白膜、黑膜全年覆蓋下的土壤水、熱、鹽變化*

吳賢忠, 李 毅, 高志永, 董建國

?

白膜、黑膜全年覆蓋下的土壤水、熱、鹽變化*

吳賢忠1,2, 李 毅1**, 高志永3, 董建國4,5

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 蘭州 730070; 2. 甘肅民族師范學(xué)院物理與水電工程系 合作 747000; 3. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程分院 楊凌 712100; 4. 中國科學(xué)院/教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心 楊凌 712100; 5. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 楊凌 712100)

地膜覆蓋因能有效地增溫保墑增產(chǎn)而在黃土丘陵區(qū)旱作農(nóng)林生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。為明確不同薄膜覆蓋的差異以及連續(xù)覆膜條件下的土壤水熱鹽變化特征, 于2015年7月1日—2017年6月30日在陜北米脂進(jìn)行野外連續(xù)覆膜定位觀測, 試驗(yàn)設(shè)裸地(CK)、白色薄膜(WF)與黑色薄膜(BF)3種處理, 利用GS3儀器監(jiān)測0~150 cm深度的土壤水分、溫度和電導(dǎo)率。結(jié)果表明: 1)連續(xù)覆蓋兩年后, 兩種覆膜處理平均土壤含水量為16.9%, CK為13.6%, 土壤儲(chǔ)水量分別達(dá)314.56 mm、204.44 mm, 具體表現(xiàn)為土壤含水量BF在0~15 cm高于WF(<0.05), 15~30 cm低于WF(<0.05); 0~150 cm, WF和BF總儲(chǔ)水量差異不顯著, 與CK差異顯著(<0.05); 在作物生育期覆膜平均較CK提高儲(chǔ)水量60.8 mm。2)膜覆蓋下近地面日溫差WF大于BF, 0~150 cm, 兩種覆膜周年土壤平均溫度無顯著差異, 較CK高1.3 ℃(<0.05); 氣溫較高條件下WF比BF、CK縮短凍融時(shí)間分別達(dá)8 d和24 d, WF更有利于土壤解凍和早春土壤增溫。3)周年土壤表層鹽分高, 其中0~30 cm土層電導(dǎo)率為BF>WF>CK, 30~50 cm土層為WF>BF>CK, 但土壤總體鹽分較低, 無土壤鹽漬化趨勢(shì), 50 cm以下3種處理鹽分沒有差異。綜合而言, WF較BF更能提高表層土壤溫度, BF較WF更能提高表層土壤水分, 覆膜保墑增溫, 延長作物生長時(shí)間。研究成果可為黃土丘陵區(qū)旱作農(nóng)業(yè)覆膜應(yīng)用提供土壤水熱鹽調(diào)控依據(jù), 也為果園和林地常年連續(xù)覆膜提供參考。

薄膜覆蓋; 水鹽運(yùn)移; 土壤溫度; 連續(xù)覆膜; 水分恢復(fù); 黃土丘陵區(qū)

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國典型黃土高原丘陵溝壑區(qū)陜西省米脂縣遠(yuǎn)志山(108°49′E, 37°25′N, 坡度為21°~39°), 樣地海拔890 m, 屬于中溫帶半干旱性氣候區(qū)。該區(qū)年均氣溫8.5 ℃, 年≥0 ℃積溫3 281 ℃, 年輻射總量582.7 kJ?cm-2, 年日照時(shí)數(shù)2 372.7 h, 年均無霜期165 d, 年均降水量451.6 mm, 主要集中在7—9月, 年潛在蒸發(fā)量為1 600 mm左右。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土, 土壤容重為1.29~1.31 g?cm-3, 參考美國農(nóng)業(yè)部土壤分類圖(USDA Soil Texture Triangle), 0~150 cm土壤中粉粒含量最高(47.62%~50.10%), 其次為砂粒(43.88%~46.53%), 黏粒含量最低(5.89%~7.06%), 為粉質(zhì)壤土。試驗(yàn)地土壤全氮、全磷、全鉀平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為34.7 mg?kg-1、2.9 mg?kg-1、101.8 mg?kg-1, 有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.1 mg?kg-1, pH為8.6, 飽和持水量為39.8%, 田間持水量為23.4%(質(zhì)量含水率), 地下水埋深超過50 m。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)布設(shè)于研究區(qū)水平階地上, 無作物種植, 布設(shè)時(shí)間為2015年7月1日至2017年6月30日, 設(shè)計(jì)壟寬50 cm, 壟高20 cm, 溝寬20 cm, 壟上覆膜, 選取白色薄膜(WF)和黑膜(BF)2種覆蓋處理, 以裸地?zé)o覆蓋作為對(duì)照(CK), 每個(gè)處理重復(fù)3次, 試驗(yàn)地面積為3.6 m×2.3 m, 小區(qū)面積為1.2 m×2.3 m, 3個(gè)小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列, 為避免小區(qū)之間土壤水熱互相影響, 提高小區(qū)水熱觀測數(shù)據(jù)的精確度, 各個(gè)小區(qū)間用牛毛氈隔離, 試驗(yàn)地周邊挖1 m深槽, 埋設(shè)厚塑料布將周邊土壤隔離, 以防止周邊土壤水分對(duì)試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)生影響。試驗(yàn)布設(shè)見圖1。

圖1 試驗(yàn)布設(shè)示意圖

WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land.

1.2.2 測定項(xiàng)目及方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集自2015年7月1日開始, 土壤水分、溫度、電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集于距地表5 cm、15 cm、30 cm、50 cm、75 cm、100 cm、125 cm、150 cm處分別埋設(shè)美國Decagon公司生產(chǎn)的GS3土壤水分、溫度、電導(dǎo)率傳感器, 儀器精度土壤體積含水量為±3%, 土壤溫度為±1 ℃, 電導(dǎo)率為±10%, 利用Em 50數(shù)據(jù)采集器, 以30 min為步長采集土壤不同深度的含水量(, cm3?cm-3)、溫度(, ℃)和電導(dǎo)率(, mS?cm-1)?？紤]到土壤水分探針在監(jiān)測冬季土壤水分的不準(zhǔn)確性, 冬季土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采用內(nèi)插法獲得。土壤儲(chǔ)水量計(jì)算采用公式(1):

W=10′(1)

式中:為土壤儲(chǔ)水量, mm;為土層深度, cm;為土壤體積含水量, cm3?cm-3。

ΔW=初–末(2)

式中:初為時(shí)段初土壤儲(chǔ)水量, mm;末為時(shí)段末土壤儲(chǔ)水量, mm。

在距試驗(yàn)地100 m處布設(shè)有小型自動(dòng)氣象站, 監(jiān)測步長為10 min, 用于測定降雨(mm)、氣溫(℃)、凈輻射(w?m-2)、相對(duì)濕度(%)、風(fēng)速(m?s-1)等氣象指標(biāo)。

司機(jī)一怔，文化廳的車，常跑省委宣傳部、電視臺(tái)、幾大藝術(shù)院團(tuán)、各基層市，從沒有去過公安廳。司機(jī)覷后視鏡，何良諸臉色蒼白，丟魂失魄，像個(gè)投案自首者。司機(jī)將煙蒂塞進(jìn)暗盒內(nèi)，關(guān)閉音響，啟動(dòng)了轎車。

1.2.3 資料統(tǒng)計(jì)與分析

利用Microsoft Excel 2010與SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析, 方差分析采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(<0.05), 采用Origin 9.0軟件繪圖, 采用Surfer 12軟件繪制等值線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑、白膜覆蓋下土壤水分特征變化

長期覆膜對(duì)土壤水分變化的影響十分顯著, 本研究按照周年降水量特點(diǎn), 將土壤水分劃分為水分補(bǔ)充期(7—10月)、水分損失期(11—翌年3月)、水分補(bǔ)充過渡期(4—6月)3個(gè)階段。試驗(yàn)的3種處理在不同時(shí)期的土壤儲(chǔ)水量如圖2所示。試驗(yàn)期間的兩個(gè)土壤水分補(bǔ)充期各處理土壤儲(chǔ)水量均呈現(xiàn)增長趨勢(shì), 0~150 cm土層內(nèi)兩個(gè)土壤水分補(bǔ)充期WF、BF處理土壤儲(chǔ)水量接近, 為272.0 mm、316.0 mm, 分別增加52.42 mm、41.87 mm左右, CK處理兩次土壤水分補(bǔ)充期土壤儲(chǔ)水量分別為257.68 mm、255.32 mm, 分別增加36.54 mm、45.06 mm。以上分析看出, 膜覆蓋不但土壤儲(chǔ)水量明顯高于CK, 而且第2年土壤儲(chǔ)水量高于第1年, CK土壤儲(chǔ)水量兩年幾乎相等。從當(dāng)年土壤儲(chǔ)水量增加值看, 膜覆蓋第2年新增儲(chǔ)水量小于第1年, 也小于CK, 說明原有土壤水分在18.5%以上的情況下增加土壤儲(chǔ)水量難度會(huì)加大。土壤水分補(bǔ)充期正值作物生長關(guān)鍵期, 膜覆蓋下顯著的水分增加是作物增產(chǎn)的關(guān)鍵。土壤水分損失期各處理的土壤水分呈現(xiàn)損失下降的特點(diǎn), 0~150 cm土層內(nèi)兩個(gè)土壤水分損失期WF處理減少水分很小, 平均值為1.45 mm, BF處理減少水分平均值為1.47 mm, WF處理和BF處理土壤儲(chǔ)水量減少幾乎一樣, CK處理兩個(gè)土壤水分損失期儲(chǔ)水量損失平均值22.55 mm, 大約是兩種膜覆蓋處理的15倍。由圖3可看出, 0~15 cm土層, BF處理土壤含水率高于WF處理, 差異顯著(<0.05); 15~30 cm土層, WF處理土壤含水率高于BF處理, 差異顯著(<0.05); 0~30 cm土層土壤儲(chǔ)水量WF處理和BF處理分別為54.24 mm、55.68 mm, 二者基本相同。30 cm土層以下, 兩種覆膜處理無顯著差異, 0~150 cm各層土壤中CK處理的土壤含水率均顯著低于兩種膜覆蓋處理。

試驗(yàn)結(jié)果還表明(圖3), 兩種膜覆蓋整體土壤水分表現(xiàn)出逐年增加, 明顯好于CK處理。0~30 cm土層, 兩種膜覆蓋第1年平均含水量為16.6%, 第2年為18.4%, 增加10.8%; CK處理第1年平均含水量為13.3%, 第2年為12.4%, 減少7.1%。30~50 cm土層, 兩種膜覆蓋第1年平均含水量為15.8%, 第2年為17.1%, 增加8.4%; CK處理第1年平均含水量為15.4%, 第2年為14.4%, 減少6.2%。50 cm以下土層, 兩種膜覆蓋第1年平均含水量為16.3%, 第2年為16.6%, 增加1.7%; CK處理第1年平均含水量為14.7%, 第2年為13.8%, 減少6.3%。也就是說, 兩種膜覆蓋措施更有利于土壤深層水分的恢復(fù), 這對(duì)前期干化土壤的水分修復(fù)有著十分重要的意義。

圖2 不同覆膜處理下周年不同時(shí)段的土壤儲(chǔ)水量變化

WF、BF、CK分別為白膜處理、黑膜處理和裸地對(duì)照。Δ為時(shí)段初期與末期土壤儲(chǔ)水量變化量,末為時(shí)段末土壤儲(chǔ)水量。不同小寫字母表示不同處理之間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land. Δ: change in soil water storage from the beginning to the end of the period; W末: soil water storage at the end of the period. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (< 0.05).

2.2 黑、白膜覆蓋土壤溫度變化特征

冬季的氣溫決定土壤凍融期的長短, 周年地膜覆蓋可以縮短土壤凍融期。如圖4所示, 圖中紅色0 ℃線為凍融曲線。在氣溫驟降(2015年12月16日降至-8.4 ℃)情況下(圖4a、c、e), 兩種覆膜處理下30 cm土層凍結(jié)較CK推遲6 d, 5 cm土層兩種覆膜處理的融解時(shí)間較CK提前3 d; 在氣溫較高的2016年(圖4b、d、f), 兩種覆膜處理在近地表層(5 cm土層)凍結(jié)可推遲20 d, 30 cm土層WF處理較CK融解提前13 d, BF處理較CK融解提前5 d。覆膜縮短土壤凍融時(shí)間的作用, 對(duì)于促進(jìn)植物提前發(fā)芽, 延長作物生長期具有積極意義。

圖4a-f所示, 由兩年平均溫度可以看出, 植物生育期(4—10月), 0~50 cm土層WF、BF、CK處理分別為17.36 ℃、16.46 ℃、15.43 ℃, WF處理土壤溫度略高于BF處理, CK土壤溫度最低。其中4—5月, WF、BF、CK處理的平均溫度為18.16 ℃、16.79 ℃、15.78 ℃, 最高溫度為30.81 ℃、27.07 ℃、24.40 ℃, WF處理分別高于BF處理、CK 3.74 ℃、6.41 ℃, 可見WF處理在該時(shí)段增溫效果最為顯著。最低溫度存在于土壤最底層, 分別為8.32 ℃、8.08 ℃、7.92 ℃,WF處理高于CK處理0.4 ℃。從周年變化來看, 0~150 cm土層內(nèi)兩種覆膜處理年平均溫度接近, 高于CK處理1.3 ℃左右。

圖3 不同覆膜處理下不同深度土壤含水率動(dòng)態(tài)變化

WF、BF、CK分別為白膜處理、黑膜處理和裸地對(duì)照。WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land.

圖4 不同覆膜處理下土壤溫度時(shí)空變化等值線圖

WF、BF、CK分別為白膜處理、黑膜處理和裸地對(duì)照。a、c、e別為WF、BF、CK處理2015年7月—2016年6月期間土壤溫度變化; b、d、f分別為WF、BF、CK處理2016年7月—2017年6月期間土壤溫度變化。WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land. Figure a, c and e show soil temperature change from July 2015 to June 2016 under treatments of WF, BF and CK, respectively. Figure b, d and f show soil temperature change from July 2016 to June 2017 under treatments of WF, BF and CK, respectively.

近地表是土壤水分蒸發(fā)和能量傳輸?shù)幕钴S和關(guān)鍵地帶。選擇3個(gè)典型晴天(2016年5月9—11日)和3個(gè)典型陰天(2016年5月12—14日), 分別繪制3日大氣溫度和3種處理15 cm土層的時(shí)平均溫度晝夜變化曲線(圖5)。根據(jù)圖5a、5b, 晴天與陰天CK的土壤溫度均最低, 分別為19.53 ℃、18.93 ℃, WF處理土壤溫度比CK分別高1.85 ℃、1.32 ℃, BF處理比CK分別高0.7 ℃、0.82 ℃, WF處理在太陽輻射下提高溫度快, 升溫最高(圖5a)。晴天WF處理溫度變化為18.72~24.05 ℃, 較CK的最大值和最小值高2.35 ℃和1.3 ℃, 較BF處理的最大值和最小值高1.7 ℃和0.6 ℃; 陰天3種處理土壤溫度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì), BF處理土壤溫度降幅最小。

圖5 不同覆膜處理下0~15 cm土層土壤溫度的晝夜變化動(dòng)態(tài)

WF、BF、CK分別為白膜處理、黑膜處理和裸地對(duì)照。WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land.

2.3 黑、白膜覆蓋對(duì)土壤鹽分的影響

試驗(yàn)兩年內(nèi)不同處理土壤電導(dǎo)率在土壤剖面的動(dòng)態(tài)變化如圖6所示。不同處理下土壤鹽分與水分(圖3)變化趨勢(shì)基本一致, 符合鹽隨水走的運(yùn)移規(guī)律。由圖6中兩年平均土壤鹽分可以看出, 3種處理土壤表層鹽分最高, 隨著土壤加深鹽分逐漸降低,50 cm以下3種處理沒有差異。0~30 cm土層, CK土壤平均鹽分最低, BF處理較CK高46.9%, WF處理較CK高40.8%, BF處理顯著高于WF和CK處理(<0.05); 30~50 cm土層, WF處理土壤平均鹽分顯著高于BF處理和CK(<0.05), BF處理與CK接近(>0.05)。圖6也一定程度反映出隨土壤深度增加鹽分變化減弱的規(guī)律。為了更清晰分析鹽分變化與土壤深度之間的關(guān)系, 利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)兩年內(nèi)不同深度土層鹽分的均值、均方差()、變異系數(shù)(CV)進(jìn)行分析(圖7)。從圖7可以看出, 0~50 cm土層中, 0~5 cm土層土壤鹽分變化最為明顯, 0~15 cm土層變化較為明顯。在水分補(bǔ)充期(7—10月)、水分損失期(11月—翌年3月)、水分過渡期(4—6月), 0~5 cm土層WF和BF處理土壤鹽分變異相近, 3個(gè)時(shí)期的變異值分別為0.56、0.51、0.58, 較CK高56.9%、56.1%、65.5%; 0~15 cm土層, WF和BF處理土壤鹽分變異相同, 3個(gè)時(shí)期的變異值分別為0.35、0.37、0.32, 較CK高10.6%、17.3%、42.3%。0~5 cm土層鹽分變異周年內(nèi)4—6月最大, 這是因?yàn)樵撾A段是由旱季轉(zhuǎn)向雨季, 土壤水分變化幅度較大所致。膜下土壤表層鹽分聚集, 連續(xù)覆膜兩年后, 兩種覆膜處理電導(dǎo)率最大值為0.14 mS?cm-1, CK最大值為0.12 mS?cm-1, WF、BF、CK年平均值分別為0.069 mS?cm-1、0.077 mS?cm-1、0.068 mS?cm-1(圖6), 土壤鹽分含量均處于較低水平[26]。由此可見長期地膜覆蓋條件下土壤鹽分并沒有達(dá)到土壤次生鹽漬化的程度。

圖6 不同覆膜處理下不同深度土壤平均電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)變化

WF、BF、CK分別為白膜處理、黑膜處理和裸地對(duì)照。WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land.

圖7 不同覆膜處理下不同深度土壤鹽分變異特征

WF、BF、CK分別為白膜處理、黑膜處理和裸地對(duì)照。圖a、b和c分別代表7—10月、11月—翌年3月和4—6月。WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land. a: July to October; b: November to March of the next year; c: April to June.

3 討論

地膜覆蓋可降低土壤水分的無效蒸發(fā)和熱量散失, 增溫保墑, 可顯著改善土壤水熱條件[1-4], 類似報(bào)道和研究較多。以往膜覆蓋應(yīng)用和研究多是在作物生長情況下開展, 膜覆蓋產(chǎn)生的保墑作用往往很快用于作物生長, 也就是膜覆蓋增加的土壤水分會(huì)被作物全部利用, 促進(jìn)作物生長, 而留在土壤中的水分很少, 甚至導(dǎo)致土壤干層, 這就為準(zhǔn)確研究膜覆蓋下土壤水分效應(yīng)帶來很大干擾。本研究在無作物種植條件下探明黑白膜覆蓋土壤近地表層的水分差異, 這可以更精確地確定覆膜可以為植物生長多提供的水量, 也是對(duì)以往研究的有益補(bǔ)充和完善。本研究表明, 當(dāng)?shù)刈魑锷诤?、白膜覆蓋土壤儲(chǔ)水量增加較裸地多60.8 mm, 為作物生長提供了更多的水分, 這是膜覆蓋作物增產(chǎn)的主要因素。以往的研究覆膜增加土壤水分要小[20-22]。從年新增土壤水分看, 覆膜第2年新增儲(chǔ)水量小于第1年, 甚至小于裸地處理, 這說明原有土壤水分高的情況下增加土壤儲(chǔ)水量難度會(huì)加大, 即適度的土壤干化有利于雨水吸收和儲(chǔ)水, 或者說保持適當(dāng)?shù)闹参锓N植耗水有益于增加土壤儲(chǔ)水量。同時(shí)發(fā)現(xiàn), 0~150 cm土層, 膜覆蓋下逐年土壤水分儲(chǔ)量呈增加趨勢(shì), 但裸地逐年儲(chǔ)水量呈減少趨勢(shì), 所以認(rèn)為長期連年覆膜是一項(xiàng)有利于促進(jìn)深層水分恢復(fù)的措施。以往研究膜覆蓋下的水分效應(yīng)多在作物生育期進(jìn)行, 很少見到覆膜在冬季減少土壤損失的報(bào)道。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膜覆蓋基本可以避免冬季土壤水分損失, 冬季裸地處理土壤儲(chǔ)水量損失大約是膜覆蓋處理的15倍, 這個(gè)作用對(duì)于抵抗春季干旱有十分積極的意義。另外, 冬季覆膜較裸地可以縮短土壤凍融時(shí)間, 更有利于田間作物的提前返青和生長, 延長了植物生長時(shí)間, 并在第2年的4—5月期間顯著增溫, 這對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也十分重要。白膜較黑膜更能提高地表溫度, 所以對(duì)于早期育苗或者需要促進(jìn)早春發(fā)芽時(shí)建議采用白膜覆蓋。黑膜較白膜更能提高地表水分, 因此在夏季為了提高土壤水分和平抑土壤溫度, 防止雜草生長建議采用黑膜覆蓋, 這與江燕等[27]的研究結(jié)論一致, 與曹寒等[28]的研究結(jié)論部分不一致, 可能與作物生長后遮擋太陽輻射有關(guān)。

土壤鹽漬化是世界上許多干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降的主要原因[29]。試驗(yàn)觀測雖然證明膜覆蓋下土壤表層鹽分明顯高于裸地處理, 但是水分含鹽量不變, 因此隨著水分含量的波動(dòng)鹽分也波動(dòng), 當(dāng)植物利用造成土壤水分降低時(shí)也會(huì)降低鹽分, 不會(huì)造成土壤鹽漬化, 這與丁建麗等[30]的觀點(diǎn)一致。

4 結(jié)論

1)兩種覆膜處理中, 0~15 cm土層黑膜較白膜處理土壤水分高, 15~30 cm土層白膜較黑膜處理土壤水分高, 但0~150 cm土層兩種覆膜無差異。膜覆蓋在作物生育期土壤儲(chǔ)水量較裸地增加60.8 mm, 非生育期土壤水分損失較裸地處理少21.1 mm。

2)覆膜縮短土壤凍融時(shí)間, 白膜覆蓋下土壤融解較黑膜覆蓋可提前8 d, 4—5月白膜增溫效果最為顯著, 適宜早期育苗或者促進(jìn)早返青的作物。

3)3種處理周年土壤鹽分均表現(xiàn)為表層高于下層, 0~50 cm土層3種處理存在顯著差異, 其中0~30 cm土層為黑膜覆蓋>白膜覆蓋>裸地, 30~50 cm土層為白膜覆蓋>黑膜覆蓋>裸地, 50 cm以下3種處理鹽分沒有差異, 土壤總體鹽分較低, 無土壤鹽漬化趨勢(shì)。

[1] 王俊, 李鳳民, 宋秋華, 等. 地膜覆蓋對(duì)土壤水溫和春小麥產(chǎn)量形成的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 14(2): 205–210 WANG J, LI F M, SONG Q H, et al. Effects of plastic film mulching on soil temperature and moisture and on yield formation of spring wheat[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(2): 205–210

[2] 員學(xué)鋒, 吳普特, 汪有科. 地膜覆蓋保墑灌溉的土壤水、熱以及作物效應(yīng)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2006, 25(1): 25–29 YUAN X F, WU P T, WANG Y K. Study on the effect of irrigation under plastic preservation of soil moisture on soil and crop[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2006, 25(1): 25–29

[3] 張治, 田富強(qiáng), 鐘瑞森, 等. 新疆膜下滴灌棉田生育期地溫變化規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011, 27(1): 44–51 ZHANG Z, TIAN F Q, ZHONG R S, et al. Spatial and Temporal pattern of soil temperature in cotton field under mulched drip irrigation condition in Xinjiang[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(1): 44–51

[4] 李榮, 王艷麗, 吳鵬年, 等. 寧南旱區(qū)溝壟覆蓋改善土壤水熱狀況提高馬鈴薯產(chǎn)量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2017, 33(10): 168–175 LI R, WANG Y L, WU P N, et al. Ridge and furrow mulching improving soil water-temperature condition and increasing potato yield in dry-farming areas of south Ningxia[J]. Transactions of the CSEA, 2017, 33(10): 168–175

[5] 王彩絨, 田霄鴻, 李生秀. 溝壟覆膜集雨栽培對(duì)冬小麥水分利用效率及產(chǎn)量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2004, 37(2): 208–214 WANG C R, TIAN X H, LI S X. Effects of plastic sheet-mulching on ridge for rainwater-harvesting cultivation on WUE and yield of winter wheat[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2004, 37(2): 208–214

[6] 王琦, 張恩和, 李鳳民. 半干旱地區(qū)膜壟和土壟的集雨效率和不同集雨時(shí)期土壤水分比較[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 24(8): 1816–1819 WANG Q, ZHANG E H, LI F M. Runoff efficiency and soil water comparison of plastic-covered ridge and ridge with compacted soil at different rainfall harvesting stages in semiarid area[J]. Acta Ecologica Sinica, 2004, 24(8): 1816–1819

[7] 馬忠明, 杜少平, 薛亮. 不同覆膜方式對(duì)旱砂田土壤水熱效應(yīng)及西瓜生長的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(5): 1295–1302 MA Z M, DU S P, XUE L. Influences of different plastic film mulches on temperature and moisture of soil and growth of watermelon in gravel-mulched land[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(5): 1295–1302

[8] 侯慧芝, 王娟, 張緒成, 等. 半干旱區(qū)全膜覆蓋壟上微溝種植對(duì)土壤水熱及馬鈴薯產(chǎn)量的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2015, 41(10): 1582–1590 HOU H Z, WANG J, ZHANG X C, et al. Effects of mini-ditch planting with plastic mulching in ridges on soil water content, temperature and potato yield in rain-fed semiarid region[J]. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(10): 1582–1590

[9] 王紅麗, 張緒成, 宋尚有, 等. 旱地全膜雙壟溝播玉米的土壤水熱效應(yīng)及其對(duì)產(chǎn)量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22(10): 2609–2614 WANG H L, ZHANG X C, SONG S Y, et al. Effects of whole field-surface plastic mulching and planting in furrow on soil temperature, soil moisture, and corn yield in arid area of Gansu Province, Northwest China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(10): 2609–2614

[10] 王紅麗, 張緒成, 于顯楓, 等. 黑色地膜覆蓋的土壤水熱效應(yīng)及其對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(16): 5215–5226 WANG H L, ZHANG X C, YU X F, et al. Effect of using black plastic film as mulch on soil temperature and moisture and potato yield[J]. Acta Ecologica sinica, 2016, 36(16): 5215–5226

[11] 謝軍紅, 柴強(qiáng), 李玲玲, 等. 黃土高原半干旱區(qū)不同覆膜連作玉米產(chǎn)量的水分承載時(shí)限研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(8): 1558–1568 XIE J H, CHAI Q, LI L L, et al. The time loading limitation of continuous cropping maize yield under different plastic film mulching modes in semi-arid region of Loess Plateau of China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(8): 1558–1568

[12] 李佳旸, 王延平, 韓明玉, 等. 陜北黃土丘陵區(qū)山地蘋果園的土壤水分動(dòng)態(tài)研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(5): 749–758 LI J Y, WANG Y P, HAN M Y, et al. Soil moisture dynamics of apple orchards in loess hilly area of northern Shaanxi Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(5): 749–758

[13] 張坤, 王發(fā)林, 劉小勇, 等. 旱地果園起壟覆膜集雨措施對(duì)樹體水分利用的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2011, 30(3): 68–71 ZHANG K, WANG F L, LIU X Y, et al. Effect of ridging the land and covering plastic film for rainfall collection on water use of apple trees in dry land orchard[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2011, 30(3): 68–71

[14] 張殿發(fā), 鄭琦宏, 董志穎. 凍融條件下土壤中水鹽運(yùn)移機(jī)理探討[J]. 水土保持通報(bào), 2005, 25(6): 14–18 ZHANG D F, ZHENG Q H, DONG Z Y. Mechanism of soil salt-moisture transfer under freeze-thawing condition[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2005, 25(6): 14–18

[15] 張俊鵬, 馮棣, 鄭春蓮, 等. 咸水灌溉對(duì)土壤水熱鹽變化及棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014, 45(9): 161–167 ZHANG J P, FENG D, ZHENG C L, et al. Effects of saline water irrigation on soil water-heat-salt variation and cotton yield and quality[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(9): 161–167

[16] 齊智娟, 馮浩, 張?bào)w彬, 等. 河套灌區(qū)不同覆膜方式膜下滴灌土壤鹽分運(yùn)移研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2017, 31(2): 301–308 QI Z J, FENG H, ZHANG T B, et al. A study on soil salinity movement of drip irrigation under different film mulching treatment in Hetao Irrigation District[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(2): 301–308

[17] 蔣銳, 郭升, 馬德帝. 旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)覆膜體系及其土壤生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(3): 317–328 JIANG R, GUO S, MA D D. Review of plastic film mulching system and its impact on soil ecological environment in China’s rainfed drylands[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(3): 317–328

[18] 柴守璽, 楊長剛, 張淑芳, 等. 不同覆膜方式對(duì)旱地冬小麥土壤水分和產(chǎn)量的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2015, 41(5): 787–796 CHAI S X, YANG C G, ZHANG S F, et al. Effects of plastic mulching modes on soil moisture and grain yield in dryland winter wheat[J]. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(5): 787–796

[19] 杜延軍, 李自珍, 李鳳民. 半干旱黃土高原地區(qū)地膜覆蓋和底墑對(duì)春小麥生長及產(chǎn)量的影響[J]. 西北植物學(xué)報(bào), 2004, 24(3): 404–411 DU Y J, LI Z Z, LI F M. Effects of plastic film mulch and pre-sowing soil water on growth and yield of spring wheat in semi-arid areas of Loess Plateau[J]. Acta Botanica Boreali-occidentalia Sinica, 2004, 24(3): 404–411

[20] 王俊, 李鳳民, 賈宇, 等. 半干旱地區(qū)播前灌溉和地膜覆蓋對(duì)春小麥產(chǎn)量形成的影響[J]. 中國沙漠, 2004, 24(1): 77–82 WANG J, LI F M, JIA Y, et al. Effects of plastic film mulching and pre-sowing irrigation on yield formation of spring wheat[J]. Journal of Desert Research, 2004, 24(1): 77–82

[21] 鄧妍, 高志強(qiáng), 孫敏, 等. 夏閑期深翻覆蓋對(duì)旱地麥田土壤水分及產(chǎn)量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 25(1): 132–138 DENG Y, GAO Z Q, SUN M, et al. Effects of deep plowing and mulch in fallow period on soil water and yield of wheat in dryland[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(1): 132–138

[22] 繆凌. 黃土丘陵區(qū)不同覆蓋下的干化土壤水分恢復(fù)試驗(yàn)研究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2016: 28–30 MIAO L. Study on water restoration of dried soil under different mulching on the loess hilly region[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2016: 28–30

[23] 汪星, 周玉紅, 汪有科, 等. 黃土高原半干旱區(qū)山地密植棗林土壤水分特性研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 2015, 46(3): 263–270 WANG X, ZHOU Y H, WANG Y K, et al. Soil water characteristic of a dense jujube plantation in the semi-arid hilly Regions of the Loess Plateau in China[J]. Shuili Xuebao, 2015, 46(3): 263–270

[24] 吳賢忠, 李毅, 汪有科. 半干旱黃土丘陵區(qū)植物休眠期覆蓋對(duì)土壤水熱變化的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2017, 31(3): 182–186 WU X Z, LI Y, WANG Y K. Effects of film mulching on soil moisture and temperature changes during plant dormancy period in Semiarid Loess Hilly Region[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(3): 182–186

[25] 靳姍姍, 汪星, 汪有科, 等. 不同覆蓋措施對(duì)減少棗林休眠期土壤水分損失的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(14): 153–160 JIN S S, WANG X, WANG Y K, et al. Effects of typical mulching patterns on soil water loss in jujube land during dormancy period[J]. Transactions of the CSEA, 2016, 32(14): 153–160

[26] 李娟, 陳超, 王昭. 基于不同變換形式的干旱區(qū)土壤鹽分高光譜特征反演[J]. 水土保持研究, 2018, 25(1): 197–201 LI J, CHEN C, WANG Z. Inversion of high spectral characteristics of soil salt in arid area based on different transform forms[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2018, 25(1): 197–201

[27] 江燕, 史春余, 王振振, 等. 地膜覆蓋對(duì)耕層土壤溫度水分和甘薯產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 22(6): 627–634 JIANG Y, SHI C Y, WANG Z Z, et al. Effects of plastic film mulching on arable layer soil temperature, moisture and yield of sweet potato[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2014, 22(6): 627–634

[28] 曹寒, 吳淑芳, 馮浩, 等. 不同覆膜種植對(duì)土壤水熱和冬小麥產(chǎn)量的影響[J]. 水土保持研究, 2015, 22(6): 110–115 CAO H, WU S F, FENG H, et al. Effects of different film mulches on soil water and heat as well as the yield of winter wheat[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2015, 22(6): 110–115

[29] 喬海龍, 劉小京, 李偉強(qiáng), 等. 秸稈深層覆蓋對(duì)土壤水鹽運(yùn)移及小麥生長的影響[J]. 土壤通報(bào), 2006, 37(5): 885–889 QIAO H L, LIU X J, LI W Q, et al. Effect of deep straw mulching on soil water and salt movement and wheat growth[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2006, 37(5): 885–889

[30] 丁建麗, 姚遠(yuǎn), 王飛. 基于三維光譜特征空間的干旱區(qū)土壤鹽漬化遙感定量研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(5): 853–861 DING J L, YAO Y, WANG F. Quantitative remote sensing of soil salinization in arid regions based on three dimensional spectrum Eigen spaces[J]. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(5): 853–861

Variations in soil moisture, heat and salt under year round mulching of white and black film*

WU Xianzhong1,2, LI Yi1**, GAO Zhiyong3, DONG Jianguo4,5

(1. Forestry Institute, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. Department of Physics and Hydraulic Engineering, Gansu Normal University for Nationalities, Hezuo 747000, China; 3. Department of Water Conservancy, Yangling Vocational & Technological College, Yangling 712100, China; 4. Research Center of Soil and Water Conservation and Ecological Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Education, Yangling 712100, China; 5. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Plastic film mulching in agriculture is known as the “white revolution”, which has played a decisive role in agriculture in semi-arid areas. With the wide application of black and white films in agro-forestry production, many scholars have focused on the studies of mechanisms and functions of film mulching. It was found that film mulching not only promote crop growth, but also accelerate soil moisture lose. However, previous studies were conducted on white mulch tests under condition of growing crops. In order to clarify the differences between black and white film mulching and the ecological benefits under continuous film mulching, the field experiment of continuous film mulching without crop were conducted in Mizhi, northern Shaanxi, from July 1st, 2015 to June 30th, 2017. The experiment included three treatments, white film mulching of ridge (WF), black film of ridge (BF) mulching and no mulching of ridge (CK). In the experiment, the ridge was 50 cm wide, 20 cm high with 20 cm wide furrow. Each treatment was repeated three times and soil moisture, temperature, and electrical conductivity were measured at depths of 5 cm, 15 cm, 30 cm, 50 cm, 75 cm, 100 cm, 125 cm and 150 cm using GS3 instrument. The results indicated that: 1)after two consecutive years of film mulching, soil moisture contents under two film mulching treatments and CK were 16.9% in average and 13.6%, and soil water storage capacity were 314.56 mm and 204.44 mm. Soil moisture content under BF was higher at 0-15 cm (< 0.05) and lower at 15-30 cm (< 0.05) than that of WF. At 0-150 cm, the total water storage of WF and BF was not significantly different, but significantly different from that of CK (< 0.05). During the crop growth period, the average soil water storage with film mulching was 60.8 mm higher than that of CK. The daily temperature difference near soil surface under WF was greater than that under BF. At 0-150 cm, there was no significant difference in the average soil temperature between WF and BF in two years, which was 1.3 ℃ higher than that of CK (< 0.05). At higher temperatures, WF decreased the freeze-thaw time by 8 days and 24 days compared with BF and CK, respectively, which was more conducive for soil thawing and soil warming in early spring. Annual soil salt content was higher in shallow soil, and was in the order of BF > WF > CK at 0-30 cm soil layer, WF > BF > CK at 30-50 cm soil layer. The results also revealed that soil salt content was low and no difference among treatments below 50 cm depth. No salinization of soil was observed under CK, BF and WF treatments. Overall, WF was more beneficial for improving surface soil temperature than BF, but it was the opposite for soil water moisture. Film mulching may increase soil temperature and prolong crop growth time. The research results could provide a basis for reasonable soil water-heat-salt regulation by film mulching in semi-arid Loess Hilly Region, and also provide a reference for the continuous film mulching technique in orchard and woodland.

Film mulching; Water-salt movement; Soil temperature; Continuous film mulching; Water recovery; Loess Hilly Region

, E-mail: liyi@gsau.edu.cn

Mar. 12, 2018;

Jun. 17, 2018

S152.8

A

1671-3990(2018)11-1701-09

10.13930/j.cnki.cjea.180245

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0504703)和甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2015A-154)資助

李毅, 主要從事水土保持研究。E-mail: liyi@gsau.edu.cn

吳賢忠, 主要從事水土保持與水資源高效利用研究。E-mail: wxz315@163.com

2018-03-12

2018-06-17

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2017YFC0504703) and the Scientific Research Project of Gansu University (2015A-154).

吳賢忠, 李毅, 高志永, 董建國. 白膜、黑膜全年覆蓋下的土壤水、熱、鹽變化[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(11): 1701-1709

WU X Z, LI Y, GAO Z Y, DONG J G. Variations in soil moisture, heat and salt under year round mulching of white and black film[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(11): 1701-1709