不同材料覆盖对城市裸露土壤理化性质的影响

熊凯毅, 李素艳, 曲炳鹏, 贠炳辉, 孙向阳, 王心语

(北京林业大学 林学院, 北京 100083)

近年来，随着城市化的不断发展，国内大多城市园林绿化面积稳步提高，但城市土壤的裸露现象仍十分严峻，而在国外一些环境质量好的城市中，绿地上已无裸露土壤[1]。张骅等[2]调查发现，仅北京市五环内冬季裸土面积可达99.33 km2。裸露的地表易形成扬尘，已成为城市发展中一个迫切需要解决的问题。我国北方城市裸露土壤由于踩踏和有机质含量少，浇水频率高，导致容重升高[3]，地表紧实，通透性差，pH值较高，微生物少，养分循环能力较低，N，P含量较少[4-6]，甚至在有些地区绿地土壤污染严重[7-8]，严重影响了城市林业的健康状况。目前，我国城市裸露土壤处理主要采取的地面硬化和铺装方法，费用昂贵且效果不佳。大量研究发现，覆盖物可以改善土壤结构和化学组成，农田覆盖具有土壤保墒、调节低温等优点[9]，绿地覆盖可以增加土壤有机物质，并在分解的过程中不断还原土壤有效养分，刺激土壤微生物的活性，减轻土壤自然侵蚀，防止土壤板结。此外，覆盖物还能通过对杂草的抑制作用，减少杂草与树木根系对水分和养分的竞争，从而促进树木生长[10]。本研究以北京市裸露土壤为研究对象，选用2种无机材料(鹅卵石和陶粒)和4种有机材料(木片、园林废弃物、分层覆盖和有机覆盖垫)，以无覆盖作为对照，进行桶装控制试验，研究不同类型材料覆盖城市裸露土壤的效果，以期为城市裸露土壤处理及生态美化提供理论指导和依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点和供试土壤

1.1.1 试验地点 试验地位于北京林业大学试验苗圃(北纬40°00′28.3″，东经116°20′17.5″)，典型的北温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。年平均降水为628.9 mm，年均气温为12.5 ℃。

1.1.2 供试土壤 试验土壤各粒级土粒含量为：砂粒(1～0.05 mm)25.40%，粗粉粒(0.05～0.01 mm)36.00%，细黏粒(<0.01 mm)38.60%，土壤质地为中黏土，具体性质详见表1。

表1 试验土壤的主要理化性质

1.2 供试材料

①木片。购自北京LecheMulch(荔驰)公司，桦木树种，颜色为浅棕色，粒径1～3 cm。②园林废弃物。原料为刺槐(Robiniapseudoacacia)、臭椿(Ailanthusaltissima)、黄栌(Cotinuscoggygria)、构树(Broussonetiakazinoki)、油松(Pinustabulaeformis)和白皮松(Pinusbungeana)。③采自香山公园，粒径1～6 cm鹅卵石。④有机覆盖垫。选取粒径1～3 cm的园林废弃物，利用水性聚氨酯胶黏剂，按照质量比3∶1混合均匀，加入内径6 cm的塑料模具，加压12 500 Pa，放置阴凉干燥处，自然风干48 h成型。⑤分层覆盖。上层为园林废弃物，下层为堆肥，以模拟枯落物层的未分解层和半分解层，堆肥以园林废弃物为原料，加上泥土和矿物质混合堆积，在高温、多湿的条件下，经过发酵腐熟、微生物分解而制成。

1.3 试验设计

桶装控制试验，选用的白色塑料桶规格为上直径46 cm，下直径36 cm，高度56 cm，在桶底部均匀打上6个直径0.5 cm的小孔，取苗圃自然土壤，自然风干后过2 mm土筛，混合均匀后，装入塑料桶内，每桶装土347.40 kg，装土高度50 cm，浇水使土壤含水量达到饱和，待土壤自然沉降48 h后，将土壤表层修理平整进行覆盖处理。覆盖厚度统一为6 cm，共设计7种处理：木片(M)，园林废弃物(Y)，鹅卵石(E)，陶粒(T)，有机覆盖垫(A)，分层覆盖(上层3 cm园林废弃物+3 cm园林废弃物堆肥，F)，以无覆盖(CK)作为对照。试验按照随机区组排列，每个处理重复3次，于2016年7月进行铺设，2016年8月至2017年9月连续观测1 a，试验过程中完全模拟自然状态，无人为干扰，分别于2016年8月、2017年3月和2017年9月进行取样，选取0—10 cm及10—20 cm深度土样，用于测定土壤各项理化性质。

1.4 测定内容和方法

土壤含水量：使用TDR300型号水分测定仪，测定0—10 cm，10—20 cm土层水分含量，分别于1，4，7，10月中旬测量。土壤容重、总孔隙度采用环刀法测定[11]；pH值采用电位法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法—稀释热法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用NaHCO3—钼锑抗比色法测定；速效钾；NH3OAc浸提，火焰光度计法测定[12-13]。

1.5 数据处理

试验数据采用SPSS 20.0和Excel 2013软件，进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖处理对土壤物理性质的影响

2.1.1 不同覆盖处理对土壤含水量季节性变化的影响 由图1可知，0—10 cm土层，春季，M，Y，E，T，A，F这6种处理分别较对照提高土壤含水量4.5%，5.2%，12.4%，12.0%，5.5%和7.1%，E，T，F处理效果显著；夏季，T处理后的土壤含水量高达35.4%，显著高于M，Y，A，F，CK；冬季，6种覆盖处理均能显著提高土壤含水量。10—20 cm土层，春季，除Y处理外，其余处理均能显著提高土壤含水量，提高幅度为9.1%～43.1%；夏季，T处理提高土壤含水量最明显，其它处理差异不显著。冬季，除F处理外，其余处理均能显著提升土壤含水量。总体看来，6种覆盖处理均能提高土壤含水量，0—10 cm和10—20 cm土层变化趋势相似，在春夏冬3个季节表现为差异显著，在秋季不显著。

注：同列数据后不同字母表示差异达5%显著水平。下同。M，Y，A，F，CK分别代表木片、园林废弃物、鹅卵石、陶粒、有机覆盖、分层覆盖处理和对照。下同。

图1各季节不同覆盖处理下0-10cm和10-20cm土层的土壤含水量

2.1.2 不同覆盖处理对土壤容重的影响 土壤容重反映了土壤的压实情况，影响降水的入渗及再分配，对土壤的透气性、持水能力等都有非常大的影响[14]。由图2可知，不同处理下的土壤容重差异较大，0—10 cm土层，M，Y，F处理能显著降低土壤容重，其中M处理效果最佳，降幅达18.5%。10—20 cm土层，土壤容重范围在1.22～1.51 g/cm3之间，M，Y，A，F处理较对照能显著降低土壤容重，降幅在10.6%～19.2%之间。

图2不同覆盖处理下0-10 cm和10-20 cm土层的土壤容重

2.1.3 不同覆盖处理对土壤孔隙度的影响 由图3可知，覆盖1 a后，0—10 cm土层，M，F和Y处理较对照能显著提高土壤总孔隙度，提升幅度为35.2%，28.2%和27.5%。

10—20 cm土层，提高土壤总孔隙度最明显为M和Y处理，土壤总孔隙度达48.6%和46.3%，总体来看，除E处理外，其余处理在0—20 cm土层均能提高土壤总孔隙度。

图3不同覆盖处理下0-10 cm和10-20 cm土层的土壤总孔隙度

2.2 不同覆盖处理对土壤化学性质的影响

2.2.1 不同覆盖处理对土壤pH值的影响 由表2可知，覆盖0.5 a后，0—10 cm土层，除E处理外，其它处理均能降低土壤pH，F和Y处理较对照差异显著，分别使土壤pH降低0.19，0.16；10—20 cm土层，F处理后的土壤pH显著低于E和T处理。覆盖1 a后，0—10 cm土层，除T处理外，其余处理均能降低土壤pH值，其中M，Y和F处理较对照分别降低0.27，0.26和0.24，差异显著。10—20 cm土层，6种覆盖处理均能降低土壤pH值，Y处理后的土壤pH值显著低于对照，降低了0.31，其他处理差异不显著。

2.2.2 不同覆盖处理对土壤有机质含量的影响 有机质是植物生长必需物质，城市园林土壤退化的一个重要标志就是有机质含量普遍降低[15]。由图4可知，与10—20 cm土层相比，0—10 cm土层受覆盖影响较大。0—10 cm土层，覆盖0.5 a，F，Y和A处理与对照相比，分别显著提高土壤有机质含量42.35%，31.74%，28.03%；覆盖1 a，不同覆盖处理对土壤有机质影响差异较大，其中，F处理后的土壤有机质含量最高，达到19.65 g/kg，其他处理中，Y，A和M处理显著高于对照。10—20 cm土层，覆盖处理对土壤有机质含量具有一定影响，但差异不显著。

表2 不同材料覆盖处理下裸露土壤的pH值

图4 不同覆盖处理下0-10 cm和10-20 cm土层的土壤有机质

2.2.3 不同覆盖处理对土壤速效养分的影响 由表3可知，覆盖0.5 a后，0—10 cm土层，F，Y和A处理后的土壤碱解氮(AN)含量显著高于对照，增幅为6.54～8.97 mg/kg，E较对照显著降低了2.31 mg/kg。10—20 cm土层，A和F处理显著高于M和T处理，其他处理无显著差异。覆盖1 a后，0—10 cm土层，F，Y，A和M处理较对照分别增加AN含量56.63%，48.66%，38.24%和22.82%。10—20 cm土层，F处理提高最明显，较对照增加36.32%。土壤速效磷(AP)方面，0—10 cm土层，除了E处理外，其他处理后的AP 含量较对照均有所增加，覆盖0.5 a，F，Y，A和M处理显著高于对照，其中F和Y效果最佳，增幅为44.01%和28.22%，覆盖1 a，F，A，Y和M处理显著高于对照，分别提高85.73%，82.05%，63.11%，41.15%。10—20 cm土层，覆盖处理影响减小，其中，F，Y和A处理均能提高AP含量，但覆盖1 a后，Y处理影响减弱，F和A处理显著高于其它处理，分别高出对照22.94%和16.53%。土壤速效钾(AK)含量在6种覆盖处理下具有明显差异性。0—10 cm土层，M，Y和F处理在0.5 a和1 a覆盖后，较对照均能显著提高AK含量，A处理需在覆盖1 a后表现显著。10—20 cm土层，覆盖影响随时间增长而显现显著性差异，覆盖1 a后，F和M处理显著高于对照，其余处理差异不显著。

表3 不同覆盖处理下裸露土壤的速效养分

3 讨 论

覆盖物已被广泛应用于改善农田和果园土壤，但在城市裸地运用较少。研究发现，不同材料覆盖均能提高土壤含水量，原因在于覆盖物能阻止水分输送到地面而蒸发[16]。其中，鹅卵石和陶粒处理较对照提高土壤含水量23.73%和31.32%，是由于无机材料间孔隙较大，通透性较好，利于水分运输和吸收，而有机材料覆盖较严密，不利于水分进入土壤，且会自主吸收蓄积一定的降水，从而降低土壤含水量。土壤含水量季节性变化由地区降水和植被蒸散消耗所决定，春夏冬3个季节受覆盖影响显著，秋季较小，这与韩向忠[17]等人研究一致。有机材料能降低土壤容重，平均较对照降低11.9%，是由于有机覆盖减少了雨水冲积，有机分解物使土壤疏松，增加了土壤团聚体数量，提高了土壤的总孔隙度。海绵城市建设的核心是渗、滞、蓄、净、用和排，对它们的运用均依赖于“海绵体”，目前海绵城市裸地处理主要用透水砖铺装[18]，本试验中的有机材料具有雨季蓄水，旱季放水的特点，符合海绵城市的雨洪管理要求，可以作为“海绵体”材料之一。

据了解，园林植物适宜生长的pH值为6.5～7.5，而高pH值是北方城市园林绿地土壤的共性，也是植物生长的主要障碍因子[19-21]。研究发现：有机材料能显著降低土壤pH值，其中，木片、园林废弃物处理较对照分别降低0.27，0.26，因为有机材料可分解酸性物质，改变土壤中微生物和酶活性[22]。有机材料是覆盖土壤养分的主要补给源[23]，随着覆盖物分解，营养物质淋溶下渗，持续供应了土壤肥力[24]。结果表明，覆盖0.5 a后，有机材料较对照可提高土壤有机质含量27.46%，分层覆盖、园林废弃物、有机覆盖垫处理在覆盖1 a后，提高土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为56.63%，85.73%，85.52%，48.66%，63.11%，25.00%和38.24%，82.16%，36.72%。分层覆盖中下层的堆肥含有大量有机质，上层园林废弃物不断分解，保证了养分充足和持续供应。园林废弃物覆盖后虽能较快地分解有机质，但由于其散落地覆盖在裸土表面，质量较轻，易随风飘落，覆盖1 a后影响减弱。有机覆盖垫因制作过程添加了黏结剂，不易破损，早期分解有机质少，但随着时间增长，分解有机质增多，可长时间供应养分。无机材料无法为土壤提供外部养分，同时雨水也将消耗部分养分，所以无机材料覆盖后，土壤养分减少。通过对比发现，1 a覆盖期内，0—10 cm土层受覆盖影响较大，10—20 cm土层，早期影响较小，但随着覆盖时间增加，影响增大，这可能是因为本试验覆盖在秋冬季，气候干冷，雨水较少，随着春季积雪融化，夏季雨水增多，养分淋溶下渗，改善了下层土壤的理化性质。

4 结 论

综上所述，无机材料(鹅卵石、陶粒)提高土壤含水量效果较好；有机材料(木片、分层覆盖、园林废弃物、有机覆盖垫)降低土壤容重，提高孔隙度效果较好；分层覆盖和园林废弃物处理降低土壤pH值和提高土壤有机质效果较好；分层覆盖和有机覆盖垫处理提高土壤速效养分效果较好。本试验首次采用了分层覆盖和有机覆盖垫处理方式，模拟了自然条件下森林土壤表层枯落物层结构，拓宽了城市园林绿化废弃物处理渠道，增强了覆盖物的稳定性和持续性。此外，有机材料覆盖后的土壤含水量季节性变化和提高土壤养分的表现符合海绵城市和绿色化城市建设要求，具有一定现实推广意义。