不同材料覆蓋對城市裸露土壤理化性質(zhì)的影響

熊凱毅, 李素艷, 曲炳鵬, 贠炳輝, 孫向陽, 王心語

(北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 北京 100083)

近年來，隨著城市化的不斷發(fā)展，國內(nèi)大多城市園林綠化面積穩(wěn)步提高，但城市土壤的裸露現(xiàn)象仍十分嚴(yán)峻，而在國外一些環(huán)境質(zhì)量好的城市中，綠地上已無裸露土壤[1]。張驊等[2]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，僅北京市五環(huán)內(nèi)冬季裸土面積可達(dá)99.33 km2。裸露的地表易形成揚塵，已成為城市發(fā)展中一個迫切需要解決的問題。我國北方城市裸露土壤由于踩踏和有機質(zhì)含量少，澆水頻率高，導(dǎo)致容重升高[3]，地表緊實，通透性差，pH值較高，微生物少，養(yǎng)分循環(huán)能力較低，N，P含量較少[4-6]，甚至在有些地區(qū)綠地土壤污染嚴(yán)重[7-8]，嚴(yán)重影響了城市林業(yè)的健康狀況。目前，我國城市裸露土壤處理主要采取的地面硬化和鋪裝方法，費用昂貴且效果不佳。大量研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋物可以改善土壤結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，農(nóng)田覆蓋具有土壤保墑、調(diào)節(jié)低溫等優(yōu)點[9]，綠地覆蓋可以增加土壤有機物質(zhì)，并在分解的過程中不斷還原土壤有效養(yǎng)分，刺激土壤微生物的活性，減輕土壤自然侵蝕，防止土壤板結(jié)。此外，覆蓋物還能通過對雜草的抑制作用，減少雜草與樹木根系對水分和養(yǎng)分的競爭，從而促進樹木生長[10]。本研究以北京市裸露土壤為研究對象，選用2種無機材料(鵝卵石和陶粒)和4種有機材料(木片、園林廢棄物、分層覆蓋和有機覆蓋墊)，以無覆蓋作為對照，進行桶裝控制試驗，研究不同類型材料覆蓋城市裸露土壤的效果，以期為城市裸露土壤處理及生態(tài)美化提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地點和供試土壤

1.1.1 試驗地點 試驗地位于北京林業(yè)大學(xué)試驗苗圃(北緯40°00′28.3″，東經(jīng)116°20′17.5″)，典型的北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年平均降水為628.9 mm，年均氣溫為12.5 ℃。

1.1.2 供試土壤 試驗土壤各粒級土粒含量為：砂粒(1～0.05 mm)25.40%，粗粉粒(0.05～0.01 mm)36.00%，細(xì)黏粒(<0.01 mm)38.60%，土壤質(zhì)地為中黏土，具體性質(zhì)詳見表1。

表1 試驗土壤的主要理化性質(zhì)

1.2 供試材料

①木片。購自北京LecheMulch(荔馳)公司，樺木樹種，顏色為淺棕色，粒徑1～3 cm。②園林廢棄物。原料為刺槐(Robiniapseudoacacia)、臭椿(Ailanthusaltissima)、黃櫨(Cotinuscoggygria)、構(gòu)樹(Broussonetiakazinoki)、油松(Pinustabulaeformis)和白皮松(Pinusbungeana)。③采自香山公園，粒徑1～6 cm鵝卵石。④有機覆蓋墊。選取粒徑1～3 cm的園林廢棄物，利用水性聚氨酯膠黏劑，按照質(zhì)量比3∶1混合均勻，加入內(nèi)徑6 cm的塑料模具，加壓12 500 Pa，放置陰涼干燥處，自然風(fēng)干48 h成型。⑤分層覆蓋。上層為園林廢棄物，下層為堆肥，以模擬枯落物層的未分解層和半分解層，堆肥以園林廢棄物為原料，加上泥土和礦物質(zhì)混合堆積，在高溫、多濕的條件下，經(jīng)過發(fā)酵腐熟、微生物分解而制成。

1.3 試驗設(shè)計

桶裝控制試驗，選用的白色塑料桶規(guī)格為上直徑46 cm，下直徑36 cm，高度56 cm，在桶底部均勻打上6個直徑0.5 cm的小孔，取苗圃自然土壤，自然風(fēng)干后過2 mm土篩，混合均勻后，裝入塑料桶內(nèi)，每桶裝土347.40 kg，裝土高度50 cm，澆水使土壤含水量達(dá)到飽和，待土壤自然沉降48 h后，將土壤表層修理平整進行覆蓋處理。覆蓋厚度統(tǒng)一為6 cm，共設(shè)計7種處理：木片(M)，園林廢棄物(Y)，鵝卵石(E)，陶粒(T)，有機覆蓋墊(A)，分層覆蓋(上層3 cm園林廢棄物+3 cm園林廢棄物堆肥，F(xiàn))，以無覆蓋(CK)作為對照。試驗按照隨機區(qū)組排列，每個處理重復(fù)3次，于2016年7月進行鋪設(shè)，2016年8月至2017年9月連續(xù)觀測1 a，試驗過程中完全模擬自然狀態(tài)，無人為干擾，分別于2016年8月、2017年3月和2017年9月進行取樣，選取0—10 cm及10—20 cm深度土樣，用于測定土壤各項理化性質(zhì)。

1.4 測定內(nèi)容和方法

土壤含水量：使用TDR300型號水分測定儀，測定0—10 cm，10—20 cm土層水分含量，分別于1，4，7，10月中旬測量。土壤容重、總孔隙度采用環(huán)刀法測定[11]；pH值采用電位法測定；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；速效磷采用NaHCO3—鉬銻抗比色法測定；速效鉀；NH3OAc浸提，火焰光度計法測定[12-13]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0和Excel 2013軟件，進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋處理對土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 不同覆蓋處理對土壤含水量季節(jié)性變化的影響 由圖1可知，0—10 cm土層，春季，M，Y，E，T，A，F(xiàn)這6種處理分別較對照提高土壤含水量4.5%，5.2%，12.4%，12.0%，5.5%和7.1%，E，T，F(xiàn)處理效果顯著；夏季，T處理后的土壤含水量高達(dá)35.4%，顯著高于M，Y，A，F(xiàn)，CK；冬季，6種覆蓋處理均能顯著提高土壤含水量。10—20 cm土層，春季，除Y處理外，其余處理均能顯著提高土壤含水量，提高幅度為9.1%～43.1%；夏季，T處理提高土壤含水量最明顯，其它處理差異不顯著。冬季，除F處理外，其余處理均能顯著提升土壤含水量?？傮w看來，6種覆蓋處理均能提高土壤含水量，0—10 cm和10—20 cm土層變化趨勢相似，在春夏冬3個季節(jié)表現(xiàn)為差異顯著，在秋季不顯著。

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異達(dá)5%顯著水平。下同。M，Y，A，F(xiàn)，CK分別代表木片、園林廢棄物、鵝卵石、陶粒、有機覆蓋、分層覆蓋處理和對照。下同。

圖1各季節(jié)不同覆蓋處理下0-10cm和10-20cm土層的土壤含水量

2.1.2 不同覆蓋處理對土壤容重的影響 土壤容重反映了土壤的壓實情況，影響降水的入滲及再分配，對土壤的透氣性、持水能力等都有非常大的影響[14]。由圖2可知，不同處理下的土壤容重差異較大，0—10 cm土層，M，Y，F(xiàn)處理能顯著降低土壤容重，其中M處理效果最佳，降幅達(dá)18.5%。10—20 cm土層，土壤容重范圍在1.22～1.51 g/cm3之間，M，Y，A，F(xiàn)處理較對照能顯著降低土壤容重，降幅在10.6%～19.2%之間。

圖2不同覆蓋處理下0-10 cm和10-20 cm土層的土壤容重

2.1.3 不同覆蓋處理對土壤孔隙度的影響 由圖3可知，覆蓋1 a后，0—10 cm土層，M，F(xiàn)和Y處理較對照能顯著提高土壤總孔隙度，提升幅度為35.2%，28.2%和27.5%。

10—20 cm土層，提高土壤總孔隙度最明顯為M和Y處理，土壤總孔隙度達(dá)48.6%和46.3%，總體來看，除E處理外，其余處理在0—20 cm土層均能提高土壤總孔隙度。

圖3不同覆蓋處理下0-10 cm和10-20 cm土層的土壤總孔隙度

2.2 不同覆蓋處理對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 不同覆蓋處理對土壤pH值的影響 由表2可知，覆蓋0.5 a后，0—10 cm土層，除E處理外，其它處理均能降低土壤pH，F(xiàn)和Y處理較對照差異顯著，分別使土壤pH降低0.19，0.16；10—20 cm土層，F(xiàn)處理后的土壤pH顯著低于E和T處理。覆蓋1 a后，0—10 cm土層，除T處理外，其余處理均能降低土壤pH值，其中M，Y和F處理較對照分別降低0.27，0.26和0.24，差異顯著。10—20 cm土層，6種覆蓋處理均能降低土壤pH值，Y處理后的土壤pH值顯著低于對照，降低了0.31，其他處理差異不顯著。

2.2.2 不同覆蓋處理對土壤有機質(zhì)含量的影響 有機質(zhì)是植物生長必需物質(zhì)，城市園林土壤退化的一個重要標(biāo)志就是有機質(zhì)含量普遍降低[15]。由圖4可知，與10—20 cm土層相比，0—10 cm土層受覆蓋影響較大。0—10 cm土層，覆蓋0.5 a，F(xiàn)，Y和A處理與對照相比，分別顯著提高土壤有機質(zhì)含量42.35%，31.74%，28.03%；覆蓋1 a，不同覆蓋處理對土壤有機質(zhì)影響差異較大，其中，F(xiàn)處理后的土壤有機質(zhì)含量最高，達(dá)到19.65 g/kg，其他處理中，Y，A和M處理顯著高于對照。10—20 cm土層，覆蓋處理對土壤有機質(zhì)含量具有一定影響，但差異不顯著。

表2 不同材料覆蓋處理下裸露土壤的pH值

圖4 不同覆蓋處理下0-10 cm和10-20 cm土層的土壤有機質(zhì)

2.2.3 不同覆蓋處理對土壤速效養(yǎng)分的影響 由表3可知，覆蓋0.5 a后，0—10 cm土層，F(xiàn)，Y和A處理后的土壤堿解氮(AN)含量顯著高于對照，增幅為6.54～8.97 mg/kg，E較對照顯著降低了2.31 mg/kg。10—20 cm土層，A和F處理顯著高于M和T處理，其他處理無顯著差異。覆蓋1 a后，0—10 cm土層，F(xiàn)，Y，A和M處理較對照分別增加AN含量56.63%，48.66%，38.24%和22.82%。10—20 cm土層，F(xiàn)處理提高最明顯，較對照增加36.32%。土壤速效磷(AP)方面，0—10 cm土層，除了E處理外，其他處理后的AP 含量較對照均有所增加，覆蓋0.5 a，F(xiàn)，Y，A和M處理顯著高于對照，其中F和Y效果最佳，增幅為44.01%和28.22%，覆蓋1 a，F(xiàn)，A，Y和M處理顯著高于對照，分別提高85.73%，82.05%，63.11%，41.15%。10—20 cm土層，覆蓋處理影響減小，其中，F(xiàn)，Y和A處理均能提高AP含量，但覆蓋1 a后，Y處理影響減弱，F(xiàn)和A處理顯著高于其它處理，分別高出對照22.94%和16.53%。土壤速效鉀(AK)含量在6種覆蓋處理下具有明顯差異性。0—10 cm土層，M，Y和F處理在0.5 a和1 a覆蓋后，較對照均能顯著提高AK含量，A處理需在覆蓋1 a后表現(xiàn)顯著。10—20 cm土層，覆蓋影響隨時間增長而顯現(xiàn)顯著性差異，覆蓋1 a后，F(xiàn)和M處理顯著高于對照，其余處理差異不顯著。

表3 不同覆蓋處理下裸露土壤的速效養(yǎng)分

3 討 論

覆蓋物已被廣泛應(yīng)用于改善農(nóng)田和果園土壤，但在城市裸地運用較少。研究發(fā)現(xiàn)，不同材料覆蓋均能提高土壤含水量，原因在于覆蓋物能阻止水分輸送到地面而蒸發(fā)[16]。其中，鵝卵石和陶粒處理較對照提高土壤含水量23.73%和31.32%，是由于無機材料間孔隙較大，通透性較好，利于水分運輸和吸收，而有機材料覆蓋較嚴(yán)密，不利于水分進入土壤，且會自主吸收蓄積一定的降水，從而降低土壤含水量。土壤含水量季節(jié)性變化由地區(qū)降水和植被蒸散消耗所決定，春夏冬3個季節(jié)受覆蓋影響顯著，秋季較小，這與韓向忠[17]等人研究一致。有機材料能降低土壤容重，平均較對照降低11.9%，是由于有機覆蓋減少了雨水沖積，有機分解物使土壤疏松，增加了土壤團聚體數(shù)量，提高了土壤的總孔隙度。海綿城市建設(shè)的核心是滲、滯、蓄、凈、用和排，對它們的運用均依賴于“海綿體”，目前海綿城市裸地處理主要用透水磚鋪裝[18]，本試驗中的有機材料具有雨季蓄水，旱季放水的特點，符合海綿城市的雨洪管理要求，可以作為“海綿體”材料之一。

據(jù)了解，園林植物適宜生長的pH值為6.5～7.5，而高pH值是北方城市園林綠地土壤的共性，也是植物生長的主要障礙因子[19-21]。研究發(fā)現(xiàn)：有機材料能顯著降低土壤pH值，其中，木片、園林廢棄物處理較對照分別降低0.27，0.26，因為有機材料可分解酸性物質(zhì)，改變土壤中微生物和酶活性[22]。有機材料是覆蓋土壤養(yǎng)分的主要補給源[23]，隨著覆蓋物分解，營養(yǎng)物質(zhì)淋溶下滲，持續(xù)供應(yīng)了土壤肥力[24]。結(jié)果表明，覆蓋0.5 a后，有機材料較對照可提高土壤有機質(zhì)含量27.46%，分層覆蓋、園林廢棄物、有機覆蓋墊處理在覆蓋1 a后，提高土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為56.63%，85.73%，85.52%，48.66%，63.11%，25.00%和38.24%，82.16%，36.72%。分層覆蓋中下層的堆肥含有大量有機質(zhì)，上層園林廢棄物不斷分解，保證了養(yǎng)分充足和持續(xù)供應(yīng)。園林廢棄物覆蓋后雖能較快地分解有機質(zhì)，但由于其散落地覆蓋在裸土表面，質(zhì)量較輕，易隨風(fēng)飄落，覆蓋1 a后影響減弱。有機覆蓋墊因制作過程添加了黏結(jié)劑，不易破損，早期分解有機質(zhì)少，但隨著時間增長，分解有機質(zhì)增多，可長時間供應(yīng)養(yǎng)分。無機材料無法為土壤提供外部養(yǎng)分，同時雨水也將消耗部分養(yǎng)分，所以無機材料覆蓋后，土壤養(yǎng)分減少。通過對比發(fā)現(xiàn)，1 a覆蓋期內(nèi)，0—10 cm土層受覆蓋影響較大，10—20 cm土層，早期影響較小，但隨著覆蓋時間增加，影響增大，這可能是因為本試驗覆蓋在秋冬季，氣候干冷，雨水較少，隨著春季積雪融化，夏季雨水增多，養(yǎng)分淋溶下滲，改善了下層土壤的理化性質(zhì)。

4 結(jié) 論

綜上所述，無機材料(鵝卵石、陶粒)提高土壤含水量效果較好；有機材料(木片、分層覆蓋、園林廢棄物、有機覆蓋墊)降低土壤容重，提高孔隙度效果較好；分層覆蓋和園林廢棄物處理降低土壤pH值和提高土壤有機質(zhì)效果較好；分層覆蓋和有機覆蓋墊處理提高土壤速效養(yǎng)分效果較好。本試驗首次采用了分層覆蓋和有機覆蓋墊處理方式，模擬了自然條件下森林土壤表層枯落物層結(jié)構(gòu)，拓寬了城市園林綠化廢棄物處理渠道，增強了覆蓋物的穩(wěn)定性和持續(xù)性。此外，有機材料覆蓋后的土壤含水量季節(jié)性變化和提高土壤養(yǎng)分的表現(xiàn)符合海綿城市和綠色化城市建設(shè)要求，具有一定現(xiàn)實推廣意義。