不同地表覆盖物对城市表层土壤物理性质的影响

王心语，李素艳†，孙向阳，张 骅，熊凯毅，曲炳鹏,，贠炳辉

(1.北京林业大学林学院，100083,北京;2.天津绿茵景观生态建设股份有限公司,300000,天津)

随着经济社会的发展和城市化的不断推进，城市绿地的面积也在不断增加[1]。城市表层土壤作为城市生态的重要组成部分[2]，具有提供植物营养、维护城市物质、能量循环和水源等重要作用[3-6]。城市表层土壤作为植物生长的主要介质[7]，它能产生多大环境作用和美学价值，在极大程度上取决于土壤质量[8-9]。与农业土壤相比，城市表层土壤人为干扰严重，导致土壤性质特别是物理性质下降严重[10]。之前学者的研究发现土壤物理性质的恶化是导致植物死亡的主因，如美国中心公园大量植物死亡、我国香港特区植物生长不良以及上海等城市土壤的调查均表明，土壤物理性质较差会导致植物生长不佳[11-13]。同时土壤物理性质恶化的过程中又会导致城市绿地裸露土壤面积逐步加大，裸露土壤的存在不仅在大风的物理作用下产生大量的土壤扬尘，导致空气中的PM2.5增加，还会造成水土流失，继而使得土壤物理性质继续恶化[14]。为减少水土流失和雾霾天气、改善土壤物理性质，使用覆盖物是城市表层土壤管理中一种较为理想的措施[15]。我国城市绿地中常用的覆盖物包括无机覆盖物和有机覆盖物，其中无机覆盖物多以砂砾、鹅卵石、透水砖等为主，有机覆盖物多以树皮、木片和秸秆等，也有少部分地区使用棕榈或椰丝制成的有机覆盖垫[16-17]。

笔者旨在研究不同地表覆盖物对土壤物理性质的影响。为此，于2016年9月—2017年9月在北京林业大学苗圃内进行桶装控制试验，试验通过覆盖树皮、园林绿化废弃物、鹅卵石和实验室内自主研发试制的水性聚氨酯有机覆盖垫和酚醛树脂有机覆盖垫，分析不同覆盖条件下对土壤各层温度、水分、孔性等物理性质的影响，探索最为适宜的覆盖方式，为合理应用覆盖技术、改善城市土壤物理性质、建设海绵城市等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

该区气候属于北温带半湿润大陆性季风气候。年平均气温7.2 ℃～17.8 ℃，1月温度最低，7月温度最高，年平均降水量为680.6 mm，降水主要集中在6、7、8这3个月里。

鹅卵石购置于南京晨阳雨花石滤料有限公司，粒径为1～3 cm，颜色为深色系。树皮购置于上海润土农资有限公司，粒径为3～5 cm，颜色为棕红色。园林绿化废弃物由北京市香山公园管理处提供，粒径为1～3 cm，为春夏季节人工修剪和自然凋落得到的细碎枝条。

自制水性聚氨酯有机覆盖垫，利用水性聚氨酯胶黏剂按照胶占园林绿化废弃物质量的40%粘结，经混匀后使用300 MPa的压力压实，制成符合下面所提到圆桶大小的有机覆盖垫，厚度为6 cm，水性聚氨酯型号为300C，液体，颜色为乳白色，pH在7.0～8.0之间，可在常温条件下固化。水性聚氨酯胶黏剂从合肥华越新材料科技有限公司购得。

自制酚醛树脂有机覆盖垫，利用酚醛树脂胶黏剂按照胶占园林绿化废弃物质量的40%粘结，经混匀后使用300 MPa的压力压实，制成符合下面所提到圆桶大小的有机覆盖垫，厚度为6 cm，酚醛树脂型号为2 124，液体，颜色为棕红色，可在常温条件下固化，固化剂为无水乙醇。酚醛树脂胶黏剂从购置于济宁宏明化学试剂有限公司购得。

1.2 试验设计

选取上直径46 cm，下直径36 cm，高度56 cm统一规格的白色塑料桶，在桶底部均匀打上6个直径为0.5 cm的小孔，取苗圃内0～20 cm自然土壤(温度17.32 ℃、含水量30.1%、密度1.51 g/cm3、总孔隙度38.1%、pH 8.45、有机质质量分数13.43 g/kg、全氮0.53 g/kg、碱解氮19.31 mg/kg、速效磷13.23 mg/kg和速效钾151.91 mg/kg)，自然风干后过2 mm土筛，混合均匀后装入塑料桶内，保持各塑料桶内土量相同，为使桶装土最大限度模拟城市表层土壤，故先浇水使土壤含水量达到饱和，待土壤自然沉降48 h后，再将土壤表层修理平整并覆盖各种材料。不同覆盖材料设置5个处理，即鹅卵石覆盖(E)、树皮覆盖(S)、园林绿化废弃物覆盖(Y)、水性聚氨酯有机覆盖垫覆盖(SJ)、酚醛树脂有机覆盖垫(FQ)和无覆盖(对照，CK)对比，覆盖厚度均为6 cm，随机排列，重复3次。待铺设完毕保持所有桶静置20 d，各项指标稳定后开始测量。试验从2016年9月开始于2017年9月结束，共持续12个月。

1.3 测定项目与方法

1)土壤温度。土壤温度测定使用5和15 cm深度的曲管地温计分别测定0～10和10～20 cm 2种土层中间点。选取大气温度对土壤温度影响较强的2个月份1月和7月，分别于中旬选取不受雨雪天气影响的一天进行土壤温度测定，从08:00开始每隔1 h观测至20:00。

2)土壤含水量。利用TDR100土壤水分测定仪测定地表不同覆盖物下的土壤水分，利用5 cm和15 cm共2种不同探针分别测定0～10 cm和10～20 cm这2个土层中间部位水分，每层测定重复3次，在覆盖1个月后，从2016年10月开始，于每月中旬测定1次，连续观测1年。

3)土壤密度及孔隙度。 利用环刀法测定土壤密度，在测定土壤密度的同时相应测定土壤孔隙度，参照鲍士旦《土壤农化分析》[18]测定毛管孔隙度及非毛管孔隙度。

1.4 数据处理

数据采用SigmaPlot和Microsoft Office Excel 2007进行统计分析以及图表制作，运用SPSS21.0进行多重差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同地表覆盖物对土壤温度的影响

2.1.1 1月不同地表覆盖物对土壤温度变化的影响 如图1所示，在0～10 cm土层，S与CK相比，在所有的时间均提升土壤温度，且高于其余所有处理，Y、SJ和E也均在一定程度上提升土壤温度，FQ保温效果低于CK。各处理早晚差异大，在14:00—16:00时段差异不大。在10～20 cm土层，各处理的土壤温度均低于CK，一天测量温度最低点08:00时土壤温度从大到小排序依次是：CK>Y>S>SJ>E>FQ，温度在14:00达到一天最高，此时各处理从大到小排序依次是：CK>Y>SJ>S>E>FQ，此时SJ与Y之间差别不大。

由表1可知，0～10 cm土层Y和S土壤温度变化幅度均小于CK处理，在10～20 cm土层CK处理下土壤温度变化幅度小于其余所有处理，但无论哪一土层，不同处理之间差异都<3 ℃。

注(Notes)：SJ:水性聚氨酯有机覆盖垫Water-based polyurethane organic mulch pad. FQ:酚醛树脂有机覆盖垫Phenolic resin mulch pad. Y:园林绿化废弃物 Garden greening waste. S:树皮 Bark. E:鹅卵石 Pebble. CK:无覆盖No mulch. 下同。 The Same below.

图2 7月不同地表覆盖物下土壤温度日变化Fig.2 Daily variation of soil temperature under different surface mulch in July

2.1.2 7月不同地表覆盖物对土壤温度变化的影响 如图2所示，在0～10 cm土层，E与CK相比，在所有时刻均提升土壤温度，且高于其他处理，在高温时间段SJ与CK相比差距不大。与CK相比，S在17:00—20：00时间段降温相对缓慢。在10～20 cm土层，各覆盖处理下土壤温度均高于CK，08:00土壤温度从大到小依次是:SJ>Y>FQ>E>CK>S，在温度达到最高点FQ土壤温度显著高于其他处理，但所有处理在17:00开始土壤温度差异逐渐变小。

由表2可知，0～10 cm土层，Y、E和FQ土壤温度变幅大于CK，SJ土壤温度在所有处理中变幅最小。在10～20 cm土层，SJ土壤温度变幅仍小于其余处理，E土壤温度变幅高于CK，这是由于鹅卵石比热容相对较高，受阳光辐射后升温较快较高，因而促进土壤温度变化幅度较大。但无论哪一土层，不同处理之间差异<2.5 ℃。

表2 7月不同地表覆盖物下土壤温度日变化幅度Tab.2 Daily variation of soil temperature under different surface mulch in July ℃

2.2 不同地表覆盖物对土壤含水量的影响

各处理不同字母表示差异显著(P<0.05)。Different letters refer to the difference significant at P<0.05. 图3 不同地表覆盖物下土壤含水量Fig.3 Soil moisture content under different surface mulch

如图3所示，由对比不同覆盖材料下土壤含水量可知，0～10 cm土层中，春季SJ、FQ及E均显著(P<0.05)高于其他处理，土壤含水量分别较CK提高10.52%、8.36%和10.48%，三者之间差异不显著。与CK相比，Y与S也提高土壤含水量。夏季Y土壤含水量显著(P<0.05)低于其他处理，E与SJ、FQ的土壤含水量差异显著，但与S和CK之间差异不显著，SJ和FQ的土壤含水量高于CK，但差异较小。秋季Y和CK土壤含水量显著(P<0.05)低于其他4种处理，土壤水分含量从高到低依次是SJ>FQ>S>E>CK>Y。冬季Y、S和E差异性显著高于CK，但SJ和FQ的土壤含水量较CK无显著差异。

在10～20 cm土层中，春季各处理之间土壤含水量差异性与0～10 cm土层具有相同的趋势，CK土壤含水量显著低于其余5种处理，其中E、SJ和FQ土壤含水量较高，分别为30.61%、29.21%和28.68%。夏季Y土壤含水量显著低于(P<0.05)其余5种处理，CK与其他4种处理之间差异不显著，与CK相比，SJ、FQ和E在平均数上略高，分别提高0.98%、2.07%和1.38%。秋季FQ和E土壤含水量出现下降趋势，SJ和S显著高于其他4种处理。冬季不同地表覆盖物下土壤含水量均显著高于(P<0.05)CK，其中S和E土壤含水量显著高于其他处理。

2.3 不同地表覆盖物对土壤密度和孔隙度的影响

由表3可知，在0～10 cm土层中，不同地表覆盖物下土壤密度大小排序为：E>FQ>CK>Y>SJ>S，E显著(P<0.05)高于其他处理，比CK高6.85%，比S高10.64%；除S和E外的其他4种处理之间无显著差异(P<0.05)。在10～20 cm土层，E与CK之间没有显著(P<0.05)差异，其他4种处理略微降低了土壤密度。

表3 不同地表覆盖物下土壤密度和孔隙度变化Tab.3 Soil bulk density and porosity change under different surface mulch

注：±后的为标准差。 Notes:Data behind±is the standard deviation.

在0～10 cm土层，不同地表覆盖物下土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度范围分别为38.26%～48.77%、30.97%～41.68%、5.05%～8.31%。总孔隙度大小排序为：SJ>S>Y>FQ>E>CK；毛管孔隙度大小排序：S>SJ>Y>FQ>E>CK；非毛管孔隙度大小排序为：SJ>CK>E>Y>S>FQ。与CK相比，SJ略微提高了土壤总孔隙度；SJ、Y、S土壤总孔隙度无显著性(P<0.05)差异。E土壤毛管孔隙度大于CK但与其之间差异不显著(P<0.05)，土壤非毛管孔隙度中SJ与CK略高于其余处理。在10～20 cm土层，总孔隙度大小排序为：SJ>FQ>S>Y>CK>E；毛管孔隙度大小排序为：SJ>FQ>S>Y>CK>E；非毛管孔隙度排序为：SJ>CK>FQ>Y>E>S。与CK相比，E显著降低了土壤总孔隙度，降低6.6%，Y和S与CK之间无显著性变化(P<0.05)。与其他覆盖物相比，E显著(P<0.05)降低了土壤毛管孔隙度，较CK降低了4.9%，其他4种处理与CK之间无显著差异(P<0.05)。在此土层不同地表覆盖物对土壤非毛管孔隙度无显著影响(P<0.05)。

3 结论与讨论

通过对土壤温度、含水量及孔性的分析得出：1)1月份树皮覆盖对于土壤温度的提升更为明显，其余处理保温效果差异较小。7月份鹅卵石覆盖显著提升土壤温度且变幅较大，树皮覆盖降低土壤温度，水性聚氨酯有机覆盖垫覆盖下土壤温度变幅小于其余各处理。2)不同覆盖处理均提高土壤含水量,水性聚氨酯有机覆盖垫和酚醛树脂有机覆盖垫覆盖下土壤含水量提高最为显著，树皮覆盖次之，鹅卵石覆盖土壤含水量最低。3)鹅卵石覆盖显著增加土壤密度，其余处理对于土壤密度及孔隙度的影响较小，其中水性聚氨酯有机覆盖垫可略微降低土壤密度。

由上述结论可做如下讨论。首先，树皮覆盖对土壤升温降温效果较好可能是由于树皮具有良好的比热容且导热速率相对其他几种覆盖物相对较慢，同时在天气较冷时期，在吸收土壤内部热量后散热相对缓慢导致土壤又将温度重新吸收。其次，覆盖处理可以增加土壤含水量这是因为覆盖物的物理阻挡作用且能有效缓解土壤水分的上移[19]，水性聚氨酯有机覆盖垫和酚醛树脂有机覆盖垫土壤含水量较高与其自身良好的透水和持水的效果有关；鹅卵石覆盖土壤含水量最低因其吸水性能过低且比热容较大导致。最后，鹅卵石覆盖显著增加土壤密度可能是由于其自身重力压实土壤导致，水性聚氨酯有机覆盖垫土壤孔性变化由于经过缓慢腐解后其有机质和养分会经降雨淋溶到土壤中，同时在有机覆盖垫对土壤的保水的共同作用下产生的变化。

综合土壤温度、含水量、密度和孔隙度方面优劣，发现相比于其他几种处理，水性聚氨酯有机覆盖垫和树皮覆盖对于土壤物理性质有较优的影响，鹅卵石覆盖对于土壤物理性质影响较差，这可为今后土壤改良和植物的生长以及有机覆盖垫的发展提供理论依据。