北京城市绿地土壤水分入渗性能研究

2019-07-24戴子云

中国园林 2019年6期

戴子云

隋静轩

许蕊

李新宇*

在城市化发展进程中，不透水的铺装面积迅速升高，导致暴雨后城市严重积水洪涝的现象的出现，污染物也伴随地表径流进入水体，已成为影响城市生态环境与市民生活质量的重要因素[1-2]。绿地是城市生态系统中的重要组成部分，是一种天然的渗透设施，在消纳城市雨洪及控制城市面源污染方面发挥着重要作用[3-4]。《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》(国发〔2013〕36号)中明确指出“提升城市绿地汇聚雨水、蓄洪排涝、补充地下水、净化生态等功能”。由此可见，绿地削减城市雨洪的重要作用已引起国家的重视，了解土壤入渗的基本知识并在绿地建设中科学、有效的应用显得尤为重要[5-6]。

绿地土壤水分入渗是研究绿地土壤水分运动规律的重要内容，它决定了降雨和灌溉水进入土壤的数量，通过研究可以掌握绿地土壤的入渗率，正确的对植物进行浇灌，这样可以保证水分能被植物充分吸收，也可以在保证植物正常生长的情况下，发挥滞蓄消纳雨水的效果[7-8]。欧美等发达国家在绿地土壤水分入渗特性与绿地的雨水径流调蓄效应等方面已经进行了大量研究，结合土壤质地、孔隙度、有机质含量和含水率等因子对绿地土壤入渗性能影响进行了深入分析[9-11]。在应用层面，国外重视绿地的雨水渗透能力，并在相关标准中对绿地提出了土壤入渗能力的要求，雨水花园和生物滞留系统已经成为发达国家常用的雨水处理与资源化利用技术[12-13]。相对而言，我国在这方面的研究起步较晚，可供参考的文献很少，缺乏对城市绿地水分入渗性能的基础数据[14]。此外，国内在绿地设计、施工、工程验收等环节均没有考虑土壤入渗这一重要指标，城市建设者普遍对土壤入渗的基本内涵、作用、影响因素和技术要求缺少必要地了解，更谈不上在实际工作中很好地应用[15]。

本研究从区域实际出发，通过对北京市城区不同类型绿地土壤的渗透性能和土壤特性的现场调查与采样分析，以期增强对北京城市绿地土壤特性的认识，为绿地设计与绿地的径流蓄渗作用的发挥提供基础数据，为北京“海绵城市”建设提供技术支撑。

图1 不同类型城市绿地稳定渗透速率及其分布概率(作者绘)

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择北京市建成区的绿地为主要分析研究对象。北京市地处华北平原北部，背靠燕山。市域属典型的北温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，降雨多集中在夏季，多年平均年降水量约为480mm。地带性土壤为褐土，质地多为壤土，透水性好。目前，北京市建成区面积约1 401km2，绿地率45.79%，绿化覆盖率48.40%，人均公共绿地面积39.84m2[16]。

1.2 监测点概况

本研究选取的绿地，均位于北京市建成区。根据土地利用类别和人类活动强度，划分为道路交通区、商业区、文教区、居民生活区、公园5个功能区。每个监测点选择不同功能区代表性地段的绿地进行现场调查。除了部分道路隔离带林下枯落物丰富，人工养护较少外，其他绿地均人为设计乔灌草群落，林下以人工草坪为主，无林下枯落物。各监测点信息见表1。

1.3 测定方法

绿地土壤入渗性能采用Guelph渗透仪注水法测定。在每个监测点，选择地势平坦，绿地植被生长良好的区域进行土壤水分入渗试验。绿地表层草皮轻轻铲去，土壤表面整理平整，使用仪器自带土钻在样点进行打孔作业(20cm深标准孔)，将渗透仪安装在孔洞内，然后注水并检查密闭性。首先将入渗水头控制在5cm，记录每5min仪器的水位下降速度，直到入渗稳定有3～4个数据以上时停止。调整水头至10cm，重复上述操作。根据双水头测量法计算土壤稳定入渗速率Kfs：

式中：G为入渗环形状系数，r为入渗环半径，Q2为水头H2对应的稳定入渗速度，Q1为水头H1对应的稳定入渗速度。

同时用铝盒测定0～20cm土壤初始含水量，用环刀法测定0～20cm土壤容重和孔隙度，土壤的颗粒组成用比重计法测定。

2 结果与分析

2.1 城市绿地土壤渗透性

土壤入渗率是反映土壤透水性强弱的直接指标。土壤的入渗率通常与土壤的水分含量密切相关，在降雨过程中会随着土壤含水量的提高而逐渐减小，因此为了方便对比研究通常以土壤稳渗率说明充分降雨条件下的土壤入渗能力[17]。由图1可以看出，5类绿地稳定入渗速率分别为道路交通区绿地(1.76×10-7-1.01×10-5m/s)、商业区绿地(2.34×10-7-2.58×10-5m/s)、居民生活区绿地(7.04×10-7-5.33×10-5m/s)、公园绿地(1.76×10-7-3.22×10-5m/s)、文教区绿地(8.80×10-7-2.37×10-5m/s)。按平均土壤稳渗率大小排序是：文教区绿地(8.74×10-6m/s)＞居民生活区绿地(7.68×10-6m/s)＞公园绿地(4.68×10-6m/s)＞商业区绿地(3.65×10-6m/s)＞道路交通区绿地(2.97×10-6m/s)。各功能区土壤入渗速率差异很大，少数最大可达10-5m/s数量级，最小在10-7m/s数量级，且大多数在5×10-6m/s以下，蓄渗雨水能力相对弱一些。而且在同一功能区内部，绿地渗透速率也波动较大。这说明北京市绿地土壤渗透性能的空间变异性很大。其中文教区和居民生活区由于受人为活动影响较小，其土壤入渗速率普遍大于其他3个功能区，且50%以上的绿地的土壤入渗速率大于5×10-6m/s，表现出良好的渗透性。此外，调查中可以发现文教区绿地和居民生活区绿地等绿地土壤多为原状土，表层土壤相对疏松；而商业区绿地和道路交通区绿地土壤以杂填土为主，土壤结构紧密，限制了雨水的入渗。研究表明，受人为活动影响较大的绿地，压实严重，非毛管孔隙少，导致稳渗率更低，稳渗率低直接影响强降水下水分的下渗和对外部径流的吸收[18]。

对于渗透性能的分级，以Kohnke提出的城市土壤渗透速率的分类标准应用最为广泛[19]。依据此标准，对本研究区域内灌木和绿地的稳定渗透速率进行分类。如表2所示，北京市城市绿地土壤渗透速率的变异非常大，除了极快分类级别外，实测样本在每个级别都占有一定比例。研究区内土壤稳定渗透速率属于较慢及以下的比例达81.25%，可见北京市大部分绿地土壤的渗透速率都偏低。此外，属于快和较快级别的占6.25%，中等的占12.5%。而魏俊岭等在研究合肥城市土壤水分入渗时发现，合肥城市绿地土壤稳定入渗速率从较慢到快每个级别均占有一定比例，较慢等级占42.1%，属于较快和快级别的占21.1%，这一比例均高于本研究的结果[20]。

2.2 城市绿地土壤质地

土壤质地反映了土壤不同粒级的颗粒组成及配合比例，是土壤的重要属性，是土壤水分入渗性能的重要影响因素[21]。北京市不同类型绿地表层土壤主要是黏质土壤，黏粒平均含量范围14.5%～25.4%，其中道路交通区(23.2%)和商业区(25.4%)绿地表层土壤平均黏粒含量高于公园绿地(14.5%)和文教区绿地(17.2%)(表3)。同上海市与合肥市绿地土壤中黏粒含量相比，北京市绿地土壤的平均黏粒含量要低。土壤颗粒组成中粉粒和黏粒含量的相对比值可用来表示土壤质地的情况，粉黏比越大，表明土壤粉粒含量越多，黏粒含量越少[3，22]。北京市不同类型绿地土壤粉粒和黏粒含量的相对比值均大于1.0，其范围在1.59～2.42之间。

表1 监测点基本情况

表2 北京市绿地土壤稳定入渗速率频率分布

2.3 城市绿地土壤容重与孔隙度

土壤容重和孔隙度等指标可以反映土壤的紧实程度和土壤通气透水等性能，可以间接反映土壤渗透性[23]。土壤容重与土壤质地、压实状况和土壤颗粒密度等因素有关，土壤容重越大大，渗透性就越差[24]。正常土壤的容重约为1.3g/cm3，但是大部分城市的土壤容重都高于此值[25]。本次调查中北京市绿地表层土壤的容重在0.92～1.67g/cm3之间，各功能区绿地土壤容重大多超过1.3g/cm3，均值表现为道路交通区绿地(1.48g/cm3)〉公园绿地(1.46g/cm3)〉文教区绿地(1.43g/cm3)〉商业区绿地(1.39g/cm3)〉居住区绿地(1.19g/cm3)的规律(表4)。研究表明合肥市区绿地表层土壤容重在1.22～1.68g/cm3之间，其中79%以上绿地土壤的容重均在1.3g/cm3以上，平均值为1.41g/cm3[22]。而上海市不同功能区绿地土壤容重大多超过1.30g/cm3，其中道路交通区的土壤容重最高，平均土壤容重达1.46g/cm3[3]。这与本研究结果相似，表明土壤压实是城市绿地土壤普遍存在的重要特征，这也是造成绿地土壤入渗速率下降的重要因素。

虽然土壤容重能很好地反映土壤的压实程度，但是由于不同质地的土壤在同样压实程度下土壤容重和渗透性会有所差异，因此孔隙度可以作为反映土壤疏松程度的重要指标[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，具有通气和排水的功能，能较好地反映土壤的入渗性能，研究发现土壤渗透性随着土壤非毛管孔隙度的增加而增加[26]。北京市不同类型绿地土壤总孔隙度在27.84%～56.84%之间，其中非毛管孔隙度范围在0.85%～11.49%，均值在3.71%～7.39%之间，表现为居民生活区绿地(7.39%)〉商业区绿地(5.25%)〉文教区绿地(4.67%)〉公园绿地(3.79%)〉道路交通区绿地(3.71%)(表4)。有研究表明，城市绿地土壤的通气孔隙度大都低于10%，南京和上海不同功能区绿地土壤平均通气孔隙度分别为2.20%和5.40%，均低于北京市绿地土壤的平均通气孔隙度[17-18]。有学者认为城市土壤的压实严重影响了土壤的正常孔隙分配，造成非毛管孔隙向毛管孔隙转变，进而影响土壤的渗透性[20]。