深圳城市綠地土壤水庫特征及影響因素

黃 暉, 畢舒貽, 字肖萌, 廖耿強(qiáng), 溫暖玲, 葉子駒, 茹正忠

(1.深圳市真和麗生態(tài)環(huán)境股份有限公司, 廣東 深圳518052;2.深圳市真和麗生態(tài)環(huán)境科技研發(fā)中心, 廣東 深圳 518052; 3.中國科學(xué)院 西雙版納熱帶植物園公共技術(shù)服務(wù)中心 生物地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650023; 4.龍崗區(qū)城市管理行政執(zhí)法局, 廣東 深圳 518116)

城市化是人類社會(huì)發(fā)生的最為顯著的變化之一，也是人類發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。城市化往往伴隨著相當(dāng)部分的下墊面被開發(fā)為不透水下墊面，使得城市水文循環(huán)發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)不斷增加[2]。城市內(nèi)澇現(xiàn)象是我國最常見的自然災(zāi)害類型之一，隨著極端暴雨天氣頻現(xiàn)，逢暴雨必澇已成為我國城市的真實(shí)寫照[3]。

以末端排放為核心的傳統(tǒng)地下雨水管網(wǎng)系統(tǒng)并不足以有效應(yīng)對(duì)日益增大的泄洪壓力；另一方面，面對(duì)國內(nèi)人均水資源的極度缺乏，排泄的雨水無疑是資源的嚴(yán)重流失[4]。通過低影響開發(fā)(LID,Low impact development)等綜合工程措施將發(fā)揮城市作為“海綿體”對(duì)雨水吸納、蓄存與再利用功能，將城市排水從“快”排轉(zhuǎn)到“滲、滯、蓄、凈、用、排”，最大限度地實(shí)現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、滲透和凈化，由此減少洪澇災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)水資源平衡，是真正解決城市內(nèi)澇問題的有效途徑[5]。

土壤作為“城市海綿體”至關(guān)重要的元素之一，可通過土壤水分入滲存蓄天然降水，發(fā)揮出明顯的存蓄、調(diào)節(jié)水分的功能，也被稱之為“土壤水庫”[6]。土壤蓄水能力相當(dāng)于土壤水庫的“庫容”，一般用總庫容、有效庫容、死庫容和滯洪庫容來評(píng)價(jià)土壤水庫特征[7]。開展城市綠地土壤水庫特征研究，是海綿城市建設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是低影響開發(fā)技術(shù)的重要構(gòu)件，對(duì)增加城市雨水存蓄、減少暴雨雨洪徑流有著重要意義。

土壤水庫特征研究已有先例報(bào)道，但多集中于自然林地或農(nóng)田[8-11]，城市綠地土壤水庫僅有有限幾例報(bào)道[6,12]。深圳作為全國主要大型城市，綠地面積率高達(dá)45%，然而對(duì)于深圳綠地土壤水庫特征基本情況及其影響因素研究還有待開展，這限制了發(fā)揮綠地土壤的雨洪利用和調(diào)蓄功能。鑒于此，本研究選取深圳市具有代表性的城市綠地，在不同土層深度開展綠地土壤水庫特征調(diào)查，同時(shí)探究深圳綠地土壤水庫特征與土壤物理性質(zhì)之間的關(guān)系，以期為城市綠地土壤管理改良、海綿城市建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

深圳位于廣東省中南沿海地區(qū)，東經(jīng)113°46′—114°37′，北緯22°24′—22°52′，屬亞熱帶海洋性氣候，年平均氣溫22.4 ℃，年降雨量1 933.3 mm。本研究將深圳市8個(gè)綠地納入研究范圍，公園綠地：中山公園、大沙河公園、紅樹林生態(tài)公園、蓮花山公園、深圳灣公園；生活綠地：野生動(dòng)物救護(hù)基地、鹽田污水處理廠綠化區(qū)；交通綠地：龍翔大道綠化區(qū)。經(jīng)過實(shí)地調(diào)查，深圳市綠地常見植物喬木有：香樟(Cinnamomumcamphora)、火焰木(Spathodeacampanulata)、垂葉榕(Ficusbenjamina)、小葉欖仁(Terminaliacatappa)，黃槐(Cassiasurattensis)等；灌木有：龍船花(Ixorachinensis)、紅背桂(Excoecariacochinchinensis)、紅花檵木(Loropetalumchinense)，三角梅(Bougainvilleaglabra)等；草地有：狗牙根(Cynodondactylon)、高羊茅(Festucaelata)，細(xì)葉結(jié)縷草(Zoysiatenuifolia)等。

1.2 試驗(yàn)方法與分析儀器

本研究根據(jù)采樣地實(shí)際情況設(shè)計(jì)選擇采樣點(diǎn)，采集0—30 cm上層土壤及30—60 cm下層土壤，每個(gè)樣點(diǎn)三次重復(fù)，其中公園綠地、小區(qū)綠地、交通綠地分別采樣92個(gè)、40個(gè)、22個(gè)共154個(gè)鮮土樣品及對(duì)應(yīng)的原狀環(huán)刀樣品。分析測(cè)試主要儀器包括：上海產(chǎn)DHA-0140A烘箱(溫度為±1℃)；樂琪LQ-C5001天平(精度為0.01 g)，取樣環(huán)刀規(guī)格為100 cm3(天平，環(huán)刀皆由北京樂琪科學(xué)器材有限公司提供)。

2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

2.1 土壤水庫庫容計(jì)算

計(jì)算土壤水庫庫容是根據(jù)土壤容重、質(zhì)量含水量以及土層深度來計(jì)算：

W=0.1×ρ×θ×h

式中：W為土壤各類型水庫庫容(mm)；ρ為土壤容重(g/cm3)；θ為土壤各水分常數(shù)(%)；θ為飽和含水量時(shí)對(duì)應(yīng)的W為土壤總庫容；θ為凋萎含水量時(shí)對(duì)應(yīng)的W為死庫容；θ為飽和含水量與田間持水量之差時(shí)對(duì)應(yīng)的W為滯洪庫容；θ為田間持水量與凋萎含水量之差時(shí)對(duì)應(yīng)的W為有效庫容；h為土層厚度(cm)。

2.2 土壤物理性質(zhì)測(cè)定

用環(huán)刀采樣器在每個(gè)測(cè)定點(diǎn)分層取環(huán)刀土樣(環(huán)刀體積為100 cm3)，用于測(cè)定土壤飽和含水量及田間持水量，土壤凋萎含水量參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(見《森林土壤分析方法》)[13]；此外，每層分別取適量土樣，一部分用電子天平于現(xiàn)場快速測(cè)定土壤濕重，隨即裝入鋁盒帶回實(shí)驗(yàn)室，置于120℃烘箱烘干后測(cè)定土壤質(zhì)量含水量；將另一部分土樣自然風(fēng)干、過篩，測(cè)定土壤機(jī)械組成。土壤總孔隙度、毛管孔隙度、通氣孔隙度、容重、機(jī)械組成的測(cè)定參照國標(biāo)[14]。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，采用單因素多變量方差分析(One Way Anova)和LSD最小二乘法進(jìn)行方差分析和多重比較，用Pearson法對(duì)土壤基本理化性質(zhì)和土壤水庫特征進(jìn)行相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 深圳綠地土壤水庫特征總體概況

3.1.1 土壤總庫容 土壤總庫容是指土壤完全飽和時(shí)所能蓄存的水量，直接反映土壤的最大蓄水能力[15]。由表1可以看出，深圳綠地土壤水庫總庫容最大值為170.56 mm，最小值為84.52 mm，均值為(117.18±17.30)mm，上下土層土壤水庫總庫容均值分別為(117.58±17.55)mm和(112.23±17.15)mm?？傮w而言深圳綠地土壤水庫總庫容量變化不大，上下層之間總庫容量也較為接近。與天然林地高達(dá)393.4 mm土壤水庫相比[16]，深圳城市綠地土壤水庫總庫容量偏低，僅為天然林地的29.78%，這直接影響綠地土壤蓄洪排澇能力，嚴(yán)重制約了綠地土壤消減城市瞬時(shí)洪澇生態(tài)功能的發(fā)揮。

3.1.2 土壤有效庫容 有效庫容是指土壤水資源存貯、調(diào)蓄的空間，反映的是土壤水庫庫容有效性。由表1可以看出，深圳市城市綠地土壤有效庫容普遍較大，為(80.08 ±16.11)mm，占比約為總庫容的68%。有效庫容較高，說明深圳城市綠地土壤可蓄存的水量空間較大，然而由于深圳城市綠地土壤普遍壓實(shí)嚴(yán)重，水分入滲進(jìn)入土壤水庫通道受阻，表現(xiàn)為入滲率極差，導(dǎo)致土壤有效庫容不能有效發(fā)揮雨水資源存貯、調(diào)蓄作用，這可能是加劇近年深圳城市內(nèi)澇現(xiàn)象的原因之一。城市綠地土壤滲透性能喪失，阻斷了雨水進(jìn)入地下，使得地下水得不到補(bǔ)給，造成地下水位下降和地下漏斗形成[17-18]。

3.1.3 土壤滯洪庫容 滯洪庫容是土壤中不能貯水的孔隙部分，水量只能短時(shí)間地蓄存于土壤中，最終經(jīng)入滲補(bǔ)給地下水或蒸發(fā)消耗掉，在減少地表瞬時(shí)徑流量、補(bǔ)給地下水起著重要作用[19]。由表2可以看出，深圳綠地土壤滯洪庫容最大為50.23 mm，最低僅為2.55 mm，平均值為(16.83±9.28)mm，僅占總庫容的14.36%。土壤滯洪庫容較低，不利于綠地土壤減少瞬時(shí)徑流，增加了地表瞬時(shí)洪澇。這種滯洪能力的損失無疑會(huì)對(duì)區(qū)域的徑流形成產(chǎn)生顯著的影響，極大地增加區(qū)域洪澇災(zāi)害的危險(xiǎn)[19]。深圳城市不同類型綠地的土壤滯洪庫容變異系數(shù)較高，為55.14%，這與前人研究較為一致[12]。

3.1.4 土壤死庫容 死庫容對(duì)應(yīng)土壤凋萎含水量，死庫容越大，土壤水庫可發(fā)揮的水分蓄存、雨洪調(diào)蓄能力越低。由表1可以看出，深圳城市綠地土壤死庫容最大為37.64 mm，最小為9.99 mm，均值為(20.27±5.04)mm，約占總庫容的17.30%。由此可見，深圳城市綠地土壤死庫容較小，擁有較大的吸納、蓄存水分的潛力空間，且土壤中可被植被利用的水分含量高，這對(duì)植物耐干旱、減少人為頻繁灌溉有重要現(xiàn)實(shí)意義。黃榮珍等[11]研究發(fā)現(xiàn)恢復(fù)森林的死庫容大概占總庫容的比例范圍為13%～27%，本研究死庫容約占總庫容的17.30%，這可能是因?yàn)樯钲诔鞘芯G地土壤有著較高的活性有機(jī)碳密度[20]，這有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

表1 深圳城市綠地土壤水庫庫容統(tǒng)計(jì)

3.2 深圳不同類型綠地土壤水庫特征

3.2.1 不同類型綠地土壤水庫總庫容 如圖1所示，交通綠地土壤水庫總庫容最高，為(130.30±19.69)mm，且與公園綠地(113.82±116.30)mm和小區(qū)綠地(119.01±16.30)mm差異顯著(p<0.05)，雖然小區(qū)綠地要高于公園綠地，但是二者之間差異不顯著。通常認(rèn)為交通綠地受人為干擾較大，其土壤水分涵養(yǎng)功能不如小區(qū)及公園綠地[21]，這與本研究結(jié)果不符。這可能是因?yàn)樾^(qū)綠地和公園綠地人為踩壓最為嚴(yán)重，非毛管孔隙少，因而穩(wěn)滲率更低，穩(wěn)滲率低直接影響綠地對(duì)強(qiáng)降水下水分的下滲和對(duì)外部徑流的吸收功能[22]。

3.2.1 不同類型綠地土壤水庫有效庫容 各綠地類型土壤有效庫容普遍較高，最高為交通綠地(83.12±20.31)mm，其次為小區(qū)綠地(82.53±16.21)mm，最低為公園綠地(78.41±15.10)mm，占總庫容比達(dá)69.02%以上。雖然公園、小區(qū)、交通綠地之間有效庫容各有大小，但是三者之間并無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(p>0.05)。馬建剛等對(duì)昆明市建成區(qū)不同類型城市綠地研究亦發(fā)現(xiàn)昆明公園綠地、交通綠地、小區(qū)綠地的有效貯水量并不存在顯著性差異[22]，未來需要更多研究進(jìn)一步驗(yàn)證其內(nèi)在機(jī)制機(jī)理。

3.2.1 不同類型綠地土壤水庫滯洪庫容 如圖1所示，不同類型綠地的滯洪庫容普遍偏低，最高的交通綠地為(20.68±8.12)mm，僅占總庫容的20.34%。交通綠地要顯著高于公園綠地(15.34±4.46)mm(p<0.05)，然而小區(qū)綠地(18.51±9.64)mm與二者之間并不存在顯著性差異。交通綠地滯洪庫容最大，可能的原因是交通綠地中擁有較多數(shù)量的礫石，礫石帶來較多非毛管大孔隙所致。亦有研究顯示相比較與公園綠地，停車場區(qū)綠地表層有更厚枯枝落物和更強(qiáng)的對(duì)雨水徑流的有效攔蓄能力，而土壤微生物的豐富度和多樣性也有可能影響這一過程[23]。

3.2.1 不同類型綠地土壤水庫死庫容 如圖1所示，不同類型綠地的死庫容也普遍較低，最高的為交通綠地(26.51±8.12)mm，且顯著高于小區(qū)綠地(20.05±90.08)mm及公園綠地(17.96±9.64)mm(p<0.05)。而公園綠地又顯著高于小區(qū)綠地(p<0.05)。不同類型綠地之間死庫容均有顯著性差異，說明不同類型綠地的不同利用方式可影響綠地土壤的死庫容，這其影響大小分別為交通>公園>小區(qū)，這與前人研究結(jié)果較為一致[24-25]。

圖1 深圳市不同利用類型綠地土壤水庫庫容

3.3 深圳不同類型綠地土壤基本理化性質(zhì)

深圳城市綠地土壤基本理化性質(zhì)見表2。從表2可以看出，深圳城市綠地土壤容重普遍偏大，小區(qū)綠地最高，為1.66 mg/m3，公園綠地與交通綠地同為1.60 mg/m3，小區(qū)綠地與公園綠地、交通綠地間差異不顯著；上下層之間最高為交通綠地上層，高達(dá)1.74 mg/m3，最低的公園綠地下層也有1.58 mg/m3，皆明顯高于較理想化的1.35 mg/m3綠化土壤平均容重16，這表明深圳綠地土壤出現(xiàn)了明顯壓實(shí)現(xiàn)象。含水率中，各個(gè)類型綠地之間相差不大，分布于14%～16%。上下層中，除交通綠地外，公園綠地和小區(qū)綠地上層含水率皆低于下層含水率，這是因?yàn)樯顚油寥乐荒芙邮丈倭康挠缮蠈酉聺B的部分雨水，土壤水分相對(duì)較少，這與尹光彩等[26]研究結(jié)果相似。由于深圳綠地土壤受壓實(shí)作用比較大，較為緊實(shí)，透氣性能較差，非毛管孔隙度普遍比較低，均值最高的交通綠地僅為6.24%，勉強(qiáng)達(dá)到《綠化種植土壤》要求的5%～25%的標(biāo)準(zhǔn)[27]。而公園綠地的非毛管孔隙度僅有3.34%，顯著低于小區(qū)綠地(5.80%)及交通綠地。就毛管孔隙度而言，最高為交通綠地35.30%，其次是公園綠地33.51%，小區(qū)綠地最低32.13%，然而三者之間并無顯著性差異。因此也不難理解交通綠地孔隙度(41.53%)要顯著高于公園綠地(36.84%)及小區(qū)綠地(37.91%)，這部分差異主要是由非毛管孔隙度所帶來。而交通綠地的礫石含量(42.71%)顯著高于公園綠地(37.20%)和小區(qū)綠地(35.46%)(p<0.05)，研究表明,礫石含量對(duì)土壤非毛管孔隙度具有增大效應(yīng)[28]，這可能是交通綠地有著更高的非毛管孔隙度原因。土壤機(jī)械組成是土壤中礦物顆粒的大小及其組成比例，與土壤中的水分、空氣和溫度等狀況密切相關(guān)。深圳不同類型綠地土壤砂粒(2～0.02 mm)含量均高于60%。

表2 深圳不同類型綠地土壤基本理化性質(zhì)

3.4 深圳城市綠地土壤水庫特征影響因子

土壤各基本理化性質(zhì)也顯著影響深圳綠地土壤水庫特征。由表3可以看出，土壤總庫容與孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平(p<0.01)，而與土壤容重顯著負(fù)相關(guān)，這是由于孔隙度高的土壤結(jié)構(gòu)疏松多孔，可發(fā)揮出良好的水分蓄、運(yùn)、保、調(diào)功能。多項(xiàng)研究也表明壓實(shí)程度較高的土壤孔隙度較低[29-30]，這與本研究的結(jié)果相符。土壤死庫容與砂粒含量顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，與黏粒、粉粒含量正相關(guān)，而深圳城市綠地土壤含砂量普遍較高，含砂量均>60%(表2)，這可能是深圳城市綠地土壤水庫死庫容較低的內(nèi)因之一。土壤死庫容與土壤容重呈顯著正相關(guān)，這與前人研究結(jié)果較為一致：土壤容重越高，壓實(shí)越嚴(yán)重，而壓實(shí)增加了土壤凋萎含水量，從而增加土壤死庫容[6]。土壤有效庫容與孔隙度、毛管孔隙度的正相關(guān)關(guān)系為極顯著(p<0.01)，與土壤容重顯著負(fù)相關(guān)，土壤滯洪庫容與孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度顯著正相關(guān)，與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 深圳城市綠地土壤水庫與土壤理化指標(biāo)相關(guān)性

4 結(jié) 論

(1) 深圳綠地土壤水庫總庫容偏低，僅為110 mm左右。土壤有效庫容普遍較大，為80.08 mm左右，占比約為總庫容的68%，這說明深圳綠地土壤有著較高的剩余蓄水空間；土壤滯洪庫容相對(duì)較小，占總庫容的14.36%，這將導(dǎo)致綠地土壤消減瞬時(shí)洪澇能力較弱，不利于土壤發(fā)揮蓄洪排澇功能。

(2) 交通綠地土壤水庫總庫容顯著高于小區(qū)綠地及公園綠地，而其有效庫容與小區(qū)綠地及公園綠地相比并無顯著性差異。不同類型綠地的不同利用方式可影響綠地土壤的死庫容，這其影響大小分別為交通>公園>小區(qū)。

(3) 土壤理化性質(zhì)及相關(guān)性分析結(jié)果表明，深圳城市綠地土壤壓實(shí)現(xiàn)象較嚴(yán)重，表現(xiàn)為容重普遍偏大，非毛管孔隙度比較低。不同類型綠地土壤砂粒(2～0.02 mm)含量均高于60%，交通綠地礫石含量對(duì)非毛管孔隙度具有明顯增大效應(yīng)。土壤死庫容與砂粒含量顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，與土壤容重呈顯著正相關(guān)，土壤有效庫容與孔隙度、毛管孔隙度的正相關(guān)關(guān)系為極顯著(p<0.01)。