土壤改良技術在城市濕地公園中的應用研究
——以海珠國家濕地公園一期為例

蒲苑君,李 鋌,3,陳 瑩,張俊濤,3

(1.廣州市林業和園林科學研究院,廣東 廣州 510405; 2.廣州市生態林園林科技協同創新中心,廣東 廣州 510405; 3.廣東省計量認證實驗室,廣東 廣州 510405)

城市濕地公園指納入城市綠地系統規劃范圍且適宜作為公園的天然濕地,通過合理的保護利用而形成的集生態保護、科普宣傳、休閑娛樂等功能于一體的公園。與天然濕地不同的是,城市濕地公園通常位于或鄰近城市區域,受城市生態系統、經濟發展水平、社會文化形態等影響較大[1］。作為城市綠地的重要組成部分,城市濕地公園不僅可以保護生物多樣性、改善水資源環境、維護生態系統穩定,還可以增加居民休閑娛樂空間、推動生態文化宣傳,在城市可持續發展中具有重要作用[2］。然而,城市化進程中的土地利用變化和人類活動干擾導致城市濕地公園的土壤質量持續下降,出現土壤污染、土壤結構疏松、土壤養分貧乏等問題,對濕地生態系統的穩定性和植被生長產生了負面影響[3］。目前,許多城市濕地公園的生態修復采取植被恢復和景觀營造相結合的方法,通常更關注城市濕地公園的景觀效果,而忽視土壤質量改善,難以持續維系城市綠地植物生長。

為提高城市濕地公園土壤質量,實現濕地生態功能可持續健康發展,本研究以海珠國家濕地公園為例,對一期綠化樣地進行土壤改良技術研究和應用,并連續監測植被生長和土壤質量變化情況,評估土壤改良效果,以探索改善城市濕地公園土壤質量的有效途徑。

1 研究區概況

海珠國家濕地公園位于廣州市海珠區東南部,屬南亞熱帶季風氣候區,光熱資源充足,年均氣溫21.4～22.0 ℃,年均日照時數超過1 500 h;年均降水量1 784 mm,受季風氣候影響,降水季節變化明顯,每年4—9月為雨季,期間降水量占全年降水量的80%以上,年均相對濕度75%;夏季多東南風,冬季多北風,年均風速2.0 m/s。植被類型以荔枝、龍眼、黃皮、榕樹、香蕉等喬灌木為主;土壤類型以塘泥和黃心土為主。

2 研究方法

2.1 土壤改良技術

將園林綠化廢棄物堆肥、腐植酸、稻殼生物炭按照體積比5∶3∶2混合制成土壤改良劑。土壤改良劑基本理化性質為:pH值5.32,可溶性離子濃度(EC值)42.9 mS/cm,有機質含量76.5 g/kg,全氮含量3.09 g/kg,總磷含量0.43 g/kg,全鉀含量8.51 g/kg,水分含量29.6%,密度0.58 g/cm3,總孔隙率72.9%。

海珠國家濕地公園一期綠化樣地位于海珠國家濕地公園北部、石榴崗河分支臺涌周邊地塊,處于華南快速干線與新滘中路交叉點,地理位置為東經113°20′46″～113°20′58″,北緯23°04′59″～23°05′02″。在一期綠化樣地設置土壤改良試驗區I1區、I2區和未改良區N區,試驗區基本情況見表1。在I1區和I2區,首先利用挖掘機對0～60 cm土層進行翻耕,同時清除土壤中的大石塊,采用破碎機將大的土塊進行破碎;然后利用推土機將配制好的土壤改良劑均勻鋪施至試驗區表面,厚度約40 cm; 最后采用翻拋機將土壤改良劑與原土進行充分混勻,至少翻拋3次,穩定一周后再栽種植物。

表1 試驗區基本情況

2.2 土樣采集

參考《園林種植土》(DB4401/T 36—2019)、《綠地土壤改良技術規范》(DB4401/T 201—2023)中土壤樣品采集方法,按照“梅花點”取樣法采集3個試驗區0～30 cm、30～60 cm兩個土層的土樣(去除枯枝和礫石),用四分法混合成1份土樣,用樣品袋保存。

2.3 指標測定

2.3.1 土壤理化性質測定

本研究中土壤理化性質測定包括土壤pH值、EC值、有機質含量、密度和入滲率,其中土壤pH值測定參照《森林土壤pH值的測定》(LY/T 1239—1999),EC值測定參照《森林土壤水溶性鹽分分析》(LY/T 1251—1999),土壤有機質含量測定參照《森林土壤有機質的測定及碳氮比的計算》(LY/T 1237—1999),密度和入滲率測定參照《森林土壤水分-物理性質的測定》(LY/T 1215—1999)。

2.3.2 土壤酶活性測定

本研究中土壤酶活性測定包括土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性,其中土壤蔗糖酶活性測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法,脲酶活性測定采用檸檬酸鹽比色法,磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法,過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法[4］。

2.3.3 植被特征

植被指數(NDVI)常用于檢測植被生長狀態、植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等,主要反映植物冠層的背景影響情況。植被覆蓋度是植被冠層在地面上的垂直投影面積與土地總面積的比值,是表征地表植被狀況和綠化水平的重要指標。土壤改良區和未改良區的植被栽種時均為小苗且栽植密度相似,待植被生長2 a后,利用大疆無人機拍攝影像反演出植被覆蓋率,同時利用植被在光譜上的吸收反射特征計算NDVI。

3 結 果

3.1 土壤改良前后的理化性質變化

土壤酸堿度、有機質含量及物理性質等理化特性變化在一定程度上能反映土壤改良效果。表2是土壤改良前后I1區、I2區土壤理化性質對比,可以得出:改良后I1區、I2區土壤特性都得到了明顯改善(p<0.05)。其中:pH值分別下降了1.1和1.5;EC值分別是改良前的3.50倍和1.85倍;有機質含量大幅提高,分別是改良前的12.50倍和2.44倍;密度分別下降了30.9%和42.3%;入滲率大幅提高,分別是改良前的22.25倍和9.65倍。通過土壤改良,試驗區土壤由弱堿性變為弱酸性,EC值、有機質含量、入滲率顯著提高,降低了土壤密度,增加了土壤通氣性。

表2 土壤改良前后I1區、I2區土壤理化性質變化

3.2 土壤改良區和未改良區土壤和植被特征變化

將I1區、I2區土壤理化性質和酶活性的平均值作為土壤改良區的土壤理化性質和酶活性,并和未改良區進行對比(見表3),可知:土壤改良區的土壤特性要顯著優于未改良區(p<0.05),其中土壤改良區pH值比未改良區低1.12,密度比未改良區低19.38%,EC值、有機質含量、入滲率分別是未改良區的1.94倍、2.47倍、5.48倍;土壤改良區的土壤酶活性也顯著高于未改良區(p<0.05),其中土壤改良區脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性分別比未改良區高63.36%、33.45%、43.14%、59.37%。

表3 土壤改良區和未改良區土壤特征對比

土壤理化特性和土壤酶活性的改善使土壤改良區的植被特征明顯優于未改良區。經計算,土壤改良區和未改良區的NDVI分別為0.47和0.29,植被覆蓋度分別為41.3%和15.4%,土壤改良區的植被生長狀況、綠化質量等都明顯優于未改良區。通過土壤改良區和未改良區的航拍圖(見圖1)同樣可以看出,土壤改良區的喬灌木長勢良好,而未改良區長勢較差。

圖1 土壤改良區和未改良區航拍圖

3.3 植被特征與土壤理化特征的相關性分析

通過對土壤改良區和未改良區的NDVI、植被覆蓋度和土壤理化特征進行相關性分析(見表4),發現NDVI和土壤pH值、密度呈顯著的負相關關系(p<0.05),NDVI、植被覆蓋度和土壤有機質含量呈極顯著的正相關關系(p<0.01),其余相關性均不顯著。土壤改良技術可通過降低土壤pH值和土壤密度,提高土壤有機質含量,從而促進植被生長,改善城市濕地公園的植被狀況。

表4 土壤改良區和未改良區的NDVI、植被覆蓋度和土壤理化特征的相關性分析

4 結束語

城市濕地公園在改變城市小氣候、提高碳匯功能等方面發揮了重要作用,故受到越來越多的關注和重視。大多數綠地建設只關注植物配置和景觀營造,忽視了土壤環境。濕地土壤長時間處于浸水狀態,存在土壤堿化、黏重等問題,影響植被生長。目前一些研究開始關注土壤質量的提升方法及其應用實踐:陳镕等[5］提出通過土壤改良,珠江公園土壤有機質及氮磷鉀含量得到顯著提升;李文彬等[6］提出了采用模擬自然的多層復合結構群落、土壤重構、土壤滲透導排系統等多種土壤改良技術組合,可以有效改善日照西客運站綠化土壤質量;劉洪峰等[7］通過土壤配方改良和配套排水系統等關鍵技術的實踐,有效改善了寧波植物園土壤酸堿度和肥力。然而,這些綠地土壤改良技術的應用對象多為公園綠地、附屬綠地、廣場綠地等,更多的是關注土壤酸堿度調控和土壤肥力提升,而關于城市濕地公園的土壤改良技術研究與應用較少。本研究以海珠國家濕地公園為例,結合土壤特征和擬栽植被特征,混制土壤改良劑,采用機械混配的方法進行土壤改良,通過跟蹤監測和對比分析土壤改良區和未改良區的土壤理化特征,發現土壤改良技術可將土壤由弱堿性變為弱酸性,提高土壤可溶性離子濃度、有機質含量、入滲率,降低土壤密度,增加土壤通氣性;同時還發現土壤改良技術可顯著提高土壤酶活性,這與部分研究發現土壤改良技術可有效提升農田、果園、城市區域等土壤酶活性的結果相似[8-11］;應用遙感影像和無人機影像監測植被生長狀況,發現土壤改良區的NDVI和植被覆蓋度均明顯優于未改良區,土壤改良技術可有效改善植被生長情況,提升城市濕地公園的生態系統服務功能。研究結果可為城市濕地公園土壤質量提升提供技術支撐。然而,本研究對土壤理化性質、酶活性和植被特征的監測時限為2 a,若想獲得更加翔實的土壤改良技術應用效果以深入分析土壤改良技術機理,則需更長時間的連續監測。