蚯蚓糞覆蓋對土壤水分蒸發(fā)過程的影響*

李彥霈 邵明安，，3? 王 嬌

（1 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌 712100）

（2 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101）

（3 中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100190）

土壤水分蒸發(fā)是干旱半干旱區(qū)農(nóng)田水分損失的重要途徑，是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一［1-2］，因此，國內(nèi)外針對土壤蒸發(fā)抑制技術(shù)開展了大量研究［3-5］。其中，地表覆蓋能夠改善農(nóng)田小氣候，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中受到普遍重視［6］。原翠萍等［7］研究發(fā)現(xiàn)，砂石覆蓋能夠有效抑制土壤蒸發(fā)，且抑制能力隨砂石粒徑的增大而降低；王曼華等［8］通過對秸稈覆蓋條件下的鹽堿地水分蒸發(fā)規(guī)律進行分析，指出秸稈覆蓋可顯著減少土壤水分蒸發(fā)，并且能夠抑制土壤返鹽；周宏偉等［9］利用自然覆蓋物進行了人工模擬蒸發(fā)實驗，結(jié)果表明，積沙層、鹽結(jié)皮層和枯落物阻隔土壤蒸發(fā)作用明顯；毛學森和曾江海［10］將水泥硬殼應(yīng)用于農(nóng)田，可使土壤蒸發(fā)減少75%～81%。

蚯蚓是土壤中的主要動物類群，在土壤表面和土體內(nèi)部可產(chǎn)生大量排泄物——蚯蚓糞，蚯蚓糞是土壤中優(yōu)良的團粒結(jié)構(gòu)，能夠改善土壤的通氣透水、蓄水保肥等性質(zhì)［11-12］。近年來，蚯蚓養(yǎng)殖業(yè)逐漸發(fā)展壯大，蚯蚓糞被廣泛用于育苗、土壤培肥、重金屬污染修復(fù)以及抑制作物病害等方面［13，17］。但目前國內(nèi)外針對蚯蚓糞的研究主要集中于土壤生物、化學等過程，而關(guān)于其對土壤物理過程的影響研究較少。已有研究表明，覆蓋于地表的蚯蚓糞能夠增加土壤表面的粗糙度進而影響水分入滲過程［18-19］，但尚未有相關(guān)研究分析蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發(fā)過程的影響。

本研究主要目的是探究蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發(fā)過程的影響。通過比較一定時段內(nèi)不同覆蓋厚度和覆蓋度條件下的土壤蒸發(fā)量和土壤累計蒸發(fā)量，以及蒸發(fā)過程中蚯蚓糞和土壤中有機質(zhì)含量變化，分析蚯蚓糞不同覆蓋條件對土壤蒸發(fā)過程的抑制作用，試圖揭示蚯蚓糞抑制土壤蒸發(fā)的機制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年6月15日至7月25日在陜西省楊凌區(qū)中國科學院水土保持研究所（108°07′E,34°30′N）試驗地進行。供試土壤類型為褐土類，塿土亞類。采自水土保持研究所試驗農(nóng)地，去除表層雜質(zhì)后，采集0～1 m的土壤樣品。土壤樣品清除根系等雜質(zhì)后自然風干，過2 mm篩備用。有機質(zhì)含量5.36 g kg-1，全氮0.81 g kg-1，顆粒組成為：砂粒5.92%，粉粒62.85%，黏粒31.23%。

試驗用蚯蚓糞由大平1號蚯蚓產(chǎn)生，具體收集方法為：蚯蚓加入磨碎的樹葉中，放置于溫度20℃、土壤水分含量10%～15%的條件下培養(yǎng)1個月，然后在表層收集蚯蚓糞，混合均勻后待用。蚯蚓糞有機質(zhì)含量18.92g kg-1，全氮8.77 g kg-1，全磷6.23 g kg-1，顆粒組成為：砂粒19.78%，粉粒59.69%，黏粒20.53%。

1.2 試驗方法

試驗用小型蒸發(fā)器為內(nèi)徑20 cm、壁厚0.5 cm、高25 cm的圓柱形聚氯乙烯（PVC）管，底部均勻分布6個直徑為0.4 cm的圓孔，墊上濾紙及紗布防止土壤漏出。風干塿土按容重1.3 g cm-3分層裝入桶內(nèi)至20 cm厚。將填裝好的蒸發(fā)器擺放于水槽中，蒸發(fā)器底部墊上2 cm厚的塑料泡沫，然后向水槽中緩緩加水至約蒸發(fā)器10 cm高處。24 h后，當蒸發(fā)器內(nèi)的土壤全部濕潤時，將蒸發(fā)器搬出水槽，并在其表面覆蓋一層塑料薄膜防止蒸發(fā)，靜置48 h排除重力水后稱重。試驗統(tǒng)一將土壤初始含水量控制在田間持水量附近，在自然條件下進行連續(xù)蒸發(fā)。試驗中用稱重法測定土壤蒸發(fā)量，用20 cm標準蒸發(fā)皿測定相同時段內(nèi)的大氣蒸發(fā)，標準蒸發(fā)皿放置于距離地面75 cm處。在蒸發(fā)器的土層上按不同厚度和覆蓋度（蚯蚓糞覆蓋面積與土壤橫截面積之比）隨機分散鋪設(shè)蚯蚓糞，共設(shè)置7個處理（見表1）。鋪設(shè)完畢后稱重記錄。在土壤表層垂直插入電子溫度計探頭，深度為3 cm，用于測定土壤表層溫度。每個處理設(shè)置3個重復(fù)。

表1 試驗處理Table 1 Experiment treatment

裝土完成后，將蒸發(fā)器放置于戶外空曠地，并用遮雨棚對蒸發(fā)器進行遮蓋以避免降雨影響。蚯蚓糞不同厚度和覆蓋度對土壤蒸發(fā)量影響的試驗分別進行，均連續(xù)測定15 d的土壤蒸發(fā)量，每天早晨8:00對蒸發(fā)器進行稱量，同時記錄土壤溫度和大氣蒸發(fā)力。同時，在蒸發(fā)試驗的第1天每隔1.5 h稱重，8:00開始至21:30結(jié)束，用于分析蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發(fā)量日變化的影響。

蒸發(fā)試驗開始前，從收集的蚯蚓糞中隨機選取4份重約1 g的團聚體，風干后過2 mm篩，利用重鉻酸鉀加熱法分別測定其有機質(zhì)含量，取平均值作為蚯蚓糞有機質(zhì)含量。土壤連續(xù)蒸發(fā)試驗結(jié)束后，收集各處理土壤表面的蚯蚓糞并將剩余的土壤混合均勻，分別測定蚯蚓糞及各處理土壤有機質(zhì)含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0計算各變量的描述性統(tǒng)計特征值及單因素方差分析，利用Origin8.5完成制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 蚯蚓糞覆蓋厚度對土壤蒸發(fā)過程的影響

土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力的比值可用于反映不同天氣條件下各處理蒸發(fā)速率的差異。圖1顯示了在不同蚯蚓糞覆蓋厚度條件下，各處理土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力的比值隨時間的變化。從圖中可以看出，在蒸發(fā)過程的前9 d，土壤蒸發(fā)量表現(xiàn)為覆蓋4 cm ＜ 2.5 cm ＜ 1 cm ＜裸土，即蚯蚓糞覆蓋厚度越大，土壤蒸發(fā)量越?。浑S著蒸發(fā)過程的繼續(xù)進行，不同處理之間的差異逐漸減小。蒸發(fā)前期，土壤含水量接近田間持水量，土壤水分充足，蒸發(fā)作用強烈，此時，蚯蚓糞覆蓋厚度越大，阻礙土壤水分向大氣散失的能力越強，因此，蚯蚓糞厚度大的土壤水分蒸發(fā)小于厚度小的土壤。以上結(jié)果說明：蚯蚓糞覆蓋可以有效抑制土壤水分蒸發(fā)，且覆蓋厚度越大，抑制力越強。隨著蒸發(fā)過程的進行，土壤中水分不斷損失，蒸發(fā)強度隨著土壤含水量的減少而降低。當?shù)乇硇纬筛赏翆雍?，水分通過干土層散失至大氣中主要是水汽擴散的緩慢過程，蒸發(fā)強度很低，受蚯蚓糞覆蓋的影響減弱，因此不同處理間無明顯差異。

蚯蚓糞不同覆蓋厚度對土壤累計蒸發(fā)量的影響見圖2。從圖中可以看出，隨著蚯蚓糞覆蓋厚度的增大，土壤累計蒸發(fā)量逐漸減少，累計蒸發(fā)量與時間近似呈線性關(guān)系。覆蓋厚度1 cm、2.5 cm和4 cm處理下的平均土壤累計蒸發(fā)量分別占大氣蒸發(fā)量的49.57%、47.61%和36.96%，而裸土的平均累計蒸發(fā)量占大氣蒸發(fā)量的55.48%，表明蚯蚓糞覆蓋可有效減少土壤水分散失，而且覆蓋厚度越大，土壤蒸發(fā)量較裸土減少越多。

圖3為在蚯蚓糞不同覆蓋厚度條件下土壤蒸發(fā)量在一天中的變化情況。從08:00至12:30，土壤蒸發(fā)強度不斷增加，12:30時土壤蒸發(fā)量達到最大值，之后大致呈下降趨勢。土壤蒸發(fā)量受溫度影響，溫度升高時蒸發(fā)量相應(yīng)增大。大部分時間段蚯蚓糞不同覆蓋厚度條件下土壤蒸發(fā)量從大到小的排序為：裸土＞1 cm覆蓋＞2.5 cm覆蓋＞4 cm覆蓋。至21:30時，覆蓋1 cm、2.5 cm和4 cm蚯蚓糞的平均土壤蒸發(fā)量較裸土分別降低了16.91%、38.40%、53.87%。就試驗時段的土壤蒸發(fā)量變化幅度而言，裸土的變幅（ACK= 20.00 g）和標準差（σCK=5.84 g）大于有蚯蚓糞覆蓋的土壤（A1= 17.33 g，A2.5= 13.67 g，A4= 14.33 g；σ1= 5.84 g，σ2.5=4.62 g，σ4= 4.64 g），說明蚯蚓糞覆蓋的土壤更不易受氣象條件等外部因素的影響，同時，蚯蚓糞厚度增加至2.5 cm時，土壤蒸發(fā)量的變幅和標準差均隨著蚯蚓糞覆蓋厚度的增加而降低，2.5 cm覆蓋厚度與4 cm差異不顯著，說明在一定范圍內(nèi)，蚯蚓糞覆蓋厚度越大，土壤蒸發(fā)過程受氣象條件等外部因素影響越小?？傮w而言，蚯蚓糞覆蓋厚度對土壤蒸發(fā)過程存在較顯著的影響。

圖1 不同覆蓋厚度下土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力的比值Fig. 1 Ratio of soil evaporation to atmospheric evaporation relative to mulch thickness

圖2 不同覆蓋厚度條件下土壤累計蒸發(fā)量隨時間的變化Fig. 2 Temporal variation of soil cumulative evaporation relative to mulch thickness

圖3 不同覆蓋厚度條件下土壤蒸發(fā)量日變化Fig. 3 Daily variation of soil evaporation relative to mulch thickness

2.2 蚯蚓糞覆蓋度對土壤蒸發(fā)過程的影響

蚯蚓糞不同覆蓋度條件下土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力比值連續(xù)15 d的動態(tài)變化過程如圖4。從圖中可以看出，在蒸發(fā)過程的第1天，所有處理的土壤蒸發(fā)量均較高，占同期大氣蒸發(fā)力的91.11% ～97.78%，其中，覆蓋度90%的土壤平均蒸發(fā)量最低（93.09%）。第2天至第4天，不同處理的土壤日蒸發(fā)量均變化很小，覆蓋度90%的土壤蒸發(fā)量顯著小于其他三個處理，而裸土的日蒸發(fā)量最高。第5天開始，所有處理的土壤蒸發(fā)量均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，不同處理的土壤日蒸發(fā)量從高到低依次為：覆蓋度30% ＞覆蓋度60% ＞覆蓋度90% ＞裸土。裸土的蒸發(fā)量小于蚯蚓糞覆蓋的土壤可能是由于裸土的水分散失較快，其表層發(fā)生板結(jié)阻礙水分蒸發(fā)［20］。而對于覆蓋蚯蚓糞的三種處理而言，在覆蓋厚度一定的情況下，覆蓋面積越大，土壤與大氣的接觸面積越小，對蒸發(fā)的抑制越強，土壤蒸發(fā)量越小。

圖4 不同覆蓋度條件下土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力的比值Fig. 4 Ratio of soil evaporation to atmospheric evaporation relative to mulching coverage

圖5顯示了蚯蚓糞不同覆蓋度條件下土壤累計蒸發(fā)量隨時間的變化。由圖可以看出，蒸發(fā)前期覆蓋度90%的土壤累計蒸發(fā)量明顯小于其他三個處理，但覆蓋度30%、60%和裸土的土壤累計蒸發(fā)量差異不明顯。隨著蒸發(fā)過程的進行，裸土的累計蒸發(fā)量逐漸小于覆蓋度30%和60%的處理，但仍高于覆蓋度90%的土壤。在蒸發(fā)過程的最后4天，裸土的累計蒸發(fā)量與覆蓋度90%的土壤基本一致。此外，對比覆蓋度為90%覆蓋厚度分別為2 cm和2.5 cm條件下土壤累計蒸發(fā)量變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)前者的土壤蒸發(fā)速率在前9天較高，之后出現(xiàn)明顯的降低，而后者的蒸發(fā)速率則基本穩(wěn)定。這主要是由于二者試驗同期的氣象條件存在差異。對于覆蓋厚度2 cm的處理，其試驗前期的外界氣溫高于覆蓋厚度2.5 cm的處理，后期則相對較低，因此，土壤水分在蒸發(fā)過程前期散失較快，蒸發(fā)速率較高，后期由于土壤含水量較低，蒸發(fā)速率下降。而對于覆蓋厚度為2.5 cm的處理，由于其前期水分損失相對較少，且后期外界氣溫較高，因此，蒸發(fā)速率無明顯變化。雖然土壤蒸發(fā)過程在相似覆蓋條件下存在差異，但均能夠有效減少土壤蒸發(fā)量。

圖5 不同覆蓋度條件下土壤累計蒸發(fā)量隨時間的變化Fig. 5 Temporal variation of soil cumulative evaporation relative to mulching coverage

圖6為在不同覆蓋度的蚯蚓糞覆蓋條件下土壤蒸發(fā)量在一天內(nèi)的變化情況。由圖可知，不同處理的土壤在一天中蒸發(fā)量先增大后減小，在12:30至14:00最大，8:00至9:30最小。在8:00至11:00之間，土壤蒸發(fā)量從高到底依次為：裸土＞覆蓋度30%＞ 60% ＞ 90%；在11:00之后則為：覆蓋度30%＞覆蓋度60% ＞裸土＞覆蓋度90%。盡管表層板結(jié)導(dǎo)致裸土的蒸發(fā)量較低，但覆蓋度90%的土壤蒸發(fā)量仍小于裸土，其在試驗時段內(nèi)的累計蒸發(fā)量是裸土的89%。說明當蚯蚓糞覆蓋度較大時，對土壤蒸發(fā)的抑制作用較為明顯。

2.3 蚯蚓糞覆蓋對土壤有機質(zhì)含量的影響

圖6 不同覆蓋度條件下土壤蒸發(fā)量日變化Fig. 6 Daily variation of soil evaporation relative to mulching coverage

蒸發(fā)過程結(jié)束后各處理土壤的有機質(zhì)含量見表2。試驗開始時土壤有機質(zhì)含量為5.36 g kg-1，結(jié)束時所有處理的土壤有機質(zhì)含量均有所下降。其中，無蚯蚓糞覆蓋的土壤有機質(zhì)含量減少了23.32%，高于有蚯蚓糞覆蓋的處理，并且土壤有機質(zhì)減少量隨著蚯蚓糞覆蓋厚度和覆蓋度的增加而減小。分別對蚯蚓糞不同覆蓋厚度和覆蓋度的土壤有機質(zhì)含量進行方差分析，可以看出：蚯蚓糞覆蓋可顯著增加土壤有機質(zhì)含量。對于覆蓋不同厚度蚯蚓糞的土壤來說，當覆蓋厚度由1 cm增加至2.5 cm時，土壤中有機質(zhì)含量顯著增加，但當厚度增加至4 cm時，有機質(zhì)含量無顯著性提高。而對于覆蓋厚度一定但覆蓋度不同的土壤而言，增大蚯蚓糞覆蓋度可顯著提高土壤有機質(zhì)含量。

本試驗所用蚯蚓糞的有機質(zhì)含量在蒸發(fā)過程開始為18.92 g kg-1，為土壤有機質(zhì)含量的3.53倍。土壤有機質(zhì)能夠促進團聚體結(jié)構(gòu)的形成，進而改善其吸水和持水能力［21-22］。蚯蚓吞食土壤后形成的團聚體結(jié)構(gòu)疏松，具有較大的毛管孔隙度和較高的有機質(zhì)含量［23-24］，因此，蚯蚓糞較土壤具有更好的保水性能。此外，本研究結(jié)果表明，蚯蚓糞的覆蓋還能夠有效增加土壤有機質(zhì)含量，在一定程度上也提高了土壤的持水能力。

3 結(jié) 論

蚯蚓糞覆蓋對土壤水分蒸發(fā)有一定的抑制作用，且與蚯蚓糞的覆蓋厚度和覆蓋度有密切關(guān)系。在相同的覆蓋度條件下，土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力的比值隨蚯蚓糞覆蓋厚度的增加而減?。煌寥览塾嬚舭l(fā)量與時間近似呈線性關(guān)系，而且覆蓋厚度越大，蒸發(fā)過程受氣象等外界條件的影響越弱，蒸發(fā)強度的日變化幅度越小。蚯蚓糞覆蓋度對土壤蒸發(fā)過程的影響小于覆蓋厚度，覆蓋度較大時，抑制土壤蒸發(fā)的效果較為明顯。進一步分析蒸發(fā)前后蚯蚓糞和各處理土壤有機質(zhì)含量的變化，表明蚯蚓糞能夠有效增加土壤有機質(zhì)含量，從而增強土壤的保水、持水性能。

表2 不同覆蓋條件下蒸發(fā)過程結(jié)束土壤有機質(zhì)含量Table 2 Soil organic matter content after the experiment relative to treatment

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