張興娟， 王志敏， 郭文忠， 李 亮， 李 寧， 薛緒掌

(1.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)， 北京 100193)

華北平原是中國(guó)最大的平原之一，區(qū)內(nèi)光照充足，熱量資源豐富，土地平整，土壤肥沃，實(shí)行一年兩熟的耕作制度，歷來(lái)是中國(guó)最主要的糧食產(chǎn)區(qū)之一。但水資源不足,分配不均正日益成為限制該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力發(fā)揮的主要障礙因素。因此，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)勢(shì)在必行。土壤—植被—大氣(SPAC)理論的深入研究是節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)。在SPAC系統(tǒng)中，土壤水分除經(jīng)過(guò)作物蒸騰散失外，土壤表面水分蒸發(fā)也是土壤水轉(zhuǎn)移的一個(gè)重要途徑[1]。因此，降低土壤表面水分蒸發(fā)，提高土壤水分利用效率是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，高效利用水資源的一項(xiàng)重要舉措。要減少土壤蒸發(fā)失水，一是改變影響土壤表面蒸發(fā)的大氣條件，從而降低土壤水分蒸發(fā)速度；二是改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤自身的持水能力[2]。本試驗(yàn)從以上兩方面入手對(duì)灌溉后的農(nóng)田進(jìn)行不同處理，利用蒸滲儀系統(tǒng)對(duì)土壤水分變化進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)土壤水分蒸發(fā)過(guò)程及有效降低農(nóng)田土壤表面水分蒸發(fā)方法進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在北京市昌平區(qū)國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地進(jìn)行，地理位置為北緯40.17°，東經(jīng)116.39°。試驗(yàn)利用24套小型稱重式蒸滲儀系統(tǒng)進(jìn)行，每個(gè)蒸滲儀地上部分土地表面積為0.75 m2，土層深度為2 m。試驗(yàn)前耕層土壤容重為1.39 g/cm3，全N含量為86.2 g/kg，速效P含量為21.5 mg/kg，速效K含量為83.5 mg/kg。

試驗(yàn)中每套蒸滲儀均配置美國(guó)進(jìn)口杠桿式稱重系統(tǒng)，采用平衡塊抵消土箱和土重，使用重量傳感器每隔5 min對(duì)土體重量進(jìn)行一次測(cè)定，在整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行期間連續(xù)記錄土體內(nèi)水分變化的詳細(xì)過(guò)程。測(cè)定耗水量的誤差為1～2 mm，測(cè)量的靈敏度為0.05～0.1 mm。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制采集數(shù)據(jù)，負(fù)壓采集系統(tǒng)自動(dòng)采集滲漏液。田間配備氣象站，采集空氣溫濕度、光照、風(fēng)速、降雨量等數(shù)據(jù)。

為研究灌溉后不同耕作措施在短期內(nèi)對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響以及不同處理?xiàng)l件下土壤水分變化的詳細(xì)過(guò)程，試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，1個(gè)對(duì)照，分別為高留茬、秸稈覆蓋、灌溉后第1 d松土、灌溉后第2 d松土、灌溉后第3 d松土、灌溉后不處理，每個(gè)處理設(shè)4個(gè)重復(fù)。具體操作是小麥?zhǔn)斋@時(shí)隨機(jī)留出4個(gè)小區(qū)，剪掉麥穗留下秸稈作為高留茬，其余20個(gè)小區(qū)正常收獲后每個(gè)小區(qū)灌水約30 kg，再?gòu)闹须S機(jī)選取4個(gè)小區(qū)分別蓋上等量的秸稈。然后分別在灌溉后第1～3 d每天隨機(jī)選取4個(gè)小區(qū)松土，最后剩余的4個(gè)小區(qū)不進(jìn)行處理，作為對(duì)照。

1.2 試驗(yàn)期間氣象條件

試驗(yàn)時(shí)間為2012年6月3日至2012年6月11日，期間對(duì)試驗(yàn)地氣象條件包括溫度、濕度、風(fēng)速和曝輻量等指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，除6月4日氣溫較低，空氣濕度較高外，其他時(shí)段內(nèi)氣溫及濕度變化均較平穩(wěn)；6月6日和9日風(fēng)速較低，空氣流動(dòng)較慢，10日與11日短時(shí)內(nèi)出現(xiàn)大風(fēng)，其他時(shí)段內(nèi)較平穩(wěn)；曝輻量變化一直較平穩(wěn)。

同時(shí)，為避免降雨、相鄰地塊灌溉等因素對(duì)試驗(yàn)造成影響，降雨時(shí)在試驗(yàn)地上方約兩米處打開遮雨棚，相鄰地塊灌溉時(shí)在試驗(yàn)地邊界設(shè)置阻隔，防止外界水分進(jìn)入。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用SAS 9.2進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 總蒸發(fā)量變化

由表1可以看出，試驗(yàn)期間，秸稈覆蓋和灌溉后第3 d松土的處理土壤總蒸發(fā)量顯著低于其他處理，高留茬、灌溉后第1 d和灌溉后第2 d松土的處理土壤總蒸發(fā)量與對(duì)照無(wú)顯著差異。

表1 灌溉后不同處理?xiàng)l件下的總蒸發(fā)量

2.2 蒸散過(guò)程變化

圖1為不同處理?xiàng)l件下，土體水分蒸發(fā)量的變化過(guò)程。由于處理完成后，試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)沒有外界水分的介入，地表也沒有作物覆蓋，土體水分損失可完全看作是土壤蒸發(fā)造成的。由圖1看出，整體上，灌溉后各處理前期蒸發(fā)迅速，蒸發(fā)量迅速上升，后期均變緩。白天和夜間蒸發(fā)速率差距明顯，白天蒸發(fā)迅速，夜間蒸發(fā)相當(dāng)緩慢。對(duì)于不同處理，灌溉后第1 d松土與第2 d松土的蒸發(fā)過(guò)程與對(duì)照(灌溉后不處理)基本吻合，但灌溉后第1 d松土的處理在灌溉后約2 d的時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)速率比對(duì)照稍快。高留茬處理的蒸發(fā)量變化趨勢(shì)為前期相對(duì)緩慢，第7 d迅速上升之后與對(duì)照基本吻合。秸稈覆蓋處理前期蒸發(fā)較對(duì)照慢，后期較對(duì)照快，整個(gè)試驗(yàn)期間蒸發(fā)速率前后差距比對(duì)照小，整體蒸發(fā)量也明顯較對(duì)照低。灌溉后第3 d松土的處理前期蒸發(fā)速率和對(duì)照無(wú)明顯差距，后期蒸發(fā)越來(lái)越緩慢，與對(duì)照間的差距也隨時(shí)間延長(zhǎng)越來(lái)越明顯。最終，秸稈覆蓋與灌溉后第3 d松土的處理總蒸發(fā)量明顯較對(duì)照低。其他處理和對(duì)照間差距不大。

圖1 不同處理?xiàng)l件下的土壤水分蒸發(fā)過(guò)程

2.3 蒸發(fā)速率變化

2.3.1 不同處理?xiàng)l件下土壤水分蒸發(fā)速率變化 由圖2可知，6月2日至5日間土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，秸稈覆蓋及高留茬在這一時(shí)期日蒸發(fā)速率顯著低于其他處理，抑制土壤水分蒸發(fā)作用明顯，而在6月6日以后這兩種處理方式對(duì)水分蒸發(fā)速率的影響減小，說(shuō)明秸稈覆蓋及高留茬抑制水分蒸發(fā)的作用主要表現(xiàn)在灌溉后的較短時(shí)間內(nèi)。松土對(duì)6月6日以后的水分蒸發(fā)速率有重要影響，且因處理時(shí)間的不同而表現(xiàn)出很大的差異。灌溉后第1,2 d松土的處理在試驗(yàn)后期的日蒸發(fā)速率最大值比對(duì)照高，而灌溉后第3 d松土的處理日蒸發(fā)速率最大值明顯低于對(duì)照。

圖2 不同處理?xiàng)l件下的蒸發(fā)速度變化

2.3.2 秸稈覆蓋及高留茬對(duì)土壤日蒸發(fā)速率最大值出現(xiàn)時(shí)間的影響 試驗(yàn)前期土壤含水量較高，蒸發(fā)過(guò)程主要受外界氣象條件如溫度、濕度及風(fēng)速等因素的影響。

為探究覆蓋條件與無(wú)覆蓋條件下土壤蒸發(fā)過(guò)程的差異，對(duì)6月5日秸稈覆蓋與高留茬處理的蒸發(fā)速率變化過(guò)程與對(duì)照進(jìn)行比較。由圖3可知，天氣晴朗條件下日蒸發(fā)強(qiáng)度在10:30左右即達(dá)最大值，提前于曝輻量最大值出現(xiàn)時(shí)間，秸稈覆蓋和高留茬處理使其出現(xiàn)時(shí)間推遲。

圖3 不同處理?xiàng)l件下土壤日蒸發(fā)速率變化

2.4 日蒸發(fā)量變化

以每天6:00—18：00的蒸發(fā)量變化為日蒸發(fā)量，繪制試驗(yàn)期間不同處理?xiàng)l件下日蒸發(fā)量的變化圖(圖4)。由圖4看出，正常條件即灌溉后不處理的條件下，前期蒸發(fā)迅速，后期逐漸變緩，而且灌溉后第2 d蒸發(fā)最快，第4 d開始變得很慢。和其他處理相比，秸稈覆蓋處理前期日蒸發(fā)量最低，后期較高，前期與后期日蒸發(fā)量的差距小。高留茬處理前期蒸發(fā)較慢，6月7日蒸發(fā)量較其他處理高，且不同時(shí)期的日蒸發(fā)量差距較大。高留茬和秸稈覆蓋處理日蒸發(fā)量最大值出現(xiàn)的時(shí)間也較其他處理稍晚。灌溉后第1 d松土的處理前期日蒸發(fā)量較對(duì)照低，后期比對(duì)照稍高。灌溉后第2 d松土的處理整個(gè)過(guò)程中日蒸發(fā)量稍高于對(duì)照。灌溉后第3 d松土的處理，前期日蒸發(fā)量比對(duì)照稍低，比其他處理高，后期日蒸發(fā)量最低。

圖4 不同處理?xiàng)l件下的日蒸發(fā)量變化

3 討 論

土壤水分蒸發(fā)是土壤水分向大氣運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的重要形式。此過(guò)程受外界氣象條件如太陽(yáng)輻射、氣溫、地溫、濕度、風(fēng)速、降水及其入滲方式等和土壤狀況如土壤含水量、地表特性、土壤中毛管的輸送能力等土壤內(nèi)在因素的影響。王政友[3]研究表明， 初始期土壤完全飽和，土壤表層的蒸發(fā)消耗得到充分補(bǔ)給，此時(shí)土壤蒸發(fā)只受氣象條件的影響。當(dāng)土壤表層干化時(shí)，土壤蒸發(fā)主要受土壤因素的影響。該試驗(yàn)期間大氣狀況和土壤含水量是影響土壤蒸發(fā)的主要因素。

本試驗(yàn)中秸稈覆蓋和高留茬對(duì)抑制土壤水分蒸發(fā)作用的研究表明，與其他處理相比秸稈覆蓋的處理前期蒸發(fā)慢，后期較快，前期與后期的蒸發(fā)速率差距?。桓吡舨缧^(qū)前期蒸發(fā)相對(duì)緩慢，第7 d迅速上升之后與對(duì)照基本吻合。分析認(rèn)為，試驗(yàn)前期蒸發(fā)速率大，小區(qū)蒸發(fā)處于毛細(xì)管運(yùn)行階段，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈。此時(shí)進(jìn)行秸稈覆蓋能阻隔土壤表層與大氣間的氣體流動(dòng)，顯著降低土壤水分蒸發(fā)。高留茬也能降低地表溫度[4-5]，部分地減弱土壤表層與大氣間的空氣流動(dòng)，降低土壤表層水分蒸發(fā)，但效果不如秸稈覆蓋明顯。同時(shí)，已有研究表明[6]，秸稈覆蓋還能顯著降低土壤容重，使土壤孔隙度增加，提高灌溉時(shí)水分的入滲量，抑制水分蒸發(fā)。秸稈覆蓋對(duì)光輻射吸收轉(zhuǎn)化和熱量傳導(dǎo)均有影響[7-10]，可在地表形成一層土壤與大氣熱交換的障礙層，既可阻止太陽(yáng)直接輻射，也可減少土壤熱量向大氣中散發(fā)，同時(shí)還可有效地反射長(zhǎng)波輻射。沈裕琥等[11]研究也表明秸稈覆蓋下土壤溫度年、日變化均趨緩和，低溫時(shí)有“增溫效應(yīng)”，高溫時(shí)又有“低溫效應(yīng)”[5，12]。因此，秸稈覆蓋處理后期蒸發(fā)較其他處理快。

已往研究也表明[13-14]，秸稈覆蓋下作物生育前期蒸散耗水比裸地少，中后期蒸散耗水比裸地多。而高留茬處理的總蒸發(fā)量在6月7日迅速上升后，變化趨勢(shì)和對(duì)照無(wú)明顯差異，最終的總蒸發(fā)量也和對(duì)照基本相同，這與以往的研究結(jié)果[5，12]即留茬對(duì)土壤蒸發(fā)有明顯抑制作用的說(shuō)法不一致，可能是由于前期蒸發(fā)進(jìn)程的減慢，使得6月7日秸稈覆蓋和高留茬處理的土壤含水量比其他處理高，更易受氣候條件的影響，在6月7日這樣的大風(fēng)以及空氣濕度較低的條件下日蒸發(fā)量就會(huì)迅速上升，特別是高留茬的小區(qū)還有部分地表裸露。因此，高留茬在灌溉后的較短時(shí)期內(nèi)，特別是大風(fēng)、干燥氣候條件下不一定會(huì)降低土壤的總蒸發(fā)量。

本試驗(yàn)在灌溉后不同時(shí)間分別進(jìn)行松土以探討松土對(duì)土壤蒸發(fā)過(guò)程的影響，結(jié)果表明灌溉后第1,2 d松土不能抑制土壤水分蒸發(fā)，而灌溉后第3 d松土抑制土壤水分蒸發(fā)作用顯著。松土的作用主要是切斷土壤表層與下層間的毛管聯(lián)系，阻斷下層水分的毛管上升，而在灌溉后1,2 d內(nèi)土壤水分接近飽和，這一階段土壤表層3—5 cm的含水量對(duì)蒸發(fā)起決定性作用，下層影響小。因此灌溉后第1,2 d松土在這一階段不能起到顯著的抑制土壤蒸發(fā)的作用。灌溉后第3 d表層土壤水分降低，下層水分通過(guò)毛細(xì)管不斷向地表運(yùn)行，為地表蒸發(fā)提供水分來(lái)源，此時(shí)松土能有效切斷下層土壤水分向土壤表層的運(yùn)行從而減弱土壤水分蒸發(fā)。因此，灌溉后第3 d松土對(duì)降低土壤水分蒸發(fā)的作用隨試驗(yàn)進(jìn)行越來(lái)越明顯。松土對(duì)于土壤水分蒸發(fā)的影響已有研究[2]，但對(duì)于灌溉后不同時(shí)期松土對(duì)土壤水分蒸發(fā)影響的研究還很少見，此研究對(duì)這一問題進(jìn)行了初步探索，表明灌溉后土壤水分達(dá)到特定程度時(shí)松土能夠?qū)ν寥浪终舭l(fā)起到很好的抑制作用，而松土?xí)r機(jī)不適宜抑制土壤水蒸發(fā)的效果將顯著下降。這一研究結(jié)果為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)適時(shí)松土，減少土壤水分無(wú)用消耗提供了理論依據(jù)。對(duì)于達(dá)到最佳松土?xí)r機(jī)時(shí)的土壤含水量還有待進(jìn)一步研究確定。

天氣晴朗條件下日蒸發(fā)強(qiáng)度在10:30左右即達(dá)最大值，提前于曝輻量最大值出現(xiàn)時(shí)間，秸稈覆蓋和高留茬處理使其出現(xiàn)時(shí)間推遲。分析認(rèn)為，由于白天秸稈對(duì)太陽(yáng)輻射的反射造成地表溫度較正常情況下低，蒸發(fā)減慢，造成日蒸發(fā)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)滯后。

4 結(jié) 論

(1)秸稈覆蓋和高留茬對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用主要表現(xiàn)在灌溉后土壤含水量較高的階段內(nèi)。

(2)天氣晴朗條件下日蒸發(fā)強(qiáng)度在10:30左右即達(dá)最大值，提前于曝輻量最大值出現(xiàn)時(shí)間，秸稈覆蓋和高留茬處理使其出現(xiàn)時(shí)間推遲。

(3)土壤含水量較高時(shí)松土對(duì)土壤水分蒸發(fā)無(wú)抑制作用，而在土壤含水量降低到一定程度時(shí)松土能明顯抑制土壤水分蒸發(fā)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉昌明.土壤—植物—大氣系統(tǒng)水分運(yùn)行的界面過(guò)程研究[J].地理學(xué)報(bào),1997,52(4):366-372.

[2]程維新,趙家義.關(guān)于灌溉農(nóng)田作物耗水量研究[M].北京：氣候出版社,1994.

[3]王政友.土壤水分蒸發(fā)的影響因素分析[J].山西水利,2003(2):26-29.

[4]張立強(qiáng),汪有科,員學(xué)峰,等.小麥高留茬田間水分效應(yīng)研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2006,22(11):461-466.

[5]由愚正,張喜英.小麥高留茬覆蓋的生態(tài)農(nóng)業(yè)意義[J].生態(tài)農(nóng)業(yè)研究,1999,7(2):53-55.

[6]高建華,張承中.不同保護(hù)性耕作措施對(duì)黃土高原旱作農(nóng)田土壤物理結(jié)構(gòu)的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2010,28(4):192-196.

[7]袁家富.麥田秸稈覆蓋效應(yīng)及增產(chǎn)作用[J].生態(tài)農(nóng)業(yè)研究,1996,4(3):61-65.

[8]周凌云,周劉宗,徐夢(mèng)雄.農(nóng)田秸稈覆蓋節(jié)水效應(yīng)研究[J].生態(tài)農(nóng)業(yè)研究,1996,4(3):49-52.

[9]李春勃,范丙全,孟春香,等.麥秸覆蓋旱地棉田少耕培肥效果[J].生態(tài)農(nóng)業(yè)研究,1995,3(3):52-55.

[10]Flerchinger G N, Sauer T J, Aiken R A. Effects of crop residue cover and architecture on heat and water transfer at the soil surface[J]. Geoderma, 2003,116(1)：217-233.

[11]沈裕琥,黃相國(guó),王海慶.秸稈覆蓋的農(nóng)田效應(yīng)[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,1998,16(1):46-50.

[12]王會(huì)肖,劉昌明.農(nóng)田蒸散、土壤蒸發(fā)與水分有效利用[J].地理學(xué)報(bào),1997,52(5)：447-454.

[13]李玲玲,黃高寶,張仁陟,等.不同保護(hù)性耕作措施對(duì)旱作農(nóng)田土壤水分的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(9):2326-2332.

[14]Balwinder-Singh. The effect of rice straw mulch on evapotranspiration, anspiration and soil evaporation of irrigated wheat in Punjab, India[J]. Agricultural Water Management, 2011,98(12)：1847-1855.