城市土壤特征對降雨徑流控制的影響

陳 韜， 夏蒙蒙， 趙大維， 車愛偉

(1.北京建筑大學城市雨水系統與水環境教育部重點實驗室，北京 100044；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，蘭州 730000)

隨著人類經濟社會發展和城市化進程的加快，自然主導的土地覆被變化(森林、草地、濕地等)向人類主導的土地利用 (農用地、城市建設用地等) 快速轉變，不僅帶來了地表結構的巨大變化，而且極大地影響了區域的氣候、水文水資源、土壤以及生物多樣性和生物地球化學循環[1]。當前在中國突出表現為城市洪澇災害頻發、水環境污染和水資源短缺等問題。

中國的海綿城市、美國的雨水低影響開發實踐(LID)、英國的可持續排水系統(SUDS)、澳大利亞的水敏感城市建設(WSUD)等雨洪管理實踐，已獲證實可有效緩解城市洪澇問題和改善徑流水質狀況。生物滯留、透水鋪裝、綠色屋頂、滲溝、岸邊緩沖帶、人工濕地等是中國海綿城市建設LID系統常用的調蓄滲濾措施，可以通過土壤界面反應、生物同化作用、微生物降解等物理和生化過程削減降雨徑流，去除污染物，從而有效控制雨水徑流污染。

土壤基質是LID調蓄滲濾措施實現入滲、滯留、緩釋雨水徑流的水文調節和吸附、過濾、降解徑流污染物的重要場所。城市范圍土壤受到人為擾動而出現生態功能退化，LID工程能否使用開挖原土回填、如何改良城市土壤成為亟待解決的問題。因此，本文總結城市土壤的物理化學和水文生態特征，分析城市土壤對降雨徑流量和水質的影響，探討LID工程土的要求和城市土壤改良措施，以期為改善LID措施控制降雨徑流效果提供理論依據和參考。

1 城市土壤主要特征

在中國快速城鎮化的發展階段，大量土壤運移、既有植被清理和建筑施工等人類活動將自然土壤逐漸轉變為城市土壤，直接或間接地影響了土壤的物理化學、水文生態特征，如表1所示。挖掘、混合、人造材料的結合、覆蓋、施肥、灌溉等直接的人為擾動，或大氣沉積、熱島效應等間接的環境條件變化，導致城市土壤結構呈現高度空間異質性，小范圍內鑲嵌現象嚴重[2-4]，大范圍內不同土地利用類型和城鄉間的土壤性質也存在較大差異[5]。

表1 典型城市土壤特征

1.1 物理化學特征

城市區域內大部分土壤由于壓實板結，相較自然土壤都存在容重增加、孔隙度降低的現象，尤其是在道路附近等易受壓實的區域[6]。在田間試驗中，壓實土壤容重增加8%，大孔隙的數量和相對面積分別減少69%和64%，在表層10 cm土樣中孔隙度變化最為明顯[7]。

城市土壤人為改造和人工材料的痕跡明顯，散落大量粒徑>2 mm的粗骨質，如磚、混凝土、水泥、瓦礫、玻璃、煤、爐渣等建筑材料和生活垃圾[8]。有些粗骨質對LID系統有益，例如土壤中的磚具有較高的內部孔隙度和持水能力，植物根系可以進入其孔隙空間生長[9]，進而加強系統去除污染物的整體能力。

城市土壤pH較自然土壤偏高，多呈堿性。調查發現，華北平原表層土壤為pH=7.85～8.31，平均值為8.2，北京市房山和大興區等高達8.57以上[10]。香港地區自然山地土壤呈酸性(pH=4～5)，而路邊土樣平均pH=8.7，超過一半的土樣為強堿性(pH=8.5～9.0)和極強堿性(pH=9.0～9.5)[11]。

養分富集是城市土壤的重要特征，最常見的是磷素富集。南京地區城市土壤總磷含量是當地自然土壤的2～10倍[12]。雖然硝酸鹽在土壤中的停留時間相對較短，然而持續施用或添加有機肥或廢棄物，使氮素也在城郊土壤中積累[13]。重金屬富集現象普遍，中國21個城市的2 362個土壤樣本中As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 中值均高于全球土壤和地殼的中值[14]。城市土壤因土地利用類型和區域變化也呈現富集不均的現象。城市道路附近和居民區土壤中養分和重金屬含量高于其他地區，城市核心區土壤中有機碳(SOC)、有效磷、有效鉀、TN、SOC∶TN比值、Pb、Cu含量遠高于郊區[5, 15]。

1.2 水文生態特征

城市土壤壓實現象普遍，容重大時，植物根系生長受到阻礙，如表2所示[16]，減少了由根部產生入滲的通道，導水性能和持水性能減弱[17]。深圳市布吉河流域由于城市化發展2005年的土壤含水量比1980年平均減少28.1 mm(25.49%)[18]。土壤顆粒與水之間的分子力、物理化學作用力，以及地表附近的蒸發和蒸騰作用使土壤具有吸力[19]。土壤容重越大，黏粒含量越高，大孔隙越少，土壤萎蔫點含水量越高[20]。

表2 不同質地土壤容重對根系生長的限制

土壤的生態功能包括作為動植物棲息地，微生物群落和功能基因庫載體，緩沖過濾凈化降雨徑流和水分養分循環[21]。雖然城市土壤受人類活動破壞，但外來物種的聚集使城市土壤仍具有較高的生物活性和物種豐富度[22-23]。土壤生物對不同的城市土壤理化性質響應各異。一方面壓實阻礙植物根系生長，另一方面粗骨質和養分富集有利于植物生長，尤其在較貧瘠、非富營養化的城市土壤中，粗骨質磚塊可以作為K、Mg、Ca和S的有效來源[24]。物理擾動、土壤水分、金屬污染等人類活動及其產生的土壤特征會抑制土壤無脊椎動物的數量和多樣性[25-27]，但不同種類的動物受影響程度各異，甚至個別出現積極影響[28-29]。

由于大多數微生物活性(69%～85%)集中在表土10 cm的礦物層中，而這部分土壤易受壓實和污染，從而破壞微生物群落的生存環境[30]。然而，與污染物去除相關的微生物菌群明顯增長[31]。土壤酶主要來源于土壤微生物活動、植物根系分泌物和動植物殘體腐解過程中釋放的酶，其活性可以反映土壤生化過程的相對強度，是土壤功能的一種體現[32]。pH變化影響細菌群落組成、相對豐度、多樣性以及酶功能[33-34]；土壤水分的減少，限制了土壤微生物的代謝產酶能力；城市土壤氮磷水平對土壤中酶活性也有很大影響[35]。在波蘭部分城市的研究表明，市中心花園的土壤酶活性比在郊區的花園土壤中的低幾倍[36]。

2 城市土壤對降雨徑流的影響

2.1 對降雨徑流量的影響

土壤對降雨徑流量的控制主要體現在滲、滯功能。一方面，壓實處理的土壤入滲率與自然土壤相比可降低70%～99%[37]。南京住宅區、公園區、道路綠地和校園土樣的入滲率從<1～679 mm/h不等，大部分為5～63 mm/h，其中17%的嚴重壓實土樣測位點<5 mm/h[38]。土壤吸力在降雨后迅速顯著下降[39]，但負壓孔隙水(雨前吸上的水)仍能存在于正壓孔隙水(雨后下滲的水)之間[19]，即雨水下滲通道變少。土壤持水性能的減弱，導致降雨時徑流峰值提前；而未降雨時，因土壤含水量不足，萎蔫點高，不利于植物生長發育。城市土壤特征所帶來的整體入滲率降低會增大下墊面徑流系數，從而導致同等降雨情況下地表徑流的增加，加上城市不透水表面的溢流，增加了發生洪水的可能性[40]。南京地區嚴重壓實土壤的地表產流頻率為8%，對于極度壓實的土壤，產流頻率約為40%[38]。另一方面，土壤中粗骨質使徑流以優勢流的方式下滲，又會增大入滲率。實驗發現，當土壤中含有超過50%粗骨質時，大顆粒之間產生的孔隙不能被土壤細粒完全填充，可顯著增加飽和導水率[41]。

2.2 對降雨徑流水質的影響

城市降雨淋洗沖刷道路、屋面等裹挾了各類污染物，主要是TSS、COD、N、P、重金屬等。實驗表明，土壤可以不同程度地吸附、過濾和凈化降雨徑流中的污染物[42-43]。

2.2.1 土壤自身作用

2.2.2 土壤負載

2.2.3 提供生物棲息地

土壤除了自身作用，還是植物的生長基、微生物的載體、各類反應的場所。由于土壤團粒、孔隙等結構的存在，形成非均質的載體，有利于不同類型微生物的生存，甚至是具有完全相反特性的微生物，比如可以同時進行硝化、反硝化反應等[53]。在去除雨水徑流COD、N、P等過程中伴隨各種生物化學反應，植物可以通過根系吸收土壤中的水分、污染物以及反應產物，不同類型的微生物和功能酶則參與到氨化、硝化、反硝化、富集磷等過程中[54]。城市土壤的物理化學特征為生物提供的棲息地性質各異，直接影響植物發育、動物微生物豐度以及土壤酶活性，間接影響污染物去除效果。

3 LID措施的工程土要求

海綿城市建設中以土壤為基底的LID措施有入滲設施、滯蓄設施、凈化設施，如生物滯留池、雨水濕地、綠色屋頂、生態草溝、人工濕地等。不同的LID措施對土壤要求各異，入滲設施以土壤的導水性為主要指標，凈化設施要考慮土壤與植物結合的凈化能力，滯蓄設施需要利用地形結構、在入滲與持水之間找到最優的土壤配比，達到雨水處理效益最大化。

《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》中指出，結合氣候、土壤及土地利用等條件，確定降雨徑流控制目標、合理選擇適用設施，土壤不滿足LID設施要求時，可以進行改良、換土等，但未提出土壤滲透系數、容積密度、配比等具體指標要求，僅提出生物滯留設施的換土層介質類型及深度應符合植物種植及園林綠化養護管理技術要求?！毒G化種植土壤》(CJ/T 340—2016)規定，粒徑≥2 mm 的石礫不得超過20%，壓實土壤密度<1.35 mg/m3，非毛管孔隙度5%～25%，一般綠化種植表層土壤入滲率≥5 mm/h，用于雨水調蓄或凈化的綠地土壤入滲率應介于10～360 mm/h。美國的《城市雨水控制設計手冊》及各州編制的LID實踐指南普遍對土壤指標和工程土推薦配比做出明確的要求。

土壤滲透系數過高，保水能力差，對綠植的養護成本和頻次將提高，滲透系數太小，長時間積水滋生蠅蟲，雨水徑流削減效果差。實際工程研究認為，入滲系數>1.0 m/d的砂土、壤土適用于LID入滲設施，而入滲系數<0.1 m/d的黏土不宜建設入滲設施[55]；LID綠化帶土壤飽和滲透系數宜為0.3～0.85 m/d[56]；通常居住小區、工業區和城中村等土壤滲透能力較強，農林用地稍差一些，公共設施用地最弱[57]。早期生物滯留池在設計時通常選用高滲透率的自然土壤[58]。單一的砂土滲透能力強，但是吸附和微生物降解能力差；單一的黏土可以吸附和有效降解污染物，但是難以下滲，因此LID往往需要摻配工程土。在生物滯留系統中，溶解磷主要通過傳輸過程中吸附沉淀到土壤介質上去除[59]。在人工濕地中, 磷通過吸附、沉淀和固定等形式存在于土壤顆粒中[60]。

4 結論

綜上所述，城市土壤特征從不同程度上影響其對降雨徑流的傳輸和處理，降雨徑流量控制與土壤質地、容重、孔隙度相關，質地粗、容重小、孔隙度大、植物生根容易，則入滲率大，水量控制效果好。徑流水質控制更為復雜，細質地占比多、適宜動植物微生物生存的pH、養分重金屬少富集的土壤水質控制效果更好，但具體指標范圍有待進一步研究，對待時空差異的環境狀況更需要因地制宜。

因此，在建設LID設施前，須明確設施功能需求，對場地土壤進行詳細分析，以判斷能否直接使用。若以下滲為主要作用，土壤需要具有很好的導水性能，同時充分發揮根系滲水通道作用，土壤的飽和導水率是重要參數；若以去除污染負荷為主要作用，土壤就要具有一定持水性能，土壤質地、容重是重要參數，pH及本底養分、重金屬含量也是影響因素。如果土壤不能直接使用，則應以此為基礎設計改良土壤配方，確保能發揮好土壤的自身及生物棲息地作用。具體的技術指標應在海綿城市建設技術的相關標準和技術手冊中明確。

另外，施工過程和后期維護也不容忽視。施工過程中，應避免場地土壤的機械人為壓實。設施竣工后的土壤熟化、植物生長、微生物繁殖需要一定時間，后期積極的維護管理可以提高動植物物種的豐富度[61]。在人流量較大區域，樹立相應的標語牌避免人為壓實土壤。定期清理設施區域的垃圾，防止阻塞土壤表層。在污染嚴重區域，定期檢測土壤污染物濃度，若超過土壤負載需更換土壤。

目前研究較多的是LID設施中土壤填料優化改良等，對城市原始狀態的土壤研究以及土壤-植物-微生物系統研究較少，不同理化性質的土壤中動植物、微生物群落、酶基因的狀態，這些因素直接或間接影響降雨徑流入滲和污染物去除的程度、相關性如何等，仍需要深入研究。