深圳市5类城市绿地土壤渗透性研究

熊圣洲

(深圳市铁汉山艺环境建设有限公司，广东 深圳 518000)

土壤渗透能力是土壤水文效应评价的重要指标，是反映植被涵养水源功能的重要水文参数[1-2]，也是描述土壤入渗快慢的极为重要的土壤物理特征参数之一。土壤渗透性越好，地表径流就会越少，土壤流失量就相应减少[3]。所以提高土壤的渗透能力，是降低地表径流及防治水土流失的关键措施[4]。前人对土壤渗透性已有大量研究，主要从不同植被类型[2，5-7]、不同区域[8]、不同土地利用方式[9-10]、不同措施[11]及其影响因子[12-13]的角度进行研究。研究内容主要集中在土壤入渗过程、入渗特征、入渗机理、模型构建[14-15]，以及土壤理化性质[16-17]对渗透性的影响方面。影响土壤渗透率的因素较多，其中，孔隙度、土壤质地和土壤结构是影响土壤水分入渗特征的主导因素，土壤有机质含量对土壤入渗的影响也比较大[18-19]。

城市绿地是指用栽植树木花草和布置配套设施，基本上由绿色植物所覆盖，并赋以一定功能与用途的场地。广义的城市绿地，是指城市规划区范围内的各种绿地。城市绿地可分为公园绿地(G1)、生产绿地(G2)、防护绿地(G3)、附属绿地(G4)和其他绿地(G5)5大类型[20]，城市绿地具有重要的生态功能，社会功能和经济功能。

深圳市是全国著名的花园城市，全市绿化覆盖率达45%、森林覆盖率达47.6%、人均公共绿地面积16.01 m2、442个公园总面积达13 240.40 hm2。因此，研究深圳城市绿地土壤渗透性不仅有重要理论意义，而且具有重要现实意义。

试验针对深圳市5种不同绿地类型及其不同土壤层次的渗透率以及主要影响因子开展调查研究，期望为解决深圳市及处于南亚热带地区同类城市的水土保持功能评价、城市生态环境保护、城市园林绿化建设与管理，以及消减地表径流和城市防洪等问题提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域自然概况

深圳是中国南部海滨城市，位于北回归线以南，E 113°46′～114°37′，N 22°27′～22°52′。地处广东省南部，珠江口东岸，东临大亚湾和大鹏湾，西濒珠江口和伶仃洋，南边以深圳河与香港相连，北部与东莞、惠州两城市接壤。地势东南高，西北低。地形大部为低山、平缓台地和阶地丘陵，平原仅占陆地面积22.1%。土地总面积2 020 km2。属亚热带气候，年平均温度22.4℃，最高温度36.6℃，最低温度1.4℃。年均降水量为1 948.6 mm。东南风为常年主导风向，年平均日照数为 2 120 h。地带性土壤为赤红壤。

1.2 样地和样方设置

依据CJJ/T85-2017《城市绿地分类标准》，于2017年3～5月在深圳市以绿地分类系统中的5个大类为研究对象，然后分别在每个绿地类型中选择有代表性的绿地作为样地，并依次用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ作序号(表1)。对各样地植被进行调查，并采集土壤用来测定土壤渗透性。

表1 城市绿地样地概况

1.3 样品采集、测定和分析方法

在各样地内随机选点采集土壤样品，设3个重复。土壤样品均按0～20、20～40、40～60 cm 分层采集，每层3个重复，每样地总计为3×3×3=27个样品。

采用环刀法测定土壤入渗率、土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度；有机质采用重铬酸钾-外加热法测定[21-24]。

环刀规格为20 cm2×5 cm。在室外用环刀取原状土，带回室内浸入水中12 h。浸水时，保持水面与环刀上口平齐，勿使水淹到环刀上口的土面。到预定时间将环刀取出，去掉盖子，上面套上一个大小相似的空环刀。接口处先用胶布封好，严防从接口处漏水，然后将接合的环刀放到漏斗上，漏斗下面承接烧杯。往上面的空环刀中加水，水面比环刀口低1 mm，即水层厚5 cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水时开始计时，之后每隔2 min 测量并记录一次通过土柱渗透出的水量。测定过程中要不断将上面环刀水面加至原来高度，同时记录水温。直至4个单位时间内渗出水量相等时为止。

1.4 数据计算与统计分析

1.4.1 结果计算

(1)渗出水总量(Q)

(1)

式中：Q1，Q2，Q3……Qn为每次渗出水量mL，即cm3；S为渗透筒的横断面积cm2；10为由cm换算成mm所乘的倍数，这样就可以算出当地面保持5 cm水层厚度时，在任何时间内渗出水的总量。

(2)渗透速度(V)

(2)

式中：tn为每次渗透所间隔的时间，min ；Qn为间隔时间内所渗透的水量，mL。

(3)渗透系数(K)

(3)

式中：Kt为温度为t (℃)时的渗透系数，mm/min；L为土层厚度，cm ；h为水层厚度，cm 。

1.4.2 数据统计与分析 参考前人研究成果，选用概念较为明确、可靠又常用的考氏( Kostiakov)土壤水分入渗模型对各类绿地不同层次土壤入渗过程进行描述和模拟[25]。

考氏经验公式为：f(t)=at-b

式中：f(t)为入渗速率(mm/min)；t为入渗时间(min)；a、b为拟合参数。

初始入渗率= 最初入渗时段内渗透量/入渗时间( 最初入渗时间取前3 min)；

平均渗透率= 达稳渗时的渗透总量/达稳渗时的时间；

稳渗率为单位时间内的渗透量趋于稳定( 即内环水头趋于稳定) 时的渗透速率；

渗透总量为前60 min的渗透量。

用Excel 2010软件对测定数据进行处理分析及作图。

2 结果与分析

2.1 不同绿地的土壤水分入渗性能分析

在研究土壤渗透性时，通常采用初渗率、平均渗透率、稳渗率和渗透总量4个指标。分析其变化规律和主要特点：①不同城市绿地类型及其不同层次土壤渗透性能的各项指标大小均表现为有规律的排序，即Ⅰ(农科生态公园—G2生产绿地)>Ⅱ(深圳湾海岸防护带—G3防护绿地)>Ⅲ(莲花山风景名胜区—G5其他绿地)>Ⅳ(深圳市儿童乐园—G1公园绿地)>Ⅴ(福荣路行道树绿地—G4附属绿地)(图1)；②各项渗透指标的极值：初渗率、平均渗透率、稳渗率和60 min内渗透总量的最大值均出现在样地Ⅰ中，最小值出现在样地Ⅴ中；③各绿地的平均渗透率依次为：3.25、3.03、2.51、2.26和1.95 mm/min；透水总量依次为210.94、160.58、149.24、146.87和106.56 mm(表2)。

变化规律和特点证明：① 不同绿地类型土壤的渗透性能存在着一定的差异性；② 3个土壤入渗特征值在不同样地之间均显示出相似的变化规律：初渗率>平均入渗率>稳渗率；③ 不同样地及其不同土层中，各项渗透参数均显示出随土壤深度增加而逐渐下降的变化趋势；④ 和文献资料所载的原生植被土壤渗透性比较，深圳城市绿地土壤渗透性普遍低于原生林地、林灌地、林灌草地和灌草丛等地土壤的渗透性。

图1 不同城市绿地土壤渗透指标Fig.1 The soil permeability of different urban greenlands

和其他各类土壤渗透性一样，城市绿地土壤渗透性的变化规律，可通过对其与不同层次土壤的容重、土壤孔隙度、土壤结构、有机质含量以及根系密度等土壤因子的相关性分析得以解释。

进一步分别对5种不同绿地类型土壤渗透性指标做多重比较(表2)。不同绿地类型之间的初渗速率、平均渗透速率和稳渗速率均无显著差异，但总透水量之间差异均达显著水平(5%)，其中Ⅰ、Ⅱ两样地之间和Ⅳ、Ⅴ两样地之间还达到了极显著的水平。各绿地之间Ⅰ的透水总量最大，是Ⅴ的透水总量(最小)的1.98倍，5 类城市绿地土壤透水总量的平均值为154.78 mm，与前述结果一致。

表2 不同城市绿地类型土壤渗透率的多重比较

注：表中同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

2.2 不同绿地类型土壤水分入渗过程拟合

度量拟合优度的统计量是R2，R2最大值为1。R2值越接近于1，说明回归直线对观测值的拟合程度越好，反之，R2的值越小，说明回归直线对观测值的拟合程度越差。据此，进一步模拟分析不同绿地类型土壤渗透率变化结果(表3)。15 个拟合模型中，总体拟合优度都在0.748 8～0.941 3，其中拟合度为0.748 8～0.791 3 的有4个，占拟合模型总数的26.67%，拟合度为0.802 6～0.882 5 的有7个，占拟合模型总数的46.67%，拟合度为0.912 5～0.967 6 的占拟合模型总数的26.67%。经F检验，这些回归直线模型均达到了极显著水平，说明拟合效果较好，对研究区域不同类型绿地土壤入渗特征的模型描述和入渗过程预测具有较好的实用性。

表3 不同城市绿地各层土壤入渗过程拟合R2值

2.3 土壤渗透性与土壤主要因子间的相关性分析

选择土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和有机质5项土壤因子对土壤渗透率做相关性分析(表4)。结果表明，初渗率、平均渗透率和稳渗率与土壤容重呈极显著负相关，与土壤总孔隙度和非毛管孔隙度呈极显著正相关，平均渗透率与毛管孔隙度呈显著负相关，其余比对之间虽有一定的正、负相关关系，但差异均未达到显著水平。

表4 不同城市绿地土壤渗透性与主要 土壤因子的相关系数

注：*和**分别表示在5%和1%水平上的显著性水平

3 讨论

(1)不同的城市绿地类型土壤的渗透性存在一定的差异性；各绿地的3个反映水分入渗特征值之间的关系表现为：初始渗透速率>平均渗透速率>稳定渗透速率；各项参数都是随着土壤深度的增加而减小，这与许多相关研究结果基本一致[26-28]，但也与部分资料存在一定的差异，甚至完全相悖，例如，研究闽西北不同经营时间毛竹林土壤渗透性的结果，3 种林分的初渗率、稳渗率、平均渗透速率和60 min渗透总量均随着土层深度的增加而增加[26-29]；对滇东石漠化地区不同植被模式土壤渗透性研究结果显示：不同植被类型土壤渗透性能不同，但同层次土壤3项渗透指标数值基本都表现为平均渗透率>初渗率>稳渗率[29-32]。据此，关于土壤渗透性能的变化规律还有很大的研究潜力。

(2)深圳市的城市绿地大多以人工植被为主，尽管植物种类组成与配置有一定差异，但植被层次结构多为乔、灌、草结构，且多为客土种植，加之在绿地管理、绿地建植年限等方面受人类干扰影响，因而造成了各种绿地土壤渗透性差异不显著和水分入渗过程相似的土壤水分渗透规律，显示出了深圳市绿地土壤水分的入渗特点。

(3)有关土壤渗透性能影响因子的相关报道各有差异。各类城市绿地土壤渗透率与有机质、毛管孔隙度无显著性相关；与土壤容重呈极显著的负相关；与土壤总孔隙度和非毛管孔隙度呈极显著正相关。表明深圳市各类绿地土壤的渗透性能主要取决于土壤容重、土壤总孔隙度和非毛管孔隙度，其中非毛管孔隙度可使降水凭借重力和一定压力梯度向土体渗透起着主导作用。结果与与有关自然植被土壤渗透性的研究结果基本一致，说明此次研究结果基本符合深圳市的实际情况。

(4)植被的种类组成及其根系是影响土壤渗透性的重要因素之一。研究发现随着根长密度的增加，土壤渗透性各项参数明显增强，且呈现出显著的线性关系，主要是由于根系穿插、延伸过程中所形成横向和纵向的植物根孔，进而影响土壤渗透性。这对探索城市绿地土壤渗透机理有重要意义，对此，在课题的后续研究中尚待补充和加强。

4 结论

(1)对深圳市不同绿地土壤的初渗率、平均渗透率、稳渗率和渗透总量4项参数进行多重比较，结果表明： 各绿地土壤水分渗透率依次为：G2生产绿地>G3防护绿地>G5其他绿地>G1公园绿地>G4附属绿地；入渗率随着土壤深度增加呈减小趋势：0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm；3项渗透特征值大小依次为：初渗率>平均渗透率>稳渗率。在所研究区域内具有良好的水分入渗性能。

(2)由于考氏经验公式对水分入渗模型拟合的相关系数R2≥0.748 8，说明考氏经验公式对深圳市主要绿地土壤水分入渗过程具有较好的适用性。

(3)对不同绿地土壤渗透性与主要土壤因子进行相关性分析，结果发现，初渗率、平均渗透率和稳渗率与土壤容重呈极显著负相关，与土壤总孔隙度和非毛管孔隙度呈极显著正相关，平均渗透率与毛管孔隙度呈显著负相关，其余比对之间虽有一定的正、负相关关系，但差异均未达到显著水平。