李军保，董 强，马志林，霍建林，刘喜东

(陕西省林业科学院 治沙研究所，陕西 榆林 719000 )

城市绿地是城市生态系统的重要组成部分，也是城市建设不可或缺的内容，在维持城市生态平衡和改善生态环境等方面发挥着其他城市基础设施所无法替代的作用[1]。北方干旱半干旱区的城市由于生态环境限制，适生耐荫的草坪和地被植物种较少，加上维护成本相对较高，常常出现草坪与地被植物生长不良或枯死等现象，导致乔木和花灌木树下土地大部分裸露，尤其在冬春季极易造成起沙扬尘和空气污染，是城市雾霾污染加重的主要原因[2]。当前，随着城市绿地面积和布点的增加，城市绿地用水量逐年上升引起的用水矛盾突出，已成为制约干旱半干旱地区城市园林绿地可持续发展的首要限制因素。有机物覆盖是一种被广泛推荐的保持土壤水分的技术措施[3]，可改变近地面下垫面性质和能量平衡，具有抑制土壤蒸发，提高降水入渗和持水能力[4]，调节土壤温度[5-6]、提高肥力[7-8]、抑制杂草生长[9]等作用，现已成为应用较多的农田土壤调控技术措施，将其引入城市绿地建设与管理，创造出与森林条件相似的土壤生态环境，发挥蓄水保墒效应，对改善城市绿地土壤生态环境并推进其可持续发展具有重要意义。

国外发达国家城市绿地覆盖已有几十年的应用历史，特别是从20世纪90年代中期，园林覆盖技术发展较快，并已经形成了产业化模式[10-11]。国内对农田有机物覆盖研究较多，但对城市绿地覆盖方面的研究和应用较少，尚处于初期阶段。因此，本文以半干旱地区代表性城市—榆林城市绿地为研究对象，选用秸秆和园林废弃物为覆盖材料，研究不同覆盖厚度对城市绿地土壤温度和水分的影响，以期为半干旱地区城市绿地有机物覆盖技术应用提供科学依据和参考，并促进当地农业和园林废弃物循环利用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于榆林市榆林大道景观公园，属温带半干旱大陆性季风气候，干旱少雨，气候干燥，冬春多西北风，年均气温8.1 ℃，最高气温38.6 ℃(1953年)，最低气温-32.7 ℃(1954年)；年均降水量413.9 mm，主要集中在6-9月，年蒸发量1 211 mm，≥10 ℃有效积温3 217.6 ℃，平均风速2.5 m·s-1。土壤为风沙土，试验地的绿地为油松株行距6 m×6 m，行间单植紫叶李、丁香、榆叶梅等花灌木，株距3.0 m。

1.2 研究方法

选用收获后自然风干并粉碎的玉米秸秆和园林废弃物作为试验材料，覆盖园林绿地裸露地表，分为对照(CK、未覆盖)和3种不同覆盖厚度(3、6、9 cm)，秸秆覆盖分别记为JF3、JF6、JF9，园林废弃物覆盖分别记为YF3、YF6、YF9，每个处理12 m2，随机区组排列，3次重复，覆盖开始时间为2015年9月20日。

于2015年10月下旬(生长末期)，2016年3月下旬(生长初期)、8月上旬(生长盛期)和10月下旬(生长末期)测定土壤温度和含水率，每次连续测10 d，土壤温度分别在观测日的08∶00、11∶00、14∶00和17∶00测定，土壤温度观测采用5支组直角地温计，测定地表以下5、10、15、20、25 cm土壤温度。用TDR(Time-Domain Reflectometer)测定0～10 cm的土壤体积含水率，每天17∶00测定1次，设置3个点分别进行数据采集，以均值代表该处土壤含水率，空气温度采用气温表测量。

1.3 数据处理与统计分析

本试验的数据用Excel2003进行初步整理，用SPSS18.0对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖厚度对植物生长期土壤温度的影响

2.1.1 土壤温度日变化 从图1中可以看出，不同覆盖处理下生长初期和盛期的白天土壤温度各时段均小于气温，而生长末期11∶00前的土壤温度均高于气温，但各时段对照处理的土壤温度均低于气温和覆盖处理。不同覆盖处理下生长初期的土壤温度随时间变化趋势与气温一致，呈现为先升高后缓慢下降的变化趋势，其最高温度出现在14∶00；对照处理的土壤温度呈升高趋势，且14∶00以后增加缓慢。不同覆盖处理下生长盛期和末期的土壤温度随时间变化波动较小，JF3与YF3处理下生长盛期的土壤温随时间变化呈先升高后缓慢下降的变化趋势，最高温度出现在14∶00，而其他覆盖处理的最高温度出现在17∶00。JF3、JF6、YF3和YF6处理下生长末期的最高温度出现在14∶00，而JF9和YF9处理下的最高温度出现在17∶00。

对照处理下各生长期的土壤温度日变化幅度最大，其生长初期、生长盛期和生长末期的变化幅度分别为9.61、3.68、3.70 ℃。土壤温度变化幅度均随覆盖厚度的增加呈减小趋势，生长初期土壤温度变化幅度最小和最大的分别为JF9和YF3处理，其值为3.5 ℃和5.85 ℃；生长盛期土壤温度变化幅度最小和最大的分别为YF9和JF3处理，其值为0.55 ℃和1.85 ℃；生长末期土壤温度变化幅度最小和最大的分别为JF9和JF3处理，其值为0.55 ℃和1.35 ℃。

以生长初期YF3为例，5、10、15、20、25 cm深度处土壤温度变化幅度分别为11.5、8.25、5.25、3.25、1.75 ℃，平均变化幅度为5.85 ℃。不同覆盖处理下土壤温度变化幅度随土层深度的增加逐渐减小，5～15 cm是土壤温度敏感层，变化幅度较大，直接影响平均土壤温度变化趋势。

图1 各生长期土壤温度变化

2.1.2 植物生长期土壤温度变化 土壤温度变化是土壤随着太阳辐射和大气温度的变化而吸收或释放能量的过程[12]。由表1可看出，生长初期和盛期，不同覆盖厚度处理下土壤平均温度均显著低于对照(P<0.05)。生长初期土壤温度随覆盖厚度的增加呈减小趋势，JF9处理下土壤平均温度最低，但与YF9处理差异不显著(PP>0.05)；与对照相比，JF9与YF9处理可降低土壤温度4.7 ℃左右，JF3与YF3处理可降低3.1 ℃左右。生长初期覆盖处理下土壤温度的降低，可延迟园林植物萌芽和开花期，有效避免和减轻倒春寒晚霜冻害给发芽开花较早园林植物的伤害。生长盛期YF9处理下土壤平均温度均显著低于其他覆盖处理(P<0.05)，且比对照处理的土壤平均温度降低了4.15 ℃，JF9处理下降低了3.70 ℃，JF3与JF6和YF3与YF6处理间差异不显著。

园林废弃物覆盖土壤温度均显著低于秸秆覆盖(P<0.05)，生长旺盛期覆盖降低土壤温度，有利于根系水分的吸收和生长发育，延缓根系的老化过程。生长末期不同厚度覆盖处理土壤温度均显著高于对照(P<0.05)，土壤温度随覆盖厚度增加呈增加趋势，YF9处理下土壤温度最高，比对照处理的土壤温度增加了4.12 ℃，说明生长末期有机物覆盖可延缓土壤温度降低过程，使植物有更长时间适应寒冷气候变化，尤其有利于当年栽植花灌木的安全越冬。

表1 不同覆盖处理下植物生长期5～25 cm土层土壤平均温度及其多重比较

2.1.3 不同覆盖厚度对土壤温度的影响差异 由表2可知，在生长初期、盛期和末期，覆盖处理、土层深度和时间段各因素及两两交互作用均对土壤温度影响达到极显著水平(P<0.001)。由于偏Eta平方值的大小表示主效应或互作效应的大小，生长初期各因素对土壤温度作用的大小为：时间段(0.938)>土层深度(0.915)>覆盖处理(0.872)>土层深度×时间点(0.788)>覆盖处理×土层深度(0.697)>覆盖处理×时间点(0.640)，说明单个因素对土壤温度影响大于两两间交互因素，生长初期气温变化对土壤温度影响最大，土层深度对土壤温度影响次之，覆盖处理对土壤温度影响比较明显。生长盛期作用大小为：覆盖处理(0.917)>时间段(0.752)>时间段×土层深度(0.616)>覆盖处理×时间点(0.580)>土层深度×覆盖处理(0.457)>土层深度(0.354)，生长盛期覆盖处理对土壤温度影响作用最大，其次为时间段，土层深度影响最小，说明生长盛期随土层深度变化土壤温度变化不明显。生长末期作用大小为：覆盖处理(0.760)>土层深度(0.360)>时间段(0.326)>覆盖处理×土层深度(0.321)>覆盖处理×时间点(0.276)>土层深度×时间点(0.219)，说明生长末期覆盖处理对土壤温度影响很明显。

表2 各生长期土壤温度方差分析表

2.2 不同覆盖厚度对表层土壤含水量的影响

土壤水分含量作为土壤重要的物理特征，在根系生长、土壤有机质分解、养分元素迁移和土壤酶活性等一系列过程中发挥重要作用[13]。从表3可以看出，生长初期、生长盛期和生长末期，对照土壤含水率最低，随覆盖厚度的增加土壤含水率均呈增加趋势，相同覆盖厚度下园林废弃物和秸秆覆盖处理间差异性不显著。生长初期，园林废弃物和秸秆的不同厚度覆盖间差异显著(P<0.05)，8 cm厚度覆盖下的土壤含水率比对照增加了2.6%左右，5 cm厚度覆盖下增加了1.8%左右，2 cm厚度覆盖下增加了1.0%左右。生长盛期YF9、JF9与其他覆盖处理间差异显著(P<0.05)，YF3与YF6、JF6处理间差异不显著(P>0.05)，YF6与JF6处理下土壤含水率比对照增加了3.7%左右，YF6与JF6处理下增加了1.8%左右，YF3与JF3处理下增加了1.2%左右。生长末期，YF9处理下土壤含水率最大，与YF6、JF6、YF3、JF3处理间的差异均达到显著水平(P<0.05)，比对照处理下增加了3.97%，JF9处理下土壤含水率次之，与YF6、JF6处理间差异不显著，YF3处理土壤含水率最小，较对照处理下增加了0.94%。表明有机物覆盖可有效抑制土壤水分蒸发，更好保存土壤水分，可减少园林植物浇水次数和浇水量，节约园林植物浇水成本。

表3 生长期各覆盖处理表层土壤含水率方差分析

2.3 土壤温度与土壤含水率的关系

对不同生长期土壤温度与土壤含水率进行相关分析(表4)，生长初期和生长盛期土壤温度与土壤含水率呈极显著负相关，相关系数分别为-0.903和-0.922，对两者进行拟合分析结果表明，生长初期和生长盛期土壤含水率随土壤温度的升高呈降低趋势，两者关系用二次多项式拟合效果较好，R2值分别达到0.853 4和0.925(图2)。生长末期土壤温度与土壤含水率呈正相关，但未达到显著水平，二者关系用二次多项式拟合效果较好，R2值为0.825 4。在生长期内土壤温度和土壤水分呈显著负相关，相关系数为-0.467。说明生长初期和生长盛期土壤含水率增加可降低土壤温度，而生长末期土壤含水率增加可起到土壤保温作用。

表4 土壤温度与土壤含水量的Person相关系数

图2 土壤含水率与土壤温度的关系

3 结论与讨论

3.1 不同覆盖厚度对土壤温度的影响

土壤温度是直接或间接影响植物生长和发育的重要环境因子，有机物地表覆盖改变光辐射吸收转化和热量传导过程，从而影响了土壤温度[14]，本试验研究发现，生长初期和生长盛期白天各时段不同厚度覆盖处理土壤温度均低于对照，而生长末期则呈相反趋势，说明生长初期和生长盛期太阳辐射对土壤温度的影响大于土壤热散失，园林废弃物或秸秆等有机物覆盖的阻碍使土壤温度增加缓慢，对照处理下裸地的光辐射吸收转化快，使其土壤增温较快，生长末期太阳辐射强度减弱，土壤热能散失较快，覆盖处理阻碍土壤热能的散失，使覆盖处理保持了较高的土壤温度和较小波动。因此有机物覆盖对于热量双向运动都有一定的阻碍作用，在不同生长期外界条件的变化，两向阻碍作用的主导地位不断调整[15]，进一步增强了土壤温度的滞后性。

本研究下生长初期和生长盛期，平均土壤温度随土层深度的增加呈减小趋势，生长末期呈增加趋势。生长初期，JF9与YF9处理下土壤温度较对照降低了4.7 ℃左右，JF3与YF3处理可降低3.1 ℃左右；生长盛期，YF9与JF9处理分别降低了4.1 ℃和3.7 ℃，YF3与JF3处理分别降低了2.5 ℃和2.1 ℃；生长末期，YF9与JF9处理分别增加了4.1 ℃和3.6 ℃，YF3与JF3处理增加了3.3 ℃左右。秸秆覆盖引起春季土壤低温效应造成小麦、玉米高粱等作物苗期生长缓慢，生育期推迟等影响作物生长[16-18]，但这对于北方半干旱区早春园林植物生长十分有意义，可有效避免和减轻倒春寒晚霜冻害给发芽开花较早植物造成伤害。陈玉娟[19]等通过对北京城市绿地有机物覆盖土壤温度变化观测发现，3 cm和5 cm有机物覆盖在夏季比对照降低了2.0 ℃和0.9 ℃，在冬季升高了0.9 ℃和1.4 ℃，说明有机物覆盖可明显的调节土壤温度，具有“夏凉冬暖”的水热效应，能有效缓解气温激变对植物生长的伤害[20]。本研究表明各生长期覆盖处理、时间段、土层深度及两两之间交互作用均对土壤温度有极显著影响，而生长初期和生长末期单个因素对土壤温度影响作用大于两两之间交互作用，且生长初期时间段影响作用最大，生长盛期和生长末期覆盖处理影响作用最大。

3.2 不同覆盖厚度对土壤含水率的影响

各生长期下园林废弃物和秸秆覆盖处理均可显著提高土壤含水率，且随覆盖厚度的增加呈增加趋势，相同覆盖厚度下园林废弃物土壤含水率高于秸秆覆盖处理，说明园林废弃物覆盖抑制土壤蒸发效果优于秸秆覆盖，这与时连辉等[21]、王慧杰[22]的研究结果相类似。生长初期和生长盛期的土壤温度与土壤含水率呈极显著负相关，而在生长末期呈正相关。生长初期和盛期的土壤温度随土层增加呈递减趋势，而水分蒸发是沿着温度梯度的负方向进行的[23-24]，所以，土壤蒸发量大导致土壤含水率降低；生长末期的土壤温度随土层增加而升高，土壤蒸发受到抑制减小，同时气温降低，土壤热量散失增大，土壤含水率的增大提升了土壤热容量，有效阻碍了土壤温度的降低，因此土壤温度随含水率的增加呈增加趋势。

生长初期、盛期和末期的土壤温度与土壤含水率相关性较强，最优拟合方程为二次多项式函数，即土壤含水率对土壤温度的影响并非呈单调增加或减小趋势。随有机物覆盖厚度的增加对土壤温度和含水率的影响逐渐增强，但覆盖厚度过大，不利于降雨入渗和土壤含氧水平，生长初期土壤低温时间过长，易引起植物生理干旱，导致植物生长发育不良。此外，对于极端天气，也可通过有机物覆盖结合灌水的方式来快速有效调节土壤温度。

综上，从不同覆盖物对土壤温度和水分的影响效果来看，相同厚度下园林废弃物覆盖效果优于秸秆覆盖。从资源利用来看，秸秆的大量还田肥地和家畜饲料加工利用，废弃量逐渐减少，而园林废弃物数量逐年上升，其目前处理方式以填埋和焚烧为主。秸秆一般在2年内可分解消失[25]，而园林废弃物分解速率慢，在调节土壤水温方面起到长效作用[26]。因此，建议利用园林废弃物作为城市绿地覆盖材料循环利用，节水调温，降低园林绿地维护成本。