不同地表覆蓋物對城市表層土壤物理性質的影響

王心語，李素艷?，孫向陽，張 驊，熊凱毅，曲炳鵬,，贠炳輝

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

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和城市化的不斷推進，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]，具有提供植物營養(yǎng)、維護城市物質、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的主要介質[7]，它能產(chǎn)生多大環(huán)境作用和美學價值，在極大程度上取決于土壤質量[8-9]。與農業(yè)土壤相比，城市表層土壤人為干擾嚴重，導致土壤性質特別是物理性質下降嚴重[10]。之前學者的研究發(fā)現(xiàn)土壤物理性質的惡化是導致植物死亡的主因，如美國中心公園大量植物死亡、我國香港特區(qū)植物生長不良以及上海等城市土壤的調查均表明，土壤物理性質較差會導致植物生長不佳[11-13]。同時土壤物理性質惡化的過程中又會導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的物理作用下產(chǎn)生大量的土壤揚塵，導致空氣中的PM2.5增加，還會造成水土流失，繼而使得土壤物理性質繼續(xù)惡化[14]。為減少水土流失和霧霾天氣、改善土壤物理性質，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]。我國城市綠地中常用的覆蓋物包括無機覆蓋物和有機覆蓋物，其中無機覆蓋物多以砂礫、鵝卵石、透水磚等為主，有機覆蓋物多以樹皮、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覆蓋墊[16-17]。

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

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

該區(qū)氣候屬于北溫帶半濕潤大陸性季風氣候。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個月里。

鵝卵石購置于南京晨陽雨花石濾料有限公司，粒徑為1～3 cm，顏色為深色系。樹皮購置于上海潤土農資有限公司，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碎枝條。

自制水性聚氨酯有機覆蓋墊，利用水性聚氨酯膠黏劑按照膠占園林綠化廢棄物質量的40%粘結，經(jīng)混勻后使用300 MPa的壓力壓實，制成符合下面所提到圓桶大小的有機覆蓋墊，厚度為6 cm，水性聚氨酯型號為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得。

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

1.2 試驗設計

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個直徑為0.5 cm的小孔，取苗圃內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、有機質質量分數(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)，自然風干后過2 mm土篩，混合均勻后裝入塑料桶內，保持各塑料桶內土量相同，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。不同覆蓋材料設置5個處理，即鵝卵石覆蓋(E)、樹皮覆蓋(S)、園林綠化廢棄物覆蓋(Y)、水性聚氨酯有機覆蓋墊覆蓋(SJ)、酚醛樹脂有機覆蓋墊(FQ)和無覆蓋(對照，CK)對比，覆蓋厚度均為6 cm，隨機排列，重復3次。待鋪設完畢保持所有桶靜置20 d，各項指標穩(wěn)定后開始測量。試驗從2016年9月開始于2017年9月結束，共持續(xù)12個月。

1.3 測定項目與方法

1)土壤溫度。土壤溫度測定使用5和15 cm深度的曲管地溫計分別測定0～10和10～20 cm 2種土層中間點。選取大氣溫度對土壤溫度影響較強的2個月份1月和7月，分別于中旬選取不受雨雪天氣影響的一天進行土壤溫度測定，從08:00開始每隔1 h觀測至20:00。

2)土壤含水量。利用TDR100土壤水分測定儀測定地表不同覆蓋物下的土壤水分，利用5 cm和15 cm共2種不同探針分別測定0～10 cm和10～20 cm這2個土層中間部位水分，每層測定重復3次，在覆蓋1個月后，從2016年10月開始，于每月中旬測定1次，連續(xù)觀測1年。

3)土壤密度及孔隙度。 利用環(huán)刀法測定土壤密度，在測定土壤密度的同時相應測定土壤孔隙度，參照鮑士旦《土壤農化分析》[18]測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進行統(tǒng)計分析以及圖表制作，運用SPSS21.0進行多重差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同地表覆蓋物對土壤溫度的影響

2.1.1 1月不同地表覆蓋物對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，一天測量溫度最低點08:00時土壤溫度從大到小排序依次是：CK>Y>S>SJ>E>FQ，溫度在14:00達到一天最高，此時各處理從大到小排序依次是：CK>Y>SJ>S>E>FQ，此時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:水性聚氨酯有機覆蓋墊Water-based polyurethane organic mulch pad. FQ:酚醛樹脂有機覆蓋墊Phenolic resin mulch pad. Y:園林綠化廢棄物 Garden greening waste. S:樹皮 Bark. E:鵝卵石 Pebble. CK:無覆蓋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，在所有時刻均提升土壤溫度，且高于其他處理，在高溫時間段SJ與CK相比差距不大。與CK相比，S在17:00—20：00時間段降溫相對緩慢。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，在溫度達到最高點FQ土壤溫度顯著高于其他處理，但所有處理在17:00開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較高，受陽光輻射后升溫較快較高，因而促進土壤溫度變化幅度較大。但無論哪一土層，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，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，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為：E>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種處理之間無顯著差異(P<0.05)。在10～20 cm土層，E與CK之間沒有顯著(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：±后的為標準差。 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∨判驗椋篠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為：SJ>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，總孔隙度大小排序為：SJ>FQ>S>Y>CK>E；毛管孔隙度大小排序為：SJ>FQ>S>Y>CK>E；非毛管孔隙度排序為：SJ>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之間無顯著差異(P<0.05)。在此土層不同地表覆蓋物對土壤非毛管孔隙度無顯著影響(P<0.05)。

3 結論與討論

通過對土壤溫度、含水量及孔性的分析得出：1)1月份樹皮覆蓋對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，樹皮覆蓋降低土壤溫度，水性聚氨酯有機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,水性聚氨酯有機覆蓋墊和酚醛樹脂有機覆蓋墊覆蓋下土壤含水量提高最為顯著，樹皮覆蓋次之，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，其余處理對于土壤密度及孔隙度的影響較小，其中水性聚氨酯有機覆蓋墊可略微降低土壤密度。

由上述結論可做如下討論。首先，樹皮覆蓋對土壤升溫降溫效果較好可能是由于樹皮具有良好的比熱容且導熱速率相對其他幾種覆蓋物相對較慢，同時在天氣較冷時期，在吸收土壤內部熱量后散熱相對緩慢導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為覆蓋物的物理阻擋作用且能有效緩解土壤水分的上移[19]，水性聚氨酯有機覆蓋墊和酚醛樹脂有機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；鵝卵石覆蓋土壤含水量最低因其吸水性能過低且比熱容較大導致。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土壤導致，水性聚氨酯有機覆蓋墊土壤孔性變化由于經(jīng)過緩慢腐解后其有機質和養(yǎng)分會經(jīng)降雨淋溶到土壤中，同時在有機覆蓋墊對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，水性聚氨酯有機覆蓋墊和樹皮覆蓋對于土壤物理性質有較優(yōu)的影響，鵝卵石覆蓋對于土壤物理性質影響較差，這可為今后土壤改良和植物的生長以及有機覆蓋墊的發(fā)展提供理論依據(jù)。