不同覆蓋物對(duì)薄層土壤溫度和植物萌發(fā)的影響

王 琴，孫海龍，李紹才,3，劉 洋，孫 琦

(1.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610064；3.四川沃爾宜環(huán)?？萍加邢薰?，四川 成都 610031)

不同覆蓋物對(duì)薄層土壤溫度和植物萌發(fā)的影響

王 琴1，孫海龍2，李紹才1,3，劉 洋1，孫 琦1

(1.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610064；3.四川沃爾宜環(huán)保科技有限公司，四川 成都 610031)

無(wú)紡布；秸稈；覆蓋；土壤溫度；植物萌發(fā)率

地面覆蓋對(duì)光輻射吸收轉(zhuǎn)化和熱量傳導(dǎo)均有影響。為給覆蓋材料的選擇提供理論依據(jù)，采用稻草秸稈和無(wú)紡布兩種覆蓋方式，以無(wú)覆蓋作對(duì)照，分別從土壤日均溫度變化、土壤周均溫變化、植物萌發(fā)率方面進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：稻草秸稈和無(wú)紡布均能調(diào)節(jié)土壤溫差，具有低溫時(shí)升溫、高溫時(shí)降溫的溫度效應(yīng)，其中無(wú)紡布覆蓋的表層土壤溫度日變化小、稻草秸稈覆蓋的其次、對(duì)照最大，稻草秸稈覆蓋的周均溫與月積溫最大、無(wú)紡布覆蓋其次、對(duì)照最小。隨著時(shí)間的推移，草本植物萌發(fā)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于木本，且無(wú)論草本還是木本，無(wú)紡布覆蓋的植物萌發(fā)率均比秸稈覆蓋和對(duì)照的大。

土壤覆蓋對(duì)護(hù)坡植物萌發(fā)生長(zhǎng)影響的研究。

邊坡地形開(kāi)闊，空氣對(duì)流快，造成冬季氣溫偏低，植物容易凍死，春季地溫回升慢，夏季溫度較高，植物易受灼傷甚至死亡[11]。與氣溫相比，土壤溫度對(duì)種子發(fā)芽和出苗的影響更直接得多。本研究期望通過(guò)研究不同覆蓋材料下的土壤溫度變化規(guī)律和植物萌發(fā)率，從而找到一種合適的覆蓋材料，為邊坡生態(tài)恢復(fù)的植物選擇提供一個(gè)科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2010年春季在四川省彭州市升平鎮(zhèn)進(jìn)行。該研究區(qū)屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.3 ℃，最熱月7月平均氣溫25.8 ℃，最冷月1月平均氣溫5.6 ℃，年平均降水量1 146.5 mm[11]。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 兩種WPC植生網(wǎng)

WPC植生網(wǎng)-1#的基體材料為草簾，由秸稈打結(jié)制成；WPC植生網(wǎng)-2#采用無(wú)紡布(河南飄安高科技股份有限公司生產(chǎn))，規(guī)格為50 g/m2，原材料為滌綸。人工模擬邊坡總長(zhǎng)720 cm、寬450 cm，樣方尺寸為100 cm×100 cm，不同處理樣方分布見(jiàn)圖1。

1.2.2 基質(zhì)混合物組成及填料工藝

基質(zhì)用植壤土(土壤類型為紫色土)與土壤活化粉混合物(保水劑、PAM、泥炭、雞糞、復(fù)合肥、土壤消毒劑按一定的比例混合而成)按質(zhì)量比65 ∶3混合(已考慮1.3的損耗系數(shù))，采用干噴法噴射(12 m3空壓機(jī)、5 m3/h混凝土噴射機(jī))至試驗(yàn)坡面，平均厚度4 cm(構(gòu)造見(jiàn)圖2)。

圖1 不同處理坡面分區(qū)布置(單位：cm)

圖2 人工模擬邊坡構(gòu)造示意

說(shuō)明：①將坡面清理后用磚砌成坡度為1 ∶0.5的坡面，鋪上漿砌片石層；②錨桿采用φ10螺紋鋼，間距為1.10 m×1.05 m，將鐵絲網(wǎng)固定于錨桿上，距坡面2 cm；③鐵絲網(wǎng)采用5 cm×5 cm的孔徑；④噴射C20混凝土，厚度為3～5 cm，保證噴射后整個(gè)坡面的平整。

1.2.3 植物種子配比及用量

草本、木本植物混合種子的播種密度為400株/m2。其中草本植物有繡球小冠花、一年生黑麥草、葦狀羊茅，播種密度為100株/m2；木本植物有白灰毛豆、二色胡枝子、白刺花、小葉錦雞兒、多花木藍(lán)、紫穗槐、銀合歡、黃荊、刺槐，播種密度為300株/m2。

1.2.4 WPC植生網(wǎng)種子堆配比及種子袋規(guī)格

種子堆由黏土、越西泥炭、保水劑、PAM、消毒劑、復(fù)合肥按一定比例混合而成(已考慮1.4的損耗系數(shù))。在裁截制作空種子袋時(shí)，單個(gè)種子袋平面設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)10 cm、寬5 cm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 不同覆蓋材料對(duì)土壤表面溫度的影響

試驗(yàn)設(shè)無(wú)紡布覆蓋(WG)、稻草秸稈覆蓋(DG)和對(duì)照無(wú)覆蓋(CK)3個(gè)處理,每個(gè)處理2個(gè)重復(fù)。先將原坡面進(jìn)行整理，在坡面鉆孔、灌漿并安裝錨桿，24 h后鋪掛鐵絲網(wǎng)，然后噴射基質(zhì)，確保坡面厚度均勻(4 cm)。秸稈打結(jié)成毯子平鋪在基質(zhì)上，無(wú)紡布打孔后同樣平鋪。種子袋放在無(wú)紡布開(kāi)孔處和秸稈網(wǎng)的對(duì)應(yīng)位置，每個(gè)樣方放置兩排種子袋，每排7個(gè)，5個(gè)均勻分布在調(diào)查樣方內(nèi)，左右各1個(gè)分別布置在樣方外試件內(nèi)。最后在3個(gè)處理土壤表面層放上溫度自動(dòng)測(cè)定儀。

1.3.2 不同覆蓋材料對(duì)植物萌發(fā)的影響

選取草本和木本種子為植物萌發(fā)試驗(yàn)材料，在試驗(yàn)之前對(duì)種子萌發(fā)率進(jìn)行測(cè)定，播種前進(jìn)行去雜、精選、浸種和消毒處理，保證品質(zhì)純凈。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤溫度測(cè)定

采用溫度自動(dòng)測(cè)定儀對(duì)不同處理的表層土壤溫度進(jìn)行測(cè)定，從播種后第一天開(kāi)始，每天24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每30 min 記錄一次數(shù)據(jù)，連續(xù)觀測(cè)4周[12]。取每日2：00、8：00、14：00、20：00共4個(gè)時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)，求其平均值，即得每日的日均溫度。7天的日均溫度求平均即得周均溫度。

1.4.2 植物萌發(fā)率的測(cè)定

在植物種子萌發(fā)試驗(yàn)的終期末次計(jì)數(shù)時(shí)，觀察計(jì)算正常發(fā)芽種子數(shù)占供試種子數(shù)的百分比，公式為

萌發(fā)率(%)=萌發(fā)種子數(shù)/種子總數(shù)×100%

1.4.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel工作表進(jìn)行處理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋方式對(duì)表層土壤溫度的影響

土壤系統(tǒng)與外界的熱量交換主要為太陽(yáng)輻射和地面的反射輻射、感應(yīng)熱交換、水分交換引起的熱量交換等。覆蓋種植對(duì)土壤系統(tǒng)的吸熱和放熱是有影響的，Monteith指出當(dāng)濕度條件適宜時(shí)，播入土壤中的種子能否正常發(fā)芽，取決于土壤溫度是否適宜[13]。

2.1.1 不同處理對(duì)表層土壤溫度日變化的影響

播種后一周內(nèi)日溫度變化趨勢(shì)相近，我們選擇播種第三天即4月20日的土壤表層溫度日變化進(jìn)行分析，見(jiàn)圖3。可以看出，10：00至16：00(太陽(yáng)輻射較大的時(shí)間段)，3種處理的土壤溫度均上升，其中CK上升得最快，而DG和WG因?yàn)槠涓采w材料的吸熱作用而有效地阻礙了地溫的升高， 其土壤溫度均比CK低；

圖3 播種第三天的土壤表層溫度日變化

16：00之后溫度降低，CK處理的土壤溫度迅速降低，而DG和WG處理因覆蓋層具有保溫效應(yīng)，其土壤溫度均比CK高。與DG處理相比，WG處理的表層土壤溫度變化相對(duì)緩慢，溫度高時(shí)升溫慢，溫度低時(shí)降溫慢，日變化振幅明顯較小。

該區(qū)4、5月氣溫偏低，降水偏多。由表1可知，4月下旬DG處理的日振幅比CK降低了1.20 ℃，WG處理比CK降低了2.70 ℃；5月上旬DG處理日振幅比CK降低了0.74 ℃，WG處理比CK降低了1.62 ℃。4、5月分析結(jié)果共同說(shuō)明了WG處理比DG處理更能有效地減緩?fù)寥罍囟热兆兓?/p>

表1 不同處理對(duì)表層土壤日均溫度的影響

注：表中數(shù)據(jù)均為每個(gè)處理的平均值。

2.1.2 不同處理對(duì)表層土壤溫度周變化的影響

從表2可以得出，播種后連續(xù)4周3個(gè)處理的表層土壤周均溫度均表現(xiàn)為DG>WG>CK。播種后1個(gè)月3個(gè)處理DG、WG、CK的表層土壤積溫分別為563.6、554.5、433.7 ℃，按大小排序?yàn)镈G>WG>CK。分析原因，可能與稻草秸稈本身的特性有關(guān)，秸稈導(dǎo)熱性差且具有保墑作用，隔斷了土壤表面與大氣之間的亂流熱交換，減少了蒸發(fā)失熱，加上之前吸收的熱量?jī)?chǔ)存在覆蓋層，導(dǎo)致其積溫比WG處理高。研究表明土壤積溫對(duì)植物種子萌發(fā)有不可忽視的影響[14]，這為下面分析比較不同覆蓋層下的植物種子萌發(fā)率奠定了理論基礎(chǔ)。

表2 不同處理對(duì)表層土壤周均溫度的影響

2.2 不同覆蓋方式對(duì)種子萌發(fā)率的影響

土壤溫度是影響植物生長(zhǎng)的重要因素，在土壤表層鋪上覆蓋物后，土壤溫度變化趨于平緩，變化幅度減小，可以促進(jìn)植物種子的萌發(fā)生長(zhǎng)[15]。利用每周的日最高溫度、日最低溫度和日振幅來(lái)分析比較播種后第一周至第四周的植物(草本和木本)萌發(fā)率。

第一周，日最高溫度WG(19.80 ℃)

圖4 播種后表層土壤溫度變化

從第二周開(kāi)始，DG和WG的草本和木本植物快速萌發(fā)，草本植物萌發(fā)速度均高于木本，這可能是因?yàn)槟颈局参锏拿摲只^難、褐變率高及再生速度慢等自身原因造成的。木本植物萌發(fā)速度從第一周開(kāi)始到第三周保持增長(zhǎng)，第四周開(kāi)始有下降趨勢(shì)(圖5)，尤其是WG處理，主要原因可能是WG的草本萌發(fā)率較高，草本植物快速生長(zhǎng)和分蘗，在一定程度上影響了木本植物的萌發(fā)，其他原因有待進(jìn)一步研究。

圖5 播種后草本和木本植物萌發(fā)率變化

總之，在植物種子萌發(fā)過(guò)程中，WG處理的植物萌發(fā)率始終高于DG和CK處理。DG處理的土壤積溫最大，但不利于植物生長(zhǎng)，進(jìn)一步說(shuō)明溫度劇烈變化或溫度過(guò)高過(guò)低都會(huì)影響植物種子的萌發(fā)率。故在邊坡生態(tài)修復(fù)中，覆蓋物應(yīng)該盡可能選擇減緩?fù)寥罍囟茸兓牟牧稀?/p>

3 結(jié)論與討論

(1)從播種后第三天的表層土壤溫度日變化可以看出，表層土壤接受較多太陽(yáng)輻射時(shí)間段(10：00至16：00)，CK處理溫度高于DG和WG，而在太陽(yáng)輻射較少時(shí)間段(10：00以前、16：00以后)，CK處理溫度低于DG和WG。這跟無(wú)紡布和秸稈本身的材料特性有關(guān)，兩者都能調(diào)節(jié)土壤溫差，都具有低溫時(shí)升溫、高溫時(shí)降溫的溫度效應(yīng)。DG日振幅高于WG日振幅，說(shuō)明WG處理更能減緩?fù)寥罍囟鹊淖兓?，這與無(wú)紡布覆蓋對(duì)土壤具有一定的保溫作用且這種保溫作用尤其對(duì)淺層5 cm土壤表現(xiàn)得更為突出的研究結(jié)果相一致[15]。

(2)從表層土壤溫度周變化看出，WG、DG和CK處理均隨著大氣溫度的變化而變化，變化趨勢(shì)相似。DG處理的表層土壤周均溫度與月積溫均大于WG和CK處理，這是由于秸稈導(dǎo)熱性不良，失熱時(shí)秸稈覆蓋的土壤溫度下降速度慢于WG和CK處理，導(dǎo)致其覆蓋層下的表層土壤溫度高于WG和CK。

(3)兩種覆蓋方式引起的土壤表層溫度變化不同，導(dǎo)致植物萌發(fā)率也有差異。第二周3個(gè)處理的日振幅較第一周大，植物萌發(fā)率(草本和木本)也均比第一周高，說(shuō)明溫度的適當(dāng)提高可以提高種子萌發(fā)率。第一、二周WG處理的日振幅均小于DG和CK，WG植物萌發(fā)率(草本和木本)均高于DG和CK，說(shuō)明溫度變化大反而不利于種子萌發(fā)。DG和WG的草本植物萌發(fā)速度均高于木本，這可能是木本植物自身原因造成的。后期木本植物萌發(fā)速度開(kāi)始下降可能是因?yàn)椴荼局参锟焖偕L(zhǎng)和分蘗，在一定程度上影響了木本植物的萌發(fā)，其他原因有待進(jìn)一步研究。總體上說(shuō)，WG處理的植物萌發(fā)率(草本和木本)始終高于DG和CK處理。在邊坡生態(tài)修復(fù)工程中，覆蓋物應(yīng)該盡可能選擇減緩?fù)寥罍囟茸兓牟牧稀?/p>

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

S152.7

A

1000-0941(2015)01-0051-04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD11B03)

王琴(1990—)，女，四川綿陽(yáng)市人，碩士研究生，主要從事生態(tài)與資源環(huán)境管理、植被恢復(fù)方面的研究；通信作者孫海龍(1976—)，男，黑龍江海林市人，講師，博士，主要從事生態(tài)工程方面的研究。

2014-01-25

一些基礎(chǔ)設(shè)施(如公路、鐵路、水利、礦產(chǎn)等)在施工過(guò)程中，會(huì)不同程度地影響原地貌植被，造成大量的裸露邊坡，而土質(zhì)邊坡自我恢復(fù)的過(guò)程相當(dāng)漫長(zhǎng)，只有借助人工措施才能加快其生態(tài)恢復(fù)過(guò)程。利用植被穩(wěn)定邊坡、改善生態(tài)環(huán)境在生態(tài)學(xué)上被稱為邊坡生態(tài)防護(hù)[1-2]。其中土壤是植物生長(zhǎng)之本，而土壤溫度影響植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和土壤的形成，它會(huì)隨著地表附近氣溫的變化而呈現(xiàn)季節(jié)性起伏和晝夜變化[3]。

無(wú)紡布又稱為不織布、豐收布，是由定向的或隨機(jī)的纖維構(gòu)成，是新一代環(huán)保材料，具有防潮、透氣、柔韌、質(zhì)輕、不助燃、容易分解、無(wú)毒無(wú)刺激性、色彩豐富、價(jià)格低廉、可循環(huán)再用等特點(diǎn)[4-5]，可用于露地及大棚、溫室內(nèi)浮面覆蓋。

秸稈是成熟農(nóng)作物莖葉(穗)部分的總稱，通常是指小麥、水稻、玉米、薯類、油菜、棉花和其他農(nóng)作物在收獲籽實(shí)后的剩余部分。農(nóng)作物光合作用的產(chǎn)物有一半以上存在于秸稈中[6]，秸稈富含氮、磷、鉀、鈣、鎂和有機(jī)質(zhì)等，是一種具有多用途的可再生的生物資源。秸稈覆蓋在地表，可以形成一層土壤與大氣熱交換的障礙層，既可以阻止太陽(yáng)的直接輻射，也可以減少土壤熱量向大氣中散失，同時(shí)還可以有效地反射長(zhǎng)波輻射[7-9]。因此，秸稈覆蓋下土壤溫度的年變化和日變化均趨緩和，低溫時(shí)有“增溫效應(yīng)”，高溫時(shí)有“降溫效應(yīng)”，這種雙重效應(yīng)對(duì)植物生長(zhǎng)十分有利，能有效地緩解氣溫劇變對(duì)植物的傷害[10]。農(nóng)業(yè)中有關(guān)稻草秸稈覆蓋對(duì)土壤的溫度效應(yīng)的研究比較多，但是缺乏邊坡