天津市不同功能區土壤物理特性研究

李 銀, 楊 潔, 李 巖

(1.天津市水利科學研究院, 天津 300061； 2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司， 陜西 西安 710075)

天津市地處海河流域的下游，由于地勢低洼，又處于九河下梢，經常遭受洪、澇、潮等災害的侵襲，因此天津的防洪災問題一直是水利部門工作的重中之重。而大量研究表明下凹式綠地對提升城市綠地的水文調蓄功能具有重要意義[1-3]。但在實際實施中由于土壤滲透條件不同，綠地植被選取、降雨徑流等因素的不同，土地使用規劃和景觀規劃等限制，因此在設計下凹式綠地時，不能簡單的套用設計規范，必須根據實際對下凹式綠地的設計參數進行分析和優化，才能得出一種適應當地條件的適用性較強的配置模式。而下凹式綠地土壤的特性以及滲透能力對下凹式綠地的植物選取、下凹深度以及綠地面積的設計至關重要。據此文中對天津市常用綠化土壤的基本性質以及滲透性能進行研究，以便為天津市下凹式綠地的設計及推廣應用提供參考及理論依據。城市化過程中土壤的利用方式發生改變，從而使土壤環境和土壤理化性質發生明顯的變化[4]。植被類型會使土壤表面的覆蓋程度不盡相同，造成了土壤溫度、濕度的不同，加之不同植被群落結構植物的生長狀況、枯枝落葉多少有別，從而影響了土壤微生物的數量和活動狀況[5-6]，以及土壤物理化學特性。因此文中選自天津不同功能區不同植被類型下的土壤進行研究。以往的研究主要集中于土壤的化學性質上[7-9]，對有關天津土壤物理特性的研究不多，而土壤物理特性中土壤含水率、土壤容重以及土壤孔隙度對土壤的滲透性能有很重要的影響。劉汗等[10]在研究土壤含水率對黏黃土入滲性能的影響中發現土壤含水率越高土壤入滲能力越小；劉艷麗等[11]在不同土地利用方式對黃河三角洲土壤物理特性研究中發現，有植被土地利用方式的土壤容重降低，而土壤孔隙度與飽和含水量有相應的提高；檀海洋等[12]對不同功能區城市土壤理化性質及入滲特性研究中得出土壤密度越大將使孔隙度變小，土壤滲透性變弱。可見，土壤的物理性質顯著影響土壤的滲透性能，從而影響下凹式綠地的設計。因此，文中選取天津市不同功能區不同植被類型(草坪、灌木)的土壤進行物理特性以及滲透性能研究。

1 試驗材料

根據天津市土地利用類別和人類活動強度，選取天津不同功能區土壤，包括公園區(水上公園、梅江公園)、郊區林帶(郊野公園)、文教區(天大校區)、居民生活區(南開大學居民區)、道路交通區、工業區，具體的經緯度詳見表1。在不同植被類型(草坪、灌木)下選擇具有代表性的3個樣地，共42個樣地，每個樣地采集0—30 cm的表層混合土樣以及原狀土樣，其中混合土樣測定土壤的顆粒級配和含水率，原狀土樣測定土壤容重和滲透系數。

表1 采樣區的經緯度

2 試驗方法與數據處理

2.1 試驗方法

依據《土工試驗方法標準(GB/T50123-1999)》規范進行測定。土壤顆粒級配分析采用密度計法；土壤含水率測定采用恒溫箱烘干法；滲透試驗采用變水頭試驗方法。土壤容重采用環刀法測定。土壤容重是指單位體積土的重量，由土壤孔隙和土壤固體的數量來決定。用來計算土壤的總孔隙度，還可用于估計土壤的松緊和結構狀況。土壤孔隙度，通過土壤容重和土粒比重換算得出。是指自然狀態下，土壤中孔隙的體積占土壤總體積的百分比。不僅影響土壤的通氣狀況，而且反映土壤的松緊度和結構狀況的優劣。計算公式為：

土壤孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100

試驗在各個功能區的不同植被類型(草坪和灌木)下，采集具有代表性的3個土樣，以減小誤差性增加試驗可靠性。

2.2 數據處理

采用Excel和SPSS 19.0進行數據處理，運用SPSS 19.0統計每個采樣點土壤樣品指標的平均值、標準誤及標準差，并對土壤性質指標之間進行相關性分析。

3 結果與分析

3.1 不同功能區草坪與灌木土壤的顆粒組成分析

對采集的土樣利用密度計法進行顆粒級配分析，為了更好的對比天津城市不同功能區不同植被類型下每種土壤顆粒級配的差異，每組數據取3個樣地的平均值進行對比分析，結果詳見表2。由表2可以看出，對于不同植被類型的表層土壤，各個功能區中草坪與灌木的顆粒組成(砂粒、粉粒、黏粒)差異不大，但整體上砂粒表現為:草坪>灌木，粉粒與黏粒為灌木>草坪。對于不同功能區的表層土壤，除居民生活區表層土壤屬于粉土以外，其他6個功能區表層土壤均屬于粉質黏土。居民生活區土壤顆粒組成中砂粒占了將近50%，粉粒比重也有40%多，黏粒占比很小，小于10%；而公園(水上公園、梅江公園)以及文教區顆粒組成中砂粒為12%～17%，粉粒為60%～66%，黏粒為20%～25%；郊區林帶、道路交通區與工業區顆粒組成中砂粒為7%～12%，粉粒為68%～75%，黏粒為15%～22%。這是由于居民生活區選自南開大學居民區屬于老居民區，人為侵入體較多，具有明顯的富砂性，這與文獻[13-14]中對南京以及鄭州市不同功能區城市土壤的調查結果一致。同時天津市表層土壤只有個別土壤為砂性，大部分土壤質地較細，這與參考文獻[15]對開封市不同利用類型城市土壤的研究發現一致。可見，植被類型(草坪與灌木)對表層土壤的顆粒組成影響不大；不同功能區對表層土壤顆粒組成有影響，天津市表層土壤只有老居民區等個別土壤為粉土，其他大部分土壤為粉質黏土。由于成土母質影響著土壤的質地以及土壤的顆粒組成[16]，通過對天津城市不同功能區土壤顆粒組成對比可知土壤的顆粒組成差異不是很大，可以認為土壤自然發育過程主導著土壤顆粒組成。

表2 天津市不同功能區土壤的顆粒組成分析

注：分類標準為GB 50021—2001(2009版)。

3.2 不同功能區草坪與灌木土壤含水率分布特征

城市功能區是發揮某種特定城市功能的地域空間，是實現社會經濟職能的重要載體，對城市內部環境有著深刻的影響[17]。對天津不同功能區草坪與灌木土壤含水率分布特征進行研究，結果如圖1所示。由圖1可以看出，各個功能區之間的土壤含水率存在一定的差別，表現為梅江公園含水率23.60%最大；其次為郊區林帶21.83%，道路交通區21.83%和工業區21.57%；之后為文教區20.35%和水上公園20.27%；居民生活區含水率最小為13.87%。對于植被類型而言(圖1)，其中水上公園、居民生活區、道路交通區的草坪土壤含水率>灌木土壤含水率，而梅江公園、郊區林帶、文教區以及工業區的灌木土壤含水率高于草坪土壤含水率。但整體上土壤含水率表現為草坪略高于灌木，這是由于草坪低矮緊密，密實性很高，故而蓄水功能強；同時灌木的蒸騰作用大于草坪的蒸騰作用，灌木根系吸收和消耗了土壤中更多的水分，從而使土壤含水率降低[18]。

圖1 天津市不同功能區草坪與灌木土壤含水率

3.3 不同功能區草坪與灌木土壤容重的分布特征

土壤容重與孔隙度是土壤基礎物理性質指標，直接影響土壤的持水性和透水性，對土壤水源涵養功能具有重要作用[11]，還可用于估計土壤的松緊和結構狀況。正常土壤的容重約為1.3 g/cm3左右，但是大部分城市的土壤容重都高于此值[19]。對天津不同功能區草坪和灌木土壤容重進行分析，結果如圖2所示。由圖2可以看出，天津草坪與灌木土壤容重的變化范圍分別為1.36～1.50 g/cm3，1.34～1.55 g/cm3，均大于1.3 g/cm3，這與以往的研究結果一致。說明天津地區土壤壓實作用嚴重，造成土壤容重增大。就不同功能區而言，土壤容重存在一定的差別，在草坪覆蓋下，表現為：道路交通區>梅江公園>水上公園>工業區>文教區>居民生活區>郊區林帶；灌木覆蓋下，為道路交通區>郊區林帶>水上公園>梅江公園>工業區>文教區>居民生活區。可以看出，除郊區林帶外，其他功能區土壤容重的大小變化趨勢與在草坪時的一致，這是由于草坪相對于灌木而言，易受人為活動的影響，而郊區林帶由于遠離市內，草坪相對于其他功能區受人為干擾較小，從而使土壤容重最小。可見，植被類型對土壤容重影響不大。不同功能區土壤容重總體上呈現：道路交通區>公園區(水上公園與梅江公園)>工業區>文教區>郊區林帶>居民生活區。表現為道路交通區最大，這是由于土壤容重與人為擾動、人為活動有密切關系，而道路交通區受到龐大的人流、車流所形成的交通環境影響，土壤壓實嚴重導致容重最大；公園區人流量大，使得土壤容重相應的也很大；工業區車輛通行很多、人流量也不少，故而土壤較密實；文教區是學生學習場所，周邊環境相對穩定，人流量大并且穩定，日積月累使得土壤壓實嚴重容重變大；郊區林帶位于郊區，主要是自然形成，受到的人為擾動較小；居民生活區由于遠離工業區和主干道，受到的污染和人為擾動較輕，再加上居民生活區的土質為粉土，所以土壤更加松散，容重最小[12,17]。就植被類型而言(圖2)，整體上表現為：草坪土壤容重<灌木土壤容重，這是由于灌木郁閉度較高，自然土壤擾動較輕，因而土壤容重較草坪大；同時植物的根系也會影響土壤的容重，這是由于根系在土壤中穿插會占據土壤中的孔隙，同時導致土壤顆粒移動和結構變化，從而導致土體的物理性質發生改變，進而影響土壤的容重、孔隙特征和水(養)分運移[20]。而此次采集的土壤為0—30 cm的表層土壤，同時草坪根系主要分布在0—20 cm[21]，且低矮緊密，因而采集的草坪土壤會夾雜有少量根系，使得土壤孔隙度較灌木大，容重較灌木小。但對于公園區(水上公園、梅江公園)、居民區以及工業區的草坪土壤容重卻高于灌木土壤容重，這是由于這三種功能區主要是人為活動聚集區，草坪受到人為踐踏相對于其他功能區比較嚴重，所以草坪土壤容重要高于灌木土壤容重。

圖2 天津市不同功能區草坪與灌木土壤容重特征

3.4 不同功能區草坪與灌木土壤孔隙度分布特征

土壤孔隙度與土壤容重具有相反的特征。土壤壓實越嚴重，容重越大，孔隙度越小[22]。一般用土壤容重和孔隙度來反映土壤的壓實程度[23]。圖3為不同功能區草坪與灌木土壤孔隙度的分布特征。由圖3可以看出，土壤孔隙度總體為42.50%～52.80%，其中居民生活區49.67%最大，其次為郊區林帶48.00%，文教區47.92%，工業區46.88%，水上公園45.91%，梅江公園45.58%，道路交通區最小為44.98%。就植被類型而言，其中公園區、居民區與工業區的草坪土壤孔隙度略小于灌木土壤孔隙度，而郊區林帶、文教區以及道路交通區的草坪土壤孔隙度大于灌木土壤孔隙度，但總體上土壤孔隙度表現為:草坪>灌木，與土壤容重正好呈現相反的變化趨勢，出現這種規律的原因與土壤容重的原因相同也主要是由于人為干擾、植物根系的作用。

圖3 天津市不同功能區草坪與灌木土壤孔隙度

3.5 不同功能區草坪和灌木的土壤滲透系數

土壤滲透系數是綜合反映土體滲透能力的一個指標，影響土壤滲透系數大小的因素很多，主要取決于土體顆粒的形狀、大小、不均勻系數和水的粘滯性等。土壤滲透系數是土壤滲透性能的主要表征指標，而土壤滲透性能與土壤質地、孔隙度、土壤濕度有關[12,24-25]。同時土壤的地形狀況以及土地利用方式等也會影響土壤的滲透能力[26]。對天津不同功能區的草坪和灌木土壤滲透系數進行分析，結果如圖4所示。

圖4 不同功能區草坪與灌木的土壤滲透系數特征

由圖4可以看出，不同功能區的草坪和灌木土壤滲透系數差異很大，少數最大可達10-3cm/s數量級，最小的為10-6cm/s數量級，而且在同一功能區內，土壤滲透系數也波動很大。就植被類型而言，草坪土壤滲透系數>灌木土壤滲透系數，這與土壤的孔隙度特征一致，與土壤密度特征相反。就不同功能區而言，以文教區土壤滲透系數9.5E-04 cm/s最大，這是由于取樣地有種植蔬菜，而土壤耕種會翻新，松化土壤結構，使得土壤孔隙度大，滲透系數大；其次梅江公園土壤滲透系數為2.1E-04 cm/s；居民生活區土壤滲透系數為2.0E-04 cm/s，這是由于居民生活區土質為粉土，故而滲透系數較大；工業區土壤滲透系數為1.8E-04 cm/s；郊區林帶土壤滲透系數為1.6E-04 cm/s；水上公園土壤滲透系數為9.4E-05 cm/s，這是由于水上公園人流量大，人為干擾大，使得土壤密實較其他功能區嚴重，導致滲透系數小；道路交通區土壤滲透系數最小為5.1E-05 cm/s，這是由于道路交通區受到龐大人流、車流的影響，造成土壤容重大，滲透系數小。總體趨勢表現為：文教區>居民生活區>工業區>郊區林帶>公園區>道路交通區，大小趨勢主要是受人為因素的影響，包括人為踩踏、噴灌、種植、耕作等[12,23,27]。

對于滲透性的分級，依據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50287-99)中巖土體滲透性的分級標準，對天津市草坪和灌木土壤的滲透系數進行分類(表3)。由表3可知，天津僅有4.76%的草坪土壤屬于微透水情況，其他草坪與灌木土壤均屬于弱透水和中等透水。可見，天津草坪與灌木土壤以弱透水和中等透水為主。因此，后續進行下凹式綠地設計時應該考慮天津土壤的滲透性能，有必要時對土壤進行改良，以便更好地滲蓄雨水。

表3 天津市草坪和灌木土壤滲透系數頻率分布

3.6 土壤性質間的相關性分析

3.6.1 土壤滲透系數與土壤物理性質之間的相關性分析 運用Pearson相關系數法對天津土壤滲透系數與其物理性質的相關性進行分析，結果詳見表4。從表4可知，天津土壤的滲透系數與土壤含水率、土壤容重呈負相關性，與土壤孔隙度呈正相關性。這是由于土壤含水率高將使土壤入滲通量減小，從而使土壤滲透系數變小[19]；而土壤容重是通過影響土壤孔隙度來影響土壤滲透系數的，土壤容重越大將使孔隙度變小，從而使土壤滲透性變弱，同時土壤容重越小使得孔隙度越大，滲透性越強[12,28]。土壤滲透系數與土壤顆粒組成的砂粒和黏粒呈正相關，與粉粒呈負相關。相關性結果與檀海洋[12]對淮南市不同功能區城市土壤入滲性能與土壤物理性質的相關性分析結果一致。

表4 土壤滲透系數與土壤物理性質相關性分析

3.6.2 土壤物理性質間的相關性分析 對天津土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度以及顆粒組成(砂粒、粉粒、黏粒)相互之間的相關性進行分析，結果詳見表5。從表5可以得出，土壤含水率與粉粒、黏粒呈顯著正相關；與砂粒呈極顯著負相關，與孔隙度呈顯著負相關。土壤容重與土壤孔隙度的相關性特別好為r=-0.993(|r|>0.(9)，呈現極顯著負相關關系，這與以往的研究結果一致，這是由于土壤容重越大，土壤越緊實粘重，孔隙越差；土壤容重越小，土壤越松散，孔隙越好[23]。

表5 土壤物理性質的相關性分析

注：“*”表示在0.05水平上顯著相關； “**”表示在0.01水平上顯著相關。

4 結 論

(1) 天津市不同功能區對表層土壤顆粒組成有影響，除老居民生活區屬于粉土外，其他功能區均屬于粉質黏土；不同植被類型(草坪與灌木)對表層土壤的顆粒組成影響不大，整體上砂粒表現為：草坪>灌木，粉粒與黏粒表現為：灌木>草坪。

(2) 天津市不同功能區土壤含水率為梅江公園最大，其次為郊區林帶、道路交通區以及工業區，之后為文教區與水上公園，居民生活區最小；不同植被類型土壤含水率表現為：草坪>灌木。

(3) 土壤容重與人為擾動有密切關系，數值均大于1.3 g/cm3，說明天津土壤壓實嚴重，表現為:道路交通區>公園區>工業區>文教區>郊區林帶>居民生活區；其中，草坪土壤密度<灌木土壤密度。

(4) 土壤孔隙度與土壤容重具有相反的特征，總體為42.50%～52.80%，且草坪土壤孔隙度>灌木。

(5) 各個功能區間的滲透系數差異很大，變化范圍為8.8E-06～1.3E-03 cm/s，大小趨勢主要是受人為因素的影響，表現為：文教區>居民生活區>工業區>郊區林帶>公園>道路交通區。就植被類型而言，草坪土壤滲透系數>灌木土壤滲透系數，這與土壤的孔隙度特征一致，與土壤容重特征相反。天津草坪與灌木土壤以弱透水和中等透水為主。因此，后續進行下凹式綠地設計時應該考慮天津土壤的滲透性能，有必要時對土壤進行改良，以便更好的滲蓄雨水。

(6) 天津市土壤的滲透系數與土壤含水率、土壤容重呈負相關性，與土壤孔隙度呈正相關性；土壤容重與土壤孔隙度呈現極顯著負相關；土壤孔隙度與土壤含水率呈顯著負相關。