城市山体公园地形对生境条件的影响——以南京市为例

汪瑞军，成玉宁

(东南大学 建筑学院，南京 210096)

0 引言

城市山体公园是在城市建设用地范围内，依托原状山地景观建立的城市公园[1]，属于公园绿地范畴，广泛显著的地形变化是其区别于其他公园绿地的主要空间特征，并由此引起了与植物生长相关的各种环境因素，即植物生境，在绿地尺度上的变化。一方面土地开发上的“劣势”维持了山体公园用地属性的连续性，与其他绿地相比整体环境受扰动较小，在建成环境中保持了较高的地带性自然特征；另一方面地形起伏所产生的局地空间变化能够直接或间接地影响公园内部的物质、能量流动，形成生境因子的差异。城市绿地植物群落的形成与发展由人工干预主导，对场地生境特征的了解有助于增强干预过程的合理性，是贯彻和落实适地适树原则的重要依据。与之相对应的是利用场地营造对生境进行调整，辅助植物设计的同时也为绿地生物多样性的提升创造了条件，而地形设计则是其中的重要方式之一。关于地形与光照的关系多以定性分析为主，认为在北半球南坡接收到的光照比平地多，北坡则较平地少[2]。不同学者对地形变化下的土壤含水量进行了调查与分析，结果均显示坡度、坡向和坡位等地形因素与含水量变化关联紧密，且关联趋势基本相同，具体表现为阴坡含水量大于阳坡，坡底含水量较坡顶高，坡度与含水量存在负相关性[3-7]。与此不同的是，地形与土壤养分关系的研究结果差异性较大，甚至存在截然相反的结论。这可能与土壤养分的循环周期较长，受影响因素多，进而形成了较大的不确定性有关。总体看来，海拔(或高程)和坡度与土壤养分变化的关联性较高[8-11]。以往相关研究大多侧重于对包含多种土地利用类型的较大尺度区域的调查与分析，或仅针对某一生境因子，在城市绿地范围内关于地形与综合生境条件的研究较少。本研究以南京市区主要山体公园的采样调查结果为依据，分析和总结了地形因素对植物生境条件的影响，具体包括与植物生长关系最为紧密的光照因子、水因子和土壤主要理化性质。旨在更好地了解城市山体公园的生境特征，以服务于该类型绿地植物景观的建设与管理，同时也为发挥地形设计在植物生境改善与塑造方面的作用提供科学参考。

1 研究方法

1.1 区域概况

调查区域南京市，位于31°14′N～32°37′N，118°22′E～119°14′E，处于宁镇山系的西端，以低山缓岗地形为主，年均降雨量为1 106 mm，属于湿润型气候大区中的北亚热带长江中下游区[12]，其地带性土壤主要为下蜀黄土母质上发育的黄棕壤[13]。自然背景环境和城市发展特征具有长江中下游地区城市群的典型代表性。经过多年的城市发展与扩张，原有的区域景观格局变化显著，多处丘陵山体散布于城中各处，并被建设为山体公园，成为城市绿地系统的重要组成部分。

1.2 研究对象与样点分布

调查样地包括清凉山公园、九华山公园、古林公园和雨花台风景区等在内的6座位于南京市主城区内的城市山体公园。其中雨花台风景区面积最大，约153 hm2，清凉山海拔最高，顶点高程为65 m，相对周边用地高差在40 m左右。各样地公园植被均生长良好，以常绿落叶阔叶混交次生林为主，绝大多数林地的郁闭度在0.7以上，属于密林范畴。样点的选取建立在对公园地形的空间分析与实地考察的基础之上，涵盖不同坡向、坡度与坡位，其中坡度的划分参考了多种相关分类办法[14-15]，并结合实际样地的坡度特征，分类如下：<8°为平坡、8°～15°为缓坡、15°～25°为中坡、25°～50°为陡坡、>50°为险坡。

1.3 数据采集与分析

空间分析、光照和地表径流的分析通过ArcGIS平台的地表分析模块、太阳辐射模块和水文分析模块完成。土壤理化性质的调查分为现场数据采集和实验室分析，前者包括紧实度与含水量的实测和土样的采集，后者包括酸碱度和主要养分指标的测定。紧实度的测量仪器为TYD-2型手持式土壤硬度计，含水量的测量仪器为AZS-100定时定位TDR土壤水分仪，以梅花形布点测量与采样，记录并计算平均值，测量深度为表土20 cm。酸碱度的测定采用电位法由pH计完成，辅以pH试纸校验，养分指标的测定针对主要元素的有效部分，即测定碱解氮、有效磷和有效钾的含量，是土壤中易被植物吸收的主要养分元素部分，前者采用的是碱解扩散法，后两者通过溶液浸提和光度计检测完成(百灵达SK500)。共调查土壤含水量与紧实度样点75个，土壤化学属性样点44个。数据处理与分析通过Excel与SPSS软件完成。调查时间为2019年8月至9月，雨后4～5日的晴好天气。另外，在土壤性质的分析中还包含了与其他城市绿地同期调查数据的比较，以便在更大的尺度了解山体公园的土壤环境特征，其他绿地类型包括：平地公园、单位附属绿地、居住区绿地、滨水绿地、广场绿地和道路绿地。

2 结果与讨论

2.1 光照因子

地形对光照的影响主要体现在坡向和坡度所塑造的地表界面与直射光线间的角度关系。北半球地区南坡属于阳坡，北坡属于阴坡，东、西坡属于半阳坡，而具体光照时数与表面辐射累积量又与坡度密切相关，简单地将北坡归为阴生环境是不严谨的，“阴坡”只是对坡向在光照语境下的称呼。

图1为简化地形模型的年光照条件分析，坡度级差为10°。左侧为年辐射累积量，可以看出除南坡外其余坡向均与坡度呈负相关，南坡则表现出先增大后减小的趋势，最大值出现在20～30°区域，这与该坡度和地区正午时段平均太阳高度角接近互补有关，辐射增量约为平地全光照的10%～15%。按照植物生长对光照条件的需求，常用模糊划分为在8时至16时中，4 h光照为阳生与阴生环境的分界，0～2 h属于全阴环境，2～4 h为半阴，4～6 h为半阳，6～8 h为全阳环境[16]。以此标准，如图1右侧所示，各坡向均属于阳生环境，仅少数大坡度区域属于半阳环境。在平地建筑遮阴模拟中，6 h等时线附近的辐射累积量约为全日照区域的70%～75%，4 h等时线约为50%～55%，2 h等时线约为22%～24%，按该比例类推，北坡40°及以上，图1左天蓝色以上区域，属于小于4 h阴生环境范围，30°～40°和东、西坡50°及以上为半阳范围，即浅蓝色部分，无小于2 h范围。地形坡度产生的椎体斜面与建筑物的垂直面不同，若直接以日照时数划分，在非高纬度地区，即使北坡日照时数的减小幅度也并不显著，但斜面的辐射接收量却存在明显差异，以之划分坡地的光照条件区域更为合理。现实环境中城市山体公园的坡度很少超过40°～50°，但坡向和坡度的变化则会更加丰富，在大的坡面上还会出现小坡面的起伏转折和深浅不一的沟谷，这些都会产生局部光照条件的变化。图2为南京清凉山公园山体的坡度分析，大多数坡面坡度在30°以下，山体边缘与其他用地类型交界处地形受扰动较大，存在少量大于40°的陡坡。图3为该区域年辐射累积量的分析，大的片区差异基本勾勒出不同方向山脊线的轮廓。平地全光照年辐射量约为140 (万Wh·m-2)，按上文所述比例计算，小于77 (万Wh·m-2)的区域相当于4 h日照以下的阴生环境，即图3中的深蓝色区域，与北向坡大于40°位置基本一致，77～105 (万Wh·m-2)的区域相当于4～6 h半阳环境，即图3中浅蓝色区域，受小坡面起伏的影响略大于北向坡中30～40°区域。由于南向坡大多集中在20°～30°左右，图3中表现出大面积高于平地全光照辐射量的红色区域。所以对于以中缓坡为主的城市山体公园而言，地形因素对阴生环境的塑造能力远小于“强阳”环境，南坡更适合喜光植物的生长，尤其是上层乔木。

2.2 水因子

地形因素是组织和分配山体公园地表径流的关键，并因此形成了与地表水文相关的一套空间体系，包括汇水面、汇流线和汇水点等，不同方向坡面的地表雨水汇集形成汇流线，多条汇流线相交的位置即为汇水点。坡面的产流过程与土壤含水量密切相关，这决定了雨水下渗就地补给的比例。除了降雨强度和地表粗糙度外[17]，坡度也是影响坡面产流过程的重要因素。潘成忠等的研究发现表面流流速与坡度呈正相关[18]，刘燕等人的研究也表明雨强和坡度均与流速呈正相关，并且二者还存在关联性，雨强较大时，坡度对流速的影响更为显著[19]。在王保一等人的研究中，坡度从30°增加到35°后，径流的产流起始时间提前了2～23 s[20]。此外，地表径流还会对表土层土壤结构产生影响，冲刷会首先带走土壤中的细小颗粒，增大表土砂石含量占比，导致坡度大的区域保水能力往往较低。在面对径流冲刷时，土壤的分离速率会随坡度的增大而增大[21]。

各调查样点植被均为偏密林或密林，冠层截留对降雨的影响可视为基本一致的背景条件。表1所列为不同坡度及汇水点的土壤含水量统计及分析情况，汇水点最大，且显著高于各坡度样点，平均含水量随坡度的增加而减小，其中中坡与缓坡的差异不大，陡坡减小明显。各坡度样点含水量方差分析结果为P<0.01(P=0.008，F=5.145)，说明各坡度间含水量存在显著差异，相关性分析结果为在0.01水平上显著负相关(r=-0.620)，坡度越大含水量很可能越小。变异系数的比较中，陡坡与平坡较大，反映出其内部较大的数据离散程度。

图 1 简化地形模型光照条件模拟分析Figure 1 Simulation analysis of sunlight condition of simplified topography model

图 2 清凉山公园山体坡度分析Figure 2 Slope analysis of Qingliangshan Park

图 3 清凉山公园年太阳辐射累积量分析Figure 3 Analysis of annual solar radiation accumulation in Qingliangshan Park

表 1 不同坡度及汇水点的土壤含水量分析 Table 1 Analysis of soil moisture at different slope grades and catchment point areas

图4为加入坡向和坡位条件后各坡度土壤含水量的均值比较，其中平坡分为位于山顶脊线附近的山顶平坡和山脚区域的山脚平坡。陡坡的坡向间差异大于中坡和缓坡，缓坡的差异极小。坡向间变化的比较很大程度上呼应了光照的影响，陡坡阴面属于半阳或阴生环境，蒸散量较小，形成了与阳面较大的含水量差异。不同坡位平坡的差异则主要与地表径流有关，山脚平坡虽不一定是汇水点，但也会承接不少上游坡面汇水，加上自身坡度小，有利于径流下渗补充土壤水分。山体公园依地形差异形成的各空间类型含水量综合比较如图5所示，汇水点和山脚平坡优势明显，其余类型之间除陡坡外变化不大，阳面陡坡含水量最小。

图 4 不同坡向和坡位土壤含水量比较Figure 4 Comparison of soil moisture in different slope aspects and positions

图 5 山体公园各空间类型土壤含水量综合排序Figure 5 Comprehensive sorting of soil moisture of all spatial types in mountain park

2.3 土壤性质

2.3.1 土壤紧实度

表 2 不同坡度及汇水点的土壤紧实度分析 Table 2 Analysis of soil compaction at different slope grades and catchment point areas

土壤紧实度的总均值为441.59 (N·cm-2)，不同坡度及汇水点的平均值如表2所列，坡度大小与紧实度未表现出对应关系，且相互间差异不大，各坡度样点紧实度的方差分析和相关性分析结果显示也未表现出显著差异性和相关性。汇水点的紧实度较小，可能与其表土长期经历由径流形成的物质沉积过程以及较高的土壤含水量有关。

土壤紧实度与含水量具有很大的关联性，紧实度大说明土壤孔隙度小，理论上可容纳水分的空间就小。Ayers模型认为土壤紧实度与含水量的关系变化存在拐点，拐点左右两侧二者分别呈现单调正相关与单调负相关，并提出拐点含水量在10%左右，10%～50%含水量区间内二者关系为负相关递减曲线[22]。图6为平坡、中坡和陡坡紧实度与含水量的关联趋势，由于缓坡样点数偏少未参与比较，相关性分析显示：平坡和中坡样点紧实度与含水量呈显著负相关，而陡坡样点为显著正相关。陡坡样点含水量大多小于15%，分析结果与Ayers模型基本吻合，在含水量较小的情况下，紧实度的适度增大有利于土壤颗粒对水分的吸附，提高其保水能力。

注：r代表相关系数，*表示在0.05水平上显著相关。

不同绿地类型土壤紧实度的比较如图7所示，山体公园的平均水平与平地公园和广场绿地相当，略高于其他类型，但差异并不显著。

图 7 不同类型绿地土壤紧实度比较Figure 7 Comparison of soil compaction in different urban green space types

图 8 不同类型绿地土壤酸碱度比较Figure 8 Comparison of soil pH in different urban green space types

2.3.2土壤酸碱度

表 3 不同坡度及汇水点的土壤pH分析 Table 3 Analysis of soil pH at different slope grades and catchment point areas

土壤酸碱度的总均值为6.04，变幅为4.10～7.55，小于6.5的酸性样点占比为66.67%，与宁镇低山丘陵黄棕壤pH主要集中在5.0～6.5的研究结论相符[23]。不同坡度及汇水点的平均值如表3所列，陡坡属于强酸性范畴，其样点pH与其他坡度在0.05水平上差异显著(F=5.302，P=0.034)，相关性分析显示pH与坡度在0.05水平上显著负相关(r=-0.526)，原因可能与土壤淋溶作用有关。相同降雨条件下，地势越高、坡度越大的区域受径流冲刷越严重，土壤水的移动也更强，淋溶作用更大，而淋溶作用的增强是土壤酸化的重要原因之一[24]。

与其他绿地类型的pH比较如图8所示。山体公园最小，且唯一表现为酸性。一方面这与山体公园土壤受人为扰动少，更多地表现出地带性土壤特征有关；另一方面山体公园植物群落的物质循环比较稳定，植物残体能够就地回归完成有机质的分解，其中的腐化过程能够释放酸性物质，而其他绿地的物质循环易因空间特征影响或人为清理而被削弱或中断，尤以道路绿地表现最为突出[25]。山体公园显著较高的变异系数仍然是地形变化促进酸碱环境内部差异性的结果。

2.3.3土壤养分特征

表 4 各养分指标评价分级标准拐点值 Table 4 Grading standard of each nutrient index evaluation

考虑到土壤酸碱环境的变化对植物生长发育、营养物质的吸收和转化过程都具有重要的影响，也将其纳入到养分特征分析的指标体系中。养分指标的评价标准参考了第二次全国土壤普查养分分级标准及以往的相关研究[26-28]，分级归属依照的是隶属度原则[28](表4)，综合指数的计算采用内梅罗综合指数法[27]。

表 5 山体公园各养分指标分析 Table 5 Analysis of each nutrient index of mountain park

据此标准，山体公园样点的分析结果如表5所列。碱解氮均值为Ⅲ级水平，且Ⅲ级样点的占比达到了70%，说明碱解氮的含量整体偏低；有效磷与有效钾的平均值均达到了相应的Ⅰ级水平，且各自Ⅰ级样点占大多数。土壤养分元素的有效性与酸碱环境密切相关，中性环境有利于有效氮磷钾的稳定，多数样点的酸性环境易造成有效态元素的转化或流失[29]。另外，从来源上看，碱解氮主要来自有机质分解，有效磷与有机质分解和成土母质均相关，有效钾则主要来自母质[30],而影响有机质分解的关键因素土壤微生物一般在中性环境中活动旺盛[31]，细菌和放线菌较适宜于中性至微碱环境[32]，所以土壤呈酸性可能是碱解氮含量偏低的原因，同时也说明区域土壤母质中磷和钾较为丰富。综合指数方面，各指标均值的综合指数为1.503，属于一般水平范围(0.9≤P<1.8)，所有样点中属于一般水平的占85%，肥沃水平为15%(1.8≤P<2.7)，无贫瘠水平样点(P<0.9)。

不同空间类型各养分指标的分析如图9所示，碱解氮的比较中，汇水点最高，达到Ⅰ级标准，其余类型差别不大，均属于Ⅲ级水平；有效磷的比较中，所有类型均达到Ⅰ级标准，其中缓坡的数值最高；有效钾的比较中，仍然是汇水点最高，除陡坡属于Ⅱ级外，其余均属于Ⅰ级水平。汇水点的综合指数也明显高于其他类型，并达到了肥沃水平。各指标的变异系数变化曲线均呈现出不同程度的抛物线状，陡坡和汇水点内部样点数值的离散程度较低。二者皆属于具有某种极端环境因素的空间类型，前者拥有研究范围内的极端坡度，后者属于平缓低洼地形，拥有研究范围内的极端土壤含水量，相对严格的空间特征促成了土壤养分格局的稳定，降低了同类型样点的差异化程度。

图 9 不同空间类型各养分指标比较Figure 9 Comparison of each nutrient index in different topography types

表6为各坡度样点养分指标和综合指数的方差分析与相关性分析结果，差异性均不显著，有效钾含量表现出与坡度变化的显著负相关性。表7为汇水点样点与所有坡面样点各养分指标的方差分析结果，碱解氮、有效钾和综合指数的差异性显著。地表径流的冲刷-汇集作用，能促使有机质、可溶性盐类以及土壤细颗粒在汇水点区域汇积，使土壤具有高养分特性。碱解氮主要来自有机质分解，汇积效应明显，而磷酸根离子较强的土壤依附性可能减弱了其随径流的运动，钾离子在酸性土壤环境中更容易被淋失[33]，因此受径流影响较大。

表 6 各养分指标与坡度的数据关系分析 Table 6 Analysis of data relationship between each nutrient index and slope grades

表 7 汇水点与坡面样点各养分指标方差分析 Table 7 ANOVA analysis of each nutrient index between sample sites of catchment point areas and slope areas

与其他城市绿地的比较如图10所示，山体公园的碱解氮含量与平地公园相当，平均水平显著高于其他绿地类型；有效磷的平均值均达到了Ⅰ级标准，两种公园绿地相对较低；有效钾的差异不大，平均值也都达到了Ⅰ级标准，山体公园相对略低。公园绿地面积较大且形态规整独立，物质循环过程易保持稳定，因此土壤氮的补充优于其他绿地。受人为活动的影响，城市土壤存在磷富集的现象[34]，相较公园绿地，其他绿地与人类生产生活的联系更为紧密，例如更易接收到硬化地表径流中携带的污染物，这可能是有效磷整体偏高但公园绿地相对较低的原因。山体公园相对略低的有效钾含量则更多与其酸性土壤易造成钾的淋失有关。另外，相对较高的碱解氮含量促成了两种公园绿地在养分综合指数比较中的优势。

图 10 山体公园各养分指标与其他绿地类型的比较Figure 10 Comparison of each nutrient index between mountain park and other urban green space types

3 结论

(1)地形对光照环境的影响是在坡向与坡度共同作用下形成的，阴坡仅在约40°及以上区域光辐射累积量减半，构成阴生环境条件，半阳坡达到50°及以上时才会形成半阳生环境，另外，20°～30°阳坡会产生显著的光辐射增强效果，增幅约为平地全光照的10%～15%。

(2)坡度与土壤含水量之间表现出显著负相关性，坡向对含水量的影响较小，且与坡度具有一定的关联，相比之下坡位的影响则更为突出，汇水点与山脚平坡的含水量优势十分明显。

(3)与其他城市绿地类型相比，山体公园土壤紧实度整体偏大，与地形因素的变化关联不强；土壤pH整体呈酸性，显著小于其他绿地类型，并与坡度显著负相关；土壤碱解氮含量整体偏低，但高于大部分其他绿地类型，有效磷与有效钾含量虽小于其他绿地类型，但均已达到丰富的标准。有效钾含量与坡度之间存在显著负相关性，汇水点区域表现出较高的养分汇集效应，且综合指数达到了肥沃标准。