南昌城市森林土壤肥力综合评价及其空间分布特征

摘 要：【目的】为揭示南昌城市森林的土壤肥力变化及其空间分布特征。【方法】以南昌市建成区184个不同森林类型（景观林、单位附属林、道路林和生态公益林）的表层土壤（0～20 cm）作为研究对象，测定全氮、全磷、全钾、速效磷、有机碳、容重、pH值等7个土壤指标，对南昌城市土壤肥力进行整体评级和因子分析。采用修正的内梅罗综合指数法对南昌市不同森林类型土壤肥力进行综合评价，并利用ArcGIS软件对各项土壤指标绘制城市空间分布图，参照全国第二次土壤普查所制定的分类标准（6级制）评价各指标含量水平状况。【结果】土壤全磷（0.69 mg·g-1）和速效磷（23.86 mg·kg-1）及其空间分布特征均达到了3级以上，含量处于中上水平；土壤有机碳（16.76 mg·g-1）和全氮（0.90 mg·g-1）及其空间分布特征达到4级，含量处于中下水平；土壤全钾（9.70 mg·g-1）及其空间分布特征达到5级，含量处于低水平；南昌市多数区域土壤综合肥力指数处于1.3～1.5之间，为中等水平（4级制中排第3级）；不同森林类型土壤表现为景观林土壤综合肥力指数最高（1.32）。【结论】南昌城市森林的各个土壤肥力指标中，有机碳、全氮、全钾是土壤综合肥力指数的主要限制性因子；南昌城市森林土壤肥力空间分布特征主要表现为容重偏高，pH值整体中性偏酸，全氮、全钾、有机碳含量普遍较为匮乏，全磷、速效磷含量较为丰富，其中速效磷含量可达二级及以上水平。本研究对南昌市森林土壤肥力进行综合评价，以期为南昌城市森林建设与养护管理提供理论依据，充分发挥其生态效益。

关键词：土壤肥力；城市森林；内梅罗综合肥力指数；空间分布

中图分类号：S718.516；S158 文献标志码：A 文章编号：1673-923X（2024）08-0129-10

基金项目：国家自然科学基金项目（42007042，31960302）；江西省研究生创新专项资金项目（YC2023-S384）。

Comprehensive evaluations and spatial distribution characteristics of soil fertility in urban forest in Nanchang

HUANG Fei1，2， ZHANG Foyi1，2， ZHONG Jialin1，2， LI Xin1，2， PENG Hui1，2， ZOU Bingyan1，2， LIU Wei1，2， WANG Qiong1，2

（1. College of Forestry/Landscape and Art， Jiangxi Agricultural University， Nanchang 330045， Jiangxi， China； 2. Jiangxi Provincial Key Laboratory of Forest Cultivation， Nanchang 330045， Jiangxi， China）

Abstract：【Objective】To reveal the changes and spatial distribution characteristics of soil fertility in urban forest in Nanchang.【Method】184 surface soil samples （0-20 cm） of different forest types （landscape forests， institution-affiliated forests， road forests and ecological forests） were took as the object in the built-up area of Nanchang city. Seven soil parameters including soil total nitrogen， total phosphorus， total potassium， available phosphorus， soil organic carbon， bulk density， pH were measured to provide an overall rating and factor analysis of soil fertility in Nanchang city. The modified Nemerow composite index method was used to comprehensively evaluate the soil fertility of different forest types in Nanchang city， and urban spatial distribution maps were drawn for each soil parameter using ArcGIS software. The status of the content level of each parameter was evaluated with reference to the classification standard （6-level system） developed by the Second National Soil Census.【Result】Soil total phosphorus （0.69 mg·g-1） and available phosphorus（23.86 mg·kg-1）， and their spatial distribution characteristics reached grade 3 or above， and their contents were in the middle to upper level； Soil organic carbon （16.76 mg·g-1） and total nitrogen （0.90 mg·g-1）， and their spatial distribution characteristics reached grade 4， with contents at the lower middle level； Total potassium （9.70 mg·g-1） and its spatial distribution characteristics reached grade 5， and the content was at a low level； The comprehensive soil fertility index of most areas in Nanchang was between 1.3 and 1.5， which was at a medium level （ranked 3rd in the 4-level system）； Soils of different forest types showed that the highest comprehensive soil fertility index （1.32） was in landscape forests.【Conclusion】Among the soil fertility parameters in Nanchang urban forest， soil organic carbon， total nitrogen and total potassium are the main limiting factors； The spatial distribution of soil fertility in urban forests in Nanchang is characterized by high soil bulk density， neutral and acidic soil pH， scanty total nitrogen， total potassium and soil organic carbon， and abundant total phosphorus and available phosphorus， with available phosphorus up to the second level and above. In this study， the soil fertility of urban forest was comprehensively evaluated to provide theoretical basis for urban forest construction and conservation management， and give full play to urban forest ecological benefits in Nanchang.

Keywords： soil fertility； urban forest； Nemerow composite fertility index； spatial distribution

城市森林是城市生态系统的基础，由大量的树木及其所处的自然环境组成，不仅可以维护城市的生态平衡，而且有助于人类与自然和谐共处，实现可持续发展[1]。土壤是绿色生命之源，是人类生存无法离开的自然资源，它可以为大多数植物提供生长发育所必要的水分、养分、热量和空气等条件[2]。在城市中，土壤肥力的高低也直接影响植物生长，对城市森林生态效益和景观功能的发挥起到重要作用[3]。土壤养分是衡量土壤肥力的重要参考指标[4]，其中容重、土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）、pH值、氮磷钾及其有效态等是土壤肥力的重要表征，其数值的变化以及空间的分布将直接影响植被生长及产能[5-6]。SOC涵盖了陆地上绝大多数的碳素，在全球碳循环过程中起着非常重要的作用，与土壤肥力密切相关[7]。土壤氮、磷、钾的含量情况可用于评估土壤为植被提供各项养分的能力，这些元素也是衡量土壤肥力的关键因素[8]。容重是土壤理化性质中一个基本物理性质，可以反映土壤的透气性、持水性、入渗性以及土壤抗侵蚀性[9]。土壤pH值可以影响土壤微生物活性，与土壤养分的形成、转化和有效性紧密相连[10-11]。因此，对城市土壤肥力进行综合评价和科学合理分析对防止土壤退化和提高土地、植被生产力至关重要。

土壤肥力的综合评价研究，对治理中低肥力水平土壤，提升退化土壤质量，促进土壤健康持续稳定和协调发展具有重要的意义[12]。目前，关于土壤肥力综合评价的方法，主要包括主成分分析法、层次分析法和内梅罗综合指数法等。其中，主成分分析法多用于大样本数据研究，数据量小会导致所得结果与实际偏差较大[13]；层次分析法则是采用主观赋权的方法，这种方法受人为因素的影响较大，容易使结果出现偏差[14]；改进后的内梅罗综合指数法能够避免采用加和法、平均值法、加权平均法等主观因素的影响，其方法简单、实用性强，能够在考虑指标因子短板效应的情况下进行土壤综合肥力评价[15]。研究表明，内梅罗综合指数法更适合于城市土壤肥力评价研究[16-17]，可避免主观因素的影响，能够突出土壤肥力的限制性因子，综合评价结果的可信度较高[18]。

传统的计算方法能够准确反映土壤养分含量情况，但对于了解较大范围区域肥力状况需花费大量时间且成本高昂[19]。地理信息系统（geographic information system，GIS）可以在已知部分采样点信息的基础上，对数据进行插值计算，预测未采样区域的土壤养分及肥力的分布情况并转换为可视化的图形，提升传统土壤评价结果的实用价值[20-21]。因此，将传统的统计方法与GIS的空间插值技术相结合，节约成本的同时可以直观地显示和分析各项肥力指标及综合肥力指数的空间分布特征，进而能够更好地了解土壤肥力与环境之间的关系[22-23]。

南昌市作为江西省省会城市，由于经济发展的需求，土地开发愈来愈频繁，引起土地利用布局不合理、生态环境退化等一系列问题[24]。然而目前有关南昌市土壤肥力评价的研究较少，Chen等[25]分析了南昌市5种森林类型的表层土壤磷素的分布规律。土壤单项指标评价的方法不足以为城市森林土壤改良提供数据支撑[26]。因此，本研究通过对南昌城市森林土壤肥力现状开展全面的分析研究，以期掌握南昌市整体土壤肥力状况，为城市森林建设与养护管理提供理论支撑，进而提升城市生态服务功能。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地点位于南昌市（28°10′～29°11′N，115°27′～116°35′E），隶属江西省中部偏北地区，赣江及抚河下游，鄱阳湖西南岸。南昌市属亚热带湿润季风气候，地形主要以平原为主。气候温和湿润，春秋季短，夏冬季长。年平均气温17.7 ℃，年降水量1 600～1 700 mm，年日照时间1 723～1 820 h。土壤类型主要为红壤[27]。

1.2 土壤样品采集

2020年6月，在南昌市建成区（505 km2）内设立184块样地，依照何兴元等[28]在2004年提出的城市森林分类方法将南昌城市森林分为4种林型，分别是景观林（48块）、单位附属林（48块）、道路林（63块）和生态公益林（25块），每块样地至少间隔1 km，样地面积均为400 m2，为减少误差，每块样地都选取南昌市市树“樟树Cinnamomum camphora”作为主要树种采样。利用5点取样法，使用环刀采集每块样地0～20 cm土层土壤样品，环刀取样前需去除地表的凋落物，装入自封袋后混为一个样品，共184个土壤样品。样品自然风干至恒质量，记录干质量后剔除动植物残体、大小石头、塑料等杂物并过2 mm和0.2 mm筛，分别用于pH值和土壤肥力的测定。

1.3 土壤肥力指标测定

本研究选择全氮（Total nitrogen，TN）、全磷（Total phosphorus，TP）、全钾（Total potassium，TK）、速效磷（Available phosphorus，AP）、土壤pH值、SOC、容重等7项指标作为土壤肥力评价指标。SOC测定采用重铬酸钾外加热法；TN测定采用半微量凯氏定氮法；TP测定采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法；TK测定采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法；AP测定采用碳酸氢钠浸提钼蓝比色法；土壤pH值使用复合电极pH计（Sartorius PB-10；德国Sartorius AG公司），采用1∶2.5土水比进行测定；容重采用土壤干质量/环刀容积的计算方法。土壤肥力指标测定均参考文献[29]。

1.4 土壤肥力单项指标评价

参照全国第二次土壤普查养分分级标准[30]（表1），将南昌城市森林土壤的各项肥力指标进行评价，包括SOC、TN、TP、TK、AP等，并分析不同林型土壤的肥力差异。

1.5 土壤综合肥力评价

1.6 土壤肥力空间分布特征分析

由于采样无法对研究区内所有的样点进行全面研究，因此为了能够更好地反映出研究区内土壤各项指标空间分布的变化特征，本研究采用GIS技术和地统计学相结合的方式，将离散的数据“点”转化为“面”，从而更好地分析土壤肥力空间分布情况[34]。土壤容重插值划分为<1.3、1.3～1.4、>1.4；土壤pH值分为微酸性（<6.5）、中性（6.5～7.0）、微碱性（7.0～7.5）、碱性（>7.5）。由于本研究计算所得的土壤综合肥力指数大多表现为0.9～1.8，属3级中等肥力水平，因此本研究将其更为细致地划分为三个等级：<1.3、1.3～1.5、>1.5，更有利于在空间插值图中体现土壤综合肥力差异并对其进行综合评价。表3为土壤肥力指标空间插值等级划分。

1.7 数据处理

利用Excel 2016软件对数据进行处理以及图表制作。运用SPSS 22.0软件对数据进行单因素方差分析（ANOVA）探讨不同森林类型各项土壤肥力指标的差异，并获得各项土壤肥力指标的均值、标准差、变异系数等主要信息。参照全国第二次土壤普查养分分级标准，本研究应用ArcGIS 10.2软件将各项土壤肥力指标以及综合肥力指数进行空间插值分析，并绘制空间分布图。

2 结果与分析

2.1 南昌城市森林土壤肥力指标变化

南昌城市森林各项土壤肥力指标变化如表4所示。土壤pH值为4.48～8.16，均值为6.97，变异系数较小（12.50%）。土壤容重均值为1.34 g·cm-3，变异系数小于10%，但数值偏高，土壤较为紧实。南昌市的土壤类型为典型的红壤，质地黏重，结构复杂，加之南方降水集中，强度较大，雨滴易破坏土壤结构，使表层土壤变得透气性差。

从变异系数来看，各项土壤肥力指标均超过30%，依次为AP、SOC、TP、TN、TK，综合肥力指数变异系数为14.08%。SOC均值为16.76 mg·g-1，变化范围为1.44～39.98 mg·g-1；TN变化范围为0.39～1.95 mg·g-1；TP均值为0.69 mg·g-1；TK均值为9.70 mg·g-1，变化范围为2.67～19.21 mg·g-1；AP变化范围为3.10～102.54 mg·g-1。由于南昌较快的城市化进程，越来越多的自然林和农田转变为城市用地，改变了土壤原始结构和功能，进而严重影响土壤的碳氮磷循环。通过综合评价分析，发现南昌城市土壤综合肥力指数（Q）均值为1.27，处于中等水平，土壤肥力水平有待于提高。

2.2 不同城市森林类型土壤肥力指标及综合肥力指数差异

不同的城市森林类型具有不同的生态功能和景观特征，因此研究林型间土壤养分差异能够更科学、有效地管理城市森林，各土壤肥力指标均有显著差异（表5）。SOC、TP和AP含量表现为景观林显著高于生态公益林（P<0.05）。TN含量表现为景观林（1.01 mg·g-1）显著高于道路林（0.81 mg·g-1）（P<0.05）。TK含量表现为生态公益林（11.85 mg·g-1）显著高于道路林（9.16 mg·g-1）（P<0.05）。土壤容重表现为道路林（1.36 g·cm-3）>单位附属林（1.34 g·cm-3）>景观林（1.33 g·cm-3）>生态公益林（1.30 g·cm-3），土壤pH值表现为道路林（7.35）>单位附属林（7.13）>景观林（6.86）>生态公益林（5.94）。结果表明，景观林土壤肥力明显优于其他林型土壤，道路林土壤肥力相对较差。景观林以公园、风景名胜区为主，由于景观林绿地率一般较大，不透水面较少，植被凋落物能够有效返还土壤，凋落物的分解有利于土壤养分循环。随着城市化发展，南昌城市道路不断加宽，两侧人行道不断变窄，行道树周围人为踩踏情况愈发严重，并且许多行道树树穴周围采用的铺装材料透气渗水能力较差，导致土壤肥力较差。

不同林型间土壤综合肥力指数具有显著差异（P<0.05）（表6），表现为景观林（1.32）显著高于道路林（1.23）和生态公益林（1.22）。四种林型中SOC、TN、TK的Qi值均小于2，pH值的Qi值大于2。另外，除单位附属林和道路林中 TP的Qi值小于2外，其他林型的TP和AP的Qi值均大于2，生态公益林土壤综合肥力指数最低。由此说明，SOC、TN、TK可能是限制南昌城市森林土壤肥力提升的主要因子，而其他几种土壤指标是有利于南昌城市森林土壤肥力提升的关键因子。南昌市生态公益林大多是位于高速路、学校、各类工厂附近（例如苗圃、防护林等）的人工林，以及位于梅岭风景区内部及周边的自然林。苗圃、防护林等人工林建造时大多选择种植耐贫瘠的树种且种类较为单调，物种丰富度较低，建成后缺乏合理的经营管理（施肥、灌溉等），土壤微生物及土壤养分水平较差。

2.3 土壤肥力指标和综合肥力指数空间分布特征

土壤肥力变化往往受多方面的影响，包括地形、成土母质、成土时间、气候、人类活动等，而城市森林土壤由于人为干预程度较自然土壤高，受人类活动影响更为显著。本研究利用ArcGIS绘制南昌城市土壤各肥力指标及综合肥力指数空间分布图（图1）。TN、TK含量普遍较低，属4级及以下水平（图1A、C），其中TK仅在西北部分地区含量高于10 mg·g-1；大部分区域的TP、AP含量在3级及以上水平（图1B、G），西部地区含量相对较低；南昌城市土壤pH值主要表现为东部偏碱性（pH值>7），而西部偏酸性（pH值<7）（图1D）；土壤容重仅小部分区域高于1.4 g·cm-3（图1E）；SOC多数区域集中在10～30 mg·g-1（图1F），含量中等及偏下水平。为了城市美观，南昌城市森林土壤覆盖的凋落物常常被清理，这可能是SOC较低的主要原因。土壤综合肥力指数整体呈现中、西部高，东、北部低的趋势（图1H），整体属3级中等肥力水平。

3 讨 论

3.1 南昌城市森林土壤整体肥力状况

采用修正的内梅罗综合指数法对南昌城市森林土壤肥力进行综合评价，表明其土壤综合肥力整体处于中等水平（均值1.27）。前人的研究也有相似的结果，例如，徐州市不同绿地类型土壤肥力均表现为中等水平（1.07～1.45），这是由于徐州城市绿地使用客土居多，且种植时间不长[35]；长春市不同森林类型的土壤综合肥力指数变幅为1.55～1.65（中等水平），其中道路林土壤养分指标相对较低，主要是疏于日常的养护管理以及遭受严重的人为干扰、踩踏所致[36]；哈尔滨城市绿地土壤综合肥力指数均值为1.51，中等肥力水平（0.91.5），可能是由于密集的人为活动所形成的[37]。与其他研究相比，影响南昌城市森林土壤肥力水平变化的可能原因可归为以下几类。首先，南昌市土壤结构变差会影响植被根系的分布和对水肥的吸收从而显著影响植被的生长，这是影响土壤肥力的一个重要方面[38]。其次，随着南昌城市化进程的加快，城市面积不断扩张，人口数量不断增长，密集且高强度的人类活动影响了土壤生态系统的健康状态，导致土壤理化性质恶化。第三，城市的快速发展所带来的工业废气、生活废水、汽车尾气排放等导致城市土壤重金属大大增加，致使土壤肥力下降[39-40]。最后，由于土壤样品采集的时间是夏季，南昌市属亚热带湿润季风气候，夏季气温高，降雨量大，易造成土壤潮湿、紧实、透气性差，导致N素、SOC含量普遍较低[41-42]。季节变化可能会对土壤各项养分指标造成一定的影响，因此对于评价南昌城市土壤肥力状况仍需采集不同季节的土壤样品进行探索研究。

3.2 南昌城市森林不同林型土壤综合肥力状况

南昌景观林综合肥力指数显著高于道路林和生态公益林。许多前人研究均发现公园绿地的土壤综合肥力显著高于道路绿地及防护绿地[36-37，43]。尽管景观林中经常有游客造访，但市政对其管理投入较大，有专业的园林工作者对植被进行养护，植被生长良好，加上内部随处可见的监控设备、宣传标语等警示人们爱护绿地，因此景观林土壤综合肥力指数通常较高。道路林土壤肥力较差、pH值和容重较高的主要原因，一方面，南昌城市道路土壤pH值偏碱性可能受道路扬尘和建筑灰尘的影响，道路积尘和建筑灰尘中含有较高的Ca2+，随着大气沉降或降水可进入道路林土壤中，进而导致土壤pH值偏碱性[44-45]；另一方面，据南昌市统计局发布，截至2022年末南昌市常住人口达653.81万人，民用轿车保有量达87万辆，明显提高了南昌市道路使用率，Kutiel等[46]研究表明使用率高的道路土壤紧实度较高，其透气持水保肥能力也较差。生态公益林是以经营为目的的森林，其在生态方面发挥着重要作用，包括调节小气候、涵养水源、保持水土、提高环境质量等[47]。而位于梅岭风景区内部及周边的自然林大多属于无人管理状态，无人为施肥措施。除此之外，风景区附近村庄的居民居住时间较长，当地人在利用优越的自然资源进行生产生活的同时也会造成一定的破坏，例如砍伐树木、直接排放生活废水等，这些行为可能是导致自然林土壤肥力较差的原因。

3.3 南昌城市森林各项土壤肥力指标空间分布变化特征

许多城市景观都存在土壤健康状况不佳的问题，退化的土壤会限制植物的生长以及土壤微生物的活动，进而影响城市景观的生态系统服务功能[48]。本研究应用修正的内梅罗公式判断出土壤SOC、TN、TK是限制南昌城市森林土壤综合肥力指数的主要因子（Qi<2）。SOC是全球碳库的重要组成部分，是判断、评估土壤质量的关键性指标[49-50]。南昌城市森林SOC含量平均为 16.76 mg·g-1，属中等偏低水平。这与成都城市森林土壤结果类似（15.80 mg·g-1）[51]。然而，Edmondson等[52]和边振兴等[53]认为随着城市化发展，大量有机物质不断输入，城市土壤中SOC含量表现出显著富集的特征。相反，也有研究认为，城市化过程引起的热岛效应、土壤覆盖凋落物的清理以及外来碱性物质的输入等人类活动均是导致城市中SOC含量偏低的原因[54-55]。土壤氮和钾全量养分是衡量土壤肥力水平的重要化学指标[56-57]。南昌城市森林土壤TN和TK含量均值分别为0.90和9.70 mg·g-1，均属于含量“很匮乏”水平（5级），空间上看大部分区域仅达第二次全国普查4级（匮乏）及以下水平。北京城市绿地TN含量多集中在0.5～1.0 mg·g-1之间，这与本研究结果类似[58]。由于本研究土壤样品采集时间为夏季，是多数植物快速生长的季节，期间植物根系需要从土壤中吸收大量的N素来满足其生长需要，从而消耗了土壤中的N素，造成土壤TN含量相对较低。谈近强等[59]研究发现中山市林地表层土壤TK含量较低（5级水平），并表示TK含量主要受成土母质影响。我国普遍更加注重施用N肥而忽视K肥的重要性，肥料养分施用失衡，所以如果土壤中的K素不能及时得到补充，其含量则会不断下降，因此，南昌土壤钾含量较低可能是由于绿地养护施肥不到位的原因。

虽然本研究揭示了南昌城市森林不同林型土壤综合肥力指数变化差异，且分析了关键影响因子，但是并未提出土壤肥力改良方案。因此，如何有效地提高人为干扰和空间差异较大的城市森林土壤肥力仍然是未来研究的重点和难点。我们可以考虑结合城市固定样点定位改良土壤试验和室内植物-土壤施肥盆栽试验来进一步探索城市退化土壤改良的方法，让肥沃的土壤在城市森林生态服务系统中发挥其关键的作用。

4 结 论

本研究通过修正的内梅罗综合肥力指数计算得出南昌城市森林土壤综合肥力指数为0.76～1.78，多数区域处于1.3～1.5之间，为3级中等肥力水平。南昌城市森林综合肥力指数以景观林最高，土壤肥力最好。各个土壤肥力指标中，SOC、TN、TK是限制土壤综合肥力指数提升的主要因子。南昌城市森林土壤肥力空间分布特征主要表现为土壤容重偏高，土壤pH值中性偏酸，土壤TN、TK、SOC含量普遍较为匮乏，土壤TP、AP含量较为丰富，其中AP含量可达二级及以上水平。本研究深入分析了南昌城市森林土壤综合肥力指数及其分布特征，对加强城市森林养护管理、提高城市森林土壤质量和维护城市环境健康、增进城市生态可持续发展具有重要意义。

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[本文编校：罗 列]