李彥霈 邵明安，，3? 王 嬌

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

（2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

（3 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190）

土壤水分蒸發(fā)是干旱半干旱區(qū)農(nóng)田水分損失的重要途徑，是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一［1-2］，因此，國內(nèi)外針對土壤蒸發(fā)抑制技術(shù)開展了大量研究［3-5］。其中，地表覆蓋能夠改善農(nóng)田小氣候，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中受到普遍重視［6］。原翠萍等［7］研究發(fā)現(xiàn)，砂石覆蓋能夠有效抑制土壤蒸發(fā)，且抑制能力隨砂石粒徑的增大而降低；王曼華等［8］通過對秸稈覆蓋條件下的鹽堿地水分蒸發(fā)規(guī)律進(jìn)行分析，指出秸稈覆蓋可顯著減少土壤水分蒸發(fā)，并且能夠抑制土壤返鹽；周宏偉等［9］利用自然覆蓋物進(jìn)行了人工模擬蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，積沙層、鹽結(jié)皮層和枯落物阻隔土壤蒸發(fā)作用明顯；毛學(xué)森和曾江海［10］將水泥硬殼應(yīng)用于農(nóng)田，可使土壤蒸發(fā)減少75%～81%。

蚯蚓是土壤中的主要動物類群，在土壤表面和土體內(nèi)部可產(chǎn)生大量排泄物——蚯蚓糞，蚯蚓糞是土壤中優(yōu)良的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，能夠改善土壤的通氣透水、蓄水保肥等性質(zhì)［11-12］。近年來，蚯蚓養(yǎng)殖業(yè)逐漸發(fā)展壯大，蚯蚓糞被廣泛用于育苗、土壤培肥、重金屬污染修復(fù)以及抑制作物病害等方面［13，17］。但目前國內(nèi)外針對蚯蚓糞的研究主要集中于土壤生物、化學(xué)等過程，而關(guān)于其對土壤物理過程的影響研究較少。已有研究表明，覆蓋于地表的蚯蚓糞能夠增加土壤表面的粗糙度進(jìn)而影響水分入滲過程［18-19］，但尚未有相關(guān)研究分析蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發(fā)過程的影響。

本研究主要目的是探究蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發(fā)過程的影響。通過比較一定時段內(nèi)不同覆蓋厚度和覆蓋度條件下的土壤蒸發(fā)量和土壤累計蒸發(fā)量，以及蒸發(fā)過程中蚯蚓糞和土壤中有機(jī)質(zhì)含量變化，分析蚯蚓糞不同覆蓋條件對土壤蒸發(fā)過程的抑制作用，試圖揭示蚯蚓糞抑制土壤蒸發(fā)的機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年6月15日至7月25日在陜西省楊凌區(qū)中國科學(xué)院水土保持研究所（108°07′E,34°30′N）試驗(yàn)地進(jìn)行。供試土壤類型為褐土類，塿土亞類。采自水土保持研究所試驗(yàn)農(nóng)地，去除表層雜質(zhì)后，采集0～1 m的土壤樣品。土壤樣品清除根系等雜質(zhì)后自然風(fēng)干，過2 mm篩備用。有機(jī)質(zhì)含量5.36 g kg-1，全氮0.81 g kg-1，顆粒組成為：砂粒5.92%，粉粒62.85%，黏粒31.23%。

試驗(yàn)用蚯蚓糞由大平1號蚯蚓產(chǎn)生，具體收集方法為：蚯蚓加入磨碎的樹葉中，放置于溫度20℃、土壤水分含量10%～15%的條件下培養(yǎng)1個月，然后在表層收集蚯蚓糞，混合均勻后待用。蚯蚓糞有機(jī)質(zhì)含量18.92g kg-1，全氮8.77 g kg-1，全磷6.23 g kg-1，顆粒組成為：砂粒19.78%，粉粒59.69%，黏粒20.53%。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用小型蒸發(fā)器為內(nèi)徑20 cm、壁厚0.5 cm、高25 cm的圓柱形聚氯乙烯（PVC）管，底部均勻分布6個直徑為0.4 cm的圓孔，墊上濾紙及紗布防止土壤漏出。風(fēng)干塿土按容重1.3 g cm-3分層裝入桶內(nèi)至20 cm厚。將填裝好的蒸發(fā)器擺放于水槽中，蒸發(fā)器底部墊上2 cm厚的塑料泡沫，然后向水槽中緩緩加水至約蒸發(fā)器10 cm高處。24 h后，當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)的土壤全部濕潤時，將蒸發(fā)器搬出水槽，并在其表面覆蓋一層塑料薄膜防止蒸發(fā)，靜置48 h排除重力水后稱重。試驗(yàn)統(tǒng)一將土壤初始含水量控制在田間持水量附近，在自然條件下進(jìn)行連續(xù)蒸發(fā)。試驗(yàn)中用稱重法測定土壤蒸發(fā)量，用20 cm標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿測定相同時段內(nèi)的大氣蒸發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿放置于距離地面75 cm處。在蒸發(fā)器的土層上按不同厚度和覆蓋度（蚯蚓糞覆蓋面積與土壤橫截面積之比）隨機(jī)分散鋪設(shè)蚯蚓糞，共設(shè)置7個處理（見表1）。鋪設(shè)完畢后稱重記錄。在土壤表層垂直插入電子溫度計探頭，深度為3 cm，用于測定土壤表層溫度。每個處理設(shè)置3個重復(fù)。

表1 試驗(yàn)處理Table 1 Experiment treatment

裝土完成后，將蒸發(fā)器放置于戶外空曠地，并用遮雨棚對蒸發(fā)器進(jìn)行遮蓋以避免降雨影響。蚯蚓糞不同厚度和覆蓋度對土壤蒸發(fā)量影響的試驗(yàn)分別進(jìn)行，均連續(xù)測定15 d的土壤蒸發(fā)量，每天早晨8:00對蒸發(fā)器進(jìn)行稱量，同時記錄土壤溫度和大氣蒸發(fā)力。同時，在蒸發(fā)試驗(yàn)的第1天每隔1.5 h稱重，8:00開始至21:30結(jié)束，用于分析蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發(fā)量日變化的影響。

蒸發(fā)試驗(yàn)開始前，從收集的蚯蚓糞中隨機(jī)選取4份重約1 g的團(tuán)聚體，風(fēng)干后過2 mm篩，利用重鉻酸鉀加熱法分別測定其有機(jī)質(zhì)含量，取平均值作為蚯蚓糞有機(jī)質(zhì)含量。土壤連續(xù)蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)束后，收集各處理土壤表面的蚯蚓糞并將剩余的土壤混合均勻，分別測定蚯蚓糞及各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0計算各變量的描述性統(tǒng)計特征值及單因素方差分析，利用Origin8.5完成制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 蚯蚓糞覆蓋厚度對土壤蒸發(fā)過程的影響

土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力的比值可用于反映不同天氣條件下各處理蒸發(fā)速率的差異。圖1顯示了在不同蚯蚓糞覆蓋厚度條件下，各處理土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力的比值隨時間的變化。從圖中可以看出，在蒸發(fā)過程的前9 d，土壤蒸發(fā)量表現(xiàn)為覆蓋4 cm ＜ 2.5 cm ＜ 1 cm ＜裸土，即蚯蚓糞覆蓋厚度越大，土壤蒸發(fā)量越小；隨著蒸發(fā)過程的繼續(xù)進(jìn)行，不同處理之間的差異逐漸減小。蒸發(fā)前期，土壤含水量接近田間持水量，土壤水分充足，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，此時，蚯蚓糞覆蓋厚度越大，阻礙土壤水分向大氣散失的能力越強(qiáng)，因此，蚯蚓糞厚度大的土壤水分蒸發(fā)小于厚度小的土壤。以上結(jié)果說明：蚯蚓糞覆蓋可以有效抑制土壤水分蒸發(fā)，且覆蓋厚度越大，抑制力越強(qiáng)。隨著蒸發(fā)過程的進(jìn)行，土壤中水分不斷損失，蒸發(fā)強(qiáng)度隨著土壤含水量的減少而降低。當(dāng)?shù)乇硇纬筛赏翆雍?，水分通過干土層散失至大氣中主要是水汽擴(kuò)散的緩慢過程，蒸發(fā)強(qiáng)度很低，受蚯蚓糞覆蓋的影響減弱，因此不同處理間無明顯差異。

蚯蚓糞不同覆蓋厚度對土壤累計蒸發(fā)量的影響見圖2。從圖中可以看出，隨著蚯蚓糞覆蓋厚度的增大，土壤累計蒸發(fā)量逐漸減少，累計蒸發(fā)量與時間近似呈線性關(guān)系。覆蓋厚度1 cm、2.5 cm和4 cm處理下的平均土壤累計蒸發(fā)量分別占大氣蒸發(fā)量的49.57%、47.61%和36.96%，而裸土的平均累計蒸發(fā)量占大氣蒸發(fā)量的55.48%，表明蚯蚓糞覆蓋可有效減少土壤水分散失，而且覆蓋厚度越大，土壤蒸發(fā)量較裸土減少越多。

圖3為在蚯蚓糞不同覆蓋厚度條件下土壤蒸發(fā)量在一天中的變化情況。從08:00至12:30，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度不斷增加，12:30時土壤蒸發(fā)量達(dá)到最大值，之后大致呈下降趨勢。土壤蒸發(fā)量受溫度影響，溫度升高時蒸發(fā)量相應(yīng)增大。大部分時間段蚯蚓糞不同覆蓋厚度條件下土壤蒸發(fā)量從大到小的排序?yàn)椋郝阃粒? cm覆蓋＞2.5 cm覆蓋＞4 cm覆蓋。至21:30時，覆蓋1 cm、2.5 cm和4 cm蚯蚓糞的平均土壤蒸發(fā)量較裸土分別降低了16.91%、38.40%、53.87%。就試驗(yàn)時段的土壤蒸發(fā)量變化幅度而言，裸土的變幅（ACK= 20.00 g）和標(biāo)準(zhǔn)差（σCK=5.84 g）大于有蚯蚓糞覆蓋的土壤（A1= 17.33 g，A2.5= 13.67 g，A4= 14.33 g；σ1= 5.84 g，σ2.5=4.62 g，σ4= 4.64 g），說明蚯蚓糞覆蓋的土壤更不易受氣象條件等外部因素的影響，同時，蚯蚓糞厚度增加至2.5 cm時，土壤蒸發(fā)量的變幅和標(biāo)準(zhǔn)差均隨著蚯蚓糞覆蓋厚度的增加而降低，2.5 cm覆蓋厚度與4 cm差異不顯著，說明在一定范圍內(nèi)，蚯蚓糞覆蓋厚度越大，土壤蒸發(fā)過程受氣象條件等外部因素影響越小。總體而言，蚯蚓糞覆蓋厚度對土壤蒸發(fā)過程存在較顯著的影響。

圖1 不同覆蓋厚度下土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力的比值Fig. 1 Ratio of soil evaporation to atmospheric evaporation relative to mulch thickness

圖2 不同覆蓋厚度條件下土壤累計蒸發(fā)量隨時間的變化Fig. 2 Temporal variation of soil cumulative evaporation relative to mulch thickness

圖3 不同覆蓋厚度條件下土壤蒸發(fā)量日變化Fig. 3 Daily variation of soil evaporation relative to mulch thickness

2.2 蚯蚓糞覆蓋度對土壤蒸發(fā)過程的影響

蚯蚓糞不同覆蓋度條件下土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力比值連續(xù)15 d的動態(tài)變化過程如圖4。從圖中可以看出，在蒸發(fā)過程的第1天，所有處理的土壤蒸發(fā)量均較高，占同期大氣蒸發(fā)力的91.11% ～97.78%，其中，覆蓋度90%的土壤平均蒸發(fā)量最低（93.09%）。第2天至第4天，不同處理的土壤日蒸發(fā)量均變化很小，覆蓋度90%的土壤蒸發(fā)量顯著小于其他三個處理，而裸土的日蒸發(fā)量最高。第5天開始，所有處理的土壤蒸發(fā)量均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，不同處理的土壤日蒸發(fā)量從高到低依次為：覆蓋度30% ＞覆蓋度60% ＞覆蓋度90% ＞裸土。裸土的蒸發(fā)量小于蚯蚓糞覆蓋的土壤可能是由于裸土的水分散失較快，其表層發(fā)生板結(jié)阻礙水分蒸發(fā)［20］。而對于覆蓋蚯蚓糞的三種處理而言，在覆蓋厚度一定的情況下，覆蓋面積越大，土壤與大氣的接觸面積越小，對蒸發(fā)的抑制越強(qiáng)，土壤蒸發(fā)量越小。

圖4 不同覆蓋度條件下土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力的比值Fig. 4 Ratio of soil evaporation to atmospheric evaporation relative to mulching coverage

圖5顯示了蚯蚓糞不同覆蓋度條件下土壤累計蒸發(fā)量隨時間的變化。由圖可以看出，蒸發(fā)前期覆蓋度90%的土壤累計蒸發(fā)量明顯小于其他三個處理，但覆蓋度30%、60%和裸土的土壤累計蒸發(fā)量差異不明顯。隨著蒸發(fā)過程的進(jìn)行，裸土的累計蒸發(fā)量逐漸小于覆蓋度30%和60%的處理，但仍高于覆蓋度90%的土壤。在蒸發(fā)過程的最后4天，裸土的累計蒸發(fā)量與覆蓋度90%的土壤基本一致。此外，對比覆蓋度為90%覆蓋厚度分別為2 cm和2.5 cm條件下土壤累計蒸發(fā)量變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)前者的土壤蒸發(fā)速率在前9天較高，之后出現(xiàn)明顯的降低，而后者的蒸發(fā)速率則基本穩(wěn)定。這主要是由于二者試驗(yàn)同期的氣象條件存在差異。對于覆蓋厚度2 cm的處理，其試驗(yàn)前期的外界氣溫高于覆蓋厚度2.5 cm的處理，后期則相對較低，因此，土壤水分在蒸發(fā)過程前期散失較快，蒸發(fā)速率較高，后期由于土壤含水量較低，蒸發(fā)速率下降。而對于覆蓋厚度為2.5 cm的處理，由于其前期水分損失相對較少，且后期外界氣溫較高，因此，蒸發(fā)速率無明顯變化。雖然土壤蒸發(fā)過程在相似覆蓋條件下存在差異，但均能夠有效減少土壤蒸發(fā)量。

圖5 不同覆蓋度條件下土壤累計蒸發(fā)量隨時間的變化Fig. 5 Temporal variation of soil cumulative evaporation relative to mulching coverage

圖6為在不同覆蓋度的蚯蚓糞覆蓋條件下土壤蒸發(fā)量在一天內(nèi)的變化情況。由圖可知，不同處理的土壤在一天中蒸發(fā)量先增大后減小，在12:30至14:00最大，8:00至9:30最小。在8:00至11:00之間，土壤蒸發(fā)量從高到底依次為：裸土＞覆蓋度30%＞ 60% ＞ 90%；在11:00之后則為：覆蓋度30%＞覆蓋度60% ＞裸土＞覆蓋度90%。盡管表層板結(jié)導(dǎo)致裸土的蒸發(fā)量較低，但覆蓋度90%的土壤蒸發(fā)量仍小于裸土，其在試驗(yàn)時段內(nèi)的累計蒸發(fā)量是裸土的89%。說明當(dāng)蚯蚓糞覆蓋度較大時，對土壤蒸發(fā)的抑制作用較為明顯。

2.3 蚯蚓糞覆蓋對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

圖6 不同覆蓋度條件下土壤蒸發(fā)量日變化Fig. 6 Daily variation of soil evaporation relative to mulching coverage

蒸發(fā)過程結(jié)束后各處理土壤的有機(jī)質(zhì)含量見表2。試驗(yàn)開始時土壤有機(jī)質(zhì)含量為5.36 g kg-1，結(jié)束時所有處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量均有所下降。其中，無蚯蚓糞覆蓋的土壤有機(jī)質(zhì)含量減少了23.32%，高于有蚯蚓糞覆蓋的處理，并且土壤有機(jī)質(zhì)減少量隨著蚯蚓糞覆蓋厚度和覆蓋度的增加而減小。分別對蚯蚓糞不同覆蓋厚度和覆蓋度的土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行方差分析，可以看出：蚯蚓糞覆蓋可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。對于覆蓋不同厚度蚯蚓糞的土壤來說，當(dāng)覆蓋厚度由1 cm增加至2.5 cm時，土壤中有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，但當(dāng)厚度增加至4 cm時，有機(jī)質(zhì)含量無顯著性提高。而對于覆蓋厚度一定但覆蓋度不同的土壤而言，增大蚯蚓糞覆蓋度可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。

本試驗(yàn)所用蚯蚓糞的有機(jī)質(zhì)含量在蒸發(fā)過程開始為18.92 g kg-1，為土壤有機(jī)質(zhì)含量的3.53倍。土壤有機(jī)質(zhì)能夠促進(jìn)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而改善其吸水和持水能力［21-22］。蚯蚓吞食土壤后形成的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)疏松，具有較大的毛管孔隙度和較高的有機(jī)質(zhì)含量［23-24］，因此，蚯蚓糞較土壤具有更好的保水性能。此外，本研究結(jié)果表明，蚯蚓糞的覆蓋還能夠有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，在一定程度上也提高了土壤的持水能力。

3 結(jié) 論

蚯蚓糞覆蓋對土壤水分蒸發(fā)有一定的抑制作用，且與蚯蚓糞的覆蓋厚度和覆蓋度有密切關(guān)系。在相同的覆蓋度條件下，土壤蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)力的比值隨蚯蚓糞覆蓋厚度的增加而減小；土壤累計蒸發(fā)量與時間近似呈線性關(guān)系，而且覆蓋厚度越大，蒸發(fā)過程受氣象等外界條件的影響越弱，蒸發(fā)強(qiáng)度的日變化幅度越小。蚯蚓糞覆蓋度對土壤蒸發(fā)過程的影響小于覆蓋厚度，覆蓋度較大時，抑制土壤蒸發(fā)的效果較為明顯。進(jìn)一步分析蒸發(fā)前后蚯蚓糞和各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化，表明蚯蚓糞能夠有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，從而增強(qiáng)土壤的保水、持水性能。

表2 不同覆蓋條件下蒸發(fā)過程結(jié)束土壤有機(jī)質(zhì)含量Table 2 Soil organic matter content after the experiment relative to treatment

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