杭州城市不同功能區(qū)內(nèi)土壤特征及其與廣布植物節(jié)節(jié)草之間的關系

徐同凱，楊 超，謝長永，陳 波

（杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，浙江杭州310036）

近年，隨著城市化進程的加快，城市化區(qū)域內(nèi)由于不同的土地利用方式導致城市生態(tài)環(huán)境發(fā)生了深刻的變化，原本疏松肥沃的土壤被硬質(zhì)的路面、高架橋、退化土壤、污染土壤等覆蓋，形成了大量的特殊城市生境類型［1－2］．城市化過程中土地利用空間格局的變化是引起土壤理化特征發(fā)生變化的根本原因［3－9］，此外，在不同時空尺度上，土地利用方式的強度及影響也并不相同［10］．

杭州在快速城市化進程中，城市建成區(qū)的功能分區(qū)也日益強化，城市土壤對人居環(huán)境質(zhì)量和城市生態(tài)功能的重要作用受到了學者的廣泛關注．周國華等［11］曾在較大尺度上對杭嘉湖地區(qū)土壤元素的時空變化進行了研究；趙興征等［12］研究表明杭州市城區(qū)土壤的空間異質(zhì)性明顯，并深受人類活動的影響；章明奎等［13］的研究也表明杭州市城市土壤有機碳具明顯的積累并有較大的空間變異性；劉兆云等［14］研究了杭州不同綠地年齡對土壤有機碳的積累，指出作為成土因素之一的時間因素在城市綠地土壤演變和性質(zhì)空間變異上起著重要的作用；王美青等［15］研究發(fā)現(xiàn)杭州市區(qū)土壤趨向堿性化，具有明顯的富磷特征．此外，對杭州城市土壤重金屬污染的研究工作也較多，各功能區(qū)土壤重金屬污染評價表明：市郊農(nóng)業(yè)區(qū)的污染最輕，市郊工業(yè)區(qū)和市內(nèi)商業(yè)區(qū)的污染較為嚴重［15］．

城市化過程中的不同土地利用方式不僅改變了城市植物賴以生存的環(huán)境條件，同時也深刻地影響著城市植物的類型和分布，特別是高強度的土地利用方式（即人為干擾）會對城市中草本植物的分布和生長產(chǎn)生強烈的影響［1］．一些特殊的城市雜草與人為干擾環(huán)境密切相關，如生長迅速、適應性強的節(jié)節(jié)草（Hippochaeteramosissimum）在城市不同生境中分布廣泛，一些研究表明節(jié)節(jié)草對土壤中重金屬的形態(tài)轉(zhuǎn)化有著顯著的作用［16－17］，但它與不同土地利用方式下土壤中氮、磷之間的關系未見報道．

杭州作為經(jīng)濟高速發(fā)展的城市之一，高強度的人類活動引起土地利用方式的急劇變化，勢必對城市土壤庫產(chǎn)生持續(xù)的時空影響，本文著重分析杭州市不同土地利用方式下土壤的有機碳、氮和磷的分布特征，以及生長于此的常見物種節(jié)節(jié)草植株有機碳、氮和磷的分布特征，以期深入了解杭州城市土地利用方式對土壤養(yǎng)分等理化性質(zhì)的影響及其與廣布植物之間的關系，為合理利用保護城市土壤提供科學依據(jù)．

1 研究方法

1．1 取樣與測定方法

城市不同的土地利用方式導致不同的城市功能區(qū)［1］，在踏查的基礎上，選擇高架下生境（120°11′410″E，30°18′456″N）、公路兩旁生境（120°14′773″E，30°18′631″N）和文教區(qū)（校園，120°23′639″E，30°19′442″N）作為本研究的不同功能區(qū)．

在每個功能區(qū)的代表性地段隨機設置5個采樣點，回避人工填充物．調(diào)查植被現(xiàn)狀，同時采集土壤樣品，按20cm間隔分3層（表層0～20cm、中層20～40cm、底層40～60cm）垂直取樣帶回．同時挖取植株，放入樣品袋帶回，實驗室內(nèi)清水洗凈后，區(qū)分出根、葉、花、莖等器官．

土壤樣品自然風干后研磨，過100目篩，裝密封袋備用．測定硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷、有機碳、全氮和全磷等指標，其中硝態(tài)氮采用酚二磺比色法、銨態(tài)氮采用納氏試劑比色法、有效磷采用雙酸浸提－鉬銻鈧比色法、有機碳采用濃硫酸－重鉻酸鉀外加熱法、全氮采用半微量凱氏法、全磷采用鉬銻比色法測定［18］．

植物樣品用烘箱105℃烘干至恒重，粉碎，過100目篩，采用濃硫酸－重鉻酸鉀外加熱法測定有機碳，半微量凱氏法測定全氮，鉬銻比色法測定全磷［18］．

1．2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

用SPSS17．0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，所有數(shù)據(jù)用平均值±標準誤表示．

2 結果與分析

2．1 不同功能區(qū)內(nèi)土壤有機碳含量的差異

高架下、公路邊和文教區(qū)內(nèi)土壤有機碳的分布特征見圖1a．可見，不同功能區(qū)間土壤有機碳的平均含量不同，且不同功能區(qū)同一層次土壤的含量間均存在極顯著差異（表層：F＝68．635，P＜0．01；中層：F＝21．538，P＜0．01；底層：F＝13．396，P＜0．01）．比較各功能區(qū)內(nèi)土壤有機碳的垂直分布，高架下各層土壤的含量存在顯著差異（F＝3．645，P＜0．05），且有機碳含量隨土壤深度的增加而逐漸降低，底層含量僅占總量的30．46%；校園內(nèi)的土壤有機碳含量在垂直剖面上也呈隨深度增加逐漸降低的趨勢，但各層次間差異不具統(tǒng)計學意義（F＝2．431，P＞0．05）；而公路邊的土壤有機碳含量隨著深度加深略呈增加趨勢，差異不具統(tǒng)計學意義（F＝0．06，P＞0．05）．

2．2 不同功能區(qū)土壤各形態(tài)氮磷含量的差異

在3個功能區(qū)間，各土壤的全氮含量存在極顯著差異（F＝38．399，P＜0．01），表現(xiàn)為高架下（0．345 g／kg）＞公路邊（0．296g／kg）＞校園內(nèi)（0．135g／kg）（圖1b），且土壤全氮含量在不同功能區(qū)土壤的同一垂直剖面上均存在極顯著差異（表層：F＝13．256，P＜0．01；中層：F＝21．871，P＜0．01；底層：F＝15．713，P＜0．01）．在垂直分布上，各功能區(qū)表層土壤的全氮含量均高于中層和底層的含量，尤其是高架下和公路邊的土壤全氮含量呈現(xiàn)明顯遞減趨勢．

圖1c顯示，不同功能區(qū)土壤全磷平均含量的差異無統(tǒng)計學意義（F＝1．841，P＞0．05），只是不同功能區(qū)土壤中層的全磷含量間有極顯著差異（F＝10．847，P＜0．01）．高架下土壤全磷含量隨著土壤深度的增加而逐漸減少，分別為表層0．169g／kg、中層0．166g／kg、底層0．132g／kg；而公路邊和校園內(nèi)的土壤全磷則沒有呈現(xiàn)規(guī)律的垂直變化趨勢，分別在0．111～0．195和0．078～0．312g／kg之間．

圖1 土壤有機碳及氮磷分布特征Fig．1 Distribution characteristic of the soil organic carbon and N，P

由圖1d可見，土壤表層和中層的氨氮含量在3個功能區(qū)間均存在顯著差異（表層：F＝3．614，P＜0．05；中層：F＝6．769，P＜0．05）．但各功能區(qū)內(nèi)的土壤氨氮在垂直分布上差異均無統(tǒng)計學意義（高架下：F＝1．429，P＞0．05；公路邊：F＝1．076，P＞0．05；校園內(nèi)：F＝0．183，P＞0．05），其中，校園內(nèi)土壤氨氮含量隨土壤深度的增加逐漸減少，由表層的12．844mg／kg降至底層的11．777mg／kg．而高架下和公路邊的土壤氨氮含量則沒有呈現(xiàn)規(guī)律性變化．

高架下、公路邊和校園的平均土壤硝氮分別為0．177、0．197和0．072mg／kg（圖1e），呈極顯著差異（F＝57．810，P＜0．01），且土壤硝氮含量在不同功能區(qū)的同一垂直剖面上均存在極顯著差異（表層：F＝14．818，P＜0．01；中層：F＝26．464，P＜0．01；底層：F＝44．366，P＜0．01）．高架下的土壤硝氮含量在垂直剖面上變化規(guī)律不明顯，無統(tǒng)計學意義（F＝0．960，P＞0．05）；公路邊和校園內(nèi)的土壤硝氮含量均隨著土壤深度的增加而逐漸降低，表層含量分別占總量的40．84%和54．89%，其中公路邊的呈顯著差異（F＝6．455，P＜0．05），而校園內(nèi)的呈極顯著差異（F＝11．041，P＜0．01）．

土壤有效磷表現(xiàn)出類似的趨勢，高架下、公路邊和校園的平均土壤有效磷分別為0．036、0．029和0．019mg／kg（圖1f），且土壤有效磷在不同功能區(qū)的同一垂直剖面上也均存在極顯著差異（表層：F＝9．755，P＜0．01；中層：F＝8．451，P＜0．01；底層：F＝8．800，P＜0．01）；此外，各功能區(qū)內(nèi)表層土壤的有效磷含量均遠高于中層和底層含量，并且均存在極顯著差異（高架下：F＝15．163，P＜0．01；公路邊：F＝194．246，P＜0．01；校園內(nèi)：F＝117．053，P＜0．01）．其中校園內(nèi)的土壤有效磷含量隨著土壤深度的增加而逐漸降低（由表層的0．052g／kg降至底層的0．002g／kg），高架下和公路邊土壤有效磷含量則沒有呈現(xiàn)規(guī)律性變化．

2．3 不同功能區(qū)節(jié)節(jié)草有機碳和氮磷含量的差異

由表1可見，不同功能區(qū)節(jié)節(jié)草植株有機碳平均含量依次為校園內(nèi)（352．27g／kg）＞高架下（315．32 g／kg）＞公路邊（303．68g／kg）．其中，不同功能區(qū)節(jié)節(jié)草根的有機碳含量間存在極顯著差異（F＝212．97，P＜0．01），地下莖和莖中的含量也存在極顯著的差異（地下莖：F＝19．970，P＜0．01；莖：F＝39．487，P＜0．01）．

表1 節(jié)節(jié)草各器官的有機碳含量Tab．1 Content of organic carbon in different organs of H．ramosissimum／（g／kg）

生長在同一功能區(qū)土壤中的節(jié)節(jié)草，其不同器官間的有機碳含量均有極顯著差異（高架下：F＝188．629，P＜0．01；公路邊：F＝244．690，P＜0．01；校園內(nèi)：F＝129．155，P＜0．01），但有機碳主要集中分布于莖和地下莖上，根部所占比率較少．

節(jié)節(jié)草植株平均全氮含量表現(xiàn)為公路邊（2．680g／kg）＞校園內(nèi)（2．501g／kg）＞高架下（2．441g／kg）（圖2a）．在不同功能區(qū)間，節(jié)節(jié)草根的全氮含量存在極顯著差異（F＝27．436，P＜0．01）；莖和地下莖全氮含量也有極顯著差異（莖：F＝44．535，P＜0．01；地下莖：F＝13．666，P＜0．01）．而生長在同一功能區(qū)土壤中的節(jié)節(jié)草，其不同器官間的全氮含量均有極顯著差異（高架下：F＝118．821，P＜0．01；公路邊：F＝20．165，P＜0．01；校園內(nèi)：F＝24．688，P＜0．01）．同樣，節(jié)節(jié)草植株的全氮主要分布于莖和地下莖，根部較少．比較不同功能區(qū)節(jié)節(jié)草各器官的全氮平均含量，分別為：高架下莖（1．965g／kg）﹤根（2．041g／kg）﹤地下莖（3．156g／kg）；公路邊根（1．980g／kg）﹤莖（2．621g／kg）﹤地下莖（3．157g／kg）；校園內(nèi)根（2．102g／kg）﹤地下莖（2．423g／kg）﹤莖（2．817g／kg）．

圖2 節(jié)節(jié)草各器官全氮和全磷含量Fig．2 Content of total N and total P in different organs of H．ramosissimum

由圖2b可見，高架下和公路邊節(jié)節(jié)草植株平均全磷含量較高，分別為2．620和2．696g／kg，而校園內(nèi)的較低，僅2．172g／kg，3個功能區(qū)間差異極顯著（F＝5．382，P＜0．01）．同一功能區(qū)土壤中的節(jié)節(jié)草，其不同器官間的全磷含量均有極顯著差異（高架下：F＝2 153，P＜0．01；公路邊：F＝1 732．387，P＜0．01；校園內(nèi)：F＝515．009，P＜0．01）．高架下和校園內(nèi)節(jié)節(jié)草莖的全磷含量均較低，高架下節(jié)節(jié)草地下莖的全磷含量最高（3．726g／kg），而校園內(nèi)節(jié)節(jié)草根的全磷含量則最高（2．488g／kg）．

2．4 各功能區(qū)節(jié)節(jié)草與土壤之間有機碳、N、P的相關性

運用Pearson相關系數(shù)法，分析了不同功能區(qū)土壤中有機碳、全氮、全磷等含量與節(jié)節(jié)草植株中有機碳、全氮、全磷含量之間的相關性（表2）．

節(jié)節(jié)草植株有機碳含量與高架下土壤中層和底層的有機碳含量分布存在著極顯著相關（P＜0．01）和顯著相關（P＜0．05），同時，與校園內(nèi)土壤表層有機碳含量成顯著負相關（P＜0．05）．

節(jié)節(jié)草植株全氮含量與高架下各層土壤相關性較低，與公路邊土壤全氮含量成顯著負相關（P＜0．05）；在校園生境中，節(jié)節(jié)草植株全氮與中層土壤全氮含量成顯著負相關（P＜0．05）．

節(jié)節(jié)草植株全磷含量除與校園表層土壤成負相關外（P＜0．05），與其它功能區(qū)內(nèi)土壤不同垂直剖面均沒有相關關系．

表2 植物與土壤之間有機碳及N、P的相關系數(shù)Tab．2 Correlation coefficients of organic carbon，N and P in plant and soil

3 討 論

3．1 不同功能區(qū)內(nèi)土壤有機碳的分布特征

土壤有機碳的數(shù)量和質(zhì)量影響著土壤性質(zhì)和過程，在維持土壤質(zhì)量、控制養(yǎng)分和污染物的生物有效性中起著重要作用，而城市土壤有機碳數(shù)量和質(zhì)量在很大程度上受到城市土地利用方式和管理措施的影響［14］．本研究表明杭州市城市土壤有機碳具有較大的空間異質(zhì)性，與前人研究結果一致［13，15］．此外，有研究表明土地利用方式的改變導致土壤有機碳含量下降，尤其是干擾易導致表層土壤有機碳的下降［5］．本研究結果表明：在相對穩(wěn)定的功能區(qū)內(nèi)（高架下和校園），土壤有機碳含量隨土壤深度的增加而逐漸降低，其中高架下土壤有機碳含量差異顯著（P＜0．05）．高架下和校園生境中土壤相對穩(wěn)定，植被構成也較穩(wěn)定，土壤有機碳含量較大（3．990～9．975g／kg）；而公路兩旁生境在城市化進程中經(jīng)常受到較強的人為干擾，土壤被多次翻動，土壤有機碳含量較低，且3層之間差異不大（圖1a）．

3．2 不同功能區(qū)內(nèi)土壤氮、磷的分布特征

氮和磷作為土壤生物地球化學循環(huán)過程中兩種重要的營養(yǎng)元素，其含量的變化是影響土壤理化性質(zhì)的重要指標［19］．研究結果表明不同功能區(qū)土壤全氮含量存在極顯著差異（P＜0．01），在垂直剖面上，3個功能區(qū)表層土壤的全氮含量均高于其中層和底層．同時本研究結果也表明不同功能區(qū)土壤表層和中層氨氮含量存在顯著差異（P＜0．05），高架下和校園生境平均土壤氨氮分別為14．417，12．431mg／kg，而公路兩旁平均土壤氨氮較低（9．895mg／kg）．土壤中氮主要來源于動植物殘體分解、各類生活及建筑垃圾、微生物固氮和人工施肥［15］，但在城市不同功能區(qū)內(nèi)，因管理措施不同，植物的枯枝落葉是否被清除對土壤養(yǎng)分有一定影響．筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不少高架下存在枯枝落葉，而校園和公路旁枯枝落葉經(jīng)常被清理，不能被土壤微生物分解利用，營養(yǎng)循環(huán)中斷，導致其土壤氨氮含量較低．

一般認為，土壤中硝態(tài)氮不穩(wěn)定，易受干擾影響［20］，對土壤的過度干擾（如土壤被多次翻動）導致公路兩旁土壤表層的硝態(tài)氮和全氮含量較高．由于硝態(tài)氮較銨態(tài)氮更易于淋溶，且銨態(tài)氮為可交換態(tài)陽離子，容易被帶負電荷的土壤粘粒和膠體所吸附，因此土壤的硝態(tài)氮值一般遠低于銨態(tài)氮［20］，本文研究也表明這一現(xiàn)象．

全磷是衡量土壤中各種形態(tài)磷素總和的一個指標，有效磷相對地說明了土壤的供磷水平．本文研究發(fā)現(xiàn)，高架和校園相對穩(wěn)定的生境中土壤表層的全磷含量較高（分別為0．169，0．177g／kg），有效磷也表現(xiàn)出同樣結果．由于磷在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化包括擴散、吸附、解吸、沉積、埋藏積累、有機磷礦化等一系列環(huán)節(jié)，這就決定了土壤中有效磷的含量受到多種復雜因素的共同影響［21］，穩(wěn)定的土壤環(huán)境有利于提高其磷素含量，尤其是有效磷的含量（圖1f）．

3．3 節(jié)節(jié)草與不同功能區(qū)土壤有機碳及N、P之間的關系

城市雜草是一類具有強適應性和高可塑性的廣適性物種，可對城市生境異質(zhì)化做出快速反應，并通過改變自身的形態(tài)、生理、行為而適應變化的生境，其生理適應機制是目前關注的重點［1，22］．節(jié)節(jié)草生長迅速，常生長在路邊、砂地甚至礦業(yè)廢棄地等極端生境中，不少研究指出節(jié)節(jié)草的生長對重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化和土壤酶活性具有影響，其地下部分的生長狀況對土壤酶活性的作用更為密切［16－17］．本文結果表明，作為城市中的一種常見雜草，節(jié)節(jié)草在相對不穩(wěn)定的生境（如公路兩旁）中，其植株體內(nèi)有機碳含量與土壤有機碳之間沒有顯著相關關系；而在相對穩(wěn)定的生境（如高架下）中，植株有機碳與土壤中層、底層的有機碳含量分布存在著極顯著相關，因此，其植株體內(nèi)有機碳與相對穩(wěn)定的土壤中有機碳含量有關．節(jié)節(jié)草植株內(nèi)的全氮表現(xiàn)出與相對不穩(wěn)定和相對穩(wěn)定的土壤中全氮含量均相關的趨勢．植株全磷除與校園表層土壤全磷含量成負相關性外，與其它功能區(qū)內(nèi)土壤不同垂直剖面均沒有相關關系．這表明土壤中全氮和全磷的含量與節(jié)節(jié)草的分布幾乎沒有相關聯(lián)系，節(jié)節(jié)草的生長與繁殖對土壤中氮磷元素的含量沒有要求，這也從一定程度上反映出節(jié)節(jié)草的適應性強，在城市路邊、荒地等相對干擾較大的生境中均有生長，在相對穩(wěn)定的生境（高架下、校園等）同樣分布廣泛，能夠在各類環(huán)境中生長．

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