鋪設(shè)地膜條件下梭梭土壤水分的動態(tài)變化

王 英王軍德張育斌秦 力

(甘肅省水利科學(xué)研究院,甘肅 蘭州730000)

土壤水分作為荒漠植被發(fā)育最主要的制約因子,影響沙地植物的生長狀況[1],植被覆蓋也影響著土壤水分的含量及其分布[2]。分析沙生植物的水分動態(tài)時空分布特征對荒漠過渡帶植被建設(shè)具有重要意義[3-5]。Schlesinger等[6]研究表明,干旱區(qū)植物通過特有的土壤水分吸收機(jī)制來響應(yīng)土壤水分的空間異質(zhì)性,同時也對土壤水分的空間分布產(chǎn)生重要影響。郭泉水等[7]認(rèn)為沙區(qū)土壤水分的時空動態(tài)決定著生態(tài)系統(tǒng)的格局和演變,而生態(tài)系統(tǒng)演變又不斷改變著沙地的水文過程。民勤縣地處河西走廊東北部,被巴丹吉林和騰格里兩大沙漠所包圍,屬荒漠過渡帶。梭梭作為民勤縣的主要固沙植物,其生長發(fā)育很大程度上受制于土壤水分條件[8],存活率低,生長緩慢。目前研究多采用機(jī)械沙障與種植沙生植物梭梭,駱駝刺等,起到防風(fēng)固沙和恢復(fù)生態(tài)的作用[9],常用的機(jī)械沙障有塑料網(wǎng)沙障、麥草沙障、覆袋沙障、黏土沙障、玉米稈沙障、生態(tài)墊沙障等,蘇永德等[10]研究了生態(tài)墊和覆袋沙障對梭梭林冠下土壤含水量的影響;安富博等[11]通過固沙植物材料選育和新型機(jī)械沙障的研制開展民勤防沙治沙新技術(shù)、新材料研究,研究表明棉稈沙障具有良好的防風(fēng)固沙效果。劉江等[12]研究了窄條紗網(wǎng)沙障和保水凝水劑對梭梭造林成效的影響,各種沙障制作材料和布設(shè)形式的不同,表現(xiàn)出來的防風(fēng)固沙效益也各不相同[13-15]。大部分研究認(rèn)為沙障材料可以保持水分、起到防風(fēng)固沙,進(jìn)而影響梭梭根系對水分的吸收,但是通過鋪設(shè)地膜降低梭梭水分蒸發(fā)損失,提高蓄水保墑能力的研究較少。為此,本文在梭梭周圍設(shè)置麥草方格的基礎(chǔ)上,布設(shè)4種不同厚度的高密度聚乙烯(HDPE)地膜,對5種處理梭梭進(jìn)行土壤含水量觀測,通過試驗旨在選擇保水性能好的地膜材料,來減少梭梭土壤水分蒸發(fā),增強(qiáng)保水保墑能力,為河西走廊沙漠化防治提供技術(shù)支撐。

1 研究地區(qū)及試驗布置

1.1 研究區(qū)

本試驗選擇民勤縣城以北13.5 km處的大灘鄉(xiāng)東大村為試驗基地,民勤縣地處河西走廊東北部、石羊河流域下游,被巴丹吉林和騰格里兩大沙漠包圍,代表了我國北方干旱典型脆弱區(qū),降水稀少,多年平均降水量為113.2 mm,蒸發(fā)量為2 675.6 mm,試驗區(qū)地下埋深20 m。根據(jù)氣象資料統(tǒng)計,民勤地區(qū)的干旱指數(shù)為24,具有明顯的沙漠氣候特征。梭梭適應(yīng)旱生環(huán)境,具有非常強(qiáng)的抗旱特性,在民勤地區(qū)是典型的抗旱沙生植物。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗選擇1 a生梭梭為試驗對象,苗高20 cm,主根長30 cm,根幅30 cm。采用普通麥草圍成的沙障網(wǎng)格作為沙面材料,麥草沙障高度為15 cm,沙障網(wǎng)格為1 m×1 m,網(wǎng)格內(nèi)鋪設(shè)高密度聚乙烯塑料膜。分別選擇0.3 mm的白色PE土工膜,0.03 mm的農(nóng)用膜,0.2 mm的黑色PE土工膜,0.12 mm的棚膜,規(guī)格為1 m×1 m;植物種植處預(yù)留直徑為20 cm的圓孔,鋪設(shè)時四周高,并以2%坡度流向至中央圓孔處,試驗設(shè)置5種處理,每種處理3次重復(fù)。4種覆膜處理,1種未覆膜的對照處理。

2 試驗方法

采用TRIME-PICOIPH2TDR剖面土壤水分測量系統(tǒng)測定5種處理梭梭土壤體積含水量,測試深度為0—100 cm,每隔20 cm設(shè)定一個土壤剖面,共5個土壤層。每7 d觀測一次,同時對降雨后的梭梭土壤含水量進(jìn)行連續(xù)3 d觀測,降雨量的測定采用氣象觀測系統(tǒng),測量時間在降雨天的8:00和20:00。采用Origin 2017和Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,采用SPSS 26進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差相關(guān)性分析。

式中:Δθi為土壤某層的體積含水量;Zi為土壤層厚度;i為土壤層次。

對于旱作物,在整個生育期中任何一個時段的水量平衡方程為:

式中:ΔW為任一時段間t的儲水量(mm);Wr為由于H增加而增加的水量(mm);P0為保存在H內(nèi)的有效降雨量(mm);K為時段t內(nèi)的地下水補(bǔ)給量(mm);M為時段t內(nèi)的灌溉水量(mm);ET為時段t內(nèi)的田間需水量。

5種處理土壤含水量分析是在同一土壤層深度,H在時段內(nèi)無變化,Wr不存在;由于試驗區(qū)地下水埋深20 m,對于1 a生梭梭補(bǔ)給可能性很小,因此時段內(nèi)地下水補(bǔ)給量K可忽略;試驗期未對梭梭進(jìn)行灌溉,因此時段內(nèi)的灌溉水量M為0,因此,本研究的水量平衡方程的計算公式為:

式中:ΔW為時段時間t的土壤儲水量變化;P0為保存在H內(nèi)的有效降雨量;ET為時段t的田間需水量(mm)。

3 覆膜對梭梭土壤水分動態(tài)影響

3.1 5種處理梭梭土壤水分特征對比分析

試驗基地2019年降雨量情況如圖1所示。降雨集中在夏秋季的5—10月,春冬季降雨較少。最大的降雨量17.1 mm出現(xiàn)在2019年9月8日。對5種處理梭梭從2019年2—12月測定土壤體積含水量,同一土壤層梭梭體積含水量隨時間變化對比降雨量分析結(jié)果如圖2所示。分析可知,梭梭土壤含水量隨著季節(jié)降雨波動變化而變化,夏秋季土壤含水量高,冬春季土壤含水量逐漸趨于平緩。表層土壤20 cm深度,土壤含水量受降雨量影響變化最明顯,屬于土壤水分速變層,與劉嬌[16]的研究成果一致。40 cm深度土壤含水量變化較明顯,說明0—40 cm土壤含水量受降雨影響較大;這與陳宏祥等[17]研究成果相符合,即雨季對梭梭土壤水分的影響主要集中在水分活躍層。8月下旬試驗基地久未下雨,出現(xiàn)極度干旱狀態(tài),受干旱脅迫梭梭土壤含水量呈現(xiàn)最低狀態(tài)。9月8日降雨量為一年日降雨量最大值,5種處理梭梭土壤含水量隨之變化最大,20 cm土層深度土壤含水量受其影響顯著。

圖1 試驗基地2019年1—12月降雨量

圖2 不同土層深度5種處理梭梭林下土壤含水量動態(tài)變化

3.2 5種處理梭梭土壤含水量相關(guān)性分析

通過對5種處理在20,40,60,80和100 cm深度的土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素相關(guān)性分析,結(jié)果詳見表1。20 cm土層深度,白膜梭梭土壤含水量與對照梭梭土壤含水量呈顯著性相關(guān);其余處理間土壤含水量均不呈現(xiàn)明顯相關(guān)性;40 cm土層深度,棚膜梭梭土壤含水量與對照梭梭呈顯著性強(qiáng)相關(guān),黑膜梭梭土壤含水量與對照梭梭呈顯著性弱相關(guān),其余處理間均不呈現(xiàn)明顯相關(guān)性;60—100 cm土層深度,5種處理間呈多個顯著性相關(guān)關(guān)系,說明40 cm土層深度以上,鋪設(shè)地膜對梭梭土壤含水量的影響最顯著。

表1 不同土層深度5種處理梭梭林下土壤含水量的相關(guān)性分析

3.3 降雨前后不同處理的土壤水分特征分析

2019年9月8日,試驗基地降雨17.1 mm,對降雨前9月1日、降雨后9月9—11日的梭梭土壤體積含水量進(jìn)行分析。由圖3觀測分析結(jié)果可知,5種處理中,降雨前梭梭已經(jīng)處于極度干旱狀態(tài),5層土壤含水量逐層增加。

圖3 降雨前后不同土層深度5種處理梭梭林下土壤含水量

不同處理梭梭土壤含水量表現(xiàn)出不同的差異性,20 cm土層深度,土壤含水量依次順序為:白膜梭梭＞黑膜梭梭＞棚膜梭梭＞對照區(qū)梭梭＞農(nóng)膜梭梭;40 cm土層深度,棚膜梭梭土壤含水量最高;60 cm土層深度,黑膜梭梭土壤含水量最高;80 cm土層深度,白膜梭梭土壤含水量最高,是對照區(qū)土壤含水量的32%,但100 cm土層深度,對照區(qū)梭梭土壤含水量和覆膜梭梭的土壤含水量差距不大,說明地膜對梭梭的影響為80 cm以上的土層深度。降雨后,雨水很快集蓄在梭梭根部,土壤含水量受降雨影響迅速上升,隨著雨水逐漸下滲到深層土壤及植物蒸騰蒸發(fā)作用,表層土壤含水量逐漸下降。20 cm深度,梭梭土壤含水量增加幅度最大,受降雨影響程度最大,表現(xiàn)為:白膜梭梭＞棚膜梭梭＞黑膜梭梭＞農(nóng)膜梭梭＞對照區(qū)梭梭;白膜梭梭比對照區(qū)梭梭土壤含水量高26%;40 cm土層深度,棚膜梭梭土壤含水量最高,對照區(qū)梭梭土壤含水量最低;60—100 cm土層深度,梭梭土壤含水量隨降雨變化有所增加,變化特征與降雨前60—100 cm深度土壤含水量一致;由此說明,布設(shè)白膜、黑膜和棚膜梭梭的土壤含水量高于未覆膜的對照區(qū)和農(nóng)膜梭梭的土壤含水量,說明布設(shè)地膜對梭梭起到了良好的集雨保水效果。布設(shè)0.03 mm農(nóng)膜梭梭土壤含水量低于對照區(qū)未覆膜梭梭,是由于農(nóng)膜厚度薄、水汽穿透性高,導(dǎo)致對膜下土壤溫度影響大,水分蒸發(fā)強(qiáng)度高而造成農(nóng)膜梭梭的土壤含水量低。

3.4 生長周期內(nèi)5種處理梭梭的土壤水分變化

梭梭的生長期分為返青、展葉、開花、新枝形成、果實成熟及黃枯6個時期,根據(jù)民勤地區(qū)梭梭物候期規(guī)律[18],計算分析5種處理梭梭一個生長周期內(nèi)的土壤儲水量。由圖4可知,儲水量的變化與降雨在年內(nèi)的分布相吻合。以開花時5月8日為界分為2個階段,開花前由于降雨土壤儲水量達(dá)到了峰值,對梭梭開花時水分供給十分有利,梭梭的耗水作用使土壤儲水量在整個生長階段呈減少趨勢,在果實成熟期達(dá)到了極低值。在一年的生育期內(nèi),鋪設(shè)白膜梭梭的土壤儲水量始終處于最高值,黑膜梭梭次之。

圖4 梭梭生育期內(nèi)的林下土壤儲水量

以1 m土層厚度為蒸散作用層,有效降雨量為單次降雨量大于5 mm的降雨量之和。按照水量平衡方程計算5種處理梭梭在一個生長周期內(nèi)的蒸散量,結(jié)果詳見表2。白膜梭梭全生育期的耗水量最大,黑膜梭梭的耗水量次之。從生長情況來看,白膜梭梭生長最好,黑膜梭梭次之。說明鋪設(shè)白膜和黑膜對梭梭土壤水庫的影響顯著,白膜和黑膜的保水效果最好。

表2 5種處理梭梭的耗水量及生長情況

4 結(jié)論

(1)通過為期1 a的5種處理梭梭土壤含水量觀測可以得出,梭梭土壤含水量隨著季節(jié)降雨呈現(xiàn)波動變化的狀態(tài),40 cm以上深度為土壤水分活躍層,受降雨量影響較大;降雨前后梭梭土壤含水量對比表明,布設(shè)有白膜、黑膜和棚膜梭梭的土壤含水量高于未覆膜的對照區(qū)梭梭和農(nóng)膜梭梭土壤含水量,鋪設(shè)地膜對梭梭起到了良好的蓄水保墑效果。布設(shè)農(nóng)膜梭梭土壤含水量低于對照區(qū)未覆膜梭梭,是由于農(nóng)膜厚度薄、水汽穿透性高,導(dǎo)致對膜下土壤溫度影響大,水分蒸發(fā)強(qiáng)度高而造成。

(2)5種處理梭梭生長周期內(nèi)耗水量和生長情況分析得出,儲水量的變化與降雨在年內(nèi)的分布相吻合,梭梭的耗水作用使土壤儲水量在整個生長階段呈減少趨勢,開花期處于峰值,果實成熟期處于最低值,鋪設(shè)白膜梭梭的土壤儲水量始終處于最高值,且白膜梭梭的耗水量最大,其次為黑膜梭梭。說明白膜和黑膜的布設(shè)能夠起到蓄水保水和防止土壤水分蒸發(fā)的作用。