地布-地膜覆蓋對(duì)渭北旱塬區(qū)土壤水分的影響

蘇鳳梅, 賈志峰,3, 王 智,3,4

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054;2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054; 3.長(zhǎng)安大學(xué)水與發(fā)展研究院, 陜西 西安 710054; 4.美國(guó)加州州立大學(xué) 弗雷斯諾分校地球與環(huán)境科學(xué)系, 美國(guó) 加州 93740)

中國(guó)干旱半干旱地區(qū)降雨量少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源短缺，農(nóng)業(yè)用水缺乏，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是當(dāng)前高效利用水資源的重要方式[1-2]。土壤水分是水資源形成、轉(zhuǎn)化與消耗的循環(huán)過(guò)程的重要參數(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的研究有著非常重要的作用[3-4]。地膜覆蓋技術(shù)能夠有效地降低土壤蒸發(fā)[5]，提高農(nóng)作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收利用率[6-7]，成為目前節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向[8]。然而傳統(tǒng)的地膜耐用性差，殘膜碎片對(duì)環(huán)境危害大[9]。為此，本文擬引入防草地布材料，將地布與地膜相結(jié)合，在渭北旱塬區(qū)選取典型試驗(yàn)點(diǎn)，開(kāi)展地布—地膜覆蓋條件下土壤水分原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。研究地布—地膜覆蓋的保濕效果及其耐久性，以期為該地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究地區(qū)及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(34°12′N(xiāo)，107°40′E)位于陜西省咸陽(yáng)市長(zhǎng)武縣王東村，塬川相間，溝谷發(fā)育，是典型的黃土旱塬區(qū)，平均海拔1 200 m。該區(qū)氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均日照2 226.5 h，年無(wú)霜期171 d，年均降水580 mm，年內(nèi)分布呈現(xiàn)夏秋多、冬春少。最高氣溫36.9 ℃，最低氣溫-24.9 ℃，年均氣溫9.1 ℃。研究區(qū)土壤為黑壚土，母質(zhì)是深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土[10]。試驗(yàn)地0—50 cm土質(zhì)為粉質(zhì)壤土，土壤顆粒

分析結(jié)果見(jiàn)表1。其中，黏粒(<0.002 mm)含量為16.2%～25.5%，粉粒(0.05～0.002 mm)含量為70%～74.1%，砂粒(>0.05 mm)含量為3%～9.7%。平均容重為1.4 g/cm3，地下水位埋深在40 m左右。

表1 長(zhǎng)武縣王東村不同土壤顆粒含量 %

1.2 研究方法

在試驗(yàn)站選取兩塊裸地，一塊為地布—地膜覆蓋區(qū)，一塊為裸地區(qū)。在兩塊裸地分別挖50 cm土坑，修平土壤垂直剖面，在地面以下15，30，50 cm處采用垂直剖面法[11]安裝土壤水分傳感器，用原土回填土坑，傳感器外接數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。覆蓋區(qū)土壤表層采用雙層膜覆蓋(黑色地膜在下，黑色地布在上)，并使用地釘對(duì)雙層膜進(jìn)行固定，裸地區(qū)不做處理，定期清理雜草。在地表上不同高度安裝有大氣濕度儀(20 cm)、雨量計(jì)(160 cm)、風(fēng)速風(fēng)向儀(200 cm)，數(shù)據(jù)采集器(100 cm)[12]，試驗(yàn)所用儀器型號(hào)及精度見(jiàn)表2。測(cè)定時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 h，試驗(yàn)時(shí)間為2014年11月15日至2015年11月15日。

表2 測(cè)量?jī)x器參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素分析法和PCA法進(jìn)行方差分析α=0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的空間變化特征

對(duì)監(jiān)測(cè)期內(nèi)裸地及地布—地膜覆蓋區(qū)15，30，50 cm處土壤含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3，各層土壤平均含水率的空間變化見(jiàn)圖1。從表3可以看出，無(wú)論是覆蓋還是裸地，標(biāo)準(zhǔn)差隨著土層深度的增加均呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，說(shuō)明隨著深度的增加，土壤水分受氣象因素的影響逐漸減弱。通過(guò)比對(duì)覆蓋和不覆蓋兩種方式的變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，覆蓋條件下各層土壤水分的變異系數(shù)均低于裸地區(qū)，說(shuō)明覆蓋條件土壤含水率年內(nèi)變化幅度較小。

由圖1可以看出，在地布—地膜覆蓋區(qū)各層平均土壤含水率均高于裸地區(qū)，由淺至深分別提高了11.2%，8.0%，5.3%，這是由于地布—地膜的覆蓋有效地收集了降雨和露水并抑制了雜草生長(zhǎng)和土壤表層水分的蒸發(fā)，具有集水保水作用。通過(guò)顯著性分析表明，裸地及覆蓋區(qū)各層土壤含水率均具有極顯著性差異(LSD檢驗(yàn)，p<0.01)，說(shuō)明地布—地膜覆蓋對(duì)各層土壤水分的影響極為顯著。另外，裸地和覆蓋區(qū)土壤含水率隨深度增加呈現(xiàn)高—低—高變化趨勢(shì)，在距地表30 cm處的土壤平均含水率都明顯低于其他各層土壤，這是由于降雨量較小時(shí)，蒸發(fā)作用和徑流作用導(dǎo)致雨水無(wú)法入滲到30 cm處，無(wú)降雨時(shí)，在白天強(qiáng)烈蒸發(fā)以及夜間溫度驅(qū)動(dòng)下，30 cm處土壤水分向表層土壤運(yùn)移。

表3 長(zhǎng)武縣王東村土壤水分變化分析(α=0.01)

圖1 長(zhǎng)武縣王東村土壤水分空間變化

2.2 土壤水分的時(shí)間變化特征

不同深度(15，30，50 cm)土層的土壤水分時(shí)間變化過(guò)程見(jiàn)圖2。15 cm深度土層土壤水分時(shí)間變化見(jiàn)圖2a，該層受降雨、蒸發(fā)等氣象因素的影響最大，裸地區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為19.7%～46.1%(日平均含水率)，變幅為26.4%，土壤年平均含水率為25.3%，覆蓋區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為21.4%～36.9%(日平均含水率)，變幅為15.5%，土壤年平均含水率為28.1%。30 cm深度土層土壤水分時(shí)間變化見(jiàn)圖2b，該層受降雨、蒸發(fā)等氣象因素的影響減弱，裸地區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為13.5%～38.9%(日平均含水率)，變幅為25.4%，土壤年平均含水率為18.6%，覆蓋區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為15.3%～28.0%(日平均含水率)，變幅為12.7%，土壤年平均含水率為20.1%。50 cm深度土層土壤水分時(shí)間變化見(jiàn)圖2c，該層受降雨、蒸發(fā)等氣象因素的影響最弱，裸地區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為20.5%～37.5%(日平均含水率)，變幅為17.0%，土壤年平均含水率為26.3%，覆蓋區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為23.1%～38.1%(日平均含水率)，變幅為15.0%，土壤年平均含水率為27.7%。

根據(jù)其年內(nèi)變化程度，可以概括為5個(gè)時(shí)期，分別為相對(duì)穩(wěn)定期、緩慢上升期、緩慢下降期、增失交替期、恢復(fù)期，不同時(shí)期土壤水分變化特征如下：

(1) 相對(duì)穩(wěn)定期(11月下旬—次年2月上旬)。該時(shí)期氣溫較低，降雨少，蒸發(fā)小，降雨量為12 mm，占全年降雨量的2.4%，日最大降雨量達(dá)3.2 mm。12月末土壤水分出現(xiàn)低谷，是由于溫度驟減，1—2月上旬地面溫度低于零度，土壤由表層向下層凍結(jié)，由于傳感器測(cè)量的是土壤的非凍結(jié)含水量，土壤水部分凍結(jié)致使土壤非凍結(jié)含水量減小。整體上，土壤水分處于自調(diào)節(jié)階段，變化較為緩慢。除了土壤凍結(jié)期，在整個(gè)穩(wěn)定期內(nèi)，覆蓋區(qū)土壤含水率顯著高于裸地區(qū)，在15，30，50 cm土層覆蓋區(qū)平均含水率比裸地區(qū)分別高出7.10%，4.42%，5.26%。

(2) 緩慢上升期(2月中旬至3月下旬)。該時(shí)期降雨量為58.2 mm，占全年降雨量的11.4%，日最大降雨量達(dá)15 mm。2月中旬以后氣溫回升，土壤由表層開(kāi)始解凍，土壤蒸發(fā)較小，土壤水分緩慢持續(xù)增加，3月中旬后降雨頻次增加，強(qiáng)度增大，土壤水分驟增。比對(duì)覆蓋區(qū)與裸地區(qū)發(fā)現(xiàn)，前期覆蓋區(qū)土壤含水率高于裸地區(qū)，后期相反，主要原因?yàn)?，前期土壤解凍，土壤含水率增加，覆蓋區(qū)覆膜減少了土壤蒸發(fā)，土壤水分相對(duì)較高，后期降雨頻率增加，覆蓋區(qū)減少了降雨的直接入滲，水分含量略低于裸地區(qū)。在整個(gè)緩慢上升期內(nèi)，在15，30，50 cm土層覆蓋區(qū)平均含水率比裸地區(qū)分別高出4.61%，1.27%，4.47%。

圖2 不同深度土層含水率的時(shí)間變化過(guò)程

(3) 緩慢下降期(4月上旬至5月下旬)。該時(shí)期降雨量為56 mm，占全年降雨量的11.0%，日最大降雨量達(dá)11.6 mm。4月氣溫持續(xù)回升，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度逐漸增大，土壤水分開(kāi)始減小。在4月中旬有連續(xù)降雨，土壤水分有增加趨勢(shì)，但整體上處于下降期。比對(duì)覆蓋區(qū)與裸地區(qū)發(fā)現(xiàn)，除4月中旬降雨期間，覆蓋區(qū)土壤含水率下降趨勢(shì)存在一定的滯后性，同時(shí)刻，覆蓋區(qū)土壤含水率高于裸地區(qū)。在整個(gè)緩慢下降期內(nèi)，在15，30，50 cm土層覆蓋區(qū)平均含水率比裸地區(qū)分別高出10.86%，4.14%，0.40%。

(4) 增失交替期(6月上旬至9月下旬)。該時(shí)期氣溫最高，降雨頻次及強(qiáng)度最大，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降雨量為322 mm，占全年降雨量的63.3%，日最大降雨量達(dá)86.6 mm。強(qiáng)降雨條件下，土壤水分急劇上升，雨后蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤水分迅速下降，土壤水分變化劇烈。在這個(gè)時(shí)期內(nèi)，裸地區(qū)的土壤水分變化幅度明顯大于覆蓋區(qū)，降雨期間裸地區(qū)土壤含水率增幅大，其他時(shí)段裸地區(qū)土壤含水率降幅也大，說(shuō)明覆蓋區(qū)通過(guò)覆膜雖然減少了降雨對(duì)土壤的直接入滲，但減少了土壤蒸發(fā)，其保水性明顯優(yōu)于裸地區(qū)。在整個(gè)增失交替期內(nèi)，在15，30，50 cm土層覆蓋區(qū)平均含水率比裸地區(qū)分別高出15.11%，13.11%，8.56%。

(5) 恢復(fù)期(10上旬至11月中旬)。該時(shí)期降雨量為60.2 mm，占全年降雨量11.8%，日最大降雨量達(dá)19 mm。10月以后氣溫逐漸降低，降雨強(qiáng)度減小，蒸發(fā)較強(qiáng)，10月末降雨作用下，土壤水分開(kāi)始增加。該時(shí)期覆蓋區(qū)土壤含水率均高于裸地區(qū)，在15，30，50 cm土層覆蓋區(qū)平均含水率比裸地區(qū)分別高出19.35%，16.36%，9.17%。

2.3 地布-地膜覆蓋對(duì)降雨入滲的影響

選取典型降雨過(guò)程(2015年6月23日至6月29日)，分析降雨前后研究區(qū)裸地和覆蓋條件下土壤含水率隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化過(guò)程(見(jiàn)圖3)。

圖3 典型降雨前后土壤水分變化

由圖3可以看出，無(wú)論是裸地還是覆蓋條件下，隨土壤深度增加，降雨對(duì)土壤含水率的影響逐漸減小，降雨過(guò)程中不同深度土壤含水率最大值出現(xiàn)時(shí)間隨深度的增加表現(xiàn)出不同程度的滯后性。裸地15 cm土層的土壤含水率最大值(39.9%)出現(xiàn)在6月29日上午5：00，覆蓋條件下15 cm土層土壤含水率最大值(34.0%)出現(xiàn)在6月29日下午17：00時(shí)；裸地30 cm土層的土壤含水率最大值(27.2%)和覆蓋條件下30 cm土層的土壤含水率最大值(26.4%)均出現(xiàn)在6月29日上午5：00；裸地50 cm土層的土壤含水率最大值(25.5%)出現(xiàn)在7月4日上午7：00，覆蓋條件下50 cm土層的土壤含水率最大值(29.0%)出現(xiàn)在6月30日晚21：00。

降雨過(guò)程中裸地和覆蓋條件下不同深度土壤含水率統(tǒng)計(jì)特征值見(jiàn)表4。降雨過(guò)程中，裸地土壤含水率的最大值和最小值均出現(xiàn)在15 cm深度范圍內(nèi)，其變異系數(shù)為49，屬于中等變異強(qiáng)度[13](CV≥100為強(qiáng)變異，40≤CV<100為中等變異強(qiáng)度，10≤CV<40為低等變異強(qiáng)度，CV<10為弱變異強(qiáng)度)，15 cm以下深度變異系數(shù)分別為26，27均小于40，屬于低等變異強(qiáng)度。因此，降雨過(guò)程對(duì)裸地土壤含水率的影響主要集中在15 cm深度范圍內(nèi)，對(duì)15 cm以下土壤水分影響較小，這是由于土壤表層最先接受降雨補(bǔ)給，土壤含水量迅速升高，當(dāng)降雨強(qiáng)度足夠大或降雨歷時(shí)較長(zhǎng)時(shí)，土壤表層水分將達(dá)到飽和狀態(tài)并下深層入滲，降雨結(jié)束后，由于地表溫度升高和地表面氣流作用，土壤水分迅速蒸發(fā)。水分在表層滯留的時(shí)間相對(duì)較短，變異性也較強(qiáng)。覆蓋條件下的土壤含水率最大值出現(xiàn)在15 cm深度范圍內(nèi)，最小值出現(xiàn)在30 cm深度范圍內(nèi)，變異系數(shù)依次是10及14，均屬于低等變異強(qiáng)度，50 cm深度變異系數(shù)為8，屬于弱變異強(qiáng)度，因此，降雨過(guò)程對(duì)覆蓋條件下土壤含水率的影響主要集中在30 cm深度范圍內(nèi)，這是由于覆蓋地布和地膜阻礙了雨水直接入滲，雨水通過(guò)側(cè)向入滲補(bǔ)給土壤，表層土壤通過(guò)側(cè)向補(bǔ)給獲得水分后，補(bǔ)給下層土壤。

表4 典型降雨過(guò)程中不同深度土壤水分統(tǒng)計(jì)

2.4 地布-地膜覆蓋的耐久性分析

地膜材料一般為聚乙烯，厚度變化經(jīng)歷了由厚變薄再逐漸增厚的過(guò)程。在20世紀(jì)80年代初期，地膜的厚度為0.014 mm，而后為了節(jié)省成本，地膜厚度變?yōu)?.005～0.006 mm，甚至更薄，致使地膜強(qiáng)度低，易老化，易破碎，回收困難[14-16]。90年代，國(guó)標(biāo)規(guī)定地膜厚度最低為0.008 mm，較前期地膜厚度有所增大。傳統(tǒng)覆膜方式，天氣會(huì)導(dǎo)致地膜破壞，如暴曬，暴雨，強(qiáng)風(fēng)等。因此，地膜使用壽命短，一般為半年至一年，且回收率低，不易降解，隨著農(nóng)田使用年限的增加，土壤中殘留的地膜量逐漸增加，會(huì)導(dǎo)致地膜污染[17-19]。地布又被稱(chēng)為“防草布”“地面編織膜”“地面防護(hù)膜”等，材料為聚丙烯，透氣滲水，質(zhì)地較堅(jiān)韌，不易風(fēng)化和破碎，回收方便，使用壽命較長(zhǎng)，一般為5 a，不僅可以節(jié)省成本，還能防止雜草生長(zhǎng)，抑制雜草種子的傳播和擴(kuò)散[20-21]。

本試驗(yàn)期內(nèi)，地膜在地布的保護(hù)下，除了邊緣少部分風(fēng)化，整體基本上保持試驗(yàn)初期狀態(tài)。因此，地布—地膜覆蓋方式有效延長(zhǎng)了地膜的使用壽命。

3 討 論

本研究選擇試驗(yàn)地塊遠(yuǎn)離人類(lèi)活動(dòng)區(qū)，避免人為因素干擾，利用原位定點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)手段，研究地布—地膜覆蓋對(duì)渭北旱塬區(qū)0—50 cm土壤水分的影響。研究發(fā)現(xiàn)，地布—地膜的覆蓋措施隔離了地表土壤與大氣接觸，使得不同深度土層的土壤水分分布、能態(tài)、水汽運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均發(fā)生改變，從而影響土壤水分[22]。由于覆蓋處理后，有效減少了土壤蒸發(fā)，對(duì)不同深度的土壤水分保持均明顯優(yōu)于裸地[23-25]，降雨對(duì)覆蓋措施下各個(gè)深度土層的土壤水分變化影響較小，土壤水分增加幅度明顯低于裸地條件下[26-29]，但降雨過(guò)后，覆膜處理有效減少了土壤水分的蒸發(fā)，各層土壤水分減小幅度均小于裸地。

4 結(jié) 論

(1) 無(wú)論地布—地膜覆蓋區(qū)還是裸地區(qū)，其土壤含水量隨深度增加而呈現(xiàn)出高—低—高的空間分布特征。

(2) 地布—地膜覆蓋中15，30，50 cm土層的土壤水分比不覆膜處理中日平均提高11.2%，8.0%，5.3%。

(3) 覆蓋區(qū)域減少了降雨的直接入滲，土壤水分增加過(guò)程存在滯后性，但減少了土壤蒸發(fā)，無(wú)雜草，保水性能較好。

(4) 試驗(yàn)期內(nèi)，地布性能保存完好，地膜除了邊緣少部分風(fēng)化，基本上保持試驗(yàn)初期狀態(tài)。因此，地布—地膜覆蓋方式起到了良好的保水效果，同時(shí)有效延長(zhǎng)了地膜的使用壽命。

本文采用15 cm處土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)反映表層土壤水分狀況。然而地表土壤水分變化強(qiáng)烈，在0—15 cm土層進(jìn)行土壤水分的加密觀測(cè)，有待進(jìn)一步揭示表層土壤水分的變化規(guī)律。

與傳統(tǒng)覆膜種植方式相比，地布—地膜覆蓋的方式更有利于提高土壤水分，防止雜草，且地膜不易破損，可以多年使用，節(jié)省勞力，應(yīng)根據(jù)多年綜合效益與成本比較因地制宜地推廣該技術(shù)。

致謝：感謝盧玉東、劉文兆、張曉萍、汪有科、李玉成、何自立、王浩對(duì)試驗(yàn)的關(guān)注與現(xiàn)場(chǎng)幫助；感謝長(zhǎng)安大學(xué)研究生院、長(zhǎng)安大學(xué)水與發(fā)展研究院、西北農(nóng)林科技大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站對(duì)本試驗(yàn)項(xiàng)目的支持。