成都市龙泉山城市森林公园土壤肥力空间格局及其影响因子

谢川, 陈俊华, 谢天资, 林静, 赵昊天,2, 蒋雨轩,2, 骆宗诗*, 慕长龙*

1.四川省林业科学研究院，森林与湿地生态恢复与保育四川重点实验室，四川 成都 610081；

2.成都理工大学城乡规划与旅游学院，四川 成都 610000

土壤作为植物生存和发展的重要基地，不仅是农业、林业和其他生态系统的自然基础，更是人类社会发展至关重要的载体[1-3]。土壤质量是衡量土壤条件相对于一个或多个生物物种的要求和任何人类的需要或目的[4-5]。近些年来，随着城市规模的不断扩大和生态环境问题的日益突显，城市及其周边区域土壤质量的评价和研究一直是当今城市生态学研究者关注的重点。然而，国内外的研究主要集中在城市内部的公共绿地区域土壤质量的评价[3, 6-7]，很少有研究着重考察城市周边起着生态屏障作用的区域。

土壤肥力反映了土壤维持农林植物生长的能力，是衡量土壤质量优劣的重要指标。而土壤的理化性质，特别是土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾是土壤肥力的关键指标[8-10]，能够在一定程度上量化土壤的肥力。大量的科学考察和研究表明，无论研究区域的尺度大小，土壤肥力的空间异质性是普遍存在的事实[3, 11-13]。研究土壤肥力空间格局及其影响因素，可为土壤资源的科学管理提供依据，对于指导农业、林业均具有十分重要的意义。国内外专家经过多年的研究认为，土壤肥力的空间格局主要受自然因素和人为因素影响[14-16]。其中自然因素包括地形地貌、气候水文、成土母质和植被类型等；而人为因素主要包括土地利用类型、耕作措施等。随着“3S”技术（全球定位系统、遥感和地理信息系统）的飞速发展，与地统计学的有机结合，不同区域不同尺度的土壤养分空间变异研究取得了一定的成果[17-21]。然而，重点聚焦于森林公园，特别是离中心城市很近的城市森林公园土壤肥力空间格局的研究却鲜见报道。

龙泉山脉作为成都市东部重要的生态屏障，对保障成都市的生态环境和安全有着极其深远的战略意义[22-23]。鉴于龙泉山城市森林公园土壤肥力的空间格局以及影响因子的研究未见相关报道。因此，通过野外实地调查和土壤采样分析，结合收集资料，运用地统计学与“3S”技术相结合的方法，揭示龙泉山城市森林公园土壤肥力的空间变异规律，分析和探索影响土壤肥力空间分布的主要因子。这些研究结果将不仅能为龙泉山城市森林公园生态恢复和景观配置工作提供科学依据，还有助于为我国城市森林公园的构建和研究提供有益的补充。

1 研究方法

1.1 研究区概况

龙泉山城市森林公园（103°40′—104°40′E，29°40′—30°30′N）位于成都平原东缘，东西距离大约 12 km，南北约 90 km，总面积为 1275 km2[23]。地质构造处于龙泉山褶皱带，地形上以低山和丘陵为主，海拔从385~1051 m。研究区域属于亚热带湿润季风气候，年平均气温16 ℃，年降水量约920 mm，并以中亚热带常绿阔叶林为地带性植被[26]。该区域内的天然植被几乎被破坏殆尽，天然的常绿阔叶林仅在局部地段残存。龙泉山城市森林公园主要的森林类型为人工柏木林，另外也分布着一些以桃、枇杷为主的果园。

1.2 数据来源

收集了龙泉山城市森林公园森林资源二类调查数据库以及行政区划图。包括龙泉驿区、青白江区、金堂县、简阳市、双流区的部分，面积共计1 275 km2，共计 75 964 个小班。

1.3 样地设置与调查

在ArcGIS10.2中对研究区进行渔网创建，将龙泉山城市森林公园按2 km×2 km划分成 319个网络。以每个网络的中心点进行样点设置，若中心点在水体或建设用地上，则相应地移动样点，若在2 km范围均为水体或建设用地，则该样点取消，共计设置样点307个（见图1）。在确定的样点附近设置样地，样地大小为20 m×20 m。在样地内调查地貌特征（地形起伏度<20 m划为平原、海拔>650 m且地形起伏度≥20 m为丘陵、海拔650 m以上为低山）、土地利用类型、植被情况、土壤状况。记录因子主要有地形因子（土壤类型、土层厚、土壤腐殖质层厚、经纬度、海拔、坡度、坡位、坡向）、植被因子（若为林地，则详细记录如下信息：乔木种名、平均胸径、平均树高，灌木种名、平均高、盖度，草本种名、盖度）。沿顺坡方向S形挖取土壤剖面，取0~20 cm的表层土壤样品带回试验分析土壤化学性质。土壤化学性质分析pH、有机质含量、碱解氮、速效钾、有效磷等指标。有机质采用燃烧法（仪器型号：vario MACRO CUBE），碱解氮采用碱解扩散法，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰分光光度法（仪器型号：FTP 640），有效磷采用盐酸、氟化铵浸提-紫外分光光度法（仪器型号：UV-2600）。土壤化学性质由中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所综合测试与模拟中心分析测试。

图1 调查样点分布图[24]Fig.1 Distribution map of survey sample points

1.4 土壤肥力指数计算

土壤综合肥力指数的计算采用修正后的内梅罗公式[3, 25-28]。同时，选择土壤有机质、碱解氮、速效钾、有效磷这4个指标作为综合评价参数。对于原始数据的标准化处理如下：

当属性值属于差一级时，即Ci≤Xp，则：

当属性值属于中等一级时，即Xp

当属性值属于较好一级时，即Xm

当属性值属于好一级时，即Xg

当属性值属于优秀一级时，即Ci>Xb，则：

式中，Pi为土壤各属性分质量系数；Ci为该属性的测定值；X为参照全国第二次土壤普查标准的属性值分级标准（表1）。式中，Xp，Xm，Xg，Xb分别为四级、三级、二级、一级的分级标准。

表1 基于内梅罗公式的土壤各属性分级标准值Tab.1 Standard value of soil properties classification based on Nemerow formula

土壤综合肥力指数P的计算公式如下：

式中，P为土壤综合肥力， Pi为土壤各属性分肥力系数的平均值，Pimin为土壤各属性分肥力系数中的最小值，n为参与评价的土壤属性个数。

1.5 数据处理

利用 Microsoft Excel 2010 录入测试数据，计算平均值等数据；应用SPSS 20.0进行数据方差分析和多重比较。土壤综合肥力空间插值分析在ArcGIS 10.2里进行，对307个样点土壤肥力指数进行Kriging空间插值。为了更好地了解研究区的土壤肥力空间分布情况，插值结果出来后，在ArcGIS 10.2中对其采用自然间断点分级方法，将其划分为5级，从高到低分别表示为“优”“良”“中等”“较差”“差”。

2 结果与分析

2.1 土壤性质参数描述性统计

对比研究区表层土壤各养分均值（见表2）与全国第二次土壤普查养分分级标准，可以发现龙泉山城市森林公园范围内的土壤有机质和碱解氮的平均含量均处于五级水平，属于很低水平；速效钾的平均含量处于四级水平，属于低水平；有效磷则处于一级水平，含量较高。pH的变异系数为7.53%，为弱变异强度；碱解氮、有效磷、有机质的变异系数在58%~68%之间，为中等变异强度；速效钾的变异系数高达95.77%，已经接近强变异。

表2 土壤性质参数描述性统计Tab.2 Descriptive statistics of soil properties

2.2 土壤养分的地统计学分析

通过运用GS+软件计算土壤养分的全向半方差函数，以决定系数接近于1、残差趋向于0的标准进行最优理论模型的选择。本研究对龙泉山城市森林公园土壤养的地统计学分析可以发现：5种土壤化学性质均符合指数模型，其结果见表3。速效钾、pH的半方差函数的决定系数均大于0.6，说明理论模型拟合具有一定合理性。从基台值可以看出，各土壤属性值均具有一定的基台值，说明受地形、土壤、植被和人类活动等因素所控制，其中有机质受影响最大。块金值均为正值，说明存在随机误差。由块金系数可知，各养分指标由结构因素主导，而受随机因素的影响较小。pH、碱解氮分布呈强空间相关性，有机质、速效钾和有效磷均属中等程度的空间相关性。

表3 土壤养分的半方差模型参数Tab.3 Semi-variance theoretical model parameters of soil nutrients

2.3 地形因子对土壤综合肥力指数的影响

通过不同的地形因子对土壤肥力的影响分析可知，龙泉山城市森林公园不同地貌的土壤综合肥力指数相差不大，按大小排序为平原>丘陵>低山（见图2-A）。从不同坡度土壤综合肥力指数来看（见图2-B），坡度越大，其土壤综合肥力指数越小。尤其是陡坡，其土壤综合肥力指数比平坡小31.46%。坡向对土壤综合肥力指数也有一定影响，但规律性不强（见图2-C）。土壤综合肥力指数最高的坡向是西北方向（1.38），最低的是东南方向（1.00）。坡位对土壤综合肥力指数的影响大体表现出坡位越低，该指数越大（见图2-D）。但平地的该指数却只有0.97，为该因素的最低值。

图2 不同地形因子土壤综合肥力指数Fig.2 Comprehensive soil fertility index of different topographic factors

2.4 土地利用方式对土壤综合肥力指数的影响

结果显示（见图3），几种土地利用类型的土壤综合肥力指数按大小排列为耕地>果园>竹林地>混交林地>纯林地>撂荒地>废弃宅基地。其中，耕地的土壤综合肥力指数明显高于其他地类。

图3 不同土地利用方式的土壤综合肥力指数Fig.3 Comprehensive soil fertility index of different land use patterns

2.5 龙泉山城市森林公园土壤综合肥力指数的空间布局

由图4可知，龙泉山城市森林公园土壤综合肥力指数属于“较差”和“差”的区域主要分布在研究区中部和西南部的龙泉驿区、金堂县南部、简阳市中东部和双流区境内。土壤综合肥力指数高（包括“优”和“良”）的区域主要集中分布在研究区北部的金堂县和青白江区境内。另外，土壤综合肥力分布的“热点”和“冷点”分析显示，在龙泉山城市森林公园境内的区域性“热点”有15个，主要分布在公园的北部。

图4 龙泉山城市森林公园土壤综合肥力空间分布示意图Fig.4 Spatial distribution of soil comprehensive fertility in Longquan Mountain urban forest park

3 结论及讨论

3.1 不同的地形因子对土壤综合肥力指数的影响

通常情况下，气候和母质条件相对稳定一致的地区，地形对于土壤物资和能量的分配起着重要的作用[29]。龙泉山城市森林公园位于龙泉山脉的核心地区，其地貌类型主要以丘陵、低山和平原为主。在龙泉山城市森林公园中，平原地区的土壤综合肥力略高于低山和丘陵地区。这一结果反映出，相对于低山和丘陵区，平原地区以其平坦的地势、方便的交通、较厚的土层特别适宜于发展农业生产，从而受到人为干扰的影响较大。

大量的研究表明，坡度和坡位等地形因素能够通过影响小尺度区域的水热资源再分配，来影响土壤养分的分布[30-33]。龙泉山城市森林公园土壤综合肥力指数和坡度呈负相关，这一现象与邓欧平[19]和张国平[34]对紫色土丘区的土壤养分与地形的相关性研究结果是一致的。事实上，影响土壤养分流失的一个重要因素就是坡度，当坡度越大时，就会造成泥沙流失量的增大，进而导致土壤的养分大量流失。高雪松等[30]在四川盆地西缘山地土壤养分与不同地形部位之间关系的研究中显示，下坡位的化学特性好于上坡位和中坡位。与高雪松等[30]的研究相似的是龙泉山城市森林公园处于下坡位的土壤综合肥力指数略大于中坡位和上坡位（见图2-D）。这一结果反映出，相对于中高山地区，低山和丘陵区按坡位分布的土壤肥力差异不太显著。同时，也印证了在一定的海拔范围内，坡位对土壤养分含量的变化起着关键的作用[35]。

一般情况下，阳坡的土壤养分含量高于阴坡[29, 36]。然而，龙泉山城市森林公园境内的土壤综合肥力指数和坡向的关系不明显。这一结果可能反映出，位于成都平原以东的龙泉山脉以其低山和丘陵为主的地形地貌所呈现出的独特土壤养分分布模式。

3.2 不同土地利用方式对土壤综合肥力指数的影响

土地利用方式的不同往往影响着土壤、水分和植物之间的相互作用，进而对生态系统的结构和功能产生极其深远的影响[30, 37]。对龙泉山城市森林公园研究结果显示耕地和果园的综合肥力指数明显高于其他土地利用方式。事实上，耕地和果园是龙泉山城市森林公园中受人为影响最为频繁的土地利用方式，人为的施肥管理使该类区域土壤的综合肥力指数相对较高。相对于废弃宅基地和撂荒地所反映出极低的土壤综合肥力指数，各类林地，特别是竹林和混交林都在这一指数上表现出了较高的水平。林地中的乔木能产生的大量凋落物，分解所释放的养分能够明显地提高土壤的肥力[3, 21, 38]。

3.3 龙泉山城市森林公园土壤综合肥力指数的空间分布及管理对策

土壤综合肥力指数较高（“优”和“良”）的区域主要集中在公园北部的沱江流域片区，这一片区水源涵养能力较好。另外，土壤综合肥力指数较低（“差”和“较差”）的区域表现为在公园中部和南部的斑块状分布。据推测，出现这一现象的原因是由于这一地区离城区较近，或者在景区周边，存在着较多的建设用地，受人为干扰较大。根据土壤综合肥力评价的5个等级制定不同的管理策略：

（1）对于土壤综合肥力指数为“优”的区域，应以保护为重点，可定期对水土保持方面的能力进行评估，保持生态系统的正常循环体系。

（2）对于土壤综合肥力指数为“良”的地区，重点也应以保护为主，并进一步探究其主要的限制条件，并针对弱项，通过检测对其进行进一步优化，通过适当的引导进行土壤质量的提升和结构上的优化。

（3）对于指数结果为“中等”的地区，应以重点监测为主，加强提升其自然修复能力，适宜采取间断性经营模式，即合理判断其开发的承载能力，在临近其承受阈值时，应给其预留自然恢复及自然演替的时间，尽量减少人为因素的影响。

（4）评价为“较差”的地区，以改善为目的，在空间里栽种适应能力更强和有利于生态修复的树种，以此慢慢提升该片区域的生态功能和潜在生产力。

（5）评价为“差”的地区来说，需采取较大幅度的改善措施。重点改善方向应以生态修复为主，严格遵循植被动态演替规律，根据情况考虑施行封山育林地经营方案，在群落配置方面，可通过人工补种共生的植物种类，提升物种多样化，促进植被群落正向演替，稳定和修复群落结构。