城市土壤特征對降雨徑流控制的影響

陳 韜， 夏蒙蒙， 趙大維， 車愛偉

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實驗室，北京 100044；2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，蘭州 730000)

隨著人類經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，自然主導(dǎo)的土地覆被變化(森林、草地、濕地等)向人類主導(dǎo)的土地利用 (農(nóng)用地、城市建設(shè)用地等) 快速轉(zhuǎn)變，不僅帶來了地表結(jié)構(gòu)的巨大變化，而且極大地影響了區(qū)域的氣候、水文水資源、土壤以及生物多樣性和生物地球化學(xué)循環(huán)[1]。當(dāng)前在中國突出表現(xiàn)為城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)、水環(huán)境污染和水資源短缺等問題。

中國的海綿城市、美國的雨水低影響開發(fā)實踐(LID)、英國的可持續(xù)排水系統(tǒng)(SUDS)、澳大利亞的水敏感城市建設(shè)(WSUD)等雨洪管理實踐，已獲證實可有效緩解城市洪澇問題和改善徑流水質(zhì)狀況。生物滯留、透水鋪裝、綠色屋頂、滲溝、岸邊緩沖帶、人工濕地等是中國海綿城市建設(shè)LID系統(tǒng)常用的調(diào)蓄滲濾措施，可以通過土壤界面反應(yīng)、生物同化作用、微生物降解等物理和生化過程削減降雨徑流，去除污染物，從而有效控制雨水徑流污染。

土壤基質(zhì)是LID調(diào)蓄滲濾措施實現(xiàn)入滲、滯留、緩釋雨水徑流的水文調(diào)節(jié)和吸附、過濾、降解徑流污染物的重要場所。城市范圍土壤受到人為擾動而出現(xiàn)生態(tài)功能退化，LID工程能否使用開挖原土回填、如何改良城市土壤成為亟待解決的問題。因此，本文總結(jié)城市土壤的物理化學(xué)和水文生態(tài)特征，分析城市土壤對降雨徑流量和水質(zhì)的影響，探討LID工程土的要求和城市土壤改良措施，以期為改善LID措施控制降雨徑流效果提供理論依據(jù)和參考。

1 城市土壤主要特征

在中國快速城鎮(zhèn)化的發(fā)展階段，大量土壤運(yùn)移、既有植被清理和建筑施工等人類活動將自然土壤逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘型寥?，直接或間接地影響了土壤的物理化學(xué)、水文生態(tài)特征，如表1所示。挖掘、混合、人造材料的結(jié)合、覆蓋、施肥、灌溉等直接的人為擾動，或大氣沉積、熱島效應(yīng)等間接的環(huán)境條件變化，導(dǎo)致城市土壤結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高度空間異質(zhì)性，小范圍內(nèi)鑲嵌現(xiàn)象嚴(yán)重[2-4]，大范圍內(nèi)不同土地利用類型和城鄉(xiāng)間的土壤性質(zhì)也存在較大差異[5]。

表1 典型城市土壤特征

1.1 物理化學(xué)特征

城市區(qū)域內(nèi)大部分土壤由于壓實板結(jié)，相較自然土壤都存在容重增加、孔隙度降低的現(xiàn)象，尤其是在道路附近等易受壓實的區(qū)域[6]。在田間試驗中，壓實土壤容重增加8%，大孔隙的數(shù)量和相對面積分別減少69%和64%，在表層10 cm土樣中孔隙度變化最為明顯[7]。

城市土壤人為改造和人工材料的痕跡明顯，散落大量粒徑>2 mm的粗骨質(zhì)，如磚、混凝土、水泥、瓦礫、玻璃、煤、爐渣等建筑材料和生活垃圾[8]。有些粗骨質(zhì)對LID系統(tǒng)有益，例如土壤中的磚具有較高的內(nèi)部孔隙度和持水能力，植物根系可以進(jìn)入其孔隙空間生長[9]，進(jìn)而加強(qiáng)系統(tǒng)去除污染物的整體能力。

城市土壤pH較自然土壤偏高，多呈堿性。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，華北平原表層土壤為pH=7.85～8.31，平均值為8.2，北京市房山和大興區(qū)等高達(dá)8.57以上[10]。香港地區(qū)自然山地土壤呈酸性(pH=4～5)，而路邊土樣平均pH=8.7，超過一半的土樣為強(qiáng)堿性(pH=8.5～9.0)和極強(qiáng)堿性(pH=9.0～9.5)[11]。

養(yǎng)分富集是城市土壤的重要特征，最常見的是磷素富集。南京地區(qū)城市土壤總磷含量是當(dāng)?shù)刈匀煌寥赖?～10倍[12]。雖然硝酸鹽在土壤中的停留時間相對較短，然而持續(xù)施用或添加有機(jī)肥或廢棄物，使氮素也在城郊土壤中積累[13]。重金屬富集現(xiàn)象普遍，中國21個城市的2 362個土壤樣本中As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 中值均高于全球土壤和地殼的中值[14]。城市土壤因土地利用類型和區(qū)域變化也呈現(xiàn)富集不均的現(xiàn)象。城市道路附近和居民區(qū)土壤中養(yǎng)分和重金屬含量高于其他地區(qū)，城市核心區(qū)土壤中有機(jī)碳(SOC)、有效磷、有效鉀、TN、SOC∶TN比值、Pb、Cu含量遠(yuǎn)高于郊區(qū)[5, 15]。

1.2 水文生態(tài)特征

城市土壤壓實現(xiàn)象普遍，容重大時，植物根系生長受到阻礙，如表2所示[16]，減少了由根部產(chǎn)生入滲的通道，導(dǎo)水性能和持水性能減弱[17]。深圳市布吉河流域由于城市化發(fā)展2005年的土壤含水量比1980年平均減少28.1 mm(25.49%)[18]。土壤顆粒與水之間的分子力、物理化學(xué)作用力，以及地表附近的蒸發(fā)和蒸騰作用使土壤具有吸力[19]。土壤容重越大，黏粒含量越高，大孔隙越少，土壤萎蔫點(diǎn)含水量越高[20]。

表2 不同質(zhì)地土壤容重對根系生長的限制

土壤的生態(tài)功能包括作為動植物棲息地，微生物群落和功能基因庫載體，緩沖過濾凈化降雨徑流和水分養(yǎng)分循環(huán)[21]。雖然城市土壤受人類活動破壞，但外來物種的聚集使城市土壤仍具有較高的生物活性和物種豐富度[22-23]。土壤生物對不同的城市土壤理化性質(zhì)響應(yīng)各異。一方面壓實阻礙植物根系生長，另一方面粗骨質(zhì)和養(yǎng)分富集有利于植物生長，尤其在較貧瘠、非富營養(yǎng)化的城市土壤中，粗骨質(zhì)磚塊可以作為K、Mg、Ca和S的有效來源[24]。物理擾動、土壤水分、金屬污染等人類活動及其產(chǎn)生的土壤特征會抑制土壤無脊椎動物的數(shù)量和多樣性[25-27]，但不同種類的動物受影響程度各異，甚至個別出現(xiàn)積極影響[28-29]。

由于大多數(shù)微生物活性(69%～85%)集中在表土10 cm的礦物層中，而這部分土壤易受壓實和污染，從而破壞微生物群落的生存環(huán)境[30]。然而，與污染物去除相關(guān)的微生物菌群明顯增長[31]。土壤酶主要來源于土壤微生物活動、植物根系分泌物和動植物殘體腐解過程中釋放的酶，其活性可以反映土壤生化過程的相對強(qiáng)度，是土壤功能的一種體現(xiàn)[32]。pH變化影響細(xì)菌群落組成、相對豐度、多樣性以及酶功能[33-34]；土壤水分的減少，限制了土壤微生物的代謝產(chǎn)酶能力；城市土壤氮磷水平對土壤中酶活性也有很大影響[35]。在波蘭部分城市的研究表明，市中心花園的土壤酶活性比在郊區(qū)的花園土壤中的低幾倍[36]。

2 城市土壤對降雨徑流的影響

2.1 對降雨徑流量的影響

土壤對降雨徑流量的控制主要體現(xiàn)在滲、滯功能。一方面，壓實處理的土壤入滲率與自然土壤相比可降低70%～99%[37]。南京住宅區(qū)、公園區(qū)、道路綠地和校園土樣的入滲率從<1～679 mm/h不等，大部分為5～63 mm/h，其中17%的嚴(yán)重壓實土樣測位點(diǎn)<5 mm/h[38]。土壤吸力在降雨后迅速顯著下降[39]，但負(fù)壓孔隙水(雨前吸上的水)仍能存在于正壓孔隙水(雨后下滲的水)之間[19]，即雨水下滲通道變少。土壤持水性能的減弱，導(dǎo)致降雨時徑流峰值提前；而未降雨時，因土壤含水量不足，萎蔫點(diǎn)高，不利于植物生長發(fā)育。城市土壤特征所帶來的整體入滲率降低會增大下墊面徑流系數(shù)，從而導(dǎo)致同等降雨情況下地表徑流的增加，加上城市不透水表面的溢流，增加了發(fā)生洪水的可能性[40]。南京地區(qū)嚴(yán)重壓實土壤的地表產(chǎn)流頻率為8%，對于極度壓實的土壤，產(chǎn)流頻率約為40%[38]。另一方面，土壤中粗骨質(zhì)使徑流以優(yōu)勢流的方式下滲，又會增大入滲率。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中含有超過50%粗骨質(zhì)時，大顆粒之間產(chǎn)生的孔隙不能被土壤細(xì)粒完全填充，可顯著增加飽和導(dǎo)水率[41]。

2.2 對降雨徑流水質(zhì)的影響

城市降雨淋洗沖刷道路、屋面等裹挾了各類污染物，主要是TSS、COD、N、P、重金屬等。實驗表明，土壤可以不同程度地吸附、過濾和凈化降雨徑流中的污染物[42-43]。

2.2.1 土壤自身作用

2.2.2 土壤負(fù)載

2.2.3 提供生物棲息地

土壤除了自身作用，還是植物的生長基、微生物的載體、各類反應(yīng)的場所。由于土壤團(tuán)粒、孔隙等結(jié)構(gòu)的存在，形成非均質(zhì)的載體，有利于不同類型微生物的生存，甚至是具有完全相反特性的微生物，比如可以同時進(jìn)行硝化、反硝化反應(yīng)等[53]。在去除雨水徑流COD、N、P等過程中伴隨各種生物化學(xué)反應(yīng)，植物可以通過根系吸收土壤中的水分、污染物以及反應(yīng)產(chǎn)物，不同類型的微生物和功能酶則參與到氨化、硝化、反硝化、富集磷等過程中[54]。城市土壤的物理化學(xué)特征為生物提供的棲息地性質(zhì)各異，直接影響植物發(fā)育、動物微生物豐度以及土壤酶活性，間接影響污染物去除效果。

3 LID措施的工程土要求

海綿城市建設(shè)中以土壤為基底的LID措施有入滲設(shè)施、滯蓄設(shè)施、凈化設(shè)施，如生物滯留池、雨水濕地、綠色屋頂、生態(tài)草溝、人工濕地等。不同的LID措施對土壤要求各異，入滲設(shè)施以土壤的導(dǎo)水性為主要指標(biāo)，凈化設(shè)施要考慮土壤與植物結(jié)合的凈化能力，滯蓄設(shè)施需要利用地形結(jié)構(gòu)、在入滲與持水之間找到最優(yōu)的土壤配比，達(dá)到雨水處理效益最大化。

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》中指出，結(jié)合氣候、土壤及土地利用等條件，確定降雨徑流控制目標(biāo)、合理選擇適用設(shè)施，土壤不滿足LID設(shè)施要求時，可以進(jìn)行改良、換土等，但未提出土壤滲透系數(shù)、容積密度、配比等具體指標(biāo)要求，僅提出生物滯留設(shè)施的換土層介質(zhì)類型及深度應(yīng)符合植物種植及園林綠化養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)要求?！毒G化種植土壤》(CJ/T 340—2016)規(guī)定，粒徑≥2 mm 的石礫不得超過20%，壓實土壤密度<1.35 mg/m3，非毛管孔隙度5%～25%，一般綠化種植表層土壤入滲率≥5 mm/h，用于雨水調(diào)蓄或凈化的綠地土壤入滲率應(yīng)介于10～360 mm/h。美國的《城市雨水控制設(shè)計手冊》及各州編制的LID實踐指南普遍對土壤指標(biāo)和工程土推薦配比做出明確的要求。

土壤滲透系數(shù)過高，保水能力差，對綠植的養(yǎng)護(hù)成本和頻次將提高，滲透系數(shù)太小，長時間積水滋生蠅蟲，雨水徑流削減效果差。實際工程研究認(rèn)為，入滲系數(shù)>1.0 m/d的砂土、壤土適用于LID入滲設(shè)施，而入滲系數(shù)<0.1 m/d的黏土不宜建設(shè)入滲設(shè)施[55]；LID綠化帶土壤飽和滲透系數(shù)宜為0.3～0.85 m/d[56]；通常居住小區(qū)、工業(yè)區(qū)和城中村等土壤滲透能力較強(qiáng)，農(nóng)林用地稍差一些，公共設(shè)施用地最弱[57]。早期生物滯留池在設(shè)計時通常選用高滲透率的自然土壤[58]。單一的砂土滲透能力強(qiáng)，但是吸附和微生物降解能力差；單一的黏土可以吸附和有效降解污染物，但是難以下滲，因此LID往往需要摻配工程土。在生物滯留系統(tǒng)中，溶解磷主要通過傳輸過程中吸附沉淀到土壤介質(zhì)上去除[59]。在人工濕地中, 磷通過吸附、沉淀和固定等形式存在于土壤顆粒中[60]。

4 結(jié)論

綜上所述，城市土壤特征從不同程度上影響其對降雨徑流的傳輸和處理，降雨徑流量控制與土壤質(zhì)地、容重、孔隙度相關(guān)，質(zhì)地粗、容重小、孔隙度大、植物生根容易，則入滲率大，水量控制效果好。徑流水質(zhì)控制更為復(fù)雜，細(xì)質(zhì)地占比多、適宜動植物微生物生存的pH、養(yǎng)分重金屬少富集的土壤水質(zhì)控制效果更好，但具體指標(biāo)范圍有待進(jìn)一步研究，對待時空差異的環(huán)境狀況更需要因地制宜。

因此，在建設(shè)LID設(shè)施前，須明確設(shè)施功能需求，對場地土壤進(jìn)行詳細(xì)分析，以判斷能否直接使用。若以下滲為主要作用，土壤需要具有很好的導(dǎo)水性能，同時充分發(fā)揮根系滲水通道作用，土壤的飽和導(dǎo)水率是重要參數(shù)；若以去除污染負(fù)荷為主要作用，土壤就要具有一定持水性能，土壤質(zhì)地、容重是重要參數(shù)，pH及本底養(yǎng)分、重金屬含量也是影響因素。如果土壤不能直接使用，則應(yīng)以此為基礎(chǔ)設(shè)計改良土壤配方，確保能發(fā)揮好土壤的自身及生物棲息地作用。具體的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)在海綿城市建設(shè)技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)手冊中明確。

另外，施工過程和后期維護(hù)也不容忽視。施工過程中，應(yīng)避免場地土壤的機(jī)械人為壓實。設(shè)施竣工后的土壤熟化、植物生長、微生物繁殖需要一定時間，后期積極的維護(hù)管理可以提高動植物物種的豐富度[61]。在人流量較大區(qū)域，樹立相應(yīng)的標(biāo)語牌避免人為壓實土壤。定期清理設(shè)施區(qū)域的垃圾，防止阻塞土壤表層。在污染嚴(yán)重區(qū)域，定期檢測土壤污染物濃度，若超過土壤負(fù)載需更換土壤。

目前研究較多的是LID設(shè)施中土壤填料優(yōu)化改良等，對城市原始狀態(tài)的土壤研究以及土壤-植物-微生物系統(tǒng)研究較少，不同理化性質(zhì)的土壤中動植物、微生物群落、酶基因的狀態(tài)，這些因素直接或間接影響降雨徑流入滲和污染物去除的程度、相關(guān)性如何等，仍需要深入研究。