法、因子分析法、指数和法、判别分析法、模糊数学法、因子加权综合法［5］。近来不少学者采用模糊数学的方法对土壤养分进行数量化评价，取得了一定的效果，已成为土壤养分评价的一个趋势，而且在一定程度上可以减少人为因素的影响，以求达到对不同土壤进行客观评价［6］。因此，分析了汉城湖绿化区土壤养分的丰缺状况，并根据模糊数学原理，分别采用相关分析法和主成分分析法确定权重系数，应用指数和法对土壤养分进行综合评价，以期为湖区绿化和合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

汉城湖位于西安市西北部，右岸紧邻北二环、朱宏路，左岸紧靠汉长安城遗址，全长6.27km，水面最宽处为80m，最窄处30m，水深4～6m，总库容137万m3，湖面56.667ha，园林景观面积68.733 ha，园区内绿化总面积78.72万m2，其中湖岸护坡绿地9.99万m2，公园绿地面积61.62万m2，广场绿地面积7.11万m2。园区道路总长度12 540m，栽植行道树4 330棵。绿化区年均气温约14℃，年均日照时间1 398～2 126h，年均降水量约600 mm，无霜期157d左右，属于暖温带半湿润的季风气候。区内植被种类繁多，乔木主要有柿子树（Diospyros kaki）、紫 薇 （Lagerstroemia indica）、火炬树（Rhus typhina）、柳树（Salix babylonica）、大叶女贞（Ligustrum lucidum）、法桐（Platanus orientalis）、黄栌 （Cotinus coggygria）、国 槐 （Sophora japonica）、栾树 （Koelreuteria paniculata）、碧桃（Prunus persica var.duplex）、银 杏 （Ginkgo biloba）、雪松（Cedrus deodara）、玉兰（Magnolia denudata）、松树（Pinus）、樱花（Prunus serrulata）、红枫 （Acer palmatum Thunb f.）、竹 子 （Bambusoideae）、红 叶 李 （Prunus Cerasifera）、油 松 （P.tabulaeformis）、海桐 （Pittosporum tobira）、槐 树（Sophora japonica）、侧 柏 （Platycladus orientalis）、悬铃木（Platanus）、青桐（Firmiana platanifolia）、月季（R.chinensis）等；灌木主要有冬青（Ilex chinensis）、石楠（Photinia serrulata）、红瑞木（Cornus alba）、红花槐（Robinia hispida）、金叶女贞（Ligustrum vicaryi）、火棘（Pyracantha fortuneana）、小叶女贞（Ligustrum quihoui）等；草本主要有三叶草（Trifolium repens）、早熟禾（Poa annua）等。园区绿地土壤一般较紧实，大多数植物生长不良。

1.2 土样采集与处理

根据研究区域的土壤条件、人为因素的影响程度、地域面积以及植被生长等状况，在汉城湖绿化区选择具有代表性的12个主要功能区，包括公司门口南侧、一号桥南侧、三号桥西侧、四号桥南侧、五号桥北侧、铜像、榆园、水车、福迪汽贸、中兴阁、神明台、围挡区；共设采样点36处，分别采集0～20cm、20～60cm土壤分析样品72个。土样风干后磨细、过筛、混匀、装瓶备用，供测定分析之用。

1.3 指标测定方法

在室内对采集的样品按照常规方法分析了pH、有机质含量、硝态氮、铵态氮、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾共10个指标，共测数据700余个。土壤pH值采用水土比为2.5∶1水浸提pH计法测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化—外加热法测定；硝态氮采用酚二磺酸比色法测定；铵态氮采用KCl浸提-靛酚蓝比色法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用0.5mol·L-1NaHCO3法测定；速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定；全氮采用半微量凯氏定氮法测定；全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定测定［7］。

1.4 数据处理

应用Excel 2007和SPSS 17.0软件对所获得数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA）、相关性分析以及主成分分析，并应用指数和法进行土壤养分综合评价。

1.5 评价指标的确定

本次养分评价采用模糊线性隶属度函数和多元统计分析原理来确定土壤养分评价因素的等级指标。首先建立各评价指标的隶属度函数，以此来计算各养分指标的隶属度和权重系数。根据评价的需要和绿化区的实际情况，采用了2种方法确定各指标隶属度函数［8-10］。

抛物线型隶属度函数，即所要评价的养分指标与作物生长效应曲线为抛物线型曲线。要素对作物生长均有一个最佳范围，在此范围之外，偏离程度越太，对作物的影响越不利［8］。一般来说，pH、物理性粘粒含量和粉／粘比属于这种类型的评价指标。曲线相应的隶属度函数为：

表1 抛物线型隶属度函数曲线中转折点取值Table 1 Values of turning point in parabola-type membership function

生长指数型曲线（S型），即所要评价的养分指标与作物生长效应曲线为指数型曲线。要素的增长与作物产量在一定区域范围内成正相关，当低于或超出这个范围时，要素的变化对土壤的生产力影响变小。有机质、全氮、速效磷、速效钾、表土层厚度和地下水埋深属于这种类型的评价指标。此曲线需要先确定要素对作物的最佳值和最低值，即2个拐点（阈值）：

表2 S型隶属度函数曲线中不同养分评价指标的转折点取值Table 2 Values of turning point in S-type membership function of different fertility indexes

1.6 权重的确定

养分评价指标的权重值为指标对土壤养分的影响程度或贡献率，表示各指标在土壤养分评价中的作用和地位不同。确定各单项养分指标的权重系数，是土壤养分综合评价中的一个关键问题［11］。参评因素在土壤养分水平总体构成中所起作用的大小同样具有重要性，必须根据各个因素对土壤养分实际贡献率的大小来确定权重，以保证评价精度和评价结果的准确性［12］。本研究采用相关分析法和主成分分析法分别确定权重。

1.7 土壤养分评价的综合指标值

根据各指标的隶属度值和权重，采用指数和法计算出土壤养分评价的综合指标值IFI（Integrated Fertility Index），其计算公式为：

式中：Wi表示第i种养分指标的权重系数，Ni表示某采样点的各评价指标的隶属度。综合指标值构成了评价单元总的土壤养分水平得分值，它综合反映了该评价对象的土壤养分状况，也是进行土壤养分等级划分的依据［8］。综合指标值一般为0～1，IFI其值越大，表明土壤养分越高；其值越小，则表明土壤养分越低。

2 结果与分析

2.1 汉城湖绿化区土壤各项养分指标状况

汉城湖绿化区土样养分的含量状况见表3。从调查的72个土样来看，硝态氮的变幅较大，而且含量相对铵态氮较高。有机质的含量介于0.33%～2.51%，0～20cm表层土壤平均值为1.22%，属5级水平，20～60cm土壤平均值为1.16%，属6级水平（参照《陕西省土壤养分含量分级标准》，下同）；全氮的含量介于0.02%～0.18%，0～20cm表层土壤和20～60cm土壤平均值都为0.06%，属6级水平；碱解氮的含量介于2.26～78.04mg·kg-1之间，0～20cm表层土壤平均值为17.27mg·kg-1，属8级水平，20～60cm土壤平均值为24.42mg·kg-1，属7级水平，表明有机质和氮素普遍缺乏。全磷的含量介于0.02%～0.18%，0～20cm表层土壤平均值为0.10%，属4级水平，20～60cm土壤平均值为0.08%，属5级水平；速效磷的变幅为1.07～49.44mg·kg-1，0～20cm表层土壤平均值为15.23mg·kg-1，属于4级水平，20～60cm土壤平均值为16.77mg·kg-1，属4级水平，表明磷素偏低。全钾的含量介于1.31%～1.93%，0～20cm表层土壤平均值为1.49%，属4级水平，20～60cm土壤平均值为1.50%，属4级水平；速效钾的的含量介于57.27～343.69mg·kg-1之间，0～20cm表层土壤平均值为232.97mg·kg-1，属1级水平，20～60cm土壤平均值为196.27mg·kg-1，属2级水平，表明钾素丰富。pH变化较小，变幅为7.47～8.36，0～20cm表层土壤和20～60cm土壤平均值分别为7.99、7.88，都属5级水平，即弱碱性。

从变异系数来看，硝态氮、铵态氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量的变异系数均在50% 以上，说明汉城湖绿化区这些元素的空间分布很不均衡。从这些元素频数分布上来看，所有指标的分布形态均表现为尖峭峰；除了表层土壤的pH、全钾和速效钾含量分布形态表现为负偏斜外，另外7种成分的分布形态表现为正偏斜。

表3 汉城湖土壤各项养分指标的描述统计分析Table 3 Descriptive statistical analysis of soil fertility indexes in Hancheng Lake

2.2 汉城湖绿化区土壤养分指标之间的相关性

采用SPSS17.0对10个指标进行简单的相关分析，并进行双尾T检验其显著性。从表4可以看出，硝态氮与铵态氮、碱解氮、速效磷、有机质、全氮呈极显著正相关，与pH呈极显著负相关；铵态氮与碱解氮、速效磷、有机质、全氮、全磷呈极显著正相关，与pH呈显著负相关；碱解氮与速效磷、有机质、全氮呈极显著正相关，与pH呈极显著负相关；速效磷与速效钾、有机质、全氮、全磷呈极显著正相关，与pH呈极显著负相关；速效钾与有机质、全氮、全磷呈极显著正相关；有机质与全氮、全磷呈极显著正相关，与pH呈极显著负相关；全氮与全磷呈极显著正相关，与pH呈极显著负相关。结果表明各指标之间的相关性很强，可用来综合反映土壤养分水平，并且单一养分含量的减少，也会影响土壤中其他养分的供应，这与任丽娜［13］等的研究结果一致。

2.3 权重的确定

2.3.1 相关分析法确定的权重系数 相关分析法是通过采用各指标间相关系数来确定权重系数。应用统计软件（SPSS 17.0）求出各养分指标的相关系数，以某项养分指标与其他养分指标之间相关系数的平均值占所有养分指标相关系数平均值总和的比值，作为单项养分指标在表征土壤养分中的贡献［14］，结果见表5。

表4 土壤养分指标之间的相关系数Table 4 Correlation coefficients between the soil fertility indexes

表5 土壤养分指标的相关系数平均值和权重值Table 5 Average correlation coefficients and weight value of soil fertility indexes

2.3.2 主成分分析法确定的权重系数 由于土壤养分评价因子之间的相关性很强，可利用降维的思想把多个因子转化成较少的几个互不相关的综合因子，即对土壤养分评价因子进行主成分分析［15］。采用统计软件（SPSS 17.0）进行分析，首先求出各个养分因子主成分的特征值和贡献率（表6），然后计算相应的载荷矩阵，并求出各项养分指标的公因子方差，方差的大小表示该项养分指标对养分总体变异的贡献，由此可以得出各项养分指标的权重［8］（表7）。

表6 养分因子主成分的特征值和贡献率Table 6 Eigenvalues and contribution of principal soil fertility components

2.4 土壤养分综合评价

土壤养分等级根据各指标综合评价值来确定［12］。利用相关分析法和主成分分析法确定的权重系数，根据公式（3）计算出土壤养分综合评价指标值，对最终计算出的综合指标值IFI作统计分析（表8所示）。结果表明，这2种方法分级结果亦趋于一致，且这2种方法间相关性很好，其函数关系为：y=0.881 2x+0.072，R2=0.902 1＊＊。虽然2种评价方法算出的综合评价指标值有所不同，但其评价结果几乎相同。因此，对于12个区域的0～20 cm表层土壤和20～60cm土层养分综合评价指标值分别取这2种评价方法算出的综合评价指标值的平均值。

表7 各项养分指标的权重系数Table 7 Weight value of soil fertility indexes

按照综合评价指标值，将土壤养分划分为高（IFI≥0.8）、较高（0.6≤IFI＜0.8）、中（0.4≤IFI＜0.6）、较低（0.2≤IFI＜0.4）和低（IFI＜0.2）5个等级［16］。由表8可以看出，除三号桥区域的0～20cm表层土壤，其20～60cm土层和其他区域的2层土壤IFI值都在0.4以上，即达到中等水平及以上。在0～20cm表层土壤中，属于高水平的样区有神明台区域和铜像区域，属于较高水平的样区有公司门口区域、五号桥区域、福迪汽贸区域、水车广场区域和四号桥区域，属于中等水平的样区有中兴阁区域、一号桥区域、围挡区域和榆园区域，属于较低水平的样区为三号桥区域；20～60cm土层中，属于高水平的样区为神明台区域，属于较高水平的样区有铜像区域、福迪汽贸区域、水车广场区域、中兴阁区域、一号桥区域和三号桥区域，属于中等水平的样区有五号桥区域、榆园区域、公司门口区域、四号桥区域和围挡区域。总体来说，汉城湖12个绿化区域0～20cm表层土壤和20～60cm土层的养分等级主要处于较高和中等水平，神明台区域和铜像区域土壤养分等级相对较高，而三号桥区域土壤养分等级相对较低。

表8 各采样区土壤养分的综合性指标值Table 8 Integrated index of soil fertility in different sampling sites

3 讨论

植物的正常生长与发育需要适量的各种营养元素，营养元素缺乏或比例失调会使植株的生长、生理代谢发生障碍或异常变化。对汉城湖绿化区土壤养分含量进行综合评价，有助于了解此地区的养分状况和植物生长的适应性程度，可以为其合理施肥和经营管理提供科学依据。本研究对汉城湖绿化区的土壤调查测定结果显示：土壤养分丰缺程度不一，差异比较大，其中有机质和氮素普遍缺乏，磷素偏低，钾素丰富，其原因可能一方面是由于在建设的过程中堆垫土壤的来源存在差异；另一方面由于人为不合理施肥所导致。pH偏弱碱性，主要可能是由于汉城湖绿化区部分土壤中混有建筑废弃物、水泥、砖块等废料，其中含有碱性物质，经过长时间的风化和雨水冲刷致使这些碱性物质污染了相邻的土壤，使区域pH总体偏高。从变异系数来看，硝态氮、铵态氮、碱解氮、速效磷、速效钾等养分的空间分布很不均衡，可能一方面受到频繁的施工翻动土壤形成的土层变异性大，呈现不连续性，排列凌乱；另一方面受到人为不合理施肥而造成的某种元素偏低或偏高。另外，调查发现该堆垫土壤中石砾、生活垃圾和建筑垃圾等含量较多，土壤的压实和板结严重、结构性和通透性较差，从而也影响汉城湖绿化区植物的正常生长和发育。

土壤养分高低不仅受土壤养分和植物吸收能力的独立作用，更取决于各因子的协调程度［17］。通过计算土壤养分综合评价指标值表明：汉城湖12个绿化区域0～20cm表层土壤和20～60cm土层的养分等级主要处于较高和中等水平。神明台区域和铜像区域土壤养分等级相对较高，一方面可能是由于此区域人为施用肥料量较大，另一方面可能由于存在枯枝落叶、剪草以及其他有机残留废弃物矿化释放，尤其神明台区域出现了黑色淤泥，有少量生活垃圾，导致有机质和氮素等含量增高；三号桥区域土壤养分等级相对较低，主要可能是由于此区域一方面在建设过程中堆垫了大量的新积土或者将含有较少有机质的地下土壤翻至表面，导致有机质和氮素等含量减少；另一方面可能由于人为施肥过少所导致的土壤有机质和氮、磷等元素含量较低。

目前，有关土壤养分综合评价指标值的分析方法较多［18］。本研究为了考虑评价方法对于最后评价结果的影响，采用了相关分析法和主成分分析法2种评价方法来确定土壤养分综合评价指标值，发现评价结果具有相当一致性，并且主成分分析具有一定的主观性，而相关分析能够降低这种主观性的影响，2种方法相互弥补了彼此的不足，更能正确地反映出土壤养分水平。因此，取这2种评价方法算出的综合评价指标值的平均值作为最终的土壤养分综合评价指标值，这种方法是可靠的。除了分析方法的选择，有关参评指标的选用，以及隶属度函数曲线转折点的确定等均可影响最后的评价结果［11］，因此在应用中应根据当地的实际情况综合考虑确定。最后应该指出，本研究土壤养分综合评价得出的结果仅代表汉城湖绿化区养分的丰缺和潜在的生产能力，存在一定的缺陷，在此基础上还应将水、气候、热状况、施肥和经营管理制度等因素综合加以考虑，才能正确反映出此地区土壤的现实生产能力，有关其他因素的影响有待于进一步的讨论和研究。

4 结论

1）对汉城湖绿化区土壤养分总体进行分析，结果发现有机质和氮素普遍缺乏，磷素偏低，钾素丰富，pH偏弱碱性。从变异系数来看，硝态氮、铵态氮、碱解氮、速效磷、速效钾等养分的空间分布很不均衡；

2）对汉城湖绿化区土壤养分进行综合评价，结果表明：在0～20cm表层土壤中，属于高水平的样区有神明台区域和铜像区域，属于较高水平的样区有公司门口区域、五号桥区域、福迪汽贸区域、水车广场区域和四号桥区域，属于中等水平的样区有中兴阁区域、一号桥区域、围挡区域和榆园区域，属于较低水平的样区为三号桥区域；20～60cm土层中，属于高水平的样区为神明台区域，属于较高水平的样区有铜像区域、福迪汽贸区域、水车广场区域、中兴阁区域、一号桥区域和三号桥区域，属于中等水平的样区有五号桥区域、榆园区域、公司门口区域、四号桥区域和围挡区域。总体来说，汉城湖12个绿化区域0～20cm表层土壤和20～60cm土层的养分等级主要处于较高和中等水平，神明台区域和铜像区域土壤养分等级相对较高，而三号桥区域土壤养分等级相对较低。

3）汉城湖12个绿化区域中，除三号桥区域的0～20cm表层土壤IFI值属于较低水平，其20～60cm土层和其他11个区域的2层土壤IFI值都在0.4以上，即达到中等水平及以上。

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