空间变化对土壤水分的影响研究

空间变化对土壤水分的影响研究

空间要素的生态影响空间是生境的载体，它为生境的表达和发挥作用提供了场所，同时也创造了生境，通过物理三维变量干扰和调节不同生境因子的变化和发展，可以说生境是空间的生境。这种作用关系在不同尺度下以不同程度显性或隐性地发生，大到纬度的变化产生了不同的气候带，小到墙头的裂缝成为筛选野草自然耐力的试验场。建成环境是人工建造形成的空间集合，其生境条件既依托于背景自然环境，也在很多方面体现出人为干预的结果。绿地既是建成环境的组成部分之一，同时也受到其所形成的环境条件的影响。建成环境内部的空间差异产生了不同类型的生境，并作用于其间绿地植物的生长。在影响植物生长的主要生境因子中，水因子的作用无疑是十分突出的，植物通过根系从土壤中吸收水分来完成包括光合作用和呼吸作用在内的一系列代谢活动，原生质含水量需在80%以上才能使其保持溶胶状态，以维持旺盛代谢过程的进行建成环境中绿地的空间形态受到各种功能需求和其他空间要素的影响，并与大的空间格局一样存在类型化的特征，例如公园绿地的相对规整和道路绿地的狭长。不论原因如何，实际产生的空间特征差异会在不同程度上引起各种生境条件的变化，而发现和了解这些变化既有助于在绿地建设中合理地选择和搭配植物种类，也能够从空间要素层面对生境的适度调整与改造提供有效指导。以下将以土壤含水量为线索，结合实地调研数据，梳理和分析建成环境绿地空间特征对生境条件的影响。1空间类型特征—调查与研究方法本文的研究背景是对建成环境不同绿地生境类型主要生境因子的调查，调查以南京市城区为案例对象，试图分析由空间差异主导划分的生境类型间各主要生境因子的异同。针对不同生境因子的特征，生境类型的划分存在相应的调整，在土壤水因子的调查与研究中生境类型的划分如表1所示。调查方式为于夏末秋初雨后4～5日以上晴好天气，采用AZS-100型定时定位TDR土壤水分仪测量20cm深度表土含水量信息，结果为体积含水量。每个样点根据其空间形态以不同方式散布5～6个测量点，记录并取均值作为该点数据，共调查样点近400个。各Ⅱ级生境类型的平均含水量排序如图1所示，湿地的含水量最大（40.76%），调查期间土表高于水面，是最小值南向陡坡（9.83%）的4倍有余。公园型生境由于较大的内部空间变化而表现出较大的分布跨度，含水量最高的3种类型变异系数（CV）最小，说明其高含水量的类型化特征比较稳定。基于此分析结果及其他调查数据，本文将从空间特征的角度分析绿地土壤含水量的差异及其变化规律，空间特征与上述空间分类并不完全相同，它更强调单一指标上的量化比较，一种空间特征可以在多种空间类型上体现，而一种空间类型也具有多种空间特征。空间特征上的分析不拘泥于类型的划分，更有利于从单因子视角解释空间与生境的关系，以及发挥研究结果的现实指导意义。2空间要素关联的特征因素分析根据建成环境绿地本身的空间变化及其与所处环境中其他空间要素的关联，可将主要的特征因素归纳为4类：方位、形态、地形和植被结构。下面将结合相关样点的数据分析对其各自与土壤含水量的关系作进一步的分析和阐述。2.1．2地形因素方位，即方向位置，在绿地空间中主要指绿地的朝向和所处的位置，是一个相对概念，与周围其他空间要素有关，常见的表现方式包括坡面的朝向、与建筑的关系、在所处空间中的位置等。方位因素多以光照为媒介，通过影响绿地所接收光辐射的多少来影响土壤的含水量。但也有一种直接的方式，即与地表水体的位置关系，与水体接触越紧密，土壤含水量自然越高。与方位因素相关的生境类型包括除广场型以外的所有其他类型，广场型开阔和平坦的空间特征使其绿地受周围因素的影响整体较小，方位的作用不强。图2、图3分别为单位附属型（2型）与居住区型（3型）中各调查样地建筑阴区、阳区样点的均值比较。所谓建筑阴、阳区是针对建筑遮阳对植物生长而言的，以每日8时至16时期间4小时日照为分界点，以下为阴区，以上为阳区方位因素中绿地与地表水体的位置关系对土壤含水量的影响则比较直接和明确，越靠近水体的区域含水量通常越高。图1中湿地和临水区的含水量均高于其他类型，且各自样点数值与滨水型中其他类型样点均在0.001水平上差异显著（F=45.111、F=56.090）。另外在所有Ⅰ级生境类型的比较中（表2），滨水型的平均含水量也是最高的。2.2土壤水分析的研究这里的形态主要指的是绿地本身的平面形态，包括面积、边界指数（面积/周长）等度量参数，边界指数反映的是绿地形态的规整程度，指数越大形态越规整。理论上，面积大、形态规整的绿地可接收降雨较多，且土壤水分交流受影响较小，在其他条件差异不大的情况下，含水量应处于相对较高的水平。调查结果在一定程度上佐证了这种推测（图1),2型和3型生境中集中绿地的土壤含水量均大于对应的建筑周边绿地；5型生境中片状绿地的含水量最高，以下依次为中型绿地和树池，表现出与面积的呼应。不过含水量差异都较小，均值差仅在1%～4%，各对比组的差异性分析也均不显著。另外，绿地边缘的处理方式也会对土壤含水量产生影响，出于防护、美观或清洁等方面的需求，绿地边缘常会被特殊处理，主要表现在收边抬高和驳岸硬化两个方面。收边抬高阻止了周边区域地表径流的汇入，使得降雨补给仅限于绿地范围的直接获得量，比较典型的为树池和道路绿带，它们在图1中的排序均比较靠后。驳岸硬化后隔绝了驳岸土壤与水体的接触，极大地削弱了其对于水分获得在方位因素上的优势，调查结果显示硬驳岸坡地的平均含水量为17.27%，软驳岸为23.25%，且两组样点数据在0.05水平上差异显著（F=5.472,P=0.029），即软驳岸显著较高。道路绿地作为在上述两方面都深受影响的生境类型，其在绿带宽度和收边抬高高度上仍具有一定的变化幅度，并且一方面便于精细化测量；另一方面较高的空间同质化在很大程度上减弱了其它因素的影响，使这两个变量与土壤含水量的关系能够很好地反映形态因素的作用。图6为各样地绿带宽度和抬高高度与含水量的关联趋势，均表现为正向关联，相关性分析结果为：宽度在0.05水平上呈显著正相关（r=0.407,P=0.017），抬高高度的相关性不显著（r=0.321,P=0.064），表明宽度的增加有利于绿带土壤水环境的改善。边缘的封闭与抬高虽然阻隔了地表径流，但在此既定条件下，对于绿带这样狭小的空间类型，抬高高度的增加扩大了土壤容量，理论上会对水分的保持存在积极的作用。2.3自然形态的土壤水分变化绿地中的地形主要包括两类，一类是依托原有山体、坡地建造的山体公园，拥有较大的地形起伏，坡度、坡向和坡位等变量，能够塑造出比较显著的空间差异，并进而影响植物群落的组成和结构；另一类为微地形，多为人工堆筑，以造景为主要目的，可以出现在任何一块面积较大的绿地中，对局部中下层植被的影响较大。对于山体公园，坡向已归到方位因素中，这里主要分析坡度与表土含水量的关系。坡度的大小与坡面径流的发生和发展有着密切的联系，有研究发现表面流流速与坡度呈正相关微地形的成因有很大一部分是以景观空间塑造为目的的人工堆筑，但实际也形成了局地土壤含水量的变化。由于微地形的体量有限，相对高差多则数米，少则几十厘米，通常不会产生具有特征意义的坡度和坡向的空间分化，土壤含水量的差异多体现在坡位变化上。表3为微地形含水量调查的数据汇总，样点分布在多种生境类型中，坡高一般在1～3m。坡脚或低洼处的含水量高于坡顶和坡面，而后两者的差异较小，其中坡面的CV值较高，说明其含水量变化较大，不如另两处位置稳定。植物配植可以结合微地形的营造，坡顶更适合不耐水湿的种类，尤其对于灌木和地被植物。另外，驳岸也是一种比较特殊的微地形，其含水量差异同时受地表径流和与水体关系的影响。调查共采集到6组不同坡度的自然驳岸含水量信息，如表4所示，其中A区为距水线水平距离1～2m处，B区为4～5m处，C区为8～12m处（驳岸坡顶）。自然驳岸土壤直接与水体接触，所以A区均表现出较高的含水量，随着距离的增加含水量逐渐降低，A区到B区降幅最大的是陡坡，其余坡度大致相当，B区到C区只有中坡还具有较高的降幅，其余坡度变化均不大，说明水体的影响范围随坡度的增大而减小。在坡度较大的驳岸土壤中水的扩散能力有限，距水线一段距离后临近水体的优势便会减弱，而且坡度越大减弱的越显著。2.4不同生境类型植被覆盖率对含水量的相关性分析土壤含水量影响着植物个体的生长和种群的分布，甚至群落的结构，但反过来植被的空间特征也会对土壤含水量产生影响。该影响过程主要通过冠层截留与蒸腾作用来实现，前者影响土壤水分获得的降雨补充，而后者则与水分的消耗关联显著。森林的冠层截留可以达到大气年降雨量的30%以上在含水量的调查过程中分别对样点地块的乔木冠层覆盖率（<1）和乔木加灌木的总覆盖率（<2）进行了观测和记录，并在平地公园中区分了密林（乔木郁闭度>0.7）与疏林两种空间类型。结果显示平地密林的平均含水量为21.22%(CV=0.258），疏林为26.13%(CV=0.244），二者样点数据在0.05水平上差异显著（F=4.462,P=0.045）。虽然密林有助于减弱地块土壤的水分蒸发，但却产生了更大的冠层截留量，减少了降雨到达地表的比例，根据上述分析结果，显然在降雨较为丰沛的南京地区后者的影响效果要大于前者。对具有一定面积、存在乔、灌木覆盖率差异，并且基本不受地形和地表水体影响的生境类型进行各样点植被覆盖率与含水量的相关性分析，主要包括单位附属型和居住区型中的各Ⅱ级类型、公园型中的平地公园和广场型中的片状绿地。结果显示除平地密林外，其他光照充足的类型均表现出乔灌总覆盖率与含水量的显著负相关性（图9b-f），单纯乔木覆盖率仅在单位附属型集中绿地中表现出显著性（图9a）。为在人的视觉尺度上提高绿地植物群落的观赏性和绿视率，人工营建的植物群落大多会重点突出灌木层的比例和丰富程度，并以密植的栽植方式为主，导致灌木层在降雨截留上的贡献提升，这可能是多数类型乔灌总覆盖率与含水量关系显著的原因。而对于建筑阴区等类型，光照的不充足可能会导致蒸腾作用减弱，从而削弱了植被结构与土壤含水量的互动关系。绿地植物虽然是生境研究和构建的服务对象，但它同样也是空间的重要组成部分和很多生境因子发展过程的重要参与者。以土壤水因子为例，结合上述分析，可以通过减小乔灌木的覆盖率来改善某些生境类型土壤含水量的缺乏，或者说减小对水分的消耗。一味地在有限的空间上堆砌大量植被，只会营造表面的生态，且需要更多人为管理的投入，不符合可持续发展的要求。空间因素对土壤含水量的影响空间特征角度的分析跳出了类型化研究的局限，有利于更加具体地了解空间与生境的关系，而不仅仅是得到表明存在差异的结果。总结以上分析，方位、形态、地