福建省南平市不同土地利用类型土壤渗透系数及影响因素

唐心，李国平，胡家朋，苏丽鳗，吴晨浩，陈杰，叶宏萌*

（1.武夷学院 生态与资源工程学院，福建省生态产业绿色技术重点实验室，福建 武夷山 354300；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

随着城市化进程持续推进，中国城市化率已由2001 年的36.2%提高至2015 年的56.1%[1]，在2050年将达70%[2]。城市化过程中地面不透水面积比重增大，导致城市地区的降水量、径流总量、地表径流量及地表径流系数均明显大于周围郊区；而蒸发量、地下径流量及地下径流系数明显小于周围郊区。城市水文的这一特点叠加这气候变化带来的影响，导致城市中干旱、高温和洪涝灾害频率增加、强度增大。2014 年住建部发布《海绵城市建设技术指南》，强调城市作为“海绵体”的重要性[3]。

土壤作为“海绵体”中至关重要的元素之一，在海绵城市建设中被广泛研究[4]，其不同的土地利用和覆被变化（LUCC）是影响水环境的关键要素之一，甚至改变洪涝发生的频率和强度[5]。其中，土壤渗透性能是建设海绵城市需要研究的首要因素[6-7]。当前，有关土壤渗透性能研究，已从城市绿地系统到绩效评价的概念模型，再到城市雨水径流污染的负荷计算、初期弃流控制等具体实践，涵盖“渗、滞、蓄、净、用、排”，但其中对于土壤的系统性研究尚少，并没有在生态水系统规划中予以重视，误导诸多规划建设[5-7]。已有研究表明土壤基本理化性质，例如，土壤含水率、容重、孔隙率、粒径组成、土壤粒径分布及土壤pH 值等指标很大程度影响土壤的渗透能力。这与海绵城市体系建设中雨水渗透和滞留有着密切的相关性[8-9]。而不同的土地利用类型也会不同程度的影响土壤的渗透性能，所以根据不同土地利用类型的研究土壤稳定渗透系数测定的同时，研究对应土壤的基本理化性质以及分析其对土壤稳定渗透系数的影响，这对研究区土壤基本性质资料累积以及指导海绵城市工程建设过程中的土壤结构改良显得尤为必要。

南平地处福建省北部、闽江之源，素有“福建粮仓、南方林海、中国竹乡”的美誉，是环保部命名的国家级生态示范区。该市于2021 年6 月成功获批全国第一批系统化全域推进海绵城市建设示范城市。文中以南平市建阳中心城区为例，分析不同土地利用类型土壤渗透系数和其他土壤基本理化性质（孔隙率、含水率、容重和pH 值等指标）的空间差异以及相互关系，有利于南平市土壤基本理化性质的资料累积和土壤结构改良，进一步推进和深化南平市海绵城市建设，也对类似区域海绵城市建设具有一定的代表性和借鉴性意义。

1 研究方法

1.1 研究区概况

南平市原名建阳市，位于福建省北部介于北纬27°6′～27°43′，东经117°～118°38′之间[10]，属于亚热带季风气候，年平均全降水量1700 mm 以上，年平均气温18.1 ℃[11]。土壤主要由砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤、黄棕壤、棕壤、暗棕壤等组成，以红壤为主，占80.40%[12]。该市总面积为3387.1 km2，其布点如图1 所示。

图1 研究区采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

1.2 样品采集与分析

2022 年7 月中旬，于南平市建阳中心城区采集荒地、工业区、交通区、公园区、商业区、居民区和农业用地7 种土地利用类型土壤，共61 个样点（见图1）。利用铲子和环刀采集61 个表层土壤混合样品（梅花形布点）和对应多个重复的环刀样品（保鲜膜密封），贴上标签。

将环刀样品带回实验室中，以环刀法测定土壤渗透系数、含水率、容重和孔隙度[13]；而土壤混合样需剔除石砾和动植物残体等异物，放置在通风良好的室内，自然风干后，研磨并过20 目尼龙筛并装袋备用。以电极法测定土壤pH 值[14]。此外，土壤粒径测定以干湿法激光粒度仪（型号Bettersize2600E，丹东百特仪器有限公司生产）湿法模式下测定沉积物样品，读取D50（平均粒径）数值，并进行粒径分级：黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.05～0.002 mm）和砂粒（2.0～0.05 mm）。

1.3 评价方法

根据达西定律（详见文献介绍[15]），计算研究区土壤渗透系数，同时，以考斯加可夫渗透分级[16]进行土壤渗透性能的评价，详见表1。

表1 土壤渗透性分类Tab.1 Soil permeability classification

1.4 数据处理

以ArcGIS 软件绘制研究区土壤采样点分布图，采用Origin 2019 对土壤渗透系数和其它基本理化性质作柱状分布图，用IBM SPSS 进行两者相关关系分析。

2.1 南平市建阳中心城区不同土地利用类型土壤渗透系数

从不同土地利用类型角度来看，交通区、公园区和商业区的新、老城区渗透系数相差不大，可能是其中的植被经常更换导致这一现象。而新城区交通区和公园区的平均渗透系数非常相近，分别为3.36×10-4cm/s和3.31×10-4cm/s,这一现象也可能是新城区的公园区和交通区都是新开发的且公园区位于道路边，所以土壤性质可能与交通区相近。而荒地的土壤平均渗透系数新、老城区相比，新城区＜老城区，且后者是前者的7.16 倍。这一现象，从土质分层和质地来看，可能是新城区的荒地是后期填埋并压实。而老城区的荒地相对而言有开裂现象且土质松软，土壤渗透系数较高。而农业区则相反，新城区的平均土壤渗透系数＞老城区，前者是后者的4.06 倍。这一现象，可能是新城区农业区的土壤刚刚松完所以渗透性能强。新、城区的工业区土壤平均渗透系数也存在着一定的差异，其中老城区＞新城区，前者是后者的1.32 倍。这一现象可能是因为老城区的绿化相对而言更不规范，类似于后期堆积而成的，所以土质比较疏松，渗透系数较，详见图2。

图2 不同土地利用类型土壤渗透系数Fig.2 Soil permeability coefficient of different land use types

具体而言，新城区荒地、工业区、交通区、公园区、居民区、商业区、农业区的土壤渗透系数整体范围分别为1.42×10-5～1.80×10-4、3.23×10-5～01.09×10-3、6.05×10-5～8.90×10-5、6.40×10-5～6.26×10-4、1.54×10-4～6.23×10-4、9.85×10-5～5.00×10-4、9.51×10-4～1.42×10-3cm/s；而老城区对应依次为5.00×10-4、3.42×10-4～5.96×10-4、6.39×10-5～5.37×10-4、1.06×10-6～5.96×10-4、6.05×10-5～5.00×10-4、2.22×10-4～5.00×10-4、1.51×10-5～2.60×10-4cm/s。不同土地利用类型处于不同的渗透等级，其中前者不同土地利用类型的样地的渗透性能基本以中和强为主，依次为33.3%、0%、87.5%、37.5%、33.4%、100%和100%（中）；66.7%、50%、12.5%、37.5%、66.6%、0%和0%（强），后者也以中、强为主，依次占100%、50.0%、50.0%、62.5%、25%、33.3%和66.7%（中）；0%、50%、50%、25%、75%、33.3%和0%（强）。

整体来看，南平市建阳中心城区的土壤渗透系数整体范围为1.06×10-6～1.42×10-3cm/s。根据考斯加可夫渗透分级评价（表1），土壤平均渗透性极弱，弱，中，强和极强的分别占3.28%，6.56%，55.74%，32.79%和1.63%。研究区有98.36%的土壤样品属于LID 绿化带土壤饱和渗透系数适宜范围(3.47×10-4～1.00×10-3cm/s)，说明南平市建阳中心城区整体土壤渗透性较适宜。同时，不同土地利用类型土壤渗透系数对比得出，新城区农业区＞居民区＞交通区＞公园区＞工业区＞商业区＞荒地；而老城区则为荒地＞工业区＞交通区＞商业区＞居民区＞公园区＞农业区。

2.2 南平市建阳中心城区不同土地利用类型土壤基本理化性质

由图3 可知，研究区中新城区的荒地、工业区、交通区、公园区、居民区、商业区、农业区的含水率平均数值分别为16.44%、22.97%、20.16%、29.18%、16.10%、20.03%；老城区依次为16.79%、18.77%、20.35%、20.80%、20.28%、16.80%、30.31%。对比而言，新城区的荒地、工业区、公园区和居民区土壤平均含水率比老城区对应用地类型土壤含水率高。其中，新城区的工业区和居民区的含水率是老城区对应类型土壤含水率的1.22 和1.43 倍，而前者商业区和农业区则是后者的95.8%和66.9%。而荒地的新、老城区土壤含水率基本一致。由此可见，同一区域不同用地类型土壤含水率受自然和人为因素的综合干扰，空间分布差异明显。

图3 不同土地利用类型的土壤含水率Fig.3 Soil moisture content of different land use type

图4 中，新城区不同土地利用类型土壤的平均孔隙度皆比老城区对应类型土壤平均孔隙度低，这一现象进一步说明新城区的土壤风化程度低，质地更加密实。具体而言，新城区的荒地、工业区、交通区、公园区、居民区、商业区、农业区的孔隙度平均数值分别为37.57%、43.75%、44.51%、44.51%、42.45%、42.95%、45.51%；老城区依次为43.30%、45.68%、51.19%、46.25%、45.49%、49.98%、49.18%。其中，新城区的交通区和公园区的孔隙度均值都为44.51%，这一现象进一步反映两者土壤整体孔隙率性质具有相似性。而荒地的孔隙度新城区（37.57%）＜老城区（43.30%），这一现象，也进一步说明荒地老城区的土质比较疏松。商业区的孔隙度新城区（42.95%）＜老城区（49.98%），这一现象说明可能商业区老城区的土质比较疏松，近期有进行植物的更换。

图4 不同土地利用类型的土壤孔隙度Fig.4 Soil porosity of different land use type

由不同土地利用类型土壤的容重（图5）对比得出，新城区的荒地、工业区、交通区、公园区、居民区、商业区、农业区的土壤容重平均数值分别为1.75、1.36、1.46、1.47、1.55、1.41、1.3 g/cm3；老城区依次为1.38、1.54、1.33、1.44、1.39、1.41、1.27 g/cm3。其中，荒地土壤容重在不同城区差异最大，新城区荒地土壤容重均值是老城区的1.27 倍。而商业区的土壤容重新、老城区数值相同都为1.41 g/cm3。而农业区和工业区新、老城区也差异明显，可能更多为人为的干扰导致。

图5 不同土地利用类型的土壤容重Fig.5 Soil bulk density of different land use type

由图6 可知，不同城区同一土地利用类型的土壤pH 值差异不大，新城区的荒地、工业区、交通区、公园区、居民区、商业区、农业区的平均pH 值分别为5.12、5.84、5.93、5.95、6.22、5.95、7.15；老城区则依次为5.13、6.64、6.06、5.82、6.56、6.32、5.31。其中，新城区的农业区是老城区农业区的1.35 倍，可能因为老城区的农用地耕作时间旧，长期施肥导致土壤酸化明显。

图6 不同土地利用类型的土壤pH 值Fig.6 Soil pH value of different land use type

图7 中，不同土地利用类型，荒地、工业区、交通区、公园区、居民区、商业区和农业区的平均粒径D50分别为51.55000、39.77833、34.21133、39.00176、37.64429、39.14200 和40.63143 μm。其中荒地的土壤平均粒径D50最大。而土壤平均粒径组成百分比（图8）依次为：3.31%、3.54%、5.18%、4.94%、5.03%、4.23%和3.11%（黏粒）；46.89%、53.35%、54.08%、56.60%、55.05%、49.60%和54.80%（粉粒）；49.75%、43.05%、40.57%、38.63%、39.79%、44.10%和41.77%（砂粒）。由此可以看出，交通区的黏粒占比最大为5.18%，农业区的黏粒占比最小为3.11%；而粉粒占比公园区最大为56.60%，荒地粉粒占比最小为46.89%；荒地的砂粒占比最大为49.75%，公园区的砂粒占比最小为38.63%。这一现象可以看出南平市中心城区的土壤多为粉砂质，而交通区和公园区的土壤质地会较黏，荒地的土壤砂粉质含量高。

图7 不同土地利用类型的土壤平均粒径Fig.7 Average particle size of soil of different land use type

图8 不同土地利用类型的土壤粒径组成Fig.8 Composition of soil particle size of different land use type

2.3 南平市建阳中心城区不同土地利用类型土壤渗透系数的影响因素

研究区土壤容重与含水率、孔隙度呈极显著负相关，相关系数分别为-0.436 和-0.460（P 为0.01）；土壤孔隙度与土壤平均渗透系数呈极显著正相关，相关系数为0.302（P 为0.01）。以及土壤平均粒径D50与土壤粒径中的黏粒、粉粒和砂粒的相关关系分别为-0.640、-0.880 和0.889（P 为0.01）。同时，粒径组成各指标也存在着一定的联系，黏粒与粉粒呈正相关（相关系数为0.632，P 为0.01），两者与砂粒成显著负相关（依次为-0.764、-0.972，P 为0.01）。因此，当土壤容重明显增大，土壤含水率和土壤孔隙度下降时，土壤渗透系数会随着他们的改变而下降。而土壤粒径中的砂粒占比增加也会一定程度上使土壤渗透系数下降。由此可见，土壤基本理化指标之间相关联系与影响，并在不同程度上影响着土壤渗透性能。

3 结语

（1）南平市建阳中心城区的土壤渗透系数整体范围为1.06×10-6～1.42×10-3cm/s。根据考斯加可夫渗透分级评价，研究区有98.36%的土壤样品属于绿化带土壤饱和渗透系数适宜范围(3.47×10-4～1.00×10-3cm/s)，说明南平市建阳中心城区整体土壤渗透性较适宜。因此，后期海绵城市建设中可以加强植被覆盖，并优先考虑海绵城市建设中渗滤类的LID 技术，将雨水渗滤到浅层地表。

表2 不同区域土壤基本理化性质相关性Tab.2 Correlation of basic physical and chemical properties of soil in different regions

（2）南平市建阳中心城区不同土地利用类型土壤渗透系数对比得出：新城区农业区＞居民区＞交通区＞公园区＞工业区＞商业区＞荒地；而老城区则为荒地＞工业区＞交通区＞商业区＞居民区＞公园区＞农业区。

（3）研究区土壤含水率、孔隙度、容重、渗透系数和pH 值范围分别为 10.68%～51.00%、35.70%～63.30%、1.13～1.78 g/cm3、1.06×10-6～1.42×10-3cm/s、5.5～7.5。其中，土壤孔隙度与土壤渗透系数呈极显著正相关，其他基本理化指标也在不同程度上影响着土壤渗透性能。