公园土壤pH值空间分异特征及影响因素研究——以湘潭市建成区雨湖、菊花塘公园为例

王若飞,陈长瑶,张勇,王涛

(1.云南师范大学 地理学部,云南 昆明,650500;2.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭,411100)

土壤pH值是土壤理化性质的重要指标之一,在城市化背景下,城市快速扩张使得城市土地利用率、人口密度、交通密度激增,直接导致城市土壤污染加剧[1–2],表层土壤营养平衡失调,土壤pH值不断升高。高质量发展背景和绿色发展理念指导下,城市公园绿地土壤的理化性质关系人类的高品质生活和生态文明建设,同样需得到重视。国外学者[2–4]对人类的物质干扰、城市交通和人口密度以及城市基础设施急剧增加对土壤理化性质的变化和一些城市环境问题进行了考虑和研究;90年代以后,国内学者也逐步开始土壤理化性质的研究。随着快速城市化过程学界对城市土壤日渐关注,朱纯等[5]对广州市荔湾区的研究表明人口密度和机动车流量越高,土壤由酸性趋于碱性,城市化活动导致土壤碱化。而熊咏梅等[6]则研究发现,荔湾老城区人工建植绿地土壤主要为中性及微碱性,城郊农区和郊区林区以酸性及强酸性为主。影响因素方面:杨红等[7]发现不同土地利用方式下土壤pH值有较小的垂直空间变异性,并且主要受植被和田间管理的综合影响。李婷等[8]通过对1982年和2002年成都平原土壤pH值的分析发现成土母质、土地利用方式、施肥措施和工业发展明显影响土壤pH值的变化。赵凯丽[9]等发现马尾松林、湿地松林、阔叶林下不同母质发育的红壤均呈酸性或强酸性。学界对城市土壤的研究主要集中在广东[5–6]、杭州[10]等发达城市城区。肖玲珑对湖南郴州矿区土壤重金属含量进行了研究,但湖南地区城市公园绿地土壤pH值的研究成果略显不足。同时不同区域有其独特的区域属性,不同城市化进程下相关理论成果与湘潭状况不一定相适应。随着长株潭一体化和城市建设的加快,湘潭地区土壤污染等环境问题日渐尖锐,由此,本文以湘潭市中心雨湖公园和菊花塘公园为例,基于空间插值理论,运用反距离加权(IDW)插值、缓冲区分析和标准差椭圆法,对雨湖公园和菊花塘公园土壤pH值的空间分异特征及其影响因素进行研究,以揭示湘潭市城市湿地土壤的空间变异特征及其影响因素,以期对该区土壤酸碱度的调控和可持续利用及区域生态文明建设和高质量发展提供参考。

1 研究区概况与样品采集

1.1 研究区概况

湘潭市(111°58′～113°05′E,27°21′～28°05′N)位于湖南省中东部, 亚热带温湿气候, 植被以人工林为主,土壤为红壤,母质为第四纪红黏土。截至2017年湘潭市辖区面积652 km2,市辖区人口密度约1334人/km2。建成区面积80 km2,绿化覆盖面积3 367 hm2,绿化率45.81%。公园绿地面积888 hm2,个数12个,占地173 hm2。

雨湖区是是湘潭市商贸、科教、文化中心。人口密度约1 241人/km2。建成区植被覆盖率为41.3%(2017年)。雨湖公园正坐落于此,占地21 hm2,其中雨湖水面占地约12 hm2,是湘潭最大的湖泊。岳塘区是湘潭市政治中心和重要工业区,人口密度约1 401人/km2。城镇建成区绿化覆盖率为45%。城镇化率达95.67%。主要的工业类型为冶金、机电、化工、化纤、纺织、煤炭等。而菊花塘公园则位于岳塘区湘钢东北部,占地14 hm2,植被覆盖率高,以松杉树和灌木为主。

1.2 样品采集与处理

兼顾代表性和均匀性,依据当地周围建筑环境与自然环境、土地利用状况等因素,采用GPS进行定点取样,使用彼得逊采泥器和土壤环刀分别进行湖底淤泥和周边土壤的采集,所有样品均使用聚乙烯自封袋封装并标号处理。随后将所采土壤样品在实验室进行自然风干,并利用恒温烘箱在105℃下烘干48 h后利用四分法取适量土壤利用玛瑙研钵研磨,过1 mm筛供测定土壤pH值。称取5 g土壤样品置于50 mL烧杯中,用量筒加25 mL去离子水,搅拌1 min使土体充分散开,放置1小时,避免空气中有氨及挥发性酸,然后以PHS-3B型酸度计测定土壤pH值,重复3次,取平均值作为该土壤的pH值。

图1 研究区域

2 研究方法

2.1 数理统计

首先,对土壤样品进行进行预处理,在SPSS 22.0上运用描述性统计和相关性分析获取土壤pH值的统计特征值,包括最大最小值,平均数及变异系数等,同时用K-S检验验证数据是否符合正态分布,如不符合则进行对数转换。最后用地统计软件GS+9.0应用变异函数构建半方差函数模型分析雨湖公园和菊花塘公园土壤pH值的空间自相关程度和空间异质性。

2.2 反距离加权(IDW)插值

反距离加权(IDW)插值认为,每个采样点对插值结果的影响随距离增加而减弱,权值与距离成反比,相比于其他插值,IDW法简便易行,运算速度快,具有良好的可适应性,可根据具体问题的不同而改变和优化权值函数[12]。以此分析雨湖公园和菊花塘公园土壤pH值的空间分布特征。

(1)插值公式:

(2)权重计算公式:

其中,Z(S0)为S0处的预测值;λi为各样点的权重;Z(Si)为Si的测量值;di0为预测点S0和已知采样点Si之间的欧式距离;P为指数值,距离越近权重越高。最后采用交叉验证方法对建立的模型进行预报检验,求预报误差,并记录其均方根。一般Root-Mean-Square(以下用RMS表示)越小越好。

2.3 缓冲区分析

缓冲区是地理空间目标的一种影响范围或服务范围[13],是对选中的一组或一类地图要素(点、线或面)按设定的距离条件,围绕其元素而形成一定缓冲区多边实体,便于在二维平面上进行信息分析。应用缓冲区分析,以雨湖公园和菊花塘公园为中心,以200 m为间隔生成缓冲区,0～1 000 m为范围,并将该图与城市服务分类图叠加,得到2个公园的缓冲区面积、缓冲区内的各城市服务类型的分布及数目。据此分析城市公园绿地区土壤pH值与城市建设的关系。

2.4 标准差椭圆法

标准差椭圆方法从重心、展布范围、方向、形状和密集性等多角度揭示地理要素的空间分布整体特征[14]。椭圆中心可以反映城市服务在空间上的相对位置(重心);转角θ显示其在空间上的主趋势方向;长、短轴可以体现要素空间分布的形态;在标准差椭圆上分布的要素总量可以体现其在空间上展布的密集程度。运用ArcGIS10.2相关模块对2个公园各城市服务类型做标准差椭圆并对各参数进行分析。

3 结果与分析

3.1 统计和空间结构分析

两公园土壤pH值经过K-S检验,P值>0.05,通过显著性检验,均符合正态分布。雨湖公园土壤pH值平均值为7.26,最大值为8.26,最小值为5.30,土壤以中性和碱性为主,约占86%,部分土壤呈酸性,约占14%。菊花塘公园土壤pH值平均值为6.49,最大值为7.34,最小值为4.98,土壤偏中酸性,中性土壤约为44%,酸性土壤约50%,少部分为强酸性土壤,占6%。变异系数(CV)用来反映数据的离散程度,CV<10%弱变异性,10%100%为强变异性[8]。雨湖公园土壤pH值具有中等变异性,菊花塘公园为弱变异性。决定系数(R2)分别为0.64和0.54,理论模型拟合度较好。块金值和基台值的比值(块基比)表示土壤pH值的空间自相关程度[8]。研究区两公园块基比分别为0.135%和0.064%,小于25%,具有强空间相关性,表明土壤pH值受成土母质、植被类型、地形地貌等结构因素影响较大。同时菊花塘公园土壤pH值的变程较大(6.05 m),空间连续性较好,而雨湖公园为1.06 m,连续性相对较差。

表1 采样点土壤pH值的统计特征值

表2 土壤pH值半方差函数模型及参数

3.2 空间分布特征分析

利用地统计软件GS+9.0反距离加权插值法,呈现雨湖及菊花塘pH值插值平面图,更直观反映出两个公园土壤pH值的分布特征,并用交叉验证的方法进行模型的精度验证。决定系数R2分别为0.58和0.80,均大于0.5,通过交叉验证[12]。

雨湖公园土壤以中性和微碱性为主,土壤pH值高值区大致位于公园东部尤其是东北部,低值区位于西北部。高值点分布在YH-19、YH-20、YH-2、YH-3和YH-14周围;低值点位于YH-1、YH-13和YH-18。菊花塘公园土壤pH值与雨湖公园相比明显偏低,土壤整体呈中、酸性,高值区位于中西部和东南部,低值区位于西北部(图2)。

图2 公园土壤pH值IDW插值图

土壤pH值与植物种类以及凋落物类型和丰缺程度密切相关[15],树干茎流雨、根系分布、凋落物的分解以及其对盐基阳离子的吸收是土壤酸化的主导因素[16]。其次,不同母质发育下的红壤以第四纪红土红壤酸化最为严重[9]。研究区属于亚热带温湿气候,土壤为第四纪红黏土发育的红壤,植被以亚热带人工林为主。因此雨湖公园低值点YH-1、YH-13、YH-18,菊花塘公园西部、西北部JT-2及JT-11、JT-14土壤pH值较低与采样点植被茂密,且多松杉类树木,茎流雨中大量H+的输入,使得表土酸化有关。同时凋落物的分解、针叶林根系酸性物质的分泌都使得公园土壤酸化,而且远离城市建筑和道路,受城市混凝土和建筑废料碱化影响小,土壤 pH值较低。

3.3 城市功能网点分布对土壤pH值的影响

随着距市中心距离的减少,机动车流量大的区域土壤pH值呈中性或碱性[5]。城市土壤中多混有建筑废料、垃圾及其他碱性混合物等。公园海拔较低,尤其雨湖是积雨而成的湖泊,受周围环境影响较大。亚热带气候多降水,受雨水冲刷和壤中流影响,混凝土等碱性物质汇入河湖等低地,使得公园湖泊及周围土壤向碱化方向演变。因此,大部分城市绿地土壤由于大面积建筑物及城市人流车流量的影响,城市土壤pH值高于郊区和林区[6]。

空间上,随着距公园距离增加,城市功能网点先增加后减少。雨湖公园在800 m数量达到最多,有1 643个,菊花塘公园在600 m达到最高,数量为1 405个(图3)。根据《公园设计规范》(GB51192-2016),0.05～0.2 km²的综合公园服务半径为1 000到2 000 m[17]:400到800米的步行距离让人们感到舒适和可以忍受。因此雨湖和菊花塘公园城市服务在400～800 m左右布局最多,而作为湘潭市商业和科教中心,雨湖公园较菊花塘多2 000多个服务网点,商业繁华,生活性、科教、交通服务众多,受人为因素干扰大,土壤被压实,孔隙变小,同时受雨水冲刷作用土壤多为中性至碱性。雨湖公园和菊花塘公园1 000 m缓冲区范围内生活性服务数量约占总城市服务类型的91.85%和91.46%,人流量对雨湖和菊花塘公园土壤性状影响较大,其次为科教服务、交通服务和工业。菊花塘公园缓冲区内共有工业41个,在600 m以内20个,且多为钢铁、冶金化工和和纺织类工业。土壤是处理生产生活废物场所,各类有机无机污染物可直接进入土壤,致使土壤pH值降低[10]。工业的发展使得“三废”排放增加,特别是含 SO2废气排放引起的干沉降,固体废弃物中所含酸性物质通过大气扩散或降水淋滤和含SO42-的废水的排放可直接进入土壤引起 pH的下降。而钢铁工业又极大地促进了煤炭的持续消耗,向大气排放的SO2和 NOx不断增多[18],大大加剧了酸雨的进程,使得菊花塘整体尤其西部地区土壤pH值偏低。

表4 城市服务类型的缓冲区统计

图3 城市功能网点分布图

3.4 城市化和工业对土壤pH值的影响

雨湖公园椭圆中心与中心城区分布相一致,雨湖公园东北部受工业影响较小,受城市化影响较大,湘钢对菊花塘公园土壤性状影响较大。公园绿地土壤被不断压实,公园土壤向碱化方向发展,大量冶金和纺织行业的布局又使附近土壤酸化(表5和图4)。

图4 雨湖和菊花塘公园城市服务类型空间格局

表5 雨湖和菊花塘公园标准差椭圆参数

分布中心:两公园各城市服务类型中心分布较为集中,雨湖公园椭圆中心位于北部,菊花塘主要分布在东部,与中心城区分布相一致。繁华的商业,众多的人流车流量使得中心周围土壤雨湖北部、东北部和菊花塘东部与东南部趋向碱化,菊花塘公园交通服务椭圆中心偏南,说明菊花塘东南部交通较发达,人流车流量较大,与图2中菊花塘东南部土壤偏向碱性吻合。同时工业中心产生的“三废”也可能使得部分土壤酸化。

分布范围:雨湖公园椭圆面积集中在1.6～2.1 km2内,集中在雨湖公园北部,各城市功能类型椭圆覆盖范围都与雨湖公园交叉,其中交通服务覆盖面最大,覆盖整个雨湖公园,布局分散。菊花塘椭圆面积集中在1.0 km2到1.8 km2,其中工业范围最大表明菊花塘周边工业分布较分散。

分布方向:雨湖椭圆转角由49.69°到67.12°,大致呈北偏东—南偏西方向,与湘江分布密切相关,其中工业转角为46.69°,受东北方向牵引,呈东北-西南方向,向东北发展趋势明显,远离雨湖公园,说明雨湖公园东北部受工业影响较小,受城市化影响较大,与雨湖公园土壤pH值插值图西北呈酸性,东南呈碱性相吻合。菊花塘椭圆转角从115.71°到168.19°大致呈北(偏西)—南(偏东)方向,而工业椭圆受到湘钢拉力影响呈西北—东南向。说明湘钢对菊花塘公园土壤性状影响较大。

分布形状:受湘江影响雨湖公园较菊花塘公园城市服务分布整体方向性更明显,而菊花塘则布局更分散。从公园内部来看,雨湖公园工业椭圆长短轴差距最大,集中分布在雨湖公园北部和西北部,方向性最明显,对北部尤其是西北部土壤有酸化作用。其次为交通服务,机动车流量小的区域土壤pH值呈酸性,机动车流量大的区域土壤pH值呈中性或碱性[7]。交通设施和混凝土道路的修建以及车流量增多对土壤的压实作用也对周围土壤产生碱化作用。科教和生活性服务椭圆方向性较差,围绕雨湖公园分散,说明雨湖公园土壤pH值受科教和生活性服务等城市化影响较大,使土壤酸碱度升高。而菊花塘公园工业椭圆的长短轴差最小,围绕菊花塘公园分布分散,工业三废的排放使菊花塘公园土壤pH值降低。

4 结论与讨论

4.1 结论

基于统计学、反距离插值法(IDW)、缓冲区分析和标准差椭圆方法,探究湘潭市雨湖公园和菊花塘公园土壤pH值的空间异质及其影响因素,研究表明:

(1)雨湖公园土壤pH值平均值为7.26,以中性和碱性土壤为主,约占86%;菊花塘公园土壤pH值平均值为6.49,土壤偏酸性和中性。其中,中性土壤约占44%,酸性土壤为50%,同时两公园土壤pH值半方差函数模型分别与球状模型和高斯模型拟合较好,具有强空间相关性,并受结构性因素影响较大;

(2)雨湖公园土壤pH值大致东部高,西部低,东北部尤高,西南偏高,西北部较低;菊花塘公园土壤pH值大致中部和南部偏高,中西部最高,北部偏低,西北部最低,东部比西部偏高。低值区受植被和母质酸化影响较大,高值区受到城市化影响;

(3)雨湖公园周围比菊花塘城市服务网点约多2 000个,生活性、科教、交通服务众多,人流、车流量密集,建筑密度大,人为因素干扰大,土壤的大量压实,混凝土的广泛使用,使得雨湖公园土壤多为中性至碱性。菊花塘公园土壤受城市碱化作用影响同时受工业影响较大,工业“三废”的排放使得菊花塘整体尤其西北部地区土壤pH值偏低;

(4)各城市服务功能类型椭圆范围都与各自公园相交或覆盖。雨湖公园椭圆中心位于公园北部,大致呈北偏东—南偏西方向,工业受东北方向牵引,呈东北—西南方向,远离雨湖公园。菊花塘公园椭圆中心主要分布在东南部,椭圆大致呈北(偏西)—南(偏东)方向,而工业呈西北—东南向,受湘钢影响较大;

(5)雨湖和菊花塘公园中土壤pH值的高低与自然和人为因素密切有关。亚热带人工林和第四纪红土的酸化作用显著。同时城市建筑密集,人流车流量大,土壤被压实的同时大量混凝土的使用,致使城市土壤pH值升高。工业区“三废”的排放和酸沉降使得公园土壤趋于酸性。

4.2 讨论

随着城市化进程的不断加快,城市经济发展迅猛、人们生活水平不断提高,但城市化带来的一系列问题也日益凸显。土壤的理化性质是反映城市环境生态系统的重要指标,而土壤pH值可通过控制土壤中重金属元素的存在形式、有效性及迁移转化特性从而对区域生态环境质量产生重要影响。随着城市用地规模和人口的不断扩张,城市建筑和道路的不断兴建,湘潭市也面临着城镇化水平不断提高与空间需求日益扩大的矛盾以及工业化水平持续提高与资源环境承载力有限的矛盾。因此,湘潭市政府要全面贯彻落实生态文明理念,坚持可持续发展,立足本区域资源、产业基础和发展潜力规范开发秩序,努力提高资源利用和配置效率,构建区域布局合理、功能定位明确、人与自然和谐相处的空间开发格局;社区居民应不断提高生态文明意识、环保意识,不断调整自身生产活动以适应国家公园保护要求的可持续发展。