蘇鳳梅, 賈志峰,3, 王 智,3,4

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院, 陜西 西安 710054;2.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054; 3.長安大學水與發(fā)展研究院, 陜西 西安 710054; 4.美國加州州立大學 弗雷斯諾分校地球與環(huán)境科學系, 美國 加州 93740)

中國干旱半干旱地區(qū)降雨量少，蒸發(fā)強烈，水資源短缺，農(nóng)業(yè)用水缺乏，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是當前高效利用水資源的重要方式[1-2]。土壤水分是水資源形成、轉化與消耗的循環(huán)過程的重要參數(shù)，對農(nóng)業(yè)科學領域的研究有著非常重要的作用[3-4]。地膜覆蓋技術能夠有效地降低土壤蒸發(fā)[5]，提高農(nóng)作物對水分和養(yǎng)分的吸收利用率[6-7]，成為目前節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向[8]。然而傳統(tǒng)的地膜耐用性差，殘膜碎片對環(huán)境危害大[9]。為此，本文擬引入防草地布材料，將地布與地膜相結合，在渭北旱塬區(qū)選取典型試驗點，開展地布—地膜覆蓋條件下土壤水分原位監(jiān)測試驗。研究地布—地膜覆蓋的保濕效果及其耐久性，以期為該地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)技術的發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究地區(qū)及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

中國科學院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站(34°12′N，107°40′E)位于陜西省咸陽市長武縣王東村，塬川相間，溝谷發(fā)育，是典型的黃土旱塬區(qū)，平均海拔1 200 m。該區(qū)氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均日照2 226.5 h，年無霜期171 d，年均降水580 mm，年內(nèi)分布呈現(xiàn)夏秋多、冬春少。最高氣溫36.9 ℃，最低氣溫-24.9 ℃，年均氣溫9.1 ℃。研究區(qū)土壤為黑壚土，母質(zhì)是深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土[10]。試驗地0—50 cm土質(zhì)為粉質(zhì)壤土，土壤顆粒

分析結果見表1。其中，黏粒(<0.002 mm)含量為16.2%～25.5%，粉粒(0.05～0.002 mm)含量為70%～74.1%，砂粒(>0.05 mm)含量為3%～9.7%。平均容重為1.4 g/cm3，地下水位埋深在40 m左右。

表1 長武縣王東村不同土壤顆粒含量 %

1.2 研究方法

在試驗站選取兩塊裸地，一塊為地布—地膜覆蓋區(qū)，一塊為裸地區(qū)。在兩塊裸地分別挖50 cm土坑，修平土壤垂直剖面，在地面以下15，30，50 cm處采用垂直剖面法[11]安裝土壤水分傳感器，用原土回填土坑，傳感器外接數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集。覆蓋區(qū)土壤表層采用雙層膜覆蓋(黑色地膜在下，黑色地布在上)，并使用地釘對雙層膜進行固定，裸地區(qū)不做處理，定期清理雜草。在地表上不同高度安裝有大氣濕度儀(20 cm)、雨量計(160 cm)、風速風向儀(200 cm)，數(shù)據(jù)采集器(100 cm)[12]，試驗所用儀器型號及精度見表2。測定時間步長為0.5 h，試驗時間為2014年11月15日至2015年11月15日。

表2 測量儀器參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素分析法和PCA法進行方差分析α=0.01。

2 結果與分析

2.1 土壤水分的空間變化特征

對監(jiān)測期內(nèi)裸地及地布—地膜覆蓋區(qū)15，30，50 cm處土壤含水率數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表3，各層土壤平均含水率的空間變化見圖1。從表3可以看出，無論是覆蓋還是裸地，標準差隨著土層深度的增加均呈現(xiàn)出減小趨勢，說明隨著深度的增加，土壤水分受氣象因素的影響逐漸減弱。通過比對覆蓋和不覆蓋兩種方式的變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，覆蓋條件下各層土壤水分的變異系數(shù)均低于裸地區(qū)，說明覆蓋條件土壤含水率年內(nèi)變化幅度較小。

由圖1可以看出，在地布—地膜覆蓋區(qū)各層平均土壤含水率均高于裸地區(qū)，由淺至深分別提高了11.2%，8.0%，5.3%，這是由于地布—地膜的覆蓋有效地收集了降雨和露水并抑制了雜草生長和土壤表層水分的蒸發(fā)，具有集水保水作用。通過顯著性分析表明，裸地及覆蓋區(qū)各層土壤含水率均具有極顯著性差異(LSD檢驗，p<0.01)，說明地布—地膜覆蓋對各層土壤水分的影響極為顯著。另外，裸地和覆蓋區(qū)土壤含水率隨深度增加呈現(xiàn)高—低—高變化趨勢，在距地表30 cm處的土壤平均含水率都明顯低于其他各層土壤，這是由于降雨量較小時，蒸發(fā)作用和徑流作用導致雨水無法入滲到30 cm處，無降雨時，在白天強烈蒸發(fā)以及夜間溫度驅動下，30 cm處土壤水分向表層土壤運移。

表3 長武縣王東村土壤水分變化分析(α=0.01)

圖1 長武縣王東村土壤水分空間變化

2.2 土壤水分的時間變化特征

不同深度(15，30，50 cm)土層的土壤水分時間變化過程見圖2。15 cm深度土層土壤水分時間變化見圖2a，該層受降雨、蒸發(fā)等氣象因素的影響最大，裸地區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為19.7%～46.1%(日平均含水率)，變幅為26.4%，土壤年平均含水率為25.3%，覆蓋區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為21.4%～36.9%(日平均含水率)，變幅為15.5%，土壤年平均含水率為28.1%。30 cm深度土層土壤水分時間變化見圖2b，該層受降雨、蒸發(fā)等氣象因素的影響減弱，裸地區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為13.5%～38.9%(日平均含水率)，變幅為25.4%，土壤年平均含水率為18.6%，覆蓋區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為15.3%～28.0%(日平均含水率)，變幅為12.7%，土壤年平均含水率為20.1%。50 cm深度土層土壤水分時間變化見圖2c，該層受降雨、蒸發(fā)等氣象因素的影響最弱，裸地區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為20.5%～37.5%(日平均含水率)，變幅為17.0%，土壤年平均含水率為26.3%，覆蓋區(qū)土壤水分年內(nèi)變化范圍為23.1%～38.1%(日平均含水率)，變幅為15.0%，土壤年平均含水率為27.7%。

根據(jù)其年內(nèi)變化程度，可以概括為5個時期，分別為相對穩(wěn)定期、緩慢上升期、緩慢下降期、增失交替期、恢復期，不同時期土壤水分變化特征如下：

(1) 相對穩(wěn)定期(11月下旬—次年2月上旬)。該時期氣溫較低，降雨少，蒸發(fā)小，降雨量為12 mm，占全年降雨量的2.4%，日最大降雨量達3.2 mm。12月末土壤水分出現(xiàn)低谷，是由于溫度驟減，1—2月上旬地面溫度低于零度，土壤由表層向下層凍結，由于傳感器測量的是土壤的非凍結含水量，土壤水部分凍結致使土壤非凍結含水量減小。整體上，土壤水分處于自調(diào)節(jié)階段，變化較為緩慢。除了土壤凍結期，在整個穩(wěn)定期內(nèi)，覆蓋區(qū)土壤含水率顯著高于裸地區(qū)，在15，30，50 cm土層覆蓋區(qū)平均含水率比裸地區(qū)分別高出7.10%，4.42%，5.26%。

(2) 緩慢上升期(2月中旬至3月下旬)。該時期降雨量為58.2 mm，占全年降雨量的11.4%，日最大降雨量達15 mm。2月中旬以后氣溫回升，土壤由表層開始解凍，土壤蒸發(fā)較小，土壤水分緩慢持續(xù)增加，3月中旬后降雨頻次增加，強度增大，土壤水分驟增。比對覆蓋區(qū)與裸地區(qū)發(fā)現(xiàn)，前期覆蓋區(qū)土壤含水率高于裸地區(qū)，后期相反，主要原因為，前期土壤解凍，土壤含水率增加，覆蓋區(qū)覆膜減少了土壤蒸發(fā)，土壤水分相對較高，后期降雨頻率增加，覆蓋區(qū)減少了降雨的直接入滲，水分含量略低于裸地區(qū)。在整個緩慢上升期內(nèi)，在15，30，50 cm土層覆蓋區(qū)平均含水率比裸地區(qū)分別高出4.61%，1.27%，4.47%。

圖2 不同深度土層含水率的時間變化過程

(3) 緩慢下降期(4月上旬至5月下旬)。該時期降雨量為56 mm，占全年降雨量的11.0%，日最大降雨量達11.6 mm。4月氣溫持續(xù)回升，土壤蒸發(fā)強度逐漸增大，土壤水分開始減小。在4月中旬有連續(xù)降雨，土壤水分有增加趨勢，但整體上處于下降期。比對覆蓋區(qū)與裸地區(qū)發(fā)現(xiàn)，除4月中旬降雨期間，覆蓋區(qū)土壤含水率下降趨勢存在一定的滯后性，同時刻，覆蓋區(qū)土壤含水率高于裸地區(qū)。在整個緩慢下降期內(nèi)，在15，30，50 cm土層覆蓋區(qū)平均含水率比裸地區(qū)分別高出10.86%，4.14%，0.40%。

(4) 增失交替期(6月上旬至9月下旬)。該時期氣溫最高，降雨頻次及強度最大，蒸發(fā)強烈，降雨量為322 mm，占全年降雨量的63.3%，日最大降雨量達86.6 mm。強降雨條件下，土壤水分急劇上升，雨后蒸發(fā)強烈，土壤水分迅速下降，土壤水分變化劇烈。在這個時期內(nèi)，裸地區(qū)的土壤水分變化幅度明顯大于覆蓋區(qū)，降雨期間裸地區(qū)土壤含水率增幅大，其他時段裸地區(qū)土壤含水率降幅也大，說明覆蓋區(qū)通過覆膜雖然減少了降雨對土壤的直接入滲，但減少了土壤蒸發(fā)，其保水性明顯優(yōu)于裸地區(qū)。在整個增失交替期內(nèi)，在15，30，50 cm土層覆蓋區(qū)平均含水率比裸地區(qū)分別高出15.11%，13.11%，8.56%。

(5) 恢復期(10上旬至11月中旬)。該時期降雨量為60.2 mm，占全年降雨量11.8%，日最大降雨量達19 mm。10月以后氣溫逐漸降低，降雨強度減小，蒸發(fā)較強，10月末降雨作用下，土壤水分開始增加。該時期覆蓋區(qū)土壤含水率均高于裸地區(qū)，在15，30，50 cm土層覆蓋區(qū)平均含水率比裸地區(qū)分別高出19.35%，16.36%，9.17%。

2.3 地布-地膜覆蓋對降雨入滲的影響

選取典型降雨過程(2015年6月23日至6月29日)，分析降雨前后研究區(qū)裸地和覆蓋條件下土壤含水率隨時間動態(tài)變化過程(見圖3)。

圖3 典型降雨前后土壤水分變化

由圖3可以看出，無論是裸地還是覆蓋條件下，隨土壤深度增加，降雨對土壤含水率的影響逐漸減小，降雨過程中不同深度土壤含水率最大值出現(xiàn)時間隨深度的增加表現(xiàn)出不同程度的滯后性。裸地15 cm土層的土壤含水率最大值(39.9%)出現(xiàn)在6月29日上午5：00，覆蓋條件下15 cm土層土壤含水率最大值(34.0%)出現(xiàn)在6月29日下午17：00時；裸地30 cm土層的土壤含水率最大值(27.2%)和覆蓋條件下30 cm土層的土壤含水率最大值(26.4%)均出現(xiàn)在6月29日上午5：00；裸地50 cm土層的土壤含水率最大值(25.5%)出現(xiàn)在7月4日上午7：00，覆蓋條件下50 cm土層的土壤含水率最大值(29.0%)出現(xiàn)在6月30日晚21：00。

降雨過程中裸地和覆蓋條件下不同深度土壤含水率統(tǒng)計特征值見表4。降雨過程中，裸地土壤含水率的最大值和最小值均出現(xiàn)在15 cm深度范圍內(nèi)，其變異系數(shù)為49，屬于中等變異強度[13](CV≥100為強變異，40≤CV<100為中等變異強度，10≤CV<40為低等變異強度，CV<10為弱變異強度)，15 cm以下深度變異系數(shù)分別為26，27均小于40，屬于低等變異強度。因此，降雨過程對裸地土壤含水率的影響主要集中在15 cm深度范圍內(nèi)，對15 cm以下土壤水分影響較小，這是由于土壤表層最先接受降雨補給，土壤含水量迅速升高，當降雨強度足夠大或降雨歷時較長時，土壤表層水分將達到飽和狀態(tài)并下深層入滲，降雨結束后，由于地表溫度升高和地表面氣流作用，土壤水分迅速蒸發(fā)。水分在表層滯留的時間相對較短，變異性也較強。覆蓋條件下的土壤含水率最大值出現(xiàn)在15 cm深度范圍內(nèi)，最小值出現(xiàn)在30 cm深度范圍內(nèi)，變異系數(shù)依次是10及14，均屬于低等變異強度，50 cm深度變異系數(shù)為8，屬于弱變異強度，因此，降雨過程對覆蓋條件下土壤含水率的影響主要集中在30 cm深度范圍內(nèi)，這是由于覆蓋地布和地膜阻礙了雨水直接入滲，雨水通過側向入滲補給土壤，表層土壤通過側向補給獲得水分后，補給下層土壤。

表4 典型降雨過程中不同深度土壤水分統(tǒng)計

2.4 地布-地膜覆蓋的耐久性分析

地膜材料一般為聚乙烯，厚度變化經(jīng)歷了由厚變薄再逐漸增厚的過程。在20世紀80年代初期，地膜的厚度為0.014 mm，而后為了節(jié)省成本，地膜厚度變?yōu)?.005～0.006 mm，甚至更薄，致使地膜強度低，易老化，易破碎，回收困難[14-16]。90年代，國標規(guī)定地膜厚度最低為0.008 mm，較前期地膜厚度有所增大。傳統(tǒng)覆膜方式，天氣會導致地膜破壞，如暴曬，暴雨，強風等。因此，地膜使用壽命短，一般為半年至一年，且回收率低，不易降解，隨著農(nóng)田使用年限的增加，土壤中殘留的地膜量逐漸增加，會導致地膜污染[17-19]。地布又被稱為“防草布”“地面編織膜”“地面防護膜”等，材料為聚丙烯，透氣滲水，質(zhì)地較堅韌，不易風化和破碎，回收方便，使用壽命較長，一般為5 a，不僅可以節(jié)省成本，還能防止雜草生長，抑制雜草種子的傳播和擴散[20-21]。

本試驗期內(nèi)，地膜在地布的保護下，除了邊緣少部分風化，整體基本上保持試驗初期狀態(tài)。因此，地布—地膜覆蓋方式有效延長了地膜的使用壽命。

3 討 論

本研究選擇試驗地塊遠離人類活動區(qū)，避免人為因素干擾，利用原位定點自動監(jiān)測手段，研究地布—地膜覆蓋對渭北旱塬區(qū)0—50 cm土壤水分的影響。研究發(fā)現(xiàn)，地布—地膜的覆蓋措施隔離了地表土壤與大氣接觸，使得不同深度土層的土壤水分分布、能態(tài)、水汽運動狀態(tài)均發(fā)生改變，從而影響土壤水分[22]。由于覆蓋處理后，有效減少了土壤蒸發(fā)，對不同深度的土壤水分保持均明顯優(yōu)于裸地[23-25]，降雨對覆蓋措施下各個深度土層的土壤水分變化影響較小，土壤水分增加幅度明顯低于裸地條件下[26-29]，但降雨過后，覆膜處理有效減少了土壤水分的蒸發(fā)，各層土壤水分減小幅度均小于裸地。

4 結 論

(1) 無論地布—地膜覆蓋區(qū)還是裸地區(qū)，其土壤含水量隨深度增加而呈現(xiàn)出高—低—高的空間分布特征。

(2) 地布—地膜覆蓋中15，30，50 cm土層的土壤水分比不覆膜處理中日平均提高11.2%，8.0%，5.3%。

(3) 覆蓋區(qū)域減少了降雨的直接入滲，土壤水分增加過程存在滯后性，但減少了土壤蒸發(fā)，無雜草，保水性能較好。

(4) 試驗期內(nèi)，地布性能保存完好，地膜除了邊緣少部分風化，基本上保持試驗初期狀態(tài)。因此，地布—地膜覆蓋方式起到了良好的保水效果，同時有效延長了地膜的使用壽命。

本文采用15 cm處土壤水分數(shù)據(jù)來反映表層土壤水分狀況。然而地表土壤水分變化強烈，在0—15 cm土層進行土壤水分的加密觀測，有待進一步揭示表層土壤水分的變化規(guī)律。

與傳統(tǒng)覆膜種植方式相比，地布—地膜覆蓋的方式更有利于提高土壤水分，防止雜草，且地膜不易破損，可以多年使用，節(jié)省勞力，應根據(jù)多年綜合效益與成本比較因地制宜地推廣該技術。

致謝：感謝盧玉東、劉文兆、張曉萍、汪有科、李玉成、何自立、王浩對試驗的關注與現(xiàn)場幫助；感謝長安大學研究生院、長安大學水與發(fā)展研究院、西北農(nóng)林科技大學和中國科學院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站對本試驗項目的支持。