基于植物群落类型的北京奥林匹克森林公园土壤空间变异性研究
1引言
1.1研究背景
土壤学家一般将土壤定义为:土壤是在地球表面生物、气候、母质、地形、时间等因素综合作用下所形成的能够生长植物、具有生态环境调控功能、处于变化中的矿物质与有机质的疏松混合物(黄昌勇等,2000)。不论是东方还是西方,土壤、土地从古至今一直以“大地母亲”的形象出现在人们面前,是地球上一切生命赖以生存和发展的基础和条件。它一方面提供了生物过程必须的营养来源,又直接以不同的形态参与到生物圈生态循环之中;它是所有生物活动的支撑者和供给者,是地球上一切生命赖以生存和发展的基础。自1962年卡逊的《寂静的春天》出版以后,人类终于意识到工业化给人类带来的是以环境破坏为代价的虚幻的美好。伴随着人类活动以及城市化进程不断加快,城市的扩展占用了大量的自然和农业土壤,人为活动强烈如人为施肥、园林种植、土壤搬运等干扰了自然条件下土壤生态系统的一般性过程,相应的形成了独特的城市土壤生态系统,在此过程中城市土壤生态系统也幵始出现相应的症结。一般表现为土壤微生物、酶活性降低,土壤动物种群和数量减少,土壤中的生态平衡出现了严重的失衡,土壤本身作为环境变化“缓冲剂”的功能性逐渐消失,甚至从城市环境的净化者变为城市的污染源。城市土壤质量和人类生存的健康密切相关,而其上的园林植物群落又承担着改善生态环境、美化城市形象的重要功能。在可持续发展持续深入人心,人居环境建设更为引人注目的“生态文明”时代,园林以及其承载者土壤的价值在更为明显的凸现出来。对土壤的关注从某些意义上说,不再是简单的单一学科的命题,而更成为多学科间对生态进行思考和研究的工具和手段。由此形成了一系列的“土壤生态学”“地下生态学”等学科,从土壤源头进行跨学科的研究,成为了生态学发展的新趋势和新方向。从风景园林的角度来讲,研究土壤以及其上的植物-土壤生态系统的关系,有助于了解植物作用于土壤的机理,更好的发挥园林植物群落在生态城市建设的作用;而另外一方面,随着风景园林生态设计思想的兴起和发展,在诸多实际项目的设计说明中,“生态群落”“自然群落”等词语屡见不鲜,所谓的“生态”和“自然”只是个表征格调的噱头还是确有其实人工园林植物群落不论是在物种组成、群落结构、管护措施上都与自然群落有较大的区别,人工营造出的植物群落能在多大的程度上发挥包含生态效益在内的多层次的效益仍有待检验。
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1.2研究现状
城市绿地土壤是城市土壤生态系统的重要组成部分,包含了公园绿地、街道绿地、居民区绿地等多种形态的城市绿化用地。目前,国内外对城市绿地土壤的研究方向为:城市层面的绿地土壤调查(边振兴等,2003;卢琪等,2007);大范围的土壤性质监测(Tenge,2014);特定绿地类型土壤研究;针对某一指标的调查研究,如土壤碳氮(罗上华等,2014)、理化性质(Jim,1998)、重金属含量(Chene/a/., 2005);对种植土壤相关技术标准的研究(邹明珠,2012)等,整体来看较为全面的反映了园林绿地土壤的基本性质。基于城市绿地土壤性质的研究,可以总结城市绿地土壤形成的基本特点有:1、空间异质性强。城市土壤因其成土方式的独特性(回填、客土甚至人工“组装”)(章家恩等,1997),形成了其在空间层面上变化的不规律性,剖面结构混乱,空间变异性强。2、大量的人为附加杂质。由于城市环境的复杂人为因素,大量的建筑垃圾、塑料玻璃等人造产物在土壤中出现明显增多,粗骨物质大量分布。3、污染严重,酸碱度失调。土壤作为重要的城市生态界面缓冲层,承载了大量来自城市居民的污染物,包括重金属和化学物质等,污染造成城市土壤理化性质改变、微生物集群特性变化。4、压实效应明显。城市内部因为车辆、建筑等的压实效应造成土壤硬化严重,容重增加,孔隙度减少,减少了土壤内部水分、能量和物质交换的渠道。(Craul,1985;张甘霖等,2003;Scheyeretal,2005)
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2研究方案
2.1研究区域概况
主要样方选择地点为新建城市公园——北京市奥林匹克森林公园,对照样方的主要选择地点为建成年限较长的城市公园——百望山森林公园,均位于北京市(39°54'20"N,116°25'29〃E)。北京市属于典型的暖温带半湿润气候,夏季(6、7、8月)温暖多雨,冬季(12、1、2月)寒冷干燥,1971年-2000年北京全年平均降雨量为571.9rnm。北京市奥林匹克森林公园是北京奥林匹克公园的重要组成部分,占地6801im2(其中水系面积约122hm2,绿地面积约450hm2),位于北京市朝阳区北部,是北京传统南北中心轴线故宫-景山-鼓楼-雍和宫的最北端,也是北京市最大的城市生态公园。其设计理念为“通往自然的轴线”。北京市奥林匹克森林公园整体植被覆盖率约90%,在规划设计和建成过程中使用了大量的乡土植物,组建了乔灌草、乔草、乔灌等多种复层混交种植群落(胡洁等,2006)。公园被五环路从中分为两部分,其中南园在规划时的定位为主要的游赏生态森林公园,北区则以乡土树种的生态恢复区和种植资源区形成的的自然野趣密林区为主。北京市奥林匹克森林公园在从03年开始施工建设,08年正式落成,期间进行了大量的土方工程,其中使用的绝大部分的土壤为发育不成熟的素土和客土。整个公园在规划设计过程中使用了包括“近自然”理念在内的大量的生态规划思想,以期为北京市的城市建设作出相应的生态效益的贡献(胡洁等,2006)。从08年7月份全园建成开放以来,人工种植的植物群落已经立地存活5年时间,在此时间内,植物群落对土壤的影响就成为了对土壤生态系统最大的影响因素,大规模的土方工程和造林工程使得奥林匹克森林公园成为了一处进行植物-土壤关系研究的绝佳场所。
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2.2研究方法
根据研究内容,样方根据奥林匹克森林公园建成时不同的土方填埋模式和群落模式,为较好的控制群落组成变量,样方选取尽量以纯林和不同生活型群落为主,以求全面的反映北京市奥林匹克森林公园的骨干群落信息。在样方选区中,为了减少自变量数量,针对公园样地的基本情况对样地进行微调,如:1.为减少植物群落受到游人践踏的过度影响,选择样方尽量距离道路30m以外的地区;2.为避免公园人工施肥对土壤的影响,根据公园养护等级分类和公园养护人员访谈信息对样方进行调整;3.为避免周围群落对样方选择群落的干扰,选择的样方群落面积均大于300m2,群落中心距离群落边缘的距离大于15m;4.为减少坡度坡向的影响,研究选择的样方全部位于阳坡和半阳坡间,坡向不超过30°。最终,在奥林匹克森林公园内部选择样方20个(其中南园13个,北园7个)。对照样方位于百望山国家森林公园5个,公园内地表裸露无植被覆盖的客样方CK1个,共计样方26个。所选择的样方具体样方信息参见图2-2以及表2-1。
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3园林绿地群落样地基本属性.......19
3.1样地植物群落信息.......19
3.1.1样地植物群落的主要构成.......19
3.1.2样地植物群落的多样性指标.......21
3.2土壤基本性质.......23
3.2.1土壤成土环境.......23
3.2.2人为干扰因素.......24
3.3讨论与小结.......25
4园林土壤物理化学性质特异性分析.......29
4.1园林绿地植物群落物理指标分析.......29
4.2园林绿地植物群落土壤化学性质分析.......35
4.3讨论与小结.......47
4.3.1植物群落影响下的土壤物理性状变异性.......47
4.3.2植物群落影响下的土壤化学性状变异性.......48
4.3.3小结.......49
5园林土壤生物学性质特异性分析.......51
5.1园林植物群落下土壤微生物特异性分析.......51
5.2园林植物群落下土壤酶的特异性分析.......57
5.3生物学特性间相关性分析.......64
5.4小结........65
6植物与土壤发育相关性分析
通过之前章节以土壤指标为分类的简单差异性分析可以得知,不同林型、不同自然程度等群落属性对土壤的影响有较大不同,然而因为指标多样、相关性复杂,使用简单的差异性分析和植物群落归类方法对比方法进行的研究在不同土壤指标间有较大的出入。为了从整体上对土壤发育状况和植被覆盖情况的相关性进行研究,本章主要使用了主成分分析(PCA)的方法建立了土壤因子综合评分方程,结合系统聚类法对主成分分析的结果进行了讨论,并使用了约束性典范对应分析(RDA)来模拟植物多样性-环境变量之间的交互关系,以数量化分析和整体分析的思想对植物群落类型与土壤发育相关性进行了研究。
6.1基于主成分分析法的土壤质量影响指标评价
主成分分析(PCA)是一种基于多维线性向量排序和投影原理的统计学处理方法。其主要功能是通过线性计算蹄选相关性较强的几组数据,通过降低不同因子的相关性达到减少因子数量,降低因子维度的目的。通过之前的相关性分析,可以看出不同的土壤因子之间有较强的相关性。为了简化多维多量纲的土壤因子,突出主要成分进而对不同植物群落的土壤质量进行定量描述,需要对不同的土壤因子进行主成分分析。在之前的研究中,共研究了土壤容重、最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度;全氮、全憐、全钾、有机质、酸碱度、电导率;脲酶、憐酸酶、转化酶、过氧化氢酶、细菌、真菌、放线菌、细菌总量三大类共18个指标。所有指标都有一定的相关性,根据上文中对不同指标的描述性研究,去除三个因子:毛管持水量、土壤碳氮比和电导率。其中土壤毛管持水量和土壤碳氮比是根据计算得出的指标;电导率通过简单相关性分析可以发现不能与其他指标产生较好的相关性.
结论
(1)园林植物群落土壤物理特征:园林样地容重均值为1.48mg/m3,土壤最大持水量和毛管持水量均值分别为337.25 g/kg和220.75mg/kg,毛管孔隙度均值为31.9%。较地表客土CK有一定改善,但与自然群落相比仍表现出明显的土壤压实和持水能力退化特征。对针阔混交林、针叶林、阔叶林、灌木林、草地五种园林类型下土壤的物理特性多重比较显示,基本呈现出乔木林优于其他林型的特征,针叶林在多项指标中表现为最好。
(2)园林植物群落土壤化学特征:园林样地土壤pH显示为碱性,电导率为102us/cm。土壤表层全量氮、磷、钾和有机质的含量均值分别为0.104%,0.175%,0.375%,1.16%;绝对水平上表现为有机质、氮素、钾素缺乏,憐素富集。土壤碳氮比均值为6.43。不同群落自然程度对电导率、全钟、全磷影响不显著;园林群落土壤pH较客土 CK有一定下降,全氮、有机质含量有明显升高,但与自然群落水平有差距。不同林型的对比上,针叶林、针阔混交林下土壤有机质和全氮含量较其他林型有明显升闻。
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参考文献(略)
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本文编号：38197
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/38197.html
