唐心，李國平，胡家朋，蘇麗鰻，吳晨浩，陳杰，葉宏萌*

（1.武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點實驗室，福建 武夷山 354300；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

隨著城市化進程持續(xù)推進，中國城市化率已由2001 年的36.2%提高至2015 年的56.1%[1]，在2050年將達70%[2]。城市化過程中地面不透水面積比重增大，導(dǎo)致城市地區(qū)的降水量、徑流總量、地表徑流量及地表徑流系數(shù)均明顯大于周圍郊區(qū)；而蒸發(fā)量、地下徑流量及地下徑流系數(shù)明顯小于周圍郊區(qū)。城市水文的這一特點疊加這氣候變化帶來的影響，導(dǎo)致城市中干旱、高溫和洪澇災(zāi)害頻率增加、強度增大。2014 年住建部發(fā)布《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，強調(diào)城市作為“海綿體”的重要性[3]。

土壤作為“海綿體”中至關(guān)重要的元素之一，在海綿城市建設(shè)中被廣泛研究[4]，其不同的土地利用和覆被變化（LUCC）是影響水環(huán)境的關(guān)鍵要素之一，甚至改變洪澇發(fā)生的頻率和強度[5]。其中，土壤滲透性能是建設(shè)海綿城市需要研究的首要因素[6-7]。當前，有關(guān)土壤滲透性能研究，已從城市綠地系統(tǒng)到績效評價的概念模型，再到城市雨水徑流污染的負荷計算、初期棄流控制等具體實踐，涵蓋“滲、滯、蓄、凈、用、排”，但其中對于土壤的系統(tǒng)性研究尚少，并沒有在生態(tài)水系統(tǒng)規(guī)劃中予以重視，誤導(dǎo)諸多規(guī)劃建設(shè)[5-7]。已有研究表明土壤基本理化性質(zhì)，例如，土壤含水率、容重、孔隙率、粒徑組成、土壤粒徑分布及土壤pH 值等指標很大程度影響土壤的滲透能力。這與海綿城市體系建設(shè)中雨水滲透和滯留有著密切的相關(guān)性[8-9]。而不同的土地利用類型也會不同程度的影響土壤的滲透性能，所以根據(jù)不同土地利用類型的研究土壤穩(wěn)定滲透系數(shù)測定的同時，研究對應(yīng)土壤的基本理化性質(zhì)以及分析其對土壤穩(wěn)定滲透系數(shù)的影響，這對研究區(qū)土壤基本性質(zhì)資料累積以及指導(dǎo)海綿城市工程建設(shè)過程中的土壤結(jié)構(gòu)改良顯得尤為必要。

南平地處福建省北部、閩江之源，素有“福建糧倉、南方林海、中國竹鄉(xiāng)”的美譽，是環(huán)保部命名的國家級生態(tài)示范區(qū)。該市于2021 年6 月成功獲批全國第一批系統(tǒng)化全域推進海綿城市建設(shè)示范城市。文中以南平市建陽中心城區(qū)為例，分析不同土地利用類型土壤滲透系數(shù)和其他土壤基本理化性質(zhì)（孔隙率、含水率、容重和pH 值等指標）的空間差異以及相互關(guān)系，有利于南平市土壤基本理化性質(zhì)的資料累積和土壤結(jié)構(gòu)改良，進一步推進和深化南平市海綿城市建設(shè)，也對類似區(qū)域海綿城市建設(shè)具有一定的代表性和借鑒性意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

南平市原名建陽市，位于福建省北部介于北緯27°6′～27°43′，東經(jīng)117°～118°38′之間[10]，屬于亞熱帶季風氣候，年平均全降水量1700 mm 以上，年平均氣溫18.1 ℃[11]。土壤主要由磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤、黃棕壤、棕壤、暗棕壤等組成，以紅壤為主，占80.40%[12]。該市總面積為3387.1 km2，其布點如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

1.2 樣品采集與分析

2022 年7 月中旬，于南平市建陽中心城區(qū)采集荒地、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、公園區(qū)、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)和農(nóng)業(yè)用地7 種土地利用類型土壤，共61 個樣點（見圖1）。利用鏟子和環(huán)刀采集61 個表層土壤混合樣品（梅花形布點）和對應(yīng)多個重復(fù)的環(huán)刀樣品（保鮮膜密封），貼上標簽。

將環(huán)刀樣品帶回實驗室中，以環(huán)刀法測定土壤滲透系數(shù)、含水率、容重和孔隙度[13]；而土壤混合樣需剔除石礫和動植物殘體等異物，放置在通風良好的室內(nèi)，自然風干后，研磨并過20 目尼龍篩并裝袋備用。以電極法測定土壤pH 值[14]。此外，土壤粒徑測定以干濕法激光粒度儀（型號Bettersize2600E，丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)）濕法模式下測定沉積物樣品，讀取D50（平均粒徑）數(shù)值，并進行粒徑分級：黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.05～0.002 mm）和砂粒（2.0～0.05 mm）。

1.3 評價方法

根據(jù)達西定律（詳見文獻介紹[15]），計算研究區(qū)土壤滲透系數(shù)，同時，以考斯加可夫滲透分級[16]進行土壤滲透性能的評價，詳見表1。

表1 土壤滲透性分類Tab.1 Soil permeability classification

1.4 數(shù)據(jù)處理

以ArcGIS 軟件繪制研究區(qū)土壤采樣點分布圖，采用Origin 2019 對土壤滲透系數(shù)和其它基本理化性質(zhì)作柱狀分布圖，用IBM SPSS 進行兩者相關(guān)關(guān)系分析。

2.1 南平市建陽中心城區(qū)不同土地利用類型土壤滲透系數(shù)

從不同土地利用類型角度來看，交通區(qū)、公園區(qū)和商業(yè)區(qū)的新、老城區(qū)滲透系數(shù)相差不大，可能是其中的植被經(jīng)常更換導(dǎo)致這一現(xiàn)象。而新城區(qū)交通區(qū)和公園區(qū)的平均滲透系數(shù)非常相近，分別為3.36×10-4cm/s和3.31×10-4cm/s,這一現(xiàn)象也可能是新城區(qū)的公園區(qū)和交通區(qū)都是新開發(fā)的且公園區(qū)位于道路邊，所以土壤性質(zhì)可能與交通區(qū)相近。而荒地的土壤平均滲透系數(shù)新、老城區(qū)相比，新城區(qū)＜老城區(qū)，且后者是前者的7.16 倍。這一現(xiàn)象，從土質(zhì)分層和質(zhì)地來看，可能是新城區(qū)的荒地是后期填埋并壓實。而老城區(qū)的荒地相對而言有開裂現(xiàn)象且土質(zhì)松軟，土壤滲透系數(shù)較高。而農(nóng)業(yè)區(qū)則相反，新城區(qū)的平均土壤滲透系數(shù)＞老城區(qū)，前者是后者的4.06 倍。這一現(xiàn)象，可能是新城區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)的土壤剛剛松完所以滲透性能強。新、城區(qū)的工業(yè)區(qū)土壤平均滲透系數(shù)也存在著一定的差異，其中老城區(qū)＞新城區(qū)，前者是后者的1.32 倍。這一現(xiàn)象可能是因為老城區(qū)的綠化相對而言更不規(guī)范，類似于后期堆積而成的，所以土質(zhì)比較疏松，滲透系數(shù)較，詳見圖2。

圖2 不同土地利用類型土壤滲透系數(shù)Fig.2 Soil permeability coefficient of different land use types

具體而言，新城區(qū)荒地、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、公園區(qū)、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)的土壤滲透系數(shù)整體范圍分別為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；而老城區(qū)對應(yīng)依次為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。不同土地利用類型處于不同的滲透等級，其中前者不同土地利用類型的樣地的滲透性能基本以中和強為主，依次為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%（強），后者也以中、強為主，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%（強）。

整體來看，南平市建陽中心城區(qū)的土壤滲透系數(shù)整體范圍為1.06×10-6～1.42×10-3cm/s。根據(jù)考斯加可夫滲透分級評價（表1），土壤平均滲透性極弱，弱，中，強和極強的分別占3.28%，6.56%，55.74%，32.79%和1.63%。研究區(qū)有98.36%的土壤樣品屬于LID 綠化帶土壤飽和滲透系數(shù)適宜范圍(3.47×10-4～1.00×10-3cm/s)，說明南平市建陽中心城區(qū)整體土壤滲透性較適宜。同時，不同土地利用類型土壤滲透系數(shù)對比得出，新城區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞交通區(qū)＞公園區(qū)＞工業(yè)區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞荒地；而老城區(qū)則為荒地＞工業(yè)區(qū)＞交通區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞公園區(qū)＞農(nóng)業(yè)區(qū)。

2.2 南平市建陽中心城區(qū)不同土地利用類型土壤基本理化性質(zhì)

由圖3 可知，研究區(qū)中新城區(qū)的荒地、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、公園區(qū)、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)的含水率平均數(shù)值分別為16.44%、22.97%、20.16%、29.18%、16.10%、20.03%；老城區(qū)依次為16.79%、18.77%、20.35%、20.80%、20.28%、16.80%、30.31%。對比而言，新城區(qū)的荒地、工業(yè)區(qū)、公園區(qū)和居民區(qū)土壤平均含水率比老城區(qū)對應(yīng)用地類型土壤含水率高。其中，新城區(qū)的工業(yè)區(qū)和居民區(qū)的含水率是老城區(qū)對應(yīng)類型土壤含水率的1.22 和1.43 倍，而前者商業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)則是后者的95.8%和66.9%。而荒地的新、老城區(qū)土壤含水率基本一致。由此可見，同一區(qū)域不同用地類型土壤含水率受自然和人為因素的綜合干擾，空間分布差異明顯。

圖3 不同土地利用類型的土壤含水率Fig.3 Soil moisture content of different land use type

圖4 中，新城區(qū)不同土地利用類型土壤的平均孔隙度皆比老城區(qū)對應(yīng)類型土壤平均孔隙度低，這一現(xiàn)象進一步說明新城區(qū)的土壤風化程度低，質(zhì)地更加密實。具體而言，新城區(qū)的荒地、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、公園區(qū)、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)的孔隙度平均數(shù)值分別為37.57%、43.75%、44.51%、44.51%、42.45%、42.95%、45.51%；老城區(qū)依次為43.30%、45.68%、51.19%、46.25%、45.49%、49.98%、49.18%。其中，新城區(qū)的交通區(qū)和公園區(qū)的孔隙度均值都為44.51%，這一現(xiàn)象進一步反映兩者土壤整體孔隙率性質(zhì)具有相似性。而荒地的孔隙度新城區(qū)（37.57%）＜老城區(qū)（43.30%），這一現(xiàn)象，也進一步說明荒地老城區(qū)的土質(zhì)比較疏松。商業(yè)區(qū)的孔隙度新城區(qū)（42.95%）＜老城區(qū)（49.98%），這一現(xiàn)象說明可能商業(yè)區(qū)老城區(qū)的土質(zhì)比較疏松，近期有進行植物的更換。

圖4 不同土地利用類型的土壤孔隙度Fig.4 Soil porosity of different land use type

由不同土地利用類型土壤的容重（圖5）對比得出，新城區(qū)的荒地、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、公園區(qū)、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)的土壤容重平均數(shù)值分別為1.75、1.36、1.46、1.47、1.55、1.41、1.3 g/cm3；老城區(qū)依次為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區(qū)差異最大，新城區(qū)荒地土壤容重均值是老城區(qū)的1.27 倍。而商業(yè)區(qū)的土壤容重新、老城區(qū)數(shù)值相同都為1.41 g/cm3。而農(nóng)業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)新、老城區(qū)也差異明顯，可能更多為人為的干擾導(dǎo)致。

圖5 不同土地利用類型的土壤容重Fig.5 Soil bulk density of different land use type

由圖6 可知，不同城區(qū)同一土地利用類型的土壤pH 值差異不大，新城區(qū)的荒地、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、公園區(qū)、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)的平均pH 值分別為5.12、5.84、5.93、5.95、6.22、5.95、7.15；老城區(qū)則依次為5.13、6.64、6.06、5.82、6.56、6.32、5.31。其中，新城區(qū)的農(nóng)業(yè)區(qū)是老城區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)的1.35 倍，可能因為老城區(qū)的農(nóng)用地耕作時間舊，長期施肥導(dǎo)致土壤酸化明顯。

圖6 不同土地利用類型的土壤pH 值Fig.6 Soil pH value of different land use type

圖7 中，不同土地利用類型，荒地、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、公園區(qū)、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)的平均粒徑D50分別為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徑D50最大。而土壤平均粒徑組成百分比（圖8）依次為：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，交通區(qū)的黏粒占比最大為5.18%，農(nóng)業(yè)區(qū)的黏粒占比最小為3.11%；而粉粒占比公園區(qū)最大為56.60%，荒地粉粒占比最小為46.89%；荒地的砂粒占比最大為49.75%，公園區(qū)的砂粒占比最小為38.63%。這一現(xiàn)象可以看出南平市中心城區(qū)的土壤多為粉砂質(zhì)，而交通區(qū)和公園區(qū)的土壤質(zhì)地會較黏，荒地的土壤砂粉質(zhì)含量高。

圖7 不同土地利用類型的土壤平均粒徑Fig.7 Average particle size of soil of different land use type

圖8 不同土地利用類型的土壤粒徑組成Fig.8 Composition of soil particle size of different land use type

2.3 南平市建陽中心城區(qū)不同土地利用類型土壤滲透系數(shù)的影響因素

研究區(qū)土壤容重與含水率、孔隙度呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.436 和-0.460（P 為0.01）；土壤孔隙度與土壤平均滲透系數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.302（P 為0.01）。以及土壤平均粒徑D50與土壤粒徑中的黏粒、粉粒和砂粒的相關(guān)關(guān)系分別為-0.640、-0.880 和0.889（P 為0.01）。同時，粒徑組成各指標也存在著一定的聯(lián)系，黏粒與粉粒呈正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.632，P 為0.01），兩者與砂粒成顯著負相關(guān)（依次為-0.764、-0.972，P 為0.01）。因此，當土壤容重明顯增大，土壤含水率和土壤孔隙度下降時，土壤滲透系數(shù)會隨著他們的改變而下降。而土壤粒徑中的砂粒占比增加也會一定程度上使土壤滲透系數(shù)下降。由此可見，土壤基本理化指標之間相關(guān)聯(lián)系與影響，并在不同程度上影響著土壤滲透性能。

3 結(jié)語

（1）南平市建陽中心城區(qū)的土壤滲透系數(shù)整體范圍為1.06×10-6～1.42×10-3cm/s。根據(jù)考斯加可夫滲透分級評價，研究區(qū)有98.36%的土壤樣品屬于綠化帶土壤飽和滲透系數(shù)適宜范圍(3.47×10-4～1.00×10-3cm/s)，說明南平市建陽中心城區(qū)整體土壤滲透性較適宜。因此，后期海綿城市建設(shè)中可以加強植被覆蓋，并優(yōu)先考慮海綿城市建設(shè)中滲濾類的LID 技術(shù)，將雨水滲濾到淺層地表。

表2 不同區(qū)域土壤基本理化性質(zhì)相關(guān)性Tab.2 Correlation of basic physical and chemical properties of soil in different regions

（2）南平市建陽中心城區(qū)不同土地利用類型土壤滲透系數(shù)對比得出：新城區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞交通區(qū)＞公園區(qū)＞工業(yè)區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞荒地；而老城區(qū)則為荒地＞工業(yè)區(qū)＞交通區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞公園區(qū)＞農(nóng)業(yè)區(qū)。

（3）研究區(qū)土壤含水率、孔隙度、容重、滲透系數(shù)和pH 值范圍分別為 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，土壤孔隙度與土壤滲透系數(shù)呈極顯著正相關(guān)，其他基本理化指標也在不同程度上影響著土壤滲透性能。