不同覆盖物对薄层土壤温度和植物萌发的影响

王 琴，孙海龙，李绍才,3，刘 洋，孙 琦

(1.四川大学 生命科学学院，四川 成都 610064；2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610064；3.四川沃尔宜环保科技有限公司，四川 成都 610031)

不同覆盖物对薄层土壤温度和植物萌发的影响

王 琴1，孙海龙2，李绍才1,3，刘 洋1，孙 琦1

(1.四川大学 生命科学学院，四川 成都 610064；2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610064；3.四川沃尔宜环保科技有限公司，四川 成都 610031)

无纺布；秸秆；覆盖；土壤温度；植物萌发率

地面覆盖对光辐射吸收转化和热量传导均有影响。为给覆盖材料的选择提供理论依据，采用稻草秸秆和无纺布两种覆盖方式，以无覆盖作对照，分别从土壤日均温度变化、土壤周均温变化、植物萌发率方面进行了比较，结果表明：稻草秸秆和无纺布均能调节土壤温差，具有低温时升温、高温时降温的温度效应，其中无纺布覆盖的表层土壤温度日变化小、稻草秸秆覆盖的其次、对照最大，稻草秸秆覆盖的周均温与月积温最大、无纺布覆盖其次、对照最小。随着时间的推移，草本植物萌发率远远高于木本，且无论草本还是木本，无纺布覆盖的植物萌发率均比秸秆覆盖和对照的大。

土壤覆盖对护坡植物萌发生长影响的研究。

边坡地形开阔，空气对流快，造成冬季气温偏低，植物容易冻死，春季地温回升慢，夏季温度较高，植物易受灼伤甚至死亡[11]。与气温相比，土壤温度对种子发芽和出苗的影响更直接得多。本研究期望通过研究不同覆盖材料下的土壤温度变化规律和植物萌发率，从而找到一种合适的覆盖材料，为边坡生态恢复的植物选择提供一个科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2010年春季在四川省彭州市升平镇进行。该研究区属典型的亚热带季风气候，年平均气温16.3 ℃，最热月7月平均气温25.8 ℃，最冷月1月平均气温5.6 ℃，年平均降水量1 146.5 mm[11]。

1.2 试验材料

1.2.1 两种WPC植生网

WPC植生网-1#的基体材料为草帘，由秸秆打结制成；WPC植生网-2#采用无纺布(河南飘安高科技股份有限公司生产)，规格为50 g/m2，原材料为涤纶。人工模拟边坡总长720 cm、宽450 cm，样方尺寸为100 cm×100 cm，不同处理样方分布见图1。

1.2.2 基质混合物组成及填料工艺

基质用植壤土(土壤类型为紫色土)与土壤活化粉混合物(保水剂、PAM、泥炭、鸡粪、复合肥、土壤消毒剂按一定的比例混合而成)按质量比65 ∶3混合(已考虑1.3的损耗系数)，采用干喷法喷射(12 m3空压机、5 m3/h混凝土喷射机)至试验坡面，平均厚度4 cm(构造见图2)。

图1 不同处理坡面分区布置(单位：cm)

图2 人工模拟边坡构造示意

说明：①将坡面清理后用砖砌成坡度为1 ∶0.5的坡面，铺上浆砌片石层；②锚杆采用φ10螺纹钢，间距为1.10 m×1.05 m，将铁丝网固定于锚杆上，距坡面2 cm；③铁丝网采用5 cm×5 cm的孔径；④喷射C20混凝土，厚度为3～5 cm，保证喷射后整个坡面的平整。

1.2.3 植物种子配比及用量

草本、木本植物混合种子的播种密度为400株/m2。其中草本植物有绣球小冠花、一年生黑麦草、苇状羊茅，播种密度为100株/m2；木本植物有白灰毛豆、二色胡枝子、白刺花、小叶锦鸡儿、多花木蓝、紫穗槐、银合欢、黄荆、刺槐，播种密度为300株/m2。

1.2.4 WPC植生网种子堆配比及种子袋规格

种子堆由黏土、越西泥炭、保水剂、PAM、消毒剂、复合肥按一定比例混合而成(已考虑1.4的损耗系数)。在裁截制作空种子袋时，单个种子袋平面设计尺寸为长10 cm、宽5 cm。

1.3 试验设计

1.3.1 不同覆盖材料对土壤表面温度的影响

试验设无纺布覆盖(WG)、稻草秸秆覆盖(DG)和对照无覆盖(CK)3个处理,每个处理2个重复。先将原坡面进行整理，在坡面钻孔、灌浆并安装锚杆，24 h后铺挂铁丝网，然后喷射基质，确保坡面厚度均匀(4 cm)。秸秆打结成毯子平铺在基质上，无纺布打孔后同样平铺。种子袋放在无纺布开孔处和秸秆网的对应位置，每个样方放置两排种子袋，每排7个，5个均匀分布在调查样方内，左右各1个分别布置在样方外试件内。最后在3个处理土壤表面层放上温度自动测定仪。

1.3.2 不同覆盖材料对植物萌发的影响

选取草本和木本种子为植物萌发试验材料，在试验之前对种子萌发率进行测定，播种前进行去杂、精选、浸种和消毒处理，保证品质纯净。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤温度测定

采用温度自动测定仪对不同处理的表层土壤温度进行测定，从播种后第一天开始，每天24 h实时监测，每30 min 记录一次数据，连续观测4周[12]。取每日2：00、8：00、14：00、20：00共4个时刻的温度数据，求其平均值，即得每日的日均温度。7天的日均温度求平均即得周均温度。

1.4.2 植物萌发率的测定

在植物种子萌发试验的终期末次计数时，观察计算正常发芽种子数占供试种子数的百分比，公式为

萌发率(%)=萌发种子数/种子总数×100%

1.4.3 数据分析

所有数据采用Microsoft Excel工作表进行处理及绘图。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖方式对表层土壤温度的影响

土壤系统与外界的热量交换主要为太阳辐射和地面的反射辐射、感应热交换、水分交换引起的热量交换等。覆盖种植对土壤系统的吸热和放热是有影响的，Monteith指出当湿度条件适宜时，播入土壤中的种子能否正常发芽，取决于土壤温度是否适宜[13]。

2.1.1 不同处理对表层土壤温度日变化的影响

播种后一周内日温度变化趋势相近，我们选择播种第三天即4月20日的土壤表层温度日变化进行分析，见图3。可以看出，10：00至16：00(太阳辐射较大的时间段)，3种处理的土壤温度均上升，其中CK上升得最快，而DG和WG因为其覆盖材料的吸热作用而有效地阻碍了地温的升高， 其土壤温度均比CK低；

图3 播种第三天的土壤表层温度日变化

16：00之后温度降低，CK处理的土壤温度迅速降低，而DG和WG处理因覆盖层具有保温效应，其土壤温度均比CK高。与DG处理相比，WG处理的表层土壤温度变化相对缓慢，温度高时升温慢，温度低时降温慢，日变化振幅明显较小。

该区4、5月气温偏低，降水偏多。由表1可知，4月下旬DG处理的日振幅比CK降低了1.20 ℃，WG处理比CK降低了2.70 ℃；5月上旬DG处理日振幅比CK降低了0.74 ℃，WG处理比CK降低了1.62 ℃。4、5月分析结果共同说明了WG处理比DG处理更能有效地减缓土壤温度日变化。

表1 不同处理对表层土壤日均温度的影响

注：表中数据均为每个处理的平均值。

2.1.2 不同处理对表层土壤温度周变化的影响

从表2可以得出，播种后连续4周3个处理的表层土壤周均温度均表现为DG>WG>CK。播种后1个月3个处理DG、WG、CK的表层土壤积温分别为563.6、554.5、433.7 ℃，按大小排序为DG>WG>CK。分析原因，可能与稻草秸秆本身的特性有关，秸秆导热性差且具有保墒作用，隔断了土壤表面与大气之间的乱流热交换，减少了蒸发失热，加上之前吸收的热量储存在覆盖层，导致其积温比WG处理高。研究表明土壤积温对植物种子萌发有不可忽视的影响[14]，这为下面分析比较不同覆盖层下的植物种子萌发率奠定了理论基础。

表2 不同处理对表层土壤周均温度的影响

2.2 不同覆盖方式对种子萌发率的影响

土壤温度是影响植物生长的重要因素，在土壤表层铺上覆盖物后，土壤温度变化趋于平缓，变化幅度减小，可以促进植物种子的萌发生长[15]。利用每周的日最高温度、日最低温度和日振幅来分析比较播种后第一周至第四周的植物(草本和木本)萌发率。

第一周，日最高温度WG(19.80 ℃)

图4 播种后表层土壤温度变化

从第二周开始，DG和WG的草本和木本植物快速萌发，草本植物萌发速度均高于木本，这可能是因为木本植物的脱分化较难、褐变率高及再生速度慢等自身原因造成的。木本植物萌发速度从第一周开始到第三周保持增长，第四周开始有下降趋势(图5)，尤其是WG处理，主要原因可能是WG的草本萌发率较高，草本植物快速生长和分蘖，在一定程度上影响了木本植物的萌发，其他原因有待进一步研究。

图5 播种后草本和木本植物萌发率变化

总之，在植物种子萌发过程中，WG处理的植物萌发率始终高于DG和CK处理。DG处理的土壤积温最大，但不利于植物生长，进一步说明温度剧烈变化或温度过高过低都会影响植物种子的萌发率。故在边坡生态修复中，覆盖物应该尽可能选择减缓土壤温度变化的材料。

3 结论与讨论

(1)从播种后第三天的表层土壤温度日变化可以看出，表层土壤接受较多太阳辐射时间段(10：00至16：00)，CK处理温度高于DG和WG，而在太阳辐射较少时间段(10：00以前、16：00以后)，CK处理温度低于DG和WG。这跟无纺布和秸秆本身的材料特性有关，两者都能调节土壤温差，都具有低温时升温、高温时降温的温度效应。DG日振幅高于WG日振幅，说明WG处理更能减缓土壤温度的变化，这与无纺布覆盖对土壤具有一定的保温作用且这种保温作用尤其对浅层5 cm土壤表现得更为突出的研究结果相一致[15]。

(2)从表层土壤温度周变化看出，WG、DG和CK处理均随着大气温度的变化而变化，变化趋势相似。DG处理的表层土壤周均温度与月积温均大于WG和CK处理，这是由于秸秆导热性不良，失热时秸秆覆盖的土壤温度下降速度慢于WG和CK处理，导致其覆盖层下的表层土壤温度高于WG和CK。

(3)两种覆盖方式引起的土壤表层温度变化不同，导致植物萌发率也有差异。第二周3个处理的日振幅较第一周大，植物萌发率(草本和木本)也均比第一周高，说明温度的适当提高可以提高种子萌发率。第一、二周WG处理的日振幅均小于DG和CK，WG植物萌发率(草本和木本)均高于DG和CK，说明温度变化大反而不利于种子萌发。DG和WG的草本植物萌发速度均高于木本，这可能是木本植物自身原因造成的。后期木本植物萌发速度开始下降可能是因为草本植物快速生长和分蘖，在一定程度上影响了木本植物的萌发，其他原因有待进一步研究。总体上说，WG处理的植物萌发率(草本和木本)始终高于DG和CK处理。在边坡生态修复工程中，覆盖物应该尽可能选择减缓土壤温度变化的材料。

[1] 周顺涛,辜彬,蔡胜,等.挡土翼工法在石质边坡生态恢复中的应用研究[J].水土保持通报,2009，29(2):188-191.

[2] 马帅帅,王英宇,宋桂龙,等.岩石边坡植被恢复初期土壤养分特征及其影响因素[J].水土保持通报,2013,33(3):24-28.

[3] 刘生学,王彩斌,刘广才,等.旱地籽瓜全膜覆盖垄上沟播技术土壤温度效应研究[J].现代农业科技,2010(2):111-113,115.

[4] 余璐璐,孙海龙,李绍才,等.无纺布覆盖高度对土壤水分蒸发的影响[J].中国水土保持,2011(3):42-44.

[5] 程建萍.无纺布覆盖水平沟对土壤温湿度及刺槐生长的影响[D].兰州:甘肃农业大学,2007：11-17.

[6] 姚宝林,施炯林.秸秆覆盖免耕条件下土壤温度动态变化研究[J].安徽农业科学,2008,36(3):1128-1129.

[7] 陈玉君,潘九林,伍纯六.稻草覆盖对早稻茬免耕秋玉米土壤温度和水分的调控效应[J].安徽农业科学,2009,37(7):3068-3069.

[8] 刘炜,高亚军,杨君林,等.旱地冬小麦返青前秸秆覆盖的土壤温度效应[J].干旱地区农业研究,2007,25(4):197-201.

[9] 党占平.旱地冬小麦不同覆盖模式土壤温度变化动态研究[J].中国农学通报,2009,25(19):319-322.

[10] 林涛,田有亮,王燕,等.基质含水量、温度条件对柠条等 5 种沙生植物种子萌发的影响[J].内蒙古农业大学学报:自然科学版,2008,29(4):30-33.

[11] 叶飞飞,孙海龙,李绍才,等.秸秆网厚度及用量对土壤水分蒸发的影响[J].中国水土保持,2011(1):60-63.

[12] 蒋高明.植物的温度及测定[J].植物杂志,1998(1):30-31.

[13] 韦雪松.温室覆盖材料热学性质研究[D].天津:天津大学,2005：9-13.

[14] Zhou Li-min,Li Feng-min,Jin Sheng-li,et al. How two ridges and the furrow mulched with plastic film affect soil water, soil temperature and yield of maize on the semiarid Loess Plateau of China[J].Field Crops Research,2009,113(1):41-47.

[15] 夏自强,赵胜领.地膜覆盖对土壤温度、水分的影响及节水效益[J].河海大学学报:自然科学版,1997,25(2):39-45.

(责任编辑 徐素霞)

S152.7

A

1000-0941(2015)01-0051-04

国家科技支撑计划项目(2012BAD11B03)

王琴(1990—)，女，四川绵阳市人，硕士研究生，主要从事生态与资源环境管理、植被恢复方面的研究；通信作者孙海龙(1976—)，男，黑龙江海林市人，讲师，博士，主要从事生态工程方面的研究。

2014-01-25

一些基础设施(如公路、铁路、水利、矿产等)在施工过程中，会不同程度地影响原地貌植被，造成大量的裸露边坡，而土质边坡自我恢复的过程相当漫长，只有借助人工措施才能加快其生态恢复过程。利用植被稳定边坡、改善生态环境在生态学上被称为边坡生态防护[1-2]。其中土壤是植物生长之本，而土壤温度影响植物的生长、发育和土壤的形成，它会随着地表附近气温的变化而呈现季节性起伏和昼夜变化[3]。

无纺布又称为不织布、丰收布，是由定向的或随机的纤维构成，是新一代环保材料，具有防潮、透气、柔韧、质轻、不助燃、容易分解、无毒无刺激性、色彩丰富、价格低廉、可循环再用等特点[4-5]，可用于露地及大棚、温室内浮面覆盖。

秸秆是成熟农作物茎叶(穗)部分的总称，通常是指小麦、水稻、玉米、薯类、油菜、棉花和其他农作物在收获籽实后的剩余部分。农作物光合作用的产物有一半以上存在于秸秆中[6]，秸秆富含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等，是一种具有多用途的可再生的生物资源。秸秆覆盖在地表，可以形成一层土壤与大气热交换的障碍层，既可以阻止太阳的直接辐射，也可以减少土壤热量向大气中散失，同时还可以有效地反射长波辐射[7-9]。因此，秸秆覆盖下土壤温度的年变化和日变化均趋缓和，低温时有“增温效应”，高温时有“降温效应”，这种双重效应对植物生长十分有利，能有效地缓解气温剧变对植物的伤害[10]。农业中有关稻草秸秆覆盖对土壤的温度效应的研究比较多，但是缺乏边坡