干化土壤连续多年覆膜后水热盐分布特征研究.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：郭俊文（），男，甘肃会宁人，硕士研究生，研究方向为农业水土资源利用与保护 通信作者：李援农（），男，陕西大荔人，教授，博士生导师，主要研究方向为节水灌溉技术及 技术应用：【水土保持】干化土壤连续多年覆膜后水热盐分布特征研究郭俊文，李援农，汪有科，靳珊珊（西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌；中国科学院 教育部 水土保持与生态环境研究中心，陕西 杨凌；河南农业大学 林学院，河南 郑州）摘 要：为了揭示黄土丘陵区干化土壤连续多年覆膜后水热盐分布的年内变化规律，给改善干层土壤水热盐状况的进一步研究提供参考，以陕北米脂县枣林地连续 覆盖白膜（无色透明塑料膜）、黑膜（黑色牛毛毡）及裸地对照试验小区为研究对象，基于埋深、的 传感器对土壤含水率、温度、电导率的定位监测资料，分析了不同土层水分、温度、盐分在年内的运移变化情况。结果表明：）连续覆膜 后，土层的含水率明显高于裸地的，尤其 耕作层的储水量明显增加，黑膜覆盖比白膜覆盖有更好的集雨保墒效应；）两种覆膜小区各土层土壤温度明显高于裸地的，白膜覆盖在寒冷时段的保温效果较好，黑膜覆盖在高温时段对 耕作层土壤温度有一定调控作用；）多年覆膜后会发生表层土壤积盐现象，但不会造成土壤次生盐渍化；）不同阶段各小区土壤水盐间均呈现显著的正相关性，其中黑膜覆盖小区水盐相关性相对较弱，土壤水热相关性、热盐相关性差别明显，两种覆膜对不同阶段土壤水热盐具有不同的调控效应。关键词：干化土壤；地膜覆盖；土壤含水率；土壤温度；土壤电导率；土壤冻融中图分类号：；文献标志码：引用格式：郭俊文，李援农，汪有科，等干化土壤连续多年覆膜后水热盐分布特征研究人民黄河，（）：，（，；，；，）：，（），（），），），），），：；第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，黄土高原黄土丘陵区土层深厚、光热资源丰富，具有较大的农业生产潜力，但因降水时空分布极度不均而干旱灾害频发，长期普遍存在水土流失和土壤干化、土壤退化现象，制约着农作物生长发育和林草植被的有效恢复。采取合理有效的水土保持措施，就地拦蓄降水资源、提高土壤肥力、减少土壤水分蒸发和作物蒸腾，是该地区农业生产和生态建设的关键，为此众多学者对黄土丘陵区各种集雨措施、水土保持措施改善土壤水分的效果进行了大量研究。在各类措施中，地膜覆盖作为保墒措施，可以有效改善土壤水、热、盐状况。为了揭示黄土丘陵区干化土壤连续多年覆膜后水热盐分布的年内变化规律，给改善干层土壤水热盐状况的进一步研究提供参考，本文基于连续覆膜 的枣林地试验小区定位监测资料，研究了多年覆膜后土壤水、热、盐分布的年内变化情况。研究方法 试验小区布设概况试验样地位于陕西省米脂县境内的西北农林科技大学红枣节水研究基地，监测时段为 年 月 日 年 月 日。该研究基地地貌类型属黄土高原黄土丘陵沟壑区第一副区，平均海拔 ，山地坡度为；试验土壤为黄绵土，平均容重为 ，土层中粉粒含量为 、砂粒含量为、黏粒含量为，属于粉质壤土，其质地疏松、保水性较差；该地区属于中温带半干旱气候区，干湿季分明，夏秋季湿润多雨、冬春季干燥少雨，年潜在蒸发量为 左右，试验监测期间降水总量为 （主要集中于 月），年内日平均降雨量为 、日最大降雨量为；在监测时段内平均气温 ，最高气温为，最低气温为，年日照时数 ；平均相对湿度为，最大相对湿度为，最小相对湿度为。地下水埋深超过 ，其对耕作层土壤水分的影响可以忽略。覆膜试验小区布设于 年 月。垄沟集雨模式为垄覆膜、沟不覆膜，选取地面平坦的水平阶枣林地作为试验地进行起垄覆膜，在垄高 、垄宽 、沟宽 的相邻垄上分别布设白膜覆盖小区（）、黑膜覆盖小区（）、裸地小区（）（如图 所示），其中白膜为耐久性较好的无色透明塑料膜（厚度约为，双层覆盖，膜上设置若干直径为 的进水小孔）、黑膜为黑色牛毛毡，垄沟沿等高线布置、沟内不覆膜，每种处理重复 次，共设置 个试验小区（随机排列）。由于试验小区布设在枣林地内无植被覆盖的地块，因此可忽略植被蒸腾耗水。在小区周边设置高出地表 的围垄，确保试验小区无径流损失；为避免小区间互相影响和小区周边植物根系吸水及土壤水分的侧渗，在小区间竖向埋设牛毛毡进行隔离，同时在试验地块周边埋设厚塑料布进行隔离。图 试验小区布设示意 测定指标及方法研究区枣林地土壤水分的唯一补充来源是降水，土壤水分的时空变化主要受降雨和蒸散发的影响，依据当地的降雨特点，将土壤水分动态变化过程划分为过渡阶段（月）、补充阶段（月）、损失阶段（月次年 月）进行分析。试验期间的气温、降水量、相对湿度、风速等气象数据源于试验基地布设的 型自动气象站。在各小区距地表深度为、处分别埋设 传感器（如图 所示），每隔 自动监测一次土壤体积含水率（）、温度（）及电导率（，用于间接反映土壤含盐量，其值越大表明土壤含盐量越高），通过 数据采集器采集各传感器的监测数据。数据整理与分析采用软件 与、进行监测数据整理与分析，采用最小显著差异法（）进行显著性检验（显著性水平），采用软件 进行统计图绘制。土壤储水量计算公式为 （）式中：为土壤储水量，为土层厚度，为土壤体积含水率。人 民 黄 河 年第 期 监测结果分析 土壤水分变化特征 年 月 日 年 月 日各小区、土层含水率逐日变化过程及年均值见图，可以看出，受降水、蒸发的影响，各土层含水率在监测期呈“升降升降”的波动，其中深度为 各土层含水率波动剧烈、土层含水率波动较为平缓，因此可把 土层视为土壤水分易恢复区、把深度大于 土层视为土壤水分难恢复区。图 监测期各小区不同土层土壤含水率逐日变化过程 各小区土壤含水率均在 月出现“波谷”，原因是在土壤水分补充阶段初期虽然降水量增加，但是气温较高、空气相对湿度较低、土壤水分蒸发量较大，降水不足以补偿土壤水分的损耗，导致土壤含水率持续下降，直至 年 月 日出现第一次较大降雨，土壤水分才得以迅速恢复。在没有径流损失的情况下，由于地膜覆盖在一定程度上延缓了降雨入渗速度，同时切断了土壤与空气的直接联系，使土壤蒸发量减小，因此裸地小区的土壤含水率波动较覆膜小区的剧烈，而覆膜小区土壤含水率对大气降水的响应时间相对滞后、响应强度相对减弱，如 土层，种覆膜小区土壤含水率最大值出现时间（均为 月 日）较裸地小区推迟了 ，、最小含水率分别为、，种覆膜小区含水率最小值对应的时间较裸地小区均推迟了 （原因可能是覆膜在冬季具有保温效应，延缓了土壤冻结）。就土壤含水率年均值而言，在 深度范围内，种覆膜小区无显著差异（、土壤含水率分别为、）且均显著高于裸地小区的（土壤含水率为）；土层，各小区无显著差异；土层，种覆膜小区无差异（均为），且均显著高于裸地小区的；土层，白膜覆盖小区最高、黑膜覆盖小区最低，种覆膜小区差异显著；土层，黑膜覆盖小区显著高于其他 种小区的，而白膜覆盖小区与裸地小区无明显差异。土壤水分动态变化各阶段各小区不同土层的储水量见表。在监测期内，、处理间土壤储水量差异显著，、分别较 高、。从各阶段土壤储水量变化情况看，各处理土壤储水量在过渡阶段与损失阶段均呈现出减小趋势，而在补充阶段均表现出增大的趋势（、分别增大了、人 民 黄 河 年第 期、，差异显著）。表 各阶段各小区不同土层储水量阶段处理 初始值各土层期末值 期末值 变化量过渡补充损失 注：前数字为均值，后数字为标准差；各列中数字后字母相同表示小区间差异不显著，否则表示小区间差异显著。监测期末，种小区 土层储水量差异显著，其大小顺序为。与吴贤忠等对连续 覆膜小区的试验结果相比，本研究中连续 覆膜小区在水分补充阶段降雨量增加的情况下 土层储水量的监测结果并未明显增加，说明补充阶段一部分雨水下渗深度超过 （补充了更深层土壤）。就 耕作层储水量而言，过渡阶段 种小区无显著差异；在补充阶段和损失阶段覆膜处理、储水量分别较 高、，差异显著。就 土层储水量而言，各阶段 种小区无显著差异。就 土层储水量而言，在过渡阶段和补充阶段黑膜覆盖小区显著大于其他 种小区的，两个阶段 分别较 高、，分别较 高、；而损失阶段 种小区无显著差异。土壤温度变化特征为便于叙述，把 年 月的稳定冻结冻融时段称为解冻期，把 年 月 年 月的冻融稳定冻结时段称为冻结期，把监测期其他时段称为完全融解期。监测结果表明：在冻结期，深层土壤温度高于浅层土壤温度，土壤温度随土层深度加大呈现升高的趋势；而在解冻期，深层土壤温度低于浅层土壤温度，土壤温度随土层深度加大逐渐降低，各小区间上层温度差异大于下层的。就 土层而言，种小区年均温度差异显著，高低顺序为（）（）（）；覆膜小区年内最高温度较裸地高 、最低温度较裸地高 ；月平均温度在监测时段内最高，白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区 月土壤平均温度分别为、，覆膜小区与裸地小区间差异显著，而 种覆膜小区间差异不显著。就 土层而言，黑膜覆盖小区 月平均温度显著低于白膜覆盖小区的（低），表明高温季节黑膜覆盖对耕作层土壤温度有一定调控作用；月平均温度在监测时段内最低，种小区差异显著，白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区 月平均温度分别为、，说明长期地膜覆盖在土壤冻结期具有保温作用。就 土层而言，种覆膜小区在不同时期的土壤温度均显著高于裸地小区的，说明多年覆膜措施有利于提高表层土壤温度。监测期 种小区最大冻深均为 ，连续使用 的地膜对越冬期土壤最大冻深已无明显影响，黑膜覆盖小区和裸地小区冻结到最大深度的时间比白膜覆盖小区约提前了 。由监测期各小区 土层冻融过程线（见图）可以看出，土层经历了稳定冻结冻融完全融解冻融稳定冻结的过程。就 土层而言，解冻期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低温度分别为、，在 年 月 日气温为 的情况下白膜覆盖小区首先开始解冻（较、分别提前、）；冻结期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低温度分别为、，在 年 月 日气温为 的情况下白膜覆盖小区首先冻结（较、提前了 ）。就 土层而言，解冻期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低温度分别为、，在 年 月 日气温为 情况下，白膜覆盖小区首先开始解冻（较 提前 ，较 提前）；冻结期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低温度分别为、，在 年 月 日气温为 情况下裸地小区首先冻结（较 提前，较 提前 ）。人 民 黄 河 年第 期图 土壤冻融变化过程线 就 土层而言，解冻期 种覆膜小区没有发生冻融现象，裸地小区在 年 月 日平均气温为 情况下完全解冻；冻结期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低气温分别为、，在 年 月 日气温为 情况下裸地小区首先冻结（较 提前，较 提前）。在深度为 处，解冻期 种小区都没有发生冻融现象；冻结期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低气温分别为、，黑膜覆盖小区和裸地小区于 年 月 日在同一天冻结（较 提前了 ）。综上所述，连续使用 的覆膜仍然可以缩短冻结土壤的解冻时间，其中白膜覆盖更有利于冻土的解冻、黑膜覆盖更有利于延缓 浅层土壤的冻结过程，土层越深土壤温度越稳定、越不易冻结。土壤电导率变化特征监测期各小区不同土层土壤电导率逐日变化过程及年均值见图。由图、图 可知，土壤电导率变化规律与土壤含水率变化规律基本一致，符合“盐随水来，盐随水去”的运移规律。表层土壤含盐量因受土壤融解、降雨和蒸发的影响而波动剧烈，导致表层土壤电导率也明显波动。年 月土壤处于解冻期，各小区 耕作层土壤电导率呈增大趋势，原因是解冻期冻土消融是上下双向进行的，中间未解冻的冻结夹层隔断了上层土壤水分下渗的通道，使得冻结层以上土壤含水率较高（土层含水率最高达），同时冻结层的存在使得土壤剖面存在温度梯度，冻结层以下土壤水分向冻结层持续移动使土壤盐分向冻结层迁移。随着气温持续上升，表层积聚的水分开始大量蒸发，随着水分向上运移，冻结期累积在冻结层的盐分迅速向土壤表层迁移，表层土壤呈现返盐现象。之后随着气温持续升高，冻结层完全融解，蒸发量进一步增大，但同时降雨量逐渐增加，蒸降比减小，上层土壤水分增加并向下层土壤入渗，使土壤表聚的盐分向下层土壤运移，当水分入渗深度超过 时，一部分盐分向更深层土壤运移，此时表层土壤电导率开始呈现减小的趋势。年 月各小区土壤电导率出现几次突升，原因是出现了几次较大降雨使土壤含水率提高、土壤积盐量增大，之后土壤盐分随土壤含水率的波动和水分大量下渗而淋洗下降，土壤电导率也随之波动下降。年 月 日左右出现的最后一个峰值，是人 民 黄 河 年第 期 年 月 日的一次较大降雨造成土壤水分聚集，且随后气温下降使土壤开始冻结，冻结层以下土壤水分携带盐分再次向冻结层迁移所致。就监测期平均电导率而言：土层和 土层，种覆膜小区间差异不显著但均显著高于裸地小区的；土层，黑膜覆盖小区与裸地小区差异不显著但均显著低于白膜覆盖小区的；土层，白膜覆盖小区与裸地小区差异不显著但均显著低于黑膜覆盖小区的。有关研究表明，地膜覆盖可以有效抑制土壤盐分表聚。本试验监测结果表明在黄土高原枣林地连续多年覆膜会产生盐分表聚效应，与吴贤忠、李志华等的研究结果一致，但多年覆膜后 土层电导率全年均值较小，白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区均为 ，较 前的监测结果（白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区分别为、）明显减小，说明在降水量较大的情况下一部分土壤盐分随雨水下渗向 以下运移。图 监测期各小区不同土层土壤电导率逐日变化过程 土壤水热盐相关性分析表 为不同阶段 耕作层土壤含水率（）、温度（）、电导率（）个指标的偏相关系数。由表 可知，不同阶段各小区水、热、盐偏相关性差异较大。表 不同阶段 耕作层水、热、盐偏相关系数阶段处理 与 与 与 过渡补充损失 注：表示相关性显著。在土壤水分过渡阶段，裸地小区土壤水热相关性显著而覆膜小区土壤水热相关性不显著，说明过渡阶段地温随大气温度变化时，长期覆膜抑制了蒸发，膜下土壤含水率较为稳定；过渡阶段蒸发量随气温升高而增大，但降雨量逐渐增多，蒸降比减小，同时解冻过程中滞留在耕作层的水分逐渐下渗并使盐分淋洗下降，因此各小区热盐之间均呈现显著的负相关性，其中黑膜覆盖小区热盐相关性明显较其他两种小区的强，说明过渡阶段黑膜覆盖土壤温度的变化比白膜覆盖的大、盐分下降明显；盐离子是通过水分运动实现运移的，所以各小区水盐均呈现显著的正相关性，其中白膜覆盖小区的水盐相关性最显著，说明白膜覆盖后耕层内土壤含水率波动较大。在土壤水分补充阶段，种小区耕作层土壤水热均表现出显著负相关性，其中黑膜覆盖小区的相关性相对较弱，说明长期覆盖黑膜在补充阶段保水调温效果较好；白膜覆盖小区和裸地小区热盐显著正相关，而黑膜覆盖小区热盐无相关性，原因可能是黑膜覆盖小区耕作层土壤盐分含量较低、土壤温度较为稳定；种小区水盐均呈现显著正相关性，即电导率随着土壤含水率的升降而变化。在土壤水分损失阶段，种小区水热均呈现显著正相关（其中黑膜覆盖小区正相关性最强），原因是该人 民 黄 河 年第 期阶段土壤处于冻融循环和稳定冻结期，土壤液态水分含量取决于土壤温度；种覆膜小区土壤热盐间无相关性，说明覆膜后土壤温度变化对盐分的影响较小，原因可能是土壤温度持续降低，覆膜表现出良好的保温效应，延缓了土壤冻结和土壤盐分向冻结锋面的迁移；种小区水盐均呈现显著的正相关性，与过渡阶段、补充阶段具有一致的规律。结论）连续覆膜 后，土层的含水率明显高于裸地的，尤其 耕作层的储水量明显增加；各阶段黑膜覆盖小区的土壤储水量均大于白膜覆盖小区和裸地小区的，表现出良好的集雨保墒效应。）种覆膜小区 各土层土壤温度均明显高于裸地的，监测期最高地温和最低地温分别较裸地高、，白膜覆盖在寒冷时的保温效果较好，黑膜覆盖在高温时对 耕作层土壤温度有一定调控作用。）多年覆膜后会发生表层土壤积盐现象，但 土层盐分含量较 前有所降低，在降水量较大的情况下一部分土壤盐分随雨水下渗向 以下土层运移，因此连续覆膜不会造成土壤次生盐渍化。）不同阶段各小区土壤水盐（含水率与电导率）间均呈现显著的正相关性，其中黑膜覆盖小区水盐相关性相对较弱；各小区不同阶段土壤水热相关性、热盐相关性差异明显，种覆膜对不同阶段土壤水、热、盐具有不同的调控效应。参考文献：李坤，姚文艺，肖培青，等黄丘区自然草地对坡面土壤入渗的影响机制人民黄河，（）：，汪星，张敬晓，汪有科，等自然降雨对干化土壤水分恢复有效性分析水土保持学报，（）：郑飞龙，谭军利，王西娜，等黄土高原水源涵养林截蓄降雨研究进展人民黄河，（）：李玉山 黄土地区土壤水分的特征和利用 土壤，（）：穆兴民，贾昊，高鹏，等水土保持生态建设对黄河中游水文情势影响研究人民黄河，（）：蔺君，汪有科，卫新东，等黄土丘陵区竹节式聚水沟的蓄水特性应用生态学报，（）：隋聚艳，王建文黄土丘陵区 种典型林地土壤持水能力研究人民黄河，（）：解倩，王丽梅，齐瑞鹏，等生物炭对黄绵土水分入渗和持水性能的影响地球环境学报，（）：，汪星，高志永，汪有科，等修剪与覆盖对黄土丘陵区枣林土壤干层的修复效应林业科学，（）：何婷婷，汪有科，史志鹏黄土丘陵山地全年覆膜下土壤温度、水分运移规律研究西南农业学报，（）：李洪建，王孟本，柴宝峰黄土高原土壤水分变化的时空特征分析应用生态学报，（）：靳姗姗，汪星，汪有科，等不同覆盖措施对减少枣林休眠期土壤水分损失的影响农业工程学报，（）：吴贤忠，李毅，高志永，等白膜、黑膜全年覆盖下的土壤水、热、盐变化中国生态农业学报，（）：吴贤忠黄土丘陵区全年覆膜下土壤水热盐变化及数值模拟兰州：甘肃农业大学，：张殿发，王世杰土地盐碱化过程中的冻融作用机制：以吉林省西部平原为例水土保持通报，（）：李志华季节性冻融期盐渍土水热盐耦合关系研究兰州：兰州大学，：梁建财地面覆盖对盐渍土壤水热盐运移及作物生长调控机制研究 呼和浩特：内蒙古农业大学，：邓方宁，祖米来提吐尔干，林涛，等地膜覆盖时间对绿洲覆膜滴灌棉田土壤盐分时空变化的影响棉花学报，（）：刘海曼，郭凯，李晓光，等地膜覆盖对春季咸水灌溉条件下滨海盐渍土水盐动态的影响中国生态农业学报，（）：纪永福，蔺海明，杨自辉，等夏季覆盖盐碱地表面对土壤盐分和水分的影响干旱区研究，（）：杜超，温埃清，李军，等非生育期覆膜对河套灌区盐碱地耕作层盐分的影响北方农业学报，（）：【责任编辑 张智民】人 民 黄 河 年第 期