城市土壤是城市环境的一个重要组成要素，是城市植被的立地基础和生长介质、建筑物地基以及污染物的净化场所^[1]；而经过人为的搬运、堆积、填充、混合等人为活动干扰，导致城市土壤理化性质相较于原生土壤的理化性质发生了巨大改变，并且使城市土壤的土壤结构与剖面发育层次十分混乱，下垫面成分复杂，普遍存在压实现象^[2-3]。城市地表具有不透水面积大、汇流时间短、排水问题复杂等特征，使得城市地区水循环与自然区域迥异，其不断扩大的不透水层无法对降雨产生短期的缓冲作用，雨水难以渗入到土壤当中，汇水面积不断扩大，地表径流系数大幅增加，极易形成地表径流^[4]，最终导致城市内涝、洪汛频发。Gregory等^[5]对不同降雨强度下城市建筑工地土壤的入渗特性进行研究，得出施工活动或压实处理将土壤渗透性降低了70%~90%。杨金玲等^[6]着重分析不同土壤压实程度对南京市城市土壤水分入渗的影响，得出南京市不同压实程度土壤的入渗能力差异较大，土壤入渗能力主要取决于表层土壤的压实程度。史东梅等^[7]系统分析三峡库区城市各种人为地貌单元的物质组成和持水性能变化，结果表明林地转化为新弃渣堆积体时对降雨和城市洪水动态调节功能影响最大。以往对城市土壤的研究多集中于城市绿地和建筑用地，研究对象相对单一，对研究区城市土壤类型分类简单，且多集中于湿润地区，而对于半干旱地区不同类型城市土壤的入渗特性研究较为鲜见。

辽西指辽河以西地区，属干旱半干旱区，是辽宁省生态环境最脆弱的地区，水土流失严重^[8]，年降水量约490 mm，夏季(7月和8月)降水量占全年降水量的67%以上^[9]，且暴雨强度大。阜新市地处辽西半干旱区，位于科尔沁沙地边缘，主要地貌表现为丘陵和洼地，生态环境恶劣且受风沙影响严重，是较为典型的内陆缺水型城市。阜新市在城市化发展进程中，因城市内涝导致的交通堵塞和城区内积水等问题日益严重。近些年阜新市暴雨频发，情况严重时全市平均降水达102.3 mm，局部地区降水212.6 mm，市区降水达到157.2 mm，导致污水涌上路面，阻塞交通，市区内积水严重；因此，摸清阜新市不同类型城市土壤入渗性能及影响因素对于采取合理措施调节城市水文循环过程就显得尤为重要。笔者以阜新市不同类型的城市土壤为研究对象，采用野外双环入渗和室内分析相结合的方法分析不同类型土壤的入渗性能及影响因素，为干旱半干旱地区城市土壤水源涵养功能提升和水资源合理利用提供科学依据。

研究区位于辽西半干旱区的阜新市，属北温带半干旱大陆性季风气候，夏季炎热，年蒸发量1 790 mm，风速3 m/s，年均降水量490 mm，且多集中于7、8月。城市土壤分类依据有很多种，目前并没有统一的分类标准，笔者根据卢瑛等^[10]对国内外有关城市土壤的定义和分类现状的阐述及看法，将供试土壤类型分为8类：公园绿地重塑土(Ⅰ)、校园林下重塑土(Ⅱ)、居住区绿地重塑土(Ⅲ)、河道水域冲刷土(Ⅳ)、近郊农地重塑土(Ⅴ)、工业用地重塑土(Ⅵ)、郊区林下原生土(Ⅶ)、交通绿化带重塑土(Ⅷ)，8种样地覆盖面积大，且多为人为干扰土壤类型。详见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 采样点概况 Tab. 1 Sampling point overview 样地类型 Plot type 地点 Location 成土时间 Soil forming time 样地情况 Situation of plot Ⅰ 阜新市人民公园Fuxin People's Park 1945 种有灌木，样地内土壤平坦，地表有草本植物。There are shrubs, flat soil and herbaceous plants on the surface Ⅱ 辽宁工程技术大学校内公共绿地Public green space in Liaoning Technical University 1949 林下裸地，表面基本无杂草。Bare land under the forest, and no weeds on the surface Ⅲ 居民楼间绿化带Green belt between residential buildings 1998 土壤比较湿润，表面有稀少杂草。The soil is relatively wet with few weeds on the surface Ⅳ 细河干旱期河道土壤Soil of rive course in the drought period of Xihe River 2005 土壤比较湿润，周围有枯黄杂草。The soil is wet and there are withered and yellow weeds around Ⅴ 市内边缘区农耕地Agricultural land in urban fringe 2009 周围有玉米根茎，地势不平坦。There are corn roots around, and the terrain is uneven Ⅵ 工厂区周边土壤Soil around the factory area 2008 地表有少许枯黄杂草。There is a little withered and yellow weeds on the ground Ⅶ 城郊林地土壤Suburban woodland soil —— 本地原生土，种有乔木，地表有杂草。Native soil with arbors and weeds on the surface Ⅷ 人民大街交通绿化带Traffic green belt along People's street 2008 空地周围灌木丛生，表面有稀少草本植物。There are many shrubs and rare herbs on the surface around the open space 注：因城郊林地成土时间较为久远，属长期无人文为干扰区域，具体成土年份无法确定，故未标明成土时间。Notes：Because the soil forming time of suburban forest land is relatively long, it belongs to the area without human disturbance for a long time, and the specific soil forming year cannot be determined, so the soil forming time is not indicated in the table.

表 1 采样点概况 Tab. 1 Sampling point overview

按表 1每种类型土壤选取3个采样点，每个采样点之间的距离大约为10 m，清理并平整表面后，采集表层土壤30 cm，每10 cm为1层，用环刀取原状土后，带回实验室对土样进行土壤物理性质测定，同时在每种类型土壤3个采样点上采取2 kg土样，装入塑料袋并标号带回试验，自然风干后过筛，进行土壤有机质和机械组成测定。土壤的机械组成是依照美国制土壤粒级分类标准，划分为砂粒(>0.020~2.000 mm)、粉粒(>0.002~0.020 mm)、黏粒(≤0.002 mm)。采用烘干法测定土壤含水率，采用环刀法测定土壤密度和土壤孔隙度，采用定水头法测定土壤入渗过程及入渗特征指标，采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质^[11]。

双环的规格为：双环高20 cm，内环直径5 cm，外环直径8.5 cm，采用优质钢板材料制成。试验选择研究区内比较平整的样地，采用双环现场注水的方法将双环的内外环放置在同一圆心的位置上，使双环垂直于地面，砸入土壤10 cm，开始测定时向双环的内外环注水，使水面保持在10 cm的高度，用注射器随时向内环注水以保持内环水面高一定，同时也要向外环加水维持水面高稳定。实验开始后，每分钟测1次注射器内所消耗的水量，直到每分钟入渗的水量相同即已经达到稳渗阶段时停止，在每个时间段内密切关注水分消耗情况，同时保持外环中的水面高度与内环相同。计算公式:

式中：f(t)为土壤渗透速度，mm/min；t为入渗时间，min；Q_N为某间隔时间内土壤入渗量，mL；s为内环横断面积，cm²；T_N为相应的间隔时间，min。

不同土壤类型的入渗曲线分别采用Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型^[12]进行拟合。

Kostiakov模型：

式中a、b为拟合的经验参数。

Horton模型：

式中：f_c为稳定入渗率，mm/min；f₀为初始入渗率, mm/min；k为经验参数。

Philip模型：

式中S为土壤吸渗率, mm/min^-0.5。

采用Excel和SPSS分析方法，进行相关性分析，采用Origin 9.1进行不同土壤类型入渗模型拟合。

土壤质地、土壤孔隙状况、土壤机械组成等因素都会影响土壤水分入渗。由表 2可知8种类型城市土壤密度在1.23~1.44 g/cm³之间。公园绿地重塑土、交通绿化带重塑土、居住区绿地重塑土3种土壤类型之间的土壤密度无显著差异(P>0.05)，土壤密度较小分别为1.23、1.25和1.26 g/cm³，但与其他5种类型土壤之间差异性显著(P＜0.05)。河道水域冲刷土、近郊农地重塑土、工业用地重塑土的土壤密度之间无明显差异(P＞0.05)，分别为1.37、1.44和1.40 g/cm³，与其他样地土壤之间差异性显著(P＜0.05)，郊区林下原生土密度与其他7种样地之间均差异性显著(P＜0.05)，其土壤密度为1.33 g/cm³。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同类型城市土壤理化性质 Tab. 2 Soil physical and chemical properties in different types of urban soils 样地类型 Plot type 土壤密度 Soil bulk density/(g·cm-3) 毛管孔隙度 Capillary porosity/% 非毛管孔隙度 Non-capillary porosity/% 有机质质量分数 Soil organic matter/(g·kg-1) 机械组成Mechanical composition/% 砂粒 Sand (>0.020~2.000 mm) 粉粒 Silt (>0.002~0.020 mm) 黏粒 Clay (≤0.002 mm) Ⅰ 1.23±0.01a 42.40±0.66c 10.89±0.74a 7.99±0.66d 72.99±0.65a 23.36±1.24c 3.66±0.6b Ⅱ 1.41±0.05cd 39.03±0.50b 8.47±0.75a 7.68±0.33d 76.68±0.85b 21.24±1.11bc 2.09±0.26a Ⅲ 1.26±0.01a 41.32±1.03c 11.17±1.40a 4.44±0.32c 81.67±0.99d 16.99±1.73a 1.34±0.74a Ⅳ 1.37±0.02c 37.15±0.22b 11.66±0.63a 3.85±0.62bc 75.66±0.62ab 21.2±0.9bc 3.15±0.29b Ⅴ 1.44±0.03d 37.05±1.27b 9.52±1.04a 1.24±0.19a 73.67±2.29ab 24.2±2.40c 2.13±0.17a Ⅵ 1.40±0.01cd 37.92±0.90b 10.12±1.46a 0.70±0.33a 81.46±2.14d 17.29±1.95a 1.26±0.20a Ⅶ 1.33±0.02b 33.77±1.09a 16.29±1.26b 1.48±0.46a 74.6±0.15ab 23.58±0.11c 1.83±0.05a Ⅷ 1.25±0.02a 42.05±1.14c 10.29±1.80a 2.96±1.07b 78.77±1.07cd 19.06±1.07ab 2.17±0.005a 注：表中数据平均值±标准差，n=24。同列不同字母表示在0.05水平上差异显著。Notes：The data in the table is average ± standard deviation, n=24. Different letters in the same column show significant difference at 0.05 level.

表 2 不同类型城市土壤理化性质 Tab. 2 Soil physical and chemical properties in different types of urban soils

各样地毛管孔隙度在33.77%~42.4%之间，城区内7块样地中有较好植被覆盖的公园绿地重塑土、交通绿化带重塑土、居住区绿地重塑土，土壤毛管孔隙度均＞40%，与缺少植被覆盖的河道水域冲刷土、近郊农地重塑土、工业用地重塑土和校园林下重塑土土壤毛管孔隙度之间存在显著差异(P＜0.05)。城区内7块样地非毛管孔隙度之间差异性不显著(P>0.05)。郊区林下原生土非毛管孔隙度明显高于城区内样地，为16.29%，与城区内7块样地土壤非毛管孔隙度之间存在显著差异(P＜0.05)。

阜新市8种有代表性的土壤类型土壤砂粒比例均＞72%，粉粒和黏粒比例相对较少。各样地土壤机械组成之间差异不明显。可以看出，经人为干扰的城市土壤与本地原生土壤在土壤密度和土壤孔隙度之间存在明显差异，人为干扰破坏土壤结构，使土壤紧实度升高。城区内有植被覆盖的样地土壤，其土壤结构明显优于无植被覆盖样地。

由图 1和图 2可以看出各样地初始入渗速率在3.72~13.75 mm/min之间，居住区绿地重塑土的初始入渗率是校园林下重塑土的近4倍，并呈现显著差异(P＜0.05)，这是由于入渗初始阶段，一方面受表层土壤初始含水率影响，另一方面各样地地表植被覆盖度不同，表层土壤受人为干扰程度不同，造成各样地初始入渗速率的差异。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同类型土壤的初始入渗率与稳定入渗率 Fig. 1 Initial infiltration rate and stable infiltration rate of different types of urban soils

图 2(Fig. 2)

图 2 不同类型土壤的初始入渗量与累积入渗量 Fig. 2 Initial infiltration and cumulative infiltration of different types of urban soils

稳定入渗率是衡量土壤入渗能力的重要指标，郊区林下原生土和公园绿地重塑土稳定入渗速率最高分别为2.19和2.03 mm/min。其次是校园林下重塑土、河道水域冲刷土、工业用地重塑土和交通绿化带重塑土，稳定入渗速率相较于郊区林下原生土分别减小66%、53%、53%和31%。近郊农地重塑土稳定入渗速率最低为0.51 mm/min，相较于郊区林下原生土缩小4.2倍。可以看出相较于本地原生土，城市内7种样地的稳定入渗速率均有不同程度的降低，说明人为活动的长期影响导致其土壤成分和结构发生变化，削弱了城市土壤的入渗能力^[13-14]。并且城区内有植被覆盖样地的土壤入渗能力明显高于裸地，有研究^[15]表明，丰富的植物根系对土壤的穿插和破碎作用，使得土壤疏松，降低土壤密度，改善土壤孔隙结构，加快水分入渗。

从表 3相关性分析结果表明，阜新城市土壤入渗特性主要受土壤密度和孔隙度影响，与其他影响因素成之间存在一定相关性，但未达显著。稳定入渗率与土壤密度之间呈现显著负相关(P＜0.05)，累计入渗量与土壤密度之间呈现极显著负相关(P＜0.01)。土壤密度是影响水分入渗的重要指标，有研究表明^[16]城市土壤的入渗速率主要由表层土壤的密度所决定，并且与土壤密度呈显著负相关。由于密度的增大导致城市土壤孔隙度减小，渗透性变差，不利于雨水的下渗，进而导致地表径流的形成。

表 3(Tab. 3)

表 3 土壤入渗性能相关性分析 Tab. 3 Correlation analysis of soil infiltration performance 入渗特征值 Infiltration characteristic value 土壤密度 Soil bulk density 总孔隙度 Total porosity 有机质质量分数 Soil organic matter 砂粒比例 Sand grain content 粉粒比例 Silt content 黏粒比例 Clay content R2 P R2 P R2 P R2 P R2 P R2 P 初始入渗率Initial infiltration rate 0.028 0.694 0.044 0.62 0.115 0.411 0.298 0.162 0.278 0.179 0.174 0.304 稳定入渗率Stable infiltration rate 0.592* 0.025 0.616* 0.021 0.026 0.704 0 0.947 0 0.993 0.015 0.774 累计入渗量Accumulative infiltration amount 0.729** 0.007 0.755** 0.005 0.007 0.84 0.198 0.275 0.210 0.254 0.052 0.586 注：P＜0.05为显著相关*，P＜0.01为极显著相关**。表格中有2处因R2数值太小，近似取0。Notes：P＜0.05 is significant correlation*, P＜0.01 is extremely significant correlation**。There are two places in the table, because R2 value is too small, approximately 0.

表 3 土壤入渗性能相关性分析 Tab. 3 Correlation analysis of soil infiltration performance

采用Kostiakov模型、Horton模型以及Philip模型，对阜新市8种类型土壤水分入渗过程进行拟合，比较不同模型的拟合优度(表 4)，并绘制实测数据与模型计算值的关系曲线(图 3)。

表 4(Tab. 4)

表 4 土壤入渗模型拟合参数 Tab. 4 Fitting parameters of soil infiltration model 样地类型 Plot type Kostiakov f(t)=at-b Horton f(t)=fc+(f0-fc)e-kt Philip f(t)=0.5St-0.5+fc a b R2 f0 f0-fc k R2 S fc R2 Ⅰ 7.145 0.489 0.901 2.009 10.249 0.603 0.989 13.403 0.258 0.909 Ⅱ 3.460 0.463 0.895 1.063 5.756 0.778 0.885 6.526 0.168 0.903 Ⅲ 13.197 0.781 0.922 2.052 27.020 0.841 0.957 27.228 -1.655 0.860 Ⅳ 7.437 0.737 0.948 1.156 11.988 0.614 0.982 15.445 -0.866 0.900 Ⅴ 10.298 0.593 0.749 -0.070 11.000 0.133 0.942 24.601 -1.116 0.795 Ⅵ 10.416 0.838 0.950 1.368 19.446 0.735 0.976 21.926 -1.573 0.882 Ⅶ 6.001 0.393 0.846 2.183 9.427 0.758 0.960 10.460 0.770 0.886 Ⅷ 6.122 0.370 0.905 1.663 4.497 0.152 0.839 10.893 0.827 0.891

表 4 土壤入渗模型拟合参数 Tab. 4 Fitting parameters of soil infiltration model

图 3(Fig. 3)

图 3 不同类型城市土壤水分入渗过程实测曲线与模型拟合曲线 Fig. 3 Measured curve and model fitting curve of soil water infiltration process in different urban soils

由图 3可知不同的城市土壤类型，水分入渗过程的回归模型的拟合优度存在差异。依次为Horton模型>Kostiakov模型>Philip模型。Horton模型拟合的决定系数R²在0.839~0.989之间，平均为0.941；Kastiakov模型拟合的决定系数R²在0.749~0.953之间，平均为0.890；Philip模型拟合的决定系数R²在0.795~0.909之间，平均0.880。不同类型样地的最优模型的决定系数在0.903~0.989之间，其中Horton模型占了6个，Kostiakov模型和Philip模型各占一个。表明Horton模型相较于Kostiakov模型和Philip模型能更全面地反映阜新市不同类型城市土壤入渗的实际情况，且该模型可以更好地模拟和预测阜新城市土壤的入渗过程。

根据前人研究结果提出的土壤入渗速率分类标准^[6]，将研究区土壤的稳定入渗速率进行分类。由表 5可以看出阜新市不同类型城市土壤稳定入渗等级未出现极慢、慢、较慢级别分布，以中等入渗速率级别分布为主，占50%，样地类型为校园林下重塑土、河道水域冲刷土、近郊农地重塑土和工业用地重塑土。较快入渗级别分布占37.5%，分别为公园绿地重塑土、居住区绿地重塑土、交通绿化带重塑土。快速入渗级别占12.5%，为郊区林下原生土，未出现极快入渗级别。

表 5(Tab. 5)

表 5 阜新市城市土壤稳定入渗率频率分布 Tab. 5 Frequency distribution of stable infiltration rate of urban soil in Fuxin city 入渗率级别 Infiltration rate classification 稳定入渗速率 Stable infiltration rate i/ (mm·min-1) 分布频率 Distribution frequency/% 有压入渗实测 Measured value of pressure infiltration 无压入渗计算 Calculated value of pressureless infiltration 极慢 Very slow i≤0.02 0 0 慢Slow 0.02 < i≤0.08 0 0 较慢 Slow to median 0.08 < i≤0.33 0 12.5 中等Median 0.33 < i≤1.05 50.0 75.0 较快 Median to fast 1.05 < i≤2.12 37.5 12.5 快Fast 2.12 < i≤4.23 12.5 0 极快Very fast i＞4.23 0 0

表 5 阜新市城市土壤稳定入渗率频率分布 Tab. 5 Frequency distribution of stable infiltration rate of urban soil in Fuxin city

研究^[17]表明，非饱和土壤有压积水入渗的相对稳定入渗速率随入渗水头的增加而增大，有压条件下相对稳定入渗率是无压条件下的相对稳定入渗率的2倍以上，按此粗略计算可知，阜新市不同类型城市土壤在有降雨发生时的瞬时无压稳定入渗速率仅为实际测定值的1/2，修正后的土壤稳定入渗速率分布频率见表 5。阜新城市土壤入渗率分布更加集中，中等入渗级别分布占75.0%，较慢级别和较快级别均占12.5%。依据《中国暴雨统计参数图集》^[18]和《公路排水设计规范》^[19]计算辽西地区3、5、10和15年重现期10 min降雨历时降雨强度(mm/min)，并与阜新城市土壤无压稳定入渗速率计算值对比，见图 4。校园林下重塑土、河道水域冲刷土、近郊农地重塑土、工业用地重塑土和交通绿化带重塑土土壤入渗能力无法满足3年一遇10 min降雨强度(0.83 mm/min)，土壤表面易积水，形成地表径流。居住区绿地重塑土土壤入渗能力能够满足3年一遇10 min降雨强度，但无法满足5年一遇10 min降雨强度(1.00 mm/min)。公园绿地重塑土和郊区林下原生土土壤入渗能力均可满足5年一遇降雨强度，但是公园绿地重塑土土壤入渗能力弱于郊区林下土，样地表面可能有少量积水。8块样地土壤入渗能力均无法抵御10年、15年一遇(及以上)10 min降雨历时的降雨强度(1.22、1.36 mm/min)标准，因其产生的降雨动能较大，雨滴打击地表形成紊流，泥沙颗粒会快速堵塞部分土壤孔隙，导致土壤自身入渗能力降低，土壤水分不能及时进入地下，导致地表径流的形成，进而加剧城市内涝发生的可能性。尽管城区内7种土壤的稳定入渗速率相较于本地原生土壤呈现出一定差异，但公园绿地重塑土和居住区绿地重塑土其土壤入渗速率非常接近原生土壤，足以说明扩大城市绿地面积，提高后期的管理措施，科学经营城市绿地，可以改善城市土壤结构促进大孔隙的形成，增加土壤的入渗性能，形成良好的土壤环境。

图 4(Fig. 4)

图 4 阜新城市土壤稳定入渗速率(无压入渗计算值) Fig. 4 Stable infiltration rate of urban soil in Fuxin city (Calculated value of pressureless infiltration)

1) 人为干扰造成城市土壤的物理性质发生改变，城区内土壤与城郊原生土壤相比，土壤紧实度和质地均存在显著差异。应增加城市绿地面积，改善土壤结构。

2) 城区内不同类型样地土壤稳定入渗速率与城郊原生土壤相比，均有不同程度的降低，削减幅度为7%~78%；阜新城市土壤入渗能力主要取决于表层土壤紧实程度，各样地稳定入渗率与密度呈显著负相关，与总孔隙度呈显著正相关。

3) Horton模型能更全面地反映阜新市不同类型城市土壤入渗的实际情况，且该模型可以更好地模拟和预测阜新城市土壤的入渗过程。

4) 阜新市城市土壤稳定入渗速率等级分布相对集中，较慢和中等入渗速率级别分别占12.5%和75.0%，城市土壤入渗能力较弱；城区内人工绿地样地相较于裸地样地的土壤具有更好的水源涵养功能，避免人为影响，增加城市植被覆盖面积可以改善城市土壤环境，提高城市拦蓄降水能力。