徐同凯，杨 超，谢长永，陈 波

（杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江杭州310036）

近年，随着城市化进程的加快，城市化区域内由于不同的土地利用方式导致城市生态环境发生了深刻的变化，原本疏松肥沃的土壤被硬质的路面、高架桥、退化土壤、污染土壤等覆盖，形成了大量的特殊城市生境类型［1－2］．城市化过程中土地利用空间格局的变化是引起土壤理化特征发生变化的根本原因［3－9］，此外，在不同时空尺度上，土地利用方式的强度及影响也并不相同［10］．

杭州在快速城市化进程中，城市建成区的功能分区也日益强化，城市土壤对人居环境质量和城市生态功能的重要作用受到了学者的广泛关注．周国华等［11］曾在较大尺度上对杭嘉湖地区土壤元素的时空变化进行了研究；赵兴征等［12］研究表明杭州市城区土壤的空间异质性明显，并深受人类活动的影响；章明奎等［13］的研究也表明杭州市城市土壤有机碳具明显的积累并有较大的空间变异性；刘兆云等［14］研究了杭州不同绿地年龄对土壤有机碳的积累，指出作为成土因素之一的时间因素在城市绿地土壤演变和性质空间变异上起着重要的作用；王美青等［15］研究发现杭州市区土壤趋向碱性化，具有明显的富磷特征．此外，对杭州城市土壤重金属污染的研究工作也较多，各功能区土壤重金属污染评价表明：市郊农业区的污染最轻，市郊工业区和市内商业区的污染较为严重［15］．

城市化过程中的不同土地利用方式不仅改变了城市植物赖以生存的环境条件，同时也深刻地影响着城市植物的类型和分布，特别是高强度的土地利用方式（即人为干扰）会对城市中草本植物的分布和生长产生强烈的影响［1］．一些特殊的城市杂草与人为干扰环境密切相关，如生长迅速、适应性强的节节草（Hippochaeteramosissimum）在城市不同生境中分布广泛，一些研究表明节节草对土壤中重金属的形态转化有着显著的作用［16－17］，但它与不同土地利用方式下土壤中氮、磷之间的关系未见报道．

杭州作为经济高速发展的城市之一，高强度的人类活动引起土地利用方式的急剧变化，势必对城市土壤库产生持续的时空影响，本文着重分析杭州市不同土地利用方式下土壤的有机碳、氮和磷的分布特征，以及生长于此的常见物种节节草植株有机碳、氮和磷的分布特征，以期深入了解杭州城市土地利用方式对土壤养分等理化性质的影响及其与广布植物之间的关系，为合理利用保护城市土壤提供科学依据．

1 研究方法

1．1 取样与测定方法

城市不同的土地利用方式导致不同的城市功能区［1］，在踏查的基础上，选择高架下生境（120°11′410″E，30°18′456″N）、公路两旁生境（120°14′773″E，30°18′631″N）和文教区（校园，120°23′639″E，30°19′442″N）作为本研究的不同功能区．

在每个功能区的代表性地段随机设置5个采样点，回避人工填充物．调查植被现状，同时采集土壤样品，按20cm间隔分3层（表层0～20cm、中层20～40cm、底层40～60cm）垂直取样带回．同时挖取植株，放入样品袋带回，实验室内清水洗净后，区分出根、叶、花、茎等器官．

土壤样品自然风干后研磨，过100目筛，装密封袋备用．测定硝态氮、铵态氮、有效磷、有机碳、全氮和全磷等指标，其中硝态氮采用酚二磺比色法、铵态氮采用纳氏试剂比色法、有效磷采用双酸浸提－钼锑钪比色法、有机碳采用浓硫酸－重铬酸钾外加热法、全氮采用半微量凯氏法、全磷采用钼锑比色法测定［18］．

植物样品用烘箱105℃烘干至恒重，粉碎，过100目筛，采用浓硫酸－重铬酸钾外加热法测定有机碳，半微量凯氏法测定全氮，钼锑比色法测定全磷［18］．

1．2 数据处理与统计分析

用SPSS17．0软件进行数据统计分析，所有数据用平均值±标准误表示．

2 结果与分析

2．1 不同功能区内土壤有机碳含量的差异

高架下、公路边和文教区内土壤有机碳的分布特征见图1a．可见，不同功能区间土壤有机碳的平均含量不同，且不同功能区同一层次土壤的含量间均存在极显著差异（表层：F＝68．635，P＜0．01；中层：F＝21．538，P＜0．01；底层：F＝13．396，P＜0．01）．比较各功能区内土壤有机碳的垂直分布，高架下各层土壤的含量存在显著差异（F＝3．645，P＜0．05），且有机碳含量随土壤深度的增加而逐渐降低，底层含量仅占总量的30．46%；校园内的土壤有机碳含量在垂直剖面上也呈随深度增加逐渐降低的趋势，但各层次间差异不具统计学意义（F＝2．431，P＞0．05）；而公路边的土壤有机碳含量随着深度加深略呈增加趋势，差异不具统计学意义（F＝0．06，P＞0．05）．

2．2 不同功能区土壤各形态氮磷含量的差异

在3个功能区间，各土壤的全氮含量存在极显著差异（F＝38．399，P＜0．01），表现为高架下（0．345 g／kg）＞公路边（0．296g／kg）＞校园内（0．135g／kg）（图1b），且土壤全氮含量在不同功能区土壤的同一垂直剖面上均存在极显著差异（表层：F＝13．256，P＜0．01；中层：F＝21．871，P＜0．01；底层：F＝15．713，P＜0．01）．在垂直分布上，各功能区表层土壤的全氮含量均高于中层和底层的含量，尤其是高架下和公路边的土壤全氮含量呈现明显递减趋势．

图1c显示，不同功能区土壤全磷平均含量的差异无统计学意义（F＝1．841，P＞0．05），只是不同功能区土壤中层的全磷含量间有极显著差异（F＝10．847，P＜0．01）．高架下土壤全磷含量随着土壤深度的增加而逐渐减少，分别为表层0．169g／kg、中层0．166g／kg、底层0．132g／kg；而公路边和校园内的土壤全磷则没有呈现规律的垂直变化趋势，分别在0．111～0．195和0．078～0．312g／kg之间．

图1 土壤有机碳及氮磷分布特征Fig．1 Distribution characteristic of the soil organic carbon and N，P

由图1d可见，土壤表层和中层的氨氮含量在3个功能区间均存在显著差异（表层：F＝3．614，P＜0．05；中层：F＝6．769，P＜0．05）．但各功能区内的土壤氨氮在垂直分布上差异均无统计学意义（高架下：F＝1．429，P＞0．05；公路边：F＝1．076，P＞0．05；校园内：F＝0．183，P＞0．05），其中，校园内土壤氨氮含量随土壤深度的增加逐渐减少，由表层的12．844mg／kg降至底层的11．777mg／kg．而高架下和公路边的土壤氨氮含量则没有呈现规律性变化．

高架下、公路边和校园的平均土壤硝氮分别为0．177、0．197和0．072mg／kg（图1e），呈极显著差异（F＝57．810，P＜0．01），且土壤硝氮含量在不同功能区的同一垂直剖面上均存在极显著差异（表层：F＝14．818，P＜0．01；中层：F＝26．464，P＜0．01；底层：F＝44．366，P＜0．01）．高架下的土壤硝氮含量在垂直剖面上变化规律不明显，无统计学意义（F＝0．960，P＞0．05）；公路边和校园内的土壤硝氮含量均随着土壤深度的增加而逐渐降低，表层含量分别占总量的40．84%和54．89%，其中公路边的呈显著差异（F＝6．455，P＜0．05），而校园内的呈极显著差异（F＝11．041，P＜0．01）．

土壤有效磷表现出类似的趋势，高架下、公路边和校园的平均土壤有效磷分别为0．036、0．029和0．019mg／kg（图1f），且土壤有效磷在不同功能区的同一垂直剖面上也均存在极显著差异（表层：F＝9．755，P＜0．01；中层：F＝8．451，P＜0．01；底层：F＝8．800，P＜0．01）；此外，各功能区内表层土壤的有效磷含量均远高于中层和底层含量，并且均存在极显著差异（高架下：F＝15．163，P＜0．01；公路边：F＝194．246，P＜0．01；校园内：F＝117．053，P＜0．01）．其中校园内的土壤有效磷含量随着土壤深度的增加而逐渐降低（由表层的0．052g／kg降至底层的0．002g／kg），高架下和公路边土壤有效磷含量则没有呈现规律性变化．

2．3 不同功能区节节草有机碳和氮磷含量的差异

由表1可见，不同功能区节节草植株有机碳平均含量依次为校园内（352．27g／kg）＞高架下（315．32 g／kg）＞公路边（303．68g／kg）．其中，不同功能区节节草根的有机碳含量间存在极显著差异（F＝212．97，P＜0．01），地下茎和茎中的含量也存在极显著的差异（地下茎：F＝19．970，P＜0．01；茎：F＝39．487，P＜0．01）．

表1 节节草各器官的有机碳含量Tab．1 Content of organic carbon in different organs of H．ramosissimum／（g／kg）

生长在同一功能区土壤中的节节草，其不同器官间的有机碳含量均有极显著差异（高架下：F＝188．629，P＜0．01；公路边：F＝244．690，P＜0．01；校园内：F＝129．155，P＜0．01），但有机碳主要集中分布于茎和地下茎上，根部所占比率较少．

节节草植株平均全氮含量表现为公路边（2．680g／kg）＞校园内（2．501g／kg）＞高架下（2．441g／kg）（图2a）．在不同功能区间，节节草根的全氮含量存在极显著差异（F＝27．436，P＜0．01）；茎和地下茎全氮含量也有极显著差异（茎：F＝44．535，P＜0．01；地下茎：F＝13．666，P＜0．01）．而生长在同一功能区土壤中的节节草，其不同器官间的全氮含量均有极显著差异（高架下：F＝118．821，P＜0．01；公路边：F＝20．165，P＜0．01；校园内：F＝24．688，P＜0．01）．同样，节节草植株的全氮主要分布于茎和地下茎，根部较少．比较不同功能区节节草各器官的全氮平均含量，分别为：高架下茎（1．965g／kg）﹤根（2．041g／kg）﹤地下茎（3．156g／kg）；公路边根（1．980g／kg）﹤茎（2．621g／kg）﹤地下茎（3．157g／kg）；校园内根（2．102g／kg）﹤地下茎（2．423g／kg）﹤茎（2．817g／kg）．

图2 节节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

由图2b可见，高架下和公路边节节草植株平均全磷含量较高，分别为2．620和2．696g／kg，而校园内的较低，仅2．172g／kg，3个功能区间差异极显著（F＝5．382，P＜0．01）．同一功能区土壤中的节节草，其不同器官间的全磷含量均有极显著差异（高架下：F＝2 153，P＜0．01；公路边：F＝1 732．387，P＜0．01；校园内：F＝515．009，P＜0．01）．高架下和校园内节节草茎的全磷含量均较低，高架下节节草地下茎的全磷含量最高（3．726g／kg），而校园内节节草根的全磷含量则最高（2．488g／kg）．

2．4 各功能区节节草与土壤之间有机碳、N、P的相关性

运用Pearson相关系数法，分析了不同功能区土壤中有机碳、全氮、全磷等含量与节节草植株中有机碳、全氮、全磷含量之间的相关性（表2）．

节节草植株有机碳含量与高架下土壤中层和底层的有机碳含量分布存在着极显著相关（P＜0．01）和显著相关（P＜0．05），同时，与校园内土壤表层有机碳含量成显著负相关（P＜0．05）．

节节草植株全氮含量与高架下各层土壤相关性较低，与公路边土壤全氮含量成显著负相关（P＜0．05）；在校园生境中，节节草植株全氮与中层土壤全氮含量成显著负相关（P＜0．05）．

节节草植株全磷含量除与校园表层土壤成负相关外（P＜0．05），与其它功能区内土壤不同垂直剖面均没有相关关系．

表2 植物与土壤之间有机碳及N、P的相关系数Tab．2 Correlation coefficients of organic carbon，N and P in plant and soil

3 讨 论

3．1 不同功能区内土壤有机碳的分布特征

土壤有机碳的数量和质量影响着土壤性质和过程，在维持土壤质量、控制养分和污染物的生物有效性中起着重要作用，而城市土壤有机碳数量和质量在很大程度上受到城市土地利用方式和管理措施的影响［14］．本研究表明杭州市城市土壤有机碳具有较大的空间异质性，与前人研究结果一致［13，15］．此外，有研究表明土地利用方式的改变导致土壤有机碳含量下降，尤其是干扰易导致表层土壤有机碳的下降［5］．本研究结果表明：在相对稳定的功能区内（高架下和校园），土壤有机碳含量随土壤深度的增加而逐渐降低，其中高架下土壤有机碳含量差异显著（P＜0．05）．高架下和校园生境中土壤相对稳定，植被构成也较稳定，土壤有机碳含量较大（3．990～9．975g／kg）；而公路两旁生境在城市化进程中经常受到较强的人为干扰，土壤被多次翻动，土壤有机碳含量较低，且3层之间差异不大（图1a）．

3．2 不同功能区内土壤氮、磷的分布特征

氮和磷作为土壤生物地球化学循环过程中两种重要的营养元素，其含量的变化是影响土壤理化性质的重要指标［19］．研究结果表明不同功能区土壤全氮含量存在极显著差异（P＜0．01），在垂直剖面上，3个功能区表层土壤的全氮含量均高于其中层和底层．同时本研究结果也表明不同功能区土壤表层和中层氨氮含量存在显著差异（P＜0．05），高架下和校园生境平均土壤氨氮分别为14．417，12．431mg／kg，而公路两旁平均土壤氨氮较低（9．895mg／kg）．土壤中氮主要来源于动植物残体分解、各类生活及建筑垃圾、微生物固氮和人工施肥［15］，但在城市不同功能区内，因管理措施不同，植物的枯枝落叶是否被清除对土壤养分有一定影响．笔者调查发现，不少高架下存在枯枝落叶，而校园和公路旁枯枝落叶经常被清理，不能被土壤微生物分解利用，营养循环中断，导致其土壤氨氮含量较低．

一般认为，土壤中硝态氮不稳定，易受干扰影响［20］，对土壤的过度干扰（如土壤被多次翻动）导致公路两旁土壤表层的硝态氮和全氮含量较高．由于硝态氮较铵态氮更易于淋溶，且铵态氮为可交换态阳离子，容易被带负电荷的土壤粘粒和胶体所吸附，因此土壤的硝态氮值一般远低于铵态氮［20］，本文研究也表明这一现象．

全磷是衡量土壤中各种形态磷素总和的一个指标，有效磷相对地说明了土壤的供磷水平．本文研究发现，高架和校园相对稳定的生境中土壤表层的全磷含量较高（分别为0．169，0．177g／kg），有效磷也表现出同样结果．由于磷在土壤中的迁移转化包括扩散、吸附、解吸、沉积、埋藏积累、有机磷矿化等一系列环节，这就决定了土壤中有效磷的含量受到多种复杂因素的共同影响［21］，稳定的土壤环境有利于提高其磷素含量，尤其是有效磷的含量（图1f）．

3．3 节节草与不同功能区土壤有机碳及N、P之间的关系

城市杂草是一类具有强适应性和高可塑性的广适性物种，可对城市生境异质化做出快速反应，并通过改变自身的形态、生理、行为而适应变化的生境，其生理适应机制是目前关注的重点［1，22］．节节草生长迅速，常生长在路边、砂地甚至矿业废弃地等极端生境中，不少研究指出节节草的生长对重金属形态转化和土壤酶活性具有影响，其地下部分的生长状况对土壤酶活性的作用更为密切［16－17］．本文结果表明，作为城市中的一种常见杂草，节节草在相对不稳定的生境（如公路两旁）中，其植株体内有机碳含量与土壤有机碳之间没有显著相关关系；而在相对稳定的生境（如高架下）中，植株有机碳与土壤中层、底层的有机碳含量分布存在着极显著相关，因此，其植株体内有机碳与相对稳定的土壤中有机碳含量有关．节节草植株内的全氮表现出与相对不稳定和相对稳定的土壤中全氮含量均相关的趋势．植株全磷除与校园表层土壤全磷含量成负相关性外，与其它功能区内土壤不同垂直剖面均没有相关关系．这表明土壤中全氮和全磷的含量与节节草的分布几乎没有相关联系，节节草的生长与繁殖对土壤中氮磷元素的含量没有要求，这也从一定程度上反映出节节草的适应性强，在城市路边、荒地等相对干扰较大的生境中均有生长，在相对稳定的生境（高架下、校园等）同样分布广泛，能够在各类环境中生长．

［1］田志慧，陈克霞，达良俊，等．城市化进程中上海植被的多样性、空间格局和动态响应Ⅲ：高度城市化影响下上海中心城区杂草区系特征［J］．华东师范大学学报：自然科学版，2008（4）：49－57．

［2］赵海霞，江源，刘全儒．城市土地利用对植被特征影响的研究［J］．地球科学进展，2002，17（2）：247－253．

［3］张甘霖，朱永官，傅伯杰．城市土壤质量演变及其生态环境效应［J］．生态学报，2003，23（3）：539－546．

［4］陆安祥，赵云龙，王纪华，等．不同土地利用类型下氮、磷在土壤剖面中的分布特征［J］．生态学报，2007，27（9）：3923－3929．

［5］仝川，董艳．城市生态系统土壤碳库特征［J］．生态学杂志，2007，26（10）：1616－1621．

［6］于法展，尤海梅，李保杰，等．徐州市不同功能城区绿地土壤的理化性质分析［J］．水土保持研究，2007，14（3）：85－88．

［7］胡慧蓉，马焕成，王艳霞，等．土地利用方式变化对土壤养分与有机碳、氮的影响［J］．中国水土保持，2010（11）：40－42．

［8］Williams N S G，Schwartz M W，Vesk P A，etal．A conceptual framework for predicting the effects of urban environments on floras［J］．Journal of Ecology，2009，97（1）：4－9．

［9］Park S J，Cheng Zhiqiang，Yang Hanbae，etal．Differences in soil chemical properties with distance to roads and age of development in urban areas［J］．Urban Ecosystems，2010，13（4）：483－497．

［10］史利江，郑丽波，梅雪英，等．上海市不同土地利用方式下的土壤碳氮特征［J］．应用生态学报，2010，21（9）：2279－2287．

［11］周国华，董岩翔，刘占元，等．杭嘉湖地区土壤元素时空变化研究［J］．中国地质，2004，31（1）：72－79．

［12］赵兴征，朱国营，刘晨峰，等．杭州城市区域土壤性状的空间变异［J］．城市环境与城市生态，2011，24（3）：23－25．

［13］章明奎，周翠．杭州市城市土壤有机碳的积累和特性［J］．土壤通报，2006，37（1）：19－21．

［14］刘兆云，章明奎．城市绿地年龄对土壤有机碳积累的影响［J］．生态学杂志，2010，29（1）：142－145．

［15］王美青，章明奎．杭州市城市和郊区各功能区土壤的性质比较［J］．浙江农业学报，2004，16（6）：377－380．

［16］王友保，张莉，张凤美，等．大型铜尾矿库区节节草（Hippochaeteramosissimum）根际土壤重金属形态分布与影响因素研究［J］．环境科学学报，2006，26（1）：76－84．

［17］李影，陈明林．节节草生长对铜尾矿砂重金属形态转化和土壤酶活性的影响［J］．生态学报，2010，30（21）：5949－5957．

［18］鲁如坤．土壤农业化学分析方法［M］．北京：中国农业科技出版社，2000．

［19］郝瑞军，方海兰，沈烈英．上海城市绿地土壤有机碳、全氮分布特征［J］．南京林业大学学报：自然科学版，2011，35（6）：49－52．

［20］李贵才，韩兴国，黄建辉，等．哀牢山中山湿性常绿阔叶林不同干扰强度下土壤无机氮的变化［J］．应用生态学报，2003，14（8）：1251－1256．

［21］刘瑞英，谭胡燕，杨改河，等．辛家山不同森林类型土壤基本化学性质研究［J］．西北林学院学报，2011，26（5）：18－23．

［22］田志慧，蔡北溟，达良俊．城市化进程中上海植被的多样性、空间格局和动态响应VⅢ：上海乡土陆生草本植物分布特征及其在城市绿化中的应用前景［J］．华东师范大学学报：自然科学版，2011（4）：24－34．