王心語(yǔ)，李素艷?，孫向陽(yáng)，張 驊，熊凱毅，曲炳鵬,，贠炳輝

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083,北京;2.天津綠茵景觀生態(tài)建設(shè)股份有限公司,300000,天津)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城市化的不斷推進(jìn)，城市綠地的面積也在不斷增加[1]。城市表層土壤作為城市生態(tài)的重要組成部分[2]，具有提供植物營(yíng)養(yǎng)、維護(hù)城市物質(zhì)、能量循環(huán)和水源等重要作用[3-6]。城市表層土壤作為植物生長(zhǎng)的主要介質(zhì)[7]，它能產(chǎn)生多大環(huán)境作用和美學(xué)價(jià)值，在極大程度上取決于土壤質(zhì)量[8-9]。與農(nóng)業(yè)土壤相比，城市表層土壤人為干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤性質(zhì)特別是物理性質(zhì)下降嚴(yán)重[10]。之前學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)土壤物理性質(zhì)的惡化是導(dǎo)致植物死亡的主因，如美國(guó)中心公園大量植物死亡、我國(guó)香港特區(qū)植物生長(zhǎng)不良以及上海等城市土壤的調(diào)查均表明，土壤物理性質(zhì)較差會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)不佳[11-13]。同時(shí)土壤物理性質(zhì)惡化的過(guò)程中又會(huì)導(dǎo)致城市綠地裸露土壤面積逐步加大，裸露土壤的存在不僅在大風(fēng)的物理作用下產(chǎn)生大量的土壤揚(yáng)塵，導(dǎo)致空氣中的PM2.5增加，還會(huì)造成水土流失，繼而使得土壤物理性質(zhì)繼續(xù)惡化[14]。為減少水土流失和霧霾天氣、改善土壤物理性質(zhì)，使用覆蓋物是城市表層土壤管理中一種較為理想的措施[15]。我國(guó)城市綠地中常用的覆蓋物包括無(wú)機(jī)覆蓋物和有機(jī)覆蓋物，其中無(wú)機(jī)覆蓋物多以砂礫、鵝卵石、透水磚等為主，有機(jī)覆蓋物多以樹(shù)皮、木片和秸稈等，也有少部分地區(qū)使用棕櫚或椰絲制成的有機(jī)覆蓋墊[16-17]。

筆者旨在研究不同地表覆蓋物對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響。為此，于2016年9月—2017年9月在北京林業(yè)大學(xué)苗圃內(nèi)進(jìn)行桶裝控制試驗(yàn)，試驗(yàn)通過(guò)覆蓋樹(shù)皮、園林綠化廢棄物、鵝卵石和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自主研發(fā)試制的水性聚氨酯有機(jī)覆蓋墊和酚醛樹(shù)脂有機(jī)覆蓋墊，分析不同覆蓋條件下對(duì)土壤各層溫度、水分、孔性等物理性質(zhì)的影響，探索最為適宜的覆蓋方式，為合理應(yīng)用覆蓋技術(shù)、改善城市土壤物理性質(zhì)、建設(shè)海綿城市等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

該區(qū)氣候?qū)儆诒睖貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫7.2 ℃～17.8 ℃，1月溫度最低，7月溫度最高，年平均降水量為680.6 mm，降水主要集中在6、7、8這3個(gè)月里。

鵝卵石購(gòu)置于南京晨陽(yáng)雨花石濾料有限公司，粒徑為1～3 cm，顏色為深色系。樹(shù)皮購(gòu)置于上海潤(rùn)土農(nóng)資有限公司，粒徑為3～5 cm，顏色為棕紅色。園林綠化廢棄物由北京市香山公園管理處提供，粒徑為1～3 cm，為春夏季節(jié)人工修剪和自然凋落得到的細(xì)碎枝條。

自制水性聚氨酯有機(jī)覆蓋墊，利用水性聚氨酯膠黏劑按照膠占園林綠化廢棄物質(zhì)量的40%粘結(jié)，經(jīng)混勻后使用300 MPa的壓力壓實(shí)，制成符合下面所提到圓桶大小的有機(jī)覆蓋墊，厚度為6 cm，水性聚氨酯型號(hào)為300C，液體，顏色為乳白色，pH在7.0～8.0之間，可在常溫條件下固化。水性聚氨酯膠黏劑從合肥華越新材料科技有限公司購(gòu)得。

自制酚醛樹(shù)脂有機(jī)覆蓋墊，利用酚醛樹(shù)脂膠黏劑按照膠占園林綠化廢棄物質(zhì)量的40%粘結(jié)，經(jīng)混勻后使用300 MPa的壓力壓實(shí)，制成符合下面所提到圓桶大小的有機(jī)覆蓋墊，厚度為6 cm，酚醛樹(shù)脂型號(hào)為2 124，液體，顏色為棕紅色，可在常溫條件下固化，固化劑為無(wú)水乙醇。酚醛樹(shù)脂膠黏劑從購(gòu)置于濟(jì)寧宏明化學(xué)試劑有限公司購(gòu)得。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取上直徑46 cm，下直徑36 cm，高度56 cm統(tǒng)一規(guī)格的白色塑料桶，在桶底部均勻打上6個(gè)直徑為0.5 cm的小孔，取苗圃內(nèi)0～20 cm自然土壤(溫度17.32 ℃、含水量30.1%、密度1.51 g/cm3、總孔隙度38.1%、pH 8.45、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.43 g/kg、全氮0.53 g/kg、堿解氮19.31 mg/kg、速效磷13.23 mg/kg和速效鉀151.91 mg/kg)，自然風(fēng)干后過(guò)2 mm土篩，混合均勻后裝入塑料桶內(nèi)，保持各塑料桶內(nèi)土量相同，為使桶裝土最大限度模擬城市表層土壤，故先澆水使土壤含水量達(dá)到飽和，待土壤自然沉降48 h后，再將土壤表層修理平整并覆蓋各種材料。不同覆蓋材料設(shè)置5個(gè)處理，即鵝卵石覆蓋(E)、樹(shù)皮覆蓋(S)、園林綠化廢棄物覆蓋(Y)、水性聚氨酯有機(jī)覆蓋墊覆蓋(SJ)、酚醛樹(shù)脂有機(jī)覆蓋墊(FQ)和無(wú)覆蓋(對(duì)照，CK)對(duì)比，覆蓋厚度均為6 cm，隨機(jī)排列，重復(fù)3次。待鋪設(shè)完畢保持所有桶靜置20 d，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)量。試驗(yàn)從2016年9月開(kāi)始于2017年9月結(jié)束，共持續(xù)12個(gè)月。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1)土壤溫度。土壤溫度測(cè)定使用5和15 cm深度的曲管地溫計(jì)分別測(cè)定0～10和10～20 cm 2種土層中間點(diǎn)。選取大氣溫度對(duì)土壤溫度影響較強(qiáng)的2個(gè)月份1月和7月，分別于中旬選取不受雨雪天氣影響的一天進(jìn)行土壤溫度測(cè)定，從08:00開(kāi)始每隔1 h觀測(cè)至20:00。

2)土壤含水量。利用TDR100土壤水分測(cè)定儀測(cè)定地表不同覆蓋物下的土壤水分，利用5 cm和15 cm共2種不同探針?lè)謩e測(cè)定0～10 cm和10～20 cm這2個(gè)土層中間部位水分，每層測(cè)定重復(fù)3次，在覆蓋1個(gè)月后，從2016年10月開(kāi)始，于每月中旬測(cè)定1次，連續(xù)觀測(cè)1年。

3)土壤密度及孔隙度。 利用環(huán)刀法測(cè)定土壤密度，在測(cè)定土壤密度的同時(shí)相應(yīng)測(cè)定土壤孔隙度，參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》[18]測(cè)定毛管孔隙度及非毛管孔隙度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SigmaPlot和Microsoft Office Excel 2007進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以及圖表制作，運(yùn)用SPSS21.0進(jìn)行多重差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地表覆蓋物對(duì)土壤溫度的影響

2.1.1 1月不同地表覆蓋物對(duì)土壤溫度變化的影響 如圖1所示，在0～10 cm土層，S與CK相比，在所有的時(shí)間均提升土壤溫度，且高于其余所有處理，Y、SJ和E也均在一定程度上提升土壤溫度，F(xiàn)Q保溫效果低于CK。各處理早晚差異大，在14:00—16:00時(shí)段差異不大。在10～20 cm土層，各處理的土壤溫度均低于CK，一天測(cè)量溫度最低點(diǎn)08:00時(shí)土壤溫度從大到小排序依次是：CK>Y>S>SJ>E>FQ，溫度在14:00達(dá)到一天最高，此時(shí)各處理從大到小排序依次是：CK>Y>SJ>S>E>FQ，此時(shí)SJ與Y之間差別不大。

由表1可知，0～10 cm土層Y和S土壤溫度變化幅度均小于CK處理，在10～20 cm土層CK處理下土壤溫度變化幅度小于其余所有處理，但無(wú)論哪一土層，不同處理之間差異都<3 ℃。

注(Notes)：SJ:水性聚氨酯有機(jī)覆蓋墊Water-based polyurethane organic mulch pad. FQ:酚醛樹(shù)脂有機(jī)覆蓋墊Phenolic resin mulch pad. Y:園林綠化廢棄物 Garden greening waste. S:樹(shù)皮 Bark. E:鵝卵石 Pebble. CK:無(wú)覆蓋No mulch. 下同。 The Same below.

圖2 7月不同地表覆蓋物下土壤溫度日變化Fig.2 Daily variation of soil temperature under different surface mulch in July

2.1.2 7月不同地表覆蓋物對(duì)土壤溫度變化的影響 如圖2所示，在0～10 cm土層，E與CK相比，在所有時(shí)刻均提升土壤溫度，且高于其他處理，在高溫時(shí)間段SJ與CK相比差距不大。與CK相比，S在17:00—20：00時(shí)間段降溫相對(duì)緩慢。在10～20 cm土層，各覆蓋處理下土壤溫度均高于CK，08:00土壤溫度從大到小依次是:SJ>Y>FQ>E>CK>S，在溫度達(dá)到最高點(diǎn)FQ土壤溫度顯著高于其他處理，但所有處理在17:00開(kāi)始土壤溫度差異逐漸變小。

由表2可知，0～10 cm土層，Y、E和FQ土壤溫度變幅大于CK，SJ土壤溫度在所有處理中變幅最小。在10～20 cm土層，SJ土壤溫度變幅仍小于其余處理，E土壤溫度變幅高于CK，這是由于鵝卵石比熱容相對(duì)較高，受陽(yáng)光輻射后升溫較快較高，因而促進(jìn)土壤溫度變化幅度較大。但無(wú)論哪一土層，不同處理之間差異<2.5 ℃。

表2 7月不同地表覆蓋物下土壤溫度日變化幅度Tab.2 Daily variation of soil temperature under different surface mulch in July ℃

2.2 不同地表覆蓋物對(duì)土壤含水量的影響

各處理不同字母表示差異顯著(P<0.05)。Different letters refer to the difference significant at P<0.05. 圖3 不同地表覆蓋物下土壤含水量Fig.3 Soil moisture content under different surface mulch

如圖3所示，由對(duì)比不同覆蓋材料下土壤含水量可知，0～10 cm土層中，春季SJ、FQ及E均顯著(P<0.05)高于其他處理，土壤含水量分別較CK提高10.52%、8.36%和10.48%，三者之間差異不顯著。與CK相比，Y與S也提高土壤含水量。夏季Y土壤含水量顯著(P<0.05)低于其他處理，E與SJ、FQ的土壤含水量差異顯著，但與S和CK之間差異不顯著，SJ和FQ的土壤含水量高于CK，但差異較小。秋季Y和CK土壤含水量顯著(P<0.05)低于其他4種處理，土壤水分含量從高到低依次是SJ>FQ>S>E>CK>Y。冬季Y、S和E差異性顯著高于CK，但SJ和FQ的土壤含水量較CK無(wú)顯著差異。

在10～20 cm土層中，春季各處理之間土壤含水量差異性與0～10 cm土層具有相同的趨勢(shì)，CK土壤含水量顯著低于其余5種處理，其中E、SJ和FQ土壤含水量較高，分別為30.61%、29.21%和28.68%。夏季Y土壤含水量顯著低于(P<0.05)其余5種處理，CK與其他4種處理之間差異不顯著，與CK相比，SJ、FQ和E在平均數(shù)上略高，分別提高0.98%、2.07%和1.38%。秋季FQ和E土壤含水量出現(xiàn)下降趨勢(shì)，SJ和S顯著高于其他4種處理。冬季不同地表覆蓋物下土壤含水量均顯著高于(P<0.05)CK，其中S和E土壤含水量顯著高于其他處理。

2.3 不同地表覆蓋物對(duì)土壤密度和孔隙度的影響

由表3可知，在0～10 cm土層中，不同地表覆蓋物下土壤密度大小排序?yàn)椋篍>FQ>CK>Y>SJ>S，E顯著(P<0.05)高于其他處理，比CK高6.85%，比S高10.64%；除S和E外的其他4種處理之間無(wú)顯著差異(P<0.05)。在10～20 cm土層，E與CK之間沒(méi)有顯著(P<0.05)差異，其他4種處理略微降低了土壤密度。

表3 不同地表覆蓋物下土壤密度和孔隙度變化Tab.3 Soil bulk density and porosity change under different surface mulch

注：±后的為標(biāo)準(zhǔn)差。 Notes:Data behind±is the standard deviation.

在0～10 cm土層，不同地表覆蓋物下土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度范圍分別為38.26%～48.77%、30.97%～41.68%、5.05%～8.31%?？偪紫抖却笮∨判?yàn)椋篠J>S>Y>FQ>E>CK；毛管孔隙度大小排序：S>SJ>Y>FQ>E>CK；非毛管孔隙度大小排序?yàn)椋篠J>CK>E>Y>S>FQ。與CK相比，SJ略微提高了土壤總孔隙度；SJ、Y、S土壤總孔隙度無(wú)顯著性(P<0.05)差異。E土壤毛管孔隙度大于CK但與其之間差異不顯著(P<0.05)，土壤非毛管孔隙度中SJ與CK略高于其余處理。在10～20 cm土層，總孔隙度大小排序?yàn)椋篠J>FQ>S>Y>CK>E；毛管孔隙度大小排序?yàn)椋篠J>FQ>S>Y>CK>E；非毛管孔隙度排序?yàn)椋篠J>CK>FQ>Y>E>S。與CK相比，E顯著降低了土壤總孔隙度，降低6.6%，Y和S與CK之間無(wú)顯著性變化(P<0.05)。與其他覆蓋物相比，E顯著(P<0.05)降低了土壤毛管孔隙度，較CK降低了4.9%，其他4種處理與CK之間無(wú)顯著差異(P<0.05)。在此土層不同地表覆蓋物對(duì)土壤非毛管孔隙度無(wú)顯著影響(P<0.05)。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)土壤溫度、含水量及孔性的分析得出：1)1月份樹(shù)皮覆蓋對(duì)于土壤溫度的提升更為明顯，其余處理保溫效果差異較小。7月份鵝卵石覆蓋顯著提升土壤溫度且變幅較大，樹(shù)皮覆蓋降低土壤溫度，水性聚氨酯有機(jī)覆蓋墊覆蓋下土壤溫度變幅小于其余各處理。2)不同覆蓋處理均提高土壤含水量,水性聚氨酯有機(jī)覆蓋墊和酚醛樹(shù)脂有機(jī)覆蓋墊覆蓋下土壤含水量提高最為顯著，樹(shù)皮覆蓋次之，鵝卵石覆蓋土壤含水量最低。3)鵝卵石覆蓋顯著增加土壤密度，其余處理對(duì)于土壤密度及孔隙度的影響較小，其中水性聚氨酯有機(jī)覆蓋墊可略微降低土壤密度。

由上述結(jié)論可做如下討論。首先，樹(shù)皮覆蓋對(duì)土壤升溫降溫效果較好可能是由于樹(shù)皮具有良好的比熱容且導(dǎo)熱速率相對(duì)其他幾種覆蓋物相對(duì)較慢，同時(shí)在天氣較冷時(shí)期，在吸收土壤內(nèi)部熱量后散熱相對(duì)緩慢導(dǎo)致土壤又將溫度重新吸收。其次，覆蓋處理可以增加土壤含水量這是因?yàn)楦采w物的物理阻擋作用且能有效緩解土壤水分的上移[19]，水性聚氨酯有機(jī)覆蓋墊和酚醛樹(shù)脂有機(jī)覆蓋墊土壤含水量較高與其自身良好的透水和持水的效果有關(guān)；鵝卵石覆蓋土壤含水量最低因其吸水性能過(guò)低且比熱容較大導(dǎo)致。最后，鵝卵石覆蓋顯著增加土壤密度可能是由于其自身重力壓實(shí)土壤導(dǎo)致，水性聚氨酯有機(jī)覆蓋墊土壤孔性變化由于經(jīng)過(guò)緩慢腐解后其有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分會(huì)經(jīng)降雨淋溶到土壤中，同時(shí)在有機(jī)覆蓋墊對(duì)土壤的保水的共同作用下產(chǎn)生的變化。

綜合土壤溫度、含水量、密度和孔隙度方面優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)相比于其他幾種處理，水性聚氨酯有機(jī)覆蓋墊和樹(shù)皮覆蓋對(duì)于土壤物理性質(zhì)有較優(yōu)的影響，鵝卵石覆蓋對(duì)于土壤物理性質(zhì)影響較差，這可為今后土壤改良和植物的生長(zhǎng)以及有機(jī)覆蓋墊的發(fā)展提供理論依據(jù)。