壓砂地和裸地對比條件下地溫與含水率變化差異性分析

馬己安，馮克鵬,2,3，李王成,2,3，李于坤，高海燕，李 晨，郝 璐

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

0 引 言

寧夏中部降水少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，是典型的干旱地區(qū)。強(qiáng)烈蒸發(fā)引起的水資源短缺是制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素，為解決干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展中面臨的水資源短缺問題，人們進(jìn)行了各種各樣的嘗試[1,2]，壓砂地種植就是當(dāng)?shù)厝嗣裨陂L期實(shí)踐中探索出來的一種有效的種植方法，其特有的保水保墑能力為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)帶來了可觀的收益[3-7]。在對壓砂地和裸地的差異性研究過程中，王興[8]、劉學(xué)智[9]通過設(shè)置不同砂土混合比例條件下的壓砂地和裸地作對比，分析了壓砂地和裸地在蒸發(fā)過程中存在的差異，關(guān)紅杰[10]從砂層厚度、粒徑組成的角度對壓砂地和裸地蒸發(fā)做了對比分析，劉謙和[11]在對壓砂地的純干燥過程研究中發(fā)現(xiàn)壓砂地具有一定的保溫作用。在對壓砂地進(jìn)行探索的過程中，仍有諸多地方值得研究，本文擬以室外模擬降雨試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對蒸發(fā)過程中壓砂地和裸地土壤溫度、水分變化過程進(jìn)行分析，同時設(shè)置對照組，對自然條件下壓砂地和裸地溫度變化進(jìn)行對比，研究壓砂地和裸地的差異，分析結(jié)果可為壓砂地農(nóng)業(yè)水資源管理制度的確立提供參考。

1 資料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)紅圈子村，地處寧夏中部干旱帶，東鄰中寧縣，南與同心縣、海原縣及甘肅省靖遠(yuǎn)縣交匯，西接甘肅省景泰縣，北鄰內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗。實(shí)驗(yàn)區(qū)深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，屬半干旱氣候，風(fēng)大沙多，干旱少雨。年均降水量不足200 mm，蒸發(fā)量接近2 000 mm，降水主要集中在6-8月，地下水位埋深較深，是典型的干旱地區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)于2019年8月進(jìn)行，選取試驗(yàn)區(qū)內(nèi)場地平整、無植被覆蓋的2 m×2 m裸地和壓砂地各一塊，進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，四周壅高土層，防止水分流失。分析近50年試驗(yàn)區(qū)豐、平、枯水年型降雨資料，5～10 mm降雨總量占全年總降雨量比例分別為：39.86%、47.7%、36.7%，考慮到該地區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，小降雨量條件下水分損失速率較快，故設(shè)置模擬降雨量為10 mm。模擬降雨采用自制的模擬降雨器進(jìn)行(模擬降雨器由水箱、水管和噴頭組成)，試驗(yàn)開始前用1 000和100 mL量筒量取模擬降雨所需水量裝于水箱中，通過噴頭均勻噴灑至試驗(yàn)區(qū)地面，噴頭距地面保持一定高度。同時在試驗(yàn)場地附近選取場地平整，無植被覆蓋的壓砂地和裸地埋設(shè)溫度計，不進(jìn)行處理，作為溫度觀測對照組，每日觀測不同土層溫度。

1.3 測定項(xiàng)目

(1)地溫：采用曲管酒精地溫計測量地下5、10、15、20、25、30、50 cm處地溫，地溫計精度為0.5 ℃，每日8∶00、12∶00、18∶00測量溫度。

(2)含水率：土鉆取土，烘干法測量土壤含水率，取土深度分別為5、10、15、20、25、30、40、50 cm，每日20∶00取土，文中含水率為質(zhì)量含水率。

(3)降雨量：試驗(yàn)基地氣象站自動監(jiān)測，試驗(yàn)期間無自然降雨。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓砂地與裸地土壤溫度變化差異性分析

通過觀察10 mm模擬降雨量條件下和自然條件下(無降雨)對照組壓砂地、裸地的溫度變化，采用變異系數(shù)和皮爾遜相關(guān)性分析各土層溫度的變化特征[12]，對比分析壓砂地、裸地之間的差異。變異系數(shù)CV可以用來描述變量的變異性大小，一般認(rèn)為：變異系數(shù)CV≤0.1時為弱變異性；0.1

(1)

式中：CV為變異系數(shù)；SD為該組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；MN為該組數(shù)據(jù)的平均值。

(1)自然無降雨條件下對照組土壤溫度差異性分析。自然無降雨條件下壓砂地和裸地各土層溫度之間的相關(guān)性存在差異，但其總體表現(xiàn)為相鄰?fù)翆又g相關(guān)性最好，且其相關(guān)性隨各土層之間的距離成正比，距離越近相關(guān)性越強(qiáng)，反之相關(guān)性越弱(見表1)。該分析結(jié)果表明，各土層與相鄰?fù)翆又g的熱量交換關(guān)系緊密，由于溫度勢差的存在，某一土層不但會接收上一土層所傳遞的來自太陽輻射產(chǎn)生的熱量，還會將該熱量繼續(xù)傳遞到下一土層；反之，當(dāng)外界溫度降低時，土壤會接收來鄰近土層傳遞的熱量，并傳遞給上一土層，因此相鄰?fù)翆又g相關(guān)性顯著。

表1 自然無降雨條件下各土層溫度皮爾遜相關(guān)性統(tǒng)計值

注：**表示在 0.01 級別，相關(guān)性顯著；*表示在 0.05 級別，相關(guān)性顯著，下同。

表2中累日平均值為觀測期間各土層溫度的平均值，自然無降雨條件下，壓砂地各土層溫度平均值大于裸地，說明壓砂地具有保溫作用。對比每日觀測的溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，自然無降雨條件下壓砂地各土層溫度比裸地高0.5～4.5 ℃(見圖1，以5 cm處溫度為例)，其增溫效果隨著土層深度的增加而減小。壓砂地和裸地各土層地溫的變異系數(shù)和方差隨著土層深度的增加而減小，說明隨著土壤深度的增加，土壤溫度環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定，地溫變化幅度逐漸減小。

表2 自然無降雨條件下各土層溫度變化統(tǒng)計特征值

圖1 自然無降雨條件下壓砂地和裸地5 cm處溫度日變化規(guī)律

(2)10 mm模擬降雨量條件下土壤溫度差異性分析。分析結(jié)果(見表3)表明10 mm降雨條件下壓砂地與裸地各土層溫度之間的相關(guān)性依然呈現(xiàn)與自然無降雨條件下相同的規(guī)律。

壓砂地和裸地各土層溫度的變化特征分析結(jié)果(見表4)表明，各土層溫度的CV值均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而減小的趨勢。壓砂地除15、20 cm處土壤溫度方差值略大于裸地外，其余土層均小于裸地；同時，壓砂地除20 cm處溫度變異系數(shù)略大于裸地外，其余土層均大于或等于裸地，表明裸地在蒸發(fā)過程中各土層溫度變化幅度比壓砂地大。通過對比壓砂地和裸地各土層溫度發(fā)現(xiàn)，模擬10 mm降雨條件下，壓砂地除5 cm處土壤溫度小于裸地0.5～4.0 ℃外(見圖2)，其余土層溫度均大于裸地，10～50 cm各土層溫度增幅為0.5～3.5 ℃(見圖3，以10 cm處溫度變化為例)。

2.2 壓砂地與裸地土壤含水率變化差異性分析

由表5可知，模擬10 mm降雨條件下，壓砂地0～25 cm各土層含水率均與相鄰?fù)翆映曙@著相關(guān)，25～30 cm土層含水率僅與上層土壤呈顯著相關(guān)，其余土層均未表現(xiàn)出這一規(guī)律；裸地0～15 cm各土層含水率均與相鄰?fù)翆映曙@著相關(guān)，15～20 cm土層含水率僅與上層土壤呈顯著相關(guān)，其余土層與相鄰?fù)翆酉嚓P(guān)性不高。水分經(jīng)由土壤表層依次入滲，蒸發(fā)過程中，各層土壤水分依次上移，故水分變化活躍的土層之間呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，而10 mm的降雨量未能影響到深層土壤，且由于測量過程中存在一定誤差，深層土壤在此次實(shí)驗(yàn)中并未表現(xiàn)出較高的相關(guān)性，但不能依此斷定深層土壤含水率與其相鄰?fù)翆又g不相關(guān)。

表3 模擬10 mm降雨條件下各土層溫度皮爾遜相關(guān)性統(tǒng)計值

表4 模擬10 mm降雨條件下各土層溫度變化統(tǒng)計特征值

圖2 10 mm降雨條件下壓砂地與裸地5 cm處溫度日變化規(guī)律

圖3 10 mm降雨條件下壓砂地與裸地10 cm處溫度日變化規(guī)律

表5 模擬10 mm降雨條件下各土層含水率皮爾遜相關(guān)性統(tǒng)計值

表6中最小值為土壤的初始含水率，最大值為第一日結(jié)束后土壤含水率，變化區(qū)間值為第一日結(jié)束后含水率與初始含水率之差，在含水率變化幅度較大的0～15 cm土層，區(qū)間值越大說明第一日結(jié)束時土壤中水分存留越多，蒸發(fā)越弱，0～15 cm土層中壓砂地含水率變化區(qū)間值顯著大于裸地，說明裸地蒸發(fā)速率大于壓砂地。各土層含水率變異系數(shù)存在差異，但其總體均未出現(xiàn)強(qiáng)變異性，表層土壤(0～15 cm)呈現(xiàn)為中等變異性，其余土層均為弱變異性，結(jié)合方差值和變異系數(shù)來看，0～15 cm土層土壤對蒸發(fā)響應(yīng)較為強(qiáng)烈，其余土層變化微弱，說明10 mm模擬降雨量對15 cm以下土壤影響較小。

壓砂地和裸地在蒸發(fā)過程中土壤含水率變化如圖4和圖5所示，可以看出，壓砂地和裸地含水率變化幅度較大的均為0～15 cm土層，隨著土壤蒸發(fā)過程的進(jìn)行，各土層含水率逐漸減小至初始含水率，深層土壤含水率圍繞初始含水率呈現(xiàn)出幅度較小的波動。其中，壓砂地蒸發(fā)速率緩慢，水分可以充分入滲，在第一日出現(xiàn)了5～15 cm土層含水率高于20～50 cm土層含水率、在第三日出現(xiàn)了10～15 cm土層含水率高于15～50 cm土層含水率的現(xiàn)象，隨著蒸發(fā)過程的進(jìn)行，其余時段各土層含水率隨著土壤深度的增加而增加，裸地蒸發(fā)速率較快，并未出現(xiàn)這種情況。

表6 壓砂地、裸地水分變化統(tǒng)計特征值

圖4 壓砂地含水率日變化規(guī)律

圖5 裸地含水率日變化規(guī)律

2.3 壓砂地與裸地中地溫-含水率相關(guān)性分析

土壤水分的散失會帶走一定的熱量，從而影響土壤溫度，土壤溫度變化和水分變化之間存在一定的相關(guān)性。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了10 mm降水量條件下壓砂地和裸地不同土層溫度和含水率變化之間的相關(guān)性(見表7)，結(jié)果顯示，除壓砂地15～20、25～30 cm土層和裸地25～30 cm土層含水率與部分土層溫度呈低水平正相關(guān)外，其余土層含水率均與溫度之間呈現(xiàn)出程度不等的負(fù)相關(guān)。含水率高時在蒸發(fā)過程中會增加土壤的潛熱交換量，從而降低土壤溫度，減小各土層升溫效果，故土層含水率與溫度之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，而隨著土壤深度的增加，土壤環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定，兩者之間的相關(guān)性逐漸減小。其中，壓砂地5～10 cm土層土壤含水率與10、15 cm處溫度、30～40 cm土層土壤含水率與10～50 cm各土層溫度達(dá)到了顯著性水平，裸地0～5 cm土層含水率與15 cm處溫度相關(guān)性達(dá)到了顯著水平。

表7 壓砂地和裸地各土層溫度和含水率皮爾遜相關(guān)性統(tǒng)計值

從能量平衡角度來看，土壤水分變化是影響潛熱交換的主要因素，水分散失會帶走熱量，從而降低土壤溫度，土壤溫度變化和水分變化之間存在一定的聯(lián)系。水分觀測是農(nóng)田水分管理的重要依據(jù)，但土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的獲取操作困難，且會破壞土體結(jié)構(gòu)，而農(nóng)田土壤溫度的觀測對土體結(jié)構(gòu)破壞較小，簡單易行，建立溫度和水分之間的定量關(guān)系，有助于了解土壤墑情，對農(nóng)田水分管理有重要意義。

在分析裸地溫度和水分變化關(guān)系時，由于僅0～5 cm土層含水率和15 cm處溫度達(dá)到統(tǒng)計學(xué)顯著水平，故對其進(jìn)行回歸分析，得到關(guān)系式為：

(2)

式中：B表示裸地；yB1為裸地0～5 cm土層含水率；xB3為裸地15 cm處土壤溫度。

同樣，由于壓砂地5～10 cm土層含水率和10 cm、15 cm處土壤溫度達(dá)到了統(tǒng)計學(xué)顯著水平，故對其進(jìn)行回歸分析，建立方程為：

yG2=-0.565xG2-0.241xG3+34.147 (R2=0.93)

(3)

式中：G表示壓砂地；yG2為壓砂地5～10 cm土層含水率；xG2為壓砂地10 cm處土壤溫度；xG3為壓砂地15 cm處土壤溫度。

雖然壓砂地30～40 cm土層含水率與10～50 cm土層溫度達(dá)到了統(tǒng)計學(xué)顯著水平，但在回歸分析中，15、20以及30 cm土層溫度未通過篩選，剔除此3個變量，最終建立方程為：

yG7=-0.03xG2-0.167xG5+0.231xG7+12.233

(R2=0.99)

(4)

式中：yG7為壓砂地30～40 cm土層含水率；xG2為壓砂地10 cm處土壤溫度；xG5為壓砂地25 cm處土壤溫度；xG7為壓砂地50 cm處土壤溫度。

3 討 論

在對壓砂地和裸地溫度變化規(guī)律進(jìn)行觀察時我們發(fā)現(xiàn)壓砂地具有保溫作用，這一結(jié)果與劉謙和在蘭州進(jìn)行的結(jié)論一致。劉謙和以不同粒徑和不同砂層厚度為變量進(jìn)行土壤的純干燥過程研究，本文僅設(shè)置了一個粒徑和一個砂層厚度，在分析壓砂地保溫機(jī)理的角度上有所欠缺。

在對壓砂地、裸地蒸發(fā)過程中水分變化的研究中我們發(fā)現(xiàn)，除上層水分變化比較活躍的土層含水率與相鄰?fù)翆映曙@著相關(guān)關(guān)系外，其余土層均未表現(xiàn)出較高的相關(guān)性。張建兵[13]在研究葵花田灌溉后水分變化規(guī)律時發(fā)現(xiàn)0～100 cm土層(每20 cm一層)各土層之間含水率相關(guān)性較高，因其灌水量為3 000 m3/hm2，灌水量大，水分可以充分入滲，而本實(shí)驗(yàn)?zāi)M降雨量較小，水分入滲只出現(xiàn)在土壤上層，加之實(shí)驗(yàn)區(qū)地下水位較深，蒸發(fā)過程中幾乎無地下水補(bǔ)給，因此下層土壤含水率變化較小，又因?yàn)闇y量過程中存在一定誤差，故得出此結(jié)論。今后在研究土壤水分變化的過程中，應(yīng)將降水量納入考慮范圍。

在對壓砂地和裸地的土壤溫度水分相互關(guān)系進(jìn)行分析對比時，受限于當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)條件，建立的函數(shù)關(guān)系只能作以參考。

4 結(jié) 語

(1)自然無降雨條件下，壓砂地各土層溫度比裸地高0.5～4.5 ℃，模擬10 mm降雨處理?xiàng)l件下，壓砂地5 cm處土壤溫度低于裸地0.5～4.0 ℃，10～50 cm土層壓砂地土壤溫度比裸地高0.5～3.5 ℃。

(2)結(jié)合土壤蒸發(fā)過程中各土層含水率變化的方差值和變異系數(shù)分析，10 mm模擬降雨條件下，壓砂地和裸地0～15 cm處土壤含水率變化幅度較大，15～50 cm處含水率變化幅度較小，裸地蒸發(fā)速率大于壓砂地。

(3)無地下水補(bǔ)給，室外模擬10 mm降雨量處理?xiàng)l件下的蒸發(fā)過程中，裸地0～5 cm土層土壤含水率與15 cm處溫度相關(guān)性達(dá)到了顯著水平，壓砂地5～10 cm土層含水率與10、15 cm處溫度相關(guān)性達(dá)到了顯著水平，30～40 cm土層土壤含水率與10～50 cm各土層溫度相關(guān)性均達(dá)到了顯著性水平，依此建立的土壤水分-溫度函數(shù)關(guān)系可對當(dāng)?shù)剞r(nóng)田水分管理提供參考。