有機(jī)覆蓋物對(duì)土壤溫濕度的影響研究

陳進(jìn)勇

朱 瑩

趙世偉

利用園林有機(jī)廢棄物進(jìn)行地面覆蓋是實(shí)現(xiàn)其合理利用的有效園藝措施。在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，園林綠化中將修剪的枝干以及清掃的枯枝落葉等有機(jī)物進(jìn)行粉碎、發(fā)酵等處理后，用來(lái)覆蓋綠地表面，應(yīng)用非常普遍[1]。中國(guó)在北京、上海、廣州等大中城市也正在大力推廣[2-3]。利用有機(jī)物覆蓋不僅可以保持土壤濕度、調(diào)節(jié)土壤溫度、改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤肥力，還能有效阻止裸露地表土壤揚(yáng)塵，有助于減少水土流失，實(shí)現(xiàn)廢棄資源再生利用，作用非常明顯[3-4]。但我國(guó)在園林綠化廢棄物對(duì)土壤溫濕度的影響效果方面還缺乏定量研究，難以數(shù)量化評(píng)估其應(yīng)用效果。因此開(kāi)展此項(xiàng)研究，可為有機(jī)廢棄物的有效利用提供技術(shù)支撐和指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

田間試驗(yàn)于2014年8月在北京市植物園試驗(yàn)地進(jìn)行，為期1年。選擇腐熟1年的綠化粉碎物基質(zhì)(A)、當(dāng)年腐熟的基質(zhì)(B)、樹(shù)枝直接粉碎的木屑(C)和切削的木塊(D)，分別進(jìn)行5cm(1)、10cm(2)和15cm(3)厚度覆蓋，設(shè)不覆蓋(CK)為對(duì)照。覆蓋地塊每塊面積3m×3m，每個(gè)處理3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列。覆蓋材料中，綠化粉碎物基質(zhì)為粉碎的枝葉混合物，碎木屑長(zhǎng)度約3cm，粗度不超過(guò)0.5cm，木塊長(zhǎng)和寬為3～6cm，厚度約0.5cm。經(jīng)北京市園林科學(xué)研究院測(cè)定，基質(zhì)A的pH值為7.9，有機(jī)質(zhì)含量367g/kg，EC值2133μs/cm；基質(zhì)B的pH值為7.1，有機(jī)質(zhì)含量445g/kg，EC值1460μs/cm；木屑C的C/N(碳氮比)為58，有機(jī)碳含量305g/kg；木塊D的C/N為67，有機(jī)碳含量307g/kg。

覆蓋前預(yù)先埋入1m長(zhǎng)的PR2探管，定期用英國(guó)Delta-T設(shè)備公司生產(chǎn)的PR2土壤剖面水分傳感器連接HH2型濕度儀，測(cè)定不同深度的土壤水分的體積百分比。地溫測(cè)定用以色列Fourier公司生產(chǎn)的MicroLite高精度溫度記錄儀，設(shè)定每小時(shí)記錄1次，埋入不同地塊的不同深度。氣象數(shù)據(jù)用Hobo溫濕度記錄儀測(cè)定，設(shè)定每小時(shí)記錄1次。所有數(shù)據(jù)和圖表用Excel 2007軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 裸露地不同土層溫度與氣溫的關(guān)系

2014年9 月下旬—11月上旬，從未覆蓋地塊不同深度的地溫與氣溫關(guān)系看，由于秋季日均氣溫變化劇烈，二者呈現(xiàn)少量交錯(cuò)變化，但總體上看，日均氣溫低于40cm土層地溫，出現(xiàn)40、20、10cm地溫均基本高于氣溫的現(xiàn)象(圖1)。土層越深，地溫越高，此趨勢(shì)一直延續(xù)至次年初。

2015年1 月底—2月底，平均氣溫在0℃上下波動(dòng)較大，此時(shí)10cm和20cm地層的溫度基本還在0℃以下，40cm地溫剛好在0℃以上。直到3月上旬氣溫穩(wěn)定在0℃以上，不同地層的溫度才超過(guò)0℃，但不同地層的溫差很小，在0.5℃以?xún)?nèi)(圖2)。

3月中旬—4月下旬，氣溫上升較快，10cm地溫隨之上升；5月上旬—6月下旬，10cm層地溫與日均氣溫相近(圖3)。

2.2 有機(jī)物覆蓋后不同深度土層的溫度變化

以A2處理(腐熟1年的基質(zhì)覆蓋10cm厚)為例，2014年9月下旬，不同深度的土層溫度均在22℃左右，隨后地溫逐步下降，土層越深，溫度下降越緩慢。40cm土層溫度較10cm土層高0.5～2℃，20cm土層溫度居中；且10cm土層溫度起伏變化較大，而40cm土層溫度變化比較平穩(wěn)(圖4)。

11月13日至次年2月上旬，40cm土層的溫度高出20cm土層1℃左右，高出10cm土層2℃左右，此后至3月上旬不同地層的溫度差變小至近相等(圖5)。

3月中旬后，不同地層的溫度變化出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，土層越淺，溫度越高。至4月底10cm深處的地溫高出20cm土層1.5℃，20cm土層地溫高出40cm土層也達(dá)到1.5℃。5月上旬地溫有明顯回落，至6月初仍保持此趨勢(shì)(圖6)。

7月初—8月底，地溫變化較為劇烈，10cm土層溫度變化高達(dá)7℃，但總體上仍高于20、40cm土層，差值達(dá)2℃。9月上旬出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，10cm土層溫度低于20、40cm土層，差值達(dá)1℃(圖7)。

圖1 秋季裸露地不同土層地溫與氣溫的關(guān)系

圖2 冬季裸露地不同土層地溫與氣溫的關(guān)系

圖3 春季裸露地不同土層地溫與氣溫的關(guān)系

圖4 A2處理下秋季不同地層的地溫變化

2.3 不同覆蓋物對(duì)土壤溫度的影響

2014年9月25日—11月5日，對(duì)照20cm土層的地溫波狀變化起伏明顯，總體呈下降趨勢(shì)，從20℃逐步降至10℃，覆蓋不同有機(jī)物后，地溫波狀起伏度明顯變小，地溫下降較緩慢，且較對(duì)照高，其中A1高出1～2℃，C2高出2～3℃，A2和A3居中(圖8)，由A2和C2比較可看出，粉碎木屑的保溫效果較腐熟基質(zhì)稍好。

11月13日至次年3月9日，20cm土層溫度仍然是有機(jī)物覆蓋后地溫明顯提高，不同覆蓋物種類(lèi)的作用略有差異。以覆蓋厚度10cm為例，D2處理高出對(duì)照2℃左右，A2和C2高出對(duì)照2～4℃(圖9)，腐熟基質(zhì)和粉碎木屑均較切削木塊的保溫效果好。

3月12日—6月初，對(duì)照的地溫上升較快，超過(guò)覆蓋物處理，20cm土層溫度自4℃上升至26℃，不同覆蓋物處理之間的差異較小，以D2略低。覆蓋處理與對(duì)照的地溫差最大值達(dá)4℃，4月上中旬和5月中旬的差值則小于1℃(圖10)，不同覆蓋物之間的差異不明顯。

2.4 不同覆蓋厚度對(duì)土壤溫度的影響

2014年9月25日—11月5日，覆蓋腐熟基質(zhì)后，A2和A3對(duì)20cm地層的覆蓋效果相近，但地溫均較A1略高(圖8)，覆蓋厚度10、15cm較5cm效果稍好。11月13日至次年2月底，仍是此趨勢(shì)，A1作用稍小，溫度高出對(duì)照2℃左右，A2和A3則高出對(duì)照2～4℃(圖11)。

3月中旬后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，A1處理較A2和A3地溫略高，但差值在1℃以?xún)?nèi)，A2和A3近無(wú)差異。所有A處理地溫均低于對(duì)照，最大差值達(dá)3℃，一直持續(xù)到6月下旬(圖12)。

7月上旬—9月上旬，雖然不同覆蓋厚度的地溫相互交錯(cuò)，但A1、A2、A3三者之間的差異仍不明顯，在1℃以?xún)?nèi)。

2.5 覆蓋對(duì)土壤含水率的影響

未覆蓋地塊不同深度的土壤含水率自2014年11月上旬—2015年4月中旬，隨著土層深度的增加，土壤含水率逐漸升高，10cm土層為10%～20%，20cm土層為20%～30%，30cm土層為30%左右，40cm土層為30%～35%，60、100cm土層含水率相近，均在35%～40%(圖13)，土層越深，土壤含水率越大，至60cm基本不變。

覆蓋處理后，土壤含水率提高，以20cm土層為例，2014年11月上旬—2015年4月中旬，對(duì)照在20%～25%，D2處理在22%～28%，C2處理在24%～30%，A2處理在24%～32%(圖14)。在覆蓋厚度10cm條件下，不同覆蓋材料的保墑作用存在差異，以腐熟1年的基質(zhì)最好，其次為粉碎的木屑和切削木塊，均明顯優(yōu)于對(duì)照。

不同覆蓋厚度之間對(duì)土壤含水率的影響差異不大，以腐熟1年的基質(zhì)為例，覆蓋5、10、15cm后A1、A2、A3的20cm土層濕度近相同，土壤含水率相差不到1%，但均高出對(duì)照含水率值3%～10%(圖15)。

圖5 A2處理下冬季不同地層的地溫變化

圖6 A2處理下春季不同地層的地溫變化

圖7 A2處理下夏季不同地層的地溫變化

圖8 不同覆蓋處理下秋季20cm地層的地溫變化

3 總結(jié)與討論

土壤溫度受太陽(yáng)有效輻射的影響，與氣溫變化有很強(qiáng)的相關(guān)性[5]。在秋冬季，裸露地的地溫較氣溫高，且土層越深，溫度越高；直到3月中下旬，氣溫快速上升，才高于土壤溫度，這時(shí)土層越深，溫度相對(duì)越低；8月下旬氣溫下降明顯，至9月中下旬氣溫再次低于土壤溫度，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。

有機(jī)物覆蓋后，在秋冬季下層土壤的溫度較上層土壤溫度高，如腐熟基質(zhì)覆蓋10cm(A2處理)后40cm土層的溫度高出20cm土層1℃左右，高出10cm土層2℃左右。3月中旬后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，隨著土層深度增加，溫度變低。至4月底40cm土層溫度低于20cm土層地溫達(dá)到1.5℃，低于10cm土層地溫達(dá)3℃，此趨勢(shì)持續(xù)至8月底，9月上旬出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

覆蓋不同種類(lèi)的有機(jī)物后，秋冬季地溫均較對(duì)照高，以粉碎木屑和腐熟基質(zhì)的效果較好，切削木塊稍差；春夏季地溫低于對(duì)照，不同覆蓋物處理之間的差異變小。直接粉碎的木屑由于發(fā)酵腐熟會(huì)釋放熱量，導(dǎo)致前期地溫較高，后期則效果變差。而且腐熟基質(zhì)等顆粒較細(xì)的覆蓋物較粗大的切削木塊保溫作用要強(qiáng)。

不同覆蓋厚度之間對(duì)土壤溫度的影響差異不太明顯，以腐熟的綠化粉碎物為例，覆蓋厚度10、15cm在秋冬季較覆蓋厚度5cm稍好，翌年春夏季三者之間的差異變小。與覆蓋3、5cm的結(jié)果略有差異[6]。

圖9 不同覆蓋處理下冬季20cm地層的地溫變化

圖10 不同覆蓋處理下春季20cm地層的地溫變化

圖11 腐熟基質(zhì)不同覆蓋厚度下冬季20cm地層的地溫變化

圖12 腐熟基質(zhì)不同覆蓋厚度下春季20cm地層的地溫變化

圖13 裸露地不同土層深度的土壤含水率變化

圖14 不同覆蓋物處理對(duì)土壤含水率的影響

圖15 腐熟基質(zhì)不同覆蓋厚度處理對(duì)土壤含水率的影響

不同土層深度的土壤含水率隨深度增加而增加，與陳玉娟等研究結(jié)果[6]一致。覆蓋物處理后，土壤含水率提高，不同覆蓋物以腐熟1年的基質(zhì)最好，其次為粉碎木屑和切削木塊。王慧杰等研究表明，不同有機(jī)覆蓋物對(duì)土壤水分抑蒸效果依次為闊葉類(lèi)、條狀類(lèi)、莖干類(lèi)[7]，與本研究結(jié)果類(lèi)似。不同覆蓋厚度之間對(duì)土壤含水率的影響差異不大，以腐熟基質(zhì)為例，覆蓋厚度5、10、15cm后，20cm深度的土壤含水率相差不到1%，但均高于對(duì)照。陳巖等研究顯示有機(jī)覆蓋物對(duì)土壤含水量的保持具有明顯的促進(jìn)作用[8]。

綜合來(lái)看，地面覆蓋對(duì)土壤的保溫和保濕效果明顯，不同有機(jī)覆蓋物對(duì)土壤保溫保濕作用以腐熟基質(zhì)為好，其次為粉碎的木屑，切削的木塊效果最差，這與覆蓋物的顆粒大小、密度、腐熟程度等因素相關(guān)。不同覆蓋厚度之間差異不明顯，以不超過(guò)10cm為宜，此結(jié)果與美國(guó)技術(shù)規(guī)范一致[1]。研究結(jié)果還與不同有機(jī)覆蓋物處理對(duì)風(fēng)信子、郁金香的生長(zhǎng)發(fā)育影響相一致[9-10]，可用于指導(dǎo)園林綠地的具體實(shí)踐和應(yīng)用。

注：文中圖片均由作者繪制。