幾種常用綠地改良材料對土壤水分特征的影響①

伍海兵，方海蘭*，李愛平

(1 上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海 200232；2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095)

幾種常用綠地改良材料對土壤水分特征的影響①

伍海兵1，方海蘭1*，李愛平2

(1 上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海 200232；2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095)

分析了幾種常用綠地土壤改良材料及其不同配比對土壤水分特征曲線和水分常數(shù)的影響，結(jié)果表明：利用RETC軟件對各配比土壤水分特征曲線van Genuchten方程的參數(shù)擬合效果較好，R2均大于0.99；隨著砂粒含量的增加，土壤田間持水量降低，土壤中水分有效性比例增加，但砂粒粒徑對土壤水分常數(shù)影響不顯著；綠化植物廢棄物能提高土壤田間持水量和有效水含量，降低土壤凋萎含水量；綠化植物廢棄物還能提高有效水占田間持水量的比例，以20% 綠化植物廢棄物的用量為最大，為49.59%；聚丙烯酰胺(PAM)雖然能提高土壤田間持水量，但阻礙土壤水分的釋放，降低土壤水分的有效性；脫硫石膏可以增加土壤田間持水量和水分的有效性。綜合而言，以70% 土、10% 砂、20% 綠化植物廢棄物和0.5 kg/m3脫硫石膏的配比相對最佳。

RETC；水分特征曲線；水分常數(shù)；土壤改良材料

土壤水分是影響植物生長的重要因素之一，植物利用土壤水分主要受土壤水吸力、土壤儲水、有效水以及植物根系吸水能力等因素影響[1]。而土壤水分特征曲線是研究土壤基質(zhì)勢(水吸力)與含水量的關(guān)系曲線，直接反映土壤儲水能力和土壤水分的有效性，是研究土壤持水和抗旱能力最重要的指標(biāo)之一[2]。研究土壤水分特征曲線，對分析土壤水分蓄存、保持、運(yùn)動(dòng)、供應(yīng)及土壤水分與作物吸水之間的狀況都有重要意義[3]。關(guān)于土壤水分特征曲線研究報(bào)道基本側(cè)重于農(nóng)林地[4–7]，對城市綠地土壤研究鮮有報(bào)道，而且也僅是對水分特征曲線模型和參數(shù)的適用性研究[8–9]，缺少對綠地土壤不同物質(zhì)組分的水分特征研究。我國城市綠地養(yǎng)護(hù)普遍耗水嚴(yán)重，其中土壤持水性差、有效水含量低是主要限制因子[10–11]。大量研究證實(shí)利用改良材料能改善綠地土壤的持水性能，如顧兵等[12]、伍海兵等[13]利用綠化植物廢棄物增加土壤的保水能力；閆功雙等[14]利用 PAM(聚丙烯酰胺)有助于減少地面徑流和深層滲漏提高砂土對水分的存儲，并增加土壤水分的有效性；李卓等[15]利用砂粒增加土壤大孔隙含量，增加土壤水分下滲能力，降低地表徑流，提高土壤對雨水的存儲能力，但土壤的持水能力隨著砂粒的增加而降低。已有研究主要側(cè)重單一改良材料對土壤水分特征的研究，實(shí)際上，綠地土壤往往是幾種改良材料混合使用的人為合成土壤，其水分特性至今也未見報(bào)道。隨著“海綿”城市建設(shè)在國內(nèi)興起，城市綠地土壤作用不僅僅是提供植物生長所需要的營養(yǎng)和水分，對城市雨水蓄積和排放的功能也引起大家關(guān)注[16]。為此，本研究選用綠地常用的土壤改良材料并進(jìn)行不同配比混合模擬人工合成的綠地土壤，研究其土壤水分特征，以期為我國城市綠地建設(shè)和養(yǎng)護(hù)過程中的土壤水分管理和“海綿”城市的建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土樣制備

試驗(yàn)土壤經(jīng)風(fēng)干、研磨，過2 mm篩。用不同直徑的不銹鋼篩將砂粒分成3組：粗砂(0.5 ~ 1 mm)、中砂(0.25 ~ 0.5 mm)、細(xì)砂(<0.25 mm)；綠化植物廢棄物主要為行道上樹木修剪的枝條和樹葉，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎成1 ~ 3 mm粒徑后堆肥6個(gè)月，各項(xiàng)指標(biāo)顯示已經(jīng)腐熟。將 3組不同粒徑砂粒分別按體積含量為10%、20%、40%、60% 與原土混合；綠化植物廢棄物按10%、20%、40% 與原土混合，各配比見表1。為了進(jìn)一步分析不同改良材料混合配比對土壤水分特征的影響，各改良配比土壤見表2，其中PAM在其他改良材料混合完全后均勻撒在配比土壤表面。

表1 不同砂粒、綠化植物廢棄物配比土壤Table 1 Soils under different ratios of sand and greenery-waste

表2 不同改良配比土壤Table 2 Soils under of different modified ratios

1.2 分析測定方法

土壤水分特征曲線采用日本KOKUSAN公司生產(chǎn)的H-1400pF高速離心機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，將飽和后的土樣于不同轉(zhuǎn)速下(1 000、2 000、3000、5 000、7 000、9 000、11 000、13 000 r/min)離心60 min后，使水分達(dá)到平衡后測定不同吸力下土壤體積含水量，每組重復(fù)3次。利用美國鹽改中心開發(fā)的RETC軟件[17]對van Genuchten方程[18]：θ=θr+(θs–θr) / [1+(α×h)n]m進(jìn)行擬合，其中θ是土壤體積含水量(cm3/cm3)；θs是土壤飽和含水量(cm3/cm3)；θr是土壤滯留含水量(cm3/cm3)；h是壓力水頭(cm)，m、n、α為參數(shù)，m= 1–1/n。

數(shù)據(jù)整理和分析采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配比土壤水分特征曲線

2.1.1 砂粒粒徑和含量對土壤水分特征曲線的影響 不同粒徑砂粒配比的土壤水分特征曲線如圖1所示，各配比土壤均隨著土壤吸力的增加，土壤含水量逐漸降低，在低吸力下(2×103cm)土壤含水量變化較大，高吸力下(12×103cm)趨于平緩，這是主要是由于土壤所能保持或釋放出來的水量取決于較粗孔隙分布，施加較小壓力，大孔隙中的水即被排出[19]；隨著吸力的增加，土壤顆粒的吸附能力及土壤比表面的影響作用增強(qiáng)，保持在小孔隙中的水分緩慢釋出[20–21]。各配比土壤水分特征曲線均位于對照組曲線的左下方，且隨著砂粒含量的增加，水分曲線逐漸下移，表明相同吸力下，土壤含水量隨砂粒的增加而降低。這主要是由于土壤中砂粒含量的增多，大孔隙逐漸取代了小孔隙，使得土壤中的毛管孔隙度降低，比表面積越小，吸附能力也越弱，所以在整個(gè)吸力段，土壤水分含量隨著砂粒含量的增加而下降，持水性能逐漸減弱。而相同吸力下，砂粒粒徑對土壤含水量影響不明顯，這與周蓓蓓等[22]研究碎石粒徑對土壤水分影響顯著不一致，這可能是由于本試驗(yàn)選用的砂粒粒徑差別較小有關(guān)。

圖1 不同砂粒配比土壤水分特征曲線Fig. 1 Soil water characteristic curves under different sand ratios

利用RETC軟件對van Genuchten方程的參數(shù)進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)如表3所示。參數(shù)α一般認(rèn)為是進(jìn)氣吸力的倒數(shù)，即水分特征曲線接近飽和時(shí)拐點(diǎn)的吸力值的倒數(shù)，一般進(jìn)氣吸力越小，α值越大，土壤的持水性能越差，排水越容易[23]。各處理土壤隨著砂粒含量增加，α呈增大趨勢，說明土壤持水能力隨砂粒含量增多而減弱，排水越來越容易。而砂粒粒徑對α影響不是很明顯。θs的模擬值與實(shí)測值接近相等，且各處理決定系數(shù)R2均大于0.99，擬合效果較好，這與鄧超等[24]研究農(nóng)田土水動(dòng)力參數(shù)的結(jié)果一致。

表3 不同砂粒配比土壤van Genuchten方程模擬參數(shù)Table 3 Simulation parameters of van Genuchten of soils equation under different sand ratios

2.1.2 綠化植物廢棄物對水分特征曲線的影響 不同綠化植物廢棄物含量對土壤水分特征曲線有一定的影響(圖 2)，各配比土壤水分特征曲線與對照組土壤水分特征曲線發(fā)生交叉，曲線位于對照組曲線的右下方。在低吸力段，各配比土壤含水量大小關(guān)系為40%>20%>10%>原土，說明綠化植物廢棄物能夠增加孔隙度尤其是非毛管孔隙度[25]，土壤所能吸持的水分增多，持水能力隨著廢棄物含量增加而增強(qiáng)。但隨著吸力的增加，綠化植物廢棄物對水分的持留能力越來越弱，故其含水量逐漸降低。

各處理土壤水分特征曲線van Genuchten方程的參數(shù)擬合如表4所示，各配比土壤θs模擬值均接近實(shí)測值，擬合效果較好，R2均高于 0.99。各處理土壤參數(shù)α值均小于對照組，且隨著綠化植物廢棄物的增加，α呈先增大后減小的趨勢，說明在一定吸力下，綠化植物廢棄物可有效提高土壤的持水能力，但隨著含量的增加，其持水能力逐漸減弱。這與董陽等[26]利用綠化植物廢棄物改良鹽堿土的效果一致，即以30% 綠化植物廢棄物添加量對土壤的改良效果最好。

圖2 不同綠化植物廢棄物配比土壤水分特征曲線Fig. 2 Soil water characteristic curves under different greenery waste ratios

表4 不同綠化植物廢棄物配比土壤van Genuchten方程模擬參數(shù)Table 4 Simulation parameters of van Genuchten equation of soils under different greenery waste ratios

2.1.3 改良材料不同配比對土壤水分特征曲線的影響 改良材料不同配比土壤水分特征曲線如圖 3所示，在低吸力段各配比土壤含水量大小關(guān)系為G>D>F>E>A>原土>B>C，說明砂粒降低了土壤持水能力，而綠化植物廢棄物、脫硫石膏和PAM可有效增加土壤持水能力。隨著土壤吸力的增加，土壤中的水分不斷被釋放出來，在中高吸力段各配比土壤含水量大小關(guān)系為G>原土>E>F>D>A>B>C，除了配比G，其他各配比均低于對照組，說明在中高吸力下，砂粒含量降低土壤持水能力的作用越來越明顯。在整個(gè)吸力段，配比土壤D、E、F的含水量均高于配比土壤A、B、C，進(jìn)一步說明綠化植物廢棄物、脫硫石膏、PAM 可有效增加土壤的持水能力，這與伍海兵等[13]利用綠化植物廢棄物、脫硫石膏等材料改良土壤持水能力的研究結(jié)果一致。

各處理土壤水分特征曲線van Genuchten方程的參數(shù)擬合如表5所示，擬合效果較好，R2均高于0.99。參數(shù)α值除了配比C大于對照組，其他各配比土壤均小于對照組，說明砂粒含量和綠化植物廢棄物含量過高均不利于土壤對水分的持留。配比A的α值小于配比B、配比G的α值小于配比F，進(jìn)一步說明砂粒能夠降低土壤的持水能力。比較配比D、E、F可知，說明脫硫石膏、PAM均能增強(qiáng)土壤持水能力。

圖3 不同改良材料配比土壤水分特征曲線Fig. 3 Soils water characteristic curves under different modified material ratios

表5 不同改良材料配比土壤van Genuchten方程模擬參數(shù)Table 5 Simulation parameters of van Genuchten equation of soils under different modified material ratios

2.2 不同配比土壤水分特征常數(shù)

土壤水分狀況是影響植物體內(nèi)水分的重要因素，土壤養(yǎng)分通過它進(jìn)行輸送轉(zhuǎn)移，對植物的生長有重要意義[27]。田間持水量和凋萎含水量是評價(jià)土壤水分有效性的重要水分常數(shù)，土壤有效水的范圍在“田間持水量”與“凋萎含水量”之間，一般將土壤吸力為0.1×105Pa時(shí)對應(yīng)的含水量作為有效水上限(即田間持水量)，土壤吸力為15×105Pa時(shí)對應(yīng)的含水量作為有效水下限(即凋萎含水量)[28]。

2.2.1 砂粒粒徑和含量對土壤水分特征常數(shù)的影響 根據(jù)土壤水分特征曲線計(jì)算各配比土壤水分特征參數(shù)如表6所示，各配比土壤田間持水量、凋萎含水量以及有效水含量較對照組均有所下降，且隨著砂粒含量的增加，各水分常數(shù)降低的幅度越大。但各處理土壤的有效水占田間持水量的比例均高于對照組，土壤中水分的有效性要高于對照組土壤，說明砂粒可以提高土壤中水分的有效性。而相同比例的砂，其粒徑大小對水分常數(shù)影響不明顯。通過各配比土壤差異性分析可以得出：砂粒含量為10% 的土壤田間持水量和凋萎含水量與砂粒含量為 20% 差異不顯著(P>0.05)，而砂粒含量為20% 土壤田間持水量和凋萎含水量與砂粒為 40%、60% 的土壤差異顯著或極顯著，由此可見，當(dāng)砂粒含量高于20% 時(shí)，其對土壤水分常數(shù)影響顯著。

2.2.2 綠化植物廢棄物對水分常數(shù)的影響 不同綠化植物廢棄物含量土壤水分特征常數(shù)如表7所示，各配比土壤田間持水量較對照組均有所增加，凋萎含水量均顯著降低，有效水含量均顯著增加。隨著綠化植物廢棄物含量的增加，田間持水量逐漸增加，凋萎含水量變化規(guī)律不明顯，有效水含量逐漸增加，各配比土壤有效水含量較對照組分別提高了 20.33%、21.43% 和 30.14%。通過差異性分析得出：40% 的綠化植物廢棄物土壤田間持水量與對照組差異顯著(P<0.05)，10% 和20% 綠化植物廢棄物與對照組差異不明顯(P>0.05)；10% 和20% 綠化植物廢棄物土壤凋萎含水量與對照組差異極顯著(P<0.01)，但40%綠化植物廢棄物與對照組差異不明顯(P>0.05)；10%、20% 和 40% 綠化植物廢棄物土壤有效水含量與對照組均差異極顯著(P<0.01)。綠化植物廢棄物不僅提高了土壤田間持水量和有效水含量，降低了土壤凋萎含水量，同時(shí)增加了土壤有效水占田間持水量的比例，提高了土壤中水分的有效性，其中綠化植物廢棄物含量為 20%時(shí)，其有效水占田間持水量的比例最高，為49.59%，較對照組提高了20.80%。

表6 不同砂粒配比土壤水分常數(shù)Table 6 Soil water constants under different sand ratios

表7 不同綠化植物廢棄物配比土壤水分常數(shù)Table 7 Soil water constants under different greenery waste ratios

2.2.3 改良材料不同配比對土壤水分特征常數(shù)的影響 各配比土壤水分特征常數(shù)如表8所示，各配比土壤田間持水量大小關(guān)系為 G>D>F>E>A>CK>B> C，配比 A顯著高于配比 B(P<0.05)，說明砂粒含量高顯著降低了土壤的田間持水能力；配比D顯著高于配比 A(P<0.05)，說明脫硫石膏可有效提高土壤田間持水量。各配比土壤凋萎含水量大小關(guān)系為G>CK>E>F>D>A>B>C，除了配比 G提高了土壤凋萎含水量，其他各配比土壤均降低了土壤凋萎含水量，配比E顯著高于配比A，說明PAM顯著提高土壤凋萎含水量。各配比土壤有效水含量大小關(guān)系為D>A>G>F>E>B>CK>C，各配比土壤有效水含量除了配比C低于對照組，其他各配比土壤均高于對照組，且配比 D、E、F、G土壤有效水含量極顯著高于對照組(P<0.01)，以70% 原土、20% 綠化植物廢棄物、10% 砂粒、0.5 kg/m3脫硫石膏配比的土壤有效水含量最高。各配比土壤有效水占田間持水量的比例較對照組均有所增加，說明各改良材料共同作用均提高了土壤中水分的有效性。但值得注意的是配比 E，就PAM 而言雖然提高了土壤田間持水量，但同時(shí)也顯著增加了土壤凋萎含水量，且增加的幅度高于田間持水量，故其有效水相較配比 A反而降低了，且降低了土壤中有效水占田間持水量的比例，這可能是由于PAM 是一種線性水溶性高分子聚合物，本身具有的強(qiáng)大吸水能力，與綠化植物廢棄物混合后會吸持更多水分，對水分子有強(qiáng)大的束縛作用，不能更好地釋放土壤水分以被植物吸收利用。另外，我國已有研究報(bào)道均證實(shí)城市綠地由于壓實(shí)嚴(yán)重而導(dǎo)致土壤有效水含量降低、萎蔫含水量增加[11,29–30]；而本實(shí)驗(yàn)不同配比改良材料的水分特征也表明，在中高吸力下，砂粒對降低土壤的持水能力作用越來越明顯，這也說明在高壓力下，以砂粒對土壤排水作用影響最大。因此，針對我國普遍存在的綠地土壤壓實(shí)嚴(yán)重現(xiàn)象，砂粒是一種優(yōu)先選擇的土壤水分改良材料。

表8 不同改良配比水分常數(shù)Table 8 Water constants under different modified ratios

3 結(jié)論

利用 RETC軟件對各配比土壤水分特征曲線van Genuchten方程的參數(shù)擬合效果較好，與實(shí)測值誤差較小，R2均大于0.99，表明RETC軟件進(jìn)行土壤水分特征曲線 van Genuchten方程的參數(shù)求解是可行的。

砂粒能夠減弱土壤的持水性能，降低土壤田間持水量和有效水含量，并隨著砂粒含量的增加而下降，同時(shí)也降低了土壤凋萎含水量，但砂?？稍黾油寥烙行继镩g持水量的比例，提高土壤中水分的有效性比例，這主要是由于砂粒降低凋萎含水量的幅度明顯高于田間持水量，所以間接提高了土壤中水分的有效性，在土壤改良中可適當(dāng)添加一定量的砂粒來提高土壤中水分的有效性。本研究中砂粒粒徑對土壤各水分特征常數(shù)影響不明顯，這可能是由于所選砂粒粒徑相差不大有關(guān)。

綠化植物廢棄物不僅能顯著提高土壤田間持水量和有效水含量，降低土壤凋萎含水量，而且能顯著提高有效水占田間持水量的比例，其中田間持水量和有效水含量隨著綠化植物廢棄物的增加而增加，但凋萎含水量先降低后增加，故綠化植物廢棄物過高反而會降低土壤中水分的有效性，其中綠化植物廢棄物含量為 20% 時(shí)，其土壤有效水占田間持水量比例最大，為 49.59%，土壤中水分有效性最佳。

本研究進(jìn)一步驗(yàn)證了脫硫石膏和 PAM能有效提高土壤田間持水量，但由于PAM本身具有強(qiáng)吸水能力，其吸持的水分得不到有效釋放，屬于無效水分，它顯著提高了土壤凋萎含水量，故其反而降低了土壤中有效水的含量，在土壤需要保水的情況下可以適當(dāng)應(yīng)用，但在土壤有效水含量低的情況下應(yīng)慎用；而脫硫石膏不僅能提高土壤的總體持水能力，而且還能顯著提高土壤有效水含量，是很好的土壤水分改良材料。

本研究涉及的幾種常用的土壤水分改良材料中，其土壤水分特征各不相同，單獨(dú)作為土壤改良材料時(shí)存在一定的缺陷，如土壤持水能力提高了，其釋水能力降低了，降低了土壤中水分的有效性；或者土壤中有效水含量增加了，但土壤總的持水能力下降了，不利于土壤對水分的存儲。為此，將幾種改良材料混合使用可以發(fā)揮各改良材料的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以提高土壤的持水能力，還可以增加土壤中有效水含量，提高植物利用水分的有效性。

對比各改良配比土壤，以70% 土、10% 砂、20%綠化植物廢棄物和0.5 kg/m3脫硫石膏的配比D土壤田間持水量和有效水最大，且有效水占田間持水量的比例相對較大，雖然配比A和配比B土壤有效水占田間持水量的比例高于配比D，但配比A和配比B土壤田間持水量和有效水較低，故綜合而言，配比D土壤的持水和釋水能力達(dá)到相對較好的平衡，相對其他配比土壤為最佳改良配比土壤。

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Effects of Modified Materials Commonly Used on Green Belt on Soil Water Characteristic

WU Haibing1, FANG Hailan1*, LI Aiping2
(1Shanghai Academy of Landscape Architecture Science and Planning,Shanghai200232,China; 2College of Resources and Environmental Sciences,Nanjing Agricultural University,Nanjing210095,China)

The analyses on water characteristic curves and water constants of soils made from several common modified materials with different ratios showed that RETC software well simulated the parameters of van Genuchten equation for water characteristic curves (allR2>0.99). Soil field water capacity reduced but soil water availability increased with the increase of sand content. Sand grain size influenced soil moisture constant insignificantly. The greenery waste increased soil field water capacity and available water content, but decreased wilting water content. The greenery waste increased the proportion of available water in field water capacity, which reached to highest (49.59%) in soils with 20% proportion of greenery waste. Although PAM increased soil field water capacity, it inhibited the release of soil water, thus reduced the effectiveness of soil water. In addition, desulfurization gypsum increased soil field water capacity and soil water effectiveness. In general, the best soil was composed with 70% soil, 10% sand, 20% greenery waste and 0.5 kg/m3desulfurization gypsum in volume.

RETC; Water characteristic curve; Water constant; Soil modified materials

S158.2；S151.9

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.024

上海辰山植物園專項(xiàng)項(xiàng)目(G102402)和上海市科委項(xiàng)目(14DZ0503200)資助。

* 通訊作者(fhl_1969@126.com)

伍海兵(1986—)，男，安徽蕪湖人，碩士，工程師，主要從事城市土壤物理性質(zhì)的研究。E-mail: wuhaibing22@163.com