文献参数: 于芳, 杨钙仁, 邓汶, 等.城市公园海绵型绿地土壤有机碳含量特征及其影响因素[J].水土保持通报,2025,45(3):268-277. Citation:Yu Fang, Yang Gairen, Deng Wen, et al. Characteristics of soil organic carbon content and influencing factors in sponge green spaces of urban parks [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(3):268-277.
温室气体的大量排放导致了大气中CO
2浓度持续升高,引发全球性气候变暖等一系列严峻的环境问题,绿地生态系统因其具备固碳功能,在缓解气候变暖方面发挥着重要作用。随着城镇化水平的不断提高,城市绿地在地球生态系统中的面积比例日益增大,城市绿地土壤碳库及其动态变化愈发受到关注。相较于其他自然生态系统,城市绿地土壤碳循环及固持方面的研究相对滞后。目前城市绿地土壤碳循环的研究主要聚焦于林地、草坪、绿化带等常规型绿地,涵盖了土壤呼吸特征、土壤碳储量特征及其影响因素、土壤微生物与土壤碳循环的相关性,以及基于区域城市碳管理的土壤碳管理措施等领域
[1]。关于海绵型绿地土壤碳循环的研究还鲜见报道。
土壤碳库大小取决于碳输入与输出之间的动态平衡关系,受多种因素影响。水分是影响土壤有机碳含量的关键因素之一,适宜的水分条件下,植物光合作用增强,植被生物量增长快,凋落物归还量随之增多,从而为土壤有机碳库提供了更多的有机物质来源
[2];另一方面,过多的水分会填充土壤孔隙,形成厌氧环境,抑制土壤微生物的好氧呼吸作用,降低土壤有机碳的分解矿化速率,有利于土壤有机碳的积累与保存
[3]。土壤养分显著影响植物生物量
[4]和凋落物量,而凋落物量是影响土壤碳平衡的关键因素,比如,施肥可较大幅度提高园林植物生长量
[5]和凋落物量。凋落物性质是影响其分解矿化速率和土壤有机碳库动态的重要因素
[6],而凋落物性质又受植物种类组成影响
[7]。海绵型绿地在土壤水分、径流与养分汇集、植物种类结构等诸多方面与常规型绿地存在较大差异,现已证实,海绵型绿地雨水花园、植草沟等能够有效削减地表径流量和氮磷含量
[8],而所削减的水分和养分被截留在海绵型绿地土壤中。水分、养分、植物群落结构等差异如何影响城市绿地土壤有机碳库,目前对此研究还不够深入。
南宁市是中国首批海绵城市建设试点城市,目前该市已建有较大面积海绵型绿地,那考河湿地公园是其中的典型代表。2017年4月20日中国国家领导人在南宁市考察那考河生态综合整治项目时,要求相关部门探索更多的包括海绵化在内的生态治理经验。本研究以南宁市3个湿地公园的典型海绵型绿地为对象,分析海绵型和常规型不同样式绿地土壤有机碳含量,旨在明确两大类型绿地土壤有机碳含量差异及其主要影响因素,为深入认识城市绿地固碳特征以及城市绿地规划与管理工作提供科学依据。
1 研究区概况
广西壮族自治区南宁市(107°19′—109°38′E,22°12′—24°02′N),属于南亚热带季风气候区,夏长高温多雨,冬短温暖干燥;年太阳总辐射量为111.9×4.18 kJ/(m
2 · a);年平均日照时数为1 827 h;年平均气温21.6 ℃;年降水量为1 304.2 mm;平均海拔高度为76.5 m。本研究在南宁市城区选取那考河、沙江河和北湖北3个湿地公园作为研究区,这3个公园建成年份分别为2017,2019和2022年。建园前,河道狭窄,河两岸主要为疏林坡地、旱作地或作废弃物堆放场地等,经整形整地等改造后,各公园分别形成了不同的绿地单元,并统一覆盖相同或相近土壤、种植相应植物。3个公园内现有绿地类型主要为海绵型(植草沟、雨水花园、净水梯田)和常规型(常规草坪、常规乔灌草复层绿地)(
图1)。
2 研究方法
2.1 样地选取
在3个湿地公园中,分别选取存在较多外部径流汇入,且乔木主要为羊蹄甲(
Bauhinia purpurea L
.)、落羽杉(
Taxodium distichum)、榕树(
Ficus microcarpa L.)等,灌木主要为翠芦莉(
Ruellia simplex)、朱蕉(
Cordyline fruticosa)等,草本主要为美人蕉(
Canna indica L.)、风车草(
Cyperus involucratus)、铜钱草(
Hydrocotyle vulgaris L.)等的雨水花园(
图2a),以及乔木主要为羊蹄甲、桂花(
Osmanthus fragrans)等,灌木主要为翠芦莉、夹竹桃(
Nerium oleander L.)、朱蕉等,草本主要为粉黛乱子草(
Muhlenbergia capillaris Trin.)、麦冬(
Ophiopogon bodinieri)等的多层级净水梯田(
图2b),作为海绵型乔灌草绿地(
图2c);选取无明显外部径流汇入,且乔木主要为桂花、榕树、黄花风铃木(
Handroanthus chrysanthus)等,灌木主要为翠芦莉、朱槿(
Hibiscus rosa-sinensis L.)等,草本主要为美人蕉、芦苇(
Phragmites australis)、麦冬等的绿地作为常规型乔灌草复层绿地(
图2d);选取有明显汇流排水功能、草本皆为结缕草(
Zoysia japonica)的植草沟,作为海绵型草坪绿地;选取无明显外部径流汇入,草本皆为结缕草的草坪,作为常规型草坪绿地(
图2e)。其中,沙江河湿地公园没有净水梯田。
2.2 样品采集
于2024年6月中旬的中到大雨时期,在每个公园的各样地绿地中分别各选取3块采样地。在1次降雨后期,于各样式绿地内径流汇集处,使用水样采集瓶采集 200 ml汇流水样。各样点采集1次,采集后全部密封带回实验室进行过滤,在2~3 d内完成径流水样碳、氮、磷指标的测定。于2024年7月,在每个公园的各样式绿地中分别各选取3块采样地。在每个样地地面随机布置3个1 m×1 m样方,收集样方内全部凋落物,带回实验室后,在75 ℃下烘干至恒重,称重。随后研磨粉碎,过0.23 mm网筛后备用。于2023年6—7月,在每个公园的各样式绿地中分别各选取3块采样地。在雨水花园、乔灌草复层绿地、草坪样地内采用“品”字形分别设置1 m×1 m小样方各3个,在植草沟样地内分别设置1 m×5 m的长方形样方各3个,在净水梯田的上、中、下坡各设置 3个1 m×1 m小样方。采用5点采样法(植草沟采用S形采样法,相邻采样点间距1 m)分层(0—5 cm,5—10 cm,10—20 cm)采集各样式绿地中小样方0—20 cm土层土壤混合样,带回实验室进行剔除杂物、风干、磨碎、过0.15 mm网筛等预处理,用于有机碳含量分析;同时在混合样采样点附近采集0—5 cm土层土壤环刀样,用于自然含水量、容重等分析。同时记录采样点坐标、绿地坡度等信息,使用无人机拍摄各绿地平面图像,通过计算机图像处理软件计算各绿地平面投影面积与径流汇集面积。共计3个公园,5种绿地样式,54个采样地。
2.3 指标测试方法
水样总有机碳、总氮通过燃烧法(德国耶拿multi N/C2100总有机碳总氮分析仪)进行测定
[9];水样总磷通过钼酸铵分光光度法测定
[10]。凋落物总有机碳通过燃烧法(德国耶拿multi N/C2100总有机碳总氮分析仪)进行测定
[11];凋落物现存量通过称量凋落物烘干后重量获得。土壤含水率、土壤容重及土壤孔隙度通过烘干法进行测定
[12];土壤总有机碳通过燃烧法(德国耶拿multi N/C2100总有机碳总氮分析仪)进行测定
[13]。
2.4 计算方法
汇水面积与绿地面积比值(下文简称汇流比):
式中:i为汇流比; S0 为绿地径流汇集面积(m2); S1 为绿地平面投影面积(m2)。
凋落物有机碳现存量:
式中:Lcm为有机碳现存量(g/m2); Lm 为凋落物现存量(g/m2); Lc 为凋落物现存量有机碳含量(g/kg)。
2.5 数据分析
运用Excel 2023软件对测试获得的数据进行计算、整理。使用SPSS 26.0软件进行数据统计分析,其中,采用单因素方差分析法,检验不同样式绿地间的土壤有机碳含量差异显著性,采用斯皮尔曼分析法分析各影响因素与土壤有机碳含量及土壤理化性质的相关性;利用Origin 2022软件进行图表绘制。
3 结果与分析
3.1 不同样式绿地汇流比及径流碳氮磷含量
由
表1可以看出,5种绿地样式中汇流比范围在1.00~16.90。海绵型绿地、常规型绿地在3个公园中的汇流比范围分别在1.20~16.90和1.00~1.12。其中,雨水花园汇流比平均值达到2.01±0.58,相较于乔灌草复层绿地高1.87倍;植草沟汇流比平均值为13.77±10.81,相较于草坪高13.77倍,且差异达到显著水平(
p<0.05)。净水梯田呈阶梯结构,径流由上层向下层逐层渗流,其汇流比平均值为1.20±0.08,径流汇集能力强于常规型绿地,却弱于雨水花园、植草沟。5种绿地样式中径流有机碳、总氮、总磷平均含量分别处于26.92~56.70 mg/L,1.19~3.40 mg/L,0.06~0.87 mg/L范围内。在3个公园中的测定结果中,径流有机碳含量均存在海绵型绿地(雨水花园、植草沟、净水梯田)高于常规型绿地(乔灌草复层绿地、草坪),但差异未达到显著水平(
p>0.05);雨水径流总氮、总磷输入含量无明显规律。
3.2 不同样式绿地凋落物现存量、有机碳含量及有机碳现存量
由
表2可以看出,5种绿地样式凋落物现存量均值处于0.99~100.64 g/m
2。在3个公园中,雨水花园、净水梯田与乔灌草复层绿地的凋落物现存量均值分别为15.32±6.87 g/m
2,62.18±32.29 g/m
2和69.48±23.22 g/m
2;植草沟与草坪的凋落物现存量均值分别为5.19±2.32 g/m
2和2.90±2.43 g/m
2。雨水花园、净水梯田、乔灌草复层绿地的凋落物平均现存量显著高于植草沟、草坪(
p<0.05)。凋落物有机碳含量均值在344.25~400.67 g/kg,在3个公园中,雨水花园、净水梯田与乔灌草复层绿地的凋落物有机碳含量均值分别为387.28±27.39 g/kg,344.94±31.33 g/kg和381.89±21.74 g/kg;植草沟与草坪的凋落物有机碳含量均值分别为391.69±17.07 g/kg和385.51±6.34 g/kg。各绿地设施间凋落物有机碳含量呈现海绵型绿地(雨水花园、植草沟)高于常规型绿地(乔灌草复层绿地、草坪)的规律,但差异未达显著水平(
p>0.05)。凋落物有机碳现存量均值为0.39~34.11 g/m
2,在3个公园中,雨水花园、净水梯田与乔灌草复层绿地的有机碳现存量均值分别为5.91±2.76 g/m
2,20.50±14.05 g/m
2和26.20±7.68 g/m
2;植草沟与草坪的有机碳现存量均值分别为2.03±0.92 g/m
2和1.10±0.90 g/m
2。雨水花园、净水梯田、乔灌草复层绿地的凋落物有机碳平均现存量显著高于植草沟、草坪(
p<0.05)。
3.3 不同样式绿地 0—5 cm土壤含水率、土壤容重及孔隙度
由
表3可知,5种绿地样式中的0—5 cm土壤平均含水率在10.12%~54.39%范围内,平均容重在1.01~1.64 g/cm³范围内,土壤孔隙度则在 38.16%~61.76%。3个公园中,雨水花园0—5 cm土壤含水率均值为35.39%±12.02%,土壤容重均值为1.34±0.14 g/cm³,土壤孔隙度均值49.24%±5.45%;相较于乔灌草复层绿地,其含水率平均提高了1.74倍,容重平均降低了8.35%,孔隙度平均提高了0.11倍。植草沟的 0—5 cm土壤含水率均值为16.07%±5.44%,土壤容重均值为1.34±0.11 g/cm³,土壤孔隙度均值49.10%±3.91%;相较于草坪,其含水率平均高出0.35倍,容重平均降低了10.96%,孔隙度平均提高0.13倍。净水梯田的0—5 cm土壤平均含水率均值为13.87%±4.30%,平均容重均值为1.48±0.08 g/cm³,土壤孔隙度均值为44.29%±3.14%,与乔灌草复层绿地无明显差异。
3.4 不同样式绿地土壤总有机碳含量特征
由
图3可知,5种绿地土壤有机碳整体含量均值处于1.20~9.65 g/kg。在3个公园的雨水花园、植草沟0—20 cm土壤剖面的土壤有机碳平均含量分别为7.73±6.17 g/kg和10.69±7.99 g/kg,为常规型乔灌草覆层绿地和草坪的1.33和2.20倍。其中那考河公园的雨水花园土壤有机碳平均含量最高,为13.21±7.81 g/kg,是相同公园中乔灌草复层绿地土壤平均碳含量的1.77倍;沙江河公园的植草沟含量土壤有机碳平均含量最高,为16.84±9.65 g/kg,是草坪土壤平均有机碳含量的3.63倍。净水梯田在0—20 cm土壤剖面中的土壤有机碳平均含量与其他样式绿地土壤无显著差异。按建园时间排序,那考河公园、沙江河公园、北湖北公园中雨水花园相较于乔灌草复层绿地的土壤有机碳含量均值分别高出5.96,0.19和-0.11 g/kg,植草沟相较于草坪的土壤有机碳含量均值分别高出0.56,12.20和4.70 g/kg。在土壤的垂直剖面上,土壤的有机碳含量随着土层增加呈下降趋势,各样式绿地土壤有机碳剖面分布无明显差异。
3.5 土壤有机碳含量与影响因素相关性分析
由
图4可以看出,径流碳输入与凋落物碳输入均为影响土壤有机碳含量的外源环境因素,在海绵型绿地生态系统中与土壤有机碳含量存在显著相关性。其中,汇流比与土壤总有机碳含量的相关系数最高,呈极显著正相关(
p<0.01);径流有机碳、磷含量与土壤总有机碳含量也均呈显著正相关(
p<0.01),且径流有机碳、总磷含量与土壤容重呈显著正相关(
p<0.05)。凋落物现存量、凋落物有机碳现存量与土壤有机碳含量呈极显著负相关(
p<0.01);凋落物有机碳含量与土壤有机碳含量呈极显著正相关(
p<0.01),与土壤水分含量也呈正相关(
p<0.05)。常规型绿地土壤有机碳含量相关性分析结果显示,径流、凋落物的相关指标对常规型绿地土壤有机碳含量的影响不明显。在土壤物理性质方面,海绵型绿地的土壤有机碳含量与土壤容重呈极显著负相关(
p<0.01),与土壤总孔隙度呈极显著正相关(
p<0.01),与土壤含水率无显著相关性。常规型绿地中,土壤有机碳含量与土壤理化性质中的土壤容重呈显著负相关(
p<0.05),与土壤总孔隙度呈极显著正相关(
p<0.05)。
4 讨 论
4.1 绿地凋落物现存量的主要影响因素
本研究发现,海绵型雨水花园的凋落物现存量低于常规型乔灌草复层绿地,这可能是由于雨水花园中的凋落物产量更高、腐解作用更剧烈所产生的结果,凋落物产量、腐解量与凋落物现存量密切相关。相关研究
[4]表明,合适的水分与养分条件可以促使植被生物量的增加,进而间接地推动植被凋落物产量的提升。因此,从海绵型绿地与常规型绿地对径流的蓄存能力强弱来看,海绵型绿地的植被凋落物产量应高于常规型绿地,与本研究的设想一致。海绵型绿地特有的间歇淹水环境能通过淋溶作用加速凋落物降解
[14]。在高水分环境下,凋落物内部的水溶性易分解有机物质更易析出,致使凋落物迅速失重
[15]。另一方面,适宜的环境湿度以及外来养分可以提升微生物生物量,增强与凋落物分解相关的酶活性,降低凋落物中难降解物质和元素的含量
[16],间接提升凋落物的分解效率。海绵型绿地间歇淹水的环境也在一定程度上避免由于土壤含水率过高而出现的土壤生物氧气供给受阻等
[17]问题。其他研究证实,干旱条件会对植物造成严重的环境胁迫,导致绿地的初级净生产力下降,进而对凋落物产量造成负面影响
[18];同时,干旱通过改变的凋落物性质,对分解者产生胁迫作用,也影响了凋落物分解速率
[19]。以上研究与本研究中对海绵型绿地凋落物分解速率高于常规型绿地的设想基本一致。综上所述,在凋落物产生与腐解的动态变化过程中,海绵型绿地与常规型绿地在植被凋落量与腐解量方面存在显著差异。由于凋落物现存量是植被腐解作用的最终呈现结果,因此可能出现常规型绿地凋落物现存量高于海绵型绿地的情况。相关研究
[7]表明,不同植被类型下的凋落物腐解效率受到物种组成的影响显著。植被种类以及植株部位的差异会导致凋落物基质质量的不同,进而对后续的机械破碎、微生物分解等关键环节产生影响
[20]。但在本研究样地选取中,雨水花园与乔灌草复层绿地、植草沟与草坪的植被配置与生物量并不完全相同,这在一定程度上对研究结果造成了干扰。
4.2 绿地土壤有机碳含量的主要影响因素
本研究发现,海绵型绿地与常规型绿地在径流汇集面积上的差异直接导致了汇入径流养分、凋落物养分输入的不同,进而影响土壤有机碳含量及土壤容重等性质。这与其他研究中
[21]雨水花园等设施对径流的调控、净化效果基本相符,但本研究明确了外来养分对海绵绿地土壤有机碳含量的影响。其中,外源养分的输入极有可能通过刺激土壤微生物活性,从而提升土壤有机碳含量。通常情况下,微生物为满足自身需求,可能在一定程度上促进了土壤有机质分解
[22];但在同等条件下,相较于土壤现存有机质而言,土壤微生物会优先利用可用性高、易分解的外源有机质
[23]。径流养分的输入恰好直接为微生物提供了这类外源有机质。而绿地凋落物有机质能够以溶解态、分解残留物、微生物转化产物和微生物残体等多种形式进入土壤
[24],间接为微生物提供外源易分解有机质。这一过程抑制了土壤有机碳的矿化,引起负激发效应
[25]。此外,输入土壤的部分有机碳沉积为土壤养分,被用于供给植被生长
[26],而较高的植被丰富度促进了区域碳循环,进一步推动土壤有机碳含量的提高
[27],形成良性循环;而常规型绿地因汇流面积小、人类活动干扰大,不利于径流汇集与凋落物分解,导致碳源流失与土壤板结,进而影响有机碳的固存。因此,从理论上来说,汇流面积相对较大的绿地能够提供更多的外源易分解有机质,进而间接促进土壤有机碳的固存。本研究发现,不同公园雨水花园相较于乔灌草复层绿地的碳含量增幅大小与其投入运营的时间先后相一致,由高到低依次为那考河、沙江河、北湖北公园。这与以往研究中随着利用年限的增加,土壤有机碳含量也随之增加的规律契合
[28]。由此可知,海绵型绿地的碳汇优势随着利用年限的增长将愈发显著。但在对比净水梯田、植草沟与乔灌草复层绿地、草坪的碳含量增加幅度时,本研究并未观察到类似规律。这可能与所选公园利用年限较短、土层经人为干扰后仍处于紊乱状态有关
[29]。此外,人类活动对土壤有机碳含量影响显著。如绿地的施肥、修剪等管护措施干预了植物的自然生长过程,改变了土壤质地,直接或间接影响了土壤有机碳含量
[30],对本研究造成一定影响。
5 结 论
在0—20 cm的土层中,海绵型绿地(雨水花园、植草沟)土壤固碳效果优于常规型绿地(乔灌草复层绿地、草坪),且随公园运营年限增加,海绵型绿地的碳汇优势将愈发明显。绿地土壤有机碳含量受多种因素影响,海绵型绿地的下凹型构造利于径流汇集和凋落物积累、促进凋落物分解,通过增加养分输入的方式促进区域碳循环。其中,汇水面积/绿地面积、径流碳/磷含量、凋落物有机碳含量等是影响海绵型绿地土壤有机碳含量的主要因子;常规型绿地汇流面积小,受人类活动干扰大,不利于土壤有机碳固存。
广西壮族自治区重点研发计划项目“城市公园水体污染原位与异位生态防治关键技术研究与应用示范”(桂科AB22080103)