成都市綠地土壤特性及對(duì)雨洪削減效應(yīng)的研究

董光 周維 何蘭

摘要 研究成都市錦江區(qū)5類城市綠地的土壤特性，分析各類綠地土壤的分布規(guī)律，建立錦江區(qū)綠地土壤對(duì)雨洪削減效應(yīng)的估算模型。結(jié)果表明：錦江區(qū)綠地土壤質(zhì)地以粉砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)黏壤土和粉砂質(zhì)黏土為主；城市綠地土壤受人為活動(dòng)影響顯著，物理性質(zhì)發(fā)生了較大變化，土壤孔隙度和滲透性均下降；不同類型的綠地土壤入滲速率差異較大，以生產(chǎn)綠地和公園綠地為最好。綠地土壤對(duì)雨洪的蓄滲效果隨土壤入滲速率的增大而增大，且下凹式綠地的蓄滲效果更佳。

關(guān)鍵詞 城市綠地；土壤特性；入滲速率；蓄滲率

中圖分類號(hào) S152文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2018）01-0137-04

Abstract In this paper，the soil characteristics of five urban green land in Jinjiang District of Chengdu City were studied，and the distribution rule of soil were analyzed.The estimation model of storm water runoff reduction effect was established.The results showed that the soil texture in Jinjiang District was silty loam，silty clay loam and silty clay.The soil of urban greenland was influenced by human activity，and the physical properties had changed greatly，and soil porosity and permeability had decreased.Different types of greenland soil infiltration rate were different，produce greenland and park greenland were the best.The effect of the red soil infiltration on the rainwater infiltration increased with the increase of soil infiltration rate，and the effect of reservoir was better.

Key words Urban greenland；Soil characteristic；Penetration rates；Storage and infiltration rates

城市化是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的主流，隨著城市化進(jìn)程的加快，相配套的城市綠化也得到了迅速發(fā)展。城市綠地土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，有諸多的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，對(duì)維持良好的城市生態(tài)環(huán)境以及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。城市綠地作為一種天然的滲透設(shè)施，在控制城市面源污染及削減洪峰水量方面發(fā)揮著十分重要的作用，越來(lái)越受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1-2]，城市土壤研究在世界范圍內(nèi)逐步興起和深化[3]。

在發(fā)達(dá)國(guó)家，綠地的雨水徑流調(diào)蓄效應(yīng)已得到重視，在城市綠地土壤特性方面也進(jìn)行了大量的研究[4]，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家常用滲濾技術(shù)進(jìn)行雨水資源化處理。我國(guó)對(duì)城市土壤的研究起步較晚，研究者關(guān)注較少，缺乏這一技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。20世紀(jì)90年代以后，Jim對(duì)香港城市土壤的理化性質(zhì)及其對(duì)植物生長(zhǎng)的影響進(jìn)行了一系列研究。馬建華等[5]對(duì)大學(xué)校園與綠地建設(shè)進(jìn)行初步研究。國(guó)內(nèi)大多側(cè)重于城市土壤的污染或養(yǎng)分的研究，對(duì)城市土壤物理性質(zhì)的研究較少。

通過(guò)比較成都市錦江區(qū)不同類型的綠地土壤特性，探討影響綠地土壤入滲性能的因素，以期增強(qiáng)對(duì)錦江區(qū)綠地土壤特性的認(rèn)識(shí)，為合理規(guī)劃、建設(shè)城市綠地蓄滲雨洪，發(fā)揮其在城市水文生態(tài)循環(huán)中的作用，積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等方面，提供更加科學(xué)可靠的依據(jù)，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展[6]。

1 研究區(qū)概況

錦江區(qū)是成都市中心城區(qū)之一，位于成都市東南部，面積61.12 km2。到2015年，錦江區(qū)中心城區(qū)人均公共綠地面積達(dá)到13.5 m2，綠化覆蓋率達(dá)42%。研究區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，終年溫暖濕潤(rùn)，四季分明，年平均氣溫16.2 ℃左右，年平均降雨量800～1 000 mm，雨量充沛，但季節(jié)差異性明顯，降水主要集中在7—8月，平均降水量200～240 mm。

2 研究方法

2.1 綠地分類與土樣采集

根據(jù)功能用途不同，將城市綠地劃分為生產(chǎn)綠地、居住綠地、附屬綠地、公園綠地和防護(hù)綠地5大類[7]。在各類綠地中布設(shè)采樣點(diǎn)56個(gè)，樣點(diǎn)均選擇在代表性地段，盡量回避人工填充物，采樣深度為0～20 cm，在每個(gè)樣點(diǎn)均采用4點(diǎn)混合法采集約500 g樣本1份，采集環(huán)刀樣本2份，樣點(diǎn)空間分布如圖1所示。

2.2 土壤特性測(cè)定

2.2.1 土壤粒徑分析。將4點(diǎn)混合采樣法采集的土壤樣品經(jīng)室內(nèi)自然風(fēng)干后，去除雜物，碾碎過(guò)2 mm篩，用激光粒度分析儀測(cè)定土壤的質(zhì)地組成。

2.2.2 測(cè)定土壤通氣孔隙度。用環(huán)刀在樣本點(diǎn)取樣，回室內(nèi)后取下環(huán)刀上蓋，將環(huán)刀蓋有墊濾紙的網(wǎng)孔一端放入盛水的搪瓷盤中，盤中水層高度至環(huán)刀上沿（不淹沒(méi)），使其吸水12 h，取出環(huán)刀，蓋上上蓋，立即稱重（m1） ，準(zhǔn)確至0.1；將上述稱量后的環(huán)刀放置在鋪有干砂的平底盤中12 h（網(wǎng)孔在下），然后立即稱重（m2）； 最后將稱量后的環(huán)刀放入105 ℃烘箱烘至恒重（m3） ，則

2.2.3 測(cè)定飽和土壤入滲速率。

飽和土壤入滲速率用雙環(huán)刀法測(cè)定[8]。將環(huán)刀樣本帶回室內(nèi)浸水12 h，到預(yù)定時(shí)間將環(huán)刀取出，在上端套一空環(huán)刀，接口處先用膠布封好，再用熔蠟黏合，嚴(yán)防從接口處漏水，然后將結(jié)合的環(huán)刀放在漏斗上，用燒杯承接水，向空環(huán)刀中加水，水層5 cm。加水后從漏斗滴下第一滴水時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔2 min測(cè)量漏斗下燒杯里的出滲水量 Qi， 同時(shí)保持上面環(huán)刀中水的高度不變，則入滲速率由下式得到：

式中： V 為入滲速率（mm/min）； Tn 為每次滲透間隔時(shí)間（min）； Qn 為間隔時(shí)間內(nèi)滲透水量（mL）； S 為滲透面的橫斷面積（cm2）。

2.3 綠地減洪效果

土壤具有容納、傳輸水分的能力，是防治城市洪澇災(zāi)害的重要途徑之一。城市綠地對(duì)雨水徑流的蓄滲效應(yīng)主要體現(xiàn)在雨水下滲和雨水蓄積兩方面。因此，城市綠地土壤入滲速率的大小和下凹程度是決定綠地蓄滲雨水效果的關(guān)鍵因素。通過(guò)對(duì)雨水徑流滲蓄率的計(jì)算，反映城市綠地的雨水蓄滲能力。計(jì)算公式如下：

3 城市綠地土壤特性

3.1 土壤質(zhì)地

土壤質(zhì)地反映了土壤不同粒級(jí)的顆粒組成情況，是土壤的重要屬性。土壤質(zhì)地對(duì)土壤入滲性能影響很大。解文艷等[9]以土壤粒徑小于0.002 mm的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)反映土壤質(zhì)地的物理量，試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤質(zhì)地對(duì)土壤入滲性能的影響十分明顯；土壤質(zhì)地由輕變重，土壤入滲性能減小。表1是按照國(guó)際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)得出的錦江區(qū)不同綠地土壤的質(zhì)地組成。從表1可以看出，錦江區(qū)綠地土壤質(zhì)地主要為粉砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)黏壤土和粉砂質(zhì)黏土，各類土壤在該次試驗(yàn)樣品中的占比分別為69.64%、10.71%和19.64%。

3.2 土壤孔隙度

土壤滲透性是反映土壤特性的重要指標(biāo)，對(duì)降水進(jìn)入土壤、在土壤中的貯存及對(duì)地表徑流都有重要影響[10]。土壤容重和孔隙度兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)滲透性有著直接影響。在城市綠地中，土壤壓實(shí)現(xiàn)象普遍，土壤容重增大，孔隙度減小，滲透率隨之下降。Chi[11]曾對(duì)香港道路兩旁綠地的土壤滲透率進(jìn)行測(cè)定，緊實(shí)土壤和鄰近未壓實(shí)的土壤入滲速率則分別為0.8、3.5 mm/min，說(shuō)明土壤壓實(shí)是城市綠地土壤普遍存在的重要特征，也是造成綠地土壤入滲速率下降的重要因素。

雖然土壤容重能很好地反映土壤的壓實(shí)程度，但是由于不同質(zhì)地的土壤在同樣壓實(shí)程度下土壤容重和滲透性會(huì)有所差異，所以有學(xué)者認(rèn)為用孔隙度來(lái)反映土壤的滲透性和壓實(shí)程度會(huì)更合適。Winzig[12]研究發(fā)現(xiàn)土壤滲透性隨著土壤通氣孔隙度的增加而增加。因此，土壤的通氣孔隙是影響水分滲透的關(guān)鍵因素，而城市土壤的壓實(shí)嚴(yán)重影響了土壤的正?？紫斗峙?，總孔隙度降低，非毛管孔隙的比例大大下降。非毛管孔隙是指通氣孔隙，其中的水分可以在重力的作用下排出，具有通氣和排水的功能，決定土壤的滲透性[13]。

有研究表明，城市綠地土壤的通氣孔隙度一般很難超過(guò)10%。在香港，土壤平均通氣孔隙度為7.85% （3.26%～20.14%）[14]。在南京，土壤平均通氣孔隙度只有2.20%。從表2可以看出，生產(chǎn)綠地和公園綠地的土壤通氣孔隙度均略高于10.00%，附屬綠地與防護(hù)綠地也處于較高水平。居住綠地土壤通氣孔隙度為5.52%～10.00%，大于10.00%的綠地?cái)?shù)占總數(shù)的41.67%。

3.3 綠地土壤滲透性

城市綠地既承擔(dān)住宅景觀綠化的功能，還承擔(dān)雨水滲濾的功能，因此綠地土壤的入滲速率是發(fā)揮其雨水蓄滲效應(yīng)的關(guān)鍵。表3為錦江區(qū)不同類型的綠地土壤入滲速率及其分布概率，生產(chǎn)綠地與防護(hù)綠地的土壤入滲速率高于其他3類綠地土壤，且超過(guò)60%的綠地土壤入滲速率大于5×10-6m/s，表現(xiàn)出良好的滲透性，但由于人類生產(chǎn)生活的影響，同時(shí)又表現(xiàn)出較大的波動(dòng)，不同樣點(diǎn)的土壤差異性較大。居住綠地和公園綠地的土壤大都是人為填充，經(jīng)過(guò)大型機(jī)械壓實(shí)等影響，土壤通氣孔隙度下降（表2），滲透性變差。各類綠地土壤入滲速率差異較大，最大可達(dá)10-5 m/s數(shù)量級(jí)，最小在10-8 m/s數(shù)量級(jí)，且大都在5×10-6 m/s以下，蓄滲雨水的能力相對(duì)較弱。

造成城市綠地土壤入滲速率差異的因素眾多。除了土壤壓實(shí)造成的土壤容重增加、通氣孔隙下降等因素外，還受綠地土壤土體構(gòu)型的影響，某些土層含有較多的侵入體，如石礫、磚瓦塊、煤渣和石灰顆粒等，土壤中這些物質(zhì)的存在產(chǎn)生的孔隙和裂隙也影響水分運(yùn)動(dòng)，能顯著提高土壤的入滲性能，這也是造成土壤入滲速率較大的重要原因。土壤剖面中的水分沿建筑廢棄物和家庭廢棄物等產(chǎn)生的孔隙運(yùn)動(dòng)，也是城市綠地土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要特征[15]。

4 綠地減洪效果計(jì)算與分析

在了解錦江區(qū)土壤特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析該區(qū)域綠地削減地表徑流的能力。根據(jù)該區(qū)域?qū)崪y(cè)的土壤入滲速率，結(jié)合各類綠地土壤入滲速率的概率分布對(duì)土壤入滲速率進(jìn)行合理選擇，以建設(shè)下凹式綠地為例，計(jì)算綠地減洪效果。

2015年，成都市發(fā)布了修訂版的中心城區(qū)暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式，能夠客觀地反映當(dāng)前成都市降雨的實(shí)際情況，具體計(jì)算公式如下：

為了更加直觀地看出綠地對(duì)城市雨洪的削減效應(yīng)，將模擬成都市不同類型城市綠地對(duì)重現(xiàn)期為五年一遇的暴雨持續(xù)1 h降雨量的蓄滲率，通過(guò)式（8）可計(jì)算出成都市五年一遇的暴雨持續(xù)1 h降雨量為53.58 mm，由公式（5）～（7）可得出在不同下凹深度下城市綠地的雨水蓄滲率（表4）。

從表4可以看出，不同類型的綠地土壤蓄滲雨水能力存在較大差異。在相同的下凹深度下，土壤穩(wěn)定入滲速率越大，雨水蓄滲率越高。在同類型的綠地中比較，隨著下凹深度的增大，雨水蓄滲率也明顯逐漸增大。在生產(chǎn)綠地中，當(dāng)下凹深度達(dá)到10 cm時(shí)，雨水蓄滲率高達(dá)92.43 %；居住綠地土壤穩(wěn)定入滲速率較小，建設(shè)下凹式綠地也能夠在較大程度上削減五年一遇暴雨帶來(lái)的城市雨洪。因此，在新建城市綠地時(shí)，可以適當(dāng)降低綠地的高程，在不影響景觀效果的情況下，充分發(fā)揮城市綠地的生態(tài)環(huán)境功能。

5 結(jié)論

綠地是城市規(guī)劃中的重點(diǎn)規(guī)劃要素，在城市生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。土壤是綠地的根本。以成都市錦江區(qū)為研究對(duì)象，將綠地劃分為生產(chǎn)綠地、居住綠地、附屬綠地、公園綠地和防護(hù)綠地5大類，并分別對(duì)各類綠地采樣，通過(guò)試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

（1）成都市錦江區(qū)綠地土壤類型主要為粉砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)黏壤土和粉砂質(zhì)黏土。

（2）城市綠地土壤由于受人為活動(dòng)的影響，土壤物理性質(zhì)發(fā)生顯著變化，土壤容重增大，孔隙度和滲透性降低，壓實(shí)現(xiàn)象普遍。不同類型的綠地土壤入滲速率差異較大，以生產(chǎn)綠地和公園綠地為最好，其后依次為附屬綠地、防護(hù)綠地、居住綠地。

（3）通過(guò)模擬城市綠地對(duì)錦江區(qū)五年一遇暴雨持續(xù)降水1 h的雨洪蓄滲作用，可以發(fā)現(xiàn)不同類型的綠地對(duì)雨洪的蓄滲效果存在一定的差異。生產(chǎn)綠地與防護(hù)綠地對(duì)雨洪的蓄滲效果最好，居住綠地和公園綠地較差，隨著下凹深度的增大，雨水蓄滲率也逐漸增大。所以在城市建設(shè)中，應(yīng)當(dāng)將綠地建設(shè)成適當(dāng)深度下凹式綠地，將部分居住區(qū)的分散綠地改造成下凹式綠地，以便充分發(fā)揮城市綠地的生態(tài)環(huán)境功能，增強(qiáng)對(duì)雨洪的削弱效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[1] PANDIT A，GOPALAKRISHNAN G.Estimation of annual storm runoff coefficients by continuous simulation[J].Journal of irrigation & drainage engineering，1996，122（4）：211-220.

[2] 趙米金，徐濤.土地利用/土地覆蓋變化環(huán)境效應(yīng)研究[J].水土保持研究，2005，12（1）：43-46.

[3] BURGHARD W.The stage of soil degradation by compaction of different site uses of Nanjing City，China[C]//Proceedings of International Conference on Remade lands.Fremantle，Western Australia：[s.n.]，2000.

[4] 劉瑾.自然資源在生態(tài)建筑給水排水領(lǐng)域的綜合利用[J].給水排水，2004，30（7）：63-65.

[5] 馬建華，張桂賓，王艾萍.河南大學(xué)校園土壤與綠地建設(shè)初探[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1995（2）：77-82.

[6] 聶發(fā)輝，李田，姚海峰.上海市城市綠地土壤特性及對(duì)雨洪削減效應(yīng)的影響[J].環(huán)境污染與防治，2008，30（2）：49-52.

[7] 吳人韋.城市綠地的分類[J].中國(guó)園林，1999（6）：59-62.

[8] 程金花.長(zhǎng)江三峽花崗巖區(qū)林地坡面優(yōu)先流模型研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2005.

[9] 解文艷， 樊貴盛.土壤含水量對(duì)土壤入滲能力的影響[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35（5）：272-275.

[10] 卓文珊，唐建鋒，管東生.城市綠地土壤特性及人類活動(dòng)的影響[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，46（2）：32-35 .

[11] CHI Y J.Soil compaction as a constraint to tree growth in tropical & subtropical urban habitats[J].Environmental conservation，1993，20（1）：35-49.

[12] WINZIG G.The concept of storm water infiltration[C]//First international conference on soil of urban，industrial，traffic，and mining areas.Essen：University of Essen，2000：427-433.

[13] 姚賢良，程云生.土壤物理學(xué)[ M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986 .

[14] 楊金玲，汪景寬，張甘霖.城市土壤的壓實(shí)退化及其環(huán)境效應(yīng)[J] .土壤通報(bào)，2004，35（6）：688-694.

[15] 盧瑛，龔子同，張甘霖.城市土壤的特性及其管理[J].土壤與環(huán)境，2002，11（2）：206-209 .