高爾夫球場果嶺根系層配方土壤導(dǎo)水性優(yōu)化研究

摘要：試驗對13種高爾夫球場果嶺配方土壤的飽和導(dǎo)水率進行了測定，建立了配方土壤飽和導(dǎo)水率與配方基質(zhì)之間顯著相關(guān)的回歸模型，并對模型實施了因子效應(yīng)分析和模擬優(yōu)化分析。結(jié)果表明，不同配方土壤的飽和導(dǎo)水率差異很大。配方土壤的飽和導(dǎo)水率隨中粗沙與細沙含量的增加而增大，隨泥炭含量的增加而減小。當(dāng)極細沙+粉粒+黏粒含量取中低水平時，飽和導(dǎo)水率隨極細沙+粉粒+黏粒含量的增加而增大，而取中高水平時，飽和導(dǎo)水率則隨極細沙+粉粒+黏粒含量的增加而減小。按美國高爾夫協(xié)會推薦的飽和導(dǎo)水率大于15 cm/h的要求，試驗得到的優(yōu)化配方方案為中粗沙含量70.6%～74.1%、細沙含量18.5%～20.3%、極細沙+粉粒+黏粒含量7.1%～8.6%、泥炭含量0～0.9%。

關(guān)鍵詞：高爾夫球場果嶺；配方土壤；飽和導(dǎo)水率；優(yōu)化

中圖分類號：G849.3；TU986.46；S152.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）18-4435-04

高爾夫球場果嶺草坪的根系層土壤一般用全沙或沙與有機質(zhì)混配作基質(zhì)，以滿足場地既抗緊實又透氣良好、既保水又排水迅速的特殊功能。導(dǎo)水性是高爾夫球場果嶺土壤基質(zhì)最重要的物理性質(zhì)之一，有關(guān)果嶺土壤基質(zhì)配方對導(dǎo)水率的影響已有大量的研究成果，最具代表性的是美國高爾夫協(xié)會（United States Golf Association，USGA）于1960年首次公布并分別于1973、1989、1993、2004年修正的果嶺規(guī)范[1-5]。但已有的研究大都集中于果嶺土壤基質(zhì)配方成分與導(dǎo)水率之間的定性關(guān)系，而對它們之間定量關(guān)系的研究較少[6-14]。為此試驗對13種不同配方的高爾夫球場果嶺沙質(zhì)配方土壤基質(zhì)的導(dǎo)水性模型進行了定性、定量和優(yōu)化分析，以期為高爾夫球場果嶺根系層土壤基質(zhì)選配提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為沙和泥炭，沙選自北京市郊區(qū)的沙石料場，用標(biāo)準(zhǔn)分樣篩將試驗用沙分成粒徑0.26～2.00 mm（中粗沙）、0.15～0.25 mm（細沙）、<0.15 mm （極細沙+粉粒+黏粒）3種規(guī)格備用；泥炭為我國東北地區(qū)生產(chǎn)的神龍泥炭，風(fēng)干并過4 mm孔徑標(biāo)準(zhǔn)篩，泥炭的主要理化指標(biāo)為pH 5.8，有機質(zhì)含量79.5%，密度0.211 g/cm3。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 采用混料設(shè)計中的極端頂點設(shè)計[15]方法，將中粗沙（x1）、細沙（x2）和極細沙+粉粒+黏粒（x3）與泥炭（x4）按一定的質(zhì)量比例混配，設(shè)計出13種不同配方的土壤基質(zhì)，具體見表1。

1.2.2 混合土壤基質(zhì)飽和導(dǎo)水率的測定 采用文獻[16]的方法，將13種混合土壤基質(zhì)分別裝入直徑7.4 cm、高8.0 cm的聚氯乙烯（PVC）管中，PVC管的下端用雙層格子布封口；再從管下端使各基質(zhì)吸水1 h，達飽和狀態(tài)；在-4 kPa條件下排水24 h；用30.3 kg/m2壓力鎮(zhèn)壓各基質(zhì)15次；再一次從管下端使其吸水1 h至飽和；測定各配方基質(zhì)的飽和導(dǎo)水率，每個配方4次重復(fù)；測定前樣品的平均含水量為0.5%。飽和導(dǎo)水率的計算公式為：Ksat=QL/hAt。

式中，Ksat為飽和導(dǎo)水率（cm/h）；Q為在時間t內(nèi)通過土樣的水量（cm3）；L為土樣的高度（cm）；h為定水頭的高度（cm）；A為土樣在容器內(nèi)橫截面的面積（cm2）；t為收集水的時間（h）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsft Office Excel 2000軟件進行處理，再應(yīng)用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件完成方差分析、回歸分析；繪圖用SIGMAPLOT 10.0 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配方土壤的飽和導(dǎo)水率

飽和導(dǎo)水率是指飽和土壤排除多余水分的能力，其與土壤大孔隙及其連通狀態(tài)有關(guān)。黏粒和腐殖質(zhì)是顆粒很小的膠體，在土壤中極易堵塞孔隙而使導(dǎo)水率下降。試驗設(shè)計的不同配方土壤基質(zhì)的飽和導(dǎo)水率測定結(jié)果見表2。從表2可見，各配方的飽和導(dǎo)水率隨泥炭含量的增加而減少；當(dāng)配方中泥炭含量為3.75%（配方F）時，其飽和導(dǎo)水率與全沙土壤基質(zhì)的配方A、配方B、配方C、配方D、配方E之間的差異達到了顯著水平，低于配方A、配方C、配方E的飽和導(dǎo)水率，而高于配方B、配方D的飽和導(dǎo)水率，不過飽和導(dǎo)水率水平都在10.0 cm/h以上，說明加入少量的泥炭對試驗范圍內(nèi)的土壤基質(zhì)配方飽和導(dǎo)水率的影響較?。欢?dāng)基質(zhì)中的泥炭含量超過5.00%后，配方的飽和導(dǎo)水率均急劇減少。另外發(fā)現(xiàn)配方中的極細沙+粉粒+黏粒含量也顯著影響飽和導(dǎo)水率的水平，極細沙+粉粒+黏粒的含量越高，則飽和導(dǎo)水率越小，如配方A與配方B、配方C與配方D中當(dāng)極細沙+粉粒+黏粒含量從5.00%增加到12.00%時，飽和導(dǎo)水率降低的幅度加大。

2.2 飽和導(dǎo)水率與各配方成分的回歸模型

2.2.1 二次多項式回歸模型的建立 為探討各配方基質(zhì)因子對飽和導(dǎo)水率的影響，根據(jù)最小二乘法原理，將飽和導(dǎo)水率y與配方基質(zhì)成分xi進行二次多項式回歸，得到飽和導(dǎo)水率與各配方基質(zhì)成分間的二次多項式回歸模型，y=-8.687+227.274 x3+206.593 x1x2 -233.252 x1x4 +64.632 x2x3 +32.167 x2x4 -9.683 x3x4-307.339 x22-1 409.371 x32 +1 085.273 x42；回歸模型的相關(guān)系數(shù)r=0.972，F(xiàn)（9，3）=5.762，達到了顯著差異水平。

2.2.2 單因子效應(yīng)分析 各配方基質(zhì)與配方的飽和導(dǎo)水率關(guān)系見圖1。圖中自變量（單因子）取值區(qū)間分別是x1[0.55，0.80]、x2[0.10，0.28]、x3[0.05， 0.12]、x4[0，0.07]。由圖1可以看出，配方土壤的飽和導(dǎo)水率隨中粗沙含量的增加而增大。在細沙含量取中低水平時，飽和導(dǎo)水率隨細沙含量的增加而明顯增加，但當(dāng)細沙含量取高水平時，飽和導(dǎo)水率增幅明顯變緩。飽和導(dǎo)水率與極細沙+粉粒+黏粒含量的關(guān)系表現(xiàn)為當(dāng)極細沙+粉粒+黏粒含量在中低水平時，飽和導(dǎo)水率隨極細沙+粉粒+黏粒含量的增加而增加，而當(dāng)其取中高水平時，飽和導(dǎo)水率則隨極細沙+粉粒+黏粒含量的增加而減少。當(dāng)泥炭含量取中低水平時，飽和導(dǎo)水率隨泥炭含量的增加明顯減少；當(dāng)泥炭含量取高水平時，隨泥炭含量的增加飽和導(dǎo)水率降幅明顯減少。綜上所述，各配方基質(zhì)（單因子）對飽和導(dǎo)水率均有明顯的影響。

2.2.3 回歸模型因子效應(yīng)定量分析-配方方案的模擬優(yōu)化 ①模型的最優(yōu)解。在步長為“0.01”的0.55≤x1≤0.80、0.10≤x2≤0.28、0.05≤x3≤0.12、0≤x4≤0.07區(qū)間內(nèi)進行優(yōu)化模型的微機處理，得到本試驗條件配方土壤的飽和導(dǎo)水率最大值ymax=19.13 cm/h，最小值ymin=4.53 cm/h；其在最大值時對應(yīng)的配方是中粗沙74%、細沙19%、極細沙+粉粒+黏粒7%，泥炭0；在最小值時對應(yīng)的配方是中粗沙71%、細沙10%、極細沙+粉粒+黏粒12%，泥炭7%。②配方的模擬優(yōu)化。根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型以步長為“0.01”進行模擬試驗，共可得到1 177個配方組合的飽和導(dǎo)水率理論值，其分布在4.53～19.13 cm/h。其中飽和導(dǎo)水率<7 cm/h的配方有50個，7～9 cm/h的配方有177個，9～11 cm/h的配方有303個，11 ～13 cm/h的配方有272個，13～15 cm/h的配方有170個，15～17 cm/h的配方有129個，17～19 cm/h的配方有76個。根據(jù)飽和導(dǎo)水率區(qū)分段組合配方的數(shù)目，求出組合方案中各因子不同水平出現(xiàn)的頻數(shù)和置信區(qū)間，這個置信區(qū)間就是要尋求的區(qū)分段飽和導(dǎo)水率的優(yōu)化方案。不同飽和導(dǎo)水率區(qū)間的優(yōu)化配方方案見表3。由表3可知，要使配方的飽和導(dǎo)水率較大，中粗沙和細沙含量應(yīng)取中高水平， 極細沙+粉粒+黏粒與泥炭的含量應(yīng)取低水平；而要使配方的飽和導(dǎo)水率較小，中粗沙含量應(yīng)取高水平，細沙含量應(yīng)取低水平；或中粗沙含量取低水平，細沙含量取高水平；極細沙+粉粒+黏粒與泥炭的含量應(yīng)取高水平。由表3還可看出，隨著飽和導(dǎo)水率區(qū)間的加大，在中高水平范圍內(nèi)中粗沙的含量逐漸增多、細沙含量有先增后減的變化趨勢，但變幅很?。粯O細沙+粉粒+黏粒與泥炭的含量逐漸減少。如表3中當(dāng)飽和導(dǎo)水率區(qū)間<7 cm/h時，要么中粗沙含量取低水平（55.6%～56.7%）、細沙含量取高水平（26.6%～27.6%），要么中粗沙含量取高水平（72.8%～75.0%）、細沙含量取低水平（10.3%～10.8%）；而泥炭與極細沙+粉粒+黏粒均取高水平，分別為5.7%～6.3%和9.3%～10.7%。當(dāng)飽和導(dǎo)水率區(qū)間增加到17～19 cm/h時，配方中的中粗沙和細沙的含量均應(yīng)取中高水平（分別為72.5%～74.1%、18.5%～19.9%），泥炭與極細沙+粉粒+黏粒含量應(yīng)分別減少到0～0.2%和7.1%～7.8%。按USGA規(guī)范推薦的果嶺土壤飽和導(dǎo)水率>15 cm/h的要求，試驗得到的果嶺土壤優(yōu)化配方方案為中粗沙含量70.6%～74.1%、細沙含量18.5%～20.3%、極細沙+粉粒+黏粒含量7.1%～8.6%、泥炭含量0～0.9%。

3 討論

飽和導(dǎo)水率是高爾夫球場果嶺土壤最重要的物理指標(biāo)之一，研究高爾夫球場果嶺草坪基質(zhì)必須測定土壤的導(dǎo)水率。早期的原土果嶺排水性能差，后來通過加沙得以改良；現(xiàn)代果嶺一般為全沙或加入一定量的有機質(zhì)組成，這些措施都是為了改善果嶺土壤的排水性能[5]。對農(nóng)田及自然土壤的飽和導(dǎo)水率研究顯示，土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、容重、鹽分含量與組成、有機質(zhì)含量、測定方法等均能影響飽和導(dǎo)水率[17-21]。試驗結(jié)果顯示，不同基質(zhì)的飽和導(dǎo)水率差異顯著，配方土壤的飽和導(dǎo)水率隨中粗沙與細沙含量的增加而增大，隨泥炭含量的增加而減小，這與很多研究結(jié)果是一致的。如中粗沙及在中粗沙里分別加入2.5%、5.0%、10.0%的壤土后，土壤飽和導(dǎo)水率相應(yīng)為55、21、11、5 cm/h[6]。Taylor等[7]的研究表明，基質(zhì)含沙量越高土壤飽和導(dǎo)水率越大；不同粒徑的沙其飽和導(dǎo)水率也明顯不同[7-11]，甚至沙中的粉粒與黏粒的比例也對土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生影響[12]，黏粒含量越高土壤飽和導(dǎo)水率越低。泥炭含量越高土壤飽和導(dǎo)水率也低[9-11，13，14]。但此次試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)極細沙+粉粒+黏粒的含量處在中低水平時，飽和導(dǎo)水率卻隨極細沙+粉粒+黏粒的增加而增大，這與通常的結(jié)果不一致，這種現(xiàn)象將是下一步需要深入研究的內(nèi)容。

模擬優(yōu)化分析明確了飽和導(dǎo)水率與土壤配方成分間的量化關(guān)系，在實際應(yīng)用時既可以根據(jù)土壤配方預(yù)測高爾夫球場果嶺配方土壤的飽和導(dǎo)水率，也可根據(jù)飽和導(dǎo)水率要求確定具體的果嶺土壤配方。在本試驗條件下，按USGA推薦的飽和導(dǎo)水率>15 cm/h的要求，優(yōu)化配方方案為中粗沙含量70.6%～74.1%、細沙含量18.5%～20.3%、極細沙+粉粒+黏粒含量7.1%～8.6%、泥炭含量0～0.9%。

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