昆明市主要城市公園綠地土壤入滲性能及差異性分析

王劉雅 馬建剛

（西南林業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境學院，云南 昆明 650233）

海綿城市建設是我國城市水文環(huán)境改善的重要內(nèi)容，其不僅要有好的工程設施，更要充分發(fā)揮現(xiàn)有城市海綿體“城市綠地”的作用[1]。城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)中僅存的保留有水氣循環(huán)功能的組成部分，對改善城市生態(tài)環(huán)境，減少地表徑流流量、污染，增強土壤滲透性，減輕土壤的侵蝕，回補地下水具有重要作用[2-3]。

土壤入滲性能是土壤基礎屬性之一，在降水、地表水、土壤水以及地下水的轉(zhuǎn)化過程中擔當重要角色。開展城市綠地土壤入滲性能研究，是海綿城市建設的一個重要環(huán)節(jié)，對增加城市雨水地表入滲，減輕城市內(nèi)澇有著重要意義[4]。由于城市綠地土壤受到眾多人為因素的影響，物理特性在不同的區(qū)域、不同植被以及不同管理應用條件下表現(xiàn)出較大的變異性[5-6]，尤其是城市土壤壓實現(xiàn)象比較突出，引起的土壤剖面上的容重、孔隙等物理性狀變差[7-10]，進一步引起水分入滲及水分再分布方面的惡化，限制了城市綠地土壤調(diào)洪蓄水、供給植物水分的作用[10-12]。

隨著城市綠地面積逐年增長，越來越多的學者開始關注綠地土壤的入滲性能。以往的城市綠地土壤水分入滲研究中，以剖面整體入滲為主要研究內(nèi)容[13-14]，對掌握城市綠地土壤的宏觀上的海綿體作用具有積極意義。已有的少量研究表明，城市綠地不同深度土壤的滲透性差異很大，隨著土壤深度的增加，水分滲透能力迅速下降[15]。但土壤剖面不同層次水分導滲是否有差異，是否有水分調(diào)蓄的土壤障礙層、突變層，目前尚沒有充分開展研究。鑒于此，本研究針對昆明市主要公園綠地土壤不同深度上的水分滲透過程開展了研究分析，以期揭示綠地土壤水分入滲隨著深度變化的規(guī)律，探究公園綠地是否存在中間障礙層，為公園綠地管理和城市雨洪計算提供參考。

1 研究區(qū)概況

昆明市位于中國西南云貴高原中部（102°10′～103°40′E，24°23′～26°22′N），昆明市平均海拔約1 894 m。屬北亞熱帶低緯高原山地季風氣候，市轄區(qū)多年均降雨量1 035 mm，全年降水量在時間分布上，明顯地分為干、濕兩季，5—10月為雨季，降水量占全年的85%左右，11月至次年4月為干季，降水量僅占全年的15%左右。截至2017年底，全市主城建成區(qū)綠地面積達16 081.57 hm2，公園綠地面積3 885.57 hm2，主城建成區(qū)人均公園綠地面積接近11 m2，部分新建公園及其綠地正在規(guī)劃和建設中。植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，植物種類豐茂。土壤包含十多個土類，以酸性紅壤為主要土壤類型。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

選擇昆明市的4個市屬公園：曇華寺公園（昆明市東部、面積約8 hm2，綠化率約28.7%）、大觀公園（昆明市西南，面積約28.6 hm2，綠化率約32%）、黑龍?zhí)豆珗@（昆明市北郊，游覽區(qū)面積約50 hm2，綠化率約70%）和郊野公園（昆明市西郊，面積約162 hm2，綠化率約85%）。大觀公園緊鄰滇池，曇華寺公園位于金汁河畔，屬于濱水型公園，地形都比較平坦；而黑龍?zhí)豆珗@和郊野公園是面積較大、距市區(qū)較遠且山體坡度大的山地型公園。4個公園建成時間均超過20年，歷史悠久，海拔在1 886～1 924 m。公園內(nèi)植物種類豐富，土壤類型主要為紅壤。按照“植物種數(shù)量及分布較多、立地條件相似、同一生活型物種生態(tài)學特征相似”的原則選擇樣地，在每一公園內(nèi)選擇喬灌草（G1）、灌草（G2）、喬草（G3）3種植物搭配類型綠地，其中主要喬木為滇潤楠（Machilus yunnanensis）、香樟（Cinnamomum camphora），主要灌木為雀舌黃楊（Buxus bodinieri）、紅花檵木（Loropetalum chinensevar.rubrumm），草本主要為馬尼拉草（Zoysia matrella），局部混有早熟禾（Poa annua）。試驗點土壤以輕粘土為主，局部為中粘土，植被蓋度均超過80%，選擇樣點坡度介于0°～3°，共12個試驗樣地。

2.2 入滲試驗設計

入滲試驗采用Guelph入滲儀（型號：2800k1；Soilmoisture Equipment Corp，美國）進行，Guelph入滲儀基于馬里奧特瓶原理及三維流原理，由供水部件和入滲部件組成（圖1），水從入滲儀緩慢流入土壤中，土壤在某一時刻形成飽和狀態(tài)，從入滲儀中流出的水也將達到一個恒定值（可測量出）。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，以及鉆孔直徑和鉆孔內(nèi)水位，便可計算出任一時刻的入滲速率和飽和狀態(tài)下土壤的導水率。

圖 1 Guelph入滲儀示意圖Fig. 1 Schematic diagram of Guelph infiltration meter

此次試驗于2017年10月選擇連續(xù)48 h內(nèi)無降水、無澆水的情況下進行現(xiàn)場測試。試驗過程如下：1）選擇合適的位置打孔，入滲孔深度分別為10、20、40、60 cm，每個土孔間距不小于2.0 m；2）安裝Guelph入滲儀，保證各接觸口連接到位，同時使度量管的刻度在水位指示器底部顯示為5 cm；3）將水注入蓄水管中，并堵住排氣口；4）將管子放入土壤孔內(nèi)，設置5 cm水頭，每分鐘記錄1次蓄水管中水位變化的讀數(shù)，直到取得入滲量讀數(shù)穩(wěn)定的5個值時結束。每個土孔測定1次入滲過程。

2.3 土壤物理指標測定

在12個入滲試驗樣地上，采用環(huán)刀法分別測定0～10、10～20、20～40、40～60 cm的土壤容重、總孔隙度和含水量（按照土壤剖面層次，由上至下用環(huán)刀在每層的中部采樣[16]）。

2.4 水分入滲參數(shù)計算

按照單水頭法[17]計算每個測定點的入滲速率，計算公式如下：

式中：10為單位換算系數(shù)；Ks為 入滲速率（mm/min）；C為形狀系數(shù)，無量綱；H為壓力水頭（5.0cm）；Qs為水流通量（cm3/s），通過設備直接計算；r為洞口半徑（3.0 cm）。

初始入滲速率（f0）取前2 min的平均入滲速率（mm/min）；穩(wěn)定入滲速率（fc）為采用試驗末入滲速率標準偏差小于0.5%的3～5個值的平均值（mm/min）；穩(wěn)滲時間（T）為達到第1個穩(wěn)滲值時的時長（min）；平均入滲速率（fa）為達穩(wěn)滲后第1個值截至時所有入滲速率的平均值（mm/min）；1 h累計入滲量（ft）為入滲過程1 h時長內(nèi)的累計入滲量（mm）。

2.5 土壤入滲模型選擇

為了選出適合試驗區(qū)進行土壤水分入滲過程預測的最佳模型，選擇Kostiskov模型、Horton模型、Philip模型和通用經(jīng)驗公式，對入滲試驗獲得的時間與累積入滲量數(shù)據(jù)按模型形式進行擬合，Kostiskov模型、Horton模型、Philip模型、通用經(jīng)驗公式結構分別見（3）～（6）。

式中：f為入滲速率，t為入滲時間；a為第1個單位時間末的入滲速率；b為經(jīng)驗指數(shù)，根據(jù)土壤性質(zhì)和初始含水率而定，變化于0.3～0.8之間；k為反映土壤特性的常數(shù)；e為自然常數(shù)。s為土壤特性常數(shù)，其大小與土壤初始含水率有關，可通過初期入滲總量決定。

3 結果與分析

3.1 土壤容重與孔隙

土壤容重與孔隙受人為踩踏影響最為明顯，也是影響水分入滲的主導因素[10,14]。本研究區(qū)隨著土層的深入，公園綠地土壤容重呈增加趨勢，孔隙度為減小趨勢（見表1）。土壤總孔隙中有6個最大值（占比50%）出現(xiàn)在10～20 cm的亞表層，最小值集中在土壤底層；容重最大值分別在10～20、20～40、40～60 cm各出現(xiàn)了4次，最小值全部是表層，說明由于根系的存在減小了部分綠地表層土壤容重，但是孔隙狀況并不是最優(yōu)。各類綠地中喬草綠地各層土壤容重均是最大的，均值達到為1.44 g/cm3，只有3個0～10 cm土壤容重值小于《綠化種植土壤》（CJ/T 340—2016）[18]標準的規(guī)定（<1.35 g/cm3）。其余綠地土壤容重小于1.35 g/cm3占93.7%，灌草綠地容重平均為1.23 g/cm3，喬灌草為1.22 g/cm3。喬草綠地的孔隙狀況也是最差的（喬灌草（49.97%）>灌草綠地（47.67%）>喬草綠地（47.00%）），說明喬草綠地可能是3類公園綠地中受人為干擾最嚴重的區(qū)域。方差分析表明，不同土層間的總孔隙度、容重、土壤含水量差異達均到顯著差異水平（P<0.05）。土壤水分含量表層和底部低，最大值集中出現(xiàn)在20～40 cm。

表 1 土壤容重、孔隙與土壤含水量Table 1 Soil bulk density, pores and soil moisture

3.2 水分入滲參數(shù)特征

入滲試驗結果見表2。由表2可知，不同入滲孔深度下，各參數(shù)最大值出現(xiàn)在10 cm和20 cm的平均占比為83.3%，最小值出現(xiàn)在40 cm和60 cm層次的占比為81.7%。12組穩(wěn)滲數(shù)據(jù)中，最大值出現(xiàn)在10、20 cm入滲孔上的個數(shù)分別是9個和3個，最小值在最后2層分別出現(xiàn)2個和8個；在前后兩兩對比中的36組穩(wěn)滲數(shù)據(jù)中，有8個穩(wěn)滲值比上層增加，其余均減小，減小組環(huán)比遞減率為21.8%，增加組環(huán)比遞增速率達到70.7%，主要是由于郊野公園喬草地20 cm入滲孔穩(wěn)滲速率是2.40 mm/min，是10 cm孔入滲速率的5.34倍，導致整體增加環(huán)比值較大。

表 2 入滲參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Statistics of infiltration parameters

不同公園、不同植被間同一層次土壤穩(wěn)滲速率變異系數(shù)大部分在50%左右，屬于中等變異；同一植被類型或總體均值不同層次間的變異系數(shù)為17%～25%，屬于中等變異。不同深度土壤入滲參數(shù)特征見圖2。由圖2可知，土壤入滲性能隨著入滲孔的深度增加而減小的趨勢，初滲速率和穩(wěn)滲速率隨著入滲孔的深度增加而減小的量也明顯增大，然而通過方差分析表明，只有初滲速率、平均入滲速率差異達到顯著水平（P<0.05），穩(wěn)定入滲速率等其余參數(shù)差異均不顯著。

不同綠地上，喬灌草、灌草綠地最小值均出現(xiàn)于后2層，喬草地前2層和后2層各有50%最小值；最大值分布在不同綠地上沒有明顯規(guī)律，主要集中在5、20 cm的入滲孔上，占比達82%。穩(wěn)定入滲速率總體均值從大到小依次為喬灌草（1.31 mm/min）> 灌草（1.03 mm/min）> 喬 草（0.96 mm/min）。喬草的初滲、累計入滲量均值也是最小，主要是由于喬草是各公園對人員活動開放的主要綠地類型，踩踏最為嚴重，喬草地土壤總孔隙度均值最?。?7%），容重均值最大（1.45 g/cm3）。但不同植被、不同深度下進行方差分析，穩(wěn)滲值差異不顯著。

曇華寺公園各類綠地以及總體均值達到穩(wěn)滲時間都是最少，初滲及穩(wěn)滲速率、累計入滲量也都是最小，主要是由于曇華寺公園面積最小，是昆明市東部區(qū)域居民最常去的公園，綠地開放程度高，游客頻次較大，引起較顯著的地面踩踏擾動，該處土壤容重均值最大（1.33 g/cm3）、總孔隙度均值最?。?5.36%）。不同公園間穩(wěn)滲值差異達到顯著水平（P<0.05）。

3.3 入滲過程分析

隨著入滲時間的增加，入滲速率逐漸降低直至趨于穩(wěn)定，到達穩(wěn)滲的時間分布在8～60 min，主要集中在20～40 min。土壤穩(wěn)滲時間特征見圖3。由圖3可知，4個深度入滲孔平均達到穩(wěn)滲的時間依次為：34.42、30.83、31.25、27.08 min，各層次間到達穩(wěn)滲的時間差異不顯著。3種植被類型下平均達到穩(wěn)滲的時間分別為：喬灌草31.63 min、灌草29.06 min、喬草30.50 min，不同植被間達到穩(wěn)滲的時間差異不顯著。曇華寺、大觀公園、黑龍?zhí)丁⒔家肮珗@平均達到穩(wěn)滲的時間分別為21.50、41.08、27.08、31.92 min，不同公園間達到穩(wěn)滲的時間差異顯著（P<0.05）。

圖 3 土壤穩(wěn)滲時間特征Fig. 3 Characteristics of soil stable infiltration time

3.4 土壤入滲模型分析

利用Kostiskov模型、Horton模型、Philip模型和通用經(jīng)驗公式分別對樣本區(qū)內(nèi)各點土壤入滲速率進行擬合，各模型決定系數(shù)（R2）見表3。

決定系數(shù)R2越大，模型擬合效果越好。由表3可知，各模型擬合效果在40 cm的土層中均較好，其中Philip模型擬合效果最差；各模型在喬灌草綠地土壤中擬合效果較好，通用公式在3種植被類型下擬合度均是最高；各模型擬合效果在黑龍?zhí)豆珗@中較好，Horton模型和通用公式擬合最優(yōu)?？偟膩碚f，通用公式的擬合效果最好，其次是Horton模型，R2均在0.87以上。通過回歸分析F檢驗法對模型進行顯著性檢驗，結果表明：Philip模型沒有達到顯著水平，Kostiskow模型和Horton模型達到顯著水平，通用公式達到了極顯著水平。

表 3 不同模型下的R2值統(tǒng)計Table 3 R2 value statistics under different models

4 結論與討論

通過對昆明市主要城市公園綠地土壤水分入滲性能及其差異性的研究，主要得出以下結論：1）土壤入滲性能在不同植被類型、不同土壤深度上有著較為明顯的差異性，為弱至中等程度變異，其中喬灌草綠地土壤最優(yōu)，喬草土壤最差，入滲性能隨著深度的增加減弱，存在約1/3的剖面中間障礙層的表達，但穩(wěn)滲值差異并不顯著，認為無明顯的土壤中間入滲障礙層；2）穩(wěn)滲值在不同公園間變異為中等變異且差異性顯著，穩(wěn)定入滲速率依次為：曇華寺公園0.68 mm/min；黑龍?zhí)豆珗@0.89 mm/min；大觀公園1.01 mm/min；郊野公園1.78 mm/min；3）通用公式是對昆明城市公園綠地入滲過程模擬的最佳公式。

土壤容重與孔隙是影響土壤入滲的關鍵因子，容重小、孔隙多入滲速率一般較大，反之則小[11,19]。本研究中不同綠地上的入滲性能以喬灌草最優(yōu)，其次為灌草綠地、喬草綠地，這可能是由于公園草地和具有良好遮蔭的林草地也是入園游客最喜進入的綠地斑塊[20]，容易被踩踏，導致土壤物理性狀變差；喬草綠地土壤內(nèi)細根系不如喬灌草、灌草綠地分布多，也導致入滲性能相對較差，這與伍海兵[21]在上海辰山植物園中的研究結果一致，均表現(xiàn)出草地和純喬木林地是土壤物理狀況及飽和導水率最差的。土壤表層由于細根的存在以及有機質(zhì)豐富等原因，容重最?。煌寥揽紫抖仍趤啽韺泳霈F(xiàn)過最大值，說明亞表層受到地面踩踏后影響最為嚴重。熊圣洲[15]、黃暉等[22]對深圳市各類綠地土壤入滲的研究都表明各項滲透參數(shù)均顯示出隨土壤深度增加而逐漸下降的變化趨勢，與本研究不同的是熊圣洲的研究測得的各入滲參數(shù)值明顯大于本研究均值1.09 mm/min，而黃暉的研究結果（穩(wěn)滲均值為0.906 mm/min）小于本研究的均值，并且本次研究與2014年在同一樣地使用雙環(huán)法測定的穩(wěn)滲值（0.83 mm/min）[13]相比也大，說明入滲參數(shù)具有明顯的時空分異性。各項入滲指標在不同植被、不同土層間差異不顯著，但是在不同公園間差異顯著。4個公園中的曇華寺公園面積及綠化率最小，單位面積游客承載量最大，這說明人為活動也是影響城市公園土壤水分入滲的主要因素。

各種組合下土壤穩(wěn)滲速率與容重均呈負相關性，與孔隙呈正相關性；公園綠地土壤穩(wěn)滲系數(shù)在不同植被和不同公園間大于剖面上的變異系數(shù)，說明研究區(qū)公園人類活動干擾、植被結構等對土壤入滲性能的影響更為突出。在本研究中的12個樣地的不同層次穩(wěn)滲速率中，有4個樣地最小值并不是在最下層，分別出現(xiàn)在灌草10～20 cm 1個、20～40 cm 2個，喬草0～10 cm 1個，相應的4個位置的容重偏大，總孔隙度偏小，說明公園綠地入滲性能在剖面中間具有一定的障礙層表達，但穩(wěn)滲值在不同層次間差異并不顯著，中間低值比例也較低（33.3%），可以認為入滲中間障礙層并不顯著。由于本研究只針對昆明市主要城市公園綠地進行了研究分析，對于城市綠地的總體判斷還有待深入研究。

各樣地達到穩(wěn)滲的時間在不同植被間和不同土層間雖有一定的差異，但差異并不顯著，這與土壤孔隙、容重的差異并不一致。應該是由于土壤入滲不僅受到土壤孔隙、容重的影響，也受到土壤結構及有機質(zhì)等的影響[23]。而在不同公園間穩(wěn)滲時間差異顯著，主要是由于曇華寺公園穩(wěn)滲值較小，引起了差異的顯著性。

本研究及前人的研究[10-11,13,15,24]表明，通用公式、Horton模型、Kostiskow模型都能較好地適用于城市綠地土壤入滲過程的模擬。Philip模型適用性較差，是由于Guelph入滲儀水分入滲過程，是水分在土壤里面呈水滴狀的擴散過程，并不是單純的一維入滲，而Philip入滲模型更適用于一維入滲模擬[25]。昆明市公園綠地最適模型是通用公式，這與許麗等[26]在阿拉爾市的研究結果相同。因此，研究城市綠地土壤入滲性能時，建議采用通用公式。