園林廢棄物和秸稈覆蓋對榆林城市綠地土壤溫度與水分的影響

李軍保，董 強(qiáng)，馬志林，霍建林，劉喜東

(陜西省林業(yè)科學(xué)院 治沙研究所，陜西 榆林 719000 )

城市綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是城市建設(shè)不可或缺的內(nèi)容，在維持城市生態(tài)平衡和改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著其他城市基礎(chǔ)設(shè)施所無法替代的作用[1]。北方干旱半干旱區(qū)的城市由于生態(tài)環(huán)境限制，適生耐蔭的草坪和地被植物種較少，加上維護(hù)成本相對較高，常常出現(xiàn)草坪與地被植物生長不良或枯死等現(xiàn)象，導(dǎo)致喬木和花灌木樹下土地大部分裸露，尤其在冬春季極易造成起沙揚(yáng)塵和空氣污染，是城市霧霾污染加重的主要原因[2]。當(dāng)前，隨著城市綠地面積和布點(diǎn)的增加，城市綠地用水量逐年上升引起的用水矛盾突出，已成為制約干旱半干旱地區(qū)城市園林綠地可持續(xù)發(fā)展的首要限制因素。有機(jī)物覆蓋是一種被廣泛推薦的保持土壤水分的技術(shù)措施[3]，可改變近地面下墊面性質(zhì)和能量平衡，具有抑制土壤蒸發(fā)，提高降水入滲和持水能力[4]，調(diào)節(jié)土壤溫度[5-6]、提高肥力[7-8]、抑制雜草生長[9]等作用，現(xiàn)已成為應(yīng)用較多的農(nóng)田土壤調(diào)控技術(shù)措施，將其引入城市綠地建設(shè)與管理，創(chuàng)造出與森林條件相似的土壤生態(tài)環(huán)境，發(fā)揮蓄水保墑效應(yīng)，對改善城市綠地土壤生態(tài)環(huán)境并推進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

國外發(fā)達(dá)國家城市綠地覆蓋已有幾十年的應(yīng)用歷史，特別是從20世紀(jì)90年代中期，園林覆蓋技術(shù)發(fā)展較快，并已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)化模式[10-11]。國內(nèi)對農(nóng)田有機(jī)物覆蓋研究較多，但對城市綠地覆蓋方面的研究和應(yīng)用較少，尚處于初期階段。因此，本文以半干旱地區(qū)代表性城市—榆林城市綠地為研究對象，選用秸稈和園林廢棄物為覆蓋材料，研究不同覆蓋厚度對城市綠地土壤溫度和水分的影響，以期為半干旱地區(qū)城市綠地有機(jī)物覆蓋技術(shù)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和參考，并促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和園林廢棄物循環(huán)利用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于榆林市榆林大道景觀公園，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，干旱少雨，氣候干燥，冬春多西北風(fēng)，年均氣溫8.1 ℃，最高氣溫38.6 ℃(1953年)，最低氣溫-32.7 ℃(1954年)；年均降水量413.9 mm，主要集中在6-9月，年蒸發(fā)量1 211 mm，≥10 ℃有效積溫3 217.6 ℃，平均風(fēng)速2.5 m·s-1。土壤為風(fēng)沙土，試驗(yàn)地的綠地為油松株行距6 m×6 m，行間單植紫葉李、丁香、榆葉梅等花灌木，株距3.0 m。

1.2 研究方法

選用收獲后自然風(fēng)干并粉碎的玉米秸稈和園林廢棄物作為試驗(yàn)材料，覆蓋園林綠地裸露地表，分為對照(CK、未覆蓋)和3種不同覆蓋厚度(3、6、9 cm)，秸稈覆蓋分別記為JF3、JF6、JF9，園林廢棄物覆蓋分別記為YF3、YF6、YF9，每個(gè)處理12 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，覆蓋開始時(shí)間為2015年9月20日。

于2015年10月下旬(生長末期)，2016年3月下旬(生長初期)、8月上旬(生長盛期)和10月下旬(生長末期)測定土壤溫度和含水率，每次連續(xù)測10 d，土壤溫度分別在觀測日的08∶00、11∶00、14∶00和17∶00測定，土壤溫度觀測采用5支組直角地溫計(jì)，測定地表以下5、10、15、20、25 cm土壤溫度。用TDR(Time-Domain Reflectometer)測定0～10 cm的土壤體積含水率，每天17∶00測定1次，設(shè)置3個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以均值代表該處土壤含水率，空氣溫度采用氣溫表測量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)用Excel2003進(jìn)行初步整理，用SPSS18.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋厚度對植物生長期土壤溫度的影響

2.1.1 土壤溫度日變化 從圖1中可以看出，不同覆蓋處理下生長初期和盛期的白天土壤溫度各時(shí)段均小于氣溫，而生長末期11∶00前的土壤溫度均高于氣溫，但各時(shí)段對照處理的土壤溫度均低于氣溫和覆蓋處理。不同覆蓋處理下生長初期的土壤溫度隨時(shí)間變化趨勢與氣溫一致，呈現(xiàn)為先升高后緩慢下降的變化趨勢，其最高溫度出現(xiàn)在14∶00；對照處理的土壤溫度呈升高趨勢，且14∶00以后增加緩慢。不同覆蓋處理下生長盛期和末期的土壤溫度隨時(shí)間變化波動(dòng)較小，JF3與YF3處理下生長盛期的土壤溫隨時(shí)間變化呈先升高后緩慢下降的變化趨勢，最高溫度出現(xiàn)在14∶00，而其他覆蓋處理的最高溫度出現(xiàn)在17∶00。JF3、JF6、YF3和YF6處理下生長末期的最高溫度出現(xiàn)在14∶00，而JF9和YF9處理下的最高溫度出現(xiàn)在17∶00。

對照處理下各生長期的土壤溫度日變化幅度最大，其生長初期、生長盛期和生長末期的變化幅度分別為9.61、3.68、3.70 ℃。土壤溫度變化幅度均隨覆蓋厚度的增加呈減小趨勢，生長初期土壤溫度變化幅度最小和最大的分別為JF9和YF3處理，其值為3.5 ℃和5.85 ℃；生長盛期土壤溫度變化幅度最小和最大的分別為YF9和JF3處理，其值為0.55 ℃和1.85 ℃；生長末期土壤溫度變化幅度最小和最大的分別為JF9和JF3處理，其值為0.55 ℃和1.35 ℃。

以生長初期YF3為例，5、10、15、20、25 cm深度處土壤溫度變化幅度分別為11.5、8.25、5.25、3.25、1.75 ℃，平均變化幅度為5.85 ℃。不同覆蓋處理下土壤溫度變化幅度隨土層深度的增加逐漸減小，5～15 cm是土壤溫度敏感層，變化幅度較大，直接影響平均土壤溫度變化趨勢。

圖1 各生長期土壤溫度變化

2.1.2 植物生長期土壤溫度變化 土壤溫度變化是土壤隨著太陽輻射和大氣溫度的變化而吸收或釋放能量的過程[12]。由表1可看出，生長初期和盛期，不同覆蓋厚度處理下土壤平均溫度均顯著低于對照(P<0.05)。生長初期土壤溫度隨覆蓋厚度的增加呈減小趨勢，JF9處理下土壤平均溫度最低，但與YF9處理差異不顯著(PP>0.05)；與對照相比，JF9與YF9處理可降低土壤溫度4.7 ℃左右，JF3與YF3處理可降低3.1 ℃左右。生長初期覆蓋處理下土壤溫度的降低，可延遲園林植物萌芽和開花期，有效避免和減輕倒春寒晚霜凍害給發(fā)芽開花較早園林植物的傷害。生長盛期YF9處理下土壤平均溫度均顯著低于其他覆蓋處理(P<0.05)，且比對照處理的土壤平均溫度降低了4.15 ℃，JF9處理下降低了3.70 ℃，JF3與JF6和YF3與YF6處理間差異不顯著。

園林廢棄物覆蓋土壤溫度均顯著低于秸稈覆蓋(P<0.05)，生長旺盛期覆蓋降低土壤溫度，有利于根系水分的吸收和生長發(fā)育，延緩根系的老化過程。生長末期不同厚度覆蓋處理土壤溫度均顯著高于對照(P<0.05)，土壤溫度隨覆蓋厚度增加呈增加趨勢，YF9處理下土壤溫度最高，比對照處理的土壤溫度增加了4.12 ℃，說明生長末期有機(jī)物覆蓋可延緩?fù)寥罍囟冉档瓦^程，使植物有更長時(shí)間適應(yīng)寒冷氣候變化，尤其有利于當(dāng)年栽植花灌木的安全越冬。

表1 不同覆蓋處理下植物生長期5～25 cm土層土壤平均溫度及其多重比較

2.1.3 不同覆蓋厚度對土壤溫度的影響差異 由表2可知，在生長初期、盛期和末期，覆蓋處理、土層深度和時(shí)間段各因素及兩兩交互作用均對土壤溫度影響達(dá)到極顯著水平(P<0.001)。由于偏Eta平方值的大小表示主效應(yīng)或互作效應(yīng)的大小，生長初期各因素對土壤溫度作用的大小為：時(shí)間段(0.938)>土層深度(0.915)>覆蓋處理(0.872)>土層深度×?xí)r間點(diǎn)(0.788)>覆蓋處理×土層深度(0.697)>覆蓋處理×?xí)r間點(diǎn)(0.640)，說明單個(gè)因素對土壤溫度影響大于兩兩間交互因素，生長初期氣溫變化對土壤溫度影響最大，土層深度對土壤溫度影響次之，覆蓋處理對土壤溫度影響比較明顯。生長盛期作用大小為：覆蓋處理(0.917)>時(shí)間段(0.752)>時(shí)間段×土層深度(0.616)>覆蓋處理×?xí)r間點(diǎn)(0.580)>土層深度×覆蓋處理(0.457)>土層深度(0.354)，生長盛期覆蓋處理對土壤溫度影響作用最大，其次為時(shí)間段，土層深度影響最小，說明生長盛期隨土層深度變化土壤溫度變化不明顯。生長末期作用大小為：覆蓋處理(0.760)>土層深度(0.360)>時(shí)間段(0.326)>覆蓋處理×土層深度(0.321)>覆蓋處理×?xí)r間點(diǎn)(0.276)>土層深度×?xí)r間點(diǎn)(0.219)，說明生長末期覆蓋處理對土壤溫度影響很明顯。

表2 各生長期土壤溫度方差分析表

2.2 不同覆蓋厚度對表層土壤含水量的影響

土壤水分含量作為土壤重要的物理特征，在根系生長、土壤有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分元素遷移和土壤酶活性等一系列過程中發(fā)揮重要作用[13]。從表3可以看出，生長初期、生長盛期和生長末期，對照土壤含水率最低，隨覆蓋厚度的增加土壤含水率均呈增加趨勢，相同覆蓋厚度下園林廢棄物和秸稈覆蓋處理間差異性不顯著。生長初期，園林廢棄物和秸稈的不同厚度覆蓋間差異顯著(P<0.05)，8 cm厚度覆蓋下的土壤含水率比對照增加了2.6%左右，5 cm厚度覆蓋下增加了1.8%左右，2 cm厚度覆蓋下增加了1.0%左右。生長盛期YF9、JF9與其他覆蓋處理間差異顯著(P<0.05)，YF3與YF6、JF6處理間差異不顯著(P>0.05)，YF6與JF6處理下土壤含水率比對照增加了3.7%左右，YF6與JF6處理下增加了1.8%左右，YF3與JF3處理下增加了1.2%左右。生長末期，YF9處理下土壤含水率最大，與YF6、JF6、YF3、JF3處理間的差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，比對照處理下增加了3.97%，JF9處理下土壤含水率次之，與YF6、JF6處理間差異不顯著，YF3處理土壤含水率最小，較對照處理下增加了0.94%。表明有機(jī)物覆蓋可有效抑制土壤水分蒸發(fā)，更好保存土壤水分，可減少園林植物澆水次數(shù)和澆水量，節(jié)約園林植物澆水成本。

表3 生長期各覆蓋處理表層土壤含水率方差分析

2.3 土壤溫度與土壤含水率的關(guān)系

對不同生長期土壤溫度與土壤含水率進(jìn)行相關(guān)分析(表4)，生長初期和生長盛期土壤溫度與土壤含水率呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.903和-0.922，對兩者進(jìn)行擬合分析結(jié)果表明，生長初期和生長盛期土壤含水率隨土壤溫度的升高呈降低趨勢，兩者關(guān)系用二次多項(xiàng)式擬合效果較好，R2值分別達(dá)到0.853 4和0.925(圖2)。生長末期土壤溫度與土壤含水率呈正相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平，二者關(guān)系用二次多項(xiàng)式擬合效果較好，R2值為0.825 4。在生長期內(nèi)土壤溫度和土壤水分呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.467。說明生長初期和生長盛期土壤含水率增加可降低土壤溫度，而生長末期土壤含水率增加可起到土壤保溫作用。

表4 土壤溫度與土壤含水量的Person相關(guān)系數(shù)

圖2 土壤含水率與土壤溫度的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 不同覆蓋厚度對土壤溫度的影響

土壤溫度是直接或間接影響植物生長和發(fā)育的重要環(huán)境因子，有機(jī)物地表覆蓋改變光輻射吸收轉(zhuǎn)化和熱量傳導(dǎo)過程，從而影響了土壤溫度[14]，本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，生長初期和生長盛期白天各時(shí)段不同厚度覆蓋處理土壤溫度均低于對照，而生長末期則呈相反趨勢，說明生長初期和生長盛期太陽輻射對土壤溫度的影響大于土壤熱散失，園林廢棄物或秸稈等有機(jī)物覆蓋的阻礙使土壤溫度增加緩慢，對照處理下裸地的光輻射吸收轉(zhuǎn)化快，使其土壤增溫較快，生長末期太陽輻射強(qiáng)度減弱，土壤熱能散失較快，覆蓋處理阻礙土壤熱能的散失，使覆蓋處理保持了較高的土壤溫度和較小波動(dòng)。因此有機(jī)物覆蓋對于熱量雙向運(yùn)動(dòng)都有一定的阻礙作用，在不同生長期外界條件的變化，兩向阻礙作用的主導(dǎo)地位不斷調(diào)整[15]，進(jìn)一步增強(qiáng)了土壤溫度的滯后性。

本研究下生長初期和生長盛期，平均土壤溫度隨土層深度的增加呈減小趨勢，生長末期呈增加趨勢。生長初期，JF9與YF9處理下土壤溫度較對照降低了4.7 ℃左右，JF3與YF3處理可降低3.1 ℃左右；生長盛期，YF9與JF9處理分別降低了4.1 ℃和3.7 ℃，YF3與JF3處理分別降低了2.5 ℃和2.1 ℃；生長末期，YF9與JF9處理分別增加了4.1 ℃和3.6 ℃，YF3與JF3處理增加了3.3 ℃左右。秸稈覆蓋引起春季土壤低溫效應(yīng)造成小麥、玉米高粱等作物苗期生長緩慢，生育期推遲等影響作物生長[16-18]，但這對于北方半干旱區(qū)早春園林植物生長十分有意義，可有效避免和減輕倒春寒晚霜凍害給發(fā)芽開花較早植物造成傷害。陳玉娟[19]等通過對北京城市綠地有機(jī)物覆蓋土壤溫度變化觀測發(fā)現(xiàn)，3 cm和5 cm有機(jī)物覆蓋在夏季比對照降低了2.0 ℃和0.9 ℃，在冬季升高了0.9 ℃和1.4 ℃，說明有機(jī)物覆蓋可明顯的調(diào)節(jié)土壤溫度，具有“夏涼冬暖”的水熱效應(yīng)，能有效緩解氣溫激變對植物生長的傷害[20]。本研究表明各生長期覆蓋處理、時(shí)間段、土層深度及兩兩之間交互作用均對土壤溫度有極顯著影響，而生長初期和生長末期單個(gè)因素對土壤溫度影響作用大于兩兩之間交互作用，且生長初期時(shí)間段影響作用最大，生長盛期和生長末期覆蓋處理影響作用最大。

3.2 不同覆蓋厚度對土壤含水率的影響

各生長期下園林廢棄物和秸稈覆蓋處理均可顯著提高土壤含水率，且隨覆蓋厚度的增加呈增加趨勢，相同覆蓋厚度下園林廢棄物土壤含水率高于秸稈覆蓋處理，說明園林廢棄物覆蓋抑制土壤蒸發(fā)效果優(yōu)于秸稈覆蓋，這與時(shí)連輝等[21]、王慧杰[22]的研究結(jié)果相類似。生長初期和生長盛期的土壤溫度與土壤含水率呈極顯著負(fù)相關(guān)，而在生長末期呈正相關(guān)。生長初期和盛期的土壤溫度隨土層增加呈遞減趨勢，而水分蒸發(fā)是沿著溫度梯度的負(fù)方向進(jìn)行的[23-24]，所以，土壤蒸發(fā)量大導(dǎo)致土壤含水率降低；生長末期的土壤溫度隨土層增加而升高，土壤蒸發(fā)受到抑制減小，同時(shí)氣溫降低，土壤熱量散失增大，土壤含水率的增大提升了土壤熱容量，有效阻礙了土壤溫度的降低，因此土壤溫度隨含水率的增加呈增加趨勢。

生長初期、盛期和末期的土壤溫度與土壤含水率相關(guān)性較強(qiáng)，最優(yōu)擬合方程為二次多項(xiàng)式函數(shù)，即土壤含水率對土壤溫度的影響并非呈單調(diào)增加或減小趨勢。隨有機(jī)物覆蓋厚度的增加對土壤溫度和含水率的影響逐漸增強(qiáng)，但覆蓋厚度過大，不利于降雨入滲和土壤含氧水平，生長初期土壤低溫時(shí)間過長，易引起植物生理干旱，導(dǎo)致植物生長發(fā)育不良。此外，對于極端天氣，也可通過有機(jī)物覆蓋結(jié)合灌水的方式來快速有效調(diào)節(jié)土壤溫度。

綜上，從不同覆蓋物對土壤溫度和水分的影響效果來看，相同厚度下園林廢棄物覆蓋效果優(yōu)于秸稈覆蓋。從資源利用來看，秸稈的大量還田肥地和家畜飼料加工利用，廢棄量逐漸減少，而園林廢棄物數(shù)量逐年上升，其目前處理方式以填埋和焚燒為主。秸稈一般在2年內(nèi)可分解消失[25]，而園林廢棄物分解速率慢，在調(diào)節(jié)土壤水溫方面起到長效作用[26]。因此，建議利用園林廢棄物作為城市綠地覆蓋材料循環(huán)利用，節(jié)水調(diào)溫，降低園林綠地維護(hù)成本。