武漢市園林土壤理化性狀的空間分布規律

王樸 康凱麗 金晶 聶艷

摘要：基于湖北省武漢市中心城區及遠城區主要園林土壤412個采樣數據，運用ArcGIS技術研究武漢市園林土壤pH值、有機質（OM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）含量的空間分布規律。結果表明，武漢中心城區園林土壤pH值在7.9以上，遠城區土壤pH值接近中性，有向堿性發展的趨勢。中心城區土壤OM含量為19%～2.0%，處于中等水平，遠城區為0.9%～1.4%，含量較低。中心城區土壤TN含量的均值為0.05%，遠城區為 0.02%～0.03%，整體全氮含量處在正常范圍。中心城區及遠城區土壤TP含量分別為0095%～0.12%，0017%～0.04%，全磷含量略低于正常水平。土壤TK含量為1.3%～1.4%，屬正常范圍。整個城區土壤AN含量為16～60 mg/kg，處偏低水平，AP和AK平均含量分別為15.28、100 mg/kg，含量較高。數據化系統的建立，可以為今后決策部門規劃與管理提供科學依據，推動城市綠化事業健康平穩發展。

關鍵詞：武漢市;園林土壤;理化性狀;空間分布

中圖分類號：S153?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）18-0256-06

收稿日期：2019-09-09

基金項目：湖北省武漢市園林和林業局資助項目（編號：武園發[2015]9號）。

作者簡介：王?樸（1979—），男，湖北荊州人，碩士，高級工程師，主要從事園林土壤質量研究。E-mail：6207683@qq.com。

城市是人類文明的產物，是人類生存不可或缺的部分，隨著人口增多、經濟快速發展，但城市化進程突飛猛進，城市生態環境質量也日益惡化，這受到人們的普遍關注。作為城市生態系統中不可分割的部分，城市園林土壤不但能孕育綠色植物，也是城市污染物的歸宿，因此城市園林土壤是城市環境質量和城市生態最基本的保障[1-3]，故園林土壤在城市的生態系統中擔當著非常重要的服務功能。我國城市土壤研究剛剛起步，研究內容多為城市土壤污染[4-7]、概念、形成特征及分類[8-10]。

由于人們對城市園林土壤認識不足和肆意破壞，導致其質量下降，使城市綠地生態系統不能發揮正常功能，對整個城市的生態環境產生嚴重影響[11-12]，成為當前不容忽視的問題。在城市生態系統中，土壤的組成、性質及污染狀況對綠地建設、城市區域環境質量及人類健康都有十分重要的影響。近年來，隨著園林綠化建設的快速發展，園林土壤研究和質量越來越受到重視。為了全面了解武漢市園林土壤的情況，本試驗對武漢地區園林土壤進行了取樣分析研究，旨在為園林綠化提供科學依據。

1?材料與方法

1.1?土壤樣本采集

如圖1所示，本試驗采樣點共計412個，同步記錄采樣點的位置及周邊環境情況。中心城區采集（包括開發區、武昌區、洪山區、江岸區、江漢區、硚口區、漢陽區、東湖高新區）樣點較多，共計308個。從各行政區采樣點來看，新洲區采集16個樣點，黃陂區采集15個樣點，東西湖區采集14個樣點，蔡甸區采集16個樣點，漢南區采集22個樣點，開發區采集27個樣點，江夏區采集21個樣點，武昌區采集50個樣點，洪山區采集53個樣點，青山區采集45個樣點，江岸區采集36個樣點，江漢區采集35個樣點，橋口區采集23個樣點，漢陽區采集23個樣點，東湖高新區采集16個樣點。

為掌握武漢市園林土壤性狀的空間分異規律，重點選擇pH值，有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀含量共8個土壤理化性狀指標進行分析。

1.2?測試方法

土壤pH值用電位法測定;有機質含量用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定;堿解氮含量用擴散法測定;速效磷含量用NaHCO3-鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量用NH4OAc浸提，火焰光度法測定;全氮含

量采用半微量開氏定氮法測定;全磷含量采用NaOH熔融鉬銻抗比色法測定;全鉀含量采用NaOH熔融原子吸收分光光度計法[13]測定。

2?技術思路

2.1?技術路線

土壤特性空間變異的研究是應用地統計學方法對變量空間結構的抽象表達與模擬。特異值的存在、變量的非正態分布、趨勢面都會影響地統計學方法的有效性，因此數據預處理是變量空間結構提取的前提;然后，計算、擬合變量的半方差函數，應用克里格（Kriging）插值法獲取土壤變量的空間分布圖。本試驗將武漢市園林土壤412個樣點的理化性狀數據導入ArcGIS中，借助克里格法插值法對pH值，有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀含量這8個土壤理化性狀指標的屬性數據進行空間插值，獲取武漢市園林土壤理化性狀的空間分布圖，技術路線見圖2。

2.2?克里格法插值法解析

克里格法插值法是地統計中應用最廣的最優插值法。它是利用原始數據和半方差函數的結構性，對未采樣點進行無偏最優估值的一種方法。設在一區域內位置x0處某一變量的估值為Z*i（xi）（i=1，2，3，…，n），現通過這n個測定值的線性組合來求估測值Z*（x0），即

Z*（x0）=∑ni=1λiZ*（xi）。（1）

式中：λi為與Z*（xi）位置有關的加權系數。要使估測最優，必須滿足如下條件：

（1）無偏估計，即

E[Z*（x0）-Z（x0）]=0。（2）

式中：Z（x0）為x0的實測值。

（2）方差（σ2）最小，即

σ2[Z*（x0）-Z（x0）]=min。（3）

結合式（1）～（3），利用拉格朗日極小原理，可以導出λi與半方差之間的矩陣：

r11r12…r1n1

r21r22…r2n1

rn1rn2…rnn1

11…10

λ1λ2λnφ=

r10r20rn01。（4）

式中：rij為xi、xj間距|xi-xj|的半方差;φ為拉格朗日算子。求解上式方程組和φ值后，由式（4）可得出x0點的最優估測值Z*（x0）。

根據拉格朗日中值定理，如果函數f（x）在閉區間[a，b]上連續，在開區間（a，b）內至少有1點ζ（a<ζ

（3）精度估計

了解空間變量的估值精度，有利于改進插值條件以及插值結果的進一步應用?？死锔穹ú逯捣ㄔ谔峁o偏最優估計的同時，可以給出估值的精度（克里格方差），其計算方法如下：

σ2E=E[Z-Z*]2。（5）

克里格插值可為空間格局（在空間上有規律的分布）分析提供從取樣設計、誤差估計到成圖的理論和方法，可精確描述所研究的變量在空間上的分布、形狀、大小、地理位置或相對位置，這在確定空間定位圖式（格局）方面是比較有效的方法。

3?結果與分析

針對武漢市園林植物生長需要，篩選園林土壤養分及相關的物理性狀開展空間變異的研究，能夠揭示園林土壤養分的空間分布規律，有助于發現和分析園林生產中存在的養分管理問題，進而提出有針對性的對策和措施，全面提升武漢市園林土壤養分管理水平。

3.1?武漢市園林土壤pH值的空間格局

pH值對土壤中養分元素的狀態和有效性有重要的影響。pH值過高或過低，會使一些營養元素變得難溶或存在狀態發生改變，導致養分的流失和固定，使營養元素有效性降低，從而不能很好地被根系吸收。因而對武漢市園林土壤pH值空間變異的分析有助于理解和發現園林土壤養分空間變異的原因。

從圖3可以看出，中心城區和漢南區的pH值較高，部分地區pH值在7.90以上;蔡甸區、江夏區和中心城區東南部的pH值較低，部分地區在680以下;黃陂、新洲、東西湖區的pH值接近中性，武漢市園林土壤整體的pH值都處在正常范圍。整體上，武漢市園林土壤pH值具有明顯的地理規律性，且圖斑邊界平滑，表明土壤pH值受區域水熱條件等漸變的區域性因素影響較大。

進一步分析中心城區園林土壤的pH值，從圖4可以看出，武漢市中心城區的pH值從西向東逐漸降低，從南向北逐漸升高，沿長江一帶地區的土壤pH值相對較高，東南方向九峰鄉一帶pH值較低，中心城區南部pH值接近中性。中心城區園林土壤pH值最低為6.50左右，最高為8.40左右，園林土壤pH值有向堿性發展的趨勢。

3.2?武漢市園林土壤有機質的空間格局

土壤有機質不僅能為植物提供礦質元素，還能改善土壤理化性質、生物學特性。土壤有機質除了能保持土壤養分，還能使養分避免淋溶等自然方面的損失。有機質含量的高低決定著土壤的營養水平，是植物生長過程中氮素、磷素、鉀素的重要來源;土壤有機質還可以吸附土壤中的污染物質，并在一定程度上改善土壤結構，保持土壤水分。土壤有機質含量直接或間接影響土壤的許多屬性，是評價土壤質量最重要的一項指標。本研究借助ArcGIS獲取武漢市園林土壤有機質的空間分布格局。

從圖5可以看出，中心城區的土壤有機質含量較高，平均含量為1.90%～2.00%，中心城區南部靠近蔡甸區和江夏區的有機質含量最低，平均含量為1.0%左右;其他區域有機質平均含量約為14%。有機質含量在不同土壤中差異很大，有的含量較高，可達20%或30%以上（如森林表層土壤等）;有的含量低，不足1.0%或0.5%（如荒漠土等），一般耕層中有機質含量只有0.5%～25%。綜上所述，武漢市園林土壤的有機質含量處在正常水平。

3.3?武漢市園林土壤全量養分（氮、磷、鉀）空間格局

氮、磷、鉀均是植物需要的大量礦質元素，但也是自然生態系統尤其是農業生態系統中植物生長的限制性因子。全氮、全磷、全鉀含量是指土壤中所含的植物可利用和不可利用的各種形態氮、磷、鉀的總量。

從圖6可以看出，武漢市中心城區土壤全氮含量整體較高，達到了0.050%水平，中心城區東部全氮含量較低，含量為0.025%左右。漢南區和江夏區部分地區全氮含量較高，達到0.035%～0040%，遠城區的全氮含量整體較中心城區偏低，含量大致為0.020%～0.030%。土壤中的氮含量一般為0.020%～0.500%。因此，武漢市園林土壤整體的全氮含量處在正常范圍。

從圖7可以看出，武漢市中心城區的中部地帶全磷含量為全市最高，達到0.095%～0.120%，而蔡甸、江夏、東西湖、黃陂和新洲等地的全磷含量較中心城區偏低，平均為0.017%～0.040%，漢南區和江夏區的交界部分全磷含量較高，達0.060%左右。土壤中全磷含量一般為0.040%～0.250%。因此，武漢市園林土壤的全磷含量略低于正常水平。

從圖8可以看出，中心城區、東西湖區、蔡甸區、漢南區、江夏區等地的全鉀含量整體較高，大致為1.30%～1.40%，中心城區有部分地帶全鉀含量處在一個較低水平，含量為0.20%～1.00%左右，黃陂和新洲2個區的全鉀含量處于中間水平，為100%～1.20%，土壤全鉀含量一般為0.30%～360%。因此，武漢市園林土壤的全鉀含量也處在正常范圍。

3.4?武漢市園林土壤速效養分空間格局

土壤堿解氮是可以直接被植物根系吸收的有效性氮。從圖9可以看出，武漢市中心城區南部園林土壤堿解氮含量較高，達50.00～60.00 mg/kg，中心城區北部的園林土壤堿解氮含量較低，為1600～25.00 mg/kg;漢南區和江夏區的部分地區堿解氮含量較高，達到40.00 mg/kg，而蔡甸、東西湖、黃陂、新洲區的園林土壤堿解氮含量較低，大致為 30.00 mg/kg 左右。土壤堿解氮含量小于 45.00 mg/kg 時為缺乏，達45.00～100.00 mg/kg時為良好，可以看出，武漢市園林土壤整體的堿解氮含量不高，略低于良好水平。

速效磷是指土壤中能被植物吸收利用或易被植物吸收利用的磷，可用來表征最近一段時間或一個生長季可被植物利用的磷含量。土壤速效磷含量可表征土壤的供磷能力。武漢市土壤速效磷含量為 163～38.03 mg/kg，平均含量為15.28 mg/kg。從圖

10可以看出，速效磷的空間變異以團塊狀為主，整體上有一定的漸變趨勢，然而圖斑較零散，受方向的影響不大。中心城區以及江夏區東北部、漢南區東部的速效磷含量較高，達到22.00 mg/kg以上水平，蔡甸、江夏、東西湖、黃陂和新洲等地的速效磷含量較低，大致為5.00～10.00 mg/kg，土壤速效磷含量一般為10～20 mg/kg ，可以看出，武漢市園林土壤的速效磷含量略低于正常水平。

鉀是作物不可缺少的大量營養元素。近年來，隨著農業生產的發展，在我國不少地區，特別是南方，土壤缺鉀面積日益擴大，缺鉀程度不斷加深。從圖11可以看出，武漢市園林土壤的速效鉀含量較高，平均含量超過了100.00 mg/kg，根據農作物施肥經驗，速效鉀含量超過80.00 mg/kg時，無需再對作物施鉀肥。中心城區中部的速效鉀含量最高，超過了 170.00 mg/kg，中心城區四周的速效鉀含量也較高，平均超過了100.00 mg/kg，黃陂和新洲2地的園林土壤速效鉀含量較低，在90.00 mg/kg左右，東西湖區和漢南區速效鉀含量較高，達到了 110.00 mg/kg 的水平。

4?結論與討論

本試驗對武漢市園林土壤理化性狀進行了摸底調查，主要結論如下：（1）研究范圍內遠城區土壤pH值為5.89～8.63，均值為7.50;中心城區土壤pH值為5.53～9.57，均值為8.06，可以看出整個園林土壤受人為影響非常嚴重，局部地區堿性污染較明顯。（2）園林綠地土壤速效磷和速效鉀含量較高，有機質含量中等，全效養分和堿解氮含量偏低，養分分布不均衡。

由于受人類活動的影響，尤其是經歷過特殊的人為成土過程，武漢市綠地土壤形成了與自然土壤不同的特殊性狀。以遙感和地理信息系統為手段，獲取所需信息，將生態學原理與方法和土壤分布格局分析結合起來，用景觀格局指數來量化園林土壤理化性狀的空間分布規律，為園林土壤類型分布格局的定性理解和定量分析提供了相關的理論依據。由此獲得的各種分布格局數據揭示了武漢市園林土壤理化性狀的分布規律，為今后武漢市城市整體規劃，植物選擇和園林植物養護、施肥和改良等提供有用的參數。

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