微尺度下城市公園人造綠地土壤水分的時空分異格局及其驅動機制

劉雅莉,杜劍卿,李 鋒,高海寧,胡 聃

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049 3 清華大學建筑學院,北京 100084

水是生命之源,是生態系統的基本非生物組成要素。土壤水分直接影響植物生長,并決定了植物群落結構[1- 3],而植物具有涵養水分、減少水土流失[4- 6]、美化景觀等積極作用,是城市景觀生態系統不可或缺的要素。此外,土壤水分可以通過對土壤有機質礦化作用的調節影響生態系統的養分循環過程[7- 9],還可以通過改變植物和分解者群落結構間接影響生態系統的碳排放過程。因此,土壤水分對生態系統結構和功能有著重要的影響。

城市作為人類高密度居住的區域,目前我國城鎮人口已經達到總人口的57.35%,且呈急劇增加趨勢[10]。隨著城市化進程加快,硬化地表面積大幅增加[11],城市生態系統中具備涵水功能的自然地表主要集中在城市公園。土壤水分對于城市公園綠地至關重要,降水是影響土壤水分的主要因素[12-13],而地形地貌能顯著影響土壤水分的再分配,調節降水入滲和土壤蒸發作用[14-15]。就北京而言,全市年平均降水量較少且集中,故通過微地形改造提高城市綠地的水分涵養能力有著重要意義。近年來諸多研究表明,微地形對土壤屬性[16]、植被覆蓋、微氣候和微生境都有重要影響[17- 20]。然而,國內對土壤水分的研究重點關注于土地利用類型對土壤水分的影響[21- 24],雖然也涉及到坡向[25]、坡度[26]、坡位[27]、海拔[28-29]等微地形因子的影響,但是對城市生態系統中土壤水分的研究較少,特別是微尺度的人造生態系統(如城市公園綠地等)。因此,系統研究微尺度下城市公園人造綠地土壤水分的時空分異格局及其驅動機制,能夠指導城市生態系統景觀設計,有效提高土壤水分涵養能力和利用效率,改善城市生態環境。

本文選擇北京奧林匹克森林公園一處人造綠地中的4種不同微地形(陡坡、緩坡、沖溝和洼地)作為研究對象,在一個完整水文年內對土壤濕度和溫度開展了長期監測,系統分析了微尺度下土壤含水量的時空分異格局及其驅動機制。

1 研究區概況

研究區域位于北京市奧林匹克森林公園南園(40°01′3.00″N, 116°23′2.98″E),地處北京市朝陽區北五環,占地面積680 hm2,綠化面積478 hm2,水域面積67.7 hm2,綠化覆蓋率95.61%。區域氣候為典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促,多年平均氣溫約為14℃,多年平均降水量為583mm,降水多集中在6—8月,常伴有大雨。

研究樣地面積約800 m2,位于一處人造坡地上。該人造坡地建成于2008年,初期沒有植被覆蓋,也沒有人工種草,現有植物群落是自然演替結果。研究樣地優勢種主要是馬唐,是北京地區常見的先鋒種。

2 研究方法

2.1 樣點布設與采樣方法

研究區域自北向南依次是沖溝、陡坡、緩坡和洼地,其中沖溝與陡坡間距約40 m,陡坡與緩坡間距約30 m,洼地緊鄰緩坡上部(圖1)。緩坡和陡坡依據國際地理學聯合會地貌調查與地貌制圖委員會的坡度等級劃分標準。在陡坡、緩坡和沖溝的上部、中部、下部設置3個采樣點位,其中坡上到坡中的距離是3米,坡中到坡下的距離是4米;在洼地的中心和邊緣各設置一個采樣點位。沖溝表面無植被覆蓋,其余點位在生長季有植被覆蓋。

2016年6月至2017年3月間,共開展了10次監測與采樣工作。為了排除植物的影響,在時間上劃分了生長季和非生長季,選取2016年12月至2017年3月為非生長季,其余時間為生長季,生長季除沖溝外均有植被覆蓋,非生長季所有地形均無植被覆蓋。此外,由于北京的降雨普遍集中在夏季,故加入雨季這一特定時期研究集中降雨對不同地形土壤水分的影響。其中,5次樣品采集于生長季,5次樣品采集于非生長季。2016年8月的3批次樣品同時作為雨季的樣品。采集土壤樣品時分為0—10 cm和10—25 cm兩層,每個樣點隨機選取三點,用直徑3 cm土鉆各取一鉆土后混合,用烘干法測定土壤含水量[30]。土壤溫度利用熱電偶探頭在現場測量。

圖1 實驗設計概略圖Fig.1 Sketch of the study design

2.2 數據處理

使用Microsoft Excel軟件對研究區土壤水分的數據作整體統計分析,使用SPSS19.0軟件對土壤含水量數據進行異常值檢測、方差分析和相關性分析,相關圖形采用Origin 9.0和Adobe illustrator CC 2017軟件完成。

3 結果與分析

3.1 不同剖面土壤水分的時空變異情況

全年來看(表1),除2016年10月和2017年3月底兩期結果外,表層土壤含水量均值普遍高于下層,但是統計分析結果不顯著(P=0.078);兩層土壤各期的含水量均有較高的變異系數(表層為16.49%—58.77%,下層為16.74%—46.86%,均為中等變異性),表層土壤含水量各期變異系數的均值顯著高于下層(P<0.01),說明表層土壤水分的空間分異較下層更為明顯。

無論表層還是下層,生長季土壤水分的均值和變異系數的均值同非生長季相比均沒有顯著差異。但是非生長季表層和下層土壤水分的均值均高于生長季,且極大值都出現在冬季,極小值都出現在夏季。說明生長季受相對較高氣溫帶來的蒸發作用和植物的蒸騰作用共同影響[31],土壤含水量降低,但影響并不顯著,微尺度下土壤水分并沒有顯著的季節分異特征。然而,同氣溫變化趨勢相反,從夏季至冬季,土壤水分隨時間呈現上升趨勢,說明溫度可能是影響土壤水分時間變化的因素,故在下文中討論兩者間的相關關系。

3.2 微尺度下土壤水分的時空分異格局

3.2.1空間分異格局

從空間格局來看(圖2),不同微地形間表層土壤含水量差異較大,下層則無顯著差異,故下文重點討論微地形對土壤表層空間分異格局的影響。陡坡、緩坡和洼地的表層土壤含水量普遍高于下層,沖溝則相反,是由于沖溝表層無植被覆蓋,影響了土壤水分的垂直分布[27],故后續選擇沖溝作為研究對象討論植被對土壤含水量的影響。對不同深度土壤水分進行獨立樣本t檢驗,結果顯示陡坡表層土壤水分顯著大于下層(P<0.05),緩坡的無顯著性差異,說明坡度越大,降雨越容易產生地表徑流,而垂直下滲量則減少,這與Fox等[32]的研究結果一致。

表1 土壤質量含水量統計數據

圖2 不同微地形條件下土壤水分的空間分異格局Fig.2 Spatial distribution of soil water content on different microtopographic types

洼地在微地形改造中被廣泛應用[33-34]。就表層土壤含水量來看,洼地的土壤含水量普遍較高,在全年尺度上顯著高于其他地形(其中洼地與緩坡和沖溝的差異性極顯著(P<0.01),洼地和陡坡的差異性顯著(P<0.05));在生長季中也顯著高于其他地形(P<0.01);但是在非生長季,洼地僅同沖溝有顯著差異(P<0.05)。此外,將洼地中心和邊緣處表層土壤含水量進行獨立樣本t檢驗,結果顯示兩者具有極顯著差異(P<0.01),不同時期洼地內部的土壤含水量是邊緣處的1.17—2.2倍。說明洼地能夠有效存蓄雨水,提高土壤含水量[35],因此在降雨較少且幾乎沒有地表徑流產生的非生長季中土壤含水量同緩坡和陡坡相比差異不顯著。洼地的中心和邊緣處的水平距離不超過1米,然而土壤含水量卻有顯著差異,在城市公園綠地的設計中應充分考慮這類地形對土壤水分的涵養功能。

全年來看,陡坡和沖溝的土壤含水量也有顯著差異(P<0.01);生長季中,陡坡、緩坡和沖溝的土壤含水量差異不大;而非生長季中,陡坡的土壤含水量顯著高于沖溝(P<0.01),均值也高于緩坡,但是差異并不顯著(P=0.272);雨季中,緩坡的土壤含水量均值則高于陡坡,但是也不顯著(P=0.141)。在非生長季和雨季中,陡坡和緩坡植被覆蓋度基本一致,土壤溫度也沒有顯著差異(非生長季P=0.315,雨季P=0.321)。因此,除特殊地形(洼地、沖溝)的影響外,坡度可能是影響土壤水分空間分異格局的主要因素。

3.2.2季節變化特征

從季節變化規律來看,除洼地表層土壤外,各種微地形上土壤含水量普遍呈現出非生長季>雨季≥生長季的規律,說明微地形對土壤水分的季節變化特征影響不大。而洼地表層土壤含水量則呈現出相反的趨勢,體現了洼地對雨水的積蓄作用,說明洼地改變了表層土壤水分的季節變化規律(圖3)。從統計分析結果來看,僅有陡坡各時期的表層土壤含水量存在顯著差異,非生長季顯著高于生長季(P<0.01)和雨季(P<0.01);相比表層,下層土壤含水量的離散程度相對較低,陡坡非生長季的土壤含水量顯著高于生長季(P<0.01),緩坡非生長季的土壤含水量顯著高于生長季(P<0.01)和雨季(P<0.01)。非生長季同生長季最大的區別在于植被和溫度,無植被覆蓋的沖溝地形上非生長季土壤平均含水量仍高于生長季,再次證明溫度是影響土壤水分時間變化特征的潛在因素,因此在下文中將詳細探討溫度對土壤水分的影響。

圖3 不同地形條件下土壤水分的季節變化規律Fig.3 Seasonal pattern of soil water content on different microtopographic types

3.3 微尺度下土壤水分時空分異格局的驅動機制

過往研究表明,地表熱量對土壤水分平衡具有重要的影響作用[36-37],而地形坡度[15]和植被[19]同土壤水分也有顯著的關聯。結合上文分析結果,為了揭示微尺度下土壤水分的時空分異格局的驅動機制,選取坡度類似的陡坡和沖溝作為對照組研究植物的影響;選擇植被覆蓋相對均勻的陡坡和緩坡作為研究對象,研究坡度對土壤水分空間分布格局的影響以及溫度對土壤水分時間變化特征的影響,以及兩者的交互作用對土壤水分時空分異格局的影響。

3.3.1植物的影響

本研究中,沖溝的坡度同陡坡的坡度較為相似,均為斜陡坡級別。除沖溝地形發育有一條較淺的(小于5 cm)的溝壑外,兩種地形間的差異主要體現在沖溝表面無植被覆蓋。因此,選擇陡坡和沖溝作為對照組可以在排除坡度影響下探討植被對土壤水分的影響(圖4)。土壤水分是連接氣候變化和植被覆蓋動態的關鍵因子,植被覆蓋與土壤水分兩者之間又是一種相互影響和制約的關系,植物(包括根系)能夠極大地減少水分流失[38],有效涵養土壤水分[39-40],反過來植物生長和蒸騰作用又會消耗大量的土壤水分。因此,推斷沖溝的土壤含水量與陡坡存在差異的主要是由植物造成的。結果顯示植被對土壤水分的影響主要體現在表層,而對下層土壤水分幾乎沒有影響,植物地下生物量實地調查結果也顯示研究區植被根系較淺,集中分布在表層0—10 cm范圍內。非生長季陡坡表層土壤含水量顯著高于沖溝(P<0.01),生長季陡坡表層土壤水分也高于沖溝,但差異并不顯著。由此可見,非生長季不存在植物蒸騰作用對土壤水分的消耗,植被根系依舊能夠有效涵養土壤水分,且影響顯著;而在生長季中,雖然植物對土壤水分存在涵養作用,但是植物的蒸騰作用同時也會消耗水分,因此該時期內植物對土壤水分的影響不顯著。

圖4 不同時期陡坡和沖溝土壤水分空間分布Fig.4 Spatial distribution of soil water in steep slope and gully in different periods

綜上所述,植被對土壤水分的影響深度與根系深度有關。沖溝與其他微地形間表層土壤水分的差異主要是由于植物造成的,但是受地表徑流沖刷的影響,沒有或較少有植被覆蓋也是沖溝地形的一個特征,因此在城市公園景觀設計中應將沖溝作為一種特殊地形考慮。

3.3.2生態水文過程的影響

由上文已知,微地形可以通過洼地等特殊地形對地表徑流的截留和存蓄作用影響微尺度下地表水文過程,間接影響土壤表層水分的空間分布格局。此外,在植被覆蓋度基本一致、土壤溫度沒有顯著差異的陡坡和緩坡,較為不同的環境因素主要是受降雨影響的地表產流與下滲過程。根據Fox等[32]的研究結果,坡度越大,降雨越容易產生地表徑流,而垂直下滲量則減少。根據國家氣象中心的統計數據,樣地建成后至本研究結束期間(2008年至2017年間),北京的降雨主要集中在6月至9月間,降雨量占年均總降雨量的80%,降雨日平均日降雨量為11.43 mm,屬于中雨級別,日降雨量達到大雨(25 mm)以上的情況較為常見。研究期內,2016年6月至9月間降雨量占全年的83%,降雨日平均日降雨量為16.27 mm,屬于中雨級別,地表徑流較為明顯,在此期間緩坡可以更為有效的存蓄降雨,故而土壤含水量相對較高;而在非生長季中,降雨量極少(僅26.3 mm)且單次降雨強度普遍較低(僅2.4 mm),無地表徑流產生,在此期間陡坡的下滲作用較弱,因此土壤水分主要積聚于表層。這一現象表明除特殊地形外(洼地、沖溝),坡度是影響微尺度下土壤水分空間分布格局的重要因素,但是受限于本研究中坡度變化范圍較小(2°—17°),陡坡和緩坡間土壤含水量并未呈現出顯著差異。因此,在下文中將進一步分析坡度和土壤含水量間的相關關系。

綜上所述,微地形通過特殊地形(如洼地等)和坡度影響了微尺度下地表生態水文過程,間接影響土壤表層水分的空間分布格局,但該過程受降雨強度的影響在不同水文時期的作用是不同的。

3.3.3坡度和土壤溫度的影響

結果如圖5所示,坡度同土壤水分均呈現出負相關關系,在陡坡上的影響顯著而在緩坡上的影響不顯著(P=0.071)。本研究受限于研究尺度,采樣點的坡度變化較小且僅有6個坡度水平,故不能精確反映坡度對土壤水分的影響。但是,在坡度變化范圍相對較大的陡坡仍呈現出顯著的中等程度的相關性(R2=0.195,P<0.05)。說明坡度可以影響土壤水分的空間分異格局。陡坡和緩坡的土壤溫度同土壤水分均呈現出顯著的負相關關系,特別是在陡坡,呈現出極顯著的強相關性(R2=0.377,P<0.01)。說明土壤溫度可以顯著影響土壤水分的時間變化規律。坡度和土壤溫度的組合變量擬合程度明顯高于單一變量(表2),兩者的組合變量同土壤含水量有顯著的線性關系,且擬合度較好,說明兩者的組合變量可以表征微尺度下土壤水分的時空變異格局。偏相關分析結果顯示土壤水分對溫度的響應更加敏感,當坡度較小時,土壤水分受坡度的影響不顯著。

圖5 坡度和土壤溫度同土壤水分的線性回歸分析Fig.5 Linear regression between soil water content and slope, soil water content and soil temperature, respectively

4 結論

本文系統研究了微尺度下土壤水分的時空分異格局,并闡明了生態水文過程是其主要的驅動因子。植物通過對水分的截留以及蒸騰作用影響土壤水分的空間分布格局,在植被覆蓋均勻的條件下,微地形可以通過特殊地形(如洼地等)和坡度影響微尺度下地表水文過程,間接影響表層土壤水分的空間分布格局,但受降雨強度的影響該過程在不同水文時期的作用是不同的。同時,明確了微地形對土壤水分季節變化規律的影響較小,土壤溫度仍是影響微尺度下土壤水分季節變化的主要因素。揭示了坡度和土壤溫度的組合變量可以表征微尺度下土壤水分的時空變異格局。

表2 土壤水分影響因子的線性回歸分析與偏相關分析

S：坡度,Slope;T：溫度,Temperature;**：在P<0.01上顯著相關;*：在P<0.05上顯著相關

在微尺度下,微地形也可以通過影響土壤水分空間分布格局而對生態系統結構和功能產生潛在影響,但是其具體影響和驅動機制仍不清楚。在人類活動對土地利用格局和地形地貌的影響逐漸加劇的背景下,有關微地形對土壤環境以及生態系統的影響的研究,應當在景觀改造以及生態恢復研究和工程應用中給予更多的關注。此外,由于水文過程驅動下土壤水分空間分布格局受區域降雨特征的影響,因此當微地形改造應用于城市景觀建設或生態恢復工程中時,應結合工程目標和區域降雨特征,因地制宜地提出合理的設計方案。