余梦舒,李雅平,刘 青,曹 凯,詹龙奎

(江西农业大学 园林与艺术学院,江西 南昌 330045)

城市化进程的迅速发展加剧了对生态环境的胁迫,导致土壤生物的生存环境被破坏,绿地土壤容重增大，孔隙度降低,城市绿地土壤的渗透性能下降[1-3],城市绿地无法形成自肥维持机制，无法维持水文循环的稳定,城市绿地的生态效应逐步弱化。同时由于城市不透水地面快速增加,雨水无法及时通过地表下渗到土壤中,改变了原有的水文环境及生态环境的自然循环过程,导致地表径流量增大,从而发生城市内涝。土壤入渗作为评价土壤水分调控能力的一个重要指标[4],也是城市绿地中削减和管理径流的关键环节,在城市雨洪消减、地下水补给、净化生态环境、促进植物生长等方面发挥了重要的作用[5-8]。

目前对于城市绿地土壤渗透的研究主要集中在不同绿地类型土壤的渗透性特征,研究表明土壤的渗透性能与自身的理化性状,包括容重、孔隙度、质地和有机质相关[9-13],同时有研究表明土壤的渗透性能也受降雨、温度以及人为因素的影响[14-16]。

城市中的绿地削减和径流管理基本上是依靠土壤的入渗功能,而土壤的入渗功能对城市绿地雨水蓄渗效应的发挥也有重要的影响[17-19]。本研究以江西农业大学不同结构城市绿地的土壤为研究对象,研究了不同植被结构城市绿地土壤的渗透率、容重、非毛管孔隙率、毛管孔隙率、总孔隙率和含水率的差异。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区范围及概况

根据江西农业大学的绿地凋落物量、面积大小、植被结构类型确定采样点,分为南校、北校两个采样区,分别用S、N标记南北区,用A、B、C、D、E标记不同植被结构绿地；分别对校园内常见的乔灌草、乔草、灌草、草、乔五种植被结构类型绿地土壤进行采集,并记录凋落物的情况；选取约10 m×10 m的绿地为采样地,共10个样地,再根据样地的植被情况用五点法进行取样,最终选择的取样地见图1。

图1 土壤采样地分布图

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采集 土壤采集工作在2019年10月29日至31日进行,期间连续72 h无降水、无浇水。使用五点法对土壤进行取样,每个样点取3层(0～5、5～10、10～15 cm),共计150个样,取完后立即称重(精确到0.01 g)。

1.2.2 样品处理 土壤渗透率采用环刀法进行测定,用环刀采集好样本后,将装有原状土的环刀带回实验室,放入平底盆水中浸泡24 h，然后取出,在环刀上方接1个空环刀(环刀高5 cm,体积100 cm3),并从外侧用透明胶密封两个环刀之间的缝隙,将环刀放到渗透架上事先准备好的玻璃漏斗上,保持环刀口水平,向空环刀内加水至略低于环刀口,从漏斗下方滴下第一滴水开始计时,根据水流出的快慢,每隔1、2、5 min更换漏斗下的烧杯,并分别测量渗水量。

1.2.3 土壤特征指标的测定 土壤的渗透能力与土壤的容重、含水率、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度等有关。因此选择以上指标作为研究指标,其测定方法参照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤分析方法》,均采用环刀法[20]。

渗透速度的计算公式如下:

式中:V为渗透速度(mm/min);Qn为n次渗透的水量(mL);tn为每次渗透所间隔的时间(min);S为环刀面积(m2)。

1.2.4 数据处理与分析方法 应用Microsoft Excel 2013整理实验数据,使用SPSS 20.0对土壤的渗透性能进行分析,采用Origin 9.0制图。

2 结果与分析

2.1 不同植被结构类型土壤渗透率的比较分析

由图2可知不同植被结构类型土壤之间的渗透速率有明显的差异。5种植被结构类型土壤初始入渗率的均值排序为:乔灌草(2.79 mm/min)>乔(2.50 mm/min)>灌草(1.40 mm/min)≥乔草(1.40 mm/min)>草(0.46 mm/min)；初始渗透率越高,单位时间内下渗的水分就越多,由此表明,在相同时间内乔灌草结构类型土壤比其他结构类型土壤能吸收更多的水分。而稳定渗透速率越高,饱和速率就越高。

图2 5种植被结构土壤的渗透速率

在降雨时,若达到饱和速率的时间长则可有效推迟地表洪峰的形成。不同植被结构土壤的稳定渗透速率排序为:乔(1.57 mm/min)>乔灌草(1.49 mm/min)>灌草(0.93 mm/min)>乔草(0.67 mm/min)>草(0.31 mm/min)；不同植被结构土壤的渗透速率均值排序为乔(1.90 mm/min)>乔灌草(1.84 mm/min)>灌草(1.03 mm/min)>乔草(0.92 mm/min)>草(0.33 mm/min)。

上述结果表明：乔结构类型土壤的渗透性能比较强；草结构类型土壤的渗透性能较弱,其初始、稳定入渗率都最低,而且达到稳定渗透速率的用时最短；植被结构较丰富的土壤渗透能力较强。

2.2 各土层间不同植被结构类型土壤的渗透速率

由图3可知,在凋落物的长期影响下,不同植被结构类型在各土层间的渗透速率有明显的差异。0～5 cm土层整体渗透速率排序为:乔(2.34 mm/min)>乔灌草(1.92 mm/min)>乔草(1.49 mm/min)>灌草(0.85 mm/min)>草(0.42 mm/min)。

图3 不同植被结构土壤各土层的渗透速率

5～10 cm土层不同植被结构类型土壤的初始渗透率为2.75～0.48 mm/min。5～10 cm土层的整体渗透速率排序为:乔(1.88 mm/min)>乔灌草(1.25 mm/min)>灌草(1.23 mm/min)>乔草(0.41 mm/min)>草(0.32 mm/min)。

10～15 cm土层不同植被结构土壤的初始渗透率在2.75～0.36 mm/min。10～15 cm土层的整体渗透速率排序为:乔灌草(2.10 mm/min)>乔(1.25 mm/min)>灌草(0.96 mm/min)>乔草(0.64 mm/min)>草(0.24 mm/min)。

从整体上分析,乔、草结构类型土壤的渗透速率随着土壤深度的加深呈下降趋势；其余结构类型土壤各土层的渗透速率规律不明显。草结构类型各土层的渗透速率一直比其他结构类型各土层的低。各土层的初始入渗率均值大小排序为:0～5 cm土层(2.09 mm/min)>5～10 cm土层(1.62 mm/min)>10～15 cm土层(1.41 mm/min),均值为1.71 mm/min;各土层的稳定渗透速率均值大小依次为:0～5 cm土层(1.09 mm/min)>5～10 cm土层(1.02 mm/min)>10～15 cm土层(0.88 mm/min),均值为0.99 mm/min;各土层的整体渗透速率排序为:0～5 cm土层(1.40 mm/min)>5～10 cm土层(1.18 mm/min)>10～15 cm土层(1.04 mm/min),整体均值为1.21 mm/min。土层的初始入渗率、稳定入渗率随着土层的加深呈现降低的趋势；不同植被结构类型在0～5 cm土层的渗透性能都较强。

2.3 土壤的基本特征

2.3.1 土壤容重 由表1可知,5种植被结构土壤的容重均值大小排序为:乔灌草(1.37 g/cm3)<乔(1.39 g/cm3)<乔草(1.43 g/cm3)≤灌草(1.43 g/cm3)<草(1.51 g/cm3)。

表1 不同结构类型土壤各土层的基本特征

乔灌草结构类型搭配复杂,植物根茎多,土壤结构疏松多孔;乔木结构植被单一,但取样地凋落物较多,凋落物在一定程度上起到了减轻雨水冲刷的作用;乔草及灌草结构的土壤容重比草结构的土壤容重小,最大原因是前者的植物根系比后者多并且更深。草结构类型的土壤容重最大,究其原因：一方面草坪更容易遭人为踩踏,导致土壤被压实；另一方面,草在生长期间需更多养护,在浇灌大量水分后土壤水分蒸发较快,容易导致土壤板结,使容重增大。

不同土层的容重大小也不同,0～5 cm土层容重在1.37～1.53 g/cm3,5～10 cm土层容重在1.37～1.49 g/cm3,10～15 cm土层容重在1.38～1.52 g/cm3,其中乔灌草在不同土层间容重都为最小,而草结构类型都最大；不同土层的平均容重排序为:5～10 cm土层(1.43 g/cm3)≥10～15 cm土层(1.43 g/cm3)>0～5 cm土层(1.42 g/cm3)。

2.3.2 土壤非毛管孔隙度 乔结构类型土壤的非毛管孔隙度为4.54%～5.16%,乔灌草结构类型在8.12%～9.48%,乔草结构类型在3.38%～4.38%,灌草结构类型在2.50%～3.03%,草结构类型在2.94%～3.53%；5种植被结构类型土壤的非毛管孔隙度均值排序为:乔灌草(8.68%)>乔(4.83%)>灌草(3.18%)>乔草(3.13%)>草(1.07%),草结构类型土壤有明显的踩踏痕迹,土壤压实,容重增大,导致土壤的孔隙度降低,所以草结构类型土壤的下渗性能降低。

不同土层的非毛管孔隙度均值排序为:0～5 cm(4.13%)<5～10 cm土层(4.18%)<10～15 cm土层(4.23%),均值为4.18%,说明非毛管孔隙度整体上随着土层深度的加深而呈增大趋势。

2.3.3 土壤毛管孔隙度 不同植被结构类型土壤的毛管孔隙度影响土壤的持水能力,毛管孔隙度越小,土壤的持水能力越强。乔结构类型土壤的毛管孔隙度在40.10%～41.44%,乔灌草结构类型在40.71%～42.03%,乔草结构类型在37.79%～41.42%,灌草结构类型在37.79%～41.42%,草结构类型在37.09%～39.10%；5种植被结构类型土壤的毛管孔隙度均值排序为:乔灌草(41.27%)>乔(40.87%)>灌草(40.76%)>乔草(40.00%)>草(38.36%)；虽然草结构类型土壤的持水性能较强,但是其非毛管孔隙度、毛管孔隙度都较低,在雨天情况下,草结构类型可以持更多的水分,但是其渗透性能弱,水分无法下渗,可能会造成水淹植物的现象,同时可以反映出草结构类型土壤的不稳定性。

不同土层的毛管孔隙度均值排序为:10～15 cm土层(39.75%)<5～10 cm土层(40.48%)<0～5 cm土层(40.53%),均值为40.25%,表明毛管孔隙度整体上随着土壤深度的加深呈减小的趋势。

2.3.4 土壤总孔隙度 不同植被结构类型土壤的总孔隙度排序为:乔灌草(46.47%)>乔草(41.04%)>乔(40.70%)>灌草(40.69%)>草(39.44%)；综合比较,乔灌草结构类型土壤的总孔隙度最高,在雨水渗透方面效果较好;而草结构类型土壤可能受人为踩踏,土壤压实度较高,总毛管孔隙度最低,而且其表层缺少凋落物对雨水的阻拦,可能会导致草地结构的不稳定,容易造成土壤板结而土壤通气透水能力减弱。

0～5 cm土层的总孔隙度变化范围在39.96%～51.51%,5～10 cm土层在39.95%～49.50%,10～15 cm土层在38.39%～46.24%；其中乔灌草结构类型土壤的非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度在不同土层间都最高,而草结构类型土壤都最低。

不同土层的总孔隙度均值排序为10～15 cm土层(43.98%)<5～10 cm土层(44.66%)≤0～5 cm土层(44.66%)；总孔隙度均值为44.43%。

2.3.5 土壤含水率 土壤的含水率也能反映大部分绿地的保水能力,可作为检验绿地保水能力的重要因素之一。整体上不同植被结构类型土壤的含水率排序为:乔草(17.58%)>乔灌草(17.30%)>乔(17.27%)>灌草(16.94%)>草(16.07%)。由于在冬季干燥少雨,所以乔灌草植物可能通过吸收更多的土壤水分来减少蒸腾作用,导致其土壤含水率比乔草低；而乔结构类型土壤的含水率不低，其主要原因是较多的凋落物发挥了较好的涵养效果。

0～5、5～10、10～15 cm土层的含水率变化范围分别在16.86%～18.51%、16.69%～17.70%、14.94%～17.52%；不同土层的含水率均值排序为:0～5 cm土层(17.63%)>10～15 cm土层(16.78%)>5～10 cm土层(16.69%)。

对比不同土层的各项指标发现,0～5 cm土层的渗透性能及土壤基本特性都比较好。因此,在城市绿地设计过程中,针对渗透能力需求较高的绿地,宜选择较为丰富的植被结构类型，增加植物种类和数量；此外,可以考虑适当保留凋落物在绿地内,还要减少人为的踩踏,加强绿地管理。

2.4 绿地土壤渗透性能的影响因素分析

由表2初始入渗速率、稳定入渗速率与土壤基本性质间的相关性分析结果可以看出:不同植被结构类型土壤的初始入渗率、稳定入渗率与土壤容重呈显著负相关,说明土壤容重越大,渗透能力越弱;土壤的非毛管孔隙度与初始入渗率呈显著的正相关,说明非毛管孔隙度越大,初始入渗率越高;土壤的初始入渗率、稳定入渗率与毛管孔隙度、总孔隙度呈显著正相关,说明毛管孔隙度与总孔隙度越大,初始入渗率与稳定入渗率越高。

表2 土壤性质与渗透性能间的相关系数

3 结论与讨论

5种植被结构类型土壤的入渗速率在前10 min内下降速度较快,随后缓慢下降,最后在120 min时基本上趋于稳定状态。不同植被结构类型土壤的渗透速率排序为:乔>乔灌草>灌草>乔草>草。综合分析,乔灌草结构与乔结构类型土壤的渗透能力较强,草地结构土壤的渗透能力较弱。不同土层的整体渗透速率以0～5 cm土层最大,以10～15 cm土层最小,校园内整体渗透速率均值为1.21 mm/min。

土壤的初始入渗率、稳定入渗率与土壤容重呈显著负相关,土壤的非毛管孔隙度与初始入渗率呈显著正相关。在植被结构丰富及凋落物较多的绿地,土壤性质都较好。

土壤的渗透性能是降雨-径流循环中的一个关键因子,建立、健全对城市绿地的保护措施,减少人对土壤的踩踏压实,对改善土壤渗透率等有促进作用,进而可以促进植物生长,美化环境,减少城市内涝的几率。

本研究没有涉及不同植被结构类型土壤上凋落物的分解养分转化以及凋落物对土壤理化性质的影响,这有待今后开展进一步的研究。