中国年轻生物滞留设施的区域土壤特征：基于证据的LID（低影响开发）设计与维护指南

《Ecological Engineering》：Regional soil characteristics of young bioretention facility in China: Evidence-based guidelines for LID design and maintenance

生物滞留设施（BRFs）作为海绵城市建设的关键组件，其性能受土壤特性和时空演变影响显著。本研究系统分析了14个中国海绵城市示范区中61个不同年龄（2-66个月）BRFs的土壤特性，发现区域地形差异导致土壤颗粒组成与有机质含量显著不同：南方多雨区以砂质壤土为主，黄土高原则发育黏质土壤。通过划分运营阶段（早期部署、性能优化、维护需求、老化设施），揭示了表层土壤细颗粒累积与有机质动态变化规律，提出年龄分阶段维护策略。研究证实BRFs设计需结合区域地形分异特征，为海绵城市设施优化提供科学依据。

　　本研究围绕中国海绵城市建设中关键的生物滞留设施（Bioretention Facilities, BRFs）展开，旨在探讨其在不同地理环境和时间尺度下的性能表现。随着气候变化和城市化进程的加快，城市水资源问题日益突出，包括水资源短缺、洪水泛滥以及水污染等。这些挑战促使各国政府加大对城市雨水管理的重视，而中国在借鉴欧美国家先进经验的基础上，提出了海绵城市理念，并将其推广至整个城市层面。在这一背景下，BRFs作为多功能的雨水管理设施，其设计和运行对提升城市水系统韧性具有重要意义。

BRFs通常设计为浅层的凹陷绿地，用于引导和储存雨水径流，从而减少城市内涝、改善水质、调节小气候。其功能的实现高度依赖于土壤的物理和化学特性，如颗粒组成、有机质含量等。不同地区的土壤特性因气候、地形和地质条件而异，这些差异直接影响BRFs的性能表现。因此，本研究聚焦于中国14个海绵城市示范城市的61个年轻BRFs，涵盖2至66个月的运行时间，以系统分析其在不同地理区域和时间阶段下的土壤演变规律。

研究发现，土壤颗粒组成在不同区域呈现出显著差异。例如，在降雨量较高的南方地区，如中国南方，土壤中砂质成分占主导地位，这有助于雨水的快速渗透，以应对极端降雨事件。而在冲积平原区域，如黄淮海平原，土壤多为粉质壤土，这种土壤具有良好的保水性和污染物吸附能力。此外，土壤有机质含量（Organic Matter, OM%）也因区域而异，云南-贵州高原地区的OM%较高，范围在9.10%至12.77%之间，而黄土高原地区的OM%则相对较低，仅为1.55%至2.24%。这些发现表明，BRFs的土壤特性不仅受到自然环境的影响，还随着设施的运行时间发生变化。

为了更全面地了解BRFs的土壤演变过程，研究采用了时间序列分析方法，将BRFs划分为四个运行阶段：初期部署阶段（Early Deployment, ED）、性能优化阶段（Performance Optimization, PO）、维护需求阶段（Maintenance-Required, MR）以及老化阶段（Aging Infrastructure, AI）。在ED阶段，土壤颗粒组成仍处于初始状态，细颗粒（如粉砂和黏土）的积累较为有限。随着BRFs的运行，进入PO阶段后，细颗粒的积累逐渐增加，特别是在系统的核心区域，这可能与植物生长、有机物分解等自然过程有关。到了MR阶段，细颗粒的积累进一步加快，系统开始表现出明显的性能下降趋势，需要进行定期维护以恢复其功能。而在AI阶段，细颗粒的积累达到峰值，土壤结构可能受到长期使用和环境因素的影响，从而降低其渗透能力和污染物去除效率。

此外，研究还关注了BRFs在不同深度的土壤特性变化。在表层（0–10 cm）土壤中，细颗粒的积累速度较快，而深层（10–20 cm和20–30 cm）土壤的变化则相对缓慢。这表明，表层土壤更容易受到外界环境的影响，如雨水冲刷、污染物沉积等，而深层土壤则更接近于原始设计状态。因此，在BRFs的维护和设计中，应更加关注表层土壤的动态变化，以确保其长期稳定运行。

本研究通过系统的土壤采样和分析，揭示了BRFs在不同地理区域和时间阶段下的土壤演变规律，为制定基于年龄的维护策略和因地制宜的设计指南提供了科学依据。研究结果表明，BRFs的性能不仅受到土壤颗粒组成和有机质含量的影响，还与当地的气候、地形和水文条件密切相关。因此，在设计和建设BRFs时，应充分考虑这些因素，以实现最佳的雨水管理效果和污染物去除能力。

同时，研究还指出，现有文献在探讨BRFs土壤特性方面仍存在不足，特别是在不同地形和气候条件下的综合数据较为缺乏。因此，本研究通过覆盖中国7种不同的地形区域，对61个BRFs的土壤特性进行了系统分析，不仅丰富了国际上对BRFs土壤特性的研究内容，也为理解BRFs土壤的形成过程提供了新的视角。这些研究发现对于优化BRFs的结构设计、维护策略和运行管理具有重要的科学意义。

在实际应用中，BRFs的性能优化需要结合具体的地理和气候条件，制定相应的设计和维护方案。例如，在高降雨量区域，应优先考虑具有高渗透能力的土壤类型，以减少积水和径流；而在低降雨量区域，则应注重土壤的保水性和污染物吸附能力，以确保雨水的高效利用。此外，由于BRFs在运行过程中会发生土壤结构的变化，因此需要定期监测和维护，以维持其长期性能。研究还强调，不同年龄的BRFs应采取不同的维护策略，以应对土壤特性的变化，从而确保其持续有效地服务于城市雨水管理。

本研究的成果不仅有助于提升中国海绵城市建设的科学性和实用性，也为全球范围内的城市雨水管理提供了参考。通过分析不同区域的土壤特性，研究揭示了BRFs在不同环境条件下的适应性和局限性，为未来的雨水管理技术发展提供了方向。同时，研究还强调了跨学科合作的重要性，结合土壤学、水文学、生态学等多学科知识，才能全面理解BRFs的运行机制，从而制定科学合理的管理措施。

在实施过程中，BRFs的维护和管理需要结合具体的技术要求和环境条件。例如，在南方高降雨量区域，由于土壤中细颗粒的积累较快，可能会影响雨水的渗透能力，因此需要定期清理表层土壤，以保持其良好的功能。而在北方温带区域，由于冻融循环的影响，土壤结构可能发生变化，从而影响BRFs的渗透性和稳定性，因此需要在设计时考虑这些因素，并在运行过程中进行适当的调整。此外，在西北干旱区域，由于降水较少，土壤可能呈现碱性，且盐分积累较为明显，因此在BRFs的设计和运行中，应特别关注土壤的盐分管理，以避免对植物生长和水质造成不良影响。

综上所述，本研究通过对中国14个海绵城市示范城市的61个BRFs进行系统的土壤采样和分析，揭示了BRFs在不同地理区域和时间阶段下的土壤演变规律。研究结果表明，BRFs的性能受到土壤颗粒组成、有机质含量以及自然环境的综合影响，因此在设计和维护过程中，需要根据具体的环境条件进行调整。这些发现为制定科学合理的BRFs设计和维护策略提供了重要依据，有助于提升中国城市雨水管理的效率和可持续性。同时，研究还强调了跨学科合作和长期监测的重要性，为未来的城市水系统研究和实践提供了新的思路和方法。