武汉市区绿地土壤养分空间变异性分析

武汉市区绿地土壤养分空间变异性分析摘要采用GIS与地统计学相结合的方法,对武汉市区绿地土壤中pH值、有机质、全氮、速效磷、速效钾的空间分布进行了研究。

结果表明,武汉市区绿地大部分土壤为碱性或中性;土壤养分空间变异性较大,在0.46~0.88,有机质的变异系数最大为0.88;各区域养分含量不均等,绿地养分等级处于中等水平。

并绘制了武汉市区绿地养分等级分布图。

从而为城市绿地土壤养分管理及绿地建设规划提供指导。

关键词城市绿地;土壤养分;空间变异;湖北武汉SpatialVariabilityAnalysisonUrbanGreenSpace’sSoilNutrientsinWuhanCityWANG WeiLIN Cheng-da(College of Resources and Environment,Huazhong Agriculture University,Wuhan Hubei 430070)AbstractIn this paper,geostatistics combined with GIS were applied to analyze the spatial vaila bility of urban green space’s soil nutrients;such as pH value,organic matter,total nitrogen,available phosphorus and available potassium in Wuhan City. The result showed that most of the urban green space’s soil was alkaline and the spatial variability of soil nutrients was large,all of soil nutrients in the coefficient of variation ranged from 0.46 to 0.88,and the largest variation coefficient of organic matter was 0.88.What’s more,urban green space’s soil nutrient contents were uneven,whose levels were in the medium level. At the same time,the distribution maps of the nutrients level were drawed. Thus a theoretical basis was provided for the management of urban green space’s soil nutrients and urban green space planning.Key wordsurban green space;soil nutrients;spatial variability;Wuhan Hubei城市绿地是指城市的公共绿地、居住区绿地、单位附属绿地、防护绿地、生产绿地以及风景林地等6类。

目前,以绿地为主体的自然景观建设作为一项重要的城市生态基础设施建设,越来越受到政府和民众的关注和重视,这源于城市绿地直接关系到改善城市的生态环境,提高市民的生活质量和提升城市的综合竞争力[1]。

绿地建设离不开绿地土壤,绿地景观植物生长离不开土壤养分。

土壤是受成母质、地形等自然因素和人类活动等人为因素影响的一种不均一变化的时空连续体,并具有高度的空间变异性[2]。

绿地土壤养分的空间变异分布研究能够为绿地施肥、精细绿地土壤养分管理、合理种植景观植物、合理规划绿地建设,提供可靠的理论依据。

国外对土壤养分特性空间变异的研究始于20世纪70年代,许多土壤学家将GIS和地统计学技术引入土壤学领域来研究土壤属性的空间变异规律[3]。

目前地统计学与GIS相互结合发展非常迅速[3-5],国内已有很多研究人员利用地统计学与GIS进行土壤养分空间变异分析。

但是用于城市绿地土壤养分空间变异性的研究目前很少[6-9]。

因此,笔者采取地理信息系统(GIS)和地统计学相结合的研究方法,利用ArcGIS地统计学分析模块(Geostatistical Analysis)工具,对武汉市绿地土壤pH值、有机质、全氮、速效磷、速效钾含量进行了空间变异分析,绘制了养分等级的分布图,从而为城市绿地土壤养分管理及绿地建设规划提供指导。

1材料与方法1.1研究区概况武汉市是湖北省省会,地处江汉平原东部,地处东经113°41′~115°5′,北纬29°58′~31°22′。

辖江岸、江汉、硚口、汉阳、武昌、青山、洪山、东西湖、汉南、蔡甸、江夏、黄破、新洲13个区。

市域地势北高南低,中部低平,以丘陵和平原相间的波状起伏地貌为主。

红壤和黄棕壤分布较广,利用类型多样,土地适宜性广泛,利用程度较高。

气候属北亚热带季风性湿润气候,具有雨量充沛、日照充足、四季分明、夏季酷热、冬季较冷的特点。

1.2样品采集与分析基于武汉市区域规划图,利用GPS定位技术在研究区内采用随机法进行定点采样。

采集土壤表层0~20 cm的土样,记录每个样点的坐标,每个样点周围再取5个点,以6个点的混合土样作为该点的样本,共采集样品101个(图1),将所采样品分别装于采集袋中,带回实验室分析。

1.3测定内容与方法把pH值、有机质、全氮、速效磷、速效钾作为研究对象,利用土壤常规分析方法[6]进行养分测定。

有机质采用油浴法加热重铬酸钾容量法测定;速效磷用Olsen法,即用0.5 moL/L pH值为8.0的NaHCO3溶液浸提,钼锑抗比色法测定;速效钾采用1 moL/L中性NH4OAc提取,火焰光度计测定;全氮采用凯氏蒸馏法测定。

1.4数据处理首先运用域法剔除明显异常值。

利用ArcGIS空间校正模块对武汉市区矢量图层进行配准。

地理坐标系采用球面坐标WGS-84。

样点数据统计分析采用SAS 软件;地统计分析、半方差分析、模型建立及克里格插值采用ArcGIS 9.2软件中的地统计模块。

并生成武汉市区城市绿地土壤养分等级分布图。

2结果与分析2.1养分数据统计特征及正态性检验利用传统统计方法对研究区内绿地土壤养分数据进行分析,其结果见表1。

据观察,土壤pH值在6.490 0~8.050 0,平均值为7.629 2,属于中性、碱性土壤。

有机质含量在3.457 0~54.424 0 g/kg,平均值为23.854 0 g/kg,基本处于中等水平左右。

而且其最大值与最小值之间差异很大,可知武汉市绿地土壤有机质含量差异较大,其变异系数达到0.505,比较高。

全氮、速效磷、速效钾平均含量分别是1.121 3 g/kg、39.365 0 mg/kg、152.650 0 mg/kg,基本处于中等水平或偏下水平。

而从变异系数来看,pH值、有机质、全氮、速效磷、速效钾的变异系数分别是0.043、0.505、0.561、0.846、0.368。

以速效磷的变异系数最高,其次则是全氮的变异系数;这2种养分显示出高度的变异性。

pH值、速效钾的变异性明显很小。

土壤养分含量的变异系数取决于该养分是否由施肥补充、施用量大小和养分在土壤中的可移动性这三者决定的。

这可表示速效磷、全氮的施肥对于较大的变异系数起着重要的作用。

推测可能是因为城市绿地中施肥量及施肥次数不同造成。

2.2土壤养分样本数据的空间变异特征进行半变异函数建模其拟合参数见表2。

在进行半变异分析之前,若养分样本数据不符合正态分布,需进行对数转换,然后进行建模分析。

模型的选择取决于变异函数理论模型的9个拟合参数,而模型拟合程度的好坏在于均方根、均方差、标准差、标准均方根等参数。

预测误差(precited error)项是预测误差的一些统计值,可很好地体现预测的好坏。

其中,预测误差的均方根、平均预测标准差、平均标准差、标准均方根预测误差的前3项越小越好,最后1项越接近1越好[10]。

依据这一原则选择的模型主要是球状和指数模型。

据观察,pH值、有机质、全氮、速效磷、速效钾5种养分的块金值C0的值都是大于零值的。

理论上,当采样点间的距离为0时,半变异函数值应为0,但由于存在测量误差和空间变异,使得2个采样点非常接近时,它们的半变异函数值不为0,即存在块金值。

则可以说明这5种样本数据都存在测量误差和空间变异。

块金效应是由空间因素无关噪声引起的,是块金值与基台值之比,反映了土壤养分变量的空间相关性的程度。

如果C/(C0+C)值大于0.75时,则变量空间相关性很弱;C/(C0+C)值在0.25~0.75时,说明变量具有中等的空间相关性;C/(C0+C)值小于0.25时,表明变量具有强烈的空间相关性[11]。

所有样本数据的C/(C0+C)值都是各有不同,说明每个样本在空间自相关性上存在一定的差异。

pH值、有机质、全氮、速效磷、速效钾的C/(C0+C)值分别是0.459 40、0.882 80、0.661 28、0.691 94、0.593 82。

由此可知,有机质的空间相关性很弱,故不参与空间插值分析;其他养分都存在中等程度的空间相关性。

就以块金值与基台值的比值来说,全氮、速效磷、速效钾在研究区域的含量分布趋于大斑块状变异。

就参数值分析而言,以上函数的模拟是可行的。

2.3土壤养分空间插值及等级分布分析结合半方差分析结果,利用ArcGIS 9.2软件中的地统计模块中Geostatistical Wizard分别对采样点土壤全氮、有效磷、速效钾和pH值各项养分指标进行Kriging插值,其养分等级分布见图2。

由图2可知,武汉市绿地土壤大部分区域是属于碱性、中性;只有汉口及武昌一小部分区域的pH值属于弱酸。

速效钾含量较高等级的区域基本呈带状分布,从西南到东北成条状层次鲜明过渡,而且空间分布较零散,区域差异较大。

速效磷在汉口、汉阳区域含量最高,以此为中心区域,向两边扩展,依次减少;东南角区域含量最小。

总体上武汉市区绿地的速效磷含量处于较高的水平。

全氮含量在研究区域内由西南到东北方向含量依次增加,东北角区域即东湖与白沙洲东北角连线的地带全氮的含量最多。

理论上推测,全氮、速效磷、速效钾等养分与土壤pH值有一定的相关性,因为土壤的酸碱性直接影响了土壤溶液的成分及其有效性。

从图2来看速效磷与土壤pH值的正相关性较好,而其他养分的含量不太明显。

土壤养分含量的变异系数取决于该养分是否由施肥补充、施用量大小和养分在土壤中的可移动性这三者决定的。

就武汉城市绿地来说,估计是城市绿地集中施用肥料,导致该地区的全氮、速效钾存在较大差异。