廣州市典型綠地土壤水分入滲特征

杜建會,方 政,林志斌

1 中山大學地理科學與規劃學院,廣州 510275 2 廣東省城市化與地理環境空間模擬重點實驗室,廣州 510275 3 廣州海珠國家濕地科研宣傳教育中心,廣州 510305

城市化作為人類對自然生態系統最強烈的改造方式,深刻地影響著城市地表環境的結構與功能[1-2],城市化過程中不透水面積急劇增加,顯著改變了城市的自然水循環過程[3-4]。此外,隨著氣候變化,極端降雨的強度和頻次均呈現出增加趨勢,進而加劇了城市內澇災害,造成了巨大的經濟損失和人員傷亡[5-6]。綠地作為城市中心最重要的可透水層,其通過調蓄雨水、削減洪峰和雨污凈化,有效推動了海綿城市的高效建設,在減緩城市洪澇災害等方面具有不可或缺的作用[7-9]。因此,快速的土壤入滲就成為城市綠地建設的關鍵[10]。近三十年來,德國、日本、美國等發達國家均對城市綠地土壤的入滲性能提出了相關要求,確保新建和改建的區域地表徑流量實現“零增長”。并通過建造雨水花園和下凹型綠地等,進一步提升城市綠地土壤的入滲和蓄水性能,在減緩城市雨洪災害等方面取得了顯著的成就[11]。我國國務院辦公廳也于2015年出臺了《關于推進海綿城市建設的指導意見》,明確規定通過海綿城市建設,確保70%的降雨就地消納和利用,減少城市化對生態環境的影響。

城市綠地作為海綿城市系統的重要載體,其面積呈逐年增長趨勢[12]。但已有的研究表明,綠地并未起到有效緩解城市內澇的作用[13-14]。許多學者通過室內和野外試驗,對城市不同功能區的綠地土壤水分入滲速率進行了測定,分析了其影響因素,并在此基礎上采用多個入滲模型對綠地土壤的水分入滲過程進行擬合。結果發現,城市綠地土壤的水分入滲速率相對較小,但不同功能區的綠地土壤來源復雜,且植被類型多樣,其土壤水分入滲速率的空間差異較大[15- 18]。首先,城市綠地土壤多來自于雜填土,無明顯土壤結構,土壤含砂量普遍較低,且因其優先考慮綠地的旅游休閑功能,有機質歸還量相對較低,土壤結構改善有限[17, 19]。其次,城市綠地作為市民重要的休憩地,一般表現為植被覆蓋度越低,人為踩踏越多,土壤滲透性越差[19- 21]。此外,植被類型不同,土壤入滲速率也有所差異,喬灌草綠地的入滲性能好于喬草和灌草[22]。基于多個入滲模型的擬合表明,其均可以很好地反映城市綠地土壤的水分入滲過程,以Kostiakov模型或Horton模型最佳[16,21- 24]。近些年來,為了增加雨水蓄積及地表入滲,許多城市開展下凹式綠地建設[15],其在一定程度上起到了蓄滲減洪的效果,也能對雨水及徑流污染物起到削減作用,但隨著蓄水次數的增多,其土壤容重增加,總孔隙度減小,綠地的入滲性能逐漸退化[25]。因此,如何維持綠地高效且可持續的水分下滲,就成為緩解城市內澇災害的關鍵。

隨著粵港澳大灣區的建設,不透水面積在廣州市主城區不斷增加,洪澇災害也隨之加劇。海珠國家濕地公園(簡稱海珠濕地)作為廣州市主城區的兩大生態屏障之一,被稱為廣州市的“南腎”,其良好的土壤水分入滲性能對于緩解廣州市的洪澇災害就顯得尤為重要。海珠濕地于2012年建成開園,濕地一期經人工栽種園藝觀賞植被,形成以喬草和灌草為主的綠地。但不同類型綠地的人流量、園林植物的根系分布和有機質歸還能力等均存在明顯差異,使得各功能區的綠地土壤水分入滲空間變異較大,目前尚不清楚海珠濕地的入滲性能如何,無法為現有綠地管理及后續綠地的建設提供科學依據。因此,對海珠濕地土壤水分入滲速率的定量化研究,就成為準確評估其雨洪調蓄能力的關鍵。本文采用雙環入滲儀,選擇海珠濕地公園一期典型喬草和灌草綠地,對其土壤水分的入滲過程進行野外試驗觀測,并對其影響因素進行分析,以期準確評估海珠濕地的雨洪調蓄能力,并為我國海綿城市的高效建設提供建議。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

海珠國家濕地公園位于廣州市中心城區海珠區的東南部,包括萬畝果園和海珠湖,是廣州市規模最大、保存最完整的濕地,總面積達1100 hm2。海珠濕地的前身是廣州市萬畝果園及與之相交的40條河涌,目前已完成三期建設。其中濕地一期位于石榴崗河北岸,屬園內建成時間最早、園藝觀賞植被景觀最為集中的區域。考慮到城市綠地土壤的異質性較大,因此結合園區規劃圖,并在實地勘測的基礎上,選擇濕地一期的玉龍橋南岸以及花溪兩處地勢平坦,連續廣泛,群系相似的新建人工綠地開展土壤水分入滲試驗。兩個樣地的主要植物種具體如下：(1)玉龍橋樣地(23°04′30″N,113°19′51″E),建群種為羊蹄甲(Bauhiniapurpurea),灌木層優勢種為灰莉(Fagraeaceilanica),草本主要為結縷草(Zoysiajaponica)、藍花草 (Ruelliasimplex)。(2)花溪樣地(23°04′39″N,113°20′10″E),建群種為羊蹄甲(Bauhiniapurpurea),灌木層優勢種為琴葉珊瑚(Jatrophaintegerrima),草本主要為結縷草(Zoysiajaponica)。

1.2 樣品采集與測定

2018年11月11日—25日,在兩處新建人工綠地選擇喬草和灌草典型分布區作為樣地。在土壤水分入滲試驗開展之前,首先沿樹干基部按120°間隔分三個不同方向,分別設置1 m×1 m的樣方各1個,并對樣方內的凋落物進行采集,共計12個。試驗結束后,在入滲區域附近開挖土壤剖面,以10 cm為間隔,用環刀法逐層采集0—40 cm的原狀土,并以土鉆法采集對應層次的根系樣品,每層各設置3個平行重復。所有樣品帶回實驗室后,土壤樣品使用激光粒度分析儀(Mastersize 2000,馬爾文公司,英國)測定其粒徑,并依據卡慶斯基土壤質地標準將綠地土壤劃分為重壤土；參照《森林土壤分析方法》[26]測定土壤容重、毛管持水量和最大持水量,并依據相關公式計算得到綠地土壤的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度等(表1)。凋落物樣品采用手工清除其表面的土粒和混入的雜物,根系樣品采用水洗法清洗干凈,均放入烘箱中在70℃下烘干至恒重,并稱取其干質量。

表1 不同植被類型綠地的土壤物理性質

1.3 綠地土壤水分入滲測定

在兩處綠地各選擇喬草和灌草樣地1塊,采用雙環入滲儀(QT-IN12-W,渠道科學儀器有限公司,中國)對其土壤水分的入滲特征進行測定。該儀器內環直徑30 cm、外環直徑60 cm,可最大程度減少城市綠地土壤空間異質性的影響。試驗前48 h內無降水或人工灌溉出現,其入滲過程受土壤前期水分影響不大。在盡量減少表土擾動的情況下,將待測樣地的草本植物修剪至近似地表平整。雙環插入土壤10 cm,使用10 L的馬氏管向內環供水,人工加水至外環的泡沫板上,以防止水流沖刷土壤表層產生結皮。試驗開始后水頭穩定地控制在8 cm,記錄馬氏管每500 mL刻度下降的時間,至70 min后停止試驗。入滲速率轉化為水溫為10 ℃下的土壤入滲速率。

土壤水分入滲參數的計算公式為：

(1)

式中,IT為一定溫度下的土壤水分累積入滲量(mm)；Q為試驗開始后馬氏管的累積供水量(cm3)；10為cm與mm間的轉化系數；S2為雙環內環的橫截面積(cm2)；T為某時段的平均水溫(℃)。

(2)

式中,VT為一定溫度下t時刻的土壤垂直入滲速率(mm/min)；Qt為t時刻的馬氏管的累積供水量(cm3)；Qt-1為t-1時刻馬氏管的累積供水量(cm3)；S2為內環面積(cm3)；10為cm與mm間的轉化系數；Δt為觀測間隔時間差(min)；T為某時段的平均水溫(℃)。

1.4 綠地土壤入滲過程的擬合

參照方政等[9]的研究結果,分別選用物理意義明確的Philip模型、半經驗的Horton模型和經驗性的Kostiakov模型對野外入滲量的實測數據進行擬合。相關數據分析在SPSS 13.0進行,作圖采用Origin 9.0進行。

Philip模型：

(3)

式中,I(t)為累積入滲量(mm)；S為吸滲率(mm/min1/2)；A是與穩定入滲率(mm/min)有關的參數；t為時間(min)。

Horton模型：

I(t)=ift+(ii-if)(1-e-ct)/c

(4)

式中,ii為初始入滲率(mm/min)；if為穩定入滲率(mm/min)；c為常數；t為時間(min)。

Kostiakov模型：

I(t)=atn

(5)

式中,a和n為經驗系數；t為時間(min)。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型對城市綠地土壤水分入滲速率的影響

城市綠地土壤的入滲速率隨時間變化的趨勢總體較為一致,均表現為前期急劇下降、中期波動下降和后期逐漸穩定3個階段。從不同樣地來看,花溪樣地的土壤水分入滲速率下降較快,其中喬草綠地初始入滲速率為3.26 mm/min,穩定入滲速率為0.94 mm/min,而灌草綠地的初始入滲速率為3.93 mm/min,穩定入滲速率為1.08 mm/min(圖1)；玉龍橋樣地的土壤水分入滲速率下降則較為平緩,其中喬草綠地的初始入滲速率為4.14 mm/min,穩定入滲速率為1.37 mm/min,而灌草綠地的初始入滲速率為5.25 mm/min,穩定入滲速率為1.80 mm/min(圖1)。同一植被類型均表現為花溪樣地的土壤水分初始入滲速率(喬草：P=0.012；灌草：P=0.002)和穩定入滲速率(喬草：P=0.000；灌草：P=0.000)顯著小于玉龍橋樣地。從不同植被類型來看,同一樣地均表現為喬草綠地的初始入滲速率(花溪：P=0.239；玉龍橋：P=0.311)和穩定入滲速率(花溪：P=0.000；玉龍橋：P=0.000)小于灌草,其中喬草和灌草的穩定入滲速率差異達到了顯著水平。

2.2 不同植被類型對綠地土壤水分累積入滲量的影響

不同樣地土壤水分的累積入滲量隨時間的變化趨勢總體一致,均隨著時間的延長漸趨平緩,但其單位時間的累積入滲量有所差異?；ㄏ獦拥氐膯滩菥G地和灌草綠地土壤70 min內的累積入滲量為分別為97 mm和123 mm,而玉龍橋樣地的喬草綠地和灌草綠地土壤70 min內的累積入滲量分別為155 mm和190 mm(圖2),同一植被類型均表現為花溪樣地單位時間的累積入滲量顯著小于玉龍橋樣地(P=0.000)。隨著入滲時間的延長,不同植被類型綠地的土壤累積入滲量差異逐漸增大,且均表現為灌草綠地累積入滲量顯著大于喬草綠地(P=0.000)。

圖2 不同植被類型綠地土壤的累積入滲量變化特征Fig.2 Cumulative infiltration of soil water in different types of green spaces

2.3 綠地土壤水分入滲過程的擬合

為進一步研究不同植被類型對綠地土壤水分入滲過程的影響,采用3個經典入滲模型對不同植被類型影響下的土壤入滲量擬合發現,與同一樣地的喬草綠地相比,Philip模型中的灌草綠地S值(土壤的吸滲率)和A值(與穩定入滲率有關的參數) 均相對偏大,表明灌草綠地的土壤水分入滲性能更佳。Horton模型和Kostiakov模型所對應的ii值,if值和a值也均表現為同一樣地下,灌草綠地的土壤水分入滲能力大于喬草型綠地,三個模型均很好地反映了不同植被類型綠地土壤水分的入滲差異。其次,Philip、Horton和Kostiakov模型的R2均值分別為0.998,0.998和0.999,RMSE均值分別為1.682、1.434、0.959 mm(表2)。綜上所知,三個模型的相關參數均能很好地反映不同植被類型綠地的土壤水分入滲差異,但與Philip、Horton模型相比,Kostiakov模型擬合的R2最高,RMSE最低,且其相對于其他兩個模型能夠更好地擬合研究區城市綠地的土壤水分入滲過程。

本研究的野外綠地土壤入滲試驗持續至70 min后結束,基于Kostiakov模型預測可知,玉龍橋喬草和灌草綠地的累積入滲量分別為158 mm和191 mm(野外觀測值分別為155 mm和190 mm),花溪喬草和灌草綠地的累積入滲量分別為96 mm和124 mm(野外觀測值分別為97 mm和123 mm),與野外觀測所得的累積入滲量差異較小。從不同植被類型綠地來看,參數a均表現為灌草綠地大于喬草綠地,這很好地反映了初始入滲階段,灌草綠地的入滲速率顯著大于喬草綠地。隨著入滲過程的進行,灌草綠地的累積入滲量I(t)也在每一時段均大于喬草綠地,且二者的差異隨著入滲時間的延長而逐漸增大。此外,Kostiakov模型為冪函數,其常數項0

表2 Philip、Horton、Kostiakov模型擬合參數結果

3 討論

3.1 土壤物理性質對綠地土壤水分入滲的影響

本文研究表明,海珠濕地的土壤穩定入滲速率為0.94—1.80 mm/min(1.57×10-5—3.00×10-5m/s),略大于北京(1.76×10-7—3.22×10-5m/s)和上海(3.0×10-6m/s)等城市的綠地土壤入滲速率[15,17]。按Yang等[27]提出的城市綠地入滲標準,其土壤水分穩定入滲速率屬于中等至較快水平,這主要與海珠濕地的建成時間較短有關。從本文的采樣來看,海珠濕地表層0—10 cm的土壤容重在1.19—1.41 g/cm3,基本符合綠化種植土壤容重小于1.35 g/cm3的技術規范,且遠小于其他城市的綠地表層土壤容重[13,25],可能也在一定程度上有助于其表層土壤的水分下滲。

但與自然土壤相比,海珠濕地的土壤水分入滲速率仍然偏低,這主要與城市土壤普遍存在壓實有關。壓實導致土壤顆粒遭受擠壓,使得非毛管孔隙向毛管孔隙轉變,堵塞了水分通過大孔隙向深層土壤快速運移的通道,進而影響到綠地土壤的水分入滲[13,28]。海珠濕地在建設過程中,大量地使用重型機械搬運客土和平整地表,造成了嚴重的機械壓實。其次,海珠濕地在建成后,其作為廣州市公眾休閑娛樂的主要場所之一,人流量較為集中,頻繁的人為踩踏導致綠地土壤容重增加,且遠高于自然土壤的平均容重[19,29- 30]。綠地土壤的容重越大,其非毛管孔隙度越低,因而滲透性也隨之越差[15- 16]。Wang 等[31]對長春市城市綠地土壤的入滲研究證實,城市不同類型綠地的土壤水分穩定入滲速率差異較大,喬灌草組合的綠地土壤入滲速率最高,而喬木下面只有裸地的區域土壤入滲速率較低,這一差異主要與后者所在的區域人流量較大,對地表不斷的踩踏壓實有關。Alizadehtazi等[32]對不同透水地表的入滲速率研究也表明,四周隔離的樹池其入滲速率之間沒有差異,而沒有隔離的樹池則差異較大,這一差異主要與未受隔離的樹池土壤受到行人或機動車輛壓實的頻率高低有關。本研究也發現,同一樣地均表現為喬草綠地土壤的累積入滲量顯著小于灌草綠地,這可能與不同植被類型綠地對游客的可達性及吸引力差異有關[22,33]。喬木巨大的冠幅有助于戶外遮陰等,可吸引游客的駐足休憩,因而加劇了喬草綠地的土壤壓實,而灌木遭受人為踩踏較少。頻繁的踩踏導致喬草綠地土壤容重偏高、而總孔隙度與非毛管孔隙度偏低,這也與本文的室內測定結果比較一致。因此,應大力種植灌木或喬灌木并植,促進城市綠地的土壤水分下滲[19]。未來仍需加強不同壓實強度和頻率下,各功能綠地土壤的水分入滲速率研究,確定最佳的人為干擾程度,使得城市綠地在保持其旅游休閑功能的同時,也能兼顧雨洪蓄積的角色。

其次,海珠濕地土壤的入滲速率偏低也與其客土的來源有關[17- 18, 23]?？屯羴碓床煌?其土壤質地也有所差異,進而影響到綠地的土壤水分下滲[16]。海珠濕地的前身是萬畝果園,果農為了追求掛果率,每年會采用溝渠底泥上基的方法來提升土壤肥力,在一定程度上使得海珠濕地的土壤物理性黏粒含量偏高[34]。室內分析表明,海珠濕地土壤的物理性黏粒含量在48.28%—52.53%之間。與自然土壤相比,其土粒比表面積更大,大孔隙含量更低[28],因而對下滲水分的吸持能力更強,單位水勢梯度下的水分傳導速率變小,濕潤鋒下移減緩。在下滲的過程中,土壤表面黏粒的散發和膨脹也會促進表土結皮的發育,使得土壤中未及時排出的空氣被包被,進而抑制水分的持續下滲[23]。此外,土壤黏粒也會隨著水分下滲堵塞在大孔隙中,使得毛管空隙增多而大孔隙進一步減少[16, 35]。大孔隙在土壤孔隙中的占比雖小,但其對于優先流的形成及土壤飽和導水率的變化起著主導作用[19]。因此,土壤物理性黏粒偏高會減緩水分在土壤有效通道中的運移,從而降低綠地土壤的水分入滲速率[19]。李卓等[35]通過土柱模擬入滲試驗也發現,土壤容重相近時,其90 min累積入滲量、穩定入滲速率與物理性黏粒含量分別呈指數負相關、冪函數負相關關系。這與本研究結果也比較一致,玉龍橋綠地的土壤物理性黏粒含量小于花溪綠地,在同一植被類型下,70 min內的土壤累積入滲量和穩定入滲速率均表現為玉龍橋綠地大于花溪綠地。但土壤粒徑過大,綠地的保水保肥能力又會減弱,同時也會影響其對污染物的凈化功能。未來需要根據不同功能綠地的建設需求,選用合適的土壤改良材料,維持城市綠地高效且可持續的入滲性能[24]。

最后,萬畝果園北側毗鄰龍潭村,該村作為廣州市典型的城中村,其城市廢棄物早期因垃圾分類不當或管理不善而混入土壤,使得在此基礎上建成的海珠濕地土壤結構發生改變,進而影響到其土壤的水分下滲[15]。本研究野外土壤樣品采集過程中發現,海珠濕地土壤中混入了混凝土塊、磚塊、塑料和布條等人為侵入體。方政等[9]研究表明,人為侵入體的出現會降低土壤總孔隙度,減少水分下滲的過水斷面積,增加水分入滲通道的彎曲程度,進而抑制綠地的土壤水分下滲,以混凝土塊的抑制作用最為明顯。人為侵入體的類型、含量及分布的土壤層位不同,其對城市綠地土壤水分入滲過程的影響也有所差異,未來仍需加強不同人為侵入體影響下的綠地土壤水分入滲過程研究。

3.2 植被類型對綠地土壤水分入滲的影響

植物對綠地土壤水分入滲的影響,主要是通過根系穿插、分割和擴張等機械作用使得土壤產生孔隙和裂隙,增加土壤大孔隙的數量和連通程度,進而提高綠地土壤的水分入滲性能[18,36]。根系在土壤中的分布特征不同,其對綠地土壤水分入滲的影響也有差異。本文研究發現,同一樣地灌草綠地的累積入滲量均顯著大于喬草綠地,這與楊倩等[33]的研究結果比較一致。數量多、密度大的0.5—2 mm徑級的根系是改善土壤入滲性能的關鍵,其通過增加優先流路徑長度,進而促進綠地土壤的水分入滲[1,37- 38]。對研究區綠地植物的根系調查發現,灌草型綠地植物的根系主要集中分布于0—20 cm土層,該土層的平均根密度為2.19 mg/cm3,且徑級小,密度大,增加了非毛管空隙的分布,減弱了入滲水流的阻力,使得單位水勢梯度下的土壤水力傳導度增大[23],有利于綠地表層土壤水分下滲。而喬草型綠地植物的根系主要分布于20 cm以下,0—20 cm土層的根密度僅為0.62 mg/cm3,且其根系粗大,密度小,降低了喬木根系與上層草本根系的連通程度,因而對綠地表層土壤水分入滲性能的改善有限。Rahman等[6]對刺槐(Robiniapseudoacacia)和歐洲椴(Tiliacordata)冠層下的土壤入滲速率研究也表明,前者的土壤入滲速率顯著大于后者,主要在于前者的細根生物量密集分布于土壤表層,從而穿插形成非常多的小孔隙,有助于土壤水分下滲,而后者根系分布則相對較深,不利于林冠下土壤表層水分下滲。但隨著土壤深度的增加,灌木根系對土壤水分入滲的影響則開始減弱,而喬木較深的根系則有助于土壤水分的進一步下滲,因此,未來需要對不同類型的園林植物進行優化配置,確保綠地土壤的不同層次均有根系分布,從而最大化城市綠地的水分入滲性能[1, 19]。

綠地植物也會通過枯枝落葉和根系凋亡向土壤歸還有機質,提高綠地土壤的水分入滲性能[14,39- 40]。研究區灌草綠地的土壤容重小于喬草綠地,還可能與不同類型綠地的有機質歸還能力存在差異有關。受樹木冠層構型差異的影響,喬草綠地的凋落物更易于清掃,而灌草綠地受灌木叢狀生長的影響,其凋落物常難以清掃而得以保存。這與海珠濕地的調查結果較為一致,兩處樣地的灌草綠地凋落物干重在92.38—95.34 g/m2之間,大于喬草綠地的凋落物干重(22.33—64.73 g/m2)。這有助于提高灌草綠地的土壤有機質含量,促進水穩性團聚體的形成,改善其土壤結構。且有機質中的腐殖質表面積巨大,富有親水基團,能夠增強綠地土壤對水分的吸持力[23],同時也能為土壤微生物和土壤動物活動提供必要條件,降低土壤容重,增加非毛管孔隙的比例。其次,凋落物的存在也會提高土壤表面的粗糙度,滯緩雨洪的匯流時間,增加綠地土壤水分的累積入滲量[16]。最后,根系在凋亡后,不僅會提高土壤有機質含量,還會進一步增加土壤大孔隙的比例[38]。其中細根的分解速率相對于粗根更快[12,41],使得根系與土體之間形成更大的優先流通道,進一步促進了綠地土壤的水分下滲。本文的研究也發現,同一樣地灌草綠地的非毛管孔隙度總體大于喬草綠地,可能與灌草的細根系主要集中在土壤表層有關。不同類型綠地的有機質歸還能力與其植被類型及人為干擾程度有關,未來需要研究不同有機質歸還能力下,城市綠地土壤水分入滲速率的變化特征。

4 結論

(1)海珠國家濕地公園綠地土壤水分入滲性能處于中等至較高水平,但受機械和人為壓實影響,其容重偏大,總孔隙率偏低。加上外來客土添加等的影響,其土壤物理性黏粒含量較高,且有部分人為侵入體混入,進一步抑制了綠地土壤水分入滲。

(2)植物生長可促進綠地土壤水分入滲,以灌草對綠地土壤水分入滲性能的改善最為明顯,這主要與其根系的分布近地表層有關。此外,凋落物和根系持續的歸還土壤,也在一定程度上促進了綠地土壤水分入滲。

(3)Philip、Horton和Kostiakov模型均能夠擬合不同植被類型的城市綠地土壤水分累積入滲量隨時間的變化特征,但以Kostiakov模型的擬合效果最佳。

后續綠地的建設過程中,應注重喬灌草相結合,并適當增加灌草比例,減少人為侵入體及物理性黏粒含量較高的客土如塘泥等混入。對已有綠地,應設置專用廊道及固定休憩區,減少綠地土壤的壓實作用,并注重凋落物和根系的持續返還,增加綠地土壤表層的團聚體含量,兼顧城市綠地的旅游休閑和雨洪蓄積功能,促進海綿城市的高效建設。