不同地表覆蓋對(duì)地表溫度、濕度和土壤水分的影響

彭 超，陳月華，吳際友

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2. 湖南省林業(yè)科學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410004）

不同地表覆蓋對(duì)地表溫度、濕度和土壤水分的影響

彭 超1，陳月華1，吳際友2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2. 湖南省林業(yè)科學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410004）

以土壤為對(duì)象，研究在高溫下5種不同覆蓋方式（清耕處理、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、枝葉覆蓋、灌木覆蓋）對(duì)土壤性狀的影響。結(jié)果表明，5種覆蓋方式在高溫下對(duì)土壤性狀產(chǎn)生了影響：地膜覆蓋提高了地表溫度，且地膜覆蓋下的地表溫度上升最快，上升幅度最大，秸稈覆蓋、枝葉覆蓋和灌木覆蓋則降低了地表溫度，灌木覆蓋的降溫效果最好；地膜覆蓋、秸稈覆蓋、枝葉覆蓋和灌木覆蓋都能提高地表濕度，其中地膜覆蓋前期保濕效果最好，后期則低于清耕處理；地膜覆蓋的土壤水分散失最慢最少，秸稈覆蓋和枝葉覆蓋次之，灌木覆蓋的水分散失最快最多。

土壤管理；地表覆蓋；地表溫度；地表濕度；土壤含水量

地表覆蓋作為一種土壤管理調(diào)控技術(shù)，越來(lái)越為人們所重視，有關(guān)學(xué)者對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。研究發(fā)現(xiàn)地表覆蓋能夠提高生物量、抑制雜草、增加土壤養(yǎng)分，從而改善根系環(huán)境，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高果實(shí)產(chǎn)量等[1-7]。以往大多研究都集中在地表覆蓋改善土壤環(huán)境所帶來(lái)的生態(tài)效益和生產(chǎn)效益，少有研究涉及極端情況下地表覆蓋對(duì)土壤性狀的影響，而土壤的性狀決定土壤的肥力，直接影響植物的生長(zhǎng)[8-9]。研究這種極端情況下地表覆蓋對(duì)土壤的影響，可以更有效的針對(duì)不同情況采用地表覆蓋技術(shù)來(lái)減少損失。近年來(lái)，隨著城市熱島效應(yīng)和全球變暖的加劇，我國(guó)各地陸續(xù)出現(xiàn)連續(xù)極端高溫天氣，如長(zhǎng)沙在2013年夏季破紀(jì)錄的出現(xiàn)連續(xù)40多天氣溫在35 ℃以上的天氣。本研究基于長(zhǎng)沙夏季極端高溫天氣下，采取5種不同地表覆蓋方式，通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤相關(guān)性狀，以期探尋出適宜的方式對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，保護(hù)植物生長(zhǎng)，為今后的園林綠化管理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于湖南省長(zhǎng)沙市林業(yè)科學(xué)院的生態(tài)站進(jìn)行。該區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，夏冬季長(zhǎng)，春秋季短。夏日酷熱，最高氣溫≥35 ℃日子約有30 d以上。年平均氣溫16.8 ℃～17.2 ℃，極端最高氣溫40.6 ℃；年降水量1 500～1 700 mm，降水主要集中在春季和夏季初期。實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤屬于適宜從事農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物生長(zhǎng)的土類[10]。實(shí)驗(yàn)區(qū)面積1 670 m2，主要以種植香樟為主，株行距為5 m×5 m。實(shí)驗(yàn)區(qū)的香樟生長(zhǎng)健康，樹(shù)木生長(zhǎng)差異不大，生長(zhǎng)狀態(tài)在該地區(qū)具有代表性。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采取地表覆蓋與植物相結(jié)合的方式，以香樟為對(duì)象，對(duì)一棵樟樹(shù)采取一種覆蓋方式，共設(shè)5種覆蓋方式，每一種覆蓋方式重復(fù)9次。這5種覆蓋方式是清耕處理、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、枝葉覆蓋、灌木覆蓋，其中設(shè)清耕處理為對(duì)照組。

清耕處理，即無(wú)任何覆蓋物；地膜覆蓋，采用0.06 mm無(wú)色透明聚乙烯塑料薄膜覆蓋；秸稈覆蓋，將稻草秸稈做成1.5 m×1.0 m的草垛進(jìn)行覆蓋，厚度10 cm；枝葉覆蓋，將樹(shù)木枯枝落葉收集起來(lái)進(jìn)行覆蓋，覆蓋面積為1.5 m×1.5 m，厚度10 cm；灌木覆蓋，將小葉女貞移栽在香樟周圍，高度50 cm，覆蓋面積為2 m×2 m。

實(shí)驗(yàn)從2013年7月20日一場(chǎng)暴雨后開(kāi)始進(jìn)行，于2007年8月14日雨后結(jié)束，實(shí)驗(yàn)共持續(xù)26 d，將2013年7月20日第一天記為1，7月21日第二天記為2，以此類推到2013年8月14日記為26。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)定于每日上午9:00～11:00之間進(jìn)行。測(cè)量每種覆蓋方式下的地表溫度、地表濕度和土壤各層含水量，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，計(jì)算平均值，制作圖表。

天氣溫度采用氣溫表測(cè)量；土壤溫度和濕度測(cè)量，采用儀器臺(tái)灣群特CENTER313溫濕度儀進(jìn)行測(cè)量；土壤含水量，采用美國(guó)FieldScout TDR100 Soil Moisture Meter測(cè)定土壤20 cm深度范圍內(nèi)的土壤含水量（土壤容積含水量，下同），每往下5 cm測(cè)量一次，即0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm，15～20 cm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Off i ce Excel 2007 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以及圖表制作，并進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地表覆蓋方式對(duì)地表溫度的影響

如圖1所示，在實(shí)驗(yàn)期間，實(shí)驗(yàn)區(qū)每日氣溫≥35 ℃，共持續(xù)26 d，平均氣溫高達(dá)36.8 ℃，這種高溫天氣將會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)動(dòng)植物的代謝、生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量造成危害，形成熱害[11]。高溫天氣下，五種覆蓋方式下的地表溫度均持續(xù)上升，地膜覆蓋的地表溫度上升最快，上升幅度最大，在實(shí)驗(yàn)第13 d升至50 ℃以上，并一直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，其實(shí)驗(yàn)期間地表平均溫度（47.6 ℃）比對(duì)照組高出6.7 ℃，是5種覆蓋方式中最高的；秸稈覆蓋、枝葉覆蓋和灌木覆蓋的地表溫度上升較慢，幅度較小。這3種覆蓋方式的地表溫度都比對(duì)照組低，其中秸稈覆蓋的地表溫度與枝葉覆蓋的相差不大，灌木覆蓋的地表溫度是3種方式中最低的。地膜覆蓋的地表溫度高于外界氣溫，秸稈覆蓋、枝葉覆蓋和灌木覆蓋的地表溫度都比外界氣溫低。這也說(shuō)明，高溫下，地膜覆蓋升高了地表溫度，秸稈覆蓋、枝葉覆蓋和灌木覆蓋降低了地表溫度。

2.2 不同地表覆蓋方式對(duì)地表濕度的影響

如圖2所示，枝葉覆蓋、秸稈覆蓋和灌木覆蓋實(shí)驗(yàn)期間的地表濕度都在60%以上，始終高于對(duì)照組，并且3種方式地表濕度的下降速率也小于對(duì)照組。整體上看，3種覆蓋方式的地表濕度：灌木覆蓋＞枝葉覆蓋＞秸稈覆蓋。實(shí)驗(yàn)前15 d，地膜覆蓋的地表濕度（100%）遠(yuǎn)高于其他覆蓋方式，15 d后地膜覆蓋的地表濕度迅速下降，僅2 d就從100%降至比對(duì)照組低，并且一直持續(xù)到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。本研究猜測(cè)這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)前期土壤水含量多，水分蒸發(fā)快、蒸發(fā)量大，而地膜覆蓋的薄膜不具有通透性，地膜在土壤表層形成一種阻隔，土壤中蒸發(fā)的水蒸氣無(wú)法擴(kuò)散到外界，薄膜中的濕度能達(dá)到100%，之后薄膜中溫度隨時(shí)間升高，土壤中含水量降低，水分蒸發(fā)量減少，這時(shí)薄膜中水蒸氣的散失遠(yuǎn)大于土壤中水分蒸發(fā)的補(bǔ)給，加之地膜覆蓋下的空氣無(wú)法與外界進(jìn)行氣體交換，所以薄膜中的水蒸氣大量減少，濕度迅速降低，且低于對(duì)照組。關(guān)于薄膜覆蓋下地表濕度驟然下降的原因還有待進(jìn)一步研究。

圖1 五種地表覆蓋方式下地表平均溫度隨時(shí)間的變化Fig.1 Variations of average temperature on surface with time under fi ve surface mulching patterns

圖2 五種地表覆蓋方式下地表平均濕度隨時(shí)間的變化Fig.2 Variations of average humidity on surface time under fi ve surface mulching patterns

2.3 不同地表覆蓋方式對(duì)土壤含水量的影響

如圖3～圖6， 5種覆蓋方式間土壤含水量的差異隨著時(shí)間逐漸變小，這與Yamanaka T等[12]學(xué)者的研究結(jié)論一致。實(shí)驗(yàn)后期土壤水分不再降低，處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這是因?yàn)橥寥浪譄o(wú)時(shí)無(wú)刻以各種形式在土壤中運(yùn)動(dòng)，并且土壤水分一直是從勢(shì)高的位置流向勢(shì)低的位置[13]。當(dāng)土壤含水量處在平衡狀態(tài)時(shí)，說(shuō)明土壤已經(jīng)干旱。如圖3，5種覆蓋方式下土壤0～5 cm處干旱所需的天數(shù)：地膜覆蓋持續(xù)了19 d，枝葉覆蓋和秸稈覆蓋分別是18 d和 17 d，灌木覆蓋11 d。即土壤干旱的時(shí)間由多到少是：地膜覆蓋＞枯枝落葉覆蓋＞秸稈覆蓋＞清耕處理＞灌木覆蓋。實(shí)驗(yàn)后期，5種覆蓋方式在0～5 cm處土壤含水剩余量由大到小排序是：地膜覆蓋＞枝葉覆蓋≈秸稈覆蓋＞清耕處理＞灌木覆蓋。綜合圖4～6可知，5種覆蓋方式下，土壤5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm處的含水量隨時(shí)間變化情況與土壤0～5 cm處的變化情況相似。土壤到達(dá)干旱狀態(tài)時(shí)間越長(zhǎng)說(shuō)明土壤水分損耗越慢，土壤水分剩余量越多說(shuō)明水分損耗越少。綜合兩方面情況，5種覆蓋方式保持土壤水分能力：地膜覆蓋＞枝葉覆蓋≥秸稈覆蓋＞清耕處理＞灌木覆蓋。

圖3 五種地表覆蓋方式下土壤0～5 cm處平均含水量隨時(shí)間的變化Fig.3 Variations of average moisture in soil 0～5 cm with time under fi ve surface mulching patterns

圖4 五種地表覆蓋方式下土壤5～10 cm處平均含水量隨時(shí)間的變化Fig.4 Variations of average moisture in soil 5～10 cm with time under fi ve surface mulching patterns

圖5 五種地表覆蓋方式下土壤10～15 cm處平均含水量隨時(shí)間的變化Fig.5 Variations of average moisture in soil 10～15 cm with time under fi ve surface mulching patterns

圖6 五種地表覆蓋方式下土壤15～20 cm處平均含水量隨時(shí)間的變化Fig.6 Variations of average moisture in soil 15～20 cm with time under fi ve surface mulching patterns

3 結(jié)論與討論

實(shí)驗(yàn)表明，在高溫下地表覆蓋對(duì)地表溫度、地表濕度和土壤含水量都有顯著影響：對(duì)土壤溫度，地膜覆蓋在高溫下會(huì)使地表溫度急劇升高，而枝葉覆蓋、秸稈覆蓋和灌木覆蓋在高溫下能夠降低地表溫度，苗木覆蓋的降溫效果最佳，枝葉覆蓋和秸稈覆蓋的效果相差不大；對(duì)地表濕度，枝葉覆蓋、秸稈覆蓋和灌木覆蓋在高溫下都能增加土壤濕度，灌木覆蓋效果比枝葉覆蓋好，枝葉覆蓋則比秸稈覆蓋好，地膜覆蓋的情況比較復(fù)雜，前期增濕效果是所有覆蓋方式中最好的，后期地表濕度卻比對(duì)照組低；對(duì)土壤含水量，地膜覆蓋、枝葉覆蓋和秸稈覆蓋都能延緩和減少土壤含水量的散失，其中灌木覆蓋加速和增加了土壤水分的散失，保水能力：地膜覆蓋＞枝葉覆蓋≥秸稈覆蓋＞清耕處理＞灌木覆蓋。

綜上所述，地膜覆蓋在高溫下保持土壤水分的效果較好，但因?yàn)楸∧さ拿荛]性高且高溫下薄膜內(nèi)部溫度過(guò)高，超過(guò)了根系生長(zhǎng)的上線溫度，影響了植物的生長(zhǎng)，這也印證了地膜覆蓋技術(shù)更適宜于低溫干旱地區(qū)的觀點(diǎn)[14]；秸稈覆蓋和枝葉覆蓋能夠增加土壤含水量、控溫調(diào)濕，這也與國(guó)外多位學(xué)者研究[15-18]得出結(jié)論一致，同時(shí)這兩種覆蓋方式還能夠提高土壤養(yǎng)分，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量[15-19]。因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上采用秸稈覆蓋和枝葉覆蓋比較理想；灌木覆蓋控溫調(diào)濕效果最佳，同時(shí)灌木還是園林植物造景的重要素材[20]，綜合來(lái)看灌木覆蓋最適合在園林景觀綠地中應(yīng)用。

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Effects of different patterns surface mulching on ground temperature,humidity and soil moisture

PENG Chao1, CHEN Yue-hua1, WU Ji-you2
(1. School of Landscape Architecture, Center South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, Hunan, China)

Taking soil as testing object, the effects of different surface mulching patterns (clean tillage, plastic fi lm mulch, straw mulch,litter mulch and shrub mulch) on soil properties have been studied. The results showed that the fi ve surface mulching patterns all had inf l uences on the soil properties under the condition of high temperature. With the patterns of clean tillage and plastic fi lm mulch, the ground temperature were raised and was the fastest-growing and the largest increase; with the patterns of straw mulch, litter mulch and shrub mulch, the ground temperature lowed down and the cooling effect of shrub cover was the best; the patterns of plastic fi lm mulch,straw mulch, litter mulch and shrub mulch all can improve the surface humidity, of them, the plastic fi lm mulch in the earlier stage had the best moisturizing effect, later was lower than clean cultivation; the soil moisture loss covered with plastic fi lm mulch had the least decrease in later stage and that of straw mulch and litter mulch were the next in turn, that of shrub mulch evaporated fastest and greatest.

soil management; surface mulching; ground temperature; ground humidity; soil moisture

S718.51+6

A

1673-923X(2014)04-0054-06

2013-11-22

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題“資源節(jié)約型城鎮(zhèn)景觀防護(hù)林培育技術(shù)研究”（2011BAD38B03-2）

彭 超（1987-），男，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生，主要從事園林植物及景觀方面的研究

陳月華（1964-），女，湖南桃源人，副教授，主要從事園林植物及景觀方面的研究

[本文編校：文鳳鳴]