深圳市5類城市綠地土壤滲透性研究

熊圣洲

(深圳市鐵漢山藝環境建設有限公司，廣東 深圳 518000)

土壤滲透能力是土壤水文效應評價的重要指標，是反映植被涵養水源功能的重要水文參數[1-2]，也是描述土壤入滲快慢的極為重要的土壤物理特征參數之一。土壤滲透性越好，地表徑流就會越少，土壤流失量就相應減少[3]。所以提高土壤的滲透能力，是降低地表徑流及防治水土流失的關鍵措施[4]。前人對土壤滲透性已有大量研究，主要從不同植被類型[2，5-7]、不同區域[8]、不同土地利用方式[9-10]、不同措施[11]及其影響因子[12-13]的角度進行研究。研究內容主要集中在土壤入滲過程、入滲特征、入滲機理、模型構建[14-15]，以及土壤理化性質[16-17]對滲透性的影響方面。影響土壤滲透率的因素較多，其中，孔隙度、土壤質地和土壤結構是影響土壤水分入滲特征的主導因素，土壤有機質含量對土壤入滲的影響也比較大[18-19]。

城市綠地是指用栽植樹木花草和布置配套設施，基本上由綠色植物所覆蓋，并賦以一定功能與用途的場地。廣義的城市綠地，是指城市規劃區范圍內的各種綠地。城市綠地可分為公園綠地(G1)、生產綠地(G2)、防護綠地(G3)、附屬綠地(G4)和其他綠地(G5)5大類型[20]，城市綠地具有重要的生態功能，社會功能和經濟功能。

深圳市是全國著名的花園城市，全市綠化覆蓋率達45%、森林覆蓋率達47.6%、人均公共綠地面積16.01 m2、442個公園總面積達13 240.40 hm2。因此，研究深圳城市綠地土壤滲透性不僅有重要理論意義，而且具有重要現實意義。

試驗針對深圳市5種不同綠地類型及其不同土壤層次的滲透率以及主要影響因子開展調查研究，期望為解決深圳市及處于南亞熱帶地區同類城市的水土保持功能評價、城市生態環境保護、城市園林綠化建設與管理，以及消減地表徑流和城市防洪等問題提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域自然概況

深圳是中國南部海濱城市，位于北回歸線以南，E 113°46′～114°37′，N 22°27′～22°52′。地處廣東省南部，珠江口東岸，東臨大亞灣和大鵬灣，西瀕珠江口和伶仃洋，南邊以深圳河與香港相連，北部與東莞、惠州兩城市接壤。地勢東南高，西北低。地形大部為低山、平緩臺地和階地丘陵，平原僅占陸地面積22.1%。土地總面積2 020 km2。屬亞熱帶氣候，年平均溫度22.4℃，最高溫度36.6℃，最低溫度1.4℃。年均降水量為1 948.6 mm。東南風為常年主導風向，年平均日照數為 2 120 h。地帶性土壤為赤紅壤。

1.2 樣地和樣方設置

依據CJJ/T85-2017《城市綠地分類標準》，于2017年3～5月在深圳市以綠地分類系統中的5個大類為研究對象，然后分別在每個綠地類型中選擇有代表性的綠地作為樣地，并依次用羅馬數字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ作序號(表1)。對各樣地植被進行調查，并采集土壤用來測定土壤滲透性。

表1 城市綠地樣地概況

1.3 樣品采集、測定和分析方法

在各樣地內隨機選點采集土壤樣品，設3個重復。土壤樣品均按0～20、20～40、40～60 cm 分層采集，每層3個重復，每樣地總計為3×3×3=27個樣品。

采用環刀法測定土壤入滲率、土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度；有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[21-24]。

環刀規格為20 cm2×5 cm。在室外用環刀取原狀土，帶回室內浸入水中12 h。浸水時，保持水面與環刀上口平齊，勿使水淹到環刀上口的土面。到預定時間將環刀取出，去掉蓋子，上面套上一個大小相似的空環刀。接口處先用膠布封好，嚴防從接口處漏水，然后將接合的環刀放到漏斗上，漏斗下面承接燒杯。往上面的空環刀中加水，水面比環刀口低1 mm，即水層厚5 cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水時開始計時，之后每隔2 min 測量并記錄一次通過土柱滲透出的水量。測定過程中要不斷將上面環刀水面加至原來高度，同時記錄水溫。直至4個單位時間內滲出水量相等時為止。

1.4 數據計算與統計分析

1.4.1 結果計算

(1)滲出水總量(Q)

(1)

式中：Q1，Q2，Q3……Qn為每次滲出水量mL，即cm3；S為滲透筒的橫斷面積cm2；10為由cm換算成mm所乘的倍數，這樣就可以算出當地面保持5 cm水層厚度時，在任何時間內滲出水的總量。

(2)滲透速度(V)

(2)

式中：tn為每次滲透所間隔的時間，min ；Qn為間隔時間內所滲透的水量，mL。

(3)滲透系數(K)

(3)

式中：Kt為溫度為t (℃)時的滲透系數，mm/min；L為土層厚度，cm ；h為水層厚度，cm 。

1.4.2 數據統計與分析 參考前人研究成果，選用概念較為明確、可靠又常用的考氏( Kostiakov)土壤水分入滲模型對各類綠地不同層次土壤入滲過程進行描述和模擬[25]。

考氏經驗公式為：f(t)=at-b

式中：f(t)為入滲速率(mm/min)；t為入滲時間(min)；a、b為擬合參數。

初始入滲率= 最初入滲時段內滲透量/入滲時間( 最初入滲時間取前3 min)；

平均滲透率= 達穩滲時的滲透總量/達穩滲時的時間；

穩滲率為單位時間內的滲透量趨于穩定( 即內環水頭趨于穩定) 時的滲透速率；

滲透總量為前60 min的滲透量。

用Excel 2010軟件對測定數據進行處理分析及作圖。

2 結果與分析

2.1 不同綠地的土壤水分入滲性能分析

在研究土壤滲透性時，通常采用初滲率、平均滲透率、穩滲率和滲透總量4個指標。分析其變化規律和主要特點：①不同城市綠地類型及其不同層次土壤滲透性能的各項指標大小均表現為有規律的排序，即Ⅰ(農科生態公園—G2生產綠地)>Ⅱ(深圳灣海岸防護帶—G3防護綠地)>Ⅲ(蓮花山風景名勝區—G5其他綠地)>Ⅳ(深圳市兒童樂園—G1公園綠地)>Ⅴ(福榮路行道樹綠地—G4附屬綠地)(圖1)；②各項滲透指標的極值：初滲率、平均滲透率、穩滲率和60 min內滲透總量的最大值均出現在樣地Ⅰ中，最小值出現在樣地Ⅴ中；③各綠地的平均滲透率依次為：3.25、3.03、2.51、2.26和1.95 mm/min；透水總量依次為210.94、160.58、149.24、146.87和106.56 mm(表2)。

變化規律和特點證明：① 不同綠地類型土壤的滲透性能存在著一定的差異性；② 3個土壤入滲特征值在不同樣地之間均顯示出相似的變化規律：初滲率>平均入滲率>穩滲率；③ 不同樣地及其不同土層中，各項滲透參數均顯示出隨土壤深度增加而逐漸下降的變化趨勢；④ 和文獻資料所載的原生植被土壤滲透性比較，深圳城市綠地土壤滲透性普遍低于原生林地、林灌地、林灌草地和灌草叢等地土壤的滲透性。

圖1 不同城市綠地土壤滲透指標Fig.1 The soil permeability of different urban greenlands

和其他各類土壤滲透性一樣，城市綠地土壤滲透性的變化規律，可通過對其與不同層次土壤的容重、土壤孔隙度、土壤結構、有機質含量以及根系密度等土壤因子的相關性分析得以解釋。

進一步分別對5種不同綠地類型土壤滲透性指標做多重比較(表2)。不同綠地類型之間的初滲速率、平均滲透速率和穩滲速率均無顯著差異，但總透水量之間差異均達顯著水平(5%)，其中Ⅰ、Ⅱ兩樣地之間和Ⅳ、Ⅴ兩樣地之間還達到了極顯著的水平。各綠地之間Ⅰ的透水總量最大，是Ⅴ的透水總量(最小)的1.98倍，5 類城市綠地土壤透水總量的平均值為154.78 mm，與前述結果一致。

表2 不同城市綠地類型土壤滲透率的多重比較

注：表中同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 不同綠地類型土壤水分入滲過程擬合

度量擬合優度的統計量是R2，R2最大值為1。R2值越接近于1，說明回歸直線對觀測值的擬合程度越好，反之，R2的值越小，說明回歸直線對觀測值的擬合程度越差。據此，進一步模擬分析不同綠地類型土壤滲透率變化結果(表3)。15 個擬合模型中，總體擬合優度都在0.748 8～0.941 3，其中擬合度為0.748 8～0.791 3 的有4個，占擬合模型總數的26.67%，擬合度為0.802 6～0.882 5 的有7個，占擬合模型總數的46.67%，擬合度為0.912 5～0.967 6 的占擬合模型總數的26.67%。經F檢驗，這些回歸直線模型均達到了極顯著水平，說明擬合效果較好，對研究區域不同類型綠地土壤入滲特征的模型描述和入滲過程預測具有較好的實用性。

表3 不同城市綠地各層土壤入滲過程擬合R2值

2.3 土壤滲透性與土壤主要因子間的相關性分析

選擇土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和有機質5項土壤因子對土壤滲透率做相關性分析(表4)。結果表明，初滲率、平均滲透率和穩滲率與土壤容重呈極顯著負相關，與土壤總孔隙度和非毛管孔隙度呈極顯著正相關，平均滲透率與毛管孔隙度呈顯著負相關，其余比對之間雖有一定的正、負相關關系，但差異均未達到顯著水平。

表4 不同城市綠地土壤滲透性與主要 土壤因子的相關系數

注：*和**分別表示在5%和1%水平上的顯著性水平

3 討論

(1)不同的城市綠地類型土壤的滲透性存在一定的差異性；各綠地的3個反映水分入滲特征值之間的關系表現為：初始滲透速率>平均滲透速率>穩定滲透速率；各項參數都是隨著土壤深度的增加而減小，這與許多相關研究結果基本一致[26-28]，但也與部分資料存在一定的差異，甚至完全相悖，例如，研究閩西北不同經營時間毛竹林土壤滲透性的結果，3 種林分的初滲率、穩滲率、平均滲透速率和60 min滲透總量均隨著土層深度的增加而增加[26-29]；對滇東石漠化地區不同植被模式土壤滲透性研究結果顯示：不同植被類型土壤滲透性能不同，但同層次土壤3項滲透指標數值基本都表現為平均滲透率>初滲率>穩滲率[29-32]。據此，關于土壤滲透性能的變化規律還有很大的研究潛力。

(2)深圳市的城市綠地大多以人工植被為主，盡管植物種類組成與配置有一定差異，但植被層次結構多為喬、灌、草結構，且多為客土種植，加之在綠地管理、綠地建植年限等方面受人類干擾影響，因而造成了各種綠地土壤滲透性差異不顯著和水分入滲過程相似的土壤水分滲透規律，顯示出了深圳市綠地土壤水分的入滲特點。

(3)有關土壤滲透性能影響因子的相關報道各有差異。各類城市綠地土壤滲透率與有機質、毛管孔隙度無顯著性相關；與土壤容重呈極顯著的負相關；與土壤總孔隙度和非毛管孔隙度呈極顯著正相關。表明深圳市各類綠地土壤的滲透性能主要取決于土壤容重、土壤總孔隙度和非毛管孔隙度，其中非毛管孔隙度可使降水憑借重力和一定壓力梯度向土體滲透起著主導作用。結果與與有關自然植被土壤滲透性的研究結果基本一致，說明此次研究結果基本符合深圳市的實際情況。

(4)植被的種類組成及其根系是影響土壤滲透性的重要因素之一。研究發現隨著根長密度的增加，土壤滲透性各項參數明顯增強，且呈現出顯著的線性關系，主要是由于根系穿插、延伸過程中所形成橫向和縱向的植物根孔，進而影響土壤滲透性。這對探索城市綠地土壤滲透機理有重要意義，對此，在課題的后續研究中尚待補充和加強。

4 結論

(1)對深圳市不同綠地土壤的初滲率、平均滲透率、穩滲率和滲透總量4項參數進行多重比較，結果表明： 各綠地土壤水分滲透率依次為：G2生產綠地>G3防護綠地>G5其他綠地>G1公園綠地>G4附屬綠地；入滲率隨著土壤深度增加呈減小趨勢：0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm；3項滲透特征值大小依次為：初滲率>平均滲透率>穩滲率。在所研究區域內具有良好的水分入滲性能。

(2)由于考氏經驗公式對水分入滲模型擬合的相關系數R2≥0.748 8，說明考氏經驗公式對深圳市主要綠地土壤水分入滲過程具有較好的適用性。

(3)對不同綠地土壤滲透性與主要土壤因子進行相關性分析，結果發現，初滲率、平均滲透率和穩滲率與土壤容重呈極顯著負相關，與土壤總孔隙度和非毛管孔隙度呈極顯著正相關，平均滲透率與毛管孔隙度呈顯著負相關，其余比對之間雖有一定的正、負相關關系，但差異均未達到顯著水平。