余夢(mèng)舒,李雅平,劉 青,曹 凱,詹龍奎

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與藝術(shù)學(xué)院,江西 南昌 330045)

城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展加劇了對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫,導(dǎo)致土壤生物的生存環(huán)境被破壞,綠地土壤容重增大，孔隙度降低,城市綠地土壤的滲透性能下降[1-3],城市綠地?zé)o法形成自肥維持機(jī)制，無(wú)法維持水文循環(huán)的穩(wěn)定,城市綠地的生態(tài)效應(yīng)逐步弱化。同時(shí)由于城市不透水地面快速增加,雨水無(wú)法及時(shí)通過(guò)地表下滲到土壤中,改變了原有的水文環(huán)境及生態(tài)環(huán)境的自然循環(huán)過(guò)程,導(dǎo)致地表徑流量增大,從而發(fā)生城市內(nèi)澇。土壤入滲作為評(píng)價(jià)土壤水分調(diào)控能力的一個(gè)重要指標(biāo)[4],也是城市綠地中削減和管理徑流的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在城市雨洪消減、地下水補(bǔ)給、凈化生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)植物生長(zhǎng)等方面發(fā)揮了重要的作用[5-8]。

目前對(duì)于城市綠地土壤滲透的研究主要集中在不同綠地類型土壤的滲透性特征,研究表明土壤的滲透性能與自身的理化性狀,包括容重、孔隙度、質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)相關(guān)[9-13],同時(shí)有研究表明土壤的滲透性能也受降雨、溫度以及人為因素的影響[14-16]。

城市中的綠地削減和徑流管理基本上是依靠土壤的入滲功能,而土壤的入滲功能對(duì)城市綠地雨水蓄滲效應(yīng)的發(fā)揮也有重要的影響[17-19]。本研究以江西農(nóng)業(yè)大學(xué)不同結(jié)構(gòu)城市綠地的土壤為研究對(duì)象,研究了不同植被結(jié)構(gòu)城市綠地土壤的滲透率、容重、非毛管孔隙率、毛管孔隙率、總孔隙率和含水率的差異。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)范圍及概況

根據(jù)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)的綠地凋落物量、面積大小、植被結(jié)構(gòu)類型確定采樣點(diǎn),分為南校、北校兩個(gè)采樣區(qū),分別用S、N標(biāo)記南北區(qū),用A、B、C、D、E標(biāo)記不同植被結(jié)構(gòu)綠地；分別對(duì)校園內(nèi)常見的喬灌草、喬草、灌草、草、喬五種植被結(jié)構(gòu)類型綠地土壤進(jìn)行采集,并記錄凋落物的情況；選取約10 m×10 m的綠地為采樣地,共10個(gè)樣地,再根據(jù)樣地的植被情況用五點(diǎn)法進(jìn)行取樣,最終選擇的取樣地見圖1。

圖1 土壤采樣地分布圖

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采集 土壤采集工作在2019年10月29日至31日進(jìn)行,期間連續(xù)72 h無(wú)降水、無(wú)澆水。使用五點(diǎn)法對(duì)土壤進(jìn)行取樣,每個(gè)樣點(diǎn)取3層(0～5、5～10、10～15 cm),共計(jì)150個(gè)樣,取完后立即稱重(精確到0.01 g)。

1.2.2 樣品處理 土壤滲透率采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定,用環(huán)刀采集好樣本后,將裝有原狀土的環(huán)刀帶回實(shí)驗(yàn)室,放入平底盆水中浸泡24 h，然后取出,在環(huán)刀上方接1個(gè)空環(huán)刀(環(huán)刀高5 cm,體積100 cm3),并從外側(cè)用透明膠密封兩個(gè)環(huán)刀之間的縫隙,將環(huán)刀放到滲透架上事先準(zhǔn)備好的玻璃漏斗上,保持環(huán)刀口水平,向空環(huán)刀內(nèi)加水至略低于環(huán)刀口,從漏斗下方滴下第一滴水開始計(jì)時(shí),根據(jù)水流出的快慢,每隔1、2、5 min更換漏斗下的燒杯,并分別測(cè)量滲水量。

1.2.3 土壤特征指標(biāo)的測(cè)定 土壤的滲透能力與土壤的容重、含水率、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度等有關(guān)。因此選擇以上指標(biāo)作為研究指標(biāo),其測(cè)定方法參照中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤分析方法》,均采用環(huán)刀法[20]。

滲透速度的計(jì)算公式如下:

式中:V為滲透速度(mm/min);Qn為n次滲透的水量(mL);tn為每次滲透所間隔的時(shí)間(min);S為環(huán)刀面積(m2)。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法 應(yīng)用Microsoft Excel 2013整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),使用SPSS 20.0對(duì)土壤的滲透性能進(jìn)行分析,采用Origin 9.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被結(jié)構(gòu)類型土壤滲透率的比較分析

由圖2可知不同植被結(jié)構(gòu)類型土壤之間的滲透速率有明顯的差異。5種植被結(jié)構(gòu)類型土壤初始入滲率的均值排序?yàn)?喬灌草(2.79 mm/min)>喬(2.50 mm/min)>灌草(1.40 mm/min)≥喬草(1.40 mm/min)>草(0.46 mm/min)；初始滲透率越高,單位時(shí)間內(nèi)下滲的水分就越多,由此表明,在相同時(shí)間內(nèi)喬灌草結(jié)構(gòu)類型土壤比其他結(jié)構(gòu)類型土壤能吸收更多的水分。而穩(wěn)定滲透速率越高,飽和速率就越高。

圖2 5種植被結(jié)構(gòu)土壤的滲透速率

在降雨時(shí),若達(dá)到飽和速率的時(shí)間長(zhǎng)則可有效推遲地表洪峰的形成。不同植被結(jié)構(gòu)土壤的穩(wěn)定滲透速率排序?yàn)?喬(1.57 mm/min)>喬灌草(1.49 mm/min)>灌草(0.93 mm/min)>喬草(0.67 mm/min)>草(0.31 mm/min)；不同植被結(jié)構(gòu)土壤的滲透速率均值排序?yàn)閱?1.90 mm/min)>喬灌草(1.84 mm/min)>灌草(1.03 mm/min)>喬草(0.92 mm/min)>草(0.33 mm/min)。

上述結(jié)果表明：?jiǎn)探Y(jié)構(gòu)類型土壤的滲透性能比較強(qiáng)；草結(jié)構(gòu)類型土壤的滲透性能較弱,其初始、穩(wěn)定入滲率都最低,而且達(dá)到穩(wěn)定滲透速率的用時(shí)最短；植被結(jié)構(gòu)較豐富的土壤滲透能力較強(qiáng)。

2.2 各土層間不同植被結(jié)構(gòu)類型土壤的滲透速率

由圖3可知,在凋落物的長(zhǎng)期影響下,不同植被結(jié)構(gòu)類型在各土層間的滲透速率有明顯的差異。0～5 cm土層整體滲透速率排序?yàn)?喬(2.34 mm/min)>喬灌草(1.92 mm/min)>喬草(1.49 mm/min)>灌草(0.85 mm/min)>草(0.42 mm/min)。

圖3 不同植被結(jié)構(gòu)土壤各土層的滲透速率

5～10 cm土層不同植被結(jié)構(gòu)類型土壤的初始滲透率為2.75～0.48 mm/min。5～10 cm土層的整體滲透速率排序?yàn)?喬(1.88 mm/min)>喬灌草(1.25 mm/min)>灌草(1.23 mm/min)>喬草(0.41 mm/min)>草(0.32 mm/min)。

10～15 cm土層不同植被結(jié)構(gòu)土壤的初始滲透率在2.75～0.36 mm/min。10～15 cm土層的整體滲透速率排序?yàn)?喬灌草(2.10 mm/min)>喬(1.25 mm/min)>灌草(0.96 mm/min)>喬草(0.64 mm/min)>草(0.24 mm/min)。

從整體上分析,喬、草結(jié)構(gòu)類型土壤的滲透速率隨著土壤深度的加深呈下降趨勢(shì)；其余結(jié)構(gòu)類型土壤各土層的滲透速率規(guī)律不明顯。草結(jié)構(gòu)類型各土層的滲透速率一直比其他結(jié)構(gòu)類型各土層的低。各土層的初始入滲率均值大小排序?yàn)?0～5 cm土層(2.09 mm/min)>5～10 cm土層(1.62 mm/min)>10～15 cm土層(1.41 mm/min),均值為1.71 mm/min;各土層的穩(wěn)定滲透速率均值大小依次為:0～5 cm土層(1.09 mm/min)>5～10 cm土層(1.02 mm/min)>10～15 cm土層(0.88 mm/min),均值為0.99 mm/min;各土層的整體滲透速率排序?yàn)?0～5 cm土層(1.40 mm/min)>5～10 cm土層(1.18 mm/min)>10～15 cm土層(1.04 mm/min),整體均值為1.21 mm/min。土層的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率隨著土層的加深呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；不同植被結(jié)構(gòu)類型在0～5 cm土層的滲透性能都較強(qiáng)。

2.3 土壤的基本特征

2.3.1 土壤容重 由表1可知,5種植被結(jié)構(gòu)土壤的容重均值大小排序?yàn)?喬灌草(1.37 g/cm3)<喬(1.39 g/cm3)<喬草(1.43 g/cm3)≤灌草(1.43 g/cm3)<草(1.51 g/cm3)。

表1 不同結(jié)構(gòu)類型土壤各土層的基本特征

喬灌草結(jié)構(gòu)類型搭配復(fù)雜,植物根莖多,土壤結(jié)構(gòu)疏松多孔;喬木結(jié)構(gòu)植被單一,但取樣地凋落物較多,凋落物在一定程度上起到了減輕雨水沖刷的作用;喬草及灌草結(jié)構(gòu)的土壤容重比草結(jié)構(gòu)的土壤容重小,最大原因是前者的植物根系比后者多并且更深。草結(jié)構(gòu)類型的土壤容重最大,究其原因：一方面草坪更容易遭人為踩踏,導(dǎo)致土壤被壓實(shí)；另一方面,草在生長(zhǎng)期間需更多養(yǎng)護(hù),在澆灌大量水分后土壤水分蒸發(fā)較快,容易導(dǎo)致土壤板結(jié),使容重增大。

不同土層的容重大小也不同,0～5 cm土層容重在1.37～1.53 g/cm3,5～10 cm土層容重在1.37～1.49 g/cm3,10～15 cm土層容重在1.38～1.52 g/cm3,其中喬灌草在不同土層間容重都為最小,而草結(jié)構(gòu)類型都最大；不同土層的平均容重排序?yàn)?5～10 cm土層(1.43 g/cm3)≥10～15 cm土層(1.43 g/cm3)>0～5 cm土層(1.42 g/cm3)。

2.3.2 土壤非毛管孔隙度 喬結(jié)構(gòu)類型土壤的非毛管孔隙度為4.54%～5.16%,喬灌草結(jié)構(gòu)類型在8.12%～9.48%,喬草結(jié)構(gòu)類型在3.38%～4.38%,灌草結(jié)構(gòu)類型在2.50%～3.03%,草結(jié)構(gòu)類型在2.94%～3.53%；5種植被結(jié)構(gòu)類型土壤的非毛管孔隙度均值排序?yàn)?喬灌草(8.68%)>喬(4.83%)>灌草(3.18%)>喬草(3.13%)>草(1.07%),草結(jié)構(gòu)類型土壤有明顯的踩踏痕跡,土壤壓實(shí),容重增大,導(dǎo)致土壤的孔隙度降低,所以草結(jié)構(gòu)類型土壤的下滲性能降低。

不同土層的非毛管孔隙度均值排序?yàn)?0～5 cm(4.13%)<5～10 cm土層(4.18%)<10～15 cm土層(4.23%),均值為4.18%,說(shuō)明非毛管孔隙度整體上隨著土層深度的加深而呈增大趨勢(shì)。

2.3.3 土壤毛管孔隙度 不同植被結(jié)構(gòu)類型土壤的毛管孔隙度影響土壤的持水能力,毛管孔隙度越小,土壤的持水能力越強(qiáng)。喬結(jié)構(gòu)類型土壤的毛管孔隙度在40.10%～41.44%,喬灌草結(jié)構(gòu)類型在40.71%～42.03%,喬草結(jié)構(gòu)類型在37.79%～41.42%,灌草結(jié)構(gòu)類型在37.79%～41.42%,草結(jié)構(gòu)類型在37.09%～39.10%；5種植被結(jié)構(gòu)類型土壤的毛管孔隙度均值排序?yàn)?喬灌草(41.27%)>喬(40.87%)>灌草(40.76%)>喬草(40.00%)>草(38.36%)；雖然草結(jié)構(gòu)類型土壤的持水性能較強(qiáng),但是其非毛管孔隙度、毛管孔隙度都較低,在雨天情況下,草結(jié)構(gòu)類型可以持更多的水分,但是其滲透性能弱,水分無(wú)法下滲,可能會(huì)造成水淹植物的現(xiàn)象,同時(shí)可以反映出草結(jié)構(gòu)類型土壤的不穩(wěn)定性。

不同土層的毛管孔隙度均值排序?yàn)?10～15 cm土層(39.75%)<5～10 cm土層(40.48%)<0～5 cm土層(40.53%),均值為40.25%,表明毛管孔隙度整體上隨著土壤深度的加深呈減小的趨勢(shì)。

2.3.4 土壤總孔隙度 不同植被結(jié)構(gòu)類型土壤的總孔隙度排序?yàn)?喬灌草(46.47%)>喬草(41.04%)>喬(40.70%)>灌草(40.69%)>草(39.44%)；綜合比較,喬灌草結(jié)構(gòu)類型土壤的總孔隙度最高,在雨水滲透方面效果較好;而草結(jié)構(gòu)類型土壤可能受人為踩踏,土壤壓實(shí)度較高,總毛管孔隙度最低,而且其表層缺少凋落物對(duì)雨水的阻攔,可能會(huì)導(dǎo)致草地結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定,容易造成土壤板結(jié)而土壤通氣透水能力減弱。

0～5 cm土層的總孔隙度變化范圍在39.96%～51.51%,5～10 cm土層在39.95%～49.50%,10～15 cm土層在38.39%～46.24%；其中喬灌草結(jié)構(gòu)類型土壤的非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度在不同土層間都最高,而草結(jié)構(gòu)類型土壤都最低。

不同土層的總孔隙度均值排序?yàn)?0～15 cm土層(43.98%)<5～10 cm土層(44.66%)≤0～5 cm土層(44.66%)；總孔隙度均值為44.43%。

2.3.5 土壤含水率 土壤的含水率也能反映大部分綠地的保水能力,可作為檢驗(yàn)綠地保水能力的重要因素之一。整體上不同植被結(jié)構(gòu)類型土壤的含水率排序?yàn)?喬草(17.58%)>喬灌草(17.30%)>喬(17.27%)>灌草(16.94%)>草(16.07%)。由于在冬季干燥少雨,所以喬灌草植物可能通過(guò)吸收更多的土壤水分來(lái)減少蒸騰作用,導(dǎo)致其土壤含水率比喬草低；而喬結(jié)構(gòu)類型土壤的含水率不低，其主要原因是較多的凋落物發(fā)揮了較好的涵養(yǎng)效果。

0～5、5～10、10～15 cm土層的含水率變化范圍分別在16.86%～18.51%、16.69%～17.70%、14.94%～17.52%；不同土層的含水率均值排序?yàn)?0～5 cm土層(17.63%)>10～15 cm土層(16.78%)>5～10 cm土層(16.69%)。

對(duì)比不同土層的各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)現(xiàn),0～5 cm土層的滲透性能及土壤基本特性都比較好。因此,在城市綠地設(shè)計(jì)過(guò)程中,針對(duì)滲透能力需求較高的綠地,宜選擇較為豐富的植被結(jié)構(gòu)類型，增加植物種類和數(shù)量；此外,可以考慮適當(dāng)保留凋落物在綠地內(nèi),還要減少人為的踩踏,加強(qiáng)綠地管理。

2.4 綠地土壤滲透性能的影響因素分析

由表2初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率與土壤基本性質(zhì)間的相關(guān)性分析結(jié)果可以看出:不同植被結(jié)構(gòu)類型土壤的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明土壤容重越大,滲透能力越弱;土壤的非毛管孔隙度與初始入滲率呈顯著的正相關(guān),說(shuō)明非毛管孔隙度越大,初始入滲率越高;土壤的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率與毛管孔隙度、總孔隙度呈顯著正相關(guān),說(shuō)明毛管孔隙度與總孔隙度越大,初始入滲率與穩(wěn)定入滲率越高。

表2 土壤性質(zhì)與滲透性能間的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論與討論

5種植被結(jié)構(gòu)類型土壤的入滲速率在前10 min內(nèi)下降速度較快,隨后緩慢下降,最后在120 min時(shí)基本上趨于穩(wěn)定狀態(tài)。不同植被結(jié)構(gòu)類型土壤的滲透速率排序?yàn)?喬>喬灌草>灌草>喬草>草。綜合分析,喬灌草結(jié)構(gòu)與喬結(jié)構(gòu)類型土壤的滲透能力較強(qiáng),草地結(jié)構(gòu)土壤的滲透能力較弱。不同土層的整體滲透速率以0～5 cm土層最大,以10～15 cm土層最小,校園內(nèi)整體滲透速率均值為1.21 mm/min。

土壤的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān),土壤的非毛管孔隙度與初始入滲率呈顯著正相關(guān)。在植被結(jié)構(gòu)豐富及凋落物較多的綠地,土壤性質(zhì)都較好。

土壤的滲透性能是降雨-徑流循環(huán)中的一個(gè)關(guān)鍵因子,建立、健全對(duì)城市綠地的保護(hù)措施,減少人對(duì)土壤的踩踏壓實(shí),對(duì)改善土壤滲透率等有促進(jìn)作用,進(jìn)而可以促進(jìn)植物生長(zhǎng),美化環(huán)境,減少城市內(nèi)澇的幾率。

本研究沒(méi)有涉及不同植被結(jié)構(gòu)類型土壤上凋落物的分解養(yǎng)分轉(zhuǎn)化以及凋落物對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響,這有待今后開展進(jìn)一步的研究。