公園土壤pH值空間分異特征及影響因素研究
——以湘潭市建成區(qū)雨湖、菊花塘公園為例

王若飛,陳長瑤,張勇,王濤

(1.云南師范大學(xué) 地理學(xué)部,云南 昆明,650500;2.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭,411100)

土壤pH值是土壤理化性質(zhì)的重要指標(biāo)之一,在城市化背景下,城市快速擴(kuò)張使得城市土地利用率、人口密度、交通密度激增,直接導(dǎo)致城市土壤污染加劇[1–2],表層土壤營養(yǎng)平衡失調(diào),土壤pH值不斷升高。高質(zhì)量發(fā)展背景和綠色發(fā)展理念指導(dǎo)下,城市公園綠地土壤的理化性質(zhì)關(guān)系人類的高品質(zhì)生活和生態(tài)文明建設(shè),同樣需得到重視。國外學(xué)者[2–4]對人類的物質(zhì)干擾、城市交通和人口密度以及城市基礎(chǔ)設(shè)施急劇增加對土壤理化性質(zhì)的變化和一些城市環(huán)境問題進(jìn)行了考慮和研究;90年代以后,國內(nèi)學(xué)者也逐步開始土壤理化性質(zhì)的研究。隨著快速城市化過程學(xué)界對城市土壤日漸關(guān)注,朱純等[5]對廣州市荔灣區(qū)的研究表明人口密度和機(jī)動車流量越高,土壤由酸性趨于堿性,城市化活動導(dǎo)致土壤堿化。而熊詠梅等[6]則研究發(fā)現(xiàn),荔灣老城區(qū)人工建植綠地土壤主要為中性及微堿性,城郊農(nóng)區(qū)和郊區(qū)林區(qū)以酸性及強(qiáng)酸性為主。影響因素方面:楊紅等[7]發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式下土壤pH值有較小的垂直空間變異性,并且主要受植被和田間管理的綜合影響。李婷等[8]通過對1982年和2002年成都平原土壤pH值的分析發(fā)現(xiàn)成土母質(zhì)、土地利用方式、施肥措施和工業(yè)發(fā)展明顯影響土壤pH值的變化。趙凱麗[9]等發(fā)現(xiàn)馬尾松林、濕地松林、闊葉林下不同母質(zhì)發(fā)育的紅壤均呈酸性或強(qiáng)酸性。學(xué)界對城市土壤的研究主要集中在廣東[5–6]、杭州[10]等發(fā)達(dá)城市城區(qū)。肖玲瓏對湖南郴州礦區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行了研究,但湖南地區(qū)城市公園綠地土壤pH值的研究成果略顯不足。同時不同區(qū)域有其獨(dú)特的區(qū)域?qū)傩?不同城市化進(jìn)程下相關(guān)理論成果與湘潭狀況不一定相適應(yīng)。隨著長株潭一體化和城市建設(shè)的加快,湘潭地區(qū)土壤污染等環(huán)境問題日漸尖銳,由此,本文以湘潭市中心雨湖公園和菊花塘公園為例,基于空間插值理論,運(yùn)用反距離加權(quán)(IDW)插值、緩沖區(qū)分析和標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法,對雨湖公園和菊花塘公園土壤pH值的空間分異特征及其影響因素進(jìn)行研究,以揭示湘潭市城市濕地土壤的空間變異特征及其影響因素,以期對該區(qū)土壤酸堿度的調(diào)控和可持續(xù)利用及區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與樣品采集

1.1 研究區(qū)概況

湘潭市(111°58′～113°05′E,27°21′～28°05′N)位于湖南省中東部, 亞熱帶溫濕氣候, 植被以人工林為主,土壤為紅壤,母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土。截至2017年湘潭市轄區(qū)面積652 km2,市轄區(qū)人口密度約1334人/km2。建成區(qū)面積80 km2,綠化覆蓋面積3 367 hm2,綠化率45.81%。公園綠地面積888 hm2,個數(shù)12個,占地173 hm2。

雨湖區(qū)是是湘潭市商貿(mào)、科教、文化中心。人口密度約1 241人/km2。建成區(qū)植被覆蓋率為41.3%(2017年)。雨湖公園正坐落于此,占地21 hm2,其中雨湖水面占地約12 hm2,是湘潭最大的湖泊。岳塘區(qū)是湘潭市政治中心和重要工業(yè)區(qū),人口密度約1 401人/km2。城鎮(zhèn)建成區(qū)綠化覆蓋率為45%。城鎮(zhèn)化率達(dá)95.67%。主要的工業(yè)類型為冶金、機(jī)電、化工、化纖、紡織、煤炭等。而菊花塘公園則位于岳塘區(qū)湘鋼東北部,占地14 hm2,植被覆蓋率高,以松杉樹和灌木為主。

1.2 樣品采集與處理

兼顧代表性和均勻性,依據(jù)當(dāng)?shù)刂車ㄖh(huán)境與自然環(huán)境、土地利用狀況等因素,采用GPS進(jìn)行定點取樣,使用彼得遜采泥器和土壤環(huán)刀分別進(jìn)行湖底淤泥和周邊土壤的采集,所有樣品均使用聚乙烯自封袋封裝并標(biāo)號處理。隨后將所采土壤樣品在實驗室進(jìn)行自然風(fēng)干,并利用恒溫烘箱在105℃下烘干48 h后利用四分法取適量土壤利用瑪瑙研缽研磨,過1 mm篩供測定土壤pH值。稱取5 g土壤樣品置于50 mL燒杯中,用量筒加25 mL去離子水,攪拌1 min使土體充分散開,放置1小時,避免空氣中有氨及揮發(fā)性酸,然后以PHS-3B型酸度計測定土壤pH值,重復(fù)3次,取平均值作為該土壤的pH值。

圖1 研究區(qū)域

2 研究方法

2.1 數(shù)理統(tǒng)計

首先,對土壤樣品進(jìn)行進(jìn)行預(yù)處理,在SPSS 22.0上運(yùn)用描述性統(tǒng)計和相關(guān)性分析獲取土壤pH值的統(tǒng)計特征值,包括最大最小值,平均數(shù)及變異系數(shù)等,同時用K-S檢驗驗證數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布,如不符合則進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。最后用地統(tǒng)計軟件GS+9.0應(yīng)用變異函數(shù)構(gòu)建半方差函數(shù)模型分析雨湖公園和菊花塘公園土壤pH值的空間自相關(guān)程度和空間異質(zhì)性。

2.2 反距離加權(quán)(IDW)插值

反距離加權(quán)(IDW)插值認(rèn)為,每個采樣點對插值結(jié)果的影響隨距離增加而減弱,權(quán)值與距離成反比,相比于其他插值,IDW法簡便易行,運(yùn)算速度快,具有良好的可適應(yīng)性,可根據(jù)具體問題的不同而改變和優(yōu)化權(quán)值函數(shù)[12]。以此分析雨湖公園和菊花塘公園土壤pH值的空間分布特征。

(1)插值公式:

(2)權(quán)重計算公式:

其中,Z(S0)為S0處的預(yù)測值;λi為各樣點的權(quán)重;Z(Si)為Si的測量值;di0為預(yù)測點S0和已知采樣點Si之間的歐式距離;P為指數(shù)值,距離越近權(quán)重越高。最后采用交叉驗證方法對建立的模型進(jìn)行預(yù)報檢驗,求預(yù)報誤差,并記錄其均方根。一般Root-Mean-Square(以下用RMS表示)越小越好。

2.3 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)是地理空間目標(biāo)的一種影響范圍或服務(wù)范圍[13],是對選中的一組或一類地圖要素(點、線或面)按設(shè)定的距離條件,圍繞其元素而形成一定緩沖區(qū)多邊實體,便于在二維平面上進(jìn)行信息分析。應(yīng)用緩沖區(qū)分析,以雨湖公園和菊花塘公園為中心,以200 m為間隔生成緩沖區(qū),0～1 000 m為范圍,并將該圖與城市服務(wù)分類圖疊加,得到2個公園的緩沖區(qū)面積、緩沖區(qū)內(nèi)的各城市服務(wù)類型的分布及數(shù)目。據(jù)此分析城市公園綠地區(qū)土壤pH值與城市建設(shè)的關(guān)系。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方法從重心、展布范圍、方向、形狀和密集性等多角度揭示地理要素的空間分布整體特征[14]。橢圓中心可以反映城市服務(wù)在空間上的相對位置(重心);轉(zhuǎn)角θ顯示其在空間上的主趨勢方向;長、短軸可以體現(xiàn)要素空間分布的形態(tài);在標(biāo)準(zhǔn)差橢圓上分布的要素總量可以體現(xiàn)其在空間上展布的密集程度。運(yùn)用ArcGIS10.2相關(guān)模塊對2個公園各城市服務(wù)類型做標(biāo)準(zhǔn)差橢圓并對各參數(shù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 統(tǒng)計和空間結(jié)構(gòu)分析

兩公園土壤pH值經(jīng)過K-S檢驗,P值>0.05,通過顯著性檢驗,均符合正態(tài)分布。雨湖公園土壤pH值平均值為7.26,最大值為8.26,最小值為5.30,土壤以中性和堿性為主,約占86%,部分土壤呈酸性,約占14%。菊花塘公園土壤pH值平均值為6.49,最大值為7.34,最小值為4.98,土壤偏中酸性,中性土壤約為44%,酸性土壤約50%,少部分為強(qiáng)酸性土壤,占6%。變異系數(shù)(CV)用來反映數(shù)據(jù)的離散程度,CV<10%弱變異性,10%100%為強(qiáng)變異性[8]。雨湖公園土壤pH值具有中等變異性,菊花塘公園為弱變異性。決定系數(shù)(R2)分別為0.64和0.54,理論模型擬合度較好。塊金值和基臺值的比值(塊基比)表示土壤pH值的空間自相關(guān)程度[8]。研究區(qū)兩公園塊基比分別為0.135%和0.064%,小于25%,具有強(qiáng)空間相關(guān)性,表明土壤pH值受成土母質(zhì)、植被類型、地形地貌等結(jié)構(gòu)因素影響較大。同時菊花塘公園土壤pH值的變程較大(6.05 m),空間連續(xù)性較好,而雨湖公園為1.06 m,連續(xù)性相對較差。

表1 采樣點土壤pH值的統(tǒng)計特征值

表2 土壤pH值半方差函數(shù)模型及參數(shù)

3.2 空間分布特征分析

利用地統(tǒng)計軟件GS+9.0反距離加權(quán)插值法,呈現(xiàn)雨湖及菊花塘pH值插值平面圖,更直觀反映出兩個公園土壤pH值的分布特征,并用交叉驗證的方法進(jìn)行模型的精度驗證。決定系數(shù)R2分別為0.58和0.80,均大于0.5,通過交叉驗證[12]。

雨湖公園土壤以中性和微堿性為主,土壤pH值高值區(qū)大致位于公園東部尤其是東北部,低值區(qū)位于西北部。高值點分布在YH-19、YH-20、YH-2、YH-3和YH-14周圍;低值點位于YH-1、YH-13和YH-18。菊花塘公園土壤pH值與雨湖公園相比明顯偏低,土壤整體呈中、酸性,高值區(qū)位于中西部和東南部,低值區(qū)位于西北部(圖2)。

圖2 公園土壤pH值IDW插值圖

土壤pH值與植物種類以及凋落物類型和豐缺程度密切相關(guān)[15],樹干莖流雨、根系分布、凋落物的分解以及其對鹽基陽離子的吸收是土壤酸化的主導(dǎo)因素[16]。其次,不同母質(zhì)發(fā)育下的紅壤以第四紀(jì)紅土紅壤酸化最為嚴(yán)重[9]。研究區(qū)屬于亞熱帶溫濕氣候,土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤,植被以亞熱帶人工林為主。因此雨湖公園低值點YH-1、YH-13、YH-18,菊花塘公園西部、西北部JT-2及JT-11、JT-14土壤pH值較低與采樣點植被茂密,且多松杉類樹木,莖流雨中大量H+的輸入,使得表土酸化有關(guān)。同時凋落物的分解、針葉林根系酸性物質(zhì)的分泌都使得公園土壤酸化,而且遠(yuǎn)離城市建筑和道路,受城市混凝土和建筑廢料堿化影響小,土壤 pH值較低。

3.3 城市功能網(wǎng)點分布對土壤pH值的影響

隨著距市中心距離的減少,機(jī)動車流量大的區(qū)域土壤pH值呈中性或堿性[5]。城市土壤中多混有建筑廢料、垃圾及其他堿性混合物等。公園海拔較低,尤其雨湖是積雨而成的湖泊,受周圍環(huán)境影響較大。亞熱帶氣候多降水,受雨水沖刷和壤中流影響,混凝土等堿性物質(zhì)匯入河湖等低地,使得公園湖泊及周圍土壤向堿化方向演變。因此,大部分城市綠地土壤由于大面積建筑物及城市人流車流量的影響,城市土壤pH值高于郊區(qū)和林區(qū)[6]。

空間上,隨著距公園距離增加,城市功能網(wǎng)點先增加后減少。雨湖公園在800 m數(shù)量達(dá)到最多,有1 643個,菊花塘公園在600 m達(dá)到最高,數(shù)量為1 405個(圖3)。根據(jù)《公園設(shè)計規(guī)范》(GB51192-2016),0.05～0.2 km2的綜合公園服務(wù)半徑為1 000到2 000 m[17]:400到800米的步行距離讓人們感到舒適和可以忍受。因此雨湖和菊花塘公園城市服務(wù)在400～800 m左右布局最多,而作為湘潭市商業(yè)和科教中心,雨湖公園較菊花塘多2 000多個服務(wù)網(wǎng)點,商業(yè)繁華,生活性、科教、交通服務(wù)眾多,受人為因素干擾大,土壤被壓實,孔隙變小,同時受雨水沖刷作用土壤多為中性至堿性。雨湖公園和菊花塘公園1 000 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)生活性服務(wù)數(shù)量約占總城市服務(wù)類型的91.85%和91.46%,人流量對雨湖和菊花塘公園土壤性狀影響較大,其次為科教服務(wù)、交通服務(wù)和工業(yè)。菊花塘公園緩沖區(qū)內(nèi)共有工業(yè)41個,在600 m以內(nèi)20個,且多為鋼鐵、冶金化工和和紡織類工業(yè)。土壤是處理生產(chǎn)生活廢物場所,各類有機(jī)無機(jī)污染物可直接進(jìn)入土壤,致使土壤pH值降低[10]。工業(yè)的發(fā)展使得“三廢”排放增加,特別是含 SO2廢氣排放引起的干沉降,固體廢棄物中所含酸性物質(zhì)通過大氣擴(kuò)散或降水淋濾和含SO42-的廢水的排放可直接進(jìn)入土壤引起 pH的下降。而鋼鐵工業(yè)又極大地促進(jìn)了煤炭的持續(xù)消耗,向大氣排放的SO2和 NOx不斷增多[18],大大加劇了酸雨的進(jìn)程,使得菊花塘整體尤其西部地區(qū)土壤pH值偏低。

表4 城市服務(wù)類型的緩沖區(qū)統(tǒng)計

圖3 城市功能網(wǎng)點分布圖

3.4 城市化和工業(yè)對土壤pH值的影響

雨湖公園橢圓中心與中心城區(qū)分布相一致,雨湖公園東北部受工業(yè)影響較小,受城市化影響較大,湘鋼對菊花塘公園土壤性狀影響較大。公園綠地土壤被不斷壓實,公園土壤向堿化方向發(fā)展,大量冶金和紡織行業(yè)的布局又使附近土壤酸化(表5和圖4)。

圖4 雨湖和菊花塘公園城市服務(wù)類型空間格局

表5 雨湖和菊花塘公園標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)

分布中心:兩公園各城市服務(wù)類型中心分布較為集中,雨湖公園橢圓中心位于北部,菊花塘主要分布在東部,與中心城區(qū)分布相一致。繁華的商業(yè),眾多的人流車流量使得中心周圍土壤雨湖北部、東北部和菊花塘東部與東南部趨向堿化,菊花塘公園交通服務(wù)橢圓中心偏南,說明菊花塘東南部交通較發(fā)達(dá),人流車流量較大,與圖2中菊花塘東南部土壤偏向堿性吻合。同時工業(yè)中心產(chǎn)生的“三廢”也可能使得部分土壤酸化。

分布范圍:雨湖公園橢圓面積集中在1.6～2.1 km2內(nèi),集中在雨湖公園北部,各城市功能類型橢圓覆蓋范圍都與雨湖公園交叉,其中交通服務(wù)覆蓋面最大,覆蓋整個雨湖公園,布局分散。菊花塘橢圓面積集中在1.0 km2到1.8 km2,其中工業(yè)范圍最大表明菊花塘周邊工業(yè)分布較分散。

分布方向:雨湖橢圓轉(zhuǎn)角由49.69°到67.12°,大致呈北偏東—南偏西方向,與湘江分布密切相關(guān),其中工業(yè)轉(zhuǎn)角為46.69°,受東北方向牽引,呈東北-西南方向,向東北發(fā)展趨勢明顯,遠(yuǎn)離雨湖公園,說明雨湖公園東北部受工業(yè)影響較小,受城市化影響較大,與雨湖公園土壤pH值插值圖西北呈酸性,東南呈堿性相吻合。菊花塘橢圓轉(zhuǎn)角從115.71°到168.19°大致呈北(偏西)—南(偏東)方向,而工業(yè)橢圓受到湘鋼拉力影響呈西北—東南向。說明湘鋼對菊花塘公園土壤性狀影響較大。

分布形狀:受湘江影響雨湖公園較菊花塘公園城市服務(wù)分布整體方向性更明顯,而菊花塘則布局更分散。從公園內(nèi)部來看,雨湖公園工業(yè)橢圓長短軸差距最大,集中分布在雨湖公園北部和西北部,方向性最明顯,對北部尤其是西北部土壤有酸化作用。其次為交通服務(wù),機(jī)動車流量小的區(qū)域土壤pH值呈酸性,機(jī)動車流量大的區(qū)域土壤pH值呈中性或堿性[7]。交通設(shè)施和混凝土道路的修建以及車流量增多對土壤的壓實作用也對周圍土壤產(chǎn)生堿化作用?？平毯蜕钚苑?wù)橢圓方向性較差,圍繞雨湖公園分散,說明雨湖公園土壤pH值受科教和生活性服務(wù)等城市化影響較大,使土壤酸堿度升高。而菊花塘公園工業(yè)橢圓的長短軸差最小,圍繞菊花塘公園分布分散,工業(yè)三廢的排放使菊花塘公園土壤pH值降低。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

基于統(tǒng)計學(xué)、反距離插值法(IDW)、緩沖區(qū)分析和標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方法,探究湘潭市雨湖公園和菊花塘公園土壤pH值的空間異質(zhì)及其影響因素,研究表明:

(1)雨湖公園土壤pH值平均值為7.26,以中性和堿性土壤為主,約占86%;菊花塘公園土壤pH值平均值為6.49,土壤偏酸性和中性。其中,中性土壤約占44%,酸性土壤為50%,同時兩公園土壤pH值半方差函數(shù)模型分別與球狀模型和高斯模型擬合較好,具有強(qiáng)空間相關(guān)性,并受結(jié)構(gòu)性因素影響較大;

(2)雨湖公園土壤pH值大致東部高,西部低,東北部尤高,西南偏高,西北部較低;菊花塘公園土壤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,東部比西部偏高。低值區(qū)受植被和母質(zhì)酸化影響較大,高值區(qū)受到城市化影響;

(3)雨湖公園周圍比菊花塘城市服務(wù)網(wǎng)點約多2 000個,生活性、科教、交通服務(wù)眾多,人流、車流量密集,建筑密度大,人為因素干擾大,土壤的大量壓實,混凝土的廣泛使用,使得雨湖公園土壤多為中性至堿性。菊花塘公園土壤受城市堿化作用影響同時受工業(yè)影響較大,工業(yè)“三廢”的排放使得菊花塘整體尤其西北部地區(qū)土壤pH值偏低;

(4)各城市服務(wù)功能類型橢圓范圍都與各自公園相交或覆蓋。雨湖公園橢圓中心位于公園北部,大致呈北偏東—南偏西方向,工業(yè)受東北方向牽引,呈東北—西南方向,遠(yuǎn)離雨湖公園。菊花塘公園橢圓中心主要分布在東南部,橢圓大致呈北(偏西)—南(偏東)方向,而工業(yè)呈西北—東南向,受湘鋼影響較大;

(5)雨湖和菊花塘公園中土壤pH值的高低與自然和人為因素密切有關(guān)。亞熱帶人工林和第四紀(jì)紅土的酸化作用顯著。同時城市建筑密集,人流車流量大,土壤被壓實的同時大量混凝土的使用,致使城市土壤pH值升高。工業(yè)區(qū)“三廢”的排放和酸沉降使得公園土壤趨于酸性。

4.2 討論

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快,城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛、人們生活水平不斷提高,但城市化帶來的一系列問題也日益凸顯。土壤的理化性質(zhì)是反映城市環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo),而土壤pH值可通過控制土壤中重金屬元素的存在形式、有效性及遷移轉(zhuǎn)化特性從而對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。隨著城市用地規(guī)模和人口的不斷擴(kuò)張,城市建筑和道路的不斷興建,湘潭市也面臨著城鎮(zhèn)化水平不斷提高與空間需求日益擴(kuò)大的矛盾以及工業(yè)化水平持續(xù)提高與資源環(huán)境承載力有限的矛盾。因此,湘潭市政府要全面貫徹落實生態(tài)文明理念,堅持可持續(xù)發(fā)展,立足本區(qū)域資源、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和發(fā)展?jié)摿σ?guī)范開發(fā)秩序,努力提高資源利用和配置效率,構(gòu)建區(qū)域布局合理、功能定位明確、人與自然和諧相處的空間開發(fā)格局;社區(qū)居民應(yīng)不斷提高生態(tài)文明意識、環(huán)保意識,不斷調(diào)整自身生產(chǎn)活動以適應(yīng)國家公園保護(hù)要求的可持續(xù)發(fā)展。