不同結構城市綠地土壤滲透性影響研究

余夢舒,李雅平,劉 青,曹 凱,詹龍奎

(江西農業大學 園林與藝術學院,江西 南昌 330045)

城市化進程的迅速發展加劇了對生態環境的脅迫,導致土壤生物的生存環境被破壞,綠地土壤容重增大，孔隙度降低,城市綠地土壤的滲透性能下降[1-3],城市綠地無法形成自肥維持機制，無法維持水文循環的穩定,城市綠地的生態效應逐步弱化。同時由于城市不透水地面快速增加,雨水無法及時通過地表下滲到土壤中,改變了原有的水文環境及生態環境的自然循環過程,導致地表徑流量增大,從而發生城市內澇。土壤入滲作為評價土壤水分調控能力的一個重要指標[4],也是城市綠地中削減和管理徑流的關鍵環節,在城市雨洪消減、地下水補給、凈化生態環境、促進植物生長等方面發揮了重要的作用[5-8]。

目前對于城市綠地土壤滲透的研究主要集中在不同綠地類型土壤的滲透性特征,研究表明土壤的滲透性能與自身的理化性狀,包括容重、孔隙度、質地和有機質相關[9-13],同時有研究表明土壤的滲透性能也受降雨、溫度以及人為因素的影響[14-16]。

城市中的綠地削減和徑流管理基本上是依靠土壤的入滲功能,而土壤的入滲功能對城市綠地雨水蓄滲效應的發揮也有重要的影響[17-19]。本研究以江西農業大學不同結構城市綠地的土壤為研究對象,研究了不同植被結構城市綠地土壤的滲透率、容重、非毛管孔隙率、毛管孔隙率、總孔隙率和含水率的差異。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區范圍及概況

根據江西農業大學的綠地凋落物量、面積大小、植被結構類型確定采樣點,分為南校、北校兩個采樣區,分別用S、N標記南北區,用A、B、C、D、E標記不同植被結構綠地；分別對校園內常見的喬灌草、喬草、灌草、草、喬五種植被結構類型綠地土壤進行采集,并記錄凋落物的情況；選取約10 m×10 m的綠地為采樣地,共10個樣地,再根據樣地的植被情況用五點法進行取樣,最終選擇的取樣地見圖1。

圖1 土壤采樣地分布圖

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日進行,期間連續72 h無降水、無澆水。使用五點法對土壤進行取樣,每個樣點取3層(0～5、5～10、10～15 cm),共計150個樣,取完后立即稱重(精確到0.01 g)。

1.2.2 樣品處理 土壤滲透率采用環刀法進行測定,用環刀采集好樣本后,將裝有原狀土的環刀帶回實驗室,放入平底盆水中浸泡24 h，然后取出,在環刀上方接1個空環刀(環刀高5 cm,體積100 cm3),并從外側用透明膠密封兩個環刀之間的縫隙,將環刀放到滲透架上事先準備好的玻璃漏斗上,保持環刀口水平,向空環刀內加水至略低于環刀口,從漏斗下方滴下第一滴水開始計時,根據水流出的快慢,每隔1、2、5 min更換漏斗下的燒杯,并分別測量滲水量。

1.2.3 土壤特征指標的測定 土壤的滲透能力與土壤的容重、含水率、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度等有關。因此選擇以上指標作為研究指標,其測定方法參照中華人民共和國林業行業標準《森林土壤分析方法》,均采用環刀法[20]。

滲透速度的計算公式如下:

式中:V為滲透速度(mm/min);Qn為n次滲透的水量(mL);tn為每次滲透所間隔的時間(min);S為環刀面積(m2)。

1.2.4 數據處理與分析方法 應用Microsoft Excel 2013整理實驗數據,使用SPSS 20.0對土壤的滲透性能進行分析,采用Origin 9.0制圖。

2 結果與分析

2.1 不同植被結構類型土壤滲透率的比較分析

由圖2可知不同植被結構類型土壤之間的滲透速率有明顯的差異。5種植被結構類型土壤初始入滲率的均值排序為:喬灌草(2.79 mm/min)>喬(2.50 mm/min)>灌草(1.40 mm/min)≥喬草(1.40 mm/min)>草(0.46 mm/min)；初始滲透率越高,單位時間內下滲的水分就越多,由此表明,在相同時間內喬灌草結構類型土壤比其他結構類型土壤能吸收更多的水分。而穩定滲透速率越高,飽和速率就越高。

圖2 5種植被結構土壤的滲透速率

在降雨時,若達到飽和速率的時間長則可有效推遲地表洪峰的形成。不同植被結構土壤的穩定滲透速率排序為:喬(1.57 mm/min)>喬灌草(1.49 mm/min)>灌草(0.93 mm/min)>喬草(0.67 mm/min)>草(0.31 mm/min)；不同植被結構土壤的滲透速率均值排序為喬(1.90 mm/min)>喬灌草(1.84 mm/min)>灌草(1.03 mm/min)>喬草(0.92 mm/min)>草(0.33 mm/min)。

上述結果表明：喬結構類型土壤的滲透性能比較強；草結構類型土壤的滲透性能較弱,其初始、穩定入滲率都最低,而且達到穩定滲透速率的用時最短；植被結構較豐富的土壤滲透能力較強。

2.2 各土層間不同植被結構類型土壤的滲透速率

由圖3可知,在凋落物的長期影響下,不同植被結構類型在各土層間的滲透速率有明顯的差異。0～5 cm土層整體滲透速率排序為:喬(2.34 mm/min)>喬灌草(1.92 mm/min)>喬草(1.49 mm/min)>灌草(0.85 mm/min)>草(0.42 mm/min)。

圖3 不同植被結構土壤各土層的滲透速率

5～10 cm土層不同植被結構類型土壤的初始滲透率為2.75～0.48 mm/min。5～10 cm土層的整體滲透速率排序為:喬(1.88 mm/min)>喬灌草(1.25 mm/min)>灌草(1.23 mm/min)>喬草(0.41 mm/min)>草(0.32 mm/min)。

10～15 cm土層不同植被結構土壤的初始滲透率在2.75～0.36 mm/min。10～15 cm土層的整體滲透速率排序為:喬灌草(2.10 mm/min)>喬(1.25 mm/min)>灌草(0.96 mm/min)>喬草(0.64 mm/min)>草(0.24 mm/min)。

從整體上分析,喬、草結構類型土壤的滲透速率隨著土壤深度的加深呈下降趨勢；其余結構類型土壤各土層的滲透速率規律不明顯。草結構類型各土層的滲透速率一直比其他結構類型各土層的低。各土層的初始入滲率均值大小排序為:0～5 cm土層(2.09 mm/min)>5～10 cm土層(1.62 mm/min)>10～15 cm土層(1.41 mm/min),均值為1.71 mm/min;各土層的穩定滲透速率均值大小依次為:0～5 cm土層(1.09 mm/min)>5～10 cm土層(1.02 mm/min)>10～15 cm土層(0.88 mm/min),均值為0.99 mm/min;各土層的整體滲透速率排序為:0～5 cm土層(1.40 mm/min)>5～10 cm土層(1.18 mm/min)>10～15 cm土層(1.04 mm/min),整體均值為1.21 mm/min。土層的初始入滲率、穩定入滲率隨著土層的加深呈現降低的趨勢；不同植被結構類型在0～5 cm土層的滲透性能都較強。

2.3 土壤的基本特征

2.3.1 土壤容重 由表1可知,5種植被結構土壤的容重均值大小排序為:喬灌草(1.37 g/cm3)<喬(1.39 g/cm3)<喬草(1.43 g/cm3)≤灌草(1.43 g/cm3)<草(1.51 g/cm3)。

表1 不同結構類型土壤各土層的基本特征

喬灌草結構類型搭配復雜,植物根莖多,土壤結構疏松多孔;喬木結構植被單一,但取樣地凋落物較多,凋落物在一定程度上起到了減輕雨水沖刷的作用;喬草及灌草結構的土壤容重比草結構的土壤容重小,最大原因是前者的植物根系比后者多并且更深。草結構類型的土壤容重最大,究其原因：一方面草坪更容易遭人為踩踏,導致土壤被壓實；另一方面,草在生長期間需更多養護,在澆灌大量水分后土壤水分蒸發較快,容易導致土壤板結,使容重增大。

不同土層的容重大小也不同,0～5 cm土層容重在1.37～1.53 g/cm3,5～10 cm土層容重在1.37～1.49 g/cm3,10～15 cm土層容重在1.38～1.52 g/cm3,其中喬灌草在不同土層間容重都為最小,而草結構類型都最大；不同土層的平均容重排序為:5～10 cm土層(1.43 g/cm3)≥10～15 cm土層(1.43 g/cm3)>0～5 cm土層(1.42 g/cm3)。

2.3.2 土壤非毛管孔隙度 喬結構類型土壤的非毛管孔隙度為4.54%～5.16%,喬灌草結構類型在8.12%～9.48%,喬草結構類型在3.38%～4.38%,灌草結構類型在2.50%～3.03%,草結構類型在2.94%～3.53%；5種植被結構類型土壤的非毛管孔隙度均值排序為:喬灌草(8.68%)>喬(4.83%)>灌草(3.18%)>喬草(3.13%)>草(1.07%),草結構類型土壤有明顯的踩踏痕跡,土壤壓實,容重增大,導致土壤的孔隙度降低,所以草結構類型土壤的下滲性能降低。

不同土層的非毛管孔隙度均值排序為:0～5 cm(4.13%)<5～10 cm土層(4.18%)<10～15 cm土層(4.23%),均值為4.18%,說明非毛管孔隙度整體上隨著土層深度的加深而呈增大趨勢。

2.3.3 土壤毛管孔隙度 不同植被結構類型土壤的毛管孔隙度影響土壤的持水能力,毛管孔隙度越小,土壤的持水能力越強。喬結構類型土壤的毛管孔隙度在40.10%～41.44%,喬灌草結構類型在40.71%～42.03%,喬草結構類型在37.79%～41.42%,灌草結構類型在37.79%～41.42%,草結構類型在37.09%～39.10%；5種植被結構類型土壤的毛管孔隙度均值排序為:喬灌草(41.27%)>喬(40.87%)>灌草(40.76%)>喬草(40.00%)>草(38.36%)；雖然草結構類型土壤的持水性能較強,但是其非毛管孔隙度、毛管孔隙度都較低,在雨天情況下,草結構類型可以持更多的水分,但是其滲透性能弱,水分無法下滲,可能會造成水淹植物的現象,同時可以反映出草結構類型土壤的不穩定性。

不同土層的毛管孔隙度均值排序為:10～15 cm土層(39.75%)<5～10 cm土層(40.48%)<0～5 cm土層(40.53%),均值為40.25%,表明毛管孔隙度整體上隨著土壤深度的加深呈減小的趨勢。

2.3.4 土壤總孔隙度 不同植被結構類型土壤的總孔隙度排序為:喬灌草(46.47%)>喬草(41.04%)>喬(40.70%)>灌草(40.69%)>草(39.44%)；綜合比較,喬灌草結構類型土壤的總孔隙度最高,在雨水滲透方面效果較好;而草結構類型土壤可能受人為踩踏,土壤壓實度較高,總毛管孔隙度最低,而且其表層缺少凋落物對雨水的阻攔,可能會導致草地結構的不穩定,容易造成土壤板結而土壤通氣透水能力減弱。

0～5 cm土層的總孔隙度變化范圍在39.96%～51.51%,5～10 cm土層在39.95%～49.50%,10～15 cm土層在38.39%～46.24%；其中喬灌草結構類型土壤的非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度在不同土層間都最高,而草結構類型土壤都最低。

不同土層的總孔隙度均值排序為10～15 cm土層(43.98%)<5～10 cm土層(44.66%)≤0～5 cm土層(44.66%)；總孔隙度均值為44.43%。

2.3.5 土壤含水率 土壤的含水率也能反映大部分綠地的保水能力,可作為檢驗綠地保水能力的重要因素之一。整體上不同植被結構類型土壤的含水率排序為:喬草(17.58%)>喬灌草(17.30%)>喬(17.27%)>灌草(16.94%)>草(16.07%)。由于在冬季干燥少雨,所以喬灌草植物可能通過吸收更多的土壤水分來減少蒸騰作用,導致其土壤含水率比喬草低；而喬結構類型土壤的含水率不低，其主要原因是較多的凋落物發揮了較好的涵養效果。

0～5、5～10、10～15 cm土層的含水率變化范圍分別在16.86%～18.51%、16.69%～17.70%、14.94%～17.52%；不同土層的含水率均值排序為:0～5 cm土層(17.63%)>10～15 cm土層(16.78%)>5～10 cm土層(16.69%)。

對比不同土層的各項指標發現,0～5 cm土層的滲透性能及土壤基本特性都比較好。因此,在城市綠地設計過程中,針對滲透能力需求較高的綠地,宜選擇較為豐富的植被結構類型，增加植物種類和數量；此外,可以考慮適當保留凋落物在綠地內,還要減少人為的踩踏,加強綠地管理。

2.4 綠地土壤滲透性能的影響因素分析

由表2初始入滲速率、穩定入滲速率與土壤基本性質間的相關性分析結果可以看出:不同植被結構類型土壤的初始入滲率、穩定入滲率與土壤容重呈顯著負相關,說明土壤容重越大,滲透能力越弱;土壤的非毛管孔隙度與初始入滲率呈顯著的正相關,說明非毛管孔隙度越大,初始入滲率越高;土壤的初始入滲率、穩定入滲率與毛管孔隙度、總孔隙度呈顯著正相關,說明毛管孔隙度與總孔隙度越大,初始入滲率與穩定入滲率越高。

表2 土壤性質與滲透性能間的相關系數

3 結論與討論

5種植被結構類型土壤的入滲速率在前10 min內下降速度較快,隨后緩慢下降,最后在120 min時基本上趨于穩定狀態。不同植被結構類型土壤的滲透速率排序為:喬>喬灌草>灌草>喬草>草。綜合分析,喬灌草結構與喬結構類型土壤的滲透能力較強,草地結構土壤的滲透能力較弱。不同土層的整體滲透速率以0～5 cm土層最大,以10～15 cm土層最小,校園內整體滲透速率均值為1.21 mm/min。

土壤的初始入滲率、穩定入滲率與土壤容重呈顯著負相關,土壤的非毛管孔隙度與初始入滲率呈顯著正相關。在植被結構豐富及凋落物較多的綠地,土壤性質都較好。

土壤的滲透性能是降雨-徑流循環中的一個關鍵因子,建立、健全對城市綠地的保護措施,減少人對土壤的踩踏壓實,對改善土壤滲透率等有促進作用,進而可以促進植物生長,美化環境,減少城市內澇的幾率。

本研究沒有涉及不同植被結構類型土壤上凋落物的分解養分轉化以及凋落物對土壤理化性質的影響,這有待今后開展進一步的研究。