覆土厚度對城市園林植物生長的影響分析

郭利娜

姬 鵬

孫宏彥

石生偉

謝軍飛*

隨著城市化水平的不斷提高，北京城市地下空間開發(fā)利用已進入了快速發(fā)展階段。為節(jié)約土地資源，近年來部分城市也開始嘗試在城市綠地中開展地下空間建設(shè)，覆土厚度作為其重要參數(shù)指標(biāo)，對園林植被生長和工程建設(shè)成本具有重要的影響[1-5]。

為最大限度地發(fā)揮地下空間建設(shè)形成的地下設(shè)施架空綠地的生態(tài)效益，2017年，北京市發(fā)布了《城市園林綠化工程施工及驗收規(guī)范》(DB11/T 212—2017)地方標(biāo)準[6]。在該標(biāo)準中，要求大灌木的種植土厚度應(yīng)大于或等于0.6m，淺根喬木的種植土厚度應(yīng)大于或等于1.0m，深根喬木的種植土厚度應(yīng)大于或等于2m。其他城市，雖未明確地下設(shè)施的覆土厚度，但上海《園林綠化工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(2019征求意見稿)》[7]中規(guī)定胸徑大于20cm的喬木種植土厚度需大于或等于180cm；廣州《城市綠化工程施工和驗收規(guī)范》(DB 440100/T 114—2007)[8]中規(guī)定深根喬木所需最低種植土厚度應(yīng)大于(含等于)150cm，淺根喬木土層厚度需大于或等于90cm；深圳《園林綠化工程質(zhì)量驗收規(guī)范》(DB 440300/T 29—2006)[9]中規(guī)定栽植土深度要大于100cm。然而上述標(biāo)準中有關(guān)地下設(shè)施覆土厚度的要求均缺乏文獻或?qū)嶒灁?shù)據(jù)支撐。

為了解覆土厚度對人工設(shè)施上園林植物的影響，眾多研究者研究了7和15cm兩種基質(zhì)深度對植物生長生理的影響發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)厚度對植物的地上干重、高度、葉片干重、覆蓋度及葉片相對含水量等生長指標(biāo)影響顯著[10-12]。植物在較深的基質(zhì)中生長更好。切諾特(Chenot)等[13]研究5和15cm基質(zhì)深度對植物的影響發(fā)現(xiàn)，增加基質(zhì)深度可以保護植物免受極端的夏季溫度，降低干旱帶來的壓力風(fēng)險，更有利于植被維護?？讫R里斯(Kotsiris)等[14]研究不同土壤厚度下木本植物海桐(Pittosporum tobira)和油橄欖(Olea europaea)的生長和生理狀態(tài)。結(jié)果表明，土層厚度在第二年對油橄欖的生長產(chǎn)生顯著的促進作用。還有許多研究表明，較深的基質(zhì)對綠色屋頂中的植物生長具有促進作用[15-19]。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，自然條件下的土壤厚度是決定植物生長的重要因素。加布里埃拉(Gabriella)等[20]研究發(fā)現(xiàn)，限制植物生長的主要因素是土壤深度，其中土壤深度＜4m時，植物高度受到限制。趙(Zhao)等[21]研究發(fā)現(xiàn)土壤厚度對草本植物元素積累量影響顯著。翟學(xué)昌等[22]發(fā)現(xiàn)土層厚度對光皮樹樹高、地徑、生物量有影響。王林等[23]發(fā)現(xiàn)不同土層厚度下土壤含水量不同。李宏鈞等[24]發(fā)現(xiàn)覆土厚度對公路邊坡植被生長具有顯著影響。魏志恒等[25]研究發(fā)現(xiàn)土層厚度對樟樹(Cinnamomum camphora)林生長影響顯著。樹高、枝下高、主干高生長量均隨土層厚度增加而增加，且3個土層厚度(45、70、100cm)之間差異極顯著(P＜0.01)。吳義遠等[26]通過分析發(fā)現(xiàn)，土層厚度對筇竹分株、地徑、節(jié)長等影響極顯著。陳海燕[27]發(fā)現(xiàn)，土層厚度對刺槐的樹高及材積影響極顯著(P＜0.01)，對刺槐胸徑、冠幅影響顯著(P＜0.05)。

歸納而言，在5～30cm的基質(zhì)厚度中，較深的基質(zhì)對屋頂綠化中的植物生長具有促進作用，而在自然條件下，土壤厚度是決定喬木和大灌木生長的重要因素，但目前還缺乏地下設(shè)施覆土厚度對園林植物的定量影響研究。

本研究基于不同覆土厚度(0.5、1.0、1.5m)處理與地面對照下北京城市5種常見園林植物的多年生長監(jiān)測，定量分析了不同覆土厚度對植物地上部及根系生長的長期影響，從有利于園林植物生長的角度，可望為地下設(shè)施頂部(常稱為地下空間頂部)的覆土厚度選擇提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗場地

本研究在北京市園林科學(xué)研究院內(nèi)的建筑覆土綠化試驗站(圖1)進行，該試驗站主體為長方形建筑，分割為多個3.5mⅹ3.5m的半地下式房間，每個房間頂上對應(yīng)一個長寬為3mⅹ3m的種植池，種植池的具體分布見圖1，每個種植池內(nèi)底部和四周鋪設(shè)耐根穿刺防水卷材，池底部為1%的斜面，接排水口，可將種植池內(nèi)多余水分排出。長方形建筑右側(cè)設(shè)有地面對照區(qū)。

1.2 試驗處理

試驗站主體建筑房間頂上種植池中設(shè)1.5、1.0和0.5m 3個覆土厚度處理，每處理設(shè)3個重復(fù)，地面觀測區(qū)建立了3個對照池，長寬與房間頂上種植池保持一致(圖1)，分別填入對應(yīng)厚度土壤(均來自地面觀測區(qū))。

1.3 植物材料

每個池(含種植池與對照池)中均種植相同的喬灌木組合(綜合考慮速生、慢生、喬木、灌木、針葉、闊葉6個方面確定)：油松(Pinus tabuliformis)、洋白蠟(Fraxinus pennsylvanica)、金銀木(Lonicera maackii)、大葉黃楊(Buxus megistophylla)及紫薇(Lagerstroemia indica)各1株，各池之間的植物規(guī)格(表1)與布局(圖1)均保持一致。為降低土壤蒸發(fā)和抑制雜草生長，各池土壤表面均鋪設(shè)10cm厚的有機覆蓋物。

表1 2013年北京建筑覆土綠化試驗站的園林植物規(guī)格

圖1 北京建筑覆土綠化試驗站示意圖(△代表洋白蠟，代表油松，代表紫薇，〇代表金銀木，☆代表大葉黃楊)

1.4 日常養(yǎng)護管理

由于2014—2020年北京市的地下水水位(≥5m)大于植物根系生長的最大長度[28]，故排除地下水水位對地面對照中植物的影響。對試驗站植物灌溉及病蟲害管理如下。試驗站建設(shè)初期通過自動灌溉系統(tǒng)灌溉，各小區(qū)灌溉量一致。2015年后通過種植池內(nèi)35cm處的探頭控制，當(dāng)土壤含水量低于20%時開始灌溉，35%時停止灌溉。2016—2020年根據(jù)實驗統(tǒng)一定量灌溉。定期檢查處理病蟲害情況。

1.5 數(shù)據(jù)采集分析

1.5.1 植物規(guī)格測定

本研究于2014、2015、2016、2017、2019、2020年的每年7月，通過胸徑尺、激光測距儀、卷尺等工具對各池中的植株樹高、地徑、胸徑及冠幅等生長指標(biāo)進行測定。

1.5.2 植物根系生長觀測

各池均在紫薇-白蠟、紫薇-油松和金銀木-大葉黃楊之間設(shè)置3個根系觀察點。并垂直打孔放入直徑為7cm的透明根管，不同的覆土厚度下放置的根管長度不同。根系圖像的獲取利用恩奈瑟斯(北京)光機電技術(shù)有限公司的根系原位檢測系統(tǒng)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆土厚度對植物地上部生長的影響

2.1.1 洋白蠟的規(guī)格變化

2014—2020年，各覆土處理下洋白蠟胸徑與冠幅均逐年增加，但各處理間的植物規(guī)格增長速率差異較大(圖2)。以胸徑為例，2014—2020年，0.5m覆土處理下的洋白蠟胸徑年均增長量最低(0.49cm/a)，地面對照最高(1.81cm/a)(表2)。單因素方差分析(SPSS)表明：0.5m覆土處理的洋白蠟規(guī)格(胸徑、冠幅)與其他處理的規(guī)格均存在顯著差異。但1.0、1.5m覆土處理與地面對照之間的洋白蠟規(guī)格均不存在顯著性差異(P＜0.05)。

表2 2014—2020年各處理的洋白蠟規(guī)格(cm)及其年均增長速率(cm/a)

圖2 2014—2020年各處理的洋白蠟規(guī)格變化

2.1.2 油松和紫薇的規(guī)格變化

由于本研究中油松和紫薇枝下高＜1.3m，且紫薇冠幅受修枝影響，暫不能準確反映其自然狀態(tài)的變化情況，故僅對油松冠幅、地徑及紫薇地徑進行測定。從圖3可以看出，2014—2020年，各覆土處理條件下油松冠幅、地徑及紫薇地徑均逐年增加。在規(guī)格增長速率方面，各覆土處理的油松冠幅的年均增長速率最小值與最大值差別較大，分別為15.89和25.19cm/a(表3)，油松和紫薇地徑年均增長速率均存在一定差別(表3、4)。方差分析(SPSS)表明，地面對照的油松冠幅與0.5與1m覆土處理均存在顯著差異(P＜0.05)。而目前地面對照的油松和紫薇地徑與各個覆土處理之間的差異均不顯著。

表3 2014—2020年各處理的油松規(guī)格(cm)及其年均增長速率(cm/a)

圖3 2014—2020年各處理的油松(3-1、3-2)和紫薇(3-3)的規(guī)格變化

需要補充說明的是，因上述植物的樹高測定誤差較大，故未開展樹高分析，但通常樹高與胸徑呈正相關(guān)。

表4 2014—2020年各處理的紫薇規(guī)格(cm)及其年均增長速率(cm/a)

2.1.3 大葉黃楊和金銀木的規(guī)格變化

從圖4可以看出，2014—2020年，各覆土處理條件下大葉黃楊和金銀木的樹高及冠幅均逐年增加。但各處理的增長速率存在一定差異(表5、6)。進一步的方差分析表明，目前地面對照的大葉黃楊高度和冠幅與各覆土處理之間的差異不顯著。而地面對照的金銀木冠幅與0.5m覆土處理間確實存在顯著差異(P＜0.05)。

圖4 2014—2020年各處理的大葉黃楊(4-1、4-2)和金銀木(4-3、4-4)的規(guī)格變化

表5 2014—2020年各處理的大葉黃楊規(guī)格(cm)及其年均增長速率(cm/a)

表6 2014—2020年各處理的金銀木規(guī)格(cm)及其年均增長速率(cm/a)

2.2 不同覆土厚度對植物根系分布的影響

2.2.1 不同覆土厚度條件下的根系長度

2015年7月，通過根系原位檢測系統(tǒng)測定可知，0.5和1.5m覆土處理內(nèi)根系到達內(nèi)置透明管觀察上限；1m覆土處理內(nèi)根系長度達0.7m，地面對照中根系長度達1.7m。值得注意的是，地面對照3個根管周邊根系長度各不相同(表7)。

表7 2015和2019年各處理的植物間根系長度

2019年10月，再次測定發(fā)現(xiàn)，各覆土處理中根系均到達池底，而地面對照內(nèi)根系應(yīng)該已超過內(nèi)置透明管觀察范圍，往更深的地下蔓延(表7)。

2.2.2 不同覆土厚度條件下的根系分布

本研究按照根系直徑大小將植物根系分為粗根和細根兩部分(根系直徑≥5mm為粗根，＜5mm為細根)，觀察植物根系的粗細根分布范圍及分布密度，判斷不同覆土厚度下的植物生長情況。粗根主要指具有固定和支撐地上部分、傳輸水分和養(yǎng)分及貯藏光合產(chǎn)物和營養(yǎng)物質(zhì)等功能的根系，細根是指木質(zhì)化程度低、具有較強吸收土壤水資源功能的根系[29-30]。

1)紫薇-白蠟周邊的根系分布。

由圖5可知，2019年各覆土處理與地面對照的土壤中紫薇-白蠟根管周邊的根系分布特征為以下幾方面。(1)整體粗根分布密度隨覆土厚度增加而減小，粗根基本分布于中部區(qū)域。0.5和1m覆土處理均存在一定的根系相互壓迫與橫向生長的現(xiàn)象，這可能是因為該處理的根系生存空間較小，植物為了在有限的空間更好地生存，需要大量的粗根固定和支撐地上部分。(2)細根分布密度隨覆土厚度的增加而增大。1.5m覆土處理和地面對照中，細根主要分布在2個集中區(qū)：0～40cm和90～180cm。通常，土壤中細根分布密度越大，越有利于植物對水分與營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。

圖5 各處理的紫薇-白蠟周邊的根系分布圖5-1 0.5m覆土紫薇-白蠟根系掃描圖圖5-2 1m覆土紫薇-白蠟根系掃描圖圖5-3 1.5m覆土紫薇-白蠟根系掃描圖圖5-4 地面對照紫薇-白蠟根系掃描圖

2)紫薇-油松周邊的根系分布。

由圖6可知，2019年各覆土處理與地面對照的土壤中紫薇-油松根管周邊的根系分布特征為以下幾方面。(1)整體粗根分布密度隨覆土厚度增加而減小，0.5和1m覆土處理均存在一定的根系相互壓迫與橫向生長的現(xiàn)象。(2)細根分布密度隨覆土厚度增加而增大，1.5m覆土處理與地面對照中細根密度相近。除0.5m覆土處理外，其他覆土處理土壤中細根集中分布在土壤表層和土壤底層：1m覆土處理中，細根的分布主要集中在0～20cm和70～90cm。1.5m覆土處理中，細根集中分布在0～20cm和50～110cm的土層。地面對照中，根系主要集中分布在20～50cm和120～180cm土層。

圖6 各處理的紫薇-油松周邊的根系分布圖6-1 0.5m覆土紫薇-油松根系掃描圖圖6-2 1m覆土紫薇-油松根系掃描圖圖6-3 1.5m覆土紫薇-油松根系掃描圖圖6-4 地面對照紫薇-油松根系掃描圖

3)金銀木-大葉黃楊周邊的根系分布。

由圖7可知，2019年各覆土處理與地面對照的土壤中金銀木-大葉黃楊根管周邊的根系分布特征為以下幾方面：(1)整體粗根分布密度小，且根系大多集中在70cm以下的部位，根系相互壓迫現(xiàn)象不明顯；(2)細根分布密度隨覆土厚度增加而明顯增加。0.5m覆土處理中根系分布均勻。1m覆土處理中，根系集中分布在30～60cm。1.5m覆土處理中，根系集中分布在0～50cm和80～120cm土層。地面對照中，根系明顯集中分布在35～70cm和125～180cm土層。

圖7 各處理的金銀木-大葉黃楊周邊的根系分布圖7-1 0.5m覆土金銀木-大葉黃楊根系掃描圖圖7-2 1m覆土金銀木-大葉黃楊根系掃描圖圖7-3 1.5m覆土金銀木-大葉黃楊根系掃描圖圖7-4 地面對照金銀木-大葉黃楊根系掃描圖

3 結(jié)論與討論

3.1 不同覆土厚度對植物地上部生長的影響

統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：1)0.5m覆土處理與1.0m覆土處理明顯限制了洋白蠟的地上部生長，這表明2017年北京市地方標(biāo)準《城市園林綠化工程施工及驗收規(guī)范》中提到深根喬木的種植土厚度應(yīng)大于或等于2m具有一定的合理性；2)各覆土處理目前還未明顯限制油松和紫薇的影響，但0.5m覆土處理明顯限制了大葉黃楊與金銀木的地上部生長。這再次說明2017年北京市地方標(biāo)準《城市園林綠化工程施工及驗收規(guī)范》中提到要求大灌木的種植土厚度應(yīng)大于或等于0.6m具有較強的合理性。

3.2 不同覆土厚度對植物根系長度及根系分布的影響

測定根系長度發(fā)現(xiàn)，植物經(jīng)過5年的生長，所有覆土處理中的植物根系均已到達池底。但隨著植物生長年限的推移，其根系長度還會繼續(xù)增加嗎？尤其樹齡小于10年的速生喬木洋白蠟的根系會如何變化?

據(jù)北京現(xiàn)場調(diào)查，洋白蠟根系的垂直生長可達2.9m，相同樹齡的其他喬木根系通常也會超過2.0m，崔曉陽[31]的調(diào)查研究還發(fā)現(xiàn)不同類型植物正常生長要求的土層厚度存在的規(guī)律為：大喬木＞中喬木＞小喬木＞花灌木＞草坪和花卉。因此，隨著植物生長年限的推移，在覆土厚度較淺的情況下，喬木根系將首先受到影響。

研究植物根系粗細根分布范圍及分布密度可知，粗根隨覆土厚度增加而減少，細根隨覆土厚度增加而增加。0.5m覆土處理的粗根分布密度明顯高過其他處理，存在一定的根系相互壓迫與橫向生長的現(xiàn)象。普瑞(Puri)等[32]也發(fā)現(xiàn)不同植物根系間由于對生長空間和土壤資源的競爭，會與相鄰根系產(chǎn)生“肆意見縫插針”，導(dǎo)致相互壓迫的現(xiàn)象。

前期通過北京城區(qū)的“大西洋”等5處地下空間上的綠化情況的實地調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，覆土深度少于1.0m時，深根系樹種如油松等的主根系垂直生長受阻，橫向生長增多，根系功能和活力嚴重衰弱，植物長勢也顯著弱于實地生長。總的來說，覆土厚度對植物根系生長具有顯著影響。

注：文中圖片均由作者繪制。