天津市不同功能区土壤物理特性研究

李 银, 杨 洁, 李 岩

(1.天津市水利科学研究院, 天津 300061； 2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司， 陕西 西安 710075)

天津市地处海河流域的下游，由于地势低洼，又处于九河下梢，经常遭受洪、涝、潮等灾害的侵袭，因此天津的防洪灾问题一直是水利部门工作的重中之重。而大量研究表明下凹式绿地对提升城市绿地的水文调蓄功能具有重要意义[1-3]。但在实际实施中由于土壤渗透条件不同，绿地植被选取、降雨径流等因素的不同，土地使用规划和景观规划等限制，因此在设计下凹式绿地时，不能简单的套用设计规范，必须根据实际对下凹式绿地的设计参数进行分析和优化，才能得出一种适应当地条件的适用性较强的配置模式。而下凹式绿地土壤的特性以及渗透能力对下凹式绿地的植物选取、下凹深度以及绿地面积的设计至关重要。据此文中对天津市常用绿化土壤的基本性质以及渗透性能进行研究，以便为天津市下凹式绿地的设计及推广应用提供参考及理论依据。城市化过程中土壤的利用方式发生改变，从而使土壤环境和土壤理化性质发生明显的变化[4]。植被类型会使土壤表面的覆盖程度不尽相同，造成了土壤温度、湿度的不同，加之不同植被群落结构植物的生长状况、枯枝落叶多少有别，从而影响了土壤微生物的数量和活动状况[5-6]，以及土壤物理化学特性。因此文中选自天津不同功能区不同植被类型下的土壤进行研究。以往的研究主要集中于土壤的化学性质上[7-9]，对有关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对土壤的渗透性能有很重要的影响。刘汗等[10]在研究土壤含水率对黏黄土入渗性能的影响中发现土壤含水率越高土壤入渗能力越小；刘艳丽等[11]在不同土地利用方式对黄河三角洲土壤物理特性研究中发现，有植被土地利用方式的土壤容重降低，而土壤孔隙度与饱和含水量有相应的提高；檀海洋等[12]对不同功能区城市土壤理化性质及入渗特性研究中得出土壤密度越大将使孔隙度变小，土壤渗透性变弱。可见，土壤的物理性质显著影响土壤的渗透性能，从而影响下凹式绿地的设计。因此，文中选取天津市不同功能区不同植被类型(草坪、灌木)的土壤进行物理特性以及渗透性能研究。

1 试验材料

根据天津市土地利用类别和人类活动强度，选取天津不同功能区土壤，包括公园区(水上公园、梅江公园)、郊区林带(郊野公园)、文教区(天大校区)、居民生活区(南开大学居民区)、道路交通区、工业区，具体的经纬度详见表1。在不同植被类型(草坪、灌木)下选择具有代表性的3个样地，共42个样地，每个样地采集0—30 cm的表层混合土样以及原状土样，其中混合土样测定土壤的颗粒级配和含水率，原状土样测定土壤容重和渗透系数。

表1 采样区的经纬度

2 试验方法与数据处理

2.1 试验方法

依据《土工试验方法标准(GB/T50123-1999)》规范进行测定。土壤颗粒级配分析采用密度计法；土壤含水率测定采用恒温箱烘干法；渗透试验采用变水头试验方法。土壤容重采用环刀法测定。土壤容重是指单位体积土的重量，由土壤孔隙和土壤固体的数量来决定。用来计算土壤的总孔隙度，还可用于估计土壤的松紧和结构状况。土壤孔隙度，通过土壤容重和土粒比重换算得出。是指自然状态下，土壤中孔隙的体积占土壤总体积的百分比。不仅影响土壤的通气状况，而且反映土壤的松紧度和结构状况的优劣。计算公式为：

土壤孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100

试验在各个功能区的不同植被类型(草坪和灌木)下，采集具有代表性的3个土样，以减小误差性增加试验可靠性。

2.2 数据处理

采用Excel和SPSS 19.0进行数据处理，运用SPSS 19.0统计每个采样点土壤样品指标的平均值、标准误及标准差，并对土壤性质指标之间进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1 不同功能区草坪与灌木土壤的颗粒组成分析

对采集的土样利用密度计法进行颗粒级配分析，为了更好的对比天津城市不同功能区不同植被类型下每种土壤颗粒级配的差异，每组数据取3个样地的平均值进行对比分析，结果详见表2。由表2可以看出，对于不同植被类型的表层土壤，各个功能区中草坪与灌木的颗粒组成(砂粒、粉粒、黏粒)差异不大，但整体上砂粒表现为:草坪>灌木，粉粒与黏粒为灌木>草坪。对于不同功能区的表层土壤，除居民生活区表层土壤属于粉土以外，其他6个功能区表层土壤均属于粉质黏土。居民生活区土壤颗粒组成中砂粒占了将近50%，粉粒比重也有40%多，黏粒占比很小，小于10%；而公园(水上公园、梅江公园)以及文教区颗粒组成中砂粒为12%～17%，粉粒为60%～66%，黏粒为20%～25%；郊区林带、道路交通区与工业区颗粒组成中砂粒为7%～12%，粉粒为68%～75%，黏粒为15%～22%。这是由于居民生活区选自南开大学居民区属于老居民区，人为侵入体较多，具有明显的富砂性，这与文献[13-14]中对南京以及郑州市不同功能区城市土壤的调查结果一致。同时天津市表层土壤只有个别土壤为砂性，大部分土壤质地较细，这与参考文献[15]对开封市不同利用类型城市土壤的研究发现一致。可见，植被类型(草坪与灌木)对表层土壤的颗粒组成影响不大；不同功能区对表层土壤颗粒组成有影响，天津市表层土壤只有老居民区等个别土壤为粉土，其他大部分土壤为粉质黏土。由于成土母质影响着土壤的质地以及土壤的颗粒组成[16]，通过对天津城市不同功能区土壤颗粒组成对比可知土壤的颗粒组成差异不是很大，可以认为土壤自然发育过程主导着土壤颗粒组成。

表2 天津市不同功能区土壤的颗粒组成分析

注：分类标准为GB 50021—2001(2009版)。

3.2 不同功能区草坪与灌木土壤含水率分布特征

城市功能区是发挥某种特定城市功能的地域空间，是实现社会经济职能的重要载体，对城市内部环境有着深刻的影响[17]。对天津不同功能区草坪与灌木土壤含水率分布特征进行研究，结果如图1所示。由图1可以看出，各个功能区之间的土壤含水率存在一定的差别，表现为梅江公园含水率23.60%最大；其次为郊区林带21.83%，道路交通区21.83%和工业区21.57%；之后为文教区20.35%和水上公园20.27%；居民生活区含水率最小为13.87%。对于植被类型而言(图1)，其中水上公园、居民生活区、道路交通区的草坪土壤含水率>灌木土壤含水率，而梅江公园、郊区林带、文教区以及工业区的灌木土壤含水率高于草坪土壤含水率。但整体上土壤含水率表现为草坪略高于灌木，这是由于草坪低矮紧密，密实性很高，故而蓄水功能强；同时灌木的蒸腾作用大于草坪的蒸腾作用，灌木根系吸收和消耗了土壤中更多的水分，从而使土壤含水率降低[18]。

图1 天津市不同功能区草坪与灌木土壤含水率

3.3 不同功能区草坪与灌木土壤容重的分布特征

土壤容重与孔隙度是土壤基础物理性质指标，直接影响土壤的持水性和透水性，对土壤水源涵养功能具有重要作用[11]，还可用于估计土壤的松紧和结构状况。正常土壤的容重约为1.3 g/cm3左右，但是大部分城市的土壤容重都高于此值[19]。对天津不同功能区草坪和灌木土壤容重进行分析，结果如图2所示。由图2可以看出，天津草坪与灌木土壤容重的变化范围分别为1.36～1.50 g/cm3，1.34～1.55 g/cm3，均大于1.3 g/cm3，这与以往的研究结果一致。说明天津地区土壤压实作用严重，造成土壤容重增大。就不同功能区而言，土壤容重存在一定的差别，在草坪覆盖下，表现为：道路交通区>梅江公园>水上公园>工业区>文教区>居民生活区>郊区林带；灌木覆盖下，为道路交通区>郊区林带>水上公园>梅江公园>工业区>文教区>居民生活区。可以看出，除郊区林带外，其他功能区土壤容重的大小变化趋势与在草坪时的一致，这是由于草坪相对于灌木而言，易受人为活动的影响，而郊区林带由于远离市内，草坪相对于其他功能区受人为干扰较小，从而使土壤容重最小。可见，植被类型对土壤容重影响不大。不同功能区土壤容重总体上呈现：道路交通区>公园区(水上公园与梅江公园)>工业区>文教区>郊区林带>居民生活区。表现为道路交通区最大，这是由于土壤容重与人为扰动、人为活动有密切关系，而道路交通区受到庞大的人流、车流所形成的交通环境影响，土壤压实严重导致容重最大；公园区人流量大，使得土壤容重相应的也很大；工业区车辆通行很多、人流量也不少，故而土壤较密实；文教区是学生学习场所，周边环境相对稳定，人流量大并且稳定，日积月累使得土壤压实严重容重变大；郊区林带位于郊区，主要是自然形成，受到的人为扰动较小；居民生活区由于远离工业区和主干道，受到的污染和人为扰动较轻，再加上居民生活区的土质为粉土，所以土壤更加松散，容重最小[12,17]。就植被类型而言(图2)，整体上表现为：草坪土壤容重<灌木土壤容重，这是由于灌木郁闭度较高，自然土壤扰动较轻，因而土壤容重较草坪大；同时植物的根系也会影响土壤的容重，这是由于根系在土壤中穿插会占据土壤中的孔隙，同时导致土壤颗粒移动和结构变化，从而导致土体的物理性质发生改变，进而影响土壤的容重、孔隙特征和水(养)分运移[20]。而此次采集的土壤为0—30 cm的表层土壤，同时草坪根系主要分布在0—20 cm[21]，且低矮紧密，因而采集的草坪土壤会夹杂有少量根系，使得土壤孔隙度较灌木大，容重较灌木小。但对于公园区(水上公园、梅江公园)、居民区以及工业区的草坪土壤容重却高于灌木土壤容重，这是由于这三种功能区主要是人为活动聚集区，草坪受到人为践踏相对于其他功能区比较严重，所以草坪土壤容重要高于灌木土壤容重。

图2 天津市不同功能区草坪与灌木土壤容重特征

3.4 不同功能区草坪与灌木土壤孔隙度分布特征

土壤孔隙度与土壤容重具有相反的特征。土壤压实越严重，容重越大，孔隙度越小[22]。一般用土壤容重和孔隙度来反映土壤的压实程度[23]。图3为不同功能区草坪与灌木土壤孔隙度的分布特征。由图3可以看出，土壤孔隙度总体为42.50%～52.80%，其中居民生活区49.67%最大，其次为郊区林带48.00%，文教区47.92%，工业区46.88%，水上公园45.91%，梅江公园45.58%，道路交通区最小为44.98%。就植被类型而言，其中公园区、居民区与工业区的草坪土壤孔隙度略小于灌木土壤孔隙度，而郊区林带、文教区以及道路交通区的草坪土壤孔隙度大于灌木土壤孔隙度，但总体上土壤孔隙度表现为:草坪>灌木，与土壤容重正好呈现相反的变化趋势，出现这种规律的原因与土壤容重的原因相同也主要是由于人为干扰、植物根系的作用。

图3 天津市不同功能区草坪与灌木土壤孔隙度

3.5 不同功能区草坪和灌木的土壤渗透系数

土壤渗透系数是综合反映土体渗透能力的一个指标，影响土壤渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等。土壤渗透系数是土壤渗透性能的主要表征指标，而土壤渗透性能与土壤质地、孔隙度、土壤湿度有关[12,24-25]。同时土壤的地形状况以及土地利用方式等也会影响土壤的渗透能力[26]。对天津不同功能区的草坪和灌木土壤渗透系数进行分析，结果如图4所示。

图4 不同功能区草坪与灌木的土壤渗透系数特征

由图4可以看出，不同功能区的草坪和灌木土壤渗透系数差异很大，少数最大可达10-3cm/s数量级，最小的为10-6cm/s数量级，而且在同一功能区内，土壤渗透系数也波动很大。就植被类型而言，草坪土壤渗透系数>灌木土壤渗透系数，这与土壤的孔隙度特征一致，与土壤密度特征相反。就不同功能区而言，以文教区土壤渗透系数9.5E-04 cm/s最大，这是由于取样地有种植蔬菜，而土壤耕种会翻新，松化土壤结构，使得土壤孔隙度大，渗透系数大；其次梅江公园土壤渗透系数为2.1E-04 cm/s；居民生活区土壤渗透系数为2.0E-04 cm/s，这是由于居民生活区土质为粉土，故而渗透系数较大；工业区土壤渗透系数为1.8E-04 cm/s；郊区林带土壤渗透系数为1.6E-04 cm/s；水上公园土壤渗透系数为9.4E-05 cm/s，这是由于水上公园人流量大，人为干扰大，使得土壤密实较其他功能区严重，导致渗透系数小；道路交通区土壤渗透系数最小为5.1E-05 cm/s，这是由于道路交通区受到庞大人流、车流的影响，造成土壤容重大，渗透系数小。总体趋势表现为：文教区>居民生活区>工业区>郊区林带>公园区>道路交通区，大小趋势主要是受人为因素的影响，包括人为踩踏、喷灌、种植、耕作等[12,23,27]。

对于渗透性的分级，依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50287-99)中岩土体渗透性的分级标准，对天津市草坪和灌木土壤的渗透系数进行分类(表3)。由表3可知，天津仅有4.76%的草坪土壤属于微透水情况，其他草坪与灌木土壤均属于弱透水和中等透水。可见，天津草坪与灌木土壤以弱透水和中等透水为主。因此，后续进行下凹式绿地设计时应该考虑天津土壤的渗透性能，有必要时对土壤进行改良，以便更好地渗蓄雨水。

表3 天津市草坪和灌木土壤渗透系数频率分布

3.6 土壤性质间的相关性分析

3.6.1 土壤渗透系数与土壤物理性质之间的相关性分析 运用Pearson相关系数法对天津土壤渗透系数与其物理性质的相关性进行分析，结果详见表4。从表4可知，天津土壤的渗透系数与土壤含水率、土壤容重呈负相关性，与土壤孔隙度呈正相关性。这是由于土壤含水率高将使土壤入渗通量减小，从而使土壤渗透系数变小[19]；而土壤容重是通过影响土壤孔隙度来影响土壤渗透系数的，土壤容重越大将使孔隙度变小，从而使土壤渗透性变弱，同时土壤容重越小使得孔隙度越大，渗透性越强[12,28]。土壤渗透系数与土壤颗粒组成的砂粒和黏粒呈正相关，与粉粒呈负相关。相关性结果与檀海洋[12]对淮南市不同功能区城市土壤入渗性能与土壤物理性质的相关性分析结果一致。

表4 土壤渗透系数与土壤物理性质相关性分析

3.6.2 土壤物理性质间的相关性分析 对天津土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度以及颗粒组成(砂粒、粉粒、黏粒)相互之间的相关性进行分析，结果详见表5。从表5可以得出，土壤含水率与粉粒、黏粒呈显著正相关；与砂粒呈极显著负相关，与孔隙度呈显著负相关。土壤容重与土壤孔隙度的相关性特别好为r=-0.993(|r|>0.(9)，呈现极显著负相关关系，这与以往的研究结果一致，这是由于土壤容重越大，土壤越紧实粘重，孔隙越差；土壤容重越小，土壤越松散，孔隙越好[23]。

表5 土壤物理性质的相关性分析

注：“*”表示在0.05水平上显著相关； “**”表示在0.01水平上显著相关。

4 结 论

(1) 天津市不同功能区对表层土壤颗粒组成有影响，除老居民生活区属于粉土外，其他功能区均属于粉质黏土；不同植被类型(草坪与灌木)对表层土壤的颗粒组成影响不大，整体上砂粒表现为：草坪>灌木，粉粒与黏粒表现为：灌木>草坪。

(2) 天津市不同功能区土壤含水率为梅江公园最大，其次为郊区林带、道路交通区以及工业区，之后为文教区与水上公园，居民生活区最小；不同植被类型土壤含水率表现为：草坪>灌木。

(3) 土壤容重与人为扰动有密切关系，数值均大于1.3 g/cm3，说明天津土壤压实严重，表现为:道路交通区>公园区>工业区>文教区>郊区林带>居民生活区；其中，草坪土壤密度<灌木土壤密度。

(4) 土壤孔隙度与土壤容重具有相反的特征，总体为42.50%～52.80%，且草坪土壤孔隙度>灌木。

(5) 各个功能区间的渗透系数差异很大，变化范围为8.8E-06～1.3E-03 cm/s，大小趋势主要是受人为因素的影响，表现为：文教区>居民生活区>工业区>郊区林带>公园>道路交通区。就植被类型而言，草坪土壤渗透系数>灌木土壤渗透系数，这与土壤的孔隙度特征一致，与土壤容重特征相反。天津草坪与灌木土壤以弱透水和中等透水为主。因此，后续进行下凹式绿地设计时应该考虑天津土壤的渗透性能，有必要时对土壤进行改良，以便更好的渗蓄雨水。

(6) 天津市土壤的渗透系数与土壤含水率、土壤容重呈负相关性，与土壤孔隙度呈正相关性；土壤容重与土壤孔隙度呈现极显著负相关；土壤孔隙度与土壤含水率呈显著负相关。