呂向楠, 呂 剛, 劉 媛, 鄭 林

(1.沈陽城市建設學院, 沈陽 110000; 2.遼寧工程技術(shù)大學環(huán)境科學與工程學院, 遼寧 阜新 123000;3.內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗青山林場, 內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

在干旱半干旱地區(qū),土壤水分蒸發(fā)是造成土壤水分流失、土地干旱的一個重要原因。在干旱區(qū)農(nóng)業(yè)種植中,抑制土壤水分的蒸發(fā)是一項至關重要的措施,它可以有效提升作物的產(chǎn)量[1-5]。大量研究表明地面覆蓋技術(shù)能有效抑制土壤水分蒸發(fā)、減少土壤水分的無效散失,其中砂石覆蓋、秸稈覆蓋、塑料膜覆蓋等為主要的覆蓋方式[6-11]。砂石覆蓋粒徑越大對土壤蒸發(fā)的抑制能力越低[8,12],并隨覆蓋砂石的厚度增大,對土壤水分蒸發(fā)的抑制效果就越好[12-13]。秸稈覆蓋能有效抑制土壤水分蒸發(fā)[14],且抑蒸效果與秸稈覆蓋量之間呈正相關關系,隨著覆蓋量的增大,抑蒸效果就越好[15-16],能夠顯著提高土壤水分的生產(chǎn)效率[17],降低土壤水分蒸發(fā)量,且土壤水分累積蒸發(fā)量隨時間呈指數(shù)關系[18]。Kemper等[19]研究發(fā)現(xiàn),無論砂石的顏色如何,砂石覆蓋都能顯著降低土壤水分的蒸發(fā)作用。Ma和Li[20]進行了田間試驗,發(fā)現(xiàn)鵝卵石和細砂混合覆蓋在地面上時,抑制土壤水分蒸發(fā)效果隨覆蓋物厚度增大而增強[21]。

遼西北位于我國北方半干旱農(nóng)牧交錯區(qū)生態(tài)脆弱帶內(nèi),受氣候原因極易遭受風蝕、水蝕侵襲,導致土地沙漠化[22],是遼寧風沙最嚴重的地區(qū)[23]。水分是沙地治理和植被恢復的主要制約因素[24],但該區(qū)降雨稀少,且70%多集中在夏季,地下水埋深較淺,地下水除了人為開發(fā)利用,大多以潛水蒸發(fā)為主消耗掉,且潛水蒸發(fā)為區(qū)域水分蒸發(fā)的主要來源之一[25],如何保持土壤中有限的水分對該區(qū)植被恢復和農(nóng)牧業(yè)發(fā)展至關重要[26]。砂石和秸稈覆蓋是一種具有增溫保墑、減少土壤侵蝕、減少病蟲害、提高作物產(chǎn)量、改良作物品質(zhì)、抑制雜草生長等的覆蓋措施,已經(jīng)廣泛應用于干旱、半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面[27-28]。然而,目前針對砂石或者秸稈覆蓋對于不同初始含水率遼西北風沙土土壤水蒸發(fā)特性的研究還比較缺乏。本文選取遼西北風沙土,采用室內(nèi)蒸發(fā)桶試驗研究不同砂石或秸稈覆蓋厚度對風沙土土壤水分蒸發(fā)量的影響,并探討不同初始含水率對土壤水分蒸發(fā)的影響規(guī)律,對比分析了土壤水分日蒸發(fā)量、累積蒸發(fā)量及土壤蒸發(fā)抑制效率,確定了初始含水率不同時,不同砂石與秸稈覆蓋層厚度抑制蒸發(fā)作用,旨在為遼西北風沙地農(nóng)田合理抑蒸保墑提供科學理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試樣品采集

通過文獻分析和現(xiàn)場實地調(diào)查,確定以遼寧省沙地治理與利用研究所章古臺試驗基地內(nèi)的大扁杏果園地風沙土為研究對象,在大扁杏果園樣地內(nèi)選取3處,以等邊三角形的形態(tài)分布于頂點,間距為15 m,各點位處布置3個重復的1 m×1 m樣方,取樣深度為0～20 cm,采集相應數(shù)量土壤散樣帶回實驗室風干后,過2 mm土壤篩濾去雜質(zhì)作為供試土壤。同時使用體積為200 cm3的鋼制環(huán)刀采集原狀土壤樣品,隨后于實驗室分析其土壤物理性質(zhì)。相關土壤物理性質(zhì)如表1所示,測定方法借鑒文獻[29]。試驗采用的秸稈選用同年于章古臺割取曬干并粉碎形成約4 cm的玉米秸稈,試驗用的砂石為網(wǎng)上采購直徑為0.6～0.9 cm的白色雨花石。

表1 供試土壤物理性質(zhì)

1.2 土壤水分蒸發(fā)試驗

蒸發(fā)抑制效率是指在土壤蒸發(fā)過程中某些指標抑制土壤水分蒸發(fā)的能力[30]。通過引入蒸發(fā)抑制效率來衡量不同砂石與秸稈覆蓋厚度抑制土壤水分蒸發(fā)的能力。計算公式如下:

(1)

式中:ECt為第t天的土壤累積蒸發(fā)量,mm;I為指標對土壤蒸發(fā)的抑制效率,%;EC0為對照土壤累積蒸發(fā)量,mm。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2021、SPSS27.0等軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋厚度條件下遼西北風沙土的土壤水分蒸發(fā)過程

2.1.1 不同覆蓋厚度條件下遼西北風沙土的土壤日蒸發(fā)過程

隨蒸發(fā)時間發(fā)生變化,在初始含水率、覆蓋物種類、覆蓋厚度處理下,土壤日蒸發(fā)量和對照變化趨勢基本一致,都是下降趨勢,只不過變化幅度有些不同而已。存在覆蓋的處理下,土壤日蒸發(fā)量變化波動幅度逐漸變小,相比之下,對照的土壤水分日蒸發(fā)量變化波動幅度較大。相同含水率、相同覆蓋物種類條件下,蒸發(fā)前期,土壤日蒸發(fā)量表現(xiàn)為對照>3 cm>2 cm>1 cm,隨著蒸發(fā)時間的推移,存在覆蓋物的處理土壤日蒸發(fā)量逐漸大于對照,這是由于蒸發(fā)前期土壤含水量較高,覆蓋物越厚,相應處理土壤日蒸發(fā)量越小,土壤水分隨著蒸發(fā)時間不斷減少,隨著覆蓋物厚度的減小,土壤水分的降低程度逐漸加大,從而導致土壤的日蒸發(fā)量相對于覆蓋物厚度較大的處理而言較低。這一結(jié)果和蔡永坤等[2]所發(fā)現(xiàn)的是一致的(圖1)。

圖1 相同初始含水率情況下不同砂石與秸稈覆蓋厚度條件下遼西北風沙土土壤水分日蒸發(fā)量的變化特征

通過試驗結(jié)果可以看出土壤日蒸發(fā)過程可以較為明顯的分為兩個階段,相同含水率、相同覆蓋物種類條件下,蒸發(fā)前期,土壤日蒸發(fā)量表現(xiàn)為對照>3 cm>2 cm>1 cm。這是因為覆蓋物厚度越大,土體表層的空氣流速越低,隨之土壤水分蒸發(fā)速率越低。蒸發(fā)中后期,進入第二個階段,土壤日蒸發(fā)量逐漸表現(xiàn)為1 cm>2 cm>3 cm>對照,其原因是在低土壤含水率的情況下,土壤水分的蒸發(fā)速率受其水分含量或水汽擴散能力的影響,導致土壤蒸發(fā)速率急劇降低。因此在干旱半干旱地區(qū),植被覆蓋是影響土壤水分狀況最主要因素之一。土壤中的水分通過地表輸送至覆蓋物和大氣之間的交界處,呈現(xiàn)水汽的特征,這種現(xiàn)象可以延緩土壤的蒸發(fā)速度,而對照組則已經(jīng)逐漸進入了土壤水分蒸發(fā)的第三個階段,毛管水已經(jīng)受水表面張力作用而斷裂,土壤水分僅能作為水汽分子慢慢地遷移到地表[31]。

2.1.2 不同覆蓋厚度條件下遼西北風沙土的土壤累積蒸發(fā)量

試驗結(jié)果表明,各處理下的土壤水分累積蒸發(fā)量隨蒸發(fā)時間的推移逐漸增大,但增量逐漸變小。在初始含水率、覆蓋物種類相同的條件下,覆蓋厚度越大,相同蒸發(fā)時間的風沙土土壤累積蒸發(fā)量越少(圖2)。

魯迅《嵇康集考》云：“《錄書解題》稱‘《嵇中散集》’者，陳氏書久佚，清人從《永樂大典》輯出，因用后來所稱之名，原書蓋不如此”，可見陳錄原載并非“嵇中散集”，而可能還是“嵇康集”。

圖2 相同初始含水率情況下不同砂石與秸稈覆蓋厚度條件下遼西北風沙土土壤水分累積蒸發(fā)量隨時間變化

土壤初始含水率在5%、15%、25%時,砂石與秸稈覆蓋都能有效降低累積蒸發(fā)量,且覆蓋厚度越大,砂石或者秸稈對累積蒸發(fā)量減少作用越大。在同一初始含水率時,會因為蒸發(fā)初期土壤水分比較高,水分蒸發(fā)得更快;隨蒸發(fā)時間延長而增加,土壤水分降低,水分蒸發(fā)速度減小,覆蓋厚度越高,減少累積蒸發(fā)量作用越明顯,冀宏等[32]的研究中,也得出了土壤水分累積蒸發(fā)量在初期上升趨勢明顯,在后期隨覆蓋物越厚越小的結(jié)果。

2.1.3 不同覆蓋厚度條件下遼西北風沙土的土壤蒸發(fā)抑制效率

相同含水率、相同覆蓋物種類條件下,3 d后在土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)上為3 cm>2 cm>1 cm。前3 d,15%含水率的秸稈覆蓋、25%含水率的秸稈或砂石覆蓋沒有表現(xiàn)出此規(guī)律,是由于覆蓋物具有一定吸附水的能力,蒸發(fā)前期受此不同程度的影響導致前3 d沒有表現(xiàn)出此規(guī)律。當土壤初始含水率為5%時,砂石與秸稈各厚度處理下的土壤蒸發(fā)抑制效率隨蒸發(fā)時間逐漸減小,同時15 d后1 cm、2 cm、3 cm秸稈覆蓋的土壤蒸發(fā)抑制效率差異不大。當土壤初始含水率為15%時,砂石各厚度處理下的土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為前期波動,于7 d出現(xiàn)最大值后逐漸減小。而秸稈各厚度處理下的土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為前3 d下降后保持平穩(wěn),直至7 d開始逐漸減小,同時2 cm與3 cm秸稈覆蓋的土壤蒸發(fā)抑制效率差異不大。當土壤初始含水率為25%時,各厚度的砂石覆蓋的土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為先降低后增高再降低的變化規(guī)律,且于8 d出現(xiàn)峰值,而各厚度的秸稈覆蓋的土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為先降低然后平穩(wěn)約7 d后再降低。試驗測得自然含水量為3.23%,綜合考慮土壤含水率和土壤蒸發(fā)抑制效率,認為在遼西北風沙地覆蓋厚度越高越好(圖3)。

圖3 相同初始含水率情況下不同砂石與秸稈覆蓋厚度條件下遼西北風沙土土壤蒸發(fā)抑制效率隨時間變化

2.2 不同覆蓋物條件下遼西北風沙土的土壤水分蒸發(fā)過程

2.2.1 不同覆蓋物條件下遼西北風沙土的土壤日蒸發(fā)過程

覆蓋厚度相同、初始含水率相同的情況下,砂石與秸稈覆蓋土壤日蒸發(fā)量相比僅在前3 d有較為明顯的區(qū)別,3 d后的表現(xiàn)幾乎相同。在5%初始含水率的條件下,對于1 cm、2 cm、3 cm三種覆蓋厚度而言,前3 d的土壤水分日蒸發(fā)量均表現(xiàn)為對照>秸稈>砂石。在15%初始含水率的條件下,對于1 cm、2 cm兩種覆蓋厚度而言,前3 d的土壤水分日蒸發(fā)量表現(xiàn)為對照>砂石>秸稈,而覆蓋厚度為3 cm時,前3 d的土壤水分日蒸發(fā)量均表現(xiàn)為對照>秸稈>砂石。在25%初始含水率的條件下,對于1 cm、2 cm、3 cm三種覆蓋厚度而言,前3 d的土壤水分日蒸發(fā)量均表現(xiàn)為對照>砂石>秸稈(圖4)。

圖4 不相同初始含水率、覆蓋厚度情況下砂石與秸稈覆蓋條件下土壤水分日蒸發(fā)量隨時間的變化特征

2.2.2 不同覆蓋物條件下遼西北風沙土的土壤累積蒸發(fā)量

在5%初始含水率的條件下,對于1 cm、2 cm、3 cm三種覆蓋厚度而言,土壤累積蒸發(fā)量均表現(xiàn)為對照>秸稈>砂石。在15%初始含水率的條件下,覆蓋厚度為1 cm時,土壤累積蒸發(fā)量表現(xiàn)為對照>砂石>秸稈,覆蓋厚度為2 cm時,砂石與秸稈幾乎無區(qū)別,而覆蓋厚度為3 cm時,土壤累積蒸發(fā)量均表現(xiàn)為對照>秸稈>砂石。在25%初始含水率的條件下,對于1 cm、2 cm、3 cm三種覆蓋厚度而言,土壤水分日蒸發(fā)量均表現(xiàn)為對照>砂石>秸稈(圖5)。

圖5 不同覆蓋物條件下累積蒸發(fā)量隨時間的變化

2.2.3 不同覆蓋物條件下遼西北風沙土的土壤蒸發(fā)抑制效率

當覆蓋厚度為1 cm時,在5%初始含水率條件下土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為砂石>秸稈,而在15%及25%初始含水率條件下土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為秸稈>砂石。當覆蓋厚度為2 cm時,在5%初始含水率條件下土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為砂石>秸稈,在15%初始含水率條件下,15 d前土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為秸稈>砂石,15 d以后,土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為砂石>秸稈,25%初始含水率條件下土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為秸稈>砂石。當覆蓋厚度為3 cm時,在5%初始含水率條件下土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為砂石>秸稈,在15%初始含水率條件下,3 d前土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為秸稈>砂石,3 d以后土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為砂石>秸稈,25%初始含水率條件下土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為秸稈>砂石。試驗測得自然含水量為3.23%,綜合考慮土壤含水率和土壤蒸發(fā)抑制效率,認為在遼西北風沙地相比于秸稈和砂石應選擇砂石(圖6)。

圖6 相同初始含水率、覆蓋厚度情況下砂石與秸稈覆蓋條件下遼西北風沙土土壤蒸發(fā)抑制效率隨時間的變化

2.3 不同初始含水率條件下遼西北風沙土的土壤水分蒸發(fā)過程

2.3.1 不同初始含水率條件下遼西北風沙土的土壤日蒸發(fā)過程

砂石覆蓋的情況下不同初始含水率條件下僅當初始含水率為25%時前3 d的土壤日蒸發(fā)量明顯大于其他初始含水量梯度,除此之外土壤日蒸發(fā)量隨蒸發(fā)時間變化的曲線趨勢大致相同,曲線波動幅度上略有差異。秸稈覆蓋前3 d土壤日蒸發(fā)量的表現(xiàn)與砂石相同,經(jīng)過第4 d的觀察,發(fā)現(xiàn)土壤日蒸發(fā)量在25%和15%兩個初始含水率梯度下顯著增加,而在5%初始含水率的情況下則相對減少,這是由于5%初始含水率的土壤步入了蒸發(fā)速度遞減階段,土壤水分減少,土壤水分的蒸發(fā)速度隨之下降(圖7)。

2.3.2 不同初始含水率條件下遼西北風沙土的土壤累積蒸發(fā)量

同種覆蓋物、相同覆蓋厚度情況下,初始含水率越大土壤累積蒸發(fā)量越大,且土壤水分累積蒸發(fā)量隨蒸發(fā)時間的進行逐漸趨于平緩。5%初始含水率下,累積蒸發(fā)量表現(xiàn)為3 cm砂石覆蓋<2 cm砂石覆蓋<1 cm砂石覆蓋<3 cm秸稈覆蓋<2 cm秸稈覆蓋<1 cm秸稈覆蓋;15%初始含水率下,累積蒸發(fā)量表現(xiàn)為3 cm砂石覆蓋<2 cm砂石覆蓋<3 cm秸稈覆蓋<2 cm秸稈覆蓋<1 cm砂石覆蓋<1 cm秸稈覆蓋;25%初始含水率下,累積蒸發(fā)量表現(xiàn)為3 cm秸稈覆蓋<2 cm秸稈覆蓋<3 cm砂石覆蓋<1 cm秸稈覆蓋<2 cm砂石覆蓋<1 cm砂石覆蓋。第9 d之后,同種覆蓋物、相同覆蓋厚度情況下,各初始含水率梯度的累積蒸發(fā)量隨蒸發(fā)時間變化的曲線呈現(xiàn)明顯差異,表現(xiàn)為25%>15%>5%,且5%初始含水率土壤的累積蒸發(fā)量曲線變化率在第9 d之后趨于0,表明初始含水率為5%的土壤在第9 d之后進入了土壤蒸發(fā)滯緩的階段,由于土壤表面的極度干燥,土壤水分的蒸發(fā)過程主要依賴于土壤中的水分蒸發(fā),然后水蒸氣擴散至土體外,此過程非常緩慢[2](圖8)。

圖8 不同初始含水率條件下累積蒸發(fā)量隨時間的變化

3 結(jié)論

(1)與對照相比,砂石與秸稈覆蓋能夠抑制土壤水分蒸發(fā),且覆蓋厚度和土壤初始含水率與這種抑制作用密切相關;隨著初始含水率增大,砂石與秸稈的覆蓋厚度越大,土壤累積蒸發(fā)量越小,土壤蒸發(fā)強度越穩(wěn)定。

(2)與對照相比,砂石和秸稈覆蓋能夠有效地保持土壤水分;在同等覆蓋厚度下,5%初始含水率時,砂石覆蓋土壤蒸發(fā)抑制效率高于秸稈覆蓋;在25%初始含水率時秸稈覆蓋土壤蒸發(fā)抑制效率高于砂石覆蓋。當初始含水率為15%時,覆蓋厚度不同土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)存在差異,覆蓋厚度為1 cm時,秸稈土壤蒸發(fā)抑制效率高于砂石,覆蓋厚度為2 cm時,15 d前土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為秸稈>砂石,15 d以后,土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為砂石>秸稈。覆蓋厚度為3 cm時,3 d前土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為秸稈>砂石,3 d以后,土壤蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為砂石>秸稈。

(3)綜合考慮土壤水分狀況和本試驗抑蒸保墑效果,認為3 cm砂石覆蓋模式是較適合遼西北風沙地的覆蓋模式。