不同有機(jī)材料覆蓋對土壤保水效果的影響

車飛偉, 李素艷, 孫向陽, 曲炳鵬,2,3, 贠炳輝, 王心語, 熊凱毅

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 北京 100083; 2.天津綠茵景觀生態(tài)建設(shè)股份有限公司,天津 300384; 3.西華師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 南充 637009)

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，城市綠化變的越來越重要。近年來我國城市綠化建設(shè)力度不斷加大，綠化覆蓋率和人均綠地面積逐年增加[1]，然而像北京這樣缺水的城市，城市綠化耗費(fèi)了大量的水資源，地表水分無效蒸散量較大，土壤含水量較低，這些已成為制約城市綠化發(fā)展的關(guān)鍵問題。因此，節(jié)水技術(shù)是北京市綠化發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。覆蓋可以調(diào)節(jié)土壤水分，促進(jìn)植物生長，起到節(jié)水、保水的作用[3-4]。對地表進(jìn)行覆蓋可以阻擋陽光直射，降低土壤水分蒸發(fā)速率，從而降低土壤水分日蒸發(fā)和累積蒸發(fā)量，提高土壤含水量[5-7]。城市綠地覆蓋材料一般分為3大類：無機(jī)覆蓋材料(inorganic mulch)、有機(jī)覆蓋材料(organic mulch)和植生覆蓋材料(living mulch)[8]。近年來，國外研究覆蓋用的有機(jī)材料主要是樹皮和木片[8]，國內(nèi)眾多研究主要集中在秸稈覆蓋[9-13]、地膜覆蓋[13-15]、砂石覆蓋[16-18]等對土壤保水效果的影響，目前國內(nèi)外對園林廢棄物堆腐材料覆蓋保水的研究較少，且我國園林廢棄物產(chǎn)量逐年增加，處理困難，傳統(tǒng)的處理方法不僅造成資源浪費(fèi)，更會污染環(huán)境[19]。故本研究用經(jīng)過堆腐的園林廢棄物作為覆蓋材料，與木片、樹皮進(jìn)行比較，通過模擬蒸發(fā)試驗(yàn)和桶裝控制試驗(yàn)，探究不同有機(jī)材料覆蓋對城市綠地土壤的保水效果，為城市綠化節(jié)水和建設(shè)海綿城市提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究地位于北京市海淀區(qū)雙清路東升鄉(xiāng)八家村北京林業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)基地三頃園苗圃(北緯40°00′28.3″，東經(jīng)116°20′17.5″)，氣候類型為溫帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.5 ℃，1月份平均氣溫最低，為-4.4 ℃，7月份平均氣溫最高，為25.8 ℃，年最高氣溫出現(xiàn)在7月中下旬，高達(dá)41.6 ℃；年平均降水量628.9 mm，降水主要集中在6—8月，約占全年降水量的74.0%，夏季高溫多雨，盛行東南風(fēng)，冬季寒冷干燥，盛行西北風(fēng)。0—20 cm表層土壤質(zhì)地為中黏土，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%(中國土壤質(zhì)地分類，1978年)，基本理化性質(zhì)詳見表1。

表1 研究區(qū)0-20 cm表層土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)材料

(1) 園林廢棄物。園林廢棄物采集于北京市海淀區(qū)香山公園，顏色主要為黑色、黃色和棕色，原料主要來源于以下樹種的枯枝落葉：油松(Pinustabuliformis)、白皮松(Pinusbungeana)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、黃櫨(Cotinuscoggygria)和臭椿(Ailanthusaltissima)。粉碎后進(jìn)行堆腐，6個月完全腐熟后過5 cm，3 cm，1 cm孔徑的套篩篩分出3～5 cm，1～3 cm，0～1 cm三種粒徑。

(2) 木片、樹皮。木片、樹皮均購自北京市朝陽區(qū)荔馳有機(jī)覆蓋物公司，粒徑均為1～3 cm，顏色分別為咖啡色和棕色。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 蒸發(fā)試驗(yàn) 將亞克力管(其規(guī)格為高32 c，外徑20 cm，內(nèi)徑19 cm，壁厚0.5 cm)底部用1 cm厚的亞克力板密封，并在桶底均勻打上6個直徑為1 cm的透水孔，底部墊上多層紗布，并用膠帶粘住紗布，防止試驗(yàn)過程中土壤漏出。取北京林業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)基地三頃園苗圃表層土壤，自然風(fēng)干后過2 mm土篩，混合均勻后四分之一法裝入管內(nèi)，裝土質(zhì)量9.4220 kg，待其自然沉降24 h后放入水深10 cm的水槽內(nèi)，毛管力吸持18 h，待土壤全部潤濕，表面蓋一層保鮮膜防止蒸發(fā)，靜置48 h，排除重力水，取下保鮮膜，覆蓋6 cm厚0～1 cm，1～3 cm，3～5 cm粒徑的園林廢棄物，無覆蓋作為對照，分別記作M1，M2，M3和CK(CK因其表面無覆蓋物，所以選擇高度為26 cm，其他規(guī)格完全一致的亞克力管)。隨機(jī)區(qū)組排列，每個處理重復(fù)3次。將桶放置在苗圃戶外空曠處，不受人為因素干擾，模擬自然條件進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)。每天記錄溫度、風(fēng)速和降雨等氣象因素，如遇降雨則提前將各處理轉(zhuǎn)移至室內(nèi)，避免干擾。試驗(yàn)從2016年5月5日開始至5月19日結(jié)束，持續(xù)14 d。

1.3.2 控制試驗(yàn) 在蒸發(fā)試驗(yàn)篩選出效果最好的園林廢棄物后布設(shè)控制試驗(yàn)，選取上直徑46 cm，下直徑36 cm，高56 cm統(tǒng)一規(guī)格的白色塑料桶模擬大田環(huán)境進(jìn)行控制試驗(yàn)，在桶底部均勻打上6個直徑0.5 cm的透水孔。將過篩混勻后的表層土壤按照四分之一法裝入塑料桶內(nèi)，裝土質(zhì)量98.30 kg，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。三種材料分別為木片、樹皮、抑制蒸發(fā)效果最好的園林廢棄物(即1～3 cm粒徑，由蒸發(fā)試驗(yàn)篩選出)，每個桶覆蓋一種材料，覆蓋厚度6 cm，無覆蓋作為對照，共計(jì)4種覆蓋方式，分別記作木片覆蓋(M4)、樹皮覆蓋(M5)、1～3 cm粒徑園林廢棄物覆蓋(M2)和無覆蓋(CK)。隨機(jī)區(qū)組排列，每個處理重復(fù)3次，鋪設(shè)完成后所有處理靜置30 d，待各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定后開始試驗(yàn)。試驗(yàn)從2016年10月開始至2017年9月結(jié)束，持續(xù)12個月。

1.4 測定指標(biāo)及方法

(1) 土壤水分蒸發(fā)量。采用稱重法，使用感度0.0005 kg，量程30 kg的電子秤，每天下午17：00進(jìn)行稱量，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄每個管的質(zhì)量，并用差減法計(jì)算土壤水分蒸發(fā)量。

(2) 土壤含水量。采用TDR法，使用美國生產(chǎn)的TDR 300土壤水分測量儀，選擇7.5，12和20 cm探頭分別測定0—10 cm，10—20 cm及20—40 cm土層中部含水量，每個深度重復(fù)3次，每月中旬進(jìn)行測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行土壤水分蒸發(fā)量及含水量的單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒徑園林廢棄物覆蓋對土壤水分蒸發(fā)的影響

2.1.1 不同粒徑園林廢棄物覆蓋對土壤水分日蒸發(fā)量的影響 蒸發(fā)試驗(yàn)階段主要?dú)庀笠蛩卦斠姳?。不同粒徑園林廢棄物覆蓋下土壤水分日蒸發(fā)量的變化如圖1所示。

圖1 不同粒徑園林廢棄物覆蓋土壤日蒸發(fā)量變化

表2 蒸發(fā)試驗(yàn)階段內(nèi)主要?dú)庀笠蛩?/p>

由圖1可知，蒸發(fā)前期1～7 d，土壤水分日蒸發(fā)量較大，3種覆蓋處理下土壤水分日蒸發(fā)量變化趨勢基本一致，與CK差異明顯。在這一時段內(nèi)，M2，M1，M3及CK的日平均蒸發(fā)量分別為21.6，25.4，29.3和102.1 g/d，最小的為1～3 cm粒徑的園林廢棄物(M2)，僅為CK的21.1%。隨著時間的推移，土壤水分日蒸發(fā)量明顯降低，到了蒸發(fā)后期7～14 d，M2，M1，M3以及CK的日平均蒸發(fā)量分別為8.3，11.4，13.6和46.1 g/d。3種覆蓋處理與對照處理的土壤水分日蒸發(fā)情況整體表現(xiàn)為前期較陡，蒸發(fā)速率較快，各粒徑覆蓋下土壤水分日蒸發(fā)量變化幅度明顯，這是因?yàn)樵谶@一時段內(nèi)土壤水分蒸發(fā)速度主要是由土壤表面覆蓋物的特性決定的，此時土壤蒸發(fā)量大于地表蒸發(fā)量，導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)速率較快；后期較緩，變化幅度較小，蒸發(fā)速率較慢，各粒徑覆蓋下土壤水分蒸發(fā)狀況并無明顯差異，土壤水分達(dá)到一個較平穩(wěn)的狀態(tài)，這是因?yàn)樵谶@一時段內(nèi)土壤水分蒸發(fā)速度主要是由土壤自身的含水量及土壤內(nèi)部水汽的擴(kuò)散能力決定的，此時土壤蒸發(fā)量小于地表蒸發(fā)量，導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)速率較慢。不同粒徑的園林廢棄物覆蓋下土壤水分日蒸發(fā)量均低于CK，說明對土壤表層進(jìn)行覆蓋可以抑制水分蒸發(fā)。各覆蓋處理間土壤水分日蒸發(fā)量差異不明顯，但與CK存在明顯差異。

2.1.2 不同粒徑園林廢棄物覆蓋對土壤水分累積蒸發(fā)量的影響 不同粒徑園林廢棄物覆蓋下土壤水分累積蒸發(fā)量的變化如圖2所示。由圖2可知，在試驗(yàn)的整個過程中，CK的土壤水分累積蒸發(fā)量明顯高于覆蓋處理，各處理累積蒸發(fā)量的變化最終趨于穩(wěn)定。在蒸發(fā)前期1～7 d內(nèi)，不同粒徑園林廢棄物覆蓋下土壤水分累積蒸發(fā)量增長速率較快，上升趨勢較明顯，隨著時間的推移，土壤水分累積蒸發(fā)量的曲線逐漸變得平穩(wěn)。到了蒸發(fā)后期8～14 d內(nèi)，土壤水分累積蒸發(fā)量雖然不斷上升，但是其增長速率卻逐漸降低。不同粒徑園林廢棄物覆蓋下土壤水分累積蒸發(fā)量的變化雖然有所差異，但變化趨勢基本一致。覆蓋14 d后土壤水分累積蒸發(fā)量的高低順序?yàn)椋篊K(1037.0 g)>M3(304.0 g)>M1(269.5 g)>M2(193.0 g)。與CK相比，M2，M1，M3的累積蒸發(fā)量分別減少了81.4%，74.0%，70.7%。這表明對土壤表層進(jìn)行覆蓋可以抑制水分蒸發(fā)，抑制效果順序?yàn)椋篗2>M1>M3>CK。

對不同粒徑園林廢棄物覆蓋下土壤水分累積蒸發(fā)量與時間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合方程如表3所示。從擬合結(jié)果可以看出，各粒徑覆蓋下累積蒸發(fā)量與時間的決定系數(shù)均較高。土壤水分累積蒸發(fā)量y對蒸發(fā)時間x求導(dǎo)可得蒸發(fā)強(qiáng)度的變化速率，由于參數(shù)a均為負(fù)數(shù)，可知土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)度隨著時間的推移逐漸下降。參數(shù)a的大小順序?yàn)椋篗1>M3>M2>CK，說明不同粒徑園林廢棄物覆蓋下土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)度的下降速度依次為：M1>M3>M2>CK，所以土壤水分累積蒸發(fā)量的增長速度順序?yàn)椋篊K>M2>M3>M1，1～3 cm粒徑的增長速度最小。

圖2 不同粒徑園林廢棄物覆蓋土壤累積蒸發(fā)量變化

表3 不同粒徑園林廢棄物覆蓋下土壤累積蒸發(fā)量與時間的擬合方程

注：y為土壤水分累積蒸發(fā)量(g)；x為蒸發(fā)時間(d)；a為蒸發(fā)強(qiáng)度的變化速率；b為初始蒸發(fā)強(qiáng)度(g/d)；c為初始土壤水分蒸發(fā)量(g)；R2為決定系數(shù)。

對不同粒徑園林廢棄物覆蓋14 d后土壤水分累積蒸發(fā)量的大小進(jìn)行顯著性分析(如圖3所示)。在p<0.05下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。CK的土壤水分累積蒸發(fā)量顯著高于其他3種覆蓋處理的，M1與M3差異不顯著，但M2顯著低于M1和M3。綜上所述，覆蓋1～3 cm粒徑的園林廢棄物抑制土壤水分蒸發(fā)效果最好。

2.2 不同有機(jī)材料覆蓋對土壤含水量的影響

不同有機(jī)材料覆蓋下0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm土層土壤含水量的年變化如圖4所示。由圖4可以看出，3個土層土壤含水量的年變化整體均呈現(xiàn)出雙峰趨勢。在一年中，4—5月土壤含水量較低，最低峰出現(xiàn)在4月；6—8月土壤含水量較高，最高峰出現(xiàn)在7月。由于4—5月平均氣溫較高，土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)度較大，故土壤含水量較低；6—8月期間為北京地區(qū)的雨季，下雨較為頻繁，雨水量較充沛，含水量相對集中。由于控制試驗(yàn)的原理是模擬大田，鋪設(shè)環(huán)境為室外露天，因此不同有機(jī)材料覆蓋下土壤的含水量都有明顯的增加。由于CK組沒有任何覆蓋材料，水分下滲的速度最快，所以含水量最高。其他有機(jī)材料由于本身具有吸水作用，會抑制雨水的下滲，土壤水分雖有增加但不會高于CK組。與0—10 cm土層土壤水分變化情況相比，10—20 cm土層水分變化有一定的滯后性，故土壤水分增長速率較?。?0—40 cm土層較深，受外界環(huán)境影響較小，故水分波動趨勢比表層土壤小。綜上所述，除雨季之外，不同有機(jī)材料覆蓋下土壤含水量均高于CK。隨著土層的加深，土壤含水量有所提高，水分波動趨勢逐漸越小，且深層土壤含水量的變化趨勢與表層土壤基本一致。由圖4可以看出，不同有機(jī)材料覆蓋下土壤含水量各有差異。整體上，除雨季之外，覆蓋處理的土壤含水量均比對照高。M4覆蓋0—10 cm土層土壤年均含水量為30.2%，比CK高7.4%；10—20 cm土層土壤年均含水量為32.1%，比CK高6.5%；20—40 cm土層土壤年均含水量為36.4%，比CK高5.5%。M4在3個土層中的含水量均高于其他處理，不同土層土壤含水量的高低順序均為：M4>M5>M2>CK。

注：不同小寫字母表示在p<0.05水平差異顯著。下同。

圖3 不同粒徑園林廢棄物覆蓋14 d土壤水分累積蒸發(fā)量

圖4 不同有機(jī)材料覆蓋下各土層土壤含水量的年變化

對不同有機(jī)材料覆蓋0—40 cm土層土壤年平均含水量的大小進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果如圖5所示。M4，M5，M2和CK的0—40 cm土層土壤年平均含水量分別為32.9%，30.3%，27.4%和26.8%，在p<0.05下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由圖5可知，M4的土壤年均含水量顯著高于M5，M5顯著高于M2與CK，可見木片為保水效果最好的有機(jī)材料，其次是樹皮和園林廢棄物。

圖5 不同材料覆蓋0-40 cm土層土壤年平均含水量

3 討 論

有機(jī)覆蓋材料是一種“變廢為寶”的環(huán)境友好型覆蓋材料，是對林業(yè)廢棄物的循環(huán)利用，符合可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)理念[4]。覆蓋有機(jī)材料可以有效抑制土壤水分蒸發(fā)，提高土壤含水量，但覆蓋厚度并非越厚越好。國內(nèi)外有研究證實(shí)，有機(jī)覆蓋物5～10 cm為最合適的覆蓋厚度[8]。覆蓋太薄起不到抑制蒸發(fā)的作用，會使土壤水分無效蒸散嚴(yán)重；覆蓋太厚會使大量水分被覆蓋物吸收，難以滲透至土壤表層，且成本高，也不適宜推廣至大田。另外有學(xué)者研究了覆蓋3，6，9 cm三種厚度的園林廢棄物，結(jié)果表明覆蓋6 cm厚的園林廢棄物在保水、調(diào)節(jié)土溫、改善土壤養(yǎng)分、抑制雜草等方面均有較好的效果[20]，故本研究綜合考慮選擇了6 cm的覆蓋厚度。本研究首先通過蒸發(fā)試驗(yàn)從同種材料(即3～5 cm，1～3 cm，0～1 cm三種粒徑的園林廢棄物)中篩選出抑制蒸發(fā)效果最好的粒徑范圍，在此基礎(chǔ)上用效果最好的園林廢棄物與木片、樹皮進(jìn)行比較，進(jìn)一步篩選出保水效果最好的有機(jī)覆蓋材料。原翠萍等[18]研究結(jié)果表明，覆蓋條件下的土壤蒸發(fā)與裸土相比不僅降低而且更加平穩(wěn)，在相同的覆蓋厚度和同一含水率條件下，砂石覆蓋的粒徑越大，對蒸發(fā)的抑制能力越低，這與本文的研究結(jié)果相似，不同之處在于本研究發(fā)現(xiàn)1～3 cm粒徑園林廢棄物抑制蒸發(fā)能力大于0～1 cm粒徑，這是因?yàn)榻?jīng)過堆腐的園林廢棄物性質(zhì)更接近于土壤，0～1 cm粒徑毛管孔隙多，水分沿著毛管孔隙上升并蒸散；3～5 cm粒徑孔隙太大，抑制水分蒸發(fā)效果差，而1～3 cm粒徑的園林廢棄物既能有效抑制土壤水分蒸發(fā)，又阻止了土壤水分沿毛管孔隙上升，因此1～3 cm粒徑抑制蒸發(fā)效果最好。本研究還發(fā)現(xiàn)不同有機(jī)材料覆蓋下土壤含水量的年變化整體呈現(xiàn)出雙峰趨勢，一年中4—5月土壤含水量較低，6—8月土壤含水量較高，不同土層土壤含水量的年變化趨勢基本一致。隨著土層的加深，土壤含水量有所提高，水分波動趨勢比表層土壤小，這與陳玉娟等[4]研究結(jié)果相似。除了雨季之外，不同土層土壤含水量從高到低均為木片覆蓋、樹皮覆蓋、1～3 cm粒徑園林廢棄物覆蓋、無覆蓋，木片覆蓋0—40 cm土層土壤年平均含水量顯著高于樹皮覆蓋，樹皮覆蓋顯著高于1～3 cm粒徑園林廢棄物覆蓋與無覆蓋，因此保水效果最好的為木片，其次是樹皮和園林廢棄物。

4 結(jié) 論

(1) 園林廢棄物覆蓋可以較好地抑制土壤水分蒸發(fā)。不同粒徑的園林廢棄物覆蓋下土壤水分蒸發(fā)量均低于CK，其大小順序?yàn)椋?～5 cm>0～1 cm>1～3 cm，因此抑制蒸發(fā)效果最好的為1～3 cm粒徑。

(2) 除了雨季之外，不同有機(jī)材料覆蓋下土壤含水量均高于CK。不同土層土壤含水量的高低順序均為：木片>樹皮>1～3 cm粒徑園林廢棄物，且各土層含水量的年變化趨勢基本一致，因此保水效果最好的為木片，其次是樹皮和園林廢棄物。