張梅花，張文君，孫慶仲，賈莉莉，王 宏，藺阿榮

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

土壤溫度是土壤環(huán)境的重要因素之一[1]，是衡量土壤熱狀況的尺度[2]。不僅直接影響植物根系和幼苗的生長，而且還影響著土壤水分、養(yǎng)分的遷移和轉(zhuǎn)等[3]。同時，土壤溫度又受大氣溫度、土壤水分以及地表覆蓋等多種因素的影響。鑒于此，研究不同因素對土壤溫度的影響，為植物生長提供良好的土溫環(huán)境就顯得十分必要。

沙丘由于其特殊的生態(tài)系統(tǒng)限制了林木的生長，其中最重要的一個因素就是土壤溫度。本研究擬通過對覆蓋生態(tài)墊和不覆蓋生態(tài)墊的沙丘土壤溫度進(jìn)行觀測分析，探討生態(tài)墊的溫度效應(yīng)，旨在了解覆蓋生態(tài)墊對沙丘植被生長環(huán)境的影響，為生態(tài)墊在建立沙地人工植被恢復(fù)系統(tǒng)的可行性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省河西走廊中部的甘州區(qū)，是典型的大陸性草原荒漠氣候，氣候干燥，溫差大，降水少而集中。年平均降水量130.4mm，主要集中在7—9月，年均蒸發(fā)量2002.5mm，是降水量的15.4倍。多年平均氣溫7.3℃，近三十年最高氣溫39.8℃，最低氣溫-28.2℃。據(jù)1995—2015年氣象資料顯示，該地區(qū)年平均降水量為140mm，蒸發(fā)量2000mm，晝夜溫差大，干旱頻繁。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)位于沙漠邊緣，分布有固定沙丘、半固定沙丘和流動沙丘，土壤主要為灰棕漠土。

1.2 試驗(yàn)材料

生態(tài)墊(eco-mat)是由棕櫚樹果殼纖維制造的一種生物覆蓋材料。厚約3～5cm、規(guī)格為1m×10m，疏松多孔，較易分解。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地選在沙漠邊緣的一處流動沙丘和固定沙丘迎風(fēng)坡上部，將試驗(yàn)地沿垂直等高線方向平均分成12塊(流動沙丘和固定沙丘各6塊)，相鄰試驗(yàn)區(qū)之間留1m隔離帶，生態(tài)墊沿等高線鋪設(shè)于沙丘上部，間距為1m。試驗(yàn)共設(shè)置4個處理：覆蓋生態(tài)墊的流動沙丘(M)、未覆蓋生態(tài)墊的流動沙丘(M0)、覆蓋生態(tài)墊的固定沙丘(F)和未覆蓋生態(tài)墊的固定沙丘(F0)，每個處理重復(fù)3次，采用隨機(jī)區(qū)組。

1.4 土壤溫度測定

將曲管地溫計(jì)埋設(shè)在各處理0、5、10、15、20cm處，從2016年5—10月，每月選2～3個晴天進(jìn)行土壤溫度日變化觀測，從08∶00到20∶00，每2h觀測1次，每處理設(shè)3個重復(fù)，結(jié)果取平均值。處理M和F的溫度測點(diǎn)在生態(tài)墊下，M0和F0的溫度測點(diǎn)在裸露的沙上。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0軟件完成，利用EXCEL軟件做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)墊覆蓋對高溫季節(jié)土壤溫度日變化的影響

適宜的土壤溫度是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及樹木根系生長發(fā)育的重要條件[4]。通過2016年7月16日對0～20cm處土壤溫度日變化的連續(xù)觀測(如圖1所示)發(fā)現(xiàn)，各處理土壤溫度日變化均呈單峰曲線，表層從10∶00開始迅速升溫，至15∶00達(dá)到最高溫，5cm及以下土壤最高溫出現(xiàn)的時間略有延遲。但不論是處理M還是處理F各時間段溫度變化都比處理M0和F0平緩，處理M和F在表層和5cm處溫度均低于處理M0和F0。通過對各時間段的土壤溫度進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)，從10∶00～17∶00，在土壤表層，處理M和F均與處理M0和F0差異顯著，且在10∶00～13∶00之間M和F差異顯著，這說明覆蓋生態(tài)墊可顯著降低表層土壤溫度，且覆蓋在流動沙丘的效果優(yōu)于固定沙丘；5～15cm處，在觀測時間段內(nèi)，雖然處理M和F溫度均低于處理M0和F0，但差異均不顯著。20cm處，19∶00～20∶00，這兩個觀測時間段內(nèi)M和F溫度均高于處理M0和F0，且差異顯著。

圖1 不同處理土壤溫度日變化

2.2 覆蓋對不同深度土壤溫度的影響

土壤不同深度地溫的垂向變化是地表散熱和吸熱之間動態(tài)變化的結(jié)果[5]，熱量的傳遞和吸收隨著深度的增加，最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的時間也逐漸落后。從0～20cm處各處理土壤溫度的變化(如圖2所示)看，處理M和F在土壤垂直剖面上的溫度變幅較小，其中處理M相鄰?fù)翆娱g溫度變化區(qū)間為0.62～1.65℃，處理F為0.08～4.31℃；而處理M0和F0的變幅則較大，其中處理M0為1.84～11.85℃，處理F0為0.46～9℃。處理M和F溫差最大值均出現(xiàn)在5～10cm處，處理M0和F0則出現(xiàn)在表層至5cm處。由此可見，覆蓋生態(tài)墊后改變了土壤對熱量的傳遞和吸收過程，縮小了土壤間的溫差。隨著土壤深度的增加，土壤溫度逐漸降低，覆蓋和未覆蓋生態(tài)墊下的土壤溫差也逐漸減小，在10～25cm處各處理溫度變化很小。

通過對土壤平均溫度垂直變化的對比(如圖3所示)可以看出，處理M表層日平均溫度為31.96℃，而處理M0的為41.86℃，兩者相差9.9℃；處理F為36.69℃，而處理F0為42.15℃，溫差為5.46℃；同時，處理M與處理F間的溫差為4.73℃。處理M和F，在表層和5cm處土壤溫度日平均值均低于處理M0和F0，而在10cm以下處理M0和F0慢慢接近處理M和F，在12cm處處理M0和M相等，之后M0溫度迅速減小，小于處理M；處理F和F0在10cm處相對，隨著土層深度的遞增，F(xiàn)0逐漸小于F。從土壤的垂直剖面看，處理M和F變幅較小，且M小于F；而處理M0和F0變幅較大，尤其是0～10cm處。由此可見，覆蓋生態(tài)墊后使得0～20cm處土壤溫度變化平緩。其主要原因由于生態(tài)墊對太陽輻射和地面有效反射的攔截、吸收，使土壤所接受的太陽輻射大大降低[6- 9]，因此處理M和F土壤溫度上升緩慢，且日變幅??；而對于裸露的沙漠表層，吸熱快放熱也快，溫度變化劇烈，各層之間溫差較大。因此處理M和F溫度隨層下降速度低于處理M0和F0。從土壤的垂直剖面看，對照溫度先高于鋪墊，然后漸漸接近，在15cm處兩者相差極小，15cm以下對照溫度又逐漸低于鋪墊，這種溫度的急劇變化不利于林木根系的生長發(fā)育，進(jìn)而會影響林木生長。

圖2 不同深度土壤溫度變化情況

圖3 各處理土壤日均溫度垂直變化情況

3 結(jié)語

覆蓋生態(tài)墊后改變了土壤對熱量的傳遞和吸收過程，對0～5cm土層有降溫作用，同時，縮小了各層土壤間的溫差，使得0～20cm處土壤溫度變化平緩，這有利于干旱地區(qū)夏季高溫時減少土壤蒸發(fā)，保持較高的土壤水分。地表溫度過高，表層土壤水會迅速汽化后散失到空氣中使得表層水分降低，表層水分降低后導(dǎo)致土壤水勢梯度增大，深層土壤水開始向地表移動來補(bǔ)充表層散失的土壤水，在這個過程中土壤中的水分由于強(qiáng)烈蒸發(fā)而被白白消耗，另一方面，溫度過高，根系吸水能力加強(qiáng)，但由于沙土含水量低，沒有足夠的水分供根系吸收，使根系由于吸水困難而死亡。

將生態(tài)墊無論是覆蓋在流動沙丘還是固定沙丘均可顯著降低表層土壤溫度，且覆蓋于流動沙丘的效果要優(yōu)于固定沙丘。20cm處，19∶00～20∶00，這兩個觀測時間段內(nèi)M和F溫度均顯著高于處理M0和F0，說明從傍晚開始覆蓋生態(tài)墊的沙丘會有升溫的現(xiàn)象，但由于從20∶00至次日8∶00未進(jìn)行觀測，各處理土壤溫度的變化還不能確定，還需進(jìn)一步深入研究。