不同覆蓋物對薄層土壤溫度和植物萌發的影響

王 琴，孫海龍，李紹才,3，劉 洋，孫 琦

(1.四川大學 生命科學學院，四川 成都 610064；2.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610064；3.四川沃爾宜環保科技有限公司，四川 成都 610031)

不同覆蓋物對薄層土壤溫度和植物萌發的影響

王 琴1，孫海龍2，李紹才1,3，劉 洋1，孫 琦1

(1.四川大學 生命科學學院，四川 成都 610064；2.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610064；3.四川沃爾宜環保科技有限公司，四川 成都 610031)

無紡布；秸稈；覆蓋；土壤溫度；植物萌發率

地面覆蓋對光輻射吸收轉化和熱量傳導均有影響。為給覆蓋材料的選擇提供理論依據，采用稻草秸稈和無紡布兩種覆蓋方式，以無覆蓋作對照，分別從土壤日均溫度變化、土壤周均溫變化、植物萌發率方面進行了比較，結果表明：稻草秸稈和無紡布均能調節土壤溫差，具有低溫時升溫、高溫時降溫的溫度效應，其中無紡布覆蓋的表層土壤溫度日變化小、稻草秸稈覆蓋的其次、對照最大，稻草秸稈覆蓋的周均溫與月積溫最大、無紡布覆蓋其次、對照最小。隨著時間的推移，草本植物萌發率遠遠高于木本，且無論草本還是木本，無紡布覆蓋的植物萌發率均比秸稈覆蓋和對照的大。

土壤覆蓋對護坡植物萌發生長影響的研究。

邊坡地形開闊，空氣對流快，造成冬季氣溫偏低，植物容易凍死，春季地溫回升慢，夏季溫度較高，植物易受灼傷甚至死亡[11]。與氣溫相比，土壤溫度對種子發芽和出苗的影響更直接得多。本研究期望通過研究不同覆蓋材料下的土壤溫度變化規律和植物萌發率，從而找到一種合適的覆蓋材料，為邊坡生態恢復的植物選擇提供一個科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2010年春季在四川省彭州市升平鎮進行。該研究區屬典型的亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16.3 ℃，最熱月7月平均氣溫25.8 ℃，最冷月1月平均氣溫5.6 ℃，年平均降水量1 146.5 mm[11]。

1.2 試驗材料

1.2.1 兩種WPC植生網

WPC植生網-1#的基體材料為草簾，由秸稈打結制成；WPC植生網-2#采用無紡布(河南飄安高科技股份有限公司生產)，規格為50 g/m2，原材料為滌綸。人工模擬邊坡總長720 cm、寬450 cm，樣方尺寸為100 cm×100 cm，不同處理樣方分布見圖1。

1.2.2 基質混合物組成及填料工藝

基質用植壤土(土壤類型為紫色土)與土壤活化粉混合物(保水劑、PAM、泥炭、雞糞、復合肥、土壤消毒劑按一定的比例混合而成)按質量比65 ∶3混合(已考慮1.3的損耗系數)，采用干噴法噴射(12 m3空壓機、5 m3/h混凝土噴射機)至試驗坡面，平均厚度4 cm(構造見圖2)。

圖1 不同處理坡面分區布置(單位：cm)

圖2 人工模擬邊坡構造示意

說明：①將坡面清理后用磚砌成坡度為1 ∶0.5的坡面，鋪上漿砌片石層；②錨桿采用φ10螺紋鋼，間距為1.10 m×1.05 m，將鐵絲網固定于錨桿上，距坡面2 cm；③鐵絲網采用5 cm×5 cm的孔徑；④噴射C20混凝土，厚度為3～5 cm，保證噴射后整個坡面的平整。

1.2.3 植物種子配比及用量

草本、木本植物混合種子的播種密度為400株/m2。其中草本植物有繡球小冠花、一年生黑麥草、葦狀羊茅，播種密度為100株/m2；木本植物有白灰毛豆、二色胡枝子、白刺花、小葉錦雞兒、多花木藍、紫穗槐、銀合歡、黃荊、刺槐，播種密度為300株/m2。

1.2.4 WPC植生網種子堆配比及種子袋規格

種子堆由黏土、越西泥炭、保水劑、PAM、消毒劑、復合肥按一定比例混合而成(已考慮1.4的損耗系數)。在裁截制作空種子袋時，單個種子袋平面設計尺寸為長10 cm、寬5 cm。

1.3 試驗設計

1.3.1 不同覆蓋材料對土壤表面溫度的影響

試驗設無紡布覆蓋(WG)、稻草秸稈覆蓋(DG)和對照無覆蓋(CK)3個處理,每個處理2個重復。先將原坡面進行整理，在坡面鉆孔、灌漿并安裝錨桿，24 h后鋪掛鐵絲網，然后噴射基質，確保坡面厚度均勻(4 cm)。秸稈打結成毯子平鋪在基質上，無紡布打孔后同樣平鋪。種子袋放在無紡布開孔處和秸稈網的對應位置，每個樣方放置兩排種子袋，每排7個，5個均勻分布在調查樣方內，左右各1個分別布置在樣方外試件內。最后在3個處理土壤表面層放上溫度自動測定儀。

1.3.2 不同覆蓋材料對植物萌發的影響

選取草本和木本種子為植物萌發試驗材料，在試驗之前對種子萌發率進行測定，播種前進行去雜、精選、浸種和消毒處理，保證品質純凈。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤溫度測定

采用溫度自動測定儀對不同處理的表層土壤溫度進行測定，從播種后第一天開始，每天24 h實時監測，每30 min 記錄一次數據，連續觀測4周[12]。取每日2：00、8：00、14：00、20：00共4個時刻的溫度數據，求其平均值，即得每日的日均溫度。7天的日均溫度求平均即得周均溫度。

1.4.2 植物萌發率的測定

在植物種子萌發試驗的終期末次計數時，觀察計算正常發芽種子數占供試種子數的百分比，公式為

萌發率(%)=萌發種子數/種子總數×100%

1.4.3 數據分析

所有數據采用Microsoft Excel工作表進行處理及繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋方式對表層土壤溫度的影響

土壤系統與外界的熱量交換主要為太陽輻射和地面的反射輻射、感應熱交換、水分交換引起的熱量交換等。覆蓋種植對土壤系統的吸熱和放熱是有影響的，Monteith指出當濕度條件適宜時，播入土壤中的種子能否正常發芽，取決于土壤溫度是否適宜[13]。

2.1.1 不同處理對表層土壤溫度日變化的影響

播種后一周內日溫度變化趨勢相近，我們選擇播種第三天即4月20日的土壤表層溫度日變化進行分析，見圖3。可以看出，10：00至16：00(太陽輻射較大的時間段)，3種處理的土壤溫度均上升，其中CK上升得最快，而DG和WG因為其覆蓋材料的吸熱作用而有效地阻礙了地溫的升高， 其土壤溫度均比CK低；

圖3 播種第三天的土壤表層溫度日變化

16：00之后溫度降低，CK處理的土壤溫度迅速降低，而DG和WG處理因覆蓋層具有保溫效應，其土壤溫度均比CK高。與DG處理相比，WG處理的表層土壤溫度變化相對緩慢，溫度高時升溫慢，溫度低時降溫慢，日變化振幅明顯較小。

該區4、5月氣溫偏低，降水偏多。由表1可知，4月下旬DG處理的日振幅比CK降低了1.20 ℃，WG處理比CK降低了2.70 ℃；5月上旬DG處理日振幅比CK降低了0.74 ℃，WG處理比CK降低了1.62 ℃。4、5月分析結果共同說明了WG處理比DG處理更能有效地減緩土壤溫度日變化。

表1 不同處理對表層土壤日均溫度的影響

注：表中數據均為每個處理的平均值。

2.1.2 不同處理對表層土壤溫度周變化的影響

從表2可以得出，播種后連續4周3個處理的表層土壤周均溫度均表現為DG>WG>CK。播種后1個月3個處理DG、WG、CK的表層土壤積溫分別為563.6、554.5、433.7 ℃，按大小排序為DG>WG>CK。分析原因，可能與稻草秸稈本身的特性有關，秸稈導熱性差且具有保墑作用，隔斷了土壤表面與大氣之間的亂流熱交換，減少了蒸發失熱，加上之前吸收的熱量儲存在覆蓋層，導致其積溫比WG處理高。研究表明土壤積溫對植物種子萌發有不可忽視的影響[14]，這為下面分析比較不同覆蓋層下的植物種子萌發率奠定了理論基礎。

表2 不同處理對表層土壤周均溫度的影響

2.2 不同覆蓋方式對種子萌發率的影響

土壤溫度是影響植物生長的重要因素，在土壤表層鋪上覆蓋物后，土壤溫度變化趨于平緩，變化幅度減小，可以促進植物種子的萌發生長[15]。利用每周的日最高溫度、日最低溫度和日振幅來分析比較播種后第一周至第四周的植物(草本和木本)萌發率。

第一周，日最高溫度WG(19.80 ℃)

圖4 播種后表層土壤溫度變化

從第二周開始，DG和WG的草本和木本植物快速萌發，草本植物萌發速度均高于木本，這可能是因為木本植物的脫分化較難、褐變率高及再生速度慢等自身原因造成的。木本植物萌發速度從第一周開始到第三周保持增長，第四周開始有下降趨勢(圖5)，尤其是WG處理，主要原因可能是WG的草本萌發率較高，草本植物快速生長和分蘗，在一定程度上影響了木本植物的萌發，其他原因有待進一步研究。

圖5 播種后草本和木本植物萌發率變化

總之，在植物種子萌發過程中，WG處理的植物萌發率始終高于DG和CK處理。DG處理的土壤積溫最大，但不利于植物生長，進一步說明溫度劇烈變化或溫度過高過低都會影響植物種子的萌發率。故在邊坡生態修復中，覆蓋物應該盡可能選擇減緩土壤溫度變化的材料。

3 結論與討論

(1)從播種后第三天的表層土壤溫度日變化可以看出，表層土壤接受較多太陽輻射時間段(10：00至16：00)，CK處理溫度高于DG和WG，而在太陽輻射較少時間段(10：00以前、16：00以后)，CK處理溫度低于DG和WG。這跟無紡布和秸稈本身的材料特性有關，兩者都能調節土壤溫差，都具有低溫時升溫、高溫時降溫的溫度效應。DG日振幅高于WG日振幅，說明WG處理更能減緩土壤溫度的變化，這與無紡布覆蓋對土壤具有一定的保溫作用且這種保溫作用尤其對淺層5 cm土壤表現得更為突出的研究結果相一致[15]。

(2)從表層土壤溫度周變化看出，WG、DG和CK處理均隨著大氣溫度的變化而變化，變化趨勢相似。DG處理的表層土壤周均溫度與月積溫均大于WG和CK處理，這是由于秸稈導熱性不良，失熱時秸稈覆蓋的土壤溫度下降速度慢于WG和CK處理，導致其覆蓋層下的表層土壤溫度高于WG和CK。

(3)兩種覆蓋方式引起的土壤表層溫度變化不同，導致植物萌發率也有差異。第二周3個處理的日振幅較第一周大，植物萌發率(草本和木本)也均比第一周高，說明溫度的適當提高可以提高種子萌發率。第一、二周WG處理的日振幅均小于DG和CK，WG植物萌發率(草本和木本)均高于DG和CK，說明溫度變化大反而不利于種子萌發。DG和WG的草本植物萌發速度均高于木本，這可能是木本植物自身原因造成的。后期木本植物萌發速度開始下降可能是因為草本植物快速生長和分蘗，在一定程度上影響了木本植物的萌發，其他原因有待進一步研究。總體上說，WG處理的植物萌發率(草本和木本)始終高于DG和CK處理。在邊坡生態修復工程中，覆蓋物應該盡可能選擇減緩土壤溫度變化的材料。

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(責任編輯 徐素霞)

S152.7

A

1000-0941(2015)01-0051-04

國家科技支撐計劃項目(2012BAD11B03)

王琴(1990—)，女，四川綿陽市人，碩士研究生，主要從事生態與資源環境管理、植被恢復方面的研究；通信作者孫海龍(1976—)，男，黑龍江海林市人，講師，博士，主要從事生態工程方面的研究。

2014-01-25

一些基礎設施(如公路、鐵路、水利、礦產等)在施工過程中，會不同程度地影響原地貌植被，造成大量的裸露邊坡，而土質邊坡自我恢復的過程相當漫長，只有借助人工措施才能加快其生態恢復過程。利用植被穩定邊坡、改善生態環境在生態學上被稱為邊坡生態防護[1-2]。其中土壤是植物生長之本，而土壤溫度影響植物的生長、發育和土壤的形成，它會隨著地表附近氣溫的變化而呈現季節性起伏和晝夜變化[3]。

無紡布又稱為不織布、豐收布，是由定向的或隨機的纖維構成，是新一代環保材料，具有防潮、透氣、柔韌、質輕、不助燃、容易分解、無毒無刺激性、色彩豐富、價格低廉、可循環再用等特點[4-5]，可用于露地及大棚、溫室內浮面覆蓋。

秸稈是成熟農作物莖葉(穗)部分的總稱，通常是指小麥、水稻、玉米、薯類、油菜、棉花和其他農作物在收獲籽實后的剩余部分。農作物光合作用的產物有一半以上存在于秸稈中[6]，秸稈富含氮、磷、鉀、鈣、鎂和有機質等，是一種具有多用途的可再生的生物資源。秸稈覆蓋在地表，可以形成一層土壤與大氣熱交換的障礙層，既可以阻止太陽的直接輻射，也可以減少土壤熱量向大氣中散失，同時還可以有效地反射長波輻射[7-9]。因此，秸稈覆蓋下土壤溫度的年變化和日變化均趨緩和，低溫時有“增溫效應”，高溫時有“降溫效應”，這種雙重效應對植物生長十分有利，能有效地緩解氣溫劇變對植物的傷害[10]。農業中有關稻草秸稈覆蓋對土壤的溫度效應的研究比較多，但是缺乏邊坡