深圳市5類(lèi)城市綠地土壤滲透性研究

熊圣洲

(深圳市鐵漢山藝環(huán)境建設(shè)有限公司，廣東 深圳 518000)

土壤滲透能力是土壤水文效應(yīng)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，是反映植被涵養(yǎng)水源功能的重要水文參數(shù)[1-2]，也是描述土壤入滲快慢的極為重要的土壤物理特征參數(shù)之一。土壤滲透性越好，地表徑流就會(huì)越少，土壤流失量就相應(yīng)減少[3]。所以提高土壤的滲透能力，是降低地表徑流及防治水土流失的關(guān)鍵措施[4]。前人對(duì)土壤滲透性已有大量研究，主要從不同植被類(lèi)型[2，5-7]、不同區(qū)域[8]、不同土地利用方式[9-10]、不同措施[11]及其影響因子[12-13]的角度進(jìn)行研究。研究?jī)?nèi)容主要集中在土壤入滲過(guò)程、入滲特征、入滲機(jī)理、模型構(gòu)建[14-15]，以及土壤理化性質(zhì)[16-17]對(duì)滲透性的影響方面。影響土壤滲透率的因素較多，其中，孔隙度、土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)是影響土壤水分入滲特征的主導(dǎo)因素，土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤入滲的影響也比較大[18-19]。

城市綠地是指用栽植樹(shù)木花草和布置配套設(shè)施，基本上由綠色植物所覆蓋，并賦以一定功能與用途的場(chǎng)地。廣義的城市綠地，是指城市規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)的各種綠地。城市綠地可分為公園綠地(G1)、生產(chǎn)綠地(G2)、防護(hù)綠地(G3)、附屬綠地(G4)和其他綠地(G5)5大類(lèi)型[20]，城市綠地具有重要的生態(tài)功能，社會(huì)功能和經(jīng)濟(jì)功能。

深圳市是全國(guó)著名的花園城市，全市綠化覆蓋率達(dá)45%、森林覆蓋率達(dá)47.6%、人均公共綠地面積16.01 m2、442個(gè)公園總面積達(dá)13 240.40 hm2。因此，研究深圳城市綠地土壤滲透性不僅有重要理論意義，而且具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

試驗(yàn)針對(duì)深圳市5種不同綠地類(lèi)型及其不同土壤層次的滲透率以及主要影響因子開(kāi)展調(diào)查研究，期望為解決深圳市及處于南亞熱帶地區(qū)同類(lèi)城市的水土保持功能評(píng)價(jià)、城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)、城市園林綠化建設(shè)與管理，以及消減地表徑流和城市防洪等問(wèn)題提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

深圳是中國(guó)南部海濱城市，位于北回歸線(xiàn)以南，E 113°46′～114°37′，N 22°27′～22°52′。地處廣東省南部，珠江口東岸，東臨大亞灣和大鵬灣，西瀕珠江口和伶仃洋，南邊以深圳河與香港相連，北部與東莞、惠州兩城市接壤。地勢(shì)東南高，西北低。地形大部為低山、平緩臺(tái)地和階地丘陵，平原僅占陸地面積22.1%。土地總面積2 020 km2。屬亞熱帶氣候，年平均溫度22.4℃，最高溫度36.6℃，最低溫度1.4℃。年均降水量為1 948.6 mm。東南風(fēng)為常年主導(dǎo)風(fēng)向，年平均日照數(shù)為 2 120 h。地帶性土壤為赤紅壤。

1.2 樣地和樣方設(shè)置

依據(jù)CJJ/T85-2017《城市綠地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》，于2017年3～5月在深圳市以綠地分類(lèi)系統(tǒng)中的5個(gè)大類(lèi)為研究對(duì)象，然后分別在每個(gè)綠地類(lèi)型中選擇有代表性的綠地作為樣地，并依次用羅馬數(shù)字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ作序號(hào)(表1)。對(duì)各樣地植被進(jìn)行調(diào)查，并采集土壤用來(lái)測(cè)定土壤滲透性。

表1 城市綠地樣地概況

1.3 樣品采集、測(cè)定和分析方法

在各樣地內(nèi)隨機(jī)選點(diǎn)采集土壤樣品，設(shè)3個(gè)重復(fù)。土壤樣品均按0～20、20～40、40～60 cm 分層采集，每層3個(gè)重復(fù)，每樣地總計(jì)為3×3×3=27個(gè)樣品。

采用環(huán)刀法測(cè)定土壤入滲率、土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定[21-24]。

環(huán)刀規(guī)格為20 cm2×5 cm。在室外用環(huán)刀取原狀土，帶回室內(nèi)浸入水中12 h。浸水時(shí)，保持水面與環(huán)刀上口平齊，勿使水淹到環(huán)刀上口的土面。到預(yù)定時(shí)間將環(huán)刀取出，去掉蓋子，上面套上一個(gè)大小相似的空環(huán)刀。接口處先用膠布封好，嚴(yán)防從接口處漏水，然后將接合的環(huán)刀放到漏斗上，漏斗下面承接燒杯。往上面的空環(huán)刀中加水，水面比環(huán)刀口低1 mm，即水層厚5 cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，之后每隔2 min 測(cè)量并記錄一次通過(guò)土柱滲透出的水量。測(cè)定過(guò)程中要不斷將上面環(huán)刀水面加至原來(lái)高度，同時(shí)記錄水溫。直至4個(gè)單位時(shí)間內(nèi)滲出水量相等時(shí)為止。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

1.4.1 結(jié)果計(jì)算

(1)滲出水總量(Q)

(1)

式中：Q1，Q2，Q3……Qn為每次滲出水量mL，即cm3；S為滲透筒的橫斷面積cm2；10為由cm換算成mm所乘的倍數(shù)，這樣就可以算出當(dāng)?shù)孛姹３? cm水層厚度時(shí)，在任何時(shí)間內(nèi)滲出水的總量。

(2)滲透速度(V)

(2)

式中：tn為每次滲透所間隔的時(shí)間，min ；Qn為間隔時(shí)間內(nèi)所滲透的水量，mL。

(3)滲透系數(shù)(K)

(3)

式中：Kt為溫度為t (℃)時(shí)的滲透系數(shù)，mm/min；L為土層厚度，cm ；h為水層厚度，cm 。

1.4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 參考前人研究成果，選用概念較為明確、可靠又常用的考氏( Kostiakov)土壤水分入滲模型對(duì)各類(lèi)綠地不同層次土壤入滲過(guò)程進(jìn)行描述和模擬[25]。

考氏經(jīng)驗(yàn)公式為：f(t)=at-b

式中：f(t)為入滲速率(mm/min)；t為入滲時(shí)間(min)；a、b為擬合參數(shù)。

初始入滲率= 最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量/入滲時(shí)間( 最初入滲時(shí)間取前3 min)；

平均滲透率= 達(dá)穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量/達(dá)穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間；

穩(wěn)滲率為單位時(shí)間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定( 即內(nèi)環(huán)水頭趨于穩(wěn)定) 時(shí)的滲透速率；

滲透總量為前60 min的滲透量。

用Excel 2010軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠地的土壤水分入滲性能分析

在研究土壤滲透性時(shí)，通常采用初滲率、平均滲透率、穩(wěn)滲率和滲透總量4個(gè)指標(biāo)。分析其變化規(guī)律和主要特點(diǎn)：①不同城市綠地類(lèi)型及其不同層次土壤滲透性能的各項(xiàng)指標(biāo)大小均表現(xiàn)為有規(guī)律的排序，即Ⅰ(農(nóng)科生態(tài)公園—G2生產(chǎn)綠地)>Ⅱ(深圳灣海岸防護(hù)帶—G3防護(hù)綠地)>Ⅲ(蓮花山風(fēng)景名勝區(qū)—G5其他綠地)>Ⅳ(深圳市兒童樂(lè)園—G1公園綠地)>Ⅴ(福榮路行道樹(shù)綠地—G4附屬綠地)(圖1)；②各項(xiàng)滲透指標(biāo)的極值：初滲率、平均滲透率、穩(wěn)滲率和60 min內(nèi)滲透總量的最大值均出現(xiàn)在樣地Ⅰ中，最小值出現(xiàn)在樣地Ⅴ中；③各綠地的平均滲透率依次為：3.25、3.03、2.51、2.26和1.95 mm/min；透水總量依次為210.94、160.58、149.24、146.87和106.56 mm(表2)。

變化規(guī)律和特點(diǎn)證明：① 不同綠地類(lèi)型土壤的滲透性能存在著一定的差異性；② 3個(gè)土壤入滲特征值在不同樣地之間均顯示出相似的變化規(guī)律：初滲率>平均入滲率>穩(wěn)滲率；③ 不同樣地及其不同土層中，各項(xiàng)滲透參數(shù)均顯示出隨土壤深度增加而逐漸下降的變化趨勢(shì)；④ 和文獻(xiàn)資料所載的原生植被土壤滲透性比較，深圳城市綠地土壤滲透性普遍低于原生林地、林灌地、林灌草地和灌草叢等地土壤的滲透性。

圖1 不同城市綠地土壤滲透指標(biāo)Fig.1 The soil permeability of different urban greenlands

和其他各類(lèi)土壤滲透性一樣，城市綠地土壤滲透性的變化規(guī)律，可通過(guò)對(duì)其與不同層次土壤的容重、土壤孔隙度、土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量以及根系密度等土壤因子的相關(guān)性分析得以解釋。

進(jìn)一步分別對(duì)5種不同綠地類(lèi)型土壤滲透性指標(biāo)做多重比較(表2)。不同綠地類(lèi)型之間的初滲速率、平均滲透速率和穩(wěn)滲速率均無(wú)顯著差異，但總透水量之間差異均達(dá)顯著水平(5%)，其中Ⅰ、Ⅱ兩樣地之間和Ⅳ、Ⅴ兩樣地之間還達(dá)到了極顯著的水平。各綠地之間Ⅰ的透水總量最大，是Ⅴ的透水總量(最小)的1.98倍，5 類(lèi)城市綠地土壤透水總量的平均值為154.78 mm，與前述結(jié)果一致。

表2 不同城市綠地類(lèi)型土壤滲透率的多重比較

注：表中同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 不同綠地類(lèi)型土壤水分入滲過(guò)程擬合

度量擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量是R2，R2最大值為1。R2值越接近于1，說(shuō)明回歸直線(xiàn)對(duì)觀(guān)測(cè)值的擬合程度越好，反之，R2的值越小，說(shuō)明回歸直線(xiàn)對(duì)觀(guān)測(cè)值的擬合程度越差。據(jù)此，進(jìn)一步模擬分析不同綠地類(lèi)型土壤滲透率變化結(jié)果(表3)。15 個(gè)擬合模型中，總體擬合優(yōu)度都在0.748 8～0.941 3，其中擬合度為0.748 8～0.791 3 的有4個(gè)，占擬合模型總數(shù)的26.67%，擬合度為0.802 6～0.882 5 的有7個(gè)，占擬合模型總數(shù)的46.67%，擬合度為0.912 5～0.967 6 的占擬合模型總數(shù)的26.67%。經(jīng)F檢驗(yàn)，這些回歸直線(xiàn)模型均達(dá)到了極顯著水平，說(shuō)明擬合效果較好，對(duì)研究區(qū)域不同類(lèi)型綠地土壤入滲特征的模型描述和入滲過(guò)程預(yù)測(cè)具有較好的實(shí)用性。

表3 不同城市綠地各層土壤入滲過(guò)程擬合R2值

2.3 土壤滲透性與土壤主要因子間的相關(guān)性分析

選擇土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)5項(xiàng)土壤因子對(duì)土壤滲透率做相關(guān)性分析(表4)。結(jié)果表明，初滲率、平均滲透率和穩(wěn)滲率與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤總孔隙度和非毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)，平均滲透率與毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)，其余比對(duì)之間雖有一定的正、負(fù)相關(guān)關(guān)系，但差異均未達(dá)到顯著水平。

表4 不同城市綠地土壤滲透性與主要 土壤因子的相關(guān)系數(shù)

注：*和**分別表示在5%和1%水平上的顯著性水平

3 討論

(1)不同的城市綠地類(lèi)型土壤的滲透性存在一定的差異性；各綠地的3個(gè)反映水分入滲特征值之間的關(guān)系表現(xiàn)為：初始滲透速率>平均滲透速率>穩(wěn)定滲透速率；各項(xiàng)參數(shù)都是隨著土壤深度的增加而減小，這與許多相關(guān)研究結(jié)果基本一致[26-28]，但也與部分資料存在一定的差異，甚至完全相悖，例如，研究閩西北不同經(jīng)營(yíng)時(shí)間毛竹林土壤滲透性的結(jié)果，3 種林分的初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透速率和60 min滲透總量均隨著土層深度的增加而增加[26-29]；對(duì)滇東石漠化地區(qū)不同植被模式土壤滲透性研究結(jié)果顯示：不同植被類(lèi)型土壤滲透性能不同，但同層次土壤3項(xiàng)滲透指標(biāo)數(shù)值基本都表現(xiàn)為平均滲透率>初滲率>穩(wěn)滲率[29-32]。據(jù)此，關(guān)于土壤滲透性能的變化規(guī)律還有很大的研究潛力。

(2)深圳市的城市綠地大多以人工植被為主，盡管植物種類(lèi)組成與配置有一定差異，但植被層次結(jié)構(gòu)多為喬、灌、草結(jié)構(gòu)，且多為客土種植，加之在綠地管理、綠地建植年限等方面受人類(lèi)干擾影響，因而造成了各種綠地土壤滲透性差異不顯著和水分入滲過(guò)程相似的土壤水分滲透規(guī)律，顯示出了深圳市綠地土壤水分的入滲特點(diǎn)。

(3)有關(guān)土壤滲透性能影響因子的相關(guān)報(bào)道各有差異。各類(lèi)城市綠地土壤滲透率與有機(jī)質(zhì)、毛管孔隙度無(wú)顯著性相關(guān)；與土壤容重呈極顯著的負(fù)相關(guān)；與土壤總孔隙度和非毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)。表明深圳市各類(lèi)綠地土壤的滲透性能主要取決于土壤容重、土壤總孔隙度和非毛管孔隙度，其中非毛管孔隙度可使降水憑借重力和一定壓力梯度向土體滲透起著主導(dǎo)作用。結(jié)果與與有關(guān)自然植被土壤滲透性的研究結(jié)果基本一致，說(shuō)明此次研究結(jié)果基本符合深圳市的實(shí)際情況。

(4)植被的種類(lèi)組成及其根系是影響土壤滲透性的重要因素之一。研究發(fā)現(xiàn)隨著根長(zhǎng)密度的增加，土壤滲透性各項(xiàng)參數(shù)明顯增強(qiáng)，且呈現(xiàn)出顯著的線(xiàn)性關(guān)系，主要是由于根系穿插、延伸過(guò)程中所形成橫向和縱向的植物根孔，進(jìn)而影響土壤滲透性。這對(duì)探索城市綠地土壤滲透機(jī)理有重要意義，對(duì)此，在課題的后續(xù)研究中尚待補(bǔ)充和加強(qiáng)。

4 結(jié)論

(1)對(duì)深圳市不同綠地土壤的初滲率、平均滲透率、穩(wěn)滲率和滲透總量4項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行多重比較，結(jié)果表明： 各綠地土壤水分滲透率依次為：G2生產(chǎn)綠地>G3防護(hù)綠地>G5其他綠地>G1公園綠地>G4附屬綠地；入滲率隨著土壤深度增加呈減小趨勢(shì)：0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm；3項(xiàng)滲透特征值大小依次為：初滲率>平均滲透率>穩(wěn)滲率。在所研究區(qū)域內(nèi)具有良好的水分入滲性能。

(2)由于考氏經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)水分入滲模型擬合的相關(guān)系數(shù)R2≥0.748 8，說(shuō)明考氏經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)深圳市主要綠地土壤水分入滲過(guò)程具有較好的適用性。

(3)對(duì)不同綠地土壤滲透性與主要土壤因子進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初滲率、平均滲透率和穩(wěn)滲率與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤總孔隙度和非毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)，平均滲透率與毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)，其余比對(duì)之間雖有一定的正、負(fù)相關(guān)關(guān)系，但差異均未達(dá)到顯著水平。