北京城市綠地土壤水分入滲性能研究

戴子云

隋靜軒

許 蕊

李新宇*

在城市化發(fā)展進(jìn)程中，不透水的鋪裝面積迅速升高，導(dǎo)致暴雨后城市嚴(yán)重積水洪澇的現(xiàn)象的出現(xiàn)，污染物也伴隨地表徑流進(jìn)入水體，已成為影響城市生態(tài)環(huán)境與市民生活質(zhì)量的重要因素[1-2]。綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，是一種天然的滲透設(shè)施，在消納城市雨洪及控制城市面源污染方面發(fā)揮著重要作用[3-4]?！秶?guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見(jiàn)》(國(guó)發(fā)〔2013〕36號(hào))中明確指出“提升城市綠地匯聚雨水、蓄洪排澇、補(bǔ)充地下水、凈化生態(tài)等功能”。由此可見(jiàn)，綠地削減城市雨洪的重要作用已引起國(guó)家的重視，了解土壤入滲的基本知識(shí)并在綠地建設(shè)中科學(xué)、有效的應(yīng)用顯得尤為重要[5-6]。

綠地土壤水分入滲是研究綠地土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要內(nèi)容，它決定了降雨和灌溉水進(jìn)入土壤的數(shù)量，通過(guò)研究可以掌握綠地土壤的入滲率，正確的對(duì)植物進(jìn)行澆灌，這樣可以保證水分能被植物充分吸收，也可以在保證植物正常生長(zhǎng)的情況下，發(fā)揮滯蓄消納雨水的效果[7-8]。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在綠地土壤水分入滲特性與綠地的雨水徑流調(diào)蓄效應(yīng)等方面已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，結(jié)合土壤質(zhì)地、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和含水率等因子對(duì)綠地土壤入滲性能影響進(jìn)行了深入分析[9-11]。在應(yīng)用層面，國(guó)外重視綠地的雨水滲透能力，并在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)綠地提出了土壤入滲能力的要求，雨水花園和生物滯留系統(tǒng)已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家常用的雨水處理與資源化利用技術(shù)[12-13]。相對(duì)而言，我國(guó)在這方面的研究起步較晚，可供參考的文獻(xiàn)很少，缺乏對(duì)城市綠地水分入滲性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[14]。此外，國(guó)內(nèi)在綠地設(shè)計(jì)、施工、工程驗(yàn)收等環(huán)節(jié)均沒(méi)有考慮土壤入滲這一重要指標(biāo)，城市建設(shè)者普遍對(duì)土壤入滲的基本內(nèi)涵、作用、影響因素和技術(shù)要求缺少必要地了解，更談不上在實(shí)際工作中很好地應(yīng)用[15]。

本研究從區(qū)域?qū)嶋H出發(fā)，通過(guò)對(duì)北京市城區(qū)不同類(lèi)型綠地土壤的滲透性能和土壤特性的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與采樣分析，以期增強(qiáng)對(duì)北京城市綠地土壤特性的認(rèn)識(shí)，為綠地設(shè)計(jì)與綠地的徑流蓄滲作用的發(fā)揮提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為北京“海綿城市”建設(shè)提供技術(shù)支撐。

圖1 不同類(lèi)型城市綠地穩(wěn)定滲透速率及其分布概率(作者繪)

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇北京市建成區(qū)的綠地為主要分析研究對(duì)象。北京市地處華北平原北部，背靠燕山。市域?qū)俚湫偷谋睖貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，降雨多集中在夏季，多年平均年降水量約為480mm。地帶性土壤為褐土，質(zhì)地多為壤土，透水性好。目前，北京市建成區(qū)面積約1 401km2，綠地率45.79%，綠化覆蓋率48.40%，人均公共綠地面積39.84m2[16]。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)概況

本研究選取的綠地，均位于北京市建成區(qū)。根據(jù)土地利用類(lèi)別和人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度，劃分為道路交通區(qū)、商業(yè)區(qū)、文教區(qū)、居民生活區(qū)、公園5個(gè)功能區(qū)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇不同功能區(qū)代表性地段的綠地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。除了部分道路隔離帶林下枯落物豐富，人工養(yǎng)護(hù)較少外，其他綠地均人為設(shè)計(jì)喬灌草群落，林下以人工草坪為主，無(wú)林下枯落物。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息見(jiàn)表1。

1.3 測(cè)定方法

綠地土壤入滲性能采用Guelph滲透儀注水法測(cè)定。在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選擇地勢(shì)平坦，綠地植被生長(zhǎng)良好的區(qū)域進(jìn)行土壤水分入滲試驗(yàn)。綠地表層草皮輕輕鏟去，土壤表面整理平整，使用儀器自帶土鉆在樣點(diǎn)進(jìn)行打孔作業(yè)(20cm深標(biāo)準(zhǔn)孔)，將滲透儀安裝在孔洞內(nèi)，然后注水并檢查密閉性。首先將入滲水頭控制在5cm，記錄每5min儀器的水位下降速度，直到入滲穩(wěn)定有3～4個(gè)數(shù)據(jù)以上時(shí)停止。調(diào)整水頭至10cm，重復(fù)上述操作。根據(jù)雙水頭測(cè)量法計(jì)算土壤穩(wěn)定入滲速率Kfs：

式中：G為入滲環(huán)形狀系數(shù)，r為入滲環(huán)半徑，Q2為水頭H2對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定入滲速度，Q1為水頭H1對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定入滲速度。

同時(shí)用鋁盒測(cè)定0～20cm土壤初始含水量，用環(huán)刀法測(cè)定0～20cm土壤容重和孔隙度，土壤的顆粒組成用比重計(jì)法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市綠地土壤滲透性

土壤入滲率是反映土壤透水性強(qiáng)弱的直接指標(biāo)。土壤的入滲率通常與土壤的水分含量密切相關(guān)，在降雨過(guò)程中會(huì)隨著土壤含水量的提高而逐漸減小，因此為了方便對(duì)比研究通常以土壤穩(wěn)滲率說(shuō)明充分降雨條件下的土壤入滲能力[17]。由圖1可以看出，5類(lèi)綠地穩(wěn)定入滲速率分別為道路交通區(qū)綠地(1.76×10-7-1.01×10-5m/s)、商業(yè)區(qū)綠地(2.34×10-7-2.58×10-5m/s)、居民生活區(qū)綠地(7.04×10-7-5.33×10-5m/s)、公園綠地(1.76×10-7-3.22×10-5m/s)、文教區(qū)綠地(8.80×10-7-2.37×10-5m/s)。按平均土壤穩(wěn)滲率大小排序是：文教區(qū)綠地(8.74×10-6m/s)＞居民生活區(qū)綠地(7.68×10-6m/s)＞公園綠地(4.68×10-6m/s)＞商業(yè)區(qū)綠地(3.65×10-6m/s)＞道路交通區(qū)綠地(2.97×10-6m/s)。各功能區(qū)土壤入滲速率差異很大，少數(shù)最大可達(dá)10-5m/s數(shù)量級(jí)，最小在10-7m/s數(shù)量級(jí)，且大多數(shù)在5×10-6m/s以下，蓄滲雨水能力相對(duì)弱一些。而且在同一功能區(qū)內(nèi)部，綠地滲透速率也波動(dòng)較大。這說(shuō)明北京市綠地土壤滲透性能的空間變異性很大。其中文教區(qū)和居民生活區(qū)由于受人為活動(dòng)影響較小，其土壤入滲速率普遍大于其他3個(gè)功能區(qū)，且50%以上的綠地的土壤入滲速率大于5×10-6m/s，表現(xiàn)出良好的滲透性。此外，調(diào)查中可以發(fā)現(xiàn)文教區(qū)綠地和居民生活區(qū)綠地等綠地土壤多為原狀土，表層土壤相對(duì)疏松；而商業(yè)區(qū)綠地和道路交通區(qū)綠地土壤以雜填土為主，土壤結(jié)構(gòu)緊密，限制了雨水的入滲。研究表明，受人為活動(dòng)影響較大的綠地，壓實(shí)嚴(yán)重，非毛管孔隙少，導(dǎo)致穩(wěn)滲率更低，穩(wěn)滲率低直接影響強(qiáng)降水下水分的下滲和對(duì)外部徑流的吸收[18]。

對(duì)于滲透性能的分級(jí)，以Kohnke提出的城市土壤滲透速率的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用最為廣泛[19]。依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本研究區(qū)域內(nèi)灌木和綠地的穩(wěn)定滲透速率進(jìn)行分類(lèi)。如表2所示，北京市城市綠地土壤滲透速率的變異非常大，除了極快分類(lèi)級(jí)別外，實(shí)測(cè)樣本在每個(gè)級(jí)別都占有一定比例。研究區(qū)內(nèi)土壤穩(wěn)定滲透速率屬于較慢及以下的比例達(dá)81.25%，可見(jiàn)北京市大部分綠地土壤的滲透速率都偏低。此外，屬于快和較快級(jí)別的占6.25%，中等的占12.5%。而魏俊嶺等在研究合肥城市土壤水分入滲時(shí)發(fā)現(xiàn)，合肥城市綠地土壤穩(wěn)定入滲速率從較慢到快每個(gè)級(jí)別均占有一定比例，較慢等級(jí)占42.1%，屬于較快和快級(jí)別的占21.1%，這一比例均高于本研究的結(jié)果[20]。

2.2 城市綠地土壤質(zhì)地

土壤質(zhì)地反映了土壤不同粒級(jí)的顆粒組成及配合比例，是土壤的重要屬性，是土壤水分入滲性能的重要影響因素[21]。北京市不同類(lèi)型綠地表層土壤主要是黏質(zhì)土壤，黏粒平均含量范圍14.5%～25.4%，其中道路交通區(qū)(23.2%)和商業(yè)區(qū)(25.4%)綠地表層土壤平均黏粒含量高于公園綠地(14.5%)和文教區(qū)綠地(17.2%)(表3)。同上海市與合肥市綠地土壤中黏粒含量相比，北京市綠地土壤的平均黏粒含量要低。土壤顆粒組成中粉粒和黏粒含量的相對(duì)比值可用來(lái)表示土壤質(zhì)地的情況，粉黏比越大，表明土壤粉粒含量越多，黏粒含量越少[3，22]。北京市不同類(lèi)型綠地土壤粉粒和黏粒含量的相對(duì)比值均大于1.0，其范圍在1.59～2.42之間。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本情況

表2 北京市綠地土壤穩(wěn)定入滲速率頻率分布

2.3 城市綠地土壤容重與孔隙度

土壤容重和孔隙度等指標(biāo)可以反映土壤的緊實(shí)程度和土壤通氣透水等性能，可以間接反映土壤滲透性[23]。土壤容重與土壤質(zhì)地、壓實(shí)狀況和土壤顆粒密度等因素有關(guān)，土壤容重越大大，滲透性就越差[24]。正常土壤的容重約為1.3g/cm3，但是大部分城市的土壤容重都高于此值[25]。本次調(diào)查中北京市綠地表層土壤的容重在0.92～1.67g/cm3之間，各功能區(qū)綠地土壤容重大多超過(guò)1.3g/cm3，均值表現(xiàn)為道路交通區(qū)綠地(1.48g/cm3)〉公園綠地(1.46g/cm3)〉文教區(qū)綠地(1.43g/cm3)〉商業(yè)區(qū)綠地(1.39g/cm3)〉居住區(qū)綠地(1.19g/cm3)的規(guī)律(表4)。研究表明合肥市區(qū)綠地表層土壤容重在1.22～1.68g/cm3之間，其中79%以上綠地土壤的容重均在1.3g/cm3以上，平均值為1.41g/cm3[22]。而上海市不同功能區(qū)綠地土壤容重大多超過(guò)1.30g/cm3，其中道路交通區(qū)的土壤容重最高，平均土壤容重達(dá)1.46g/cm3[3]。這與本研究結(jié)果相似，表明土壤壓實(shí)是城市綠地土壤普遍存在的重要特征，這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，因此孔隙度可以作為反映土壤疏松程度的重要指標(biāo)[19]。尤其是非毛管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，能較好地反映土壤的入滲性能，研究發(fā)現(xiàn)土壤滲透性隨著土壤非毛管孔隙度的增加而增加[26]。北京市不同類(lèi)型綠地土壤總孔隙度在27.84%～56.84%之間，其中非毛管孔隙度范圍在0.85%～11.49%，均值在3.71%～7.39%之間，表現(xiàn)為居民生活區(qū)綠地(7.39%)〉商業(yè)區(qū)綠地(5.25%)〉文教區(qū)綠地(4.67%)〉公園綠地(3.79%)〉道路交通區(qū)綠地(3.71%)(表4)。有研究表明，城市綠地土壤的通氣孔隙度大都低于10%，南京和上海不同功能區(qū)綠地土壤平均通氣孔隙度分別為2.20%和5.40%，均低于北京市綠地土壤的平均通氣孔隙度[17-18]。有學(xué)者認(rèn)為城市土壤的壓實(shí)嚴(yán)重影響了土壤的正?？紫斗峙?，造成非毛管孔隙向毛管孔隙轉(zhuǎn)變，進(jìn)而影響土壤的滲透性[20]。

表3 北京市不同類(lèi)型城市綠地土壤的顆粒組成(均值與范圍，%)

表4 北京市不同類(lèi)型城市綠地土壤物理性狀(均值與范圍)

表5 土壤各指標(biāo)與土壤穩(wěn)定滲透速率的相關(guān)性

土壤穩(wěn)定滲透速率與其他土壤指標(biāo)的相關(guān)性分析(表5)可以看出，土壤穩(wěn)定滲透速率與土壤的粉黏比呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重、毛管孔隙度和毛管孔隙度等指標(biāo)不相關(guān)。由此可見(jiàn)，城市綠地土壤黏粒越少，土壤穩(wěn)定滲透速率越快。

3 結(jié)論

1)北京市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)生了顯著變化，土壤容重增大、孔隙度和滲透性降低，壓實(shí)現(xiàn)象普遍。北京城市綠地土壤滲透速率隨土壤容重增加而降低，隨土壤孔隙度的增加而增大。

2)北京市不同類(lèi)型綠地土壤的穩(wěn)定滲透速率差異較大，以文教區(qū)和居民生活區(qū)為最好，其后依次為公園、商業(yè)區(qū)和道路交通區(qū)。北京城市綠地總體土壤穩(wěn)定入滲率相對(duì)較小，大多數(shù)屬于較慢及以下。

3)通過(guò)減少綠地土壤人為或機(jī)械壓實(shí)，改善土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)地，增加土壤通氣孔隙度，是提高城市綠地土壤入滲性能，增加土壤水分補(bǔ)給，減少降雨后地表徑流產(chǎn)流的重要措施。