城市绿地土壤的质地类别及其对雨水渗透的影响——以新乡市为例

张毅川

王江萍*

“海绵城市”是一种城市雨水资源利用方式的形象比喻：指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的弹性，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水释放并加以利用[1]。

城市绿地在海绵城市建设中发挥着重要作用。土壤是城市绿地中雨水的主要承载面，土壤的水分入渗对城市绿地健康具有重要的意义。土壤和植物间存在着复杂的物质交换，彼此具有强烈影响。良好渗透性能的土壤能够为植物的生长提供足够的水分，植物的根系及凋落物反过来能够使土壤变得疏松进而增加渗透性能。伍海兵和方海兰认为土壤渗透已经成为影响生态安全的重要因素，提出应将土壤质量纳入城市绿地质量的评价标准，并开展绿地土壤入渗的基础研究和土壤改良的应用研究[2]。

城市绿地土壤的水平分布及垂直结构分析是城市雨水优化设计的基础。长期以来，绿地土壤的渗透性能没有得到足够的重视，目前的研究主要集中在城市绿地土壤的养分[3]、重金属[4]等的调研和分析上，仍然缺乏从雨水视角开展的调研和分析。缺乏土壤的质地类别数据导致海绵绿地的建设和低影响开发设施的设计存在很大的盲目性，也使设计的实际效果难以把握。因此，本研究采用定量方法对研究区绿地土壤的质地和类型进行分析，结果可以为绿地中雨水的优化设计提供依据，减少设计的盲目性。

1 研究方法

1.1 样点分布与采样方法

本研究选择位于豫北地区的新乡市为研究区。豫北地区年均降雨量不高且降雨较为集中，呈现旱涝交替的现象，同时城市的水资源十分匮乏。因此如何在半干旱环境条件下最大限度地发挥城市绿地的雨水渗蓄作用，开展绿地土壤的质地类别研究具有重要的应用价值。

根据研究文献检索发现城市区域的土壤调研样本数量变化较大，成都市绿地土壤理化性质研究中选择了15处样点[5]，广州市城市绿地土壤特征研究选择了17处样点[6]，而武汉市土壤调研选择了81处样点但仅选取0～20cm土层[7]。本研究选择了51处绿地样点进行土壤采样(图1)。在开挖土壤剖面时发现有17处样点无法操作，在更换该处绿地的开挖点之后仍然无法成功，主要原因是：园林施工时对土壤的要求不严格，17处样点中有7处采用建筑垃圾回填土，8处采用生活垃圾回填土，另有2处土壤中掺入了大量场地施工时的石灰。因此，最终采用的土壤样点为34处。

在林地、草原和保护地等自然区域，土壤采样通常采用网格法使样点尽量均匀分布。城市绿地土壤的采样难度较大，网格法并不适用，是因为受多方面因素的影响：研究区内绿地在城区中并非均匀分布；城市绿地组成中公园绿地、居住区、道路、单位等附属绿地占有较大的比重，样点分布上应予以体现；土壤采样开挖剖面会对绿地造成破坏，需要获得相关部门的同意。综合考虑以上因素，本研究中土壤样点选择采用以下方法：根据新乡市绿地分布现状图，按照城市绿地类别对主要的绿地进行样点初步布局；然后根据样点分布密度进行调整，使样点尽量均匀分布；最后根据实验仪器配备和测量指标数量预估样点平均观测时间和人员需求并进行调研分组和调研路线优化。最终成功采样的样点中，属于公园绿地类型的有10处，道路附属绿地类型的有8处，其他附属绿地类型的有14处，另有2处样点已纳入城市绿地范围但仍保留农田的状态。

本次土壤调查剖面的深度选择以植物生长所需土壤厚度为依据。一般情况下，15～20cm胸径的植物移栽时的土球直径约为120cm，厚度约为80cm。因此本研究对土壤的采样深度为80cm，分成4个层次：0～20cm层(A)、20～40cm层(B)、40～60cm(C)层和60～80cm(D)层。本研究最终获取34个样点的共计136组数据。外业采样方法为：开挖土壤剖面，清除两侧剖面壁上浮土后再用花铲进行分层采样，将土壤样品装入事先编号的标本袋中。

1.2 土壤分类标准

图1 研究区绿地土壤采样点分布示意图(绿色为最终采样点；棕色为未成功采样点)

目前我国常用的土壤分类制主要有3种：国际土壤分类制、美国土壤分类制和中国土壤分类制[8]。鉴于国际分类制有利于成果的借鉴和比较，在参考其他研究成果[9-10]的基础上，本研究采用国际公认的国际土壤分类制(图2)。国际分类制的分类标准是根据砂粒(2～0.02mm)、粉粒(0.02～0.002mm)和黏粒(＜0.002mm)3种粒级含量的比例划定12个质地并根据3种粒级含量的百分比绘制三角形图，使用时根据样品中相应粒级含量的百分比进行对应查询即可得到该土壤的质地和类别。

1.3 土壤质地测定

在室内将土壤样品摊开并手工捏碎较大的土块后装入铝盒，放入鼓风干燥箱进行干燥，然后用木碾子粗研磨并分别过2mm和1mm孔径的不锈钢筛后放入样品袋待测。样品全部通过1mm的不锈钢筛。使用精度为0.01mg的电子天平称量1g土壤样品装入试剂瓶准备上机测试，测试前加入30%H2O2溶液并在70℃水浴加热下去除有机质的干扰。

传统的粒径分析方法耗时耗力且实验的结果误差较大。激光粒度分析仪用于土壤粒径的测试，不需要土壤的质量数据且具有很高的分辨率，测试结果精度高，是全自动化土壤分析的理想选择。本研究采用济南润之科技有限公司生产的Rise-2008型激光粒度仪，测量范围1 200～0.02um。

根据文献检索发现采用激光粒度仪测试土壤样品的方法并不一致，在样品质量、超声时间、搅拌速度等方面甚至具有较大的差异[11]。本研究采用以下方法：将样品溶液倒入400ml的进样池，超声分散时间5min，搅拌速度2 500rpm。使用机器自带软件PADMAS颗粒粒度测量分析系统进行粒度分析与统计。

图2 国际土壤分类制三角图(2-1为土壤质地；2-2为土壤类别)

2 结果与分析

2.1 绿地土壤样品的质地与类别

采用Sigmaplot 12软件对绿地土壤样品按照质地进行分类(图3)，新乡市绿地土壤共有8种质地，分别属于4种类别：7.35% 是砂土类；69.12%是壤土类，其中砂质壤土占14.89%，粉砂质壤土占84.04%，壤土占1.06%；14.71%是黏壤土类，只有粉砂质黏壤土1种质地；8.82%是黏土类，其中粉砂质黏土占58.33%，黏土占33.33%，重黏土占8.33%。

总体上，新乡市城市绿地的土壤类别以壤土为主，部分土壤偏黏质并有少量砂土类别。新乡市的绿地土壤有较好的机械组成，壤土比例较大。相比较而言，壤土的性能介于黏土和砂土之间，在生产上兼有黏土和砂土的优点，适合大多数植物的生长。壤土具备一定的渗透性能、保水性能、热容量和保温性能但是水分的渗透性能不及砂土。占比23.53%的偏黏性土壤十分不利于雨水的渗透。

2.2 基于土层及绿地类型的土壤质地类别分析

采用Sigmaplot 12软件对所有土壤样品分别按土层、绿地类型制作了分布图。图4反映了4个土层中土壤质地和类别的分布。从土壤类别上看：砂土所占比例在所有土层中变化不大；壤土在各层中都是所占比例最高的，但从A层到D层逐渐降低，各层中的比例分别为82.35%、73.53%、61.76%和58.82%；黏壤土所占比例从A层到C层逐渐升高，分别为8.82%、11.76%和26.47%，D层和B层基本持平；黏土所占比例在前3层变化不大，最高不超过6%，但在D层中比例达到了20.59%。

图5反映了不同绿地类型中土壤质地和类别的分布状况。从土壤类别上看：砂土在公园绿地、其他附属绿地、道路附属绿地和农田中的比例从12.5%、7.14%、3.13%到0逐渐降低；壤土在各绿地类型中所占比例较高，分别为72.5%、75%、59.38%和50%；前2类绿地中，黏壤土和黏土所占比例较低，道路附属绿地中黏壤土和黏土所占比例均达到18.75%，而农田最高，均达到25%。

2.3 绿地土壤的垂直结构分析及对雨水渗透的影响

土壤的垂直组成结构直接影响雨水的渗透能力。一般而言，林地土壤多由枯枝落叶层、腐殖质层、心土层等组成[12]，渗透能力和保水能力都较强。而农田土壤则通常由耕作层、犁底层和心土层组成，是长期农业耕作形成的土壤垂直结构[13]，这种土壤结构往往通过深翻作业促进土壤水分的入渗和保持。园林绿地原有的土壤结构往往在施工过程中受到破坏，从而形成了无层次、无规律的土体构造。

图3 研究区绿地土壤的质地分布(n=136)

图4 分土层的土壤质地分布(图a～d分别为A～D层)

图5 分绿地类型的土壤类别分布(图a～d分别为公园绿地、其他附属绿地、道路附属绿地和农田)

图6 基于绿地土壤类别的垂直结构分布

根据土壤类别绘制了调研样点的垂直层次结构分布图(图6)。紧实度[14]、有机质含量[15]等会对土壤的渗透性能产生影响。除此之外，一般情况下土壤的渗透性能如下：砂土类＞壤土类＞黏壤土类＞黏土类。这主要是当砂粒的含量高时，由于粒径大形成的孔隙较大的缘故。从雨水渗透能力上看，一般上下层结构组成均匀或者上层偏砂质更加有利于雨水渗透的稳定性，而上层偏黏性或者层次结构不均匀都会导致雨水渗透的稳定性降低。新乡市绿地土壤的垂直结构中，只有12处样点的各层类别完全一致，大多数的层间类别有所差异。F7样点的4层均为砂土类，具有良好的雨水渗透性。D1、D4、F5、F14和N2表层的雨水渗透能力最低，且D1、F5样点的4层类型均偏黏性，十分不利于雨水的渗透。其他样点各层40cm深度内雨水的渗透性能一般，但到深层后部分样点的质地偏黏，不利于深层土壤水分的补给。

绿地土壤的垂直结构复杂，土层分布不均匀，也为判断雨水入渗能力增加了难度。通过对土壤垂直结构的分析发现：仅有少量样点的垂直结构有利于雨水的入渗，而多数样点的渗透能力不足，有些还相当严重，需要进行优化。

3 结语

海绵绿地建设需要提高土壤的渗蓄能力，同时也可以为植物的健康生长提供良好的环境条件。目前许多城市公布的海绵绿地设计导则中，对绿地土壤按照分类或者分区的方式公布相关数据，和设计场地中实际土壤状况有较大的差异，甚至会对设计人员造成误导。城市绿地的土壤来源及组成十分复杂，而目前的设计中往往将土壤视作均质。海绵绿地建设应充分考虑绿地土壤的差异性，改变以往将绿地土壤看作匀质的粗放式建设方法。因此，设计师不能够仅凭主观感受，需要科学分析场地内的土壤特征，只有这样才能做出正确的判断进而因地制宜地进行绿地雨水优化设计。

注：文中图片均由作者绘制。