上海绿地土壤特征分析及其应用

土壤入渗能力、孔隙度、饱和含水量、有机质含量等是影响城乡绿地雨水蓄积能力的重要因素。由于植物群落的雨水截留能力包含植物冠层、茎干截留、地表覆盖物和土壤等多个层面,因此城乡绿地(海绵体)对雨水径流的管理和削减主要依靠稳定入渗率、孔隙度、饱和含水量等土壤的物理性质和有机质含量等化学特征。

基于上述影响土壤入渗能力的因素,选取上海城市中心(1990年前建设)、近郊(1990—2000年建设)、远郊(2000—2010年之后),作为城市化进程的时间梯度代表性区域,并根据不同的用地类型和绿地的服务功能,选择社区绿地(黄浦瑞金社区、闵行莘城社区、松江方松社区)、公园绿地、商务区绿地、科教文卫绿地、道路广场绿地、工业区绿地中的168个样地进行实地踏勘和土壤采样。其中,土壤的采样深度为20 cm,采取梅花布点法,用于测量有机质含量的散土质量为500 g,利用IN8-W双环入渗仪测定土壤稳定入渗率(每个样地重复3次,每次稳定时间约1 h),并用环刀法测定每个剖面的土壤孔隙度、容重,通过上海交通大学分析测试中心测定土壤的有机质含量。

土壤的稳定入渗率、孔隙度、饱和含水量、有机质含量等4个理化特征是上海城市不同区位数,对现状绿地中土壤理化要素的调查和分析是不同功能的绿地海绵体对降雨径流的蓄渗功能必要而且紧迫的,同时也易于现状绿地在径流蓄能评估的基本要素。因此,为获得不同区位和功能的绿地海绵体土壤改良的建设目标和设计参数,对现状绿地中土壤理化要素的调查和分析是必要而且紧迫的,同时也易于现状绿地在径流蓄渗方面现存问题的揭示和应对策略的提出。

公园绿地按照市级公园、区级公园、社区公园的等级分别选取调查样地。因为市级公园的功能综合,区级公园主要是满足游憩功能和景观功能,社区公园主要是满足休闲娱乐功能,因此按照不同等级分别选取调查对象结论将具有一定代表性。居住用地选择城市社区作为研究对象,易于寻找区域尺度的一般规律。科教文卫的选择根据大学、中学、小学的等级差异选取,以获得一般规律,并且,按照校园建设的时间分为老校园和新建的校园。工业区的用地类型和比例相对接近,在城市中心、近郊、远郊分别选取即可。商务办公区的选择按照市级和地区级区分,分别在中心城区和近郊分别选择一处商务办公区的绿地样地,远郊只有地区级商业中心。

1．土壤入渗率及蓄水特征分析

不同质地(粒径)的土壤对雨水的蓄渗能力不同(表2-10)。其中,砂土、壤土等孔隙度较大的土壤类型雨水的入渗能力较强,在降雨过程中能迅速渗透雨水、起到削减地表径流,促进雨水下渗的作用。影响土壤入渗功能的因素有孔隙度、饱和含水量、有机质含量、含砂量、压实程度等理化性质(图2-12)。其中,孔隙度(尤其是非毛管孔隙度)与土壤入渗能力密切相关。

采用IN8-W双环入渗仪对土壤的稳定入渗率进行测定,每10 min测定一次,将续约1 h,以时间和入渗量为横纵轴,建立土壤入渗率关系曲线,以确定土壤的稳定入渗率。根据达西渗透定律公式(2-15),当水利坡度i约等于1时,土壤渗流速率u等于渗透系数K。

式中 V——渗流速率;

K——渗透系数土壤质地和成分相关;

i——水力坡度,与土壤质地无关,仅与流场形态相关;

h——总水头损失;

L——渗流路径长度。

表2-10　不同质地土壤的渗透性能比较

实验结果显示,在上海市现有的绿地中,不同类型及功能的绿地的土壤入渗速率存在较大差异,如文教和居住社区中的绿地由于受人为活动的影响较小,其土壤的入渗速率远远大于其他功能的绿地,且50%以上的绿地土壤入渗率大于5×10-3 mm/s,即表现出良好的渗透性(图2-12)。而道路绿地则由于压实和踩踏等人为活动的影响而表现为土壤容重增大、孔隙度降低、渗透性减弱现象。

图2-12　影响土壤稳渗率的主要因素

式中 v——绿地土壤渗透速率,m/s;

Q——入渗水量,L;

A——内环面积,cm2;

T——时间,min。

土壤入渗能力将直接影响植物生长及绿地的雨水调蓄功能。因此,利用具有环境功能的城市绿地进行雨水调控时,需要根据土壤入渗情况进行选址,或改良原有土壤理化性质,使其达到入渗要求,才能充分发挥土壤的雨水调蓄作用。已有研究表明,建设促渗型绿地的土壤入渗率应大于(6×10-3～6)mm/min。相反,绿地的设计参数也会影响土壤的入渗能力,如当坡度为5°～15°时,产流的时间逐渐减少,土壤稳渗率随着坡度的增大而减少,而在10°左右时土壤入渗率达到最大值。此外,绿地的下凹深度也是影响绿地在中观尺度发挥蓄渗雨水功能的重要因素。如德国下凹式绿地的建设标准要求土壤入渗率在(6．0×10-2～0．6 mm/min,并结合植物的耐淹程度和安全性,将下凹的深度控制在5～25 cm,雨水下渗时间不宜超过24 h。

上海城市社区不同功能绿地土壤入渗率比较如图2-13所示。

图2-13　上海城市社区不同功能绿地土壤入渗率比较

在微观尺度,绿地土壤对雨水径流的蓄积和渗透能力是绿地海绵体发挥雨洪管控功能的关键,即土壤入渗速率和下凹程度等因素。通过土壤对雨水径流入渗和蓄积量的计算,能够反映城市绿地的蓄渗能力。计算方法如下:

式中 N——蓄渗率,%;

P——降雨量,mm;

F1——绿地的服务面积(不透水面积),m2;

F2——绿地面积(透水面积),m2;

Cn——集水区的径流系数;

I——下渗量,mm;

S——蓄水量,m3。

其中,下渗量I和蓄水量S可分别用式(2-19)和式(2-20)计算。

式中 K——土壤的稳定入渗速率,m/s;

j——水力坡度,垂直下渗时j=1;

T——下渗时间,min。

式中 Δh——绿地的下凹深度,即下凹式绿地与路面或溢流口之间的高差,m。

在实测上海城市绿地现状土壤理化性质的基础上,根据式(2-18)至式(2-20)可以进一步分析城市绿地蓄积雨水及削减地表径流的能力,并结合上海城市中各功能绿地土壤入渗速率的概率分布,可以推算下凹式绿地的雨水蓄渗率(表2-11),为中观尺度低影响开发设施的建设提供理论基础。

表2-11　不同设计参数下城市绿地的雨水蓄渗率

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由表2-11可知,由于土壤理化性质及践踏等因素的影响,上海城市中不同功能的绿地土壤蓄渗雨水的能力存在一定差异,而下凹式绿地对雨水的蓄渗能力明显高于平坦绿地。

2．土壤含水量及蓄水空间分析

土壤饱和持水量,在地势高、地下水位深的地方代表土壤中毛细血管悬着水的最大含量,而在地下水位高的低洼地区则接近毛管持水道,其数值反映了土壤保水能力的大小。

采点选取标准样,调查的土壤的主要物理特征包括土壤渗透率、土壤孔隙度、土壤饱和持水量、土壤有机质含量。由于土壤本身存在着空间分布的不均一性,因此应以地块为单位,多点取样,再混合成一个混合样品,以代表取样区域的土壤性状。研究土壤一般物理性质,如土壤容重、孔隙率和持水特性等,可利用环刀。环刀为两端开口的圆筒,下口有刃,圆筒的高度和直径均为5 cm左右。在自然状态下,用一定容积的环刀取土,采样点根据样地的面积为5～10个,采样深度约为20 cm,1 kg,将所采土样装入布袋或聚乙烯塑料袋,内外均应附标签,标明采样编号、名称、采样深度、采样地点、日期、采集人。

将环刀托放在已知质量的环刀上,环刀内壁涂上凡士林,环刀刃口向下垂直压入土中,环刀筒内充满样品,土层坚硬时可慢慢敲打,环刀下压要平稳用力一致。用刀切开环刀周围的土样,取出已装上土样的环刀,削去环刀两端多余的土,擦净外面的土。同时在同层采样处用铝盒采样,测定含水量。把装有土样的环刀两端加盖,带回称重。称重后将土壤浸泡于水中,至毛管全部充满,使其含水量达到饱和,称重。之后将湿土放入烘箱中烘干至恒重(温度为105～110℃)。土壤蓄水量可用式(2-21)计算,而土壤田间持水量可用式(2-22)计算。

城市远郊的绿地土壤的自然含水量和饱和含水量略高于城市近郊的绿地土壤,远高于城市中心区。而在城市中心区、城市近郊和城市远郊的绿地中,屋顶绿化由土壤改良、较少的踩踏等原因而具有最高的土壤自然和饱和含水量;其次是科教文卫绿地、街旁绿地和公园绿地;而由踩踏及养护管理等原因,广场绿地、道路绿地和商务办公区绿地的土壤饱和含水量较低,最低的是社区绿地。但是,受原顶绿化基质厚度的影响,就土壤蓄水空间而言,科教文卫区和公园绿地、街旁绿地的土壤蓄水潜力较大。

3．土壤容重及蓄水特征分析

除土壤自身物理特征和植物根系影响以外,人为活动如压实与踩踏等会导致土壤孔隙度缩小和土壤容重增大等现象,从而影响土壤的入渗能力。当土壤受到的机械压实从1 051 kPa增加到1 487 kPa左右时,0～40 cm的表层土壤紧实度会增加29．3%,10～20 cm的土壤容重由1．34 g/cm3增加到1．44 g/cm3,3 h入渗量可从275．2 mm降低到143 mm,减少约75．7%。城市绿地由其承担的休闲游憩等社会服务功能而受到机械压实程度较大,例如上海不同功能区内土壤均受到压实,土壤容重一般超过1．3 g/cm3,其中交通道路、商业区等人流、车流量较大的区域和新建绿地压实最严重,土壤容重达到1．45 g/cm3以上,通气孔隙率为2．17%～13．70%,入渗速率一般小于0．3 mm/min;学校、居住区和部分公园绿地入渗速率相对较好。

土壤容重指土壤在未受到破坏的自然结构的情况下,单位体积中的质量;土壤容重的大小与土壤质地、结构、有机质含量、土壤紧实度等有关系。砂土容重较大,而黏土的容重较小,一般腐殖质较多的表层容重较小。土壤容重不仅可以用于鉴定土壤颗粒间排列的紧实度,而且是计算土壤孔隙度和空气含量的必要数据。测定土壤容重的方法常用的有环刀法,计算方法如下。

式中 dv——土壤容重,g/cm3;

W——土壤含水量;

H——环刀高度;

R——环刀有刃口一端的内半径;

V——环刀的容积;

G0——铝盒的质量;

G1——铝盒及湿土的质量;

D——土壤比重;

d——铝盒与干土的质量;

b——铝盒的质量。

由表2-12及图2-14可知,上海不同区位的城市绿地土壤容重基本在1．3 g/cm3以上,其中城市中心区绿地土壤容重略大于近郊和远郊地区的土壤。在城市中心区,社区绿地和商务办公区的土壤容重最高,可能的原因是人口密度较大,踩踏等现象严重,影响了土壤的结构。城市中心和城市近郊,公园绿地的土壤容重均高于广场和道路绿地,而在城市远郊地区,公园绿地土壤容重低于道路和广场绿地。可能的原因是土壤质地的变化、游人密度的减少和土壤改良的结果。

表2-12　上海城市绿地土壤容重测量

续表

图2-14　城市中心、城市近郊、城市远郊不同类型绿地土壤容重比较

4．土壤孔隙度及蓄水特征分析

上海市绿化和市容管理局要求绿地中土壤的非毛管孔隙度达到5%以上。除有机质含量以外,植物根系的深度、广度、毛细根数量、穿插及分割方式等均对土壤的非毛管孔隙度、土壤团聚体等有极大的改善作用,如可增加土壤非毛管孔隙度1．48%～155．43%,增加有机质含量13．33%～111．11%,降低容重1．7%～15．5%,提高稳渗率27．4%～476．8%,并使土壤稳渗率为0．14～16．27 mm/min。此外,乔木、灌木和草本植物根系对土壤理化性质的改善作用机理不同,乔木根系易于增加土壤的非毛管孔隙度,而草本植物根系在提高土壤有机质含量方面的能力优于乔木,这也从另一个层面说明乔灌草复层结构对土壤的结构改善作用更加明显。其中,当植物的根系径级在0．55 mm时(尤其是＜2 mm)对土壤入渗率的提高较明显,可达0．98～1．00 mm/min。而植物的蒸腾作用也会促进根系消耗土壤中的水分(110～400 mm/a),从而使土壤更易于吸收降雨。

由于土壤的胶结、垒结,在土粒之间形成的土壤孔隙,即土壤孔隙度。单位体积的土壤中孔隙所占的百分数为土壤总孔隙度,直接关系到土壤的通气状况。土壤孔隙度一般无法直接测量,而是通过测定土壤的容重、比重计算所得。

或者,

式中 P——土壤总孔隙度;D——土壤容重;

d——土壤密度,一般采用2．65 g/cm3,或采用质量/体积的方法测定密度。

根据表2-13和图2-15可知,就土壤总体孔隙度而言,位于城市远郊的绿地土壤孔隙度远高于位于城市近郊和城市中心区域的土壤。其中,屋顶绿化土壤由改良和基质的原因,土壤的总体孔隙度偏大,科教文卫区次之,公园绿地、街旁绿地、街道绿地和广场绿地的土壤总体孔隙度大于社区绿地和商务办公用地。

表2-13　上海城市绿地土壤自然含水量和饱和含水量

图2-15　城市中心、城市近郊、城市远郊不同类型绿地总体孔隙度比较

5．土壤有机质及蓄水特征分析

此外,有机质的含量可以影响土壤孔隙度的大小、分布及团粒的数量,从而影响土壤的稳定入渗速率,且两者呈现正相关的关系。例如,裸地的土壤入渗率仅为1．5×10-3 mm/min,而施用了有机质的土壤入渗率可达1．73 mm/min。通过土壤改良添加土壤改良剂、秸秆、陶粒等有机物可以提高土壤的入渗功能,如麦秆和聚丙烯酰胺(2%PAM)可提升土壤入渗能力约4．97倍,而秸秆和粉煤灰的施用可提高土壤稳渗率1．29～1．99倍。可见,土壤有机质含量的测定与改良对城市绿色设施微观层面的建设和养护均具有积极意义。此外,植物根系及枯落物对土壤有机质的含量也会产生影响。同时,土壤有机质含量的高低也能反映不同功能和类型的城市绿地的土壤改良目标。

土壤有机质是指存在于土壤中的所含碳的有机物质,包括动植物的残体、微生物体积其会分解和合成的各种有机质。对于不同的植被类型,灌木下层土壤的有机质含量高于乔木和地被植物。城市中心的灌木植物土壤有机质含量远高于远郊和近郊。对于地被植物和乔木下层的土壤有机质而言,城市远郊的含量高于城市近郊和城市中心。对于不同类型绿地中植物群落下层土壤的有机质含量而言,社区绿地中植物群落下层土壤有机质含量最高,其次是广场和公园绿地,道路绿地和屋顶绿化中植物群落下层土壤的有机质含量较低。可见,增加土壤的有机质含量可以提升灌木植物的比例,构建乔—灌—草复层结构的植被群落。