干旱區(qū)瓜田不同壓砂覆蓋對土壤水分蒸發(fā)的影響及回歸模型

趙伶俐

摘? ? 要：為研究干旱區(qū)瓜田不同壓砂覆蓋對土壤水分蒸發(fā)量的影響，設置在土壤表層裸露和覆蓋礫石、覆蓋礫石厚度不同、粒徑不同以及覆蓋礫石年限不同的處理，采用土柱蒸發(fā)稱重法測量土壤水分蒸發(fā)量，并對土壤水分累積蒸發(fā)量進行線性回歸、二次多項式回歸、乘冪回歸擬合。結(jié)果表明，從西瓜生長到成熟期，壓砂地累積水分蒸發(fā)量的增加只有裸地的29.3%，壓砂覆蓋可以明顯減少土壤水分蒸發(fā)量。土壤表面壓砂覆蓋越厚，抑制蒸發(fā)效果越好，考慮經(jīng)濟性和利用率，覆蓋厚度10～15 cm時抑制土壤水分蒸發(fā)效果最優(yōu)。覆蓋礫石粒徑越小，抑制蒸發(fā)效果越好，綜合考慮持水性和取材經(jīng)濟性，采用粒徑30～50 mm的砂石覆蓋土壤最適宜。壓砂覆蓋年限不同，土壤的蒸發(fā)量和含水量也不同，壓砂3 a（年）土壤的含水量最高，隨著壓砂年限增加到5 a以上，土壤含水量降低。二次多項式回歸擬合模型能更好地模擬預測不同壓砂覆蓋下土壤累積蒸發(fā)量，回歸擬合度R2均大于0.98。

關鍵詞：西瓜;壓砂覆蓋;厚度;粒徑;蒸發(fā)量;回歸擬合

中圖分類號：S651+S606 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2020）12-039-05

Abstract： In order to study the evaporation effect of different gravel cover on the melons field in the arid area， the soil surface was covered with gravel with different thickness， different particle size， and different coverage age. The evaporation was measured by soil column evaporation weighing method. Results showed that： （1） During watermelon growing to maturity， the cumulative evaporation of covered gravel land increased by only 29.3% of bare land， and covered gravel could significantly reduce soil water evaporation. （2） The thicker gravel is covered on the surface of soil， the better the evaporation inhibition effect. Considering the economy and utilization rate， the effect of inhibiting soil water evaporation is optimal when the covered gravel is 10-15 cm. （3） The smaller the particle size of covered gravel， the better the evaporation inhibition. Considering the water holding capacity and the economy of sampling， it is most suitable to cover the soil with sand and gravel with diameter of 20-50 mm. （4） The age of covered gravel is different， the evaporation and water content of soil are also different. The soil moisture content is the highest in covered gravel for 3 years， and the soil water content decreases with the age of covered gravel not less than 5 years . （5） Quadratic regression fitting model can better simulate and predict soil evaporation under different gravel mulches. The regression fitting degree R2 is greater than 0.98.

Key words： Watermelon; Gravel covering; Thickness; Particle size; Evaporation; Regression fitting

壓砂覆蓋是用礫石或卵石覆蓋在土壤表面的一種旱田農(nóng)業(yè)耕作技術。在土壤表面覆蓋砂石有抑制土壤水分蒸發(fā)、蓄水、抑制土壤鹽堿化、抗風蝕等作用。陳年來等[1]研究發(fā)現(xiàn)，干旱地區(qū)覆蓋砂石對改善土壤環(huán)境、抑制蒸發(fā)、提高農(nóng)作物品質(zhì)效果顯著。Ma等[2]研究發(fā)現(xiàn)，砂子和礫石混合覆蓋更有利于保持土壤水分，在一定范圍內(nèi)，覆蓋厚度越大，保持土壤水分效果越好。原翠萍等[3]研究了砂石覆蓋粒徑對土壤蒸發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)覆蓋砂石粒徑與蒸發(fā)抑制密切相關，粒徑越大，抑制蒸發(fā)的能力越低。關紅杰等[4]研究了砂石覆蓋厚度和粒徑對土壤水分蒸發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)覆蓋砂石粒徑在2.5～40.0 mm范圍內(nèi)，砂石粒徑越大，對水分蒸發(fā)的抑制作用越小。周約等[5]研究了不同類型礫石的形狀、顏色對土壤水分蒸發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)覆蓋規(guī)則礫石對土壤水分蒸發(fā)的抑制效果比不規(guī)則的好。陳士輝等[6]研究了砂田西瓜不同粒徑礫石覆蓋的水分效應，發(fā)現(xiàn)覆蓋粒徑2.0～5.0 mm礫石的土壤水分生產(chǎn)率顯著高于覆蓋粒徑20.0～60.0 mm礫石的土壤。馬國飛等[7]研究了寧夏壓砂地土壤水分動態(tài)及消耗規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同年限的壓砂農(nóng)田土壤水分存在一定差異。大部分學者研究了砂礫石覆蓋土壤的水分效應，覆蓋砂石能明顯抑制土壤水分蒸發(fā)。但對干旱地區(qū)瓜田不同壓砂覆蓋對蒸發(fā)的影響缺乏定量分析，對蒸發(fā)量隨時間變化的回歸擬合模型少有研究。筆者以寧夏干旱地區(qū)瓜田為研究對象，研究土壤表層裸露與覆蓋礫石、覆蓋礫石厚度、覆蓋礫石粒徑、覆蓋礫石年限對蒸發(fā)量的影響，對不同覆蓋條件下土壤累積蒸發(fā)量進行對比分析，建立回歸擬合模型預測干旱區(qū)瓜田累積蒸發(fā)量隨時間變化的趨勢。

1 材料與方法

1.1 材料及試驗地概況

試驗地位于寧夏中寧縣鳴沙鎮(zhèn)硒砂西瓜種植區(qū)，地處寧夏中部，屬溫帶大陸性干旱半干旱氣候，干旱少雨，水資源匱乏，日照時間長，晝夜溫差大。全年日照長2 883～3 019 h，夏季日照每天長13～14 h。平均日溫差為13～14 ℃，年平均溫度9.5 ℃，降水主要集中在7—9月，年降水量為220～350 mm，年平均蒸發(fā)量為2 100～3 200 mm，蒸發(fā)量遠遠超出降水量。土壤屬于灰鈣土、沙壤土，成土母質(zhì)是黃土。該區(qū)域瓜田種植壓砂覆蓋為礫石、卵石等，取材于黃河及支流的河卵石，砂石資源較為豐富，可就地取材，為壓砂瓜田覆蓋砂石創(chuàng)造了有利條件，可降低成本。

1.2 試驗設計

設置西瓜田裸露與覆蓋礫石、覆蓋礫石厚度、覆蓋礫石粒徑、覆蓋礫石年限不同等4種設計。設置1：裸露與覆蓋礫石處理，壓砂覆蓋的礫石直徑20～30 mm，覆蓋礫石厚度約15 cm，比較土壤水分蒸發(fā)量。設置2：覆蓋的砂石粒徑為20～30 mm，覆蓋砂石厚度設置了2、5、10、15 cm等4個覆蓋厚度處理，比較土壤水分蒸發(fā)量。設置3：壓砂覆蓋厚度均為10 cm，設置了砂石粒徑為5～10、10～20、20～30、30～50 mm等4個粒徑處理，比較土壤水分蒸發(fā)量。設置4：選取了覆蓋砂石年限分別是1 a、3 a、5 a的土壤，在西瓜不同生長期，距離土壤表層15 cm處測量并比較土壤含水量。4種設計小區(qū)面積均為28.8 m2，行距：80 cm，株距100 cm。組內(nèi)隨機設計，3次重復。西瓜品種為‘金城5號，壓砂覆蓋前結(jié)合整地施農(nóng)家肥，二氨225 kg·hm-2，尿素70 kg·hm-2。2018年3月下旬進行壓砂石覆蓋處理試驗布置。觀測時段為2018年4月10日至8月10日。

1.3 測定方法

土壤含水量采用RS485土壤水分傳感器（測量范圍：0～100%，精度3%）測量0～60 cm的土壤水分。

土壤蒸發(fā)量采用模擬蒸發(fā)測量，用土柱、加熱、稱重等方法[8-9]。把土壤裝入土柱（PVC管，內(nèi)徑20 cm，厚0.2 cm，高50 cm）。加熱源用200 W燈泡，距離土體上方30 cm處，每次測量時早上9：00開燈加熱，下午18：00結(jié)束。稱重用量程30 kg、精度1 g的電子稱稱量，土柱每天質(zhì)量的差值為土壤日蒸發(fā)質(zhì)量E土（kg），將土壤蒸發(fā)質(zhì)量E土（kg）轉(zhuǎn)化為標準的土壤蒸發(fā)量E（mm）。

式中E為標準的土壤蒸發(fā)量（mm），E土為測量的土壤蒸發(fā)量（kg），10為蒸發(fā)器半徑（cm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0對試驗數(shù)據(jù)進行處理及分析。通過采集的數(shù)據(jù)對土壤水分累積蒸發(fā)量進行線性回歸、二次多項式回歸和乘冪回歸擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓砂覆蓋厚度對瓜田土壤蒸發(fā)量的影響

由圖1可以看出，從4月10日至8月10日，裸地累積蒸發(fā)量由160 mm增長到1 150 mm，增加了990 mm。而壓砂覆蓋瓜田的土壤累積蒸發(fā)量較為平緩，由90 mm增長到380 mm，累積增加了290 mm。在統(tǒng)計的120 d內(nèi)，壓砂瓜地累積蒸發(fā)量只有裸地累積蒸發(fā)量的29.3%。

由表1可知，在西瓜的不同生長期表層0～10 cm，裸地的土壤含水量都小于6%。而壓砂瓜地的土壤含水量都大于15%。從表層0～10 cm到50～60 cm深度，且每層壓砂瓜地土壤含水量都比相同深度裸地土壤含水量高10%左右。尤其在西瓜生長需水量較大的伸蔓期和果實膨大期，每一層壓砂瓜地的土壤含水量比裸地的高出12%左右。

由此可見，壓砂覆蓋瓜田土壤水分蒸發(fā)量明顯小于裸地蒸發(fā)量，壓砂覆蓋可以明顯抑制土壤水分蒸發(fā)，有良好的蓄水抗旱性能。

2.2 覆蓋砂石厚度對瓜田土壤水分蒸發(fā)量的影響

由圖2可知，土壤水分累積蒸發(fā)量隨覆蓋砂石厚度的增大而減小。覆蓋砂石厚度在2 cm時土壤水分累積蒸發(fā)量最大約730 mm;覆蓋礫石厚度為5 cm時土壤水分累積蒸發(fā)量最大約610 mm。而當覆蓋礫石厚度達到10 cm時，土壤水分蒸發(fā)量明顯減小，最大值約為430 mm;當覆蓋厚度達到15 cm時，土壤水分累積蒸發(fā)量最大值約為340 mm。由此可見，覆蓋層越厚，抑制水分蒸發(fā)能力越強。當覆蓋礫石厚度為2 cm和5 cm時，從6月份開始受氣溫上升等影響，土壤水分累積蒸發(fā)量增長較快，曲線上升明顯，而壓砂厚度為10 cm和15 cm時，土壤水分累積蒸發(fā)量增長較為緩慢。

2.3 覆蓋砂石粒徑對瓜田土壤水分蒸發(fā)量的影響

由圖3可知，覆蓋粒徑為5～10 mm的小砂石土壤水分累積蒸發(fā)量最大約270 mm，覆蓋粒徑為10～20 mm的砂石土壤水分累積蒸發(fā)量最大約305 mm，覆蓋粒徑為20～30 mm中等粒徑砂石的土壤水分累積蒸發(fā)量最大約350 mm，而覆蓋30～50 mm大粒徑砂石的土壤水分累積蒸發(fā)量最大約400 mm，由此可見，當覆蓋砂石的粒徑由小到大變化時，土壤水分累積蒸發(fā)量也逐漸增大。覆蓋砂石粒徑大小不同，會影響土壤水分的蒸發(fā)，對土壤的保水效果也明顯不同。

2.4 覆蓋砂石年限對土壤含水量的影響

由圖4可知，裸地的土壤含水量均小于6%，覆蓋1 a砂石的土壤含水量比裸地高10%～12%，覆蓋3 a的土壤含水量比裸地高16%～20%，覆蓋5 a的土壤含水量比裸地高5%～10%。在覆蓋砂石1 a、3 a和5 a的瓜田中，覆蓋3年的土壤含水量最高，約為27%，隨著壓砂年限增加到5 a，土壤含水量又降低，但是比裸地的土壤含水量高。

2.5 不同壓砂覆蓋與土壤水分累積蒸發(fā)量的回歸模型

由表2可以看出，裸地、覆蓋砂石厚度15 cm和覆蓋粒徑30～50 mm的土壤水分累積蒸發(fā)量線性回歸擬合度R2均大于0.98，二次多項式回歸擬合度R2均大于0.98，而乘冪回歸的擬合度R2均小于0.85。

式（2）中y為累積蒸發(fā)量（mm），t為累積時間（d），a、b、c為二次多項式系數(shù)。

由圖5～7回歸擬合曲線可以看出，線性回歸曲線和二次多項式回歸曲線能較好模擬觀測數(shù)據(jù)值，而乘冪回歸曲線偏離觀測值。由此可見，線性回歸模型和二次多項式回歸模型對觀測值有較好的擬合度，乘冪模型對觀測值擬合度較差。按照回歸模型擬合度系數(shù)R2越大越優(yōu)原則，比較3種回歸數(shù)學模型的擬合度和模擬曲線，二次多項式回歸模型能更好地模擬預測不同砂石覆蓋下土壤水分累積蒸發(fā)量。

3 討論與結(jié)論

在寧夏中部干旱地區(qū)，4月份當?shù)刈罡邭鉁卦?5 ℃左右，壓砂地和裸地累積蒸發(fā)量相差較小，而隨著日照時間增長及氣溫的增加，裸地的蒸發(fā)量增長很快。在4—8月西瓜生長期，壓砂地累積蒸發(fā)量的增加只有裸地累積蒸發(fā)量增加的29.3%。尤其在西瓜生長的伸蔓期和膨大期，植物的葉片和果實生長需要消耗大量水分，而壓砂瓜田的土壤含水量比裸地高出12%左右。由此可見，壓砂地土壤水分蒸發(fā)量明顯小于裸地土壤水分蒸發(fā)量，壓砂覆蓋有良好的蓄水抗旱性能。這與吳宏亮和鐘芳等[10-11]的研究結(jié)果相同。

冀宏等[12]研究表明，不同覆蓋厚度的土壤水分累積蒸發(fā)量均表現(xiàn)為 7 cm <5 cm <3 cm <1 cm 。本研究結(jié)果表明，覆蓋砂石越厚，越能減少土壤水分蒸發(fā)，與前人的研究結(jié)果一致。當覆蓋砂石厚度為2 cm和5 cm時，由于氣溫上升，累積蒸發(fā)量增長較快，而壓砂厚度為10 cm和15 cm時，土壤水分累積蒸發(fā)量增長較為緩慢?？紤]覆蓋砂石厚度的經(jīng)濟性和利用率，壓砂厚度為10～15 cm時抑制土壤水分蒸發(fā)效果最優(yōu)。

覆蓋砂石粒徑不同，對水分蒸發(fā)量的影響也不同。趙文舉等[13]研究覆蓋粒徑（粗砂、中砂、細砂）為影響因子，發(fā)現(xiàn)覆蓋細砂抑制蒸發(fā)效果最好。本研究結(jié)果表明，隨著覆蓋砂石粒徑變大，土壤水分累積蒸發(fā)量也逐漸增大，這與前人研究結(jié)果相同。從不同粒徑砂石取材的經(jīng)濟性考慮，大粒徑砂石隨地取材無需加工，而粒徑5～10 mm的砂石需要再加工。另外，覆蓋30～50 mm的砂石比覆蓋小粒徑5～10 mm的砂石具有較強的抗沖擊性，而且雨水易沉淀和滲透，可以有效減少地表徑流，防止水土流失。因此從便于取材和水穩(wěn)性考慮，通常在瓜田用粒徑30～50 mm的砂石覆蓋于土壤表層，既能抑制土壤水分蒸發(fā)，又有良好的持水性和水穩(wěn)性。

土壤表層覆蓋砂石年限不同也影響土壤的蒸發(fā)量和含水量。本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在壓砂1 a、3 a和5 a的瓜田中，壓砂覆蓋初期的1～3 a，土壤水分逐年積累有較好的蓄水保水能力，其中壓砂覆蓋3 a的土壤含水量最高，隨著壓砂年限增長到5 a，土壤含水量又降低，但是比裸地的土壤含水量高。研究認為，由于覆蓋時間增長，砂石自然風化以及作物生產(chǎn)耕作使得土壤中砂石與土的比例發(fā)生變化，土壤覆蓋層保水性能和耕作層持水性能下降。由于本研究中只選取了覆蓋砂石年限為1 a、3 a、5 a的瓜田，并且只測量了土壤含水量，對于覆蓋其他年限土壤水分蒸發(fā)量的數(shù)據(jù)未采集測量，因此還需進一步試驗和驗證。

關于不同壓砂覆蓋土壤累積蒸發(fā)量隨時間（累積天數(shù)）的數(shù)學預測模型，蔡永坤[14]研究表明，累積蒸發(fā)量與時間的平方根成正比，即E=αt0.5，其中E為累積蒸發(fā)量（mm），α是與土壤性質(zhì)有關的系數(shù)，t是蒸發(fā)的時間（天）。周約等[5]研究表明，砂石覆蓋處理的累積蒸發(fā)量可以用多項式方程表示。筆者對瓜田中裸地、覆蓋砂石厚度15 cm和覆蓋粒徑30～50 mm的累積蒸發(fā)量分別進行線性回歸擬合、二次多項式回歸擬合和乘冪回歸擬合，比較3種回歸數(shù)學模型的擬合度R2和模擬曲線。試驗結(jié)果表明，二次多項式回歸的擬合度R2均大于0.98，二次多項式回歸模型能更好地模擬預測不同砂石覆蓋下土壤累積蒸發(fā)量。該結(jié)果與周約等[5]對土壤水分蒸發(fā)量模擬的模型較為相似。由于土壤水分的時空穩(wěn)定性也會受到降雨、有機物質(zhì)、地表植物、人類活動等的影響，因此累積蒸發(fā)量的預測模型還需更多的采集數(shù)據(jù)和分析，還有待進一步研究。

綜上所述，干旱區(qū)瓜田壓砂覆蓋土壤水分蒸發(fā)量明顯小于裸地水分蒸發(fā)量，覆蓋砂石的粒徑不同、覆蓋厚度不同和覆蓋砂石的年限不同，對土壤水分蒸發(fā)量有不同的影響。建議干旱區(qū)瓜田可覆蓋厚度為10～15 cm、粒徑為30～50 mm的砂石，覆蓋砂石年限3 a左右，抑制土壤水分蒸發(fā)效果的更優(yōu)，對旱區(qū)瓜田有更好的節(jié)水灌溉作用。

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