城市公園綠地不同植被類型土壤水分相關(guān)物理性質(zhì)*

張毅川 田 莉 孫 楊 秦文珂 火高生 余 根

1 河南科技學(xué)院園藝園林學(xué)院 河南新鄉(xiāng)市 453003

2 河南省園藝植物資源利用與種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心 河南新鄉(xiāng)市 453003

近年來(lái)全球極端氣候事件頻發(fā),城市雨洪在世界范圍內(nèi)成為熱點(diǎn)問(wèn)題,也是我國(guó)許多城市亟待解決的問(wèn)題[1]。住建部、財(cái)政部于2016年開(kāi)展了海綿城市建設(shè),并出臺(tái)《海綿城市設(shè)計(jì)導(dǎo)則》。海綿城市提倡“自然滲透、自然存儲(chǔ)和自然凈化”的雨水利用方式,而城市綠地成為雨水自然滲透的主要下墊面,對(duì)城市雨水調(diào)控具有重要的作用[2-3]。城市天然林地、濕地等具有較高的滲透性,但是在城市綠地中占比較少,人工建設(shè)的城市綠地是雨水滲透的主要界面[4-5]。

土壤是城市生態(tài)安全的基石,也是綠地雨水入滲的主要介質(zhì)[6]。土壤滲透性是描述土壤入滲快慢極為重要的參數(shù)之一,受土壤物理性質(zhì)的影響[7]。充分了解綠地土壤的滲透性可以為雨水設(shè)施的建設(shè)以及綠地的節(jié)水管理提供科學(xué)依據(jù)。美國(guó)、日本發(fā)達(dá)國(guó)家制定了綠地土壤的滲透性標(biāo)準(zhǔn),用于指導(dǎo)城市綠地的建設(shè)[8-9]。我國(guó)目前沒(méi)有相關(guān)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),但上海等城市提出了綠地土壤滲透性標(biāo)準(zhǔn)[10]。因此,開(kāi)展城市綠地土壤滲透性調(diào)研,改善土壤滲透性成為綠地建設(shè)的關(guān)鍵。楊倩等[11]通過(guò)研究武漢城區(qū)典型綠地土壤0～10 cm的飽和導(dǎo)水率,發(fā)現(xiàn)天然林通常具有較高的飽和導(dǎo)水率；黃暉等[12]研究發(fā)現(xiàn)深圳綠地土壤入滲性能較差；杜建會(huì)等[13]研究發(fā)現(xiàn)廣州海珠國(guó)家濕地公園的綠地土壤水分入滲性能處于中等至較高水平,植物生長(zhǎng)可促進(jìn)綠地土壤水分入滲。

本研究選取河南省新鄉(xiāng)市的5個(gè)主要城市公園綠地作為研究對(duì)象,對(duì)不同植被類型綠地不同土層深度開(kāi)展土壤入滲性能研究,探討綠地土壤入滲性能與其他土壤物理性質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系,以期為北方城市綠地雨水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及綠地管理提供參考,尤其是河南省豫北地區(qū)城市綠地。

1 研究區(qū)概況

新鄉(xiāng)市(113°23′—115°01′E,34°53′—35°50′N)地處河南省北部,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫14℃,年平均降雨量656.3 mm。豫北地區(qū)城市平均每年發(fā)生暴雨2～3次,多出現(xiàn)在7-8月。2016年7月9日,新鄉(xiāng)市遭遇特大暴雨,12 h雨量達(dá)402.0 mm,最大雨強(qiáng)達(dá)132 mm·h-1；2021年“新鄉(xiāng)7.17特大暴雨”最大雨強(qiáng)達(dá)149.9 mm·h-1。目前新鄉(xiāng)市建成區(qū)總綠地面積為167 hm2,綠地覆蓋率36.05%、建成區(qū)綠地率32.64%、人均公共綠地面積8.35 m2；園林樹(shù)種以落葉喬灌木為主,常綠喬灌木種類較少[14]。新鄉(xiāng)市綠地土壤質(zhì)地以粉砂質(zhì)壤土為主,0～60 cm土層土壤類別中壤土的比例最高,且隨土層深度加深而逐漸降低,黏壤土隨土層加深而減少,砂土占比變化不大、但在公園綠地中占比最高[15]。

2 研究方法

2.1 樣品采集

選擇新鄉(xiāng)市建成時(shí)間較長(zhǎng)的5個(gè)公園綠地(表1)為研究對(duì)象,調(diào)研時(shí)間選擇降雨相對(duì)較少的4月底,樣點(diǎn)選擇地勢(shì)較為平坦的區(qū)域。采用200 m×200 m網(wǎng)格對(duì)5個(gè)公園進(jìn)行布點(diǎn),避開(kāi)大面積的水體區(qū)域,選擇具備不同植被類型的地塊作為采樣點(diǎn)。土壤采樣深度為45 cm,通過(guò)100 cm3環(huán)刀按0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm分層進(jìn)行土壤樣本的采集,共采集156個(gè)樣品。

表1 樣點(diǎn)基本情況

2.2 土壤物理性質(zhì)測(cè)定

衡量土壤物理性質(zhì)指標(biāo)有許多,本研究選擇土壤含水率、土壤容重、土壤比重、土壤孔隙度、土壤緊實(shí)度和土壤飽和導(dǎo)水率作為調(diào)研指標(biāo)[16]。本次研究沒(méi)有將有機(jī)質(zhì)列入調(diào)研指標(biāo),主要是由于城市綠地土壤不具備有機(jī)質(zhì)富集的環(huán)境條件,從而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量通常極低[17]。

土壤容重、含水率和孔隙度測(cè)定采用環(huán)刀法,土粒密度測(cè)定采用比重瓶法[18],土壤緊實(shí)度采用TJSD-750型土壤緊實(shí)儀(浙江托普儀器有限公司)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。土壤滲透性一般用土壤飽和導(dǎo)水率(Kfs)表示[19],土壤飽和導(dǎo)水率采用ECATR09土壤入滲儀(北京益康農(nóng)科技發(fā)展有限公司)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,該入滲儀運(yùn)用恒定水頭及三維流原理,能快速測(cè)量各種土壤不同深度的飽和導(dǎo)水率,全部測(cè)量過(guò)程可在0.5～2 h內(nèi)完成,用水量約2.5 L,電子自動(dòng)記錄測(cè)量結(jié)果。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定時(shí)間記錄間隔為120 s。

2.3 數(shù)據(jù)分析

本研究采用Excel 2007處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用SPSS 21.0對(duì)不同植被類型土壤物理性質(zhì)進(jìn)行顯著性差異分析,采用Pearson相關(guān)分析法分析土壤物理性質(zhì)相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型土壤物理特征

3.1.1 不同植被類型土壤含水率

由圖1可知,3種不同植被類型綠地土壤含水率均值依次為草地＞灌草地＞喬草地,草地的土壤含水率分別為灌草地、喬草地的1.01倍、1.10倍。對(duì)3種不同植被類型綠地土壤含水率進(jìn)行方差分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)草地、灌草地、喬草地三者之間差異不顯著(P＞0.05)。但是不同植被類型綠地各土層的土壤含水率表現(xiàn)出明顯的差異,其中,灌草地0～15 cm土層土壤含水率高于喬草地和草地,草地15～30 cm、30～45 cm土層土壤含水率高于喬草地和灌草地。

圖1 不同植被土壤含水率特征

3.1.2 不同植被覆蓋下土壤容重

由圖2可知,3種不同植被類型綠地土壤容重均值依次為草地＞喬草地＞灌草地,草地的土壤容重分別為喬草地、灌草地的1.03倍、1.06倍。對(duì)3種不同植被類型綠地土壤容重進(jìn)行方差分析,結(jié)果表明草地和灌草地差異顯著(P＜0.05)、喬草地與草地、灌草地差異不顯著(P＞0.05)。不同植被類型綠地各土層土壤容重表現(xiàn)出明顯的差異(圖2),草地0～15 cm、15～30 cm土層土壤容重大于喬草地和灌草地,喬草地30～45 cm土層土壤容重大于草地和灌草地。

圖2 不同植被土壤容重特征

3.1.3 不同植被覆蓋下土壤比重

由圖3可知,3種不同植被類型綠地土壤比重均值依次為喬草地＞草地＞灌草地。喬草地的土壤比重分別為草地、灌草地的1.01倍、1.02倍。對(duì)3種不同植被類型綠地土壤比重進(jìn)行方差分析,結(jié)果表明喬草地、草地、灌草地三者之間差異不顯著(P＞0.05)。不同植被類型綠地各土層土壤比重表現(xiàn)出明顯的差異(圖3),喬草地0～15 cm、15～30 cm土層土壤比重大于草地和灌草地,灌草地30～45 cm土層土壤比重大于草地和喬草地。

圖3 不同植被土壤比重特征

3.1.4 不同植被覆蓋下土壤孔隙度

由圖4可知,3種不同植被類型綠地土壤孔隙度均值依次為灌草地＞喬草地＞草地,灌草地的土壤孔隙度分別為喬草地、草地的1.03倍、1.08倍。對(duì)3種不同植被類型綠地土壤孔隙度進(jìn)行方差分析,結(jié)果表明灌草地、喬草地、草地三者之間差異不顯著(P＞0.05)。不同植被類型綠地各土層土壤孔隙度表現(xiàn)出明顯的差異(圖4),灌草地0～15 cm、30～45 cm土層土壤孔隙度大于喬草地和草地,喬草地15～30 cm土層土壤孔隙度大于灌草地和草地。

圖4 不同植被土壤孔隙度特征

3.1.5 不同植被覆蓋下土壤緊實(shí)度

由圖5可知,3種不同植被類型綠地土壤緊實(shí)度均值依次為喬草地＞草地＞灌草地,喬草地的土壤緊實(shí)度分別為草地、灌草地的1.13倍、1.17倍。對(duì)3種不同植被類型綠地土壤緊實(shí)度進(jìn)行方差分析,結(jié)果表明喬草地、草地、灌草地三者之間差異不顯著(P＞0.05)。不同植被類型綠地各土層土壤緊實(shí)度表現(xiàn)出明顯的差異(圖5),喬草地0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm土層土壤緊實(shí)度均大于草地和灌草地,并且各類型綠地土壤緊實(shí)度隨著土層加深而增大。

圖5 不同植被土壤緊實(shí)度特征

3.1.6 不同植被覆蓋下土壤飽和導(dǎo)水率

由圖6可知,3種不同植被類型綠地土壤飽和導(dǎo)水率均值依次為喬草地＞草地＞灌草地,喬草地的土壤飽和導(dǎo)水率分別為草地、灌草地的1.04倍、1.48倍。對(duì)3種不同植被類型綠地土壤孔隙度進(jìn)行方差分析,結(jié)果表明喬草地、草地、灌草地三者之間差異不顯著(P＞0.05)。不同植被類型綠地各土層土壤飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)出明顯的差異,喬草地0～15 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率大于灌草地和草地,草地15～30 cm、30～45 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率大于喬草地和灌草地。

圖6 不同植被土壤飽和導(dǎo)水率特征

3.2 土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析

如表2所示:土壤飽和導(dǎo)水率與土壤含水率、土壤容重呈負(fù)相關(guān)性,與土壤比重、土壤孔隙度以及緊實(shí)度呈正相關(guān)。土壤飽和導(dǎo)水率除了與土壤比重為顯著正相關(guān)(P＜0.05)之外,與其他物理性質(zhì)相關(guān)性不顯著(P＞0.05),說(shuō)明土壤飽和導(dǎo)水率受多種土壤因子的共同影響,單一的土壤物理指標(biāo)對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率影響不明顯[20]。

表2 土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

新鄉(xiāng)市城市公園綠地土壤物理性質(zhì)在不同植被類型覆蓋下表現(xiàn)出明顯的差異。一方面是因?yàn)楣嗄镜睾蛦棠镜赜糸]度較高,受干擾程度較小,而草地受到人為踐踏較多,干擾程度最大[21]；另一方面是因?yàn)楣嗄竞蛦棠镜母蹈影l(fā)達(dá),分泌的物質(zhì)以及根系殘?bào)w等促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,改善了土壤物理性質(zhì)[22]。草地的土壤含水率高于灌草地和喬草地,這一結(jié)果與李銀等[23]對(duì)天津市不同功能區(qū)土壤物理特性研究結(jié)果一致,究其原因,一方面是植物蒸騰作用消耗大量的土壤水分[24]；另一方面是植物冠層截流降低了雨水對(duì)土壤水分的補(bǔ)充[25-26]。喬木、灌木、草本根系的生長(zhǎng)和發(fā)育對(duì)土壤容重和孔隙度產(chǎn)生較大的影響[27],灌草地土壤孔隙度優(yōu)于喬草地和草地,這一結(jié)果與馮璐等[28]對(duì)黃土塬邊坡植被類型對(duì)土壤孔隙的影響研究結(jié)果一致,這是因?yàn)楣嗄镜氐闹脖桓采w度與枯落物儲(chǔ)量相較于其他植被更大,因此,土壤容重和孔隙度要優(yōu)于其他植被類型綠地[29]。此外,灌木的根系分泌物能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成越好,土壤比重就越低[30]。喬草地相較于草地和灌木地土壤含水率更低,土壤含水率低則土壤干燥,土壤干燥而收縮導(dǎo)致其土壤緊實(shí)度高[31]。綜上所述,新鄉(xiāng)市城市公園不同植被類型綠地灌草地土壤容重、土壤比重、土壤孔隙度以及土壤緊實(shí)度都優(yōu)于喬草地和草地,而草地的土壤含水率要高于灌草地和喬草地。

植被的生長(zhǎng)和活動(dòng)可以改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤入滲性能,但是,不同植被覆蓋下土壤滲透特性差異較大[32]。譚學(xué)進(jìn)等[33]研究發(fā)現(xiàn),從草地到灌叢到林地,隨著植被群落的演替,土壤飽和導(dǎo)水率也在不斷提高,其中喬木對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率效果最好。有機(jī)質(zhì)是提高飽和導(dǎo)水率的驅(qū)動(dòng)因子,在一定范圍內(nèi)能有效提高土壤飽和導(dǎo)水率,超過(guò)極值時(shí),飽和導(dǎo)水率呈下降趨勢(shì)[34]。喬木和灌木的枯枝落葉以及根系殘?bào)w能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,促使土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成,改變土壤孔隙度,從而對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生間接影響[35]。新鄉(xiāng)市城市公園不同植被類型綠地土壤飽和導(dǎo)水率也具有明顯的差異,其中喬草地飽和導(dǎo)水率要明顯高于草地和灌草地。隨著踐踏強(qiáng)度的增加,土壤容重呈顯著增加,從而導(dǎo)致土壤孔隙度變小,緊實(shí)度提高,飽和導(dǎo)水率也隨著變小[36-37]。Horn等[38]研究發(fā)現(xiàn)沒(méi)有受到踐踏的草地,表層土壤飽和導(dǎo)水率的變異性要低于受踐踏嚴(yán)重的草地。張湘潭等[39]研究發(fā)現(xiàn)底層土壤飽和導(dǎo)水率要高于表層,這與本研究結(jié)果相似,可能是因?yàn)樾锣l(xiāng)公園綠地上層土壤多為粉砂質(zhì)壤土,而底層土壤多為砂質(zhì)壤土[40]。因此,出現(xiàn)了雖然底層土壤容重較大,但其土壤飽和導(dǎo)水率仍然較高的情況。由于土壤飽和導(dǎo)水率受多種土壤因子的共同影響,本身空間異質(zhì)性較高[41],所以不同地區(qū)不同植被覆蓋下土壤飽和導(dǎo)水率出現(xiàn)不同的結(jié)果。

土壤飽和導(dǎo)水率與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)性,這是由于土壤含水率高會(huì)使土壤入滲通量減小,從而導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率變小[42]；土壤飽和導(dǎo)水率與土壤容重呈負(fù)相關(guān),與土壤孔隙度、土壤緊實(shí)度呈正相關(guān),是由于土壤容重越大土壤孔隙度越小,壓實(shí)情況就越嚴(yán)重,導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率就越小[43]。土壤飽和導(dǎo)水率與土壤比重呈顯著正相關(guān)可能是受到土壤團(tuán)聚體的影響,土壤結(jié)構(gòu)越好,飽和導(dǎo)水率越高[44]。

4.2 結(jié)論

不同植被類型綠地土壤物理性質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)存在明顯差異。灌草地土壤容重、土壤比重、土壤孔隙度、土壤緊實(shí)度均優(yōu)于喬草地和草地,草地的土壤含水率高于灌草地和喬草地,喬草地土壤飽和導(dǎo)水率高于草地和灌草地。單一的土壤物理指標(biāo)對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率影響不明顯,僅土壤比重與飽和導(dǎo)水率顯著相關(guān)?？偠灾?植被生長(zhǎng)對(duì)綠地土壤入滲有一定積極作用,因此,適當(dāng)增加喬灌木種植可以改善土壤結(jié)構(gòu),提高城市綠地土壤滲水蓄水能力,減少雨后城市地表徑流。