城市绿地土壤肥力对城市植被生态服务功能起到关键支撑作用(刘占锋等，2006；李志国等，2013)，土壤有机质、氮磷钾及其有效态、土壤密度、pH等是土壤肥力的重要表现形式，其含量及空间分布直接影响植被生产力(纪浩等，2012；张丽娜等，2013；Li et al., 2014)。土壤肥力评价方法有很多，如内梅罗指数法(单奇华等，2009；杨皓等，2015；田绪庆等，2015)和层次分析法(汪贵斌等，2010；纪浩等，2012)等，而在众多评价方法中应首选内梅罗指数法(包耀贤等，2012)。此外，GIS与地统计学相结合评价土壤肥力已经得到广泛应用(Peng et al., 2013；沈一凡等，2016)，该方法能够有效解释空间格局的产生机制，有利于探讨土壤养分与环境因子之间的关系(胡忠良等，2009；司建华等，2009；张伟等，2013)。

目前，城市土壤研究主要集中在理化性质调查及污染物分析等方面，城市绿地土壤肥力及其空间分布研究还较少(顾兵等，2010；杨奇勇等，2011)。本研究分析哈尔滨城市绿地土壤肥力现状，并利用ArcGIS地统计学模块工具研究其空间结构特征，绘制了土壤肥力指标分布图，拟回答如下3个问题：1)哈尔滨城市绿地土壤肥力现状如何，形成原因是什么；2)不同绿地类型土壤肥力差异多大，其限制因子有哪些；3)基于土壤肥力特征提升城市植被生态服务的建议。以期为基于土壤肥力特征的城市绿色基础设施建设与管理提供支撑，进而提升城市植被生态服务功能。

1 研究区概况

哈尔滨市(125°42′—130°10′E，44°04′—46°40′N)地处中国东北部，黑龙江省南部。气候属中温带大陆性季风气候，冬长夏短，全年平均降水量569.1 mm，降水主要集中在6—9月，夏季占全年降水量的60%，集中降雪期为每年11月至翌年1月，四季分明，冬季1月平均气温-19 ℃，夏季7月平均气温23 ℃。黑土是哈尔滨分布最广、数量最多的土壤类型。哈尔滨市区主要树种有杨柳科(Salicaceae)、榆科(Ulmaceae)等阔叶树种和红松(Pinus koraiensis)、落叶松(Larix gmelinii)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)等松科(Pinaceae)树种。

2 研究方法 2.1 土壤样品采集

2014年8月，采用分层抽样法在哈尔滨市设立257块20 m×20 m样地(其中道路林绿地与生态公益林绿地通常为带状分布，依据其固定的宽度并调整调查的长度使调查面积在400 m² 左右)。按照城市森林绿地分类方法(何兴元等，2004)，分别选取景观林绿地(市区公园等，树种主要为杨柳科、榆科、松科)43块、单位附属林绿地(市区住宅小区、学校绿地等，主要树种与景观林类似)58块、道路林绿地(市区主干道及街道绿化带等，树种主要为杨柳科)58块、生态公益林绿地(农田防护林等，以杨柳科树种为主)58块以及郊区农田40块，生态公益林树木胸径平均为27 cm，其他类型树木胸径平均为21 cm。每块样地随机取4环刀0~ 20 cm土层土壤(环刀容积为100 cm³)，每块样地混为1个样品，共采集257个土样。待样品自然风干至恒质量，粉碎研磨，分别过2 mm和0.25 mm土壤筛备用。

2.2 土壤肥力指标测定

采用环刀法测定土壤密度；pH计法测定pH值；重铬酸钾外加热法测定有机质含量；半微量凯氏定氮法测定全氮含量；NaOH熔融钼锑抗比色法测定全磷含量；NaOH熔融原子吸收分光光度计法测定全钾含量；NaOH碱解扩散法测定水解性氮含量；碳酸氢钠浸提钼蓝比色法测定有效磷含量；乙酸铵浸提原子吸收分光光度计法测定速效钾含量。(鲍士旦，2000)。

2.3 土壤肥力单项指标评价

参照全国第二次土壤普查及有关标准(阚文杰等，1994；单奇华等，2009；杨皓等，2015；田绪庆等，2015)(表 1)，对哈尔滨城市绿地土壤有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、水解性氮含量、有效磷含量、速效钾含量、pH值和土壤密度等肥力指标进行评价，并比较不同绿地土壤差异。

2.4 土壤综合肥力评价

采用改进的内梅罗综合指数法对哈尔滨城市绿地土壤肥力质量进行综合评价(阚文杰等，1994；单奇华等，2009；杨皓等，2015；田绪庆等，2015)。参照第二次土壤普查中的土壤各属性分级标准(表 2)对所选指标参数进行标准化以消除各参数之间的量纲差别，标准化处理方法如下：

$ \begin{array}{l} {\rm{当属性值属于差的一级, 即}}{c_i} \le {x_a}{\rm{时}}, {F_i} = \\ {c_i}/{x_a}\left({{F_i} \le 1} \right); \end{array} $

(1)

$ \begin{array}{l} {\rm{当属性值属于中等一级, 即}}{x_a} < {c_i} \le {x_c}{\rm{时}}, {F_i} = \\ 1 + \left({{c_i} - {x_a}} \right)/\left({{x_c} - {x_a}} \right)\left({1 < {F_i} \le 2} \right); \end{array} $

(2)

$ \begin{array}{l} {\rm{当属性值属于较好一级, 即}}{x_c} < {c_i} \le {x_p}{\rm{时}}, {F_i} = \\ 2 + \left({{c_i} - {x_c}} \right)/\left({{x_p} - {x_c}} \right)\left({2 < {F_i} \le 3} \right); \end{array} $

(3)

$ {\rm{当属性值属于好一级, 即}}{c_i} > {x_p}{\rm{时, }}{F_i} = 3。$

(4)

式中：F_i为属性分系数；c_i为该属性测定值；x_a、x_c、x_p为土壤各属性内梅罗分级指标。

此外，由于土壤密度为1.14~1.25 g·cm^-3时比较有利于幼苗出土和根系正常生长，其标准化后的指数数值应该较大，而大于或小于这个范围的土壤密度不利于植被生长，其标准化后的指数数值应该较小，因此，对密度标准化做特殊处理，具体方法(单奇华等，2009)如下：

$ \begin{array}{l} {\rm{当密度}}\left({{c_i}} \right) \ge 1.45{\rm{g \cdot c}}{{\rm{m}}^{{\rm{ - 3}}}}{\rm{时}}, {F_i} = 1.45/{c_i}\left({{F_i} \le } \right.\\ \left. 1 \right); \end{array} $

(5)

$ \begin{array}{l} {\rm{当}}1.35{\rm{g \cdot c}}{{\rm{m}}^{{\rm{ - 3}}}} \le {c_i} < 1.45{\rm{g \cdot c}}{{\rm{m}}^{{\rm{ - 3}}}}{\rm{时}}, {F_i} = 1 + \\ \left({{c_i} - 1.45} \right)/\left({1.35 - 1.45} \right)\left({1 < {F_i} \le 2} \right); \end{array} $

(6)

$ \begin{array}{l} {\rm{当}}1.25{\rm{g \cdot c}}{{\rm{m}}^{{\rm{ - 3}}}} \le {c_i} < 1.35{\rm{g \cdot c}}{{\rm{m}}^{{\rm{ - 3}}}}{\rm{时}}, {F_i} = 2 + \\ \left({{c_i} - 1.35} \right)/\left({1.35 - 1.45} \right)\left({2 < {F_i} \le 3} \right); \end{array} $

(7)

$ 当1.14{\rm{g \cdot c}}{{\rm{m}}^{{\rm{ - 3}}}} \le {c_i} < 1.25{\rm{g \cdot c}}{{\rm{m}}^{{\rm{ - 3}}}}{\rm{时, }}{F_i} = 3。$

(8)

$ 当{\rm{pH}}\left({{c_i}} \right) \ge 9时, {F_i} = 9/{c_i}\left({{F_i} \le 1} \right); $

(9)

$ \begin{array}{l} 当{\rm{pH8}} \le {c_i} < 9时, {F_i} = 1 + \left({{c_i} - 8} \right)/\left({8 - 9} \right)\\ \left({1 < {F_i} \le 2} \right); \end{array} $

(10)

$ \begin{array}{l} 当{\rm{pH7}} \le {c_i} < 8时, {F_i} = 2 + \left({{c_i} - 7} \right)/\left({7 - 8} \right)\\ \left({2 < {F_i} \le 3} \right); \end{array} $

(11)

而当pH≤7时，适用公式(1)~(4)进行标准化。

最后采用改进的内梅罗综合指数法对城市森林绿地土壤肥力质量作综合评价。修正的内梅罗计算公式为:

$ F = \sqrt {\frac{{{{\left({{F_i}} \right)}^2} + {{\left({{F_{i\min }}} \right)}^2}}}{2}} \cdot \left({\frac{{{\rm{n}} - 1}}{n}} \right)。$

式中: F为土壤综合肥力指数；F_i为各分肥力指数的平均值；F_imin为各分肥力指数中最小值；n为参评指标数。根据F值将土壤肥力分为4级：1级F＞2. 7，土壤肥力为很肥沃；2级F=2.7~1.8，土壤肥力为肥沃；3级F=1.8~0.9，土壤肥力为中等；4级F＜0.9，土壤肥力为贫瘠。

2.5 土壤肥力空间结构分析

运用ArcGIS 10.2地统计学Geostatistical Analyst模块球状模型、指数模型、高斯模型等进行半方差函数拟合分析，半方差函数拟合的前提是数据符合正态分布或对数正态分布，pH、全氮、全钾既不符合正态分布也不符合对数正态分布，故不进行拟合。根据MSE(标准平均值)最接近于0，标准均方根误差(RMSSE)最接近于1，选择最优拟合模型(崔潇潇等，2010；Zhang et al., 2016)。块基比(C₀/C₀+C)又称块金效应，是研究土壤养分空间依赖性或结构性的重要指标，表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例。若此值大于75%说明系统空间相关性很弱，空间变异主要受随机性因素影响；小于25%说明系统具有强空间相关性，空间变异主要受结构性因素影响；介于25%和75%之间，说明系统具有中等空间相关性，空间变异受随机性因素及结构性因素共同影响(司建华等，2009；Li et al., 2014)。

克里金插值法(Kriging)和反距离权重插值法(IDW)是空间统计分析的常用方法。本研究根据各肥力指标值并结合全国第二次土壤普查标准，应用ArcGIS 10.2将样地的土壤肥力指标及综合肥力指数进行插值。数据的正态分布或对数正态分布是克里金插值的前提条件，而pH、全氮、全钾不符合正态或对数正态分布，所以这3个指标采用IDW插值，其他指标进行克里金插值(王辛芝等，2006)。其中土壤密度插值划分为＜1.3、1.3-1.4、＞1.4；pH分为微酸性(6-6.5)、中性(6.5-7.5)、碱性(7.5-8.5)、强碱性(＞8.5)。本研究计算的综合肥力指数平均值为1.51，大部分区域为0.9~1.8，如果按照F值的4个等级划分，将无法在空间图上体现综合肥力的差异，故本研究更精细地划分为3个等级(＜1.3、1.3~1.5、＞1.5)，以便对其评价；其他土壤养分划分等级如表 3所示。

2.6 数据处理

应用JMP 10.0对不同类型土壤肥力指标进行方差分析和多重比较，用SPSS17.0软件进行K-S检验，用Excel 2010分析土壤肥力指标的统计学特征并绘制表格。

3 结果与分析 3.1 哈尔滨市土壤肥力指标

哈尔滨城市土壤pH均值为7.4，土壤密度均值为1.37 g·cm^-3，有机质、全氮、全磷、全钾、水解性氮、有效磷和速效钾平均含量分别为34.26 g·kg^-1、1.22 g·kg^-1 、0.5 g·kg^-1、63.23 g·kg^-1、124.43 mg·kg^-1、21.45 mg·kg^-1和134.86 mg·kg^-1，综合肥力指数(F)平均值为1.51。从变异系数来看，土壤密度和pH值最小，分别为7.86%和13.04%，其他土壤养分变异系数均在40%以上，依次为有效磷(65.92%)＞水解性氮(64.19%)＞速效钾(58.97%)＞全钾(57.1%)＞有机质(53.68%)＞全磷(48.2%)＞全氮(40.72%)，F 变异系数为19.5%。K-S检验显示，密度、有机质、全磷及F服从正态分布，水解性氮、有效磷、速效钾服从对数正态分布，pH值、全氮、全钾既不服从正态分布也不服从对数正态分布(表 4)。

3.2 不同绿地类型土壤肥力指标及综合肥力指数

不同绿地类型土壤肥力指标如表 5所示，除速效钾外，不同绿地类型间土壤各肥力指标多表现为差异显著(P＜0.05)，pH值和密度均表现为道路林绿地最高，农田最小；有机质含量表现为景观林绿地(44.15 g·kg^-1)最高，道路林绿地(34.18 g·kg^-1)次之，其他3个类型最低且差异不显著(P＞0.05)；全氮含量表现为农田(1.51 g·kg^-1)＞生态公益林绿地(1.31 g·kg^-1)＞景观林绿地(1.27 g·kg^-1)＞道路林绿地(1.07 g·kg^-1)＞单位附属林绿地(1.05 g·kg^-1)；全磷含量表现为景观林绿地(0.59 g·kg^-1)＞农田(0.57 g·kg^-1)＞道路林绿地=单位附属林绿地(0.48 g·kg^-1)＞生态公益林绿地(0.44 g·kg^-1)；全钾含量表现为道路林绿地(75.2 g·kg^-1)＞景观林绿地(71.98 g·kg^-1)＞生态公益林绿地(61.73 g·kg^-1)＞单位附属林绿地(58.18 g·kg^-1)＞农田(45.97 g·kg^-1)；水解性氮含量表现为农田最高(156.13 mg·kg^-1)，单位附属林绿地最低(105.78 mg·kg^-1)，其他3种类型居于两者之间，且差异不显著(P＞0.05)；有效磷含量表现为农田(29.85 mg·kg^-1)显著高于其他4种绿地类型(P＜0.05)。

综合肥力指数如表 6所示，不同绿地类型间差异显著(P＜0.05)，农田(1.66)＞景观林绿地(1.59)＞生态公益林绿地(1.51)＞道路林绿地(1.43)＞单位附属林绿地(1.41)。道路林绿地、单位附属林绿地、景观林绿地和生态公益林绿地水解性氮、土壤密度、全氮和全磷F_i值均小于2，农田则只有全磷小于2。

3.3 土壤养分空间变异的半方差函数拟合

由表 7可以看出，密度、有机质、有效磷、速效钾、综合肥力指数的最佳理论模型是指数模型(E)，全磷、水解性氮的最佳理论模型是球状模型(S)。密度和有机质的块金效应均≥75%，全磷、水解性氮、有效磷、速效钾及综合肥力指数的块金效应分别为54%，65.4%，65.4%，46.4%和64.9%。

3.4 土壤肥力指标及综合肥力指数空间分布特征

土壤各肥力指标分布如图 1所示，大多数区域土壤密度为1.3~1.4 g·cm^-3；大部分区域pH值为7.5~8.5；大部分区域有机质含量为30~40 g·kg^-1；全氮含量大部分区域为1~1.5 g·kg^-1；多数区域全磷含量为0.4~0.6 g·kg^-1；全钾含量均较高，北部高于南部；西北与东南部水解性氮含量多为大于120 g·kg^-1，中部主要为90~120 mg·kg^-1，西南部分区域＜90 mg·kg^-1；中部和东南部有效磷含量为20~30 mg·kg^-1，其他区域多为＜20 mg·kg^-1；大部分区域速效钾含量大于150 mg·kg^-1。东部和中部综合肥力指数含量大于1.5，其他区域多为1.3~1.5，小部分区域小于1.3(图 2)。

4 讨论 4.1 哈尔滨城市绿地土壤现状

参照全国第二次土壤普查分级标准及空间分布图(表 1，图 1)，可知哈尔滨土壤有机质含量已达到2级水平。大部分区域全氮、水解性氮、有效磷含量在3级水平。全钾和速效钾含量均为2级及以上水平，而全磷含量普遍较低，大部分为0.4~0.6 g·kg^-1(4级水平)。有机质在陆地生态系统中有重要作用，与土壤肥力和土壤健康紧密相关，氮磷钾为植物生长发育提供必需养分，是土壤施肥的主要元素(张丽娜等，2013；Zhou et al., 2016)。本研究发现各肥力指标的最大值与最小值间差异较大，最大值是最小值的7~80倍，这说明土壤养分分布存在本底差异，这与崔潇潇等(2010)的结果一致，在今后养分管理中应注意这种肥力的本底差异，精准施肥以提高养分利用率。适合植物生长的土壤密度一般为1.14~1.26 g·cm^-3 (Reisinger et al., 1988)，哈尔滨城市土壤密度平均为1.37 g·cm^-3，空间上大部分集中在1.3~1.4 g·cm^-3，土壤密度较大。土壤pH值为碱性，多集中在7.5~8.5。哈尔滨中部和东部区域综合肥力指数高于其他区域(图 2)，城市土壤肥力受人类活动干扰影响较大，中部区域是哈尔滨市中心，密集的人为活动可能是其肥力指数较高的原因，而东部位于三环以外，分布有大量农田可能导致其肥力指数较高。变异系数(CV)反映了样本的离散程度，CV＜10%为弱变异，10%~100%为中等变异，＞100%为强变异(司建华，2009)。本研究结果表明除土壤密度为弱变异外，其他养分指标均为中等变异。

4.2 土壤肥力空间分布特征及原因分析

研究土壤养分的空间特征有利于探讨土壤性质与环境因子间的关系(胡忠良等，2009；司建华等，2009；张伟等，2013)。自然林地土壤养分含量既受到气候、成土母质、成土过程以及土壤质地等结构性因素的影响，还受耕作制度、施肥制度和种植作物类型等人为因素影响(王雪梅等，2016)，而结构性因素是土壤养分变异的主要影响因素(张莉燕等，2009；Peng et al., 2013；范夫静等，2014)。然而城市绿地空间特征明显不同于自然林地土壤，本研究发现有机质块金比为0.86，土壤密度块金比为0.751(表 7)，说明城市化进程中的随机因素(如土壤的压实、深翻、回填等)是影响土壤有机质及土壤密度空间分布特征的主要因素。全磷、水解性氮、有效磷、速效钾及综合肥力指数的块金比为25%~75%(表 7)，表现出中等空间相关性，其空间变异主要是随机因素及结构因素(城市布局、树种配置等)共同影响造成的。城市绿地土壤结构复杂，多以客土为主，且不同土地利用方式会对土壤养分造成影响，因此，城市化是影响城市绿地土壤肥力空间特征的主要因素，应将城市空间格局、地理位置、功能定位等影响城市化进程的客观因素作为结构性因素，而城市拆迁、道路翻修等人为因素作为随机性因素来探讨城市土壤空间变异特征。

4.3 不同类型绿地土壤肥力差异、限制因子分析及建议

不同土地利用方式对城市土壤养分及肥力有显著影响，土地利用方式的改变可以使土壤养分性状发生改变(佘冬立等，2010)。本研究发现，哈尔滨城市农田及景观林绿地土壤肥力指标及综合肥力指数表现最好，而道路林绿地与单位附属林绿地最差(表 5)。长春城市森林绿地土壤肥力状况与哈尔滨类似(周伟等，2017)。农田位于市郊，多为玉米地，农民对其管理精细，投入较大，所以土壤肥力最高(冯万忠等，2008)，而城市绿地土壤肥力质量普遍较低(单奇华等，2009)。人为踩踏、冬季撒施融雪剂、道路翻修等使得道路林的pH值和土壤密度最大(表 5)，综合肥力指数较低(表 6)；单位附属林绿地主要以小区、校园为主，而小区绿地往往为回填土，建筑垃圾较多，所以其有机质、全氮、水解性氮等含量最低，pH值、土壤密度较大(表 5)，综合肥力指数最低(表 6)。

修正的内梅罗公式突出了最小因子对土壤肥力的影响，可以根据内梅罗公式中的F_i值的最小值判断土壤最小因子(安康等，2015)。本研究发现除农田外，全磷、全氮、土壤密度及水解性氮均表现为1＜F_i＜2，而其他指标的F_i值均大于2(表 6)，说明全磷、全氮、土壤密度及水解性氮是限制土壤综合肥力的主要因子。内梅罗指数法能够客观反映城市绿地土壤的综合肥力特征，但是许多研究都没有更深入地分析城市土壤肥力的空间分布特征(冯万忠等，2008；单奇华等，2009；李志国等，2013；田绪庆等，2015)，而本研究将GIS与土壤学结合，绘制了城市绿地土壤肥力空间分布图，从而更直观地反映了城市土壤肥力的分布状况，这将更有助于城市绿地土壤肥力的综合评价。

哈尔滨城市绿地管理应采取枯枝落叶堆肥、种植固氮耐低磷植物等生物学措施及精准增施氮磷有机肥并控制钾肥、施用土壤改良剂等人为调控措施改善土壤肥力状况(刘建中等，1994；Han et al., 2005)；应尤其注重道路绿地及单位绿地的养分改善，通过疏松土壤、设置绿篱及融雪剂撒施隔离带、加强绿地回填土壤养分管理等措施提升城市植被生态服务功能。

5 结论

参照全国第二次土壤普查分级标准，哈尔滨城市绿地土壤养分空间分布格局表现为有机质、全钾和速效钾含量较高，水解性氮、全氮和有效磷含量处于中上水平，而全磷含量较低。土壤密度偏高，pH值表现为碱性。综合肥力指数以农田最高，景观林次之。全磷、全氮、土壤密度及水解性氮是限制土壤综合肥力的主要因子。土壤肥力空间结构特征表明，哈尔滨城市绿地土壤密度及有机质空间变异主要受随机因素的影响，而全磷、水解性氮、有效磷、速效钾及综合肥力空间变异受随机因素及结构性因素共同影响。以上结果为精准提升城市绿地土壤肥力质量提供了数据基础。