城市公园绿地不同植被类型土壤水分相关物理性质*

张毅川 田 莉 孙 杨 秦文珂 火高生 余 根

1 河南科技学院园艺园林学院 河南新乡市 453003

2 河南省园艺植物资源利用与种质创新工程研究中心 河南新乡市 453003

近年来全球极端气候事件频发,城市雨洪在世界范围内成为热点问题,也是我国许多城市亟待解决的问题[1]。住建部、财政部于2016年开展了海绵城市建设,并出台《海绵城市设计导则》。海绵城市提倡“自然渗透、自然存储和自然净化”的雨水利用方式,而城市绿地成为雨水自然渗透的主要下垫面,对城市雨水调控具有重要的作用[2-3]。城市天然林地、湿地等具有较高的渗透性,但是在城市绿地中占比较少,人工建设的城市绿地是雨水渗透的主要界面[4-5]。

土壤是城市生态安全的基石,也是绿地雨水入渗的主要介质[6]。土壤渗透性是描述土壤入渗快慢极为重要的参数之一,受土壤物理性质的影响[7]。充分了解绿地土壤的渗透性可以为雨水设施的建设以及绿地的节水管理提供科学依据。美国、日本发达国家制定了绿地土壤的渗透性标准,用于指导城市绿地的建设[8-9]。我国目前没有相关的统一标准,但上海等城市提出了绿地土壤渗透性标准[10]。因此,开展城市绿地土壤渗透性调研,改善土壤渗透性成为绿地建设的关键。杨倩等[11]通过研究武汉城区典型绿地土壤0～10 cm的饱和导水率,发现天然林通常具有较高的饱和导水率；黄晖等[12]研究发现深圳绿地土壤入渗性能较差；杜建会等[13]研究发现广州海珠国家湿地公园的绿地土壤水分入渗性能处于中等至较高水平,植物生长可促进绿地土壤水分入渗。

本研究选取河南省新乡市的5个主要城市公园绿地作为研究对象,对不同植被类型绿地不同土层深度开展土壤入渗性能研究,探讨绿地土壤入渗性能与其他土壤物理性质指标之间的关系,以期为北方城市绿地雨水基础设施建设及绿地管理提供参考,尤其是河南省豫北地区城市绿地。

1 研究区概况

新乡市(113°23′—115°01′E,34°53′—35°50′N)地处河南省北部,属暖温带大陆性季风气候,年平均气温14℃,年平均降雨量656.3 mm。豫北地区城市平均每年发生暴雨2～3次,多出现在7-8月。2016年7月9日,新乡市遭遇特大暴雨,12 h雨量达402.0 mm,最大雨强达132 mm·h-1；2021年“新乡7.17特大暴雨”最大雨强达149.9 mm·h-1。目前新乡市建成区总绿地面积为167 hm2,绿地覆盖率36.05%、建成区绿地率32.64%、人均公共绿地面积8.35 m2；园林树种以落叶乔灌木为主,常绿乔灌木种类较少[14]。新乡市绿地土壤质地以粉砂质壤土为主,0～60 cm土层土壤类别中壤土的比例最高,且随土层深度加深而逐渐降低,黏壤土随土层加深而减少,砂土占比变化不大、但在公园绿地中占比最高[15]。

2 研究方法

2.1 样品采集

选择新乡市建成时间较长的5个公园绿地(表1)为研究对象,调研时间选择降雨相对较少的4月底,样点选择地势较为平坦的区域。采用200 m×200 m网格对5个公园进行布点,避开大面积的水体区域,选择具备不同植被类型的地块作为采样点。土壤采样深度为45 cm,通过100 cm3环刀按0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm分层进行土壤样本的采集,共采集156个样品。

表1 样点基本情况

2.2 土壤物理性质测定

衡量土壤物理性质指标有许多,本研究选择土壤含水率、土壤容重、土壤比重、土壤孔隙度、土壤紧实度和土壤饱和导水率作为调研指标[16]。本次研究没有将有机质列入调研指标,主要是由于城市绿地土壤不具备有机质富集的环境条件,从而导致有机质含量通常极低[17]。

土壤容重、含水率和孔隙度测定采用环刀法,土粒密度测定采用比重瓶法[18],土壤紧实度采用TJSD-750型土壤紧实仪(浙江托普仪器有限公司)现场测定。土壤渗透性一般用土壤饱和导水率(Kfs)表示[19],土壤饱和导水率采用ECATR09土壤入渗仪(北京益康农科技发展有限公司)现场测定,该入渗仪运用恒定水头及三维流原理,能快速测量各种土壤不同深度的饱和导水率,全部测量过程可在0.5～2 h内完成,用水量约2.5 L,电子自动记录测量结果。本次实验设定时间记录间隔为120 s。

2.3 数据分析

本研究采用Excel 2007处理试验数据,采用SPSS 21.0对不同植被类型土壤物理性质进行显著性差异分析,采用Pearson相关分析法分析土壤物理性质相关性。

3 结果与分析

3.1 不同植被类型土壤物理特征

3.1.1 不同植被类型土壤含水率

由图1可知,3种不同植被类型绿地土壤含水率均值依次为草地＞灌草地＞乔草地,草地的土壤含水率分别为灌草地、乔草地的1.01倍、1.10倍。对3种不同植被类型绿地土壤含水率进行方差分析,结果发现草地、灌草地、乔草地三者之间差异不显著(P＞0.05)。但是不同植被类型绿地各土层的土壤含水率表现出明显的差异,其中,灌草地0～15 cm土层土壤含水率高于乔草地和草地,草地15～30 cm、30～45 cm土层土壤含水率高于乔草地和灌草地。

图1 不同植被土壤含水率特征

3.1.2 不同植被覆盖下土壤容重

由图2可知,3种不同植被类型绿地土壤容重均值依次为草地＞乔草地＞灌草地,草地的土壤容重分别为乔草地、灌草地的1.03倍、1.06倍。对3种不同植被类型绿地土壤容重进行方差分析,结果表明草地和灌草地差异显著(P＜0.05)、乔草地与草地、灌草地差异不显著(P＞0.05)。不同植被类型绿地各土层土壤容重表现出明显的差异(图2),草地0～15 cm、15～30 cm土层土壤容重大于乔草地和灌草地,乔草地30～45 cm土层土壤容重大于草地和灌草地。

图2 不同植被土壤容重特征

3.1.3 不同植被覆盖下土壤比重

由图3可知,3种不同植被类型绿地土壤比重均值依次为乔草地＞草地＞灌草地。乔草地的土壤比重分别为草地、灌草地的1.01倍、1.02倍。对3种不同植被类型绿地土壤比重进行方差分析,结果表明乔草地、草地、灌草地三者之间差异不显著(P＞0.05)。不同植被类型绿地各土层土壤比重表现出明显的差异(图3),乔草地0～15 cm、15～30 cm土层土壤比重大于草地和灌草地,灌草地30～45 cm土层土壤比重大于草地和乔草地。

图3 不同植被土壤比重特征

3.1.4 不同植被覆盖下土壤孔隙度

由图4可知,3种不同植被类型绿地土壤孔隙度均值依次为灌草地＞乔草地＞草地,灌草地的土壤孔隙度分别为乔草地、草地的1.03倍、1.08倍。对3种不同植被类型绿地土壤孔隙度进行方差分析,结果表明灌草地、乔草地、草地三者之间差异不显著(P＞0.05)。不同植被类型绿地各土层土壤孔隙度表现出明显的差异(图4),灌草地0～15 cm、30～45 cm土层土壤孔隙度大于乔草地和草地,乔草地15～30 cm土层土壤孔隙度大于灌草地和草地。

图4 不同植被土壤孔隙度特征

3.1.5 不同植被覆盖下土壤紧实度

由图5可知,3种不同植被类型绿地土壤紧实度均值依次为乔草地＞草地＞灌草地,乔草地的土壤紧实度分别为草地、灌草地的1.13倍、1.17倍。对3种不同植被类型绿地土壤紧实度进行方差分析,结果表明乔草地、草地、灌草地三者之间差异不显著(P＞0.05)。不同植被类型绿地各土层土壤紧实度表现出明显的差异(图5),乔草地0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm土层土壤紧实度均大于草地和灌草地,并且各类型绿地土壤紧实度随着土层加深而增大。

图5 不同植被土壤紧实度特征

3.1.6 不同植被覆盖下土壤饱和导水率

由图6可知,3种不同植被类型绿地土壤饱和导水率均值依次为乔草地＞草地＞灌草地,乔草地的土壤饱和导水率分别为草地、灌草地的1.04倍、1.48倍。对3种不同植被类型绿地土壤孔隙度进行方差分析,结果表明乔草地、草地、灌草地三者之间差异不显著(P＞0.05)。不同植被类型绿地各土层土壤饱和导水率表现出明显的差异,乔草地0～15 cm土层土壤饱和导水率大于灌草地和草地,草地15～30 cm、30～45 cm土层土壤饱和导水率大于乔草地和灌草地。

图6 不同植被土壤饱和导水率特征

3.2 土壤物理性质相关性分析

如表2所示:土壤饱和导水率与土壤含水率、土壤容重呈负相关性,与土壤比重、土壤孔隙度以及紧实度呈正相关。土壤饱和导水率除了与土壤比重为显著正相关(P＜0.05)之外,与其他物理性质相关性不显著(P＞0.05),说明土壤饱和导水率受多种土壤因子的共同影响,单一的土壤物理指标对土壤饱和导水率影响不明显[20]。

表2 土壤物理性质相关性分析

4 讨论与结论

4.1 讨论

新乡市城市公园绿地土壤物理性质在不同植被类型覆盖下表现出明显的差异。一方面是因为灌木地和乔木地郁闭度较高,受干扰程度较小,而草地受到人为践踏较多,干扰程度最大[21]；另一方面是因为灌木和乔木的根系更加发达,分泌的物质以及根系残体等促进团粒结构的形成,改善了土壤物理性质[22]。草地的土壤含水率高于灌草地和乔草地,这一结果与李银等[23]对天津市不同功能区土壤物理特性研究结果一致,究其原因,一方面是植物蒸腾作用消耗大量的土壤水分[24]；另一方面是植物冠层截流降低了雨水对土壤水分的补充[25-26]。乔木、灌木、草本根系的生长和发育对土壤容重和孔隙度产生较大的影响[27],灌草地土壤孔隙度优于乔草地和草地,这一结果与冯璐等[28]对黄土塬边坡植被类型对土壤孔隙的影响研究结果一致,这是因为灌木地的植被覆盖度与枯落物储量相较于其他植被更大,因此,土壤容重和孔隙度要优于其他植被类型绿地[29]。此外,灌木的根系分泌物能够提高土壤有机质含量,促进团粒结构形成越好,土壤比重就越低[30]。乔草地相较于草地和灌木地土壤含水率更低,土壤含水率低则土壤干燥,土壤干燥而收缩导致其土壤紧实度高[31]。综上所述,新乡市城市公园不同植被类型绿地灌草地土壤容重、土壤比重、土壤孔隙度以及土壤紧实度都优于乔草地和草地,而草地的土壤含水率要高于灌草地和乔草地。

植被的生长和活动可以改善土壤结构,提高土壤入渗性能,但是,不同植被覆盖下土壤渗透特性差异较大[32]。谭学进等[33]研究发现,从草地到灌丛到林地,随着植被群落的演替,土壤饱和导水率也在不断提高,其中乔木对土壤饱和导水率效果最好。有机质是提高饱和导水率的驱动因子,在一定范围内能有效提高土壤饱和导水率,超过极值时,饱和导水率呈下降趋势[34]。乔木和灌木的枯枝落叶以及根系残体能提高土壤有机质含量,促使土壤团粒结构形成,改变土壤孔隙度,从而对土壤饱和导水率产生间接影响[35]。新乡市城市公园不同植被类型绿地土壤饱和导水率也具有明显的差异,其中乔草地饱和导水率要明显高于草地和灌草地。随着践踏强度的增加,土壤容重呈显著增加,从而导致土壤孔隙度变小,紧实度提高,饱和导水率也随着变小[36-37]。Horn等[38]研究发现没有受到践踏的草地,表层土壤饱和导水率的变异性要低于受践踏严重的草地。张湘潭等[39]研究发现底层土壤饱和导水率要高于表层,这与本研究结果相似,可能是因为新乡公园绿地上层土壤多为粉砂质壤土,而底层土壤多为砂质壤土[40]。因此,出现了虽然底层土壤容重较大,但其土壤饱和导水率仍然较高的情况。由于土壤饱和导水率受多种土壤因子的共同影响,本身空间异质性较高[41],所以不同地区不同植被覆盖下土壤饱和导水率出现不同的结果。

土壤饱和导水率与土壤含水率呈负相关性,这是由于土壤含水率高会使土壤入渗通量减小,从而导致土壤饱和导水率变小[42]；土壤饱和导水率与土壤容重呈负相关,与土壤孔隙度、土壤紧实度呈正相关,是由于土壤容重越大土壤孔隙度越小,压实情况就越严重,导致土壤饱和导水率就越小[43]。土壤饱和导水率与土壤比重呈显著正相关可能是受到土壤团聚体的影响,土壤结构越好,饱和导水率越高[44]。

4.2 结论

不同植被类型绿地土壤物理性质各项指标存在明显差异。灌草地土壤容重、土壤比重、土壤孔隙度、土壤紧实度均优于乔草地和草地,草地的土壤含水率高于灌草地和乔草地,乔草地土壤饱和导水率高于草地和灌草地。单一的土壤物理指标对土壤饱和导水率影响不明显,仅土壤比重与饱和导水率显著相关。总而言之,植被生长对绿地土壤入渗有一定积极作用,因此,适当增加乔灌木种植可以改善土壤结构,提高城市绿地土壤渗水蓄水能力,减少雨后城市地表径流。