土壤在中国海绵城市建设中的作用研究进展综述

黄俊达

土壤在中国海绵城市建设中的作用研究进展综述

黄俊达

为解决日益严重的城市雨洪问题，中国提出了“海绵城市”建设理念。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，然而对土壤的系统性研究尚少。通过对海绵城市建设中关于土壤保护利用的文献综述进行研究，分别分析了土壤组成及土壤理化性质与水分调节的相关性，进而阐明土壤对海绵城市建设的影响，提出相应的土壤保护和利用对策，为今后海绵城市在土壤方面的规划和土壤保护提供借鉴。

风景园林；海绵城市；综述；土壤属性；保护

多年来，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]。伴随城市化进程的加速，自然坑塘、湿地、水体大量消失，使土壤渗透、植物调蓄能力降低，城市内涝、径流污染等问题日益凸显。为解决国内日益严重的城市水问题，2014年住建部发布了《海绵城市建设技术指南》（以下简称《指南》），开展以“人水和谐”为目标的生态城市建设[3]，强调城市作为“海绵体”的重要性，使城市开发建设后的水文特征接近原始状态，有效缓解城市内涝、削减径流污染、改善水环境，实现城市的自然循环和生态发展。

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。城市化过程中，草地、林地等面积逐渐减少，各类不透水下垫面面积不断增大。同时，土地利用和覆被变化（LUCC）是影响水环境的要素之一，通过改变植被的截留量、土壤水分的入渗和滞留等，影响了区域的水文环境，增加了洪涝发生的频率和强度[4]。因此，为解决城市化带来的诸多水问题，国内积极开展各个层级的应用研究，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，误导了诸多规划建设[5]。本文在有关海绵城市建设中对土壤的保护利用研究的文献综述基础上，系统性地提出相应对策，为今后海绵城市在土壤方面的规划、利用和保护提供借鉴。

1 研究方法

本文以国内海绵城市建设的相关研究为主要数据源，对其中涉及土壤的文献进行归纳整理。在中国知网—中国学术期刊网络出版总库、中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库，以“雨洪”、“海绵城市”和“土壤”为主题词进行初步检索，共有研究文献269篇，其中期刊论文209篇，学位论文38篇，会议论文22篇。对于检索结果，进一步核查每篇文献的标题及摘要，对满足以下标准的文献进行全文下载，反之则排除：1）发表时间在1990—2017年；2）在文献中同时涉及土壤和海绵城市，或雨洪管理相关方面；3）可以进行全文阅读/下载。最终选定51篇，其中案例研究38篇，综合数据分析13篇。在这51篇文献中，有关海绵城市的文章以具体实践案例研究为主，缺乏对土壤的系统性研究。通过相关性分析，此51篇文献依据土壤属性归类为2大类、6小类，每类研究方向都包含城市建设中不同的水文影响和研究方法（表1）。尽管单一数据库并不能完全反映中国海绵城市建设在土壤方面的研究程度，但在系统调查缺失的情况下，相关文献亦能反映行业前沿的动态趋势。

表1 关于土壤属性与海绵城市相关性研究的发表刊物分布信息表Tab. 1 The distributed information of the studies on correlation between soil properties and Sponge City

2 土壤组成对其理化性质的影响

2.1 土壤有机质对水分入渗的影响

土壤有机质是指一系列存在于土壤中，组成和结构不均一，主要成分为碳、氮的有机化合物，是形成土壤的基本结构单元—团聚体的重要基础[6]。而团聚体又通过改善土壤结构、增加土壤孔隙度等土壤理化性质来调节土壤持水能力和水分的入渗[7]。雷志栋等对土壤水动力学的研究指出，水分入渗作为地表水转化成土壤水的唯一途径[8]，是降水再分配过程的重要环节，决定着土壤对雨水的入渗和储存利用的效率。单秀枝等指出，当有机质含量＜15.0g/kg时，饱和导水率随有机质含量的增加而增加；当有机质含量＞15.0g/kg 时，饱和导水率随有机质含量增加而减小[9]。李雪转[10]、乔照华[11]、万松华[12]则指出土壤有机质对土壤入渗能力和入渗模型参数的影响都比较明显，且拟合曲线符合对数关系，即有机质含量越高，土壤孔隙间的渗透通道越稳定，水分入渗率也就越高[13]。因此，土壤有机质含量深刻影响着绿地土壤的物理结构，并通过改变饱和导水率、入渗率等影响着城市雨水的径流量。

2.2 土壤微生物的水分储存、降解能力

土壤微生物作为土壤的重要组成部分之一，承担着土壤母质分解和有机质固定转化的功能，是土壤速效矿物质、有效养分的储备库[14]。例如，在红树林和草原生态系统中，微生物能加快凋落物与枯木等的分解，将其转化为腐殖质供系统内其他生物使用[15]。同时，土壤微生物也能将生物代谢物和残骸分解为无机物，吸收、固定并释放养分，加速有机碳的循环与转化[16]。李明翰等将微生物、植被根系和暗渠系统组成土壤内部的微生物蓄水层，与无此蓄水层的土壤进行径流渗透的对比测试，指出加设微生物蓄水（IWS）层能有效减少洪峰流量、延长径流滞留时间，减轻干旱对植物的胁迫，并显著提高对悬浮固体以及氮、磷的去除效果[17]。杨清海等采用模拟绿地和降雨的装置，得出在雨后的5～8d内微生物对有机污染物的吸附作用最强，且2周后总氮含量会恢复到降雨前[18]。因此，土壤中的微生物物质（Microbialbiomass）[19]不仅可以通过调节土壤有机质含量，间接地影响该地区土壤的储水能力[20]，还能对进入土壤的部分污染物进行降解。

2.3 土壤矿物质的吸附能力

大小不一的矿物质颗粒构成了土壤的基础骨架，占其固体重量的95%以上，是土壤理化性质的主要影响因素，也是植物养分的重要来源[21]。其中黏土矿物[22]具有表面积大、孔隙多以及极性强的特点，具有较强的吸附性、复水性能以及离子交换性能[23]。例如，熊毅等人对比以高岭石和蒙脱石为主的土壤，前者质地较轻、保肥保水能力差，后者质地粘重、持水力、保肥力强，养分不易流失[24]。戴树桂等则针对土壤多介质污染的现状，指出有机质和各种黏土矿物的保水力和对有机污染物的吸附能力依次为:有机胶体＞烟石＞蒙脱石＞高岭土[25]。因此，土壤中黏土矿物的比例很大程度上决定了该土壤对水分的持留和有机污染物的吸附能力[26]，在城市峰流削减、径流污染处理中有广阔的应用前景。

3 土壤理化性质对海绵城市建设的影响

3.1 土壤的水分入渗能力

土壤作为城市降雨的重要载体，其物理结构将关系到地表径流的下渗、土壤水的补给等[27]，而这种土壤自身具备的导水性即为入渗特性[28]，吸持水分的特性为贮水性，两者共同对降雨进行调蓄[29]。在城市等宏观尺度，解文艳等基于对山西省潇河灌区土壤取样的试验，得出土壤结构由疏松变密实、土壤入渗能力递减的结论，提出土壤中孔隙结构对水分入渗能力起重要作用[30]。刘迪以重庆两江新区为例，通过分析土地利用变化与湿地景观格局的变迁，构建适宜性评价层次结构模型，得到研究区的适宜性分布格局，与现状湿地叠加耦合，指出其中应被保护的湿地土壤资源范围[31]。在街区等中观尺度，王志芳等以美国伍德兰兹社区为例，通过分析其以土壤物理特征为基础、雨洪管理为目标的生态规划方法，为海绵城市建设提供了一个科学的逻辑框架，使场地分析系统化和规范化[32]。王彬彬等针对城市行道树土壤结构退化等问题，提出“破、扩、改、增”，改良种植区土壤、增加水分的入渗率，构建“透蓄型”行道树地下结构[33]。在住宅区等微观尺度，杨珊以龙湖湾别墅区为例，从海绵型居住绿地出发，基于现状条件构建住宅绿地的水循环体系[34]。常青等提出土壤、植物和透水铺装为“海绵城市”三要素，综述土壤结构对植物截留及土壤入渗力等的影响，提出未来雨水调蓄应用和研究的侧重方向[35]。

3.2 土壤的持水能力

土壤持水能力是反映土壤“滞、蓄”水分和供给植物生长的重要指标，影响着土壤中养分的溶解、转移[36]，受土壤理化性质和地下生物量的间接影响[37]。例如，谢亚军等将洞庭湖湿地3种主要植被栽植地的土壤持水能力和地下生物量进行对比分析，指出上层土壤的容重、有机质和1～5mm径级地下生物量是影响持水能力的主要因素，而中层和下层土壤对持水能力的影响很小[38]。在研究土壤持水能力与海绵城市建设的联系中，刘义存对城市绿地土壤的持水性与海绵城市建设中雨水的渗透、滞留的相关性进行系统分析，并简述其现状及存在问题，提出海绵城市对雨水滞、蓄的改良思路[39]。康殿旭等从城市绿地土壤的孔隙度、质地和饱和导水率3个方面，提出针对雨水渗透和滞留能力的土壤物理改良思路[40]。苏杨等总结了3种土壤持水能力的分析法，并探讨了改善土壤持水能力的主要方法，指出黏土矿物在雨洪调蓄中的良好前景[41]。邹明珠则发表不同看法，认为除城市绿地外，城市周边的农业土壤对于调蓄雨洪也发挥着重要作用[42]。因此，海绵城市的建设需依据土壤物理性质的转变，从弹性设施角度出发，确保土壤的持水能力。

而植物作为土壤和雨水之间的媒介，同样参与到土壤对水环境的一系列作用过程中，如削减城市径流[43]、缓解城市内涝、保护和改善城市生态环境[44]。一方面，植物通过蒸腾作用促进根系吸收土壤水，加速水分循环[45]；另一方面，植物根系通过穿插、分割，改善土壤的非毛管孔隙度、土壤团聚体等物理结构，且乔木的功能优于草本[46]。

3.3 土壤的自净能力

城市中不断增加的建筑、道路，以及频繁的人类活动，使大量污染物在干期沉积，在随后的降雨中被冲刷、携带[47]。这些污水一部分通过雨水口进入城市雨污管网，但是存在部分溢出的地表径流，不足以将污染物稀释至收纳水体的自净范围内[48]，若直接进入水体会造成严重破坏[49]。同时，由于初期冲刷现象与污染物控制率的不确定性，对径流污染的控制需要通过控制总径流量来实现[50]。因此，《指南》中将年径流总量控制率作为重要指标，通过设置雨水截流、净化设施进行初次净化，达到土壤自净范围后回补绿地，最终达到污染物控制及土壤净化并举的目标[51]。郝学凯等通过对城市3大垫层径流，即屋面径流雨水、道路径流雨水、绿地径流雨水进行分类研究，提出从源头削减、中途控制、终端处理的土壤净化控制措施[52]。而对于部分溢流雨水以及绿地径流，由于污染浓度较低，则通过下渗由绿地土壤直接净化。

仇付国等在雨水生物滞留系统的研究中指出，土壤对污染物的净化主要依靠植物根系的吸附、过滤和截流作用[53]。刘梦云等对灌木林地、农地、天然草地和人工草地的4种土壤进行分析，探讨土地利用方式对土壤净化的影响，指出天然草地和灌木林地为最佳利用方式[54]。赵丰通过植物净化城市黑臭河水的试验，实证了在不同植物种类、不同季节和不同曝光强度条件下，植物生理特性的变化规律及其对植物净水效果的影响机制[55]。孟建林等通过土柱模拟试验，研究不同植物根系对有机污染物的净化效果，结果表明根系的净化能力受限于各类理化条件，且与具体的植物品种和土壤类型密切相关[56]。因此，在海绵城市建设中土壤自净的前提是保护本土植物的健康生长，适地适树地发挥生态功能，增加土壤截留、净化雨水的海绵效益。

4 海绵城市建设中土壤的保护利用

海绵城市建设的核心是水的治理问题，而土壤的理化性质是短期内水文变化的主要驱动因素之一。但目前已有的研究大多集中于土壤的改良方面，缺乏土壤属性对海绵城市建设的影响等较为系统的研究和探讨。因此，需要进一步地完善、发展相关的土壤保护策略，具体表现在以下3个方面。

4.1 对既有土壤和水文环境的保护

由于原始场地与土壤长时间在各因素干预下，已形成适应当地的良好水文环境，但伴随城市发展对土地的开发利用，土壤的扰乱翻动及人工绿化等都可能对水文环境造成不可逆的破坏。因此，《指南》中明确将保护性开发、水文干预最小化作为规划原则，在规划之初便将对既有土壤的保护纳入考量。在具体的专项规划或方案实施中，充分考虑我国各地区自然地理和社会经济情况的多样性和复杂性，在现有控规指标的基础上，依据所在区域的土壤特性、竖向和排水管网划分汇水分区，评估建设活动对场地周边所产生的各类影响，着重保护和改善土壤、水文环境恶化严重的区块。再以汇水分区为单元确定雨水控制目标和具体指标，如透水铺装率、调蓄容积、下沉式绿地率等，并与具体土壤保护措施相互对应，实现城市地块的土壤保护和雨水控制目标的有机结合。最终通过观测、检验土壤的长期变化，开展绩效评估，形成因地制宜的长效海绵城市。

4.2 重建土壤有机质以促进植物根系的蓄、净功能

由于城市土壤受到长期的降雨冲刷，以及为了绿化景观效果和防火，往往需要清除枯枝败叶等有机覆盖物，将其移至土壤系统外，这便导致城市土壤有机质含量逐渐贫瘠，植物生根缓慢。因此，通过对场地土壤有机质含量、植被情况等分析评价，构建模型评估开发前后地表径流的情况，选择适宜的空间布局。并对于植物长势欠佳、有机质贫乏的土地进行适当改良：以当地土壤为参照土壤，构建微生物的配体模型，还原有机物的性质与比例，重建以微生物为主导的土壤生化反应。例如，施加有机肥料以增加土壤肥力；配比土壤改良配方以改善土壤质地；将枯枝、落叶收集加工成有机肥归还土壤。保存土壤有机质不仅能够重建土壤养分链循环机制，同时也为植物根系生长提供良好的物质基础。土壤中的有机质形成良性循环机制，根系对养分的吸收、悬浮物的附着、平衡土壤酸碱度等方面均得以提高，充分发挥“蓄、净”的功能。

4.3 优化土壤结构以增加入渗率

良好的土壤结构能有效地控制地表径流量，利用渗透原理回灌雨水、涵养水源，改善整个城市的生态环境。《指南》中规定80 %～85 %的径流控制指标“不外排”，即不允许排入收纳水体，只通过土壤入渗、蒸发、集蓄利用等进行消化。同时在雨季，局部地区土壤的含水量在雨后达到饱和，下一场雨来临之前无法及时下渗、蒸发，导致污染物的扩散。因此，可通过改良土壤结构，增大孔隙率，减小土壤容重，从源头分流雨水。对老城地区而言，绿地率偏低，难以提供足够空间，因此将“绿—灰基础设施”、“多层蓄—排系统”结合，充分利用土壤结构特性提高雨水入渗率；对新建、待建区则预先构建优质结构的土壤，如预留可灵活建设的公共绿地。在具体施工中，考虑将硬质场地作为重型器械工作区域，避免对土壤的压实。过度夯实的棕土地区，可采用表层施肥、种植深根性植被等自然方式逐渐改良土壤的物理结构；或借助器械碾碎深层土块，加入有机质、膨胀页岩等材料以增加土壤孔隙。

5 结语

本研究在既有文献所涉及土壤属性对“海绵城市”水环境作用的研究基础上，分析并概括了不同土壤属性对海绵城市建设的作用，发现土壤结构中孔隙越大，对径流的入渗能力越强，持水能力越弱；土壤有机质等越丰富，持水能力和对污染物的净化能力越强，并通过影响植物根系进一步作用于城市绿地。目前，我国相关的研究对象主要集中于单一的土壤属性对径流的作用，或对水文条件、土壤属性、地形地势等某一区域特性进行分析研究。但土壤作为一个复杂的生态系统，在未来应关注多个属性对城市雨洪影响的对比研究，同时探讨不同地域中土壤类型的差异性、联动性。现有的研究方法中对定量、定性均有涉及，但其中仅少数文献采用因子分析方法（FA）、使用后评价法（POE）、结构方程模型（SEM）等研究方法，缺乏对建成项目的后期数据收集及分析。而海绵城市中的土壤保护、利用是一个持续过程，应实现前中后期的研究并重。在我国城市化速度持续偏高，城市雨洪问题不断困扰人们生活的背景之下，本研究希望在现有海绵城市建设的基础上，结合土壤、地质理论为城市规划提供一个新的角度，建设自然渗透、多层贮蓄、循环净化的“海绵城市”。

注释：

表1由作者自绘。

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（编辑/张雯娟）

The Review of Soil's Impact on the Sponge City Construction in China

HUANG Jun-da

To solve the increasingly serious urban waterlogging problems, our country put forward to build quot;sponge cityquot; goal. Soil is widely studied in sponge city constructions, as one of the crucial elements of the quot;spongequot; system . However, the systemic research of soil is limited. Based on the literature review of urban soil protection in the construction of sponge city, respectively analyzing the contribution of the soil composition and soil physical and chemical properties to rain flood regulation in the sponge city. And putting forward the corresponding soil protection and utilization counter measures for the future sponge city planning, utilization and protection in soil.

landscape architecture; sponge city; review; soil properties; protection

TU986

A

1673-1530(2017)09-0106-07

10.14085/j.fjyl.2017.09.0106.07

2017-05-05

修回日期：2017-08-09

黄俊达/1991年生/男/浙江人/硕士/上海市园林工程有限公司助理工程师/研究方向为景观设计（上海200083）

HUANG Jun-da, who was born in 1991 in Zhejiang province,holding master degree, is an assistant engineer in Shanghai Landscape Engineering Co., Ltd. His research focuses on landscape design(Shanghai 200083).