林 遠(yuǎn) 梁 源 陳柳諭 許晴宜 陳小梅

（廣州大學(xué) 地理科學(xué)與遙感學(xué)院，廣東 廣州 510006）

森林公園是以森林自然環(huán)境為依托，具備一定規(guī)模和質(zhì)量的森林風(fēng)景資源，可供人們游憩、健身和進(jìn)行文娛教育等活動(dòng)的地域[1]。同時(shí)，森林公園在改善城市生態(tài)環(huán)境中也發(fā)揮重要作用。截至2018 年，全國(guó)共建有國(guó)家級(jí)森林公園897處[2]，而廣州市內(nèi)的森林公園達(dá)91 個(gè)，森林公園管理面臨生態(tài)環(huán)境保護(hù)與合理旅游開發(fā)雙重壓力[3]。城市森林的健康發(fā)展極大程度上依賴于城市森林土壤環(huán)境。森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分和環(huán)境因子，其養(yǎng)分直接影響了森林的生長(zhǎng)[4]。土壤養(yǎng)分是土壤質(zhì)量的重要組成部分，也是森林演替的重要影響因素[5]。但隨著旅游業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，森林土壤受到人類踐踏、垃圾侵入等直接因素的影響。同時(shí)在城市化的影響下，局地氣候的變化也對(duì)森林土壤造成一定的影響[6]。因此，研究城市森林公園的土壤養(yǎng)分特征，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高土壤生產(chǎn)力，發(fā)揮城市森林公園應(yīng)有的綜合效益，是深入了解城市發(fā)展和旅游開發(fā)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)影響的關(guān)鍵一步。

目前研究發(fā)現(xiàn)城市化以及森林公園開發(fā)對(duì)森林土壤產(chǎn)生一定的消極影響[7-8]。鄧雪倩等[7]對(duì)長(zhǎng)春地區(qū)某森林公園的研究發(fā)現(xiàn)，人類踐踏干擾增加了土壤的容重、降低了pH 值并減少了有機(jī)質(zhì)含量。習(xí)丹等[8]對(duì)廣州城郊森林公園的研究中發(fā)現(xiàn)，森林公園天然常綠闊葉林土壤有機(jī)碳及其組分含量均隨土壤深度增加而下降，人類活動(dòng)對(duì)森林公園的干擾直接或間接影響土壤-植被-大氣系統(tǒng)碳庫(kù)的合成與分解，引起土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)和質(zhì)量發(fā)生改變。何俊杰等[9]對(duì)珠江三角洲森林土壤的研究中發(fā)現(xiàn)，郊區(qū)森林土壤的碳、氮和磷含量高于城區(qū)，城市化改變了森林土壤營(yíng)養(yǎng)元素結(jié)構(gòu)。不同土壤養(yǎng)分對(duì)環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制也有所不同，通過對(duì)土壤不同元素影響因子的探討，進(jìn)一步分析城市化對(duì)森林土壤的影響。

廣州城市歷史悠久，是我國(guó)改革開放的前沿陣地，自上世紀(jì)70 年代以來，廣州經(jīng)歷了快速城市化階段，2019 年城市化率達(dá)86.46%[10]。受經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化推進(jìn)影響，以廣州市政府所在區(qū)域——越秀區(qū)向外擴(kuò)展，廣州市中心城區(qū)、郊區(qū)以及遠(yuǎn)郊區(qū)的植被受到不同程度的人為干擾，森林覆蓋呈現(xiàn)“中心城區(qū)低、周邊郊區(qū)高”的格局[11]。廣州市森林公園土壤受到一定程度的影響。據(jù)此，以天鹿湖、大夫山、滴水巖、王子山和石門等5 個(gè)森林公園為研究對(duì)象，分析常綠闊葉林0～20 cm 土壤中的全碳、全氮、全磷、全鐵、全鉀、pH，探討森林公園土壤養(yǎng)分分布特征，為評(píng)判城市森林公園生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

廣州屬海洋性南亞熱帶季風(fēng)氣候，地帶性植被為南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林，地帶性土壤主要為在砂巖、頁巖和花崗巖母質(zhì)上發(fā)育的赤紅壤。

1.2 樣地選取

本文以廣州市政府所在地為城市中心向外擴(kuò)展，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)森林公園風(fēng)景資源質(zhì)量評(píng)定》中對(duì)森林公園的定義[12]，選取了市內(nèi)縣級(jí)及以上5 個(gè)森林公園。具體樣地為：天鹿湖森林公園、大夫山森林公園、滴水巖森林公園、王子山森林公園、石門國(guó)家森林公園。5 個(gè)森林樣地選取標(biāo)準(zhǔn)為：森林群落為南亞熱帶典型常綠闊葉林；面積不小于1 hm2，距離主干道不小于1 km；在近20 年內(nèi)未受直接、嚴(yán)重的自然或人為干擾。5 個(gè)樣地的概況列于表1。

表1 研究樣地概況及其森林樣地群落特征Table 1 The general situation and community characteristics of the forest sample plots

1.3 樣品采集與處理

2019 年7 月，在上述5 個(gè)樣地中各選取5 個(gè)5 m×5 m 樣方，在每個(gè)樣方用內(nèi)徑10 cm 土鉆按0～20 cm 分層鉆取混合土壤樣品，每個(gè)樣品由5 次土鉆挖取的同層次土壤混合而成，采集后裝入已消毒的密封袋中。每個(gè)樣地采集5 個(gè)樣品，共采集25 個(gè)樣品。去除樣品中可見的根系等動(dòng)植物殘?bào)w和石塊，過2 mm 篩，自然風(fēng)干后備測(cè)。

1.4 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤pH 值用電極電勢(shì)法測(cè)定，水土比為1 ∶2.5；土壤全碳（TC）、全氮（TN）采用Vario EL 元素分析儀（Elementar, Hanau, Germany）進(jìn)行室內(nèi)測(cè)定。土壤全磷、全鐵、全鉀由廣州中科檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司分別采用土壤全磷測(cè)定法（NY/T88-1988）[13]、土壤全鐵測(cè)定法（HJ 974-2018）[14]、土壤全鉀測(cè)定法（NY/T87-1988）[15]測(cè)定。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2019 和SPSS 23.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用單因素方差分析法（LSD 法）判斷5 個(gè)不同森林樣地土壤全碳、全氮、全磷、全鐵、全鉀、pH 之間的差異；利用Pearson 相關(guān)系數(shù)對(duì)土壤全碳、全氮、全磷、全鐵、全鉀、pH、樣地與城中心的距離之間進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林公園土壤的理化性質(zhì)

5 個(gè)森林公園樣地的土壤全碳含量差異顯著（P＜ 0.05，圖1-A）。距離市中心較近的大夫山全碳含量為23.52±5.13 g·kg-1，是5 個(gè)森林中最低的；距離市中心最遠(yuǎn)的石門全碳含量為47.68±7.40 g·kg-1，是5 個(gè)森林中最高的；其他樣地的全碳含量隨市中心距離增加呈增加趨勢(shì)。森林公園土壤全碳含量與樣地距城市中心的距離呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.05，表2）。

5 個(gè)森林公園樣地的土壤全氮含量中（圖1-B），距離較遠(yuǎn)的王子山、石門的全氮含量顯著高于距離城市較近的大夫山、滴水巖。近市中心的天鹿湖、大夫山和滴水巖等3 個(gè)森林的土壤全氮含量差異不顯著。

5 個(gè)森林公園樣地的土壤全磷含量差異顯著（P＜ 0.05，圖1-C）。天鹿湖和石門樣地的土壤全磷含量低于其他3 個(gè)樣地的土壤。大夫山的土壤全磷含量最高，達(dá)0.73±0.10 g·kg-1。

5 個(gè)森林公園樣地的土壤全鐵含量變化趨勢(shì)與土壤全碳的變化趨勢(shì)相反，與市中心的距離呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.05，表2），土壤全鐵含量隨著與市中心距離的增加而減少。距離市中心較近的大夫山土壤含鐵量為34.13±4.68 g·kg-1，顯著高于其他樣地（P＜ 0.05，圖1-D）。距離市中心最遠(yuǎn)的石門森林土壤含鐵量最低，僅21.06±3.66 g·kg-1。

5 個(gè)森林公園樣地的土壤全鉀含量差異顯著（P＜ 0.05，圖1-E），變化趨勢(shì)與土壤全碳一致。森林公園樣地的土壤全鉀含量隨著與市中心的距離增加而呈增加趨勢(shì)，與市中心的距離呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.05，表2）。其中距離市中心最遠(yuǎn)的石門土壤全鉀含量為31.44±2.73 g·kg-1，顯著高于其他樣地。

5 個(gè)森林公園樣地的土壤pH 值差異不顯著（P＞ 0.05，圖1-F）。距離市中心較近的大夫山pH值最低，土壤呈微酸性。距離城市最近的天鹿湖與較近的滴水巖pH 值相近，土壤呈中性。而距離市中心最遠(yuǎn)的石門與王子山土壤pH 值最高。

2.2 相關(guān)性分析

土壤全碳與全氮、全鉀均呈顯著正相關(guān)，與全鐵呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜ 0.05，表2）。土壤全鉀含量與pH 值呈正相關(guān)（P＜ 0.05，表2）。土壤全鐵與全磷呈正相關(guān)，與全氮、全鉀呈負(fù)相關(guān)（P＜0.05，表2）。森林公園到市中心的距離與土壤全碳和全鉀含量均呈顯著正相關(guān)，而與土壤全鐵含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表2 森林土壤全碳、全氮、全磷、全鐵、全鉀含量、pH 值及樣地距離的相關(guān)分析（n=19)Table 2 Correlation analysis of total carbon, total nitrogen, total phosphorus, total iron, total potassium content, pH value and plot distance in forest soil (n =19)

3 結(jié)論與討論

5 個(gè)森林公園土壤全碳含量差異顯著（P＜0.05，圖1-A），土壤全碳含量隨著市中心的距離增加而增加，這與習(xí)丹等[8]關(guān)于城郊森林公園土壤有機(jī)碳特征的研究結(jié)果一致。森林土壤碳含量不僅受到植被、土壤屬性、氣候、環(huán)境等自然環(huán)境影響，還受人類活動(dòng)影響。森林公園的開發(fā)給森林帶來持續(xù)的人為影響。相比于人工次生林，天然地帶性森林對(duì)土壤碳穩(wěn)定具有更強(qiáng)的保護(hù)作用[16]。距離市中心較近的天鹿湖、大夫山等森林公園多為人工次生林，距離市中心最遠(yuǎn)的石門為原始次生林，林齡70 a 以上。城市森林公園受人為干擾比郊區(qū)森林高，土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量隨森林郁閉度減少而減少。根據(jù)張奇志等[17]的研究，長(zhǎng)期的旅游活動(dòng)對(duì)森林植物多樣性有負(fù)相關(guān)的干擾作用，植被多樣性減少不利于碳的積累。另外城市熱島效應(yīng)使城區(qū)森林公園環(huán)境溫度高于郊區(qū)，土壤碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)和分解速度快[18]。因此，城市森林公園的開發(fā)不利于森林土壤碳庫(kù)的積累。

圖1 森林樣地土壤全碳、全氮、全磷、全鐵、全鉀含量及pH 值Figure 1 Soil total carbon, total nitrogen, total phosphorus, total iron, total potassium contents and pH values in the forest sample plots

從整體趨勢(shì)上看，郊區(qū)森林公園的土壤全氮含量略高于城區(qū)，這與何俊杰等[9]對(duì)廣州市城郊梯度上的森林土壤研究一致。土壤氮含量與微生物的反硝化作用[19]、大氣氮沉降[20]等過程密切相關(guān)。城區(qū)森林的土壤溫度相對(duì)較高，促進(jìn)微生物的反硝化作用，使其含氮產(chǎn)物離開內(nèi)部生物過程，土壤中的氮含量增加[21]。城區(qū)相對(duì)劇烈的人類生產(chǎn)、生活活動(dòng)對(duì)氮沉降的影響也更為顯著[22]，氮沉降使土壤微生物組成、pH 值等發(fā)生改變的同時(shí)，影響土壤氮循環(huán)過程，引起土壤氮素的流失。另外土壤氮含量也受土壤有機(jī)碳含量、容重的影響[23]，本研究中土壤全氮與全碳呈正相關(guān)關(guān)系。這可能由于旅游踐踏對(duì)森林公園土壤進(jìn)行壓實(shí)，減少土壤含水量、有機(jī)質(zhì)[7]，從而改變微生物活性來影響土壤氮循環(huán)，進(jìn)而影響土壤全氮含量。

5 個(gè)森林公園的土壤含磷量差異顯著（P＜0.05，圖1-C），但整體含量較低，符合南亞熱帶森林土壤低含磷量的特征[24]，這與鄭妍等[25]對(duì)華南沿海地區(qū)的林地土壤養(yǎng)分研究一致。磷主要來源于巖石分化，受成土母質(zhì)、土壤生物、植被類型、環(huán)境等因素的影響[26]，屬于固體循環(huán)。因此磷容易受淋溶作用的影響[27]，而市中心降雨較郊區(qū)集中，土壤磷易受損失。本研究中，大夫山和王子山的土壤含磷量明顯高于其他樣地，這可能與其降雨情況相關(guān)[28]。在2019 年大夫山及王子山所在區(qū)的降水量與其他森林公園所在區(qū)相比較少，其中大夫山所在區(qū)降水量（2 060 mm）明顯低于全市平均降雨量（2 336 mm），同時(shí)其坡度（7.44°）相對(duì)較小，使其森林土壤受到的淋溶作用相對(duì)較弱，土壤磷素徑流流失減少。此外王子山森林郁閉度（90%以上）較高，植被覆蓋率高一定程度上減少了雨水土壤的直接淋洗，減少磷素的徑流流失[29]。另外，本研究中土壤全磷和土壤全鐵呈正相關(guān)關(guān)系，土壤游鐵、活性鐵含量的增加會(huì)增強(qiáng)土壤對(duì)磷的吸附能力[30]。

森林土壤全鐵主要以礦物質(zhì)態(tài)的形式存在，其含量主要受成土母質(zhì)影響，處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[31]。本研究森林公園土壤的全鐵含量與土壤全碳、到市中心的距離呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.05，圖1-D；P＞ 0.05，表2）。土壤中的鐵在一定程度上會(huì)受到土壤腐殖質(zhì)層中的富里酸的抑制作用[32]。土壤全碳含量隨距離增加而增加，從而間接影響土壤全鐵。

5 個(gè)森林公園的土壤全鉀含量差異明顯（P＜0.05，圖1-E），增長(zhǎng)趨勢(shì)與土壤全碳相一致，并與土壤全碳、距離有顯著正相關(guān)關(guān)系。全鉀為易溶元素，土壤含水量的增加造成土壤鉀素的擴(kuò)散與稀釋[33]，城市中心的溫濕度上升，土壤水分增加，溶解土壤中的鉀素。在本研究中，土壤鉀素與全鐵呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與pH 值呈正相關(guān)關(guān)系。鉀與其他離子間存在拮抗作用[34]，其中包含F(xiàn)e2+，且土壤pH 值會(huì)影響土壤鉀的吸附量[35]，H+與K+相互競(jìng)爭(zhēng)，因此土壤pH 增加有利于鉀的吸附。

廣州市森林公園土壤全碳、全鉀、pH 隨森林公園到城市中心的距離增加而增加，不同養(yǎng)分之間存在一定的相關(guān)關(guān)系。城市化背景下，森林土壤的營(yíng)養(yǎng)成分發(fā)生變化，部分土壤營(yíng)養(yǎng)元素在森林土壤中的含量減少，關(guān)于城市森林土壤營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)城市化的響應(yīng)規(guī)律仍需結(jié)合微生物等相關(guān)因素進(jìn)一步研究。