張毅川

王江萍*

“海綿城市”是一種城市雨水資源利用方式的形象比喻：指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的彈性，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水釋放并加以利用[1]。

城市綠地在海綿城市建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。土壤是城市綠地中雨水的主要承載面，土壤的水分入滲對(duì)城市綠地健康具有重要的意義。土壤和植物間存在著復(fù)雜的物質(zhì)交換，彼此具有強(qiáng)烈影響。良好滲透性能的土壤能夠?yàn)橹参锏纳L(zhǎng)提供足夠的水分，植物的根系及凋落物反過(guò)來(lái)能夠使土壤變得疏松進(jìn)而增加滲透性能。伍海兵和方海蘭認(rèn)為土壤滲透已經(jīng)成為影響生態(tài)安全的重要因素，提出應(yīng)將土壤質(zhì)量納入城市綠地質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并開(kāi)展綠地土壤入滲的基礎(chǔ)研究和土壤改良的應(yīng)用研究[2]。

城市綠地土壤的水平分布及垂直結(jié)構(gòu)分析是城市雨水優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來(lái)，綠地土壤的滲透性能沒(méi)有得到足夠的重視，目前的研究主要集中在城市綠地土壤的養(yǎng)分[3]、重金屬[4]等的調(diào)研和分析上，仍然缺乏從雨水視角開(kāi)展的調(diào)研和分析。缺乏土壤的質(zhì)地類別數(shù)據(jù)導(dǎo)致海綿綠地的建設(shè)和低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的設(shè)計(jì)存在很大的盲目性，也使設(shè)計(jì)的實(shí)際效果難以把握。因此，本研究采用定量方法對(duì)研究區(qū)綠地土壤的質(zhì)地和類型進(jìn)行分析，結(jié)果可以為綠地中雨水的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，減少設(shè)計(jì)的盲目性。

1 研究方法

1.1 樣點(diǎn)分布與采樣方法

本研究選擇位于豫北地區(qū)的新鄉(xiāng)市為研究區(qū)。豫北地區(qū)年均降雨量不高且降雨較為集中，呈現(xiàn)旱澇交替的現(xiàn)象，同時(shí)城市的水資源十分匱乏。因此如何在半干旱環(huán)境條件下最大限度地發(fā)揮城市綠地的雨水滲蓄作用，開(kāi)展綠地土壤的質(zhì)地類別研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)研究文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)城市區(qū)域的土壤調(diào)研樣本數(shù)量變化較大，成都市綠地土壤理化性質(zhì)研究中選擇了15處樣點(diǎn)[5]，廣州市城市綠地土壤特征研究選擇了17處樣點(diǎn)[6]，而武漢市土壤調(diào)研選擇了81處樣點(diǎn)但僅選取0～20cm土層[7]。本研究選擇了51處綠地樣點(diǎn)進(jìn)行土壤采樣(圖1)。在開(kāi)挖土壤剖面時(shí)發(fā)現(xiàn)有17處樣點(diǎn)無(wú)法操作，在更換該處綠地的開(kāi)挖點(diǎn)之后仍然無(wú)法成功，主要原因是：園林施工時(shí)對(duì)土壤的要求不嚴(yán)格，17處樣點(diǎn)中有7處采用建筑垃圾回填土，8處采用生活垃圾回填土，另有2處土壤中摻入了大量場(chǎng)地施工時(shí)的石灰。因此，最終采用的土壤樣點(diǎn)為34處。

在林地、草原和保護(hù)地等自然區(qū)域，土壤采樣通常采用網(wǎng)格法使樣點(diǎn)盡量均勻分布。城市綠地土壤的采樣難度較大，網(wǎng)格法并不適用，是因?yàn)槭芏喾矫嬉蛩氐挠绊懀貉芯繀^(qū)內(nèi)綠地在城區(qū)中并非均勻分布；城市綠地組成中公園綠地、居住區(qū)、道路、單位等附屬綠地占有較大的比重，樣點(diǎn)分布上應(yīng)予以體現(xiàn)；土壤采樣開(kāi)挖剖面會(huì)對(duì)綠地造成破壞，需要獲得相關(guān)部門的同意。綜合考慮以上因素，本研究中土壤樣點(diǎn)選擇采用以下方法：根據(jù)新鄉(xiāng)市綠地分布現(xiàn)狀圖，按照城市綠地類別對(duì)主要的綠地進(jìn)行樣點(diǎn)初步布局；然后根據(jù)樣點(diǎn)分布密度進(jìn)行調(diào)整，使樣點(diǎn)盡量均勻分布；最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器配備和測(cè)量指標(biāo)數(shù)量預(yù)估樣點(diǎn)平均觀測(cè)時(shí)間和人員需求并進(jìn)行調(diào)研分組和調(diào)研路線優(yōu)化。最終成功采樣的樣點(diǎn)中，屬于公園綠地類型的有10處，道路附屬綠地類型的有8處，其他附屬綠地類型的有14處，另有2處樣點(diǎn)已納入城市綠地范圍但仍保留農(nóng)田的狀態(tài)。

本次土壤調(diào)查剖面的深度選擇以植物生長(zhǎng)所需土壤厚度為依據(jù)。一般情況下，15～20cm胸徑的植物移栽時(shí)的土球直徑約為120cm，厚度約為80cm。因此本研究對(duì)土壤的采樣深度為80cm，分成4個(gè)層次：0～20cm層(A)、20～40cm層(B)、40～60cm(C)層和60～80cm(D)層。本研究最終獲取34個(gè)樣點(diǎn)的共計(jì)136組數(shù)據(jù)。外業(yè)采樣方法為：開(kāi)挖土壤剖面，清除兩側(cè)剖面壁上浮土后再用花鏟進(jìn)行分層采樣，將土壤樣品裝入事先編號(hào)的標(biāo)本袋中。

1.2 土壤分類標(biāo)準(zhǔn)

圖1 研究區(qū)綠地土壤采樣點(diǎn)分布示意圖(綠色為最終采樣點(diǎn)；棕色為未成功采樣點(diǎn))

目前我國(guó)常用的土壤分類制主要有3種：國(guó)際土壤分類制、美國(guó)土壤分類制和中國(guó)土壤分類制[8]。鑒于國(guó)際分類制有利于成果的借鑒和比較，在參考其他研究成果[9-10]的基礎(chǔ)上，本研究采用國(guó)際公認(rèn)的國(guó)際土壤分類制(圖2)。國(guó)際分類制的分類標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)砂粒(2～0.02mm)、粉粒(0.02～0.002mm)和黏粒(＜0.002mm)3種粒級(jí)含量的比例劃定12個(gè)質(zhì)地并根據(jù)3種粒級(jí)含量的百分比繪制三角形圖，使用時(shí)根據(jù)樣品中相應(yīng)粒級(jí)含量的百分比進(jìn)行對(duì)應(yīng)查詢即可得到該土壤的質(zhì)地和類別。

1.3 土壤質(zhì)地測(cè)定

在室內(nèi)將土壤樣品攤開(kāi)并手工捏碎較大的土塊后裝入鋁盒，放入鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行干燥，然后用木碾子粗研磨并分別過(guò)2mm和1mm孔徑的不銹鋼篩后放入樣品袋待測(cè)。樣品全部通過(guò)1mm的不銹鋼篩。使用精度為0.01mg的電子天平稱量1g土壤樣品裝入試劑瓶準(zhǔn)備上機(jī)測(cè)試，測(cè)試前加入30%H2O2溶液并在70℃水浴加熱下去除有機(jī)質(zhì)的干擾。

傳統(tǒng)的粒徑分析方法耗時(shí)耗力且實(shí)驗(yàn)的結(jié)果誤差較大。激光粒度分析儀用于土壤粒徑的測(cè)試，不需要土壤的質(zhì)量數(shù)據(jù)且具有很高的分辨率，測(cè)試結(jié)果精度高，是全自動(dòng)化土壤分析的理想選擇。本研究采用濟(jì)南潤(rùn)之科技有限公司生產(chǎn)的Rise-2008型激光粒度儀，測(cè)量范圍1 200～0.02um。

根據(jù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)采用激光粒度儀測(cè)試土壤樣品的方法并不一致，在樣品質(zhì)量、超聲時(shí)間、攪拌速度等方面甚至具有較大的差異[11]。本研究采用以下方法：將樣品溶液倒入400ml的進(jìn)樣池，超聲分散時(shí)間5min，攪拌速度2 500rpm。使用機(jī)器自帶軟件PADMAS顆粒粒度測(cè)量分析系統(tǒng)進(jìn)行粒度分析與統(tǒng)計(jì)。

圖2 國(guó)際土壤分類制三角圖(2-1為土壤質(zhì)地；2-2為土壤類別)

2 結(jié)果與分析

2.1 綠地土壤樣品的質(zhì)地與類別

采用Sigmaplot 12軟件對(duì)綠地土壤樣品按照質(zhì)地進(jìn)行分類(圖3)，新鄉(xiāng)市綠地土壤共有8種質(zhì)地，分別屬于4種類別：7.35% 是砂土類；69.12%是壤土類，其中砂質(zhì)壤土占14.89%，粉砂質(zhì)壤土占84.04%，壤土占1.06%；14.71%是黏壤土類，只有粉砂質(zhì)黏壤土1種質(zhì)地；8.82%是黏土類，其中粉砂質(zhì)黏土占58.33%，黏土占33.33%，重黏土占8.33%。

總體上，新鄉(xiāng)市城市綠地的土壤類別以壤土為主，部分土壤偏黏質(zhì)并有少量砂土類別。新鄉(xiāng)市的綠地土壤有較好的機(jī)械組成，壤土比例較大。相比較而言，壤土的性能介于黏土和砂土之間，在生產(chǎn)上兼有黏土和砂土的優(yōu)點(diǎn)，適合大多數(shù)植物的生長(zhǎng)。壤土具備一定的滲透性能、保水性能、熱容量和保溫性能但是水分的滲透性能不及砂土。占比23.53%的偏黏性土壤十分不利于雨水的滲透。

2.2 基于土層及綠地類型的土壤質(zhì)地類別分析

采用Sigmaplot 12軟件對(duì)所有土壤樣品分別按土層、綠地類型制作了分布圖。圖4反映了4個(gè)土層中土壤質(zhì)地和類別的分布。從土壤類別上看：砂土所占比例在所有土層中變化不大；壤土在各層中都是所占比例最高的，但從A層到D層逐漸降低，各層中的比例分別為82.35%、73.53%、61.76%和58.82%；黏壤土所占比例從A層到C層逐漸升高，分別為8.82%、11.76%和26.47%，D層和B層基本持平；黏土所占比例在前3層變化不大，最高不超過(guò)6%，但在D層中比例達(dá)到了20.59%。

圖5反映了不同綠地類型中土壤質(zhì)地和類別的分布狀況。從土壤類別上看：砂土在公園綠地、其他附屬綠地、道路附屬綠地和農(nóng)田中的比例從12.5%、7.14%、3.13%到0逐漸降低；壤土在各綠地類型中所占比例較高，分別為72.5%、75%、59.38%和50%；前2類綠地中，黏壤土和黏土所占比例較低，道路附屬綠地中黏壤土和黏土所占比例均達(dá)到18.75%，而農(nóng)田最高，均達(dá)到25%。

2.3 綠地土壤的垂直結(jié)構(gòu)分析及對(duì)雨水滲透的影響

土壤的垂直組成結(jié)構(gòu)直接影響雨水的滲透能力。一般而言，林地土壤多由枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層、心土層等組成[12]，滲透能力和保水能力都較強(qiáng)。而農(nóng)田土壤則通常由耕作層、犁底層和心土層組成，是長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)耕作形成的土壤垂直結(jié)構(gòu)[13]，這種土壤結(jié)構(gòu)往往通過(guò)深翻作業(yè)促進(jìn)土壤水分的入滲和保持。園林綠地原有的土壤結(jié)構(gòu)往往在施工過(guò)程中受到破壞，從而形成了無(wú)層次、無(wú)規(guī)律的土體構(gòu)造。

圖3 研究區(qū)綠地土壤的質(zhì)地分布(n=136)

圖4 分土層的土壤質(zhì)地分布(圖a～d分別為A～D層)

圖5 分綠地類型的土壤類別分布(圖a～d分別為公園綠地、其他附屬綠地、道路附屬綠地和農(nóng)田)

圖6 基于綠地土壤類別的垂直結(jié)構(gòu)分布

根據(jù)土壤類別繪制了調(diào)研樣點(diǎn)的垂直層次結(jié)構(gòu)分布圖(圖6)。緊實(shí)度[14]、有機(jī)質(zhì)含量[15]等會(huì)對(duì)土壤的滲透性能產(chǎn)生影響。除此之外，一般情況下土壤的滲透性能如下：砂土類＞壤土類＞黏壤土類＞黏土類。這主要是當(dāng)砂粒的含量高時(shí)，由于粒徑大形成的孔隙較大的緣故。從雨水滲透能力上看，一般上下層結(jié)構(gòu)組成均勻或者上層偏砂質(zhì)更加有利于雨水滲透的穩(wěn)定性，而上層偏黏性或者層次結(jié)構(gòu)不均勻都會(huì)導(dǎo)致雨水滲透的穩(wěn)定性降低。新鄉(xiāng)市綠地土壤的垂直結(jié)構(gòu)中，只有12處樣點(diǎn)的各層類別完全一致，大多數(shù)的層間類別有所差異。F7樣點(diǎn)的4層均為砂土類，具有良好的雨水滲透性。D1、D4、F5、F14和N2表層的雨水滲透能力最低，且D1、F5樣點(diǎn)的4層類型均偏黏性，十分不利于雨水的滲透。其他樣點(diǎn)各層40cm深度內(nèi)雨水的滲透性能一般，但到深層后部分樣點(diǎn)的質(zhì)地偏黏，不利于深層土壤水分的補(bǔ)給。

綠地土壤的垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土層分布不均勻，也為判斷雨水入滲能力增加了難度。通過(guò)對(duì)土壤垂直結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)：僅有少量樣點(diǎn)的垂直結(jié)構(gòu)有利于雨水的入滲，而多數(shù)樣點(diǎn)的滲透能力不足，有些還相當(dāng)嚴(yán)重，需要進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)語(yǔ)

海綿綠地建設(shè)需要提高土壤的滲蓄能力，同時(shí)也可以為植物的健康生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境條件。目前許多城市公布的海綿綠地設(shè)計(jì)導(dǎo)則中，對(duì)綠地土壤按照分類或者分區(qū)的方式公布相關(guān)數(shù)據(jù)，和設(shè)計(jì)場(chǎng)地中實(shí)際土壤狀況有較大的差異，甚至?xí)?duì)設(shè)計(jì)人員造成誤導(dǎo)。城市綠地的土壤來(lái)源及組成十分復(fù)雜，而目前的設(shè)計(jì)中往往將土壤視作均質(zhì)。海綿綠地建設(shè)應(yīng)充分考慮綠地土壤的差異性，改變以往將綠地土壤看作勻質(zhì)的粗放式建設(shè)方法。因此，設(shè)計(jì)師不能夠僅憑主觀感受，需要科學(xué)分析場(chǎng)地內(nèi)的土壤特征，只有這樣才能做出正確的判斷進(jìn)而因地制宜地進(jìn)行綠地雨水優(yōu)化設(shè)計(jì)。

注：文中圖片均由作者繪制。