李 銀, 楊 潔, 李 巖

(1.天津市水利科學(xué)研究院, 天津 300061； 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)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(jīng)常遭受洪、澇、潮等災(zāi)害的侵襲，因此天津的防洪災(zāi)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(diào)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(guī)劃和景觀規(guī)劃等限制，因此在設(shè)計下凹式綠地時，不能簡單的套用設(shè)計規(guī)范，必須根據(jù)實際對下凹式綠地的設(shè)計參數(shù)進行分析和優(yōu)化，才能得出一種適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l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(shè)計至關(guān)重要。據(jù)此文中對天津市常用綠化土壤的基本性質(zhì)以及滲透性能進行研究，以便為天津市下凹式綠地的設(shè)計及推廣應(yīng)用提供參考及理論依據(jù)。城市化過程中土壤的利用方式發(fā)生改變，從而使土壤環(huán)境和土壤理化性質(zhì)發(fā)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(jié)構(gòu)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(shù)量和活動狀況[5-6]，以及土壤物理化學(xué)特性。因此文中選自天津不同功能區(qū)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(xué)性質(zhì)上[7-9]，對有關(guān)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(fā)現(xiàn)土壤含水率越高土壤入滲能力越?。粍⑵G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(fā)現(xiàn)，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(yīng)的提高；檀海洋等[12]對不同功能區(qū)城市土壤理化性質(zhì)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?nèi)酢？梢?，土壤的物理性質(zhì)顯著影響土壤的滲透性能，從而影響下凹式綠地的設(shè)計。因此，文中選取天津市不同功能區(qū)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(jù)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(qū)土壤，包括公園區(qū)(水上公園、梅江公園)、郊區(qū)林帶(郊野公園)、文教區(qū)(天大校區(qū))、居民生活區(qū)(南開大學(xué)居民區(qū))、道路交通區(qū)、工業(yè)區(qū)，具體的經(jīng)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(shù)。

表1 采樣區(qū)的經(jīng)緯度

2 試驗方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗方法

依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123-1999)》規(guī)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(huán)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(shù)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(jié)構(gòu)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(tài)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(jié)構(gòu)狀況的優(yōu)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(qū)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(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)處理，運用SPSS 19.0統(tǒng)計每個采樣點土壤樣品指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤及標(biāo)準(zhǔn)差，并對土壤性質(zhì)指標(biāo)之間進行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同功能區(qū)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(qū)不同植被類型下每種土壤顆粒級配的差異，每組數(shù)據(jù)取3個樣地的平均值進行對比分析，結(jié)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(qū)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(xiàn)為:草坪>灌木，粉粒與黏粒為灌木>草坪。對于不同功能區(qū)的表層土壤，除居民生活區(qū)表層土壤屬于粉土以外，其他6個功能區(qū)表層土壤均屬于粉質(zhì)黏土。居民生活區(qū)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(qū)顆粒組成中砂粒為12%～17%，粉粒為60%～66%，黏粒為20%～25%；郊區(qū)林帶、道路交通區(qū)與工業(yè)區(qū)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(qū)選自南開大學(xué)居民區(qū)屬于老居民區(qū)，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(qū)城市土壤的調(diào)查結(jié)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(zhì)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(fā)現(xiàn)一致?？梢姡脖活愋?草坪與灌木)對表層土壤的顆粒組成影響不大；不同功能區(qū)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(qū)等個別土壤為粉土，其他大部分土壤為粉質(zhì)黏土。由于成土母質(zhì)影響著土壤的質(zhì)地以及土壤的顆粒組成[16]，通過對天津城市不同功能區(qū)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(fā)育過程主導(dǎo)著土壤顆粒組成。

表2 天津市不同功能區(qū)土壤的顆粒組成分析

注：分類標(biāo)準(zhǔn)為GB 50021—2001(2009版)。

3.2 不同功能區(qū)草坪與灌木土壤含水率分布特征

城市功能區(qū)是發(fā)揮某種特定城市功能的地域空間，是實現(xiàn)社會經(jīng)濟職能的重要載體，對城市內(nèi)部環(huán)境有著深刻的影響[17]。對天津不同功能區(qū)草坪與灌木土壤含水率分布特征進行研究，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，各個功能區(qū)之間的土壤含水率存在一定的差別，表現(xiàn)為梅江公園含水率23.60%最大；其次為郊區(qū)林帶21.83%，道路交通區(qū)21.83%和工業(yè)區(qū)21.57%；之后為文教區(qū)20.35%和水上公園20.27%；居民生活區(qū)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(qū)、道路交通區(qū)的草坪土壤含水率>灌木土壤含水率，而梅江公園、郊區(qū)林帶、文教區(qū)以及工業(yè)區(qū)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(xiàn)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(qū)草坪與灌木土壤含水率

3.3 不同功能區(qū)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(chǔ)物理性質(zhì)指標(biāo)，直接影響土壤的持水性和透水性，對土壤水源涵養(yǎng)功能具有重要作用[11]，還可用于估計土壤的松緊和結(jié)構(gòu)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(qū)草坪和灌木土壤容重進行分析，結(jié)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(jié)果一致。說明天津地區(qū)土壤壓實作用嚴重，造成土壤容重增大。就不同功能區(qū)而言，土壤容重存在一定的差別，在草坪覆蓋下，表現(xiàn)為：道路交通區(qū)>梅江公園>水上公園>工業(yè)區(qū)>文教區(qū)>居民生活區(qū)>郊區(qū)林帶；灌木覆蓋下，為道路交通區(qū)>郊區(qū)林帶>水上公園>梅江公園>工業(yè)區(qū)>文教區(qū)>居民生活區(qū)?？梢钥闯觯紖^(qū)林帶外，其他功能區(qū)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(qū)林帶由于遠離市內(nèi)，草坪相對于其他功能區(qū)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(qū)土壤容重總體上呈現(xiàn)：道路交通區(qū)>公園區(qū)(水上公園與梅江公園)>工業(yè)區(qū)>文教區(qū)>郊區(qū)林帶>居民生活區(qū)。表現(xiàn)為道路交通區(qū)最大，這是由于土壤容重與人為擾動、人為活動有密切關(guān)系，而道路交通區(qū)受到龐大的人流、車流所形成的交通環(huán)境影響，土壤壓實嚴重導(dǎo)致容重最大；公園區(qū)人流量大，使得土壤容重相應(yīng)的也很大；工業(yè)區(qū)車輛通行很多、人流量也不少，故而土壤較密實；文教區(qū)是學(xué)生學(xué)習(xí)場所，周邊環(huán)境相對穩(wěn)定，人流量大并且穩(wěn)定，日積月累使得土壤壓實嚴重容重變大；郊區(qū)林帶位于郊區(qū)，主要是自然形成，受到的人為擾動較小；居民生活區(qū)由于遠離工業(yè)區(qū)和主干道，受到的污染和人為擾動較輕，再加上居民生活區(qū)的土質(zhì)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(xiàn)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(jù)土壤中的孔隙，同時導(dǎo)致土壤顆粒移動和結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致土體的物理性質(zhì)發(fā)生改變，進而影響土壤的容重、孔隙特征和水(養(yǎng))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(qū)(水上公園、梅江公園)、居民區(qū)以及工業(yè)區(qū)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(qū)主要是人為活動聚集區(qū)，草坪受到人為踐踏相對于其他功能區(qū)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(qū)草坪與灌木土壤容重特征

3.4 不同功能區(qū)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(qū)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(qū)49.67%最大，其次為郊區(qū)林帶48.00%，文教區(qū)47.92%，工業(yè)區(qū)46.88%，水上公園45.91%，梅江公園45.58%，道路交通區(qū)最小為44.98%。就植被類型而言，其中公園區(qū)、居民區(qū)與工業(yè)區(qū)的草坪土壤孔隙度略小于灌木土壤孔隙度，而郊區(qū)林帶、文教區(qū)以及道路交通區(qū)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(xiàn)為:草坪>灌木，與土壤容重正好呈現(xiàn)相反的變化趨勢，出現(xiàn)這種規(guī)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(qū)草坪與灌木土壤孔隙度

3.5 不同功能區(qū)草坪和灌木的土壤滲透系數(shù)

土壤滲透系數(shù)是綜合反映土體滲透能力的一個指標(biāo)，影響土壤滲透系數(shù)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(shù)和水的粘滯性等。土壤滲透系數(shù)是土壤滲透性能的主要表征指標(biāo)，而土壤滲透性能與土壤質(zhì)地、孔隙度、土壤濕度有關(guān)[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(qū)的草坪和灌木土壤滲透系數(shù)進行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同功能區(qū)草坪與灌木的土壤滲透系數(shù)特征

由圖4可以看出，不同功能區(qū)的草坪和灌木土壤滲透系數(shù)差異很大，少數(shù)最大可達10-3cm/s數(shù)量級，最小的為10-6cm/s數(shù)量級，而且在同一功能區(qū)內(nèi)，土壤滲透系數(shù)也波動很大。就植被類型而言，草坪土壤滲透系數(shù)>灌木土壤滲透系數(shù)，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(qū)而言，以文教區(qū)土壤滲透系數(shù)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(jié)構(gòu)，使得土壤孔隙度大，滲透系數(shù)大；其次梅江公園土壤滲透系數(shù)為2.1E-04 cm/s；居民生活區(qū)土壤滲透系數(shù)為2.0E-04 cm/s，這是由于居民生活區(qū)土質(zhì)為粉土，故而滲透系數(shù)較大；工業(yè)區(qū)土壤滲透系數(shù)為1.8E-04 cm/s；郊區(qū)林帶土壤滲透系數(shù)為1.6E-04 cm/s；水上公園土壤滲透系數(shù)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(qū)嚴重，導(dǎo)致滲透系數(shù)??；道路交通區(qū)土壤滲透系數(shù)最小為5.1E-05 cm/s，這是由于道路交通區(qū)受到龐大人流、車流的影響，造成土壤容重大，滲透系數(shù)小。總體趨勢表現(xiàn)為：文教區(qū)>居民生活區(qū)>工業(yè)區(qū)>郊區(qū)林帶>公園區(qū)>道路交通區(qū)，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(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287-99)中巖土體滲透性的分級標(biāo)準(zhǔn)，對天津市草坪和灌木土壤的滲透系數(shù)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?？梢?，天津草坪與灌木土壤以弱透水和中等透水為主。因此，后續(xù)進行下凹式綠地設(shè)計時應(yīng)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(shù)頻率分布

3.6 土壤性質(zhì)間的相關(guān)性分析

3.6.1 土壤滲透系數(shù)與土壤物理性質(zhì)之間的相關(guān)性分析 運用Pearson相關(guān)系數(shù)法對天津土壤滲透系數(shù)與其物理性質(zhì)的相關(guān)性進行分析，結(jié)果詳見表4。從表4可知，天津土壤的滲透系數(shù)與土壤含水率、土壤容重呈負相關(guān)性，與土壤孔隙度呈正相關(guān)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(shù)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(shù)的，土壤容重越大將使孔隙度變小，從而使土壤滲透性變?nèi)酰瑫r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(shù)與土壤顆粒組成的砂粒和黏粒呈正相關(guān)，與粉粒呈負相關(guān)。相關(guān)性結(jié)果與檀海洋[12]對淮南市不同功能區(qū)城市土壤入滲性能與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果一致。

表4 土壤滲透系數(shù)與土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析

3.6.2 土壤物理性質(zhì)間的相關(guān)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(guān)性進行分析，結(jié)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(guān)；與砂粒呈極顯著負相關(guān)，與孔隙度呈顯著負相關(guān)。土壤容重與土壤孔隙度的相關(guān)性特別好為r=-0.993(|r|>0.(9)，呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)關(guān)系，這與以往的研究結(jié)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(zhì)的相關(guān)性分析

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

4 結(jié) 論

(1) 天津市不同功能區(qū)對表層土壤顆粒組成有影響，除老居民生活區(qū)屬于粉土外，其他功能區(qū)均屬于粉質(zhì)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(xiàn)為：草坪>灌木，粉粒與黏粒表現(xiàn)為：灌木>草坪。

(2) 天津市不同功能區(qū)土壤含水率為梅江公園最大，其次為郊區(qū)林帶、道路交通區(qū)以及工業(yè)區(qū)，之后為文教區(qū)與水上公園，居民生活區(qū)最?。徊煌脖活愋屯寥篮时憩F(xiàn)為：草坪>灌木。

(3) 土壤容重與人為擾動有密切關(guān)系，數(shù)值均大于1.3 g/cm3，說明天津土壤壓實嚴重，表現(xiàn)為:道路交通區(qū)>公園區(qū)>工業(yè)區(qū)>文教區(qū)>郊區(qū)林帶>居民生活區(qū)；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(qū)間的滲透系數(shù)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(xiàn)為：文教區(qū)>居民生活區(qū)>工業(yè)區(qū)>郊區(qū)林帶>公園>道路交通區(qū)。就植被類型而言，草坪土壤滲透系數(shù)>灌木土壤滲透系數(shù)，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(xù)進行下凹式綠地設(shè)計時應(yīng)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(shù)與土壤含水率、土壤容重呈負相關(guān)性，與土壤孔隙度呈正相關(guān)性；土壤容重與土壤孔隙度呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)；土壤孔隙度與土壤含水率呈顯著負相關(guān)。