土壤改良技术在城市湿地公园中的应用研究——以海珠国家湿地公园一期为例

蒲苑君,李 铤,3,陈 莹,张俊涛,3

(1.广州市林业和园林科学研究院,广东 广州 510405; 2.广州市生态林园林科技协同创新中心,广东 广州 510405; 3.广东省计量认证实验室,广东 广州 510405)

城市湿地公园指纳入城市绿地系统规划范围且适宜作为公园的天然湿地,通过合理的保护利用而形成的集生态保护、科普宣传、休闲娱乐等功能于一体的公园。与天然湿地不同的是,城市湿地公园通常位于或邻近城市区域,受城市生态系统、经济发展水平、社会文化形态等影响较大[1］。作为城市绿地的重要组成部分,城市湿地公园不仅可以保护生物多样性、改善水资源环境、维护生态系统稳定,还可以增加居民休闲娱乐空间、推动生态文化宣传,在城市可持续发展中具有重要作用[2］。然而,城市化进程中的土地利用变化和人类活动干扰导致城市湿地公园的土壤质量持续下降,出现土壤污染、土壤结构疏松、土壤养分贫乏等问题,对湿地生态系统的稳定性和植被生长产生了负面影响[3］。目前,许多城市湿地公园的生态修复采取植被恢复和景观营造相结合的方法,通常更关注城市湿地公园的景观效果,而忽视土壤质量改善,难以持续维系城市绿地植物生长。

为提高城市湿地公园土壤质量,实现湿地生态功能可持续健康发展,本研究以海珠国家湿地公园为例,对一期绿化样地进行土壤改良技术研究和应用,并连续监测植被生长和土壤质量变化情况,评估土壤改良效果,以探索改善城市湿地公园土壤质量的有效途径。

1 研究区概况

海珠国家湿地公园位于广州市海珠区东南部,属南亚热带季风气候区,光热资源充足,年均气温21.4～22.0 ℃,年均日照时数超过1 500 h;年均降水量1 784 mm,受季风气候影响,降水季节变化明显,每年4—9月为雨季,期间降水量占全年降水量的80%以上,年均相对湿度75%;夏季多东南风,冬季多北风,年均风速2.0 m/s。植被类型以荔枝、龙眼、黄皮、榕树、香蕉等乔灌木为主;土壤类型以塘泥和黄心土为主。

2 研究方法

2.1 土壤改良技术

将园林绿化废弃物堆肥、腐植酸、稻壳生物炭按照体积比5∶3∶2混合制成土壤改良剂。土壤改良剂基本理化性质为:pH值5.32,可溶性离子浓度(EC值)42.9 mS/cm,有机质含量76.5 g/kg,全氮含量3.09 g/kg,总磷含量0.43 g/kg,全钾含量8.51 g/kg,水分含量29.6%,密度0.58 g/cm3,总孔隙率72.9%。

海珠国家湿地公园一期绿化样地位于海珠国家湿地公园北部、石榴岗河分支台涌周边地块,处于华南快速干线与新滘中路交叉点,地理位置为东经113°20′46″～113°20′58″,北纬23°04′59″～23°05′02″。在一期绿化样地设置土壤改良试验区I1区、I2区和未改良区N区,试验区基本情况见表1。在I1区和I2区,首先利用挖掘机对0～60 cm土层进行翻耕,同时清除土壤中的大石块,采用破碎机将大的土块进行破碎;然后利用推土机将配制好的土壤改良剂均匀铺施至试验区表面,厚度约40 cm; 最后采用翻抛机将土壤改良剂与原土进行充分混匀,至少翻抛3次,稳定一周后再栽种植物。

表1 试验区基本情况

2.2 土样采集

参考《园林种植土》(DB4401/T 36—2019)、《绿地土壤改良技术规范》(DB4401/T 201—2023)中土壤样品采集方法,按照“梅花点”取样法采集3个试验区0～30 cm、30～60 cm两个土层的土样(去除枯枝和砾石),用四分法混合成1份土样,用样品袋保存。

2.3 指标测定

2.3.1 土壤理化性质测定

本研究中土壤理化性质测定包括土壤pH值、EC值、有机质含量、密度和入渗率,其中土壤pH值测定参照《森林土壤pH值的测定》(LY/T 1239—1999),EC值测定参照《森林土壤水溶性盐分分析》(LY/T 1251—1999),土壤有机质含量测定参照《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》(LY/T 1237—1999),密度和入渗率测定参照《森林土壤水分-物理性质的测定》(LY/T 1215—1999)。

2.3.2 土壤酶活性测定

本研究中土壤酶活性测定包括土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性,其中土壤蔗糖酶活性测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法,脲酶活性测定采用柠檬酸盐比色法,磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法,过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法[4］。

2.3.3 植被特征

植被指数(NDVI)常用于检测植被生长状态、植被覆盖度和消除部分辐射误差等,主要反映植物冠层的背景影响情况。植被覆盖度是植被冠层在地面上的垂直投影面积与土地总面积的比值,是表征地表植被状况和绿化水平的重要指标。土壤改良区和未改良区的植被栽种时均为小苗且栽植密度相似,待植被生长2 a后,利用大疆无人机拍摄影像反演出植被覆盖率,同时利用植被在光谱上的吸收反射特征计算NDVI。

3 结 果

3.1 土壤改良前后的理化性质变化

土壤酸碱度、有机质含量及物理性质等理化特性变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区、I2区土壤理化性质对比,可以得出:改良后I1区、I2区土壤特性都得到了明显改善(p<0.05)。其中:pH值分别下降了1.1和1.5;EC值分别是改良前的3.50倍和1.85倍;有机质含量大幅提高,分别是改良前的12.50倍和2.44倍;密度分别下降了30.9%和42.3%;入渗率大幅提高,分别是改良前的22.25倍和9.65倍。通过土壤改良,试验区土壤由弱碱性变为弱酸性,EC值、有机质含量、入渗率显著提高,降低了土壤密度,增加了土壤通气性。

表2 土壤改良前后I1区、I2区土壤理化性质变化

3.2 土壤改良区和未改良区土壤和植被特征变化

将I1区、I2区土壤理化性质和酶活性的平均值作为土壤改良区的土壤理化性质和酶活性,并和未改良区进行对比(见表3),可知:土壤改良区的土壤特性要显著优于未改良区(p<0.05),其中土壤改良区pH值比未改良区低1.12,密度比未改良区低19.38%,EC值、有机质含量、入渗率分别是未改良区的1.94倍、2.47倍、5.48倍;土壤改良区的土壤酶活性也显著高于未改良区(p<0.05),其中土壤改良区脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性分别比未改良区高63.36%、33.45%、43.14%、59.37%。

表3 土壤改良区和未改良区土壤特征对比

土壤理化特性和土壤酶活性的改善使土壤改良区的植被特征明显优于未改良区。经计算,土壤改良区和未改良区的NDVI分别为0.47和0.29,植被覆盖度分别为41.3%和15.4%,土壤改良区的植被生长状况、绿化质量等都明显优于未改良区。通过土壤改良区和未改良区的航拍图(见图1)同样可以看出,土壤改良区的乔灌木长势良好,而未改良区长势较差。

图1 土壤改良区和未改良区航拍图

3.3 植被特征与土壤理化特征的相关性分析

通过对土壤改良区和未改良区的NDVI、植被覆盖度和土壤理化特征进行相关性分析(见表4),发现NDVI和土壤pH值、密度呈显著的负相关关系(p<0.05),NDVI、植被覆盖度和土壤有机质含量呈极显著的正相关关系(p<0.01),其余相关性均不显著。土壤改良技术可通过降低土壤pH值和土壤密度,提高土壤有机质含量,从而促进植被生长,改善城市湿地公园的植被状况。

表4 土壤改良区和未改良区的NDVI、植被覆盖度和土壤理化特征的相关性分析

4 结束语

城市湿地公园在改变城市小气候、提高碳汇功能等方面发挥了重要作用,故受到越来越多的关注和重视。大多数绿地建设只关注植物配置和景观营造,忽视了土壤环境。湿地土壤长时间处于浸水状态,存在土壤碱化、黏重等问题,影响植被生长。目前一些研究开始关注土壤质量的提升方法及其应用实践:陈镕等[5］提出通过土壤改良,珠江公园土壤有机质及氮磷钾含量得到显著提升;李文彬等[6］提出了采用模拟自然的多层复合结构群落、土壤重构、土壤渗透导排系统等多种土壤改良技术组合,可以有效改善日照西客运站绿化土壤质量;刘洪峰等[7］通过土壤配方改良和配套排水系统等关键技术的实践,有效改善了宁波植物园土壤酸碱度和肥力。然而,这些绿地土壤改良技术的应用对象多为公园绿地、附属绿地、广场绿地等,更多的是关注土壤酸碱度调控和土壤肥力提升,而关于城市湿地公园的土壤改良技术研究与应用较少。本研究以海珠国家湿地公园为例,结合土壤特征和拟栽植被特征,混制土壤改良剂,采用机械混配的方法进行土壤改良,通过跟踪监测和对比分析土壤改良区和未改良区的土壤理化特征,发现土壤改良技术可将土壤由弱碱性变为弱酸性,提高土壤可溶性离子浓度、有机质含量、入渗率,降低土壤密度,增加土壤通气性;同时还发现土壤改良技术可显著提高土壤酶活性,这与部分研究发现土壤改良技术可有效提升农田、果园、城市区域等土壤酶活性的结果相似[8-11］;应用遥感影像和无人机影像监测植被生长状况,发现土壤改良区的NDVI和植被覆盖度均明显优于未改良区,土壤改良技术可有效改善植被生长情况,提升城市湿地公园的生态系统服务功能。研究结果可为城市湿地公园土壤质量提升提供技术支撑。然而,本研究对土壤理化性质、酶活性和植被特征的监测时限为2 a,若想获得更加翔实的土壤改良技术应用效果以深入分析土壤改良技术机理,则需更长时间的连续监测。