秸稈覆蓋條件下濱海鹽漬土蒸發(fā)對近地層微氣候變化影響的模擬研究

鄧亞鵬，孫池濤，張俊鵬，孫景生，毛偉兵，孫玉霞，平文超，李 勃

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，農(nóng)業(yè)部作物需水與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.滄州市農(nóng)林科學(xué)院，河北 滄州 061400；4.山東省果樹研究所，山東 泰安 271000)

在濱海地區(qū)，淡水資源緊缺和土壤鹽漬化導(dǎo)致的土壤干旱與貧瘠是引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平低且不穩(wěn)定的重要因素[1]。在這些地區(qū)，土壤蒸發(fā)約占同期農(nóng)田水分總損失的50%～70%，鹽分隨水分蒸發(fā)而積聚在表層土壤，不但加重了土壤鹽漬化，而且影響了作物的正常生長[2]。土壤水分蒸發(fā)一方面降低了植物根系吸收水分的相對比例，另一方面改變了近地層空氣微氣候(溫度、濕度)，影響了近地層水熱交換。以往研究中多關(guān)注了不同抑蒸措施對作物耗水的影響，而忽略了水分蒸發(fā)對近地層微氣候變化的影響[3]。

秸稈覆蓋是國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的抑蒸、保水農(nóng)業(yè)技術(shù)措施。秸稈覆蓋不僅在提高土壤蓄水能力，促進(jìn)鹽分淋洗、抑制地表返鹽方面具有顯著的效果，而且在調(diào)節(jié)土壤通透性、溫度、養(yǎng)分、酶活性、生物結(jié)構(gòu)、碳氮轉(zhuǎn)運(yùn)、土壤呼吸、作物水分利用等方面也具有重要作用[4-8]。王青霞等[9]研究表明秸稈覆蓋后，土壤微生物活性及其利用碳水化合物和羧酸的能力有顯著提升，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)更為穩(wěn)定；程曼等[10]指出長期秸稈還田對土壤養(yǎng)分含量及酶活性均產(chǎn)生了有益影響，為作物產(chǎn)量的穩(wěn)定與提升提供了重要保障。然而，作物產(chǎn)量提升、微生物數(shù)量、酶活性及碳氮轉(zhuǎn)運(yùn)等生化活動離不開適宜的土壤水熱環(huán)境和近地層微氣候條件，以往有關(guān)秸稈覆蓋對土壤水熱環(huán)境和作物水分利用等方面的研究報道頗多，成果豐碩[11-13]；而對近地層微氣候變化的影響研究鮮見報道。開展近地層微氣候效應(yīng)研究有助于揭示秸稈覆蓋對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境作用機(jī)理，完善秸稈覆蓋應(yīng)用理論，為秸稈覆蓋技術(shù)推廣提供理論依據(jù)。

基于上述內(nèi)容，本研究通過模擬試驗(yàn)旨在探索秸稈覆蓋后鹽漬土近地層微氣象因素變化規(guī)律，明確秸稈覆蓋條件下土壤蒸發(fā)強(qiáng)度及水鹽動態(tài)特征，解析微氣象條件-土壤蒸發(fā)-土壤水鹽之間的作用機(jī)制，為秸稈覆蓋在鹽漬土水鹽調(diào)控方面的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤取自濱州市無棣縣渤海糧倉科技示范區(qū)(117°42′～118°04′E， 37°17′～38°03′N)內(nèi)農(nóng)田0～40 cm土層，土壤含鹽量為3 g·kg-1，主要以NaCl為主，約占總鹽分含量的70～80%。通過吸管法測定土壤各粒級相對含量(表1)，可見，粘粒(< 0.002 mm)為10.75%，粉粒(0.002～0.05 mm)為54.92%，沙粒(> 0.05 mm)為34.33%；土壤質(zhì)地為粘質(zhì)壤土(美國制)。采樣區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為12.3℃，降雨量為586 mm，蒸發(fā)量為1800 mm；其中，6—9月降雨量約占全年總降雨量的70%。本試驗(yàn)中覆蓋材料為剪碎0.5～1 cm的小麥秸稈。

表1 試驗(yàn)土壤顆粒級配相對含量/ %

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)通過航空塑料杯(容積230 mL，杯高80 mm，上口直徑70 mm，下口直徑50 mm)實(shí)現(xiàn)，2個塑料杯為一套裝置(圖1a)，上杯底部用電鉆均勻打孔(孔徑1 mm)，下杯完好嵌套上杯。上杯底部均勻鋪設(shè)20 g粒徑為2 mm的石英砂，之后石英砂上裝230 g風(fēng)干土壤(容重為1.3 g·cm-3)，上杯頂部預(yù)留0.5 cm空間以覆蓋秸稈，秸稈量按照0、0.3、0.6、0.9 kg·m-2和1.2 kg·m-2(分別由CK、A、B、C和D表示)鋪設(shè)，每個處理重復(fù)20次。試驗(yàn)布置如圖1b所示：各裝置置于1 cm厚泡沫板上，圖中每個圓表示一套試驗(yàn)裝置，不同處理間設(shè)置50 cm×50 cm的塑料隔板以消除空氣溫濕度的相互影響。試驗(yàn)時間為2019年12月28日至2020年1月9日共計(jì)14 d。試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程實(shí)驗(yàn)中心大廳完成，試驗(yàn)期間室內(nèi)溫度為13℃～18℃。

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)開始前，向每套裝置中加預(yù)先配置好的5 g·L-1NaCl溶液180 mL(灌水前土壤上方鋪設(shè)濾紙，以保證表層不被擾動)，入滲過程中及時倒掉下杯搜集的液體，靜置24 h后，按設(shè)計(jì)用量覆蓋秸稈。每個處理固定3組裝置稱重，根據(jù)前后2次稱量值計(jì)算蒸發(fā)量。稱重同時用紅外測溫儀(Testo，德國)測定各處理近地層表層土壤溫度；用空氣溫濕度儀(Testo 608，德國)測定每個處理中央位置正上方10、15、100 cm處溫度、濕度和風(fēng)速；此外，通過破壞性分層取樣(0～1、1～2、2～3、3～5 cm)測定土壤含水率和電導(dǎo)率。土壤蒸發(fā)和土壤含水率、電導(dǎo)率前期按照每240～480 min(4～8 h)測定1次，后期按照每720～1 440 min(12～24 h)測定1次；溫度、濕度和風(fēng)速前期按照每120 min(2 h)測定1次，后期按照每240 min(4 h)測定1次。參考翁篤鳴[14]、李全起等[15]的定義，本文中近地層氣象因素特指地表土壤溫度及地表上方15 cm處空氣溫度和濕度。將取出的土壤分成兩份，一份土壤風(fēng)干，過2 mm篩后稱取10 g土壤，按照土與水質(zhì)量比為1∶5混合，震蕩3 min，靜置30 min后，采用電導(dǎo)率儀(DDS-307A)測定土壤浸提液電導(dǎo)率值；已有研究表明，土壤電導(dǎo)率與土壤全鹽含量具有較好的線性正相關(guān)關(guān)系，電導(dǎo)率的大小可反映土壤含鹽量的高低[16]。土壤含水率采用烘干法測定，將另一份土壤置于105 ℃烘箱中烘10 h，測量干土質(zhì)量，計(jì)算獲得土壤含水率。

1.4 數(shù)據(jù)處理及作圖

本試驗(yàn)中，無外源加熱設(shè)備補(bǔ)充熱量，主要考慮蒸發(fā)顯熱H、潛熱通量LE以及湍流交換系數(shù)(KZ)的變化情況。相關(guān)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，ρ為空氣密度，ρ=0.00129 g·m-2；Cp為定壓比熱，Cp=1.008 J·(g·℃)-1；TZ1、TZ2為Z1、Z2位置處空氣溫度(℃)；k為卡曼常數(shù)，0.41；uZ1、uZ2為Z1、Z2位置處空氣風(fēng)速(m·s-1)；L為凈長波輻射量(W·m-2)；e1、e2為Z1、Z2位置處(本文中為處理表面正上方10 cm和100 cm位置)空氣水汽壓(hPa)；e為空氣飽和水汽壓(hPa)；KZ為Z位置處湍流交換系數(shù)(m2·s-1)；T為空氣溫度(℃)。

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入和初步分析由Excel實(shí)現(xiàn)，單因素方差分析(One-way ANOVA)由SPSS 19.0實(shí)現(xiàn)(LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，p<0.05)，作圖由Excel完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈覆蓋對地表土壤溫度、地表上方15 cm處空氣溫度、濕度的影響

秸稈覆蓋后土壤表面導(dǎo)熱率、反射率及粗糙度等發(fā)生變化，進(jìn)而改變了表層土壤的熱學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)，影響了地表土壤溫度和近地層空氣溫度和濕度。

2.1.1秸稈覆蓋對地表土壤溫度的影響 試驗(yàn)期間各處理地表土壤溫度隨時間的變化趨勢基本一致：隨著秸稈覆蓋量的增加近地層土壤溫度亦顯著增加，A、B、C和D地表土壤溫度比CK分別增加了21.9%、27.4%、27.2%和33.5%(圖2)，且0～10 000 min時間段不同處理間溫度差異較大，A、B、C和D地表土壤溫度比CK分別增加了25.6%、32.4%、31.8%和39.5% (p<0.05)；10 000～18 000 min秸稈覆蓋處理地表土壤溫度差異不顯著，但仍高于CK，A、B、C和D處理分別提高了9.2%、9.9%、11.3%和12.6%。

2.1.2 秸稈覆蓋對地表上方15 cm處空氣溫度的影響 與地表土壤溫度隨時間變化趨勢相似，試驗(yàn)期間各處理地表上方15 cm處空氣溫度亦隨秸稈覆蓋量的增加呈增加趨勢，試驗(yàn)期間秸稈覆蓋處理與CK地表上方15 cm處平均空氣溫度差異不顯著，A、B、C和D處理地表上方15 cm處空氣溫度比CK分別增加了1.02%、0.59%、0.95%和1.54%(圖3)。0～10 000 min，秸稈覆蓋處理地表上方15 cm處空氣溫度高于CK，A、B、C和D空氣溫度比CK分別增加了1.28%、0.89%、1.26%和1.91%；10 000～18 000 min，秸稈覆蓋處理地表上方15 cm處空氣溫度低于CK，差異不顯著，A、B、C和D處理依次降低了0.21%、0.84%、0.53%和0.21%。

2.1.3 秸稈覆蓋對地表上方15 cm處空氣相對濕度的影響 試驗(yàn)期間各處理地表上方15 cm處平均空氣相對濕度隨時間的變化趨勢相似，秸稈覆蓋處理地表上方15 cm處平均空氣相對濕度顯著低于CK，A、B、C和D處理比CK分別降低了1.9%、1.8%、1.5%和1.9%(圖4)。0～10 000 min，A、B、C和D處理的地表上方15 cm處空氣相對濕度比CK分別降低了2.8%、2.7%、2.3%和2.8%；10 000～18 000 min，A、B、C和D處理的地表上方15 cm處空氣相對濕度比CK分別增加了2.3%、2.0%、1.9%和1.9%。

2.2 秸稈覆蓋對近地層湍流熱通量的影響

湍流交換系數(shù)可有效反映湍流交換能力，其數(shù)值越大表明湍流交換能力越強(qiáng)，空氣對熱量的輸送能力也越強(qiáng)。由圖5a表示試驗(yàn)期間地表上方15 cm處湍流交換系數(shù)變化。試驗(yàn)期間A、B、C和D處理平均湍流交換系數(shù)比CK分別降低了73.3%、62.8%、29.9%和51.7%(圖5a)。湍流熱通量主要由湍流交換系數(shù)及Z1和Z2位置的溫差決定，湍流熱通量為正表示熱量由上層向下層傳輸，反之，則表示熱量由下層向上層傳輸。試驗(yàn)期間各處理湍流熱通量數(shù)值為負(fù)(圖5b)，即熱量主要由土壤向大氣傳輸，且從圖中還可以看出，A、B、C和D處理平均湍流熱通量比CK處理分別增加了80.2%、70.6%、52.8%和69.6%。

在水汽傳輸過程中，蒸發(fā)主要以潛熱方式實(shí)現(xiàn)地表和近地層之間的熱交換。潛熱通量為正表示水分蒸發(fā)，釋放熱量；反之，則為水分凝結(jié)，吸收熱量。試驗(yàn)期間各處理潛熱通量均為正，呈蒸發(fā)狀態(tài)，且A、B、C和D處理的平均潛熱通量比CK分別低了84.9%、79.4%、57.6%和69.8%(圖5c)。

2.3 秸稈覆蓋對土壤蒸發(fā)的影響

秸稈覆蓋后地表溫度及地表上方空氣溫度、濕度及湍流熱通量條件發(fā)生改變，地氣間的水汽傳輸必然受到影響。由圖6可見，0～10 000 min內(nèi)，A、B、C和D處理的平均土壤蒸發(fā)強(qiáng)度比CK處理依次低了12.4%、52.5%、26.7%和60.3%，且這一階段CK蒸發(fā)強(qiáng)度始終高于覆蓋處理，A、B、C和D處理的蒸發(fā)強(qiáng)度自初始迅速降低，之后蒸發(fā)強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定；10 000～18 000 min內(nèi)，A、B、C和D處理的平均蒸發(fā)強(qiáng)度比CK依次提高了196.1%、186.6%、88.0%和91.0%。可見，秸稈覆蓋主要抑制了蒸發(fā)初期的土壤蒸發(fā)強(qiáng)度，且隨著秸稈覆蓋量的增加抑制效果表現(xiàn)更為明顯。

2.4 秸稈覆蓋對土壤水分和土壤電導(dǎo)率的影響

秸稈覆蓋后各處理表層0～1 cm土壤含水率和電導(dǎo)率隨時間的變化如圖7所示。所有處理土壤含水率隨時間的延長而降低，且隨著秸稈覆蓋量的增加土壤含水率呈遞增趨勢，A、B、C和D處理的土壤含水率平均分別比CK提高了41.2%、52.3%、65.7%和58.5%(圖7a)。此外，蒸發(fā)過程中CK土壤含水率的下降速率明顯高于秸稈覆蓋處理；土壤電導(dǎo)率則是0～2 000 min期間迅速升高，之后趨于相對恒定，且各處理隨著秸稈覆蓋量的增加表層平均電導(dǎo)率呈降低趨勢，表明秸稈覆蓋具有抑鹽效果，且秸稈覆蓋量越大，表層抑鹽效果越強(qiáng)(圖7b)。

3 討 論

秸稈覆蓋改變了蒸發(fā)面與下層土壤的毛管聯(lián)系，減弱了土壤空氣與大氣之間的對流交換強(qiáng)度，影響了近地層微氣候。研究表明秸稈覆蓋在低溫時具有“增溫效應(yīng)”，而在高溫時則具有“降溫效應(yīng)”[4]。本試驗(yàn)觀測前期秸稈覆蓋處理地表土壤溫度及近地層空氣溫度整體均高于CK，空氣濕度低于CK，結(jié)果與鄧浩亮等[17]基本一致；而試驗(yàn)后期秸稈覆蓋處理近地層空氣溫度整體均高于CK，空氣濕度低于CK，其原因可能是隨著土壤蒸發(fā)的持續(xù)上層秸稈吸收了部分蒸發(fā)水分，提高了自身的比熱容及熱傳導(dǎo)能力[18]。試驗(yàn)期間，各處理均無額外熱源加熱，秸稈覆蓋層阻擋了土壤與大氣間的能量交換，減少了土壤熱量向大氣中的散發(fā)，導(dǎo)致秸稈覆蓋處理近地層氣溫高于裸地(CK)。

地表覆蓋后土壤表層與空氣之間形成了一個疏松的隔離層，增加了地表粗糙度，切斷了空氣與土壤的接觸，影響了土壤與空氣間的湍流熱通量交換[15]。方文松等[19]田間試驗(yàn)結(jié)果表明秸稈覆蓋量越大，湍流熱通量越大，而潛熱通量則隨秸稈覆蓋量的增加而降低。本研究結(jié)果表明湍流熱通量和潛熱通量均隨秸稈覆蓋量的增加呈增加趨勢，原因可能是本研究為室內(nèi)蒸發(fā)試驗(yàn)，無額外熱源補(bǔ)給，且熱量主要通過蒸發(fā)釋放。

土壤蒸發(fā)強(qiáng)度同時受內(nèi)因(土壤自身導(dǎo)水性能、含水率等)和外因(氣象、覆蓋等)共同影響[20]。本研究中，蒸發(fā)伊始各處理內(nèi)因(土壤含水率)相同，受秸稈覆蓋量不同引起蒸發(fā)外因差異明顯，秸稈覆蓋處理土壤蒸發(fā)強(qiáng)度顯著高于對照。從圖7可看出本試驗(yàn)期間所有處理主要包含了蒸發(fā)強(qiáng)度快速降低和蒸發(fā)強(qiáng)度緩慢下降2個變化階段，且所有秸稈覆蓋處理蒸發(fā)強(qiáng)度快速降低階段持續(xù)時間均低于CK，其原因是覆蓋的秸稈層隔斷了蒸發(fā)層與下層土壤的毛管聯(lián)系，減弱土壤空氣與大氣之間的湍流交換強(qiáng)度[18]，有效地抑制蒸發(fā)，本研究中可以看出，秸稈覆蓋量越大，其抑制效果越好，與張翼夫等[21]研究結(jié)果一致。蒸發(fā)后期CK蒸發(fā)強(qiáng)度低于秸稈覆蓋處理，原因是蒸發(fā)后期CK土壤含水率已下降至較低水平，其可供蒸發(fā)水量低于秸稈覆蓋處理。此外，CK蒸發(fā)前期強(qiáng)度較高導(dǎo)致深層土壤鹽分在地表積聚形成致密層，在一定程度上也降低了其蒸發(fā)強(qiáng)度[22]。

秸稈覆蓋處理土壤含水率高于CK，且隨著秸稈覆蓋量的增加其土壤含水率愈高，這與張翼夫等[21]研究結(jié)果一致。試驗(yàn)開始前，各處理初始含鹽量基本一致，蒸發(fā)初期各處理鹽分均呈遞增趨勢，原因可能是下層土壤鹽分隨蒸發(fā)的進(jìn)行運(yùn)移至上層土壤所致。結(jié)合土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨時間變化(圖6)可知，土壤鹽分向上層土壤積聚主要集中于蒸發(fā)強(qiáng)度快速下降階段。此階段水分主要以毛管水或膜狀水傳輸為主[23]，表明鹽分運(yùn)移可能以毛管水或膜狀水運(yùn)動為主。然而，土壤鹽分主要隨何種水分形式(毛管水、膜狀水)運(yùn)移尚有待于進(jìn)一步研究。

近地層微氣候受多種因素共同影響，開展秸稈覆蓋條件下的微氣候影響效應(yīng)研究可揭示秸稈覆蓋的機(jī)理與功效，為深入開展相關(guān)研究提供重要理論依據(jù)[14, 24]。然而，近地層微氣候田間監(jiān)測研究需要投入較多的人力、物力且需配合嚴(yán)格的監(jiān)測方案才能獲得最佳效果[14-15]；室內(nèi)模擬試驗(yàn)借鑒了田間監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避了其缺點(diǎn)，可快捷、簡便地開展單要素變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響機(jī)理研究，目的更為明確。本文旨在研究秸稈覆蓋對近地層微氣候和鹽堿土蒸發(fā)及水分、鹽分的影響并揭示其內(nèi)在機(jī)理，研究結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了張俊鵬等[5]、李全起等[15]、方文松等[19]田間試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。室內(nèi)秸稈覆蓋模擬試驗(yàn)類似于土柱試驗(yàn)[25-26]可忽略天氣環(huán)境及土壤環(huán)境差異對結(jié)果的影響，為深入開展秸稈覆蓋對微氣候變化機(jī)理研究提供了新模式。

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，本文系統(tǒng)研究了秸稈覆蓋對近地層微氣候、湍流熱通量、土壤蒸發(fā)強(qiáng)度及土壤水分和電導(dǎo)率的影響，結(jié)論如下：

(1)秸稈覆蓋可增加土壤表層溫度及近地層空氣溫度，降低近地層空氣濕度，且秸稈覆蓋效應(yīng)在蒸發(fā)前期的增溫、保溫效果更為明顯；

(2)秸稈覆蓋降低了土壤湍流交換系數(shù)和潛熱通量，增加了土壤湍流熱通量；

(3)土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨秸稈覆蓋量的增加而降低，秸稈覆蓋量越大其抑蒸效果越明顯，且秸稈覆蓋對蒸發(fā)前期蒸發(fā)強(qiáng)度的抑制效果更為明顯；

(4)覆蓋的秸稈層改善了近地層微氣候條件，增加了土壤與大氣間的水汽傳輸阻力，且秸稈覆蓋量越大，其保墑抑鹽效果越強(qiáng)。