深圳城市綠地土壤水庫特征及影響因素

黃 暉, 畢舒貽, 字肖萌, 廖耿強, 溫暖玲, 葉子駒, 茹正忠

(1.深圳市真和麗生態環境股份有限公司, 廣東 深圳518052;2.深圳市真和麗生態環境科技研發中心, 廣東 深圳 518052; 3.中國科學院 西雙版納熱帶植物園公共技術服務中心 生物地球化學實驗室, 昆明 650023; 4.龍崗區城市管理行政執法局, 廣東 深圳 518116)

城市化是人類社會發生的最為顯著的變化之一，也是人類發展的必然趨勢[1]。城市化往往伴隨著相當部分的下墊面被開發為不透水下墊面，使得城市水文循環發生劇烈變化，導致城市內澇風險不斷增加[2]。城市內澇現象是我國最常見的自然災害類型之一，隨著極端暴雨天氣頻現，逢暴雨必澇已成為我國城市的真實寫照[3]。

以末端排放為核心的傳統地下雨水管網系統并不足以有效應對日益增大的泄洪壓力；另一方面，面對國內人均水資源的極度缺乏，排泄的雨水無疑是資源的嚴重流失[4]。通過低影響開發(LID,Low impact development)等綜合工程措施將發揮城市作為“海綿體”對雨水吸納、蓄存與再利用功能，將城市排水從“快”排轉到“滲、滯、蓄、凈、用、排”，最大限度地實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化，由此減少洪澇災害，實現水資源平衡，是真正解決城市內澇問題的有效途徑[5]。

土壤作為“城市海綿體”至關重要的元素之一，可通過土壤水分入滲存蓄天然降水，發揮出明顯的存蓄、調節水分的功能，也被稱之為“土壤水庫”[6]。土壤蓄水能力相當于土壤水庫的“庫容”，一般用總庫容、有效庫容、死庫容和滯洪庫容來評價土壤水庫特征[7]。開展城市綠地土壤水庫特征研究，是海綿城市建設的一個重要環節，也是低影響開發技術的重要構件，對增加城市雨水存蓄、減少暴雨雨洪徑流有著重要意義。

土壤水庫特征研究已有先例報道，但多集中于自然林地或農田[8-11]，城市綠地土壤水庫僅有有限幾例報道[6,12]。深圳作為全國主要大型城市，綠地面積率高達45%，然而對于深圳綠地土壤水庫特征基本情況及其影響因素研究還有待開展，這限制了發揮綠地土壤的雨洪利用和調蓄功能。鑒于此，本研究選取深圳市具有代表性的城市綠地，在不同土層深度開展綠地土壤水庫特征調查，同時探究深圳綠地土壤水庫特征與土壤物理性質之間的關系，以期為城市綠地土壤管理改良、海綿城市建設提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

深圳位于廣東省中南沿海地區，東經113°46′—114°37′，北緯22°24′—22°52′，屬亞熱帶海洋性氣候，年平均氣溫22.4 ℃，年降雨量1 933.3 mm。本研究將深圳市8個綠地納入研究范圍，公園綠地：中山公園、大沙河公園、紅樹林生態公園、蓮花山公園、深圳灣公園；生活綠地：野生動物救護基地、鹽田污水處理廠綠化區；交通綠地：龍翔大道綠化區。經過實地調查，深圳市綠地常見植物喬木有：香樟(Cinnamomumcamphora)、火焰木(Spathodeacampanulata)、垂葉榕(Ficusbenjamina)、小葉欖仁(Terminaliacatappa)，黃槐(Cassiasurattensis)等；灌木有：龍船花(Ixorachinensis)、紅背桂(Excoecariacochinchinensis)、紅花檵木(Loropetalumchinense)，三角梅(Bougainvilleaglabra)等；草地有：狗牙根(Cynodondactylon)、高羊茅(Festucaelata)，細葉結縷草(Zoysiatenuifolia)等。

1.2 試驗方法與分析儀器

本研究根據采樣地實際情況設計選擇采樣點，采集0—30 cm上層土壤及30—60 cm下層土壤，每個樣點三次重復，其中公園綠地、小區綠地、交通綠地分別采樣92個、40個、22個共154個鮮土樣品及對應的原狀環刀樣品。分析測試主要儀器包括：上海產DHA-0140A烘箱(溫度為±1℃)；樂琪LQ-C5001天平(精度為0.01 g)，取樣環刀規格為100 cm3(天平，環刀皆由北京樂琪科學器材有限公司提供)。

2 測定項目與方法

2.1 土壤水庫庫容計算

計算土壤水庫庫容是根據土壤容重、質量含水量以及土層深度來計算：

W=0.1×ρ×θ×h

式中：W為土壤各類型水庫庫容(mm)；ρ為土壤容重(g/cm3)；θ為土壤各水分常數(%)；θ為飽和含水量時對應的W為土壤總庫容；θ為凋萎含水量時對應的W為死庫容；θ為飽和含水量與田間持水量之差時對應的W為滯洪庫容；θ為田間持水量與凋萎含水量之差時對應的W為有效庫容；h為土層厚度(cm)。

2.2 土壤物理性質測定

用環刀采樣器在每個測定點分層取環刀土樣(環刀體積為100 cm3)，用于測定土壤飽和含水量及田間持水量，土壤凋萎含水量參照中華人民共和國林業行業標準(見《森林土壤分析方法》)[13]；此外，每層分別取適量土樣，一部分用電子天平于現場快速測定土壤濕重，隨即裝入鋁盒帶回實驗室，置于120℃烘箱烘干后測定土壤質量含水量；將另一部分土樣自然風干、過篩，測定土壤機械組成。土壤總孔隙度、毛管孔隙度、通氣孔隙度、容重、機械組成的測定參照國標[14]。

2.3 數據統計分析

采用Excel 2003和SPSS 17.0軟件進行數據處理與分析，采用單因素多變量方差分析(One Way Anova)和LSD最小二乘法進行方差分析和多重比較，用Pearson法對土壤基本理化性質和土壤水庫特征進行相關分析。

3 結果與分析

3.1 深圳綠地土壤水庫特征總體概況

3.1.1 土壤總庫容 土壤總庫容是指土壤完全飽和時所能蓄存的水量，直接反映土壤的最大蓄水能力[15]。由表1可以看出，深圳綠地土壤水庫總庫容最大值為170.56 mm，最小值為84.52 mm，均值為(117.18±17.30)mm，上下土層土壤水庫總庫容均值分別為(117.58±17.55)mm和(112.23±17.15)mm。總體而言深圳綠地土壤水庫總庫容量變化不大，上下層之間總庫容量也較為接近。與天然林地高達393.4 mm土壤水庫相比[16]，深圳城市綠地土壤水庫總庫容量偏低，僅為天然林地的29.78%，這直接影響綠地土壤蓄洪排澇能力，嚴重制約了綠地土壤消減城市瞬時洪澇生態功能的發揮。

3.1.2 土壤有效庫容 有效庫容是指土壤水資源存貯、調蓄的空間，反映的是土壤水庫庫容有效性。由表1可以看出，深圳市城市綠地土壤有效庫容普遍較大，為(80.08 ±16.11)mm，占比約為總庫容的68%。有效庫容較高，說明深圳城市綠地土壤可蓄存的水量空間較大，然而由于深圳城市綠地土壤普遍壓實嚴重，水分入滲進入土壤水庫通道受阻，表現為入滲率極差，導致土壤有效庫容不能有效發揮雨水資源存貯、調蓄作用，這可能是加劇近年深圳城市內澇現象的原因之一。城市綠地土壤滲透性能喪失，阻斷了雨水進入地下，使得地下水得不到補給，造成地下水位下降和地下漏斗形成[17-18]。

3.1.3 土壤滯洪庫容 滯洪庫容是土壤中不能貯水的孔隙部分，水量只能短時間地蓄存于土壤中，最終經入滲補給地下水或蒸發消耗掉，在減少地表瞬時徑流量、補給地下水起著重要作用[19]。由表2可以看出，深圳綠地土壤滯洪庫容最大為50.23 mm，最低僅為2.55 mm，平均值為(16.83±9.28)mm，僅占總庫容的14.36%。土壤滯洪庫容較低，不利于綠地土壤減少瞬時徑流，增加了地表瞬時洪澇。這種滯洪能力的損失無疑會對區域的徑流形成產生顯著的影響，極大地增加區域洪澇災害的危險[19]。深圳城市不同類型綠地的土壤滯洪庫容變異系數較高，為55.14%，這與前人研究較為一致[12]。

3.1.4 土壤死庫容 死庫容對應土壤凋萎含水量，死庫容越大，土壤水庫可發揮的水分蓄存、雨洪調蓄能力越低。由表1可以看出，深圳城市綠地土壤死庫容最大為37.64 mm，最小為9.99 mm，均值為(20.27±5.04)mm，約占總庫容的17.30%。由此可見，深圳城市綠地土壤死庫容較小，擁有較大的吸納、蓄存水分的潛力空間，且土壤中可被植被利用的水分含量高，這對植物耐干旱、減少人為頻繁灌溉有重要現實意義。黃榮珍等[11]研究發現恢復森林的死庫容大概占總庫容的比例范圍為13%～27%，本研究死庫容約占總庫容的17.30%，這可能是因為深圳城市綠地土壤有著較高的活性有機碳密度[20]，這有待進一步研究驗證。

表1 深圳城市綠地土壤水庫庫容統計

3.2 深圳不同類型綠地土壤水庫特征

3.2.1 不同類型綠地土壤水庫總庫容 如圖1所示，交通綠地土壤水庫總庫容最高，為(130.30±19.69)mm，且與公園綠地(113.82±116.30)mm和小區綠地(119.01±16.30)mm差異顯著(p<0.05)，雖然小區綠地要高于公園綠地，但是二者之間差異不顯著。通常認為交通綠地受人為干擾較大，其土壤水分涵養功能不如小區及公園綠地[21]，這與本研究結果不符。這可能是因為小區綠地和公園綠地人為踩壓最為嚴重，非毛管孔隙少，因而穩滲率更低，穩滲率低直接影響綠地對強降水下水分的下滲和對外部徑流的吸收功能[22]。

3.2.1 不同類型綠地土壤水庫有效庫容 各綠地類型土壤有效庫容普遍較高，最高為交通綠地(83.12±20.31)mm，其次為小區綠地(82.53±16.21)mm，最低為公園綠地(78.41±15.10)mm，占總庫容比達69.02%以上。雖然公園、小區、交通綠地之間有效庫容各有大小，但是三者之間并無統計學差異(p>0.05)。馬建剛等對昆明市建成區不同類型城市綠地研究亦發現昆明公園綠地、交通綠地、小區綠地的有效貯水量并不存在顯著性差異[22]，未來需要更多研究進一步驗證其內在機制機理。

3.2.1 不同類型綠地土壤水庫滯洪庫容 如圖1所示，不同類型綠地的滯洪庫容普遍偏低，最高的交通綠地為(20.68±8.12)mm，僅占總庫容的20.34%。交通綠地要顯著高于公園綠地(15.34±4.46)mm(p<0.05)，然而小區綠地(18.51±9.64)mm與二者之間并不存在顯著性差異。交通綠地滯洪庫容最大，可能的原因是交通綠地中擁有較多數量的礫石，礫石帶來較多非毛管大孔隙所致。亦有研究顯示相比較與公園綠地，停車場區綠地表層有更厚枯枝落物和更強的對雨水徑流的有效攔蓄能力，而土壤微生物的豐富度和多樣性也有可能影響這一過程[23]。

3.2.1 不同類型綠地土壤水庫死庫容 如圖1所示，不同類型綠地的死庫容也普遍較低，最高的為交通綠地(26.51±8.12)mm，且顯著高于小區綠地(20.05±90.08)mm及公園綠地(17.96±9.64)mm(p<0.05)。而公園綠地又顯著高于小區綠地(p<0.05)。不同類型綠地之間死庫容均有顯著性差異，說明不同類型綠地的不同利用方式可影響綠地土壤的死庫容，這其影響大小分別為交通>公園>小區，這與前人研究結果較為一致[24-25]。

圖1 深圳市不同利用類型綠地土壤水庫庫容

3.3 深圳不同類型綠地土壤基本理化性質

深圳城市綠地土壤基本理化性質見表2。從表2可以看出，深圳城市綠地土壤容重普遍偏大，小區綠地最高，為1.66 mg/m3，公園綠地與交通綠地同為1.60 mg/m3，小區綠地與公園綠地、交通綠地間差異不顯著；上下層之間最高為交通綠地上層，高達1.74 mg/m3，最低的公園綠地下層也有1.58 mg/m3，皆明顯高于較理想化的1.35 mg/m3綠化土壤平均容重16，這表明深圳綠地土壤出現了明顯壓實現象。含水率中，各個類型綠地之間相差不大，分布于14%～16%。上下層中，除交通綠地外，公園綠地和小區綠地上層含水率皆低于下層含水率，這是因為深層土壤只能接收少量的由上層下滲的部分雨水，土壤水分相對較少，這與尹光彩等[26]研究結果相似。由于深圳綠地土壤受壓實作用比較大，較為緊實，透氣性能較差，非毛管孔隙度普遍比較低，均值最高的交通綠地僅為6.24%，勉強達到《綠化種植土壤》要求的5%～25%的標準[27]。而公園綠地的非毛管孔隙度僅有3.34%，顯著低于小區綠地(5.80%)及交通綠地。就毛管孔隙度而言，最高為交通綠地35.30%，其次是公園綠地33.51%，小區綠地最低32.13%，然而三者之間并無顯著性差異。因此也不難理解交通綠地孔隙度(41.53%)要顯著高于公園綠地(36.84%)及小區綠地(37.91%)，這部分差異主要是由非毛管孔隙度所帶來。而交通綠地的礫石含量(42.71%)顯著高于公園綠地(37.20%)和小區綠地(35.46%)(p<0.05)，研究表明,礫石含量對土壤非毛管孔隙度具有增大效應[28]，這可能是交通綠地有著更高的非毛管孔隙度原因。土壤機械組成是土壤中礦物顆粒的大小及其組成比例，與土壤中的水分、空氣和溫度等狀況密切相關。深圳不同類型綠地土壤砂粒(2～0.02 mm)含量均高于60%。

表2 深圳不同類型綠地土壤基本理化性質

3.4 深圳城市綠地土壤水庫特征影響因子

土壤各基本理化性質也顯著影響深圳綠地土壤水庫特征。由表3可以看出，土壤總庫容與孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度相關關系達到極顯著水平(p<0.01)，而與土壤容重顯著負相關，這是由于孔隙度高的土壤結構疏松多孔，可發揮出良好的水分蓄、運、保、調功能。多項研究也表明壓實程度較高的土壤孔隙度較低[29-30]，這與本研究的結果相符。土壤死庫容與砂粒含量顯著負相關(p<0.05)，與黏粒、粉粒含量正相關，而深圳城市綠地土壤含砂量普遍較高，含砂量均>60%(表2)，這可能是深圳城市綠地土壤水庫死庫容較低的內因之一。土壤死庫容與土壤容重呈顯著正相關，這與前人研究結果較為一致：土壤容重越高，壓實越嚴重，而壓實增加了土壤凋萎含水量，從而增加土壤死庫容[6]。土壤有效庫容與孔隙度、毛管孔隙度的正相關關系為極顯著(p<0.01)，與土壤容重顯著負相關，土壤滯洪庫容與孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度顯著正相關，與土壤容重呈顯著負相關。

表3 深圳城市綠地土壤水庫與土壤理化指標相關性

4 結 論

(1) 深圳綠地土壤水庫總庫容偏低，僅為110 mm左右。土壤有效庫容普遍較大，為80.08 mm左右，占比約為總庫容的68%，這說明深圳綠地土壤有著較高的剩余蓄水空間；土壤滯洪庫容相對較小，占總庫容的14.36%，這將導致綠地土壤消減瞬時洪澇能力較弱，不利于土壤發揮蓄洪排澇功能。

(2) 交通綠地土壤水庫總庫容顯著高于小區綠地及公園綠地，而其有效庫容與小區綠地及公園綠地相比并無顯著性差異。不同類型綠地的不同利用方式可影響綠地土壤的死庫容，這其影響大小分別為交通>公園>小區。

(3) 土壤理化性質及相關性分析結果表明，深圳城市綠地土壤壓實現象較嚴重，表現為容重普遍偏大，非毛管孔隙度比較低。不同類型綠地土壤砂粒(2～0.02 mm)含量均高于60%，交通綠地礫石含量對非毛管孔隙度具有明顯增大效應。土壤死庫容與砂粒含量顯著負相關(p<0.05)，與土壤容重呈顯著正相關，土壤有效庫容與孔隙度、毛管孔隙度的正相關關系為極顯著(p<0.01)。