有机覆盖物对土壤温湿度的影响研究

作者:陈进勇　朱莹　赵世伟　Chen Jinyong Zhu Ying Zhao Shiwei

摘要：选择4种类型的有机覆盖物进行3种不同厚度的地面覆盖处理，定期测定不同深度的土壤温度和湿度，结果表明，有机覆盖物处理在秋冬季具有保温和保湿作用，在春夏季可减缓地温的上升，且土层越深，土壤温度和湿度越稳定。不同覆盖物以腐熟基质对土壤温湿度影响作用较大，效果较好，粉碎木屑居中，切削的木块稍差。以腐熟1年的基质覆盖厚度10cm为例，秋季20cm土层温度高出对照2℃左右，冬季高出2~4℃，春季低于对照1~4℃，冬春季土壤含水率高出对照4%~7%。不同覆盖厚度对土壤温湿度的影响差异则不明显，10、15cm略好于5cm。

关键词：风景园林；有机覆盖；土壤温度；土壤含水率

文章编号：1000-6664(2018)01-0131-05

中图分类号：TU 986

文献标志码：A

收稿日期：2016-11-02

修回日期：2017-07-13

基金项目：国家自然科学基金面上项目(编号31570699)和北京市科技创新基地培育与发展工程专项“利用园林废弃物开发有机覆盖材料的研究与示范”(编号Z141105004414048)共同资助

Abstract: Four types of organic matter were mulched in three different thickness, and soil temperature and moisture at different depth were measured in a regular period. The results indicated that organic mulching was effective for retaining soil temperature and moisture in the period of autumn and winter, and slowing down the rise of soil temperature in the spring and summer. The deeper the soil, the steadier the soil temperature and moisture. Among the mulching materials, compost had more impact in soil temperature and moisture, wood block was less effective, and wood chips were intermediate. For one-year-old compost in 10cm thickness mulching treatment, 20cm depth soil temperature in the autumn was 2℃ higher than the control, and it was 2-4℃ higher in the winter, whereas it was 1-4℃ lower than the control in the spring. In the meantime, soil moisture at 20cm depth was 4%-7% higher than the control in the winter and spring. Different mulching thickness had insignificant influence on the soil temperature and moisture, 10cm and 15cm just a little better than 5cm.

Key words: landscape architecture; organic mulching; soil temperature; soil moisture

利用园林有机废弃物进行地面覆盖是实现其合理利用的有效园艺措施。在国外发达国家，园林绿化中将修剪的枝干以及清扫的枯枝落叶等有机物进行粉碎、发酵等处理后，用来覆盖绿地表面，应用非常普遍[1]。中国在北京、上海、广州等大中城市也正在大力推广[2-3]。利用有机物覆盖不仅可以保持土壤湿度、调节土壤温度、改善土壤结构、增强土壤肥力，还能有效阻止裸露地表土壤扬尘，有助于减少水土流失，实现废弃资源再生利用，作用非常明显[3-4]。但我国在园林绿化废弃物对土壤温湿度的影响效果方面还缺乏定量研究，难以数量化评估其应用效果。因此开展此项研究，可为有机废弃物的有效利用提供技术支撑和指导作用。

1 材料与方法

田间试验于2014年8月在北京市植物园试验地进行，为期1年。选择腐熟1年的绿化粉碎物基质(A)、当年腐熟的基质(B)、树枝直接粉碎的木屑(C)和切削的木块(D)，分别进行5cm(1)、10cm(2)和15cm(3)厚度覆盖，设不覆盖(CK)为对照。覆盖地块每块面积3m×3m，每个处理3次重复，采用随机区组排列。覆盖材料中，绿化粉碎物基质为粉碎的枝叶混合物，碎木屑长度约3cm，粗度不超过0.5cm，木块长和宽为3~6cm，厚度约0.5cm。经北京市园林科学研究院测定，基质A的pH值为7.9，有机质含量367g/kg，EC值2 133µs/cm；基质B的pH值为7.1，有机质含量445g/kg，EC值1 460µs/cm；木屑C的C/N(碳氮比)为58，有机碳含量305g/kg；木块D的C/N为67，有机碳含量307g/kg。

覆盖前预先埋入1m长的PR2探管，定期用英国Delta-T设备公司生产的PR2土壤剖面水分传感器连接HH2型湿度仪，测定不同深度的土壤水分的体积百分比。地温测定用以色列Fourier公司生产的MicroLite高精度温度记录仪，设定每小时记录1次，埋入不同地块的不同深度。气象数据用Hobo温湿度记录仪测定，设定每小时记录1次。所有数据和图表用Excel 2007软件进行处理。

2 结果与分析2.1 裸露地不同土层温度与气温的关系

2014年9月下旬—11月上旬，从未覆盖地块不同深度的地温与气温关系看，由于秋季日均气温变化剧烈，二者呈现少量交错变化，但总体上看，日均气温低于40cm土层地温，出现40、20、10cm地温均基本高于气温的现象(图1)。土层越深，地温越高，此趋势一直延续至次年初。

2015年1月底—2月底，平均气温在0℃上下波动较大，此时10cm和20cm地层的温度基本还在0℃以下，40cm地温刚好在0℃以上。直到3月上旬气温稳定在0℃以上，不同地层的温度才超过0℃，但不同地层的温差很小，在0.5℃以内(图2)。

3月中旬—4月下旬，气温上升较快，10cm地温随之上升；5月上旬—6月下旬，10cm层地温与日均气温相近(图3)。

2.2 有机物覆盖后不同深度土层的温度变化

以A2处理(腐熟1年的基质覆盖10cm厚)为例，2014年9月下旬，不同深度的土层温度均在22℃左右，随后地温逐步下降，土层越深，温度下降越缓慢。40cm土层温度较10cm土层高0.5~2℃，20cm土层温度居中；且10cm土层温度起伏变化较大，而40cm土层温度变化比较平稳(图4)。

11月13日至次年2月上旬，40cm土层的温度高出20cm土层1℃左右，高出10cm土层2℃左右，此后至3月上旬不同地层的温度差变小至近相等(图5)。

3月中旬后，不同地层的温度变化出现逆转，土层越浅，温度越高。至4月底10cm深处的地温高出20cm土层1.5℃，20cm土层地温高出40cm土层也达到1.5℃。5月上旬地温有明显回落，至6月初仍保持此趋势(图6)。

7月初—8月底，地温变化较为剧烈，10cm土层温度变化高达7℃，但总体上仍高于20、40cm土层，差值达2℃。9月上旬出现转折，10cm土层温度低于20、40cm土层，差值达1℃(图7)。

图1 秋季裸露地不同土层地温与气温的关系

图2 冬季裸露地不同土层地温与气温的关系

图3 春季裸露地不同土层地温与气温的关系

图4 A2处理下秋季不同地层的地温变化2.3 不同覆盖物对土壤温度的影响

2014年9月25日—11月5日，对照20cm土层的地温波状变化起伏明显，总体呈下降趋势，从20℃逐步降至10℃，覆盖不同有机物后，地温波状起伏度明显变小，地温下降较缓慢，且较对照高，其中A1高出1~2℃，C2高出2~3℃，A2和A3居中(图8)，由A2和C2比较可看出，粉碎木屑的保温效果较腐熟基质稍好。

11月13日至次年3月9日，20cm土层温度仍然是有机物覆盖后地温明显提高，不同覆盖物种类的作用略有差异。以覆盖厚度10cm为例，D2处理高出对照2℃左右，A2和C2高出对照2~4℃(图9)，腐熟基质和粉碎木屑均较切削木块的保温效果好。

3月12日—6月初，对照的地温上升较快，超过覆盖物处理，20cm土层温度自4℃上升至26℃，不同覆盖物处理之间的差异较小，以D2略低。覆盖处理与对照的地温差最大值达4℃，4月上中旬和5月中旬的差值则小于1℃(图10)，不同覆盖物之间的差异不明显。

2.4 不同覆盖厚度对土壤温度的影响

2014年9月25日—11月5日，覆盖腐熟基质后，A2和A3对20cm地层的覆盖效果相近，但地温均较A1略高(图8)，覆盖厚度10、15cm较5cm效果稍好。11月13日至次年2月底，仍是此趋势，A1作用稍小，温度高出对照2℃左右，A2和A3则高出对照2~4℃(图11)。

3月中旬后出现转折，A1处理较A2和A3地温略高，但差值在1℃以内，A2和A3近无差异。所有A处理地温均低于对照，最大差值达3℃，一直持续到6月下旬(图12)。

7月上旬—9月上旬，虽然不同覆盖厚度的地温相互交错，但A1、A2、A3三者之间的差异仍不明显，在1℃以内。

2.5 覆盖对土壤含水率的影响

未覆盖地块不同深度的土壤含水率自2014年11月上旬—2015年4月中旬，随着土层深度的增加，土壤含水率逐渐升高，10cm土层为10%~20%，20cm土层为20%~30%，30cm土层为30%左右，40cm土层为30%~35%，60、100cm土层含水率相近，均在35%~40%(图13)，土层越深，土壤含水率越大，至60cm基本不变。

覆盖处理后，土壤含水率提高，以20cm土层为例，2014年11月上旬—2015年4月中旬，对照在20%~25%，D2处理在22%~28%，C2处理在24%~30%，A2处理在24%~32%(图14)。在覆盖厚度10cm条件下，不同覆盖材料的保墒作用存在差异，以腐熟1年的基质最好，其次为粉碎的木屑和切削木块，均明显优于对照。

不同覆盖厚度之间对土壤含水率的影响差异不大，以腐熟1年的基质为例，覆盖5、10、15cm后A1、A2、A3的20cm土层湿度近相同，土壤含水率相差不到1%，但均高出对照含水率值3%~10%(图15)。

图5 A2处理下冬季不同地层的地温变化

图6 A2处理下春季不同地层的地温变化

图7 A2处理下夏季不同地层的地温变化

图8 不同覆盖处理下秋季20cm地层的地温变化图9 不同覆盖处理下冬季20cm地层的地温变化

图10 不同覆盖处理下春季20cm地层的地温变化

图11 腐熟基质不同覆盖厚度下冬季20cm地层的地温变化

图12 腐熟基质不同覆盖厚度下春季20cm地层的地温变化

3 总结与讨论

土壤温度受太阳有效辐射的影响，与气温变化有很强的相关性[5]。在秋冬季，裸露地的地温较气温高，且土层越深，温度越高；直到3月中下旬，气温快速上升，才高于土壤温度，这时土层越深，温度相对越低；8月下旬气温下降明显，至9月中下旬气温再次低于土壤温度，开始下一个循环。

有机物覆盖后，在秋冬季下层土壤的温度较上层土壤温度高，如腐熟基质覆盖10cm(A2处理)后40cm土层的温度高出20cm土层1℃左右，高出10cm土层2℃左右。3月中旬后出现转折，随着土层深度增加，温度变低。至4月底40cm土层温度低于20cm土层地温达到1.5℃，低于10cm土层地温达3℃，此趋势持续至8月底，9月上旬出现转折。

覆盖不同种类的有机物后，秋冬季地温均较对照高，以粉碎木屑和腐熟基质的效果较好，切削木块稍差；春夏季地温低于对照，不同覆盖物处理之间的差异变小。直接粉碎的木屑由于发酵腐熟会释放热量，导致前期地温较高，后期则效果变差。而且腐熟基质等颗粒较细的覆盖物较粗大的切削木块保温作用要强。

不同覆盖厚度之间对土壤温度的影响差异不太明显，以腐熟的绿化粉碎物为例，覆盖厚度10、15cm在秋冬季较覆盖厚度5cm稍好，翌年春夏季三者之间的差异变小。与覆盖3、5cm的结果略有差异[6]。不同土层深度的土壤含水率随深度增加而增加，与陈玉娟等研究结果[6]一致。覆盖物处理后，土壤含水率提高，不同覆盖物以腐熟1年的基质最好，其次为粉碎木屑和切削木块。王慧杰等研究表明，不同有机覆盖物对土壤水分抑蒸效果依次为阔叶类、条状类、茎干类[7]，与本研究结果类似。不同覆盖厚度之间对土壤含水率的影响差异不大，以腐熟基质为例，覆盖厚度5、10、15cm后，20cm深度的土壤含水率相差不到1%，但均高于对照。陈岩等研究显示有机覆盖物对土壤含水量的保持具有明显的促进作用[8]。图13 裸露地不同土层深度的土壤含水率变化

图14 不同覆盖物处理对土壤含水率的影响

图15 腐熟基质不同覆盖厚度处理对土壤含水率的影响综合来看，地面覆盖对土壤的保温和保湿效果明显，不同有机覆盖物对土壤保温保湿作用以腐熟基质为好，其次为粉碎的木屑，切削的木块效果最差，这与覆盖物的颗粒大小、密度、腐熟程度等因素相关。不同覆盖厚度之间差异不明显，以不超过10cm为宜，此结果与美国技术规范一致[1]。研究结果还与不同有机覆盖物处理对风信子、郁金香的生长发育影响相一致[9-10]，可用于指导园林绿地的具体实践和应用。

注：文中图片均由作者绘制。

参考文献：

[1] 吕子文，方海兰，黄彩娣.美国园林废弃物的处置及对我国的启示[J].中国园林，2007(8)：90-94.

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[4] 张蔚，蒋志荣，陈锋，等.地面覆盖法调节土壤水热状况的研究进展[J].安徽农业科学，2008，36(19)：8184-8186.

[5] Chen S Y, Zhang X Y, Pei D, et al. Effects of straw mulching on soil temperature, evaporation and yield of winter wheat: field experiments on the North China Plain[J]. Annals of Applied Biology, 2007, 150(3): 261-268.

[6] 陈玉娟，王成，郄光发，等.有机覆盖物对城市绿地土壤水分和温度的影响[J].中国城市林业，2009，7(3)：52-54；57.

[7] 王慧杰，冯瑞云，张志军，等.不同有机覆盖物对土壤水分蒸发的影响[J].山西农业科学，2009，37(6)：4244；49.

[8] 陈岩，王菲.有机覆盖物对城市绿地土壤含水量的影响研究[J].中国城市林业，2015，13(3)：39-41.

[9] 陈进勇，桑敏，赵世伟.绿化有机物覆盖对风信子生长发育的影响[C]//中国观赏园艺研究进展.北京：中国林业出版社，2015：346-351.

[10]陈进勇，刘恒星，赵世伟.绿化有机物覆盖对郁金香生长发育的影响[J].北方园艺，2016(14)：65-69.

(编辑/金花刘欣雅)

作者简介：

陈进勇

1971年生/男/江西人/博士/中国园林博物馆教授级高级工程师(北京 100072)

朱莹

1972年生/女/云南人/北京市花卉园艺工程技术研究中心高级工程师/北京市植物园(北京 100093)

赵世伟