何婷婷，汪有科，史志鵬

(1.江蘇建筑職業(yè)技術學院，江蘇 徐州 221116；2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

【研究意義】果樹種植在黃土高原地區(qū)有著悠久的歷史，同時也讓該區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的土壤干化[1-2]，這已經(jīng)引起了國內外研究學者的高度重視。植物的種植類型是影響其土壤水分的消耗的關鍵因素[3-4]，同一植被，其不同深度的土壤水分消耗也不相同[5]。何小武等通過分析該地區(qū)不同植被類型下土壤水分的空間變異性后指出，遵守植被的自然分布規(guī)律以及充分利用降雨才是該地區(qū)實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的根本出路[6]?！厩叭搜芯窟M展】棗樹是陜北地區(qū)退耕還林以后的主要經(jīng)濟樹種，1999年實行矮化密植后，其產(chǎn)量和品質有了大幅提升[7]，常年的棗樹種植使得該區(qū)域土壤出現(xiàn)了不同程度的水分虧缺，土壤水分的空間分布又直接影響棗樹根系的垂直分布[8]。土壤水分受降雨影響較大[9]，合理的覆蓋保墑措施能夠提高土壤水分含量，近而提高雨水的利用效率，該方法已經(jīng)成為干旱半干旱地區(qū)的主要節(jié)水措施，并且成功應用于玉米、小麥和果樹等作物[10-15]。已有研究表明，地表覆蓋措施可以通過改善土壤的水熱、氣狀況和礦物質的分布而影響作物的生長和產(chǎn)量，并且對土壤干層的修復也有一定效果[16-18]，而這些覆蓋方法中，尤以地膜覆蓋效果最好[19]。薄膜覆蓋技術有很好的保墑增溫功能，由于薄膜鋪設在土壤表面，形成一層不透氣的塑料阻隔層，因此土壤蒸發(fā)在垂直方向被阻斷，因此作物蒸發(fā)量降低；另一方面，薄膜覆蓋使得土壤和外界的熱交換能力減弱，因此地表溫度會升高，地膜覆蓋技術已被成功應用于玉米、小麥等田間作物、大棚蔬菜和果樹上[20-26]。目前市場上農(nóng)用覆蓋地膜的種類很多，李仙岳等[27]通過研究不同地膜對土壤溫度和葵花生長及產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，普通塑料薄膜相比于液體地膜有顯著的增溫效果，保水方面也和生物地膜無差異。張杰等[28]也研究了不同地膜覆蓋下的玉米集雨種植，發(fā)現(xiàn)生物降解地膜和普通地膜在土壤保水和對提高玉米產(chǎn)量方面有顯著效果，并且相互之間無差異，生物降解地膜可以代替普通地膜用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。地膜覆蓋對北方寒冷地區(qū)的土壤保溫有顯著的效果，不同顏色的地膜對作物生長和產(chǎn)量的影響也不相同。許樹寧等[29]通過研究不同顏色地膜對甘蔗的生長后，通過經(jīng)濟效益分析發(fā)現(xiàn)黑色地膜和普通無色地膜經(jīng)濟性和對作物生長產(chǎn)量提高方面均優(yōu)于灰黑雙色地膜，可作為新型地膜逐漸推廣。關于地膜覆蓋的研究非常多，并且在果樹方面的應用也已成熟，但是不同顏色地膜的保水效果保溫效果研究較少。【本研究切入點】本研究選擇陜北山地為研究對象，運用土壤水分遙感監(jiān)測技術[30-31]，研究不同地膜覆蓋下的土壤溫度和水分變化規(guī)律?！緮M解決的關鍵問題】探討不同覆膜方式對當?shù)赝寥赖谋Ｋ匦Ч矠楫數(shù)貤椓滞寥浪指蓪拥幕謴吞峁├碚撘罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2015年7月至2016年7月在陜西省榆林市米脂縣遠志山西北農(nóng)林科技大學紅棗節(jié)水研究基地(37°40′～38°06′N, 100°15′～110°16′E)進行，該地區(qū)屬于典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，平均海拔960 m，為中溫帶半干旱氣候，年內平均溫度 8.8 ℃，日照時數(shù)2372.7 h，無霜期165 d，根據(jù)米脂縣多年氣象資料，本地區(qū)年平均降雨量451.6 mm，降水集中在7-9月份，年最大降雨量704.8 mm，最小降雨量 186.1 mm。研究區(qū)土壤為黃綿土，土質均一，滲透性良好，為粉質壤土，1 m內土壤平均容重為1.29～1.31 g/cm3，土壤具體物理指標見表1。

1.2 試驗布設與指標測定

1.2.1 試驗布設 在棗林水平階選擇面積較大裸地，設置白膜覆蓋和黑膜覆蓋2種覆蓋方式，薄膜為雙層覆蓋0.015 mm的無色透明塑料膜和黑色牛毛氈，上下膜間距為15 cm，薄膜上設有若干不對稱直徑約2～3 mm的小孔以便雨水進入，薄膜根據(jù)破損情況定期更換，大約每年更換3～4次，以旁邊裸地作為對照，共3個處理，每個處理3個重復，9個小區(qū)隨機排列，在整個試驗地周邊挖1 m的深槽，槽內埋設厚塑料布使試驗小區(qū)與周邊土壤隔離，防止周邊土壤水分對試驗小區(qū)產(chǎn)生影響，試驗具體布設見圖1。

表1 試驗地土壤主要理化性質Table 1 Main soil physicochemical property of testing ground

圖1 田間試驗布設Fig.1 Field experimental layout

1.2.2 氣象資料獲取 距離試驗地100 m處設有小型自動氣象站(BLJW-4)，用于測定試驗地的降雨(mm)、氣溫(℃)、凈輻射(w/m2)、相對濕度(RH， %)、風速(m/s)等。數(shù)據(jù)采集器每30 min采集1次數(shù)據(jù)。

1.2.3 土壤溫度、水分測定 在每個試驗小區(qū)距離地表5、15、40、75、100、125、150 cm處各埋設由美國Decagon公司生產(chǎn)的GS3土壤水分傳感器，用于實時監(jiān)測各點土壤溫度(T， ℃)和含水量(θ，cm3/cm3)，如圖1。利用Em50數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測步長為30 min。

1.3 指標計算

土壤含水率計算：

(1)

式中：C——土壤含水率， %；θ——土壤體積含水量，cm3/cm3；ρ——土壤密度，g/cm3。

土壤儲水量計算：

W=10Hθ

(2)

式中：W——土壤儲水量，mm；H——土層深度，cm；θ——土壤體積含水量，cm3/cm3。

土壤儲水量變化量計算：

△W=Wt-W0

(3)

式中：Wt——計算時段末土壤儲水量，mm；W0——土壤初始儲水量，mm。

變異系數(shù)和標準差的計算公式：

(4)

(5)

土壤水分相對虧缺量(deficit soil water storage，DSWS)[32]：

(6)

式中：SWScpi為對照地第i土層土壤儲水量(mm)；SWSi為樣地第i土層土壤儲水量(mm)。

2 結果與分析

2.1 氣象資料分析

從圖2可以看出，試驗地氣溫和降雨年內變化較大，降雨集中在5-11月，降雨總量為359.8 mm，為全年降雨總量的89.7 %，最大降雨量出現(xiàn)在9月份，為89.2 mm；平均氣溫年內波動較大，最高溫度出現(xiàn)在7月上旬，為35.6 ℃，最低溫度出現(xiàn)在1月下旬，為-8.9 ℃；相對濕度全年波動較大，只在12月至次年3月表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的較低值，因為此時段為本地區(qū)凍土時間段，蒸發(fā)較少，且同時期降雨較少，空氣干燥，因此環(huán)境相對濕度也比較低。

2.2 不同覆膜條件下土壤溫度和水分時變化

選擇2017年8月典型晴天數(shù)據(jù)繪制不同覆膜條件下150 cm土層土壤平均溫度和水分時變化。從圖3可以看出，氣溫在一天中的變化趨勢為拋物線，最低溫度出現(xiàn)在早晨6：00，為16 ℃，最高溫度出現(xiàn)在11：30，為32.3 ℃。圖3(a)中，土壤溫度在一天中的變化趨勢也為拋物線，但是變化幅度較氣溫小，并且明顯滯后于氣溫。其中土壤最低溫度出現(xiàn)在8：00，白膜、黑膜的最低溫度分別為24.4和24.8 ℃，分別高出裸地1.3和1.7 ℃；土壤最高溫度出現(xiàn)在16：00，白膜、黑膜和裸地土壤最高溫度分別為28.8、27.6和28.32 ℃，可見裸地白天溫度高于黑膜，夜晚最小。日土壤溫度變化顯示，在12：30前，黑膜覆蓋土壤溫度較高，而12：30后白膜覆蓋土壤溫度較高。說明土壤溫度變化主要受氣溫變化的影響，在輻射大氣溫高時，白膜覆蓋因為透光性好因此保溫效果最好。從圖3(b)可以看出，相比于土壤溫度，土壤水分一天中的變化較小，基本保持不變，其中白膜覆蓋的土壤水分最高，為12.5 %，黑膜覆蓋土壤水分和裸地對照基本無差異，說明覆膜可以提高土壤含水率，抑制蒸發(fā)，其中白膜覆蓋比黑膜覆蓋效果好。

圖2 氣象資料分析Fig.2 Analysis of meteorological data

2.3 不同覆膜條件下不同深度土壤溫度和水分時變化

從圖4可以看出，各處理不同深度土壤溫度對氣溫響應程度不同，5 cm深度土層土壤溫度日變化最劇烈并且和氣溫變化趨勢相同，呈單峰曲線，但最低溫度和最高溫度出現(xiàn)時間均滯后于氣溫，其中白膜覆蓋5 cm土層土壤溫度峰值最高，為46.2 ℃，而裸地5 cm土層土壤溫度峰值最低，為36.6 ℃?？梢姼魈幚? cm土層土壤溫度均明顯高于氣溫，并且土壤保溫效果白膜>黑膜>裸地。各處理15 cm土層土壤溫度日變化相對淺層土壤較小，呈“淺V型”，這主要是由于熱量沿土層深度傳導的滯后性導致的。各處理75 cm以下土層土壤溫度在一天中基本不變，并且隨著土層深度的增加土壤溫度逐漸降低。氣溫對土壤溫度的影響范圍為15 cm，白膜覆蓋對淺層土壤保溫效果更好。

從圖5可看出，各處理土壤溫度隨土壤深度增加而逐漸降低，其中白膜15 cm以上土層土壤溫度最高，這主要是因為白膜透光性強，吸收的太陽輻射多。15 cm以下土層2種薄膜覆蓋差異不大，但是均高于裸地，可見覆膜可以顯著增加表層土壤溫度，達到保溫的效果。

圖3 不同覆膜條件下土壤溫度和水分時變化Fig.3 Soil temperature and moisture changes in a day time with different mulching

圖4 不同覆膜條件下不同深度土壤溫度時變化Fig.4 Soil temperature changes of different depths in a day under different mulching

從圖6可以看出，薄膜覆蓋5 cm土層土壤水分時變化為單峰曲線，和土壤溫度變化趨勢相同，黑膜和白膜覆蓋土壤含水率最大值分別為7.6 %和9.6 %；而裸地5 cm土層土壤水分在一天中基本不變。各處理15 cm以下土層土壤含水率在一天中保持不變。就150 cm土層而言，白膜和黑膜覆蓋土壤含水率分別為487.11、452.79 mm，裸地則相應減少75.69 和41.37 mm。

圖5 不同覆膜條件下土壤溫度垂直變化Fig.5 Vertical change of soil temperature under different mulching

圖6 不同覆膜條件下不同深度土壤水分時變化Fig.6 Soil moisture changes of different depths in a day under different mulching

從圖7得知，在垂直方向，125 cm土層以上各處理土壤含水率隨深度變化明顯，而125 cm以下土壤含水率基本保持不變。土壤水分總體來說：白膜>黑膜>裸地，其中白膜和黑膜15 cm土層土壤含水率最高，分別為17.33 %和15.96 %，15 cm以下土層土壤含水率逐漸降低，而裸地土壤含水率隨深度不斷增加，究其原因，主要是因為8月為當?shù)貤棙渖?，氣溫高，蒸發(fā)強烈，裸地無覆蓋因此表層土壤蒸發(fā)劇烈，表層土壤含水率低；薄膜覆蓋因為有薄膜的阻隔，土壤蒸發(fā)微弱，而淺層土壤又經(jīng)常得到降雨的補給，因此含水率較深層土壤高。

圖7 不同覆膜條件下土壤含水率垂直變化Fig.7 Vertical change of soil moisture under different mulching

圖8 不同覆膜措施下不同深度土壤溫度全年變化Fig.8 Soil temperature changes of different depths in a year under different mulching

2.4 不同覆膜條件下土壤溫度、水分年內變化

從圖8可以看出，白膜、黑膜和裸地不同深度土壤溫度全年變化規(guī)律和氣溫相同，為“深V型”。各處理75 cm以上土層土壤溫度日變幅較大，其中5 cm土層土壤溫度日變化最大，這主要是受氣溫的影響。裸地5 cm土層土壤最高溫度為53.5 ℃，出現(xiàn)在7月14日，而黑膜和白膜覆蓋5 cm土層土壤最高溫度分別為46.3和48.2 ℃，均出現(xiàn)在7月26日，白膜覆蓋表層土壤增溫效果較黑膜顯著。在冬季，裸地、黑膜和白膜覆蓋5 cm土層土壤最低溫度均出現(xiàn)在1月25日，分別為-10.3、-5.7和-7.3 ℃，各處理15 cm土層相對于5 cm土層而言，日變幅較小，并且相互之間差異不顯著。綜合圖7，薄膜覆蓋對表層土壤溫度的影響表現(xiàn)為“雙重”效果，在冬季，覆膜表層土壤保溫效果好，而黑膜的保溫效果較白膜好；夏季覆膜表層土壤溫度降低，且土壤最高溫度的出現(xiàn)時間滯后于氣溫，說明覆膜可以減小表層土壤的全年溫差，且黑膜夏季降溫、冬季保溫效果最好。

從圖9可以看出，各處理各層土壤含水率全年變化規(guī)律基本一致，但是變幅不一致，說明不同土層受降雨影響程度不一樣。結合降雨資料發(fā)現(xiàn)，裸地75 cm土層內土壤含水率受降雨影響較大，土壤含水率全年波動較大；而覆膜后只有15 cm土層土壤含水率全年波動較大，并且和降雨的分布規(guī)律是一致的，說明降雨對裸地的表層土壤水分影響更大。由表2～3看出，就150 cm土層全年均值而言，白膜土壤含水率最高，為14.13 %，比裸地高1.43 %，說明白膜覆蓋保水效果較好；比較不同覆蓋不同層土壤含水率均值看出，裸地125 cm土層土壤含水率最高；白膜覆蓋15 m土層土壤含水率最高而黑膜覆蓋75 cm土層土壤含水率最高。說明裸地、白膜和黑膜降雨入滲補給深度分別為125、15和75 cm，薄膜覆蓋對降雨的入滲有一定的阻礙作用。近一步分析各覆蓋措施蒸發(fā)影響層深度發(fā)現(xiàn)，在2015年12月至2016年2月，為當?shù)囟?，降雨較少，土壤水分損失基本上只有蒸發(fā)，裸地的蒸發(fā)影響深度為100 cm，而覆膜后蒸發(fā)影響深度為75 cm，說明覆膜可以抑制蒸發(fā)，減小蒸發(fā)影響深度。表3顯示，125 cm深度以下土層土壤含水率差異性極不顯著(P>0.01)，黑膜和白膜覆蓋125 cm以上土層各層土壤含水率之間差異顯著(P<0.05)，可見覆膜對土壤含水率垂直分布影響顯著。

圖9 不同覆膜措施不同深度土壤水分全年變化Fig.9 Soil moisture changes of different depths in a year under different mulching

表2 不同覆蓋措施土壤含水量特征值Table 2 Characteristic values of soil moisture with different mulching

表3 不同覆蓋措施土壤含水量差異性檢驗Table 3 Differences test of soil moisture with different mulching

注：采用單因素方差分析的LSD多重比較，同一行中標有不同大寫、小寫字母者表示組間差異極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)；標有相同大寫、小寫字母者表示組間差異極不顯著(P>0.01)和不顯著(P>0.05)。
Note: Single factor analysis of variance LSD multiple comparison, the same line marked with different uppercase and lowercase letters indicated that the differences between the groups was extremely significant (P<0.01) and significant (P<0.05); The data marked with the same uppercase and lowercase letters expressed that the difference between groups was not significant (P> 0.01) and was not significant (P> 0.05).

2.5 不同覆膜條件下土壤儲水量

從表4可以看出，采用白色覆膜后，各月150 cm土層土壤儲水量均高于裸地。12月至次年2月為當?shù)刂参镄菝咂?，已有研究表明，休眠期也是土壤水分損失的關鍵時期[19]。在休眠期，各處理150 mm土層土壤儲水量逐月減小，表現(xiàn)為消耗型，裸地、白膜和黑膜覆蓋的土壤水分消耗量分別為93.8、74.1和69.2 mm，覆膜可以減少休眠期土壤水分消耗。

為了量化分析不同覆膜對土壤水分的恢復情況，計算2種覆膜措施的土壤水分相對虧缺量，結果顯示：和裸地相比，白膜覆蓋150 cm土層全年土壤蓄積效果明顯，土壤儲水量增加358.2 mm，其中休眠期土壤儲水量增加92.4 mm。可見覆膜在休眠期可以抑制蒸發(fā)，其中白膜的土壤水分修復效果較黑膜好。

表4 不同覆蓋措施淺層土壤儲水量月變化和DSWSTable 4 Soil water monthly changes and deficit soil water storage with different mulching (mm)

3 討 論

土壤溫度對于作物的萌芽、生長具有非常重要的意義，也是環(huán)境因素中的主導因素，土壤溫度梯度也直接影響土壤水勢梯度，造成水分的垂直運移[19]。適宜的低溫會促進土壤養(yǎng)分分解和有機質礦化，有利于植物根系的生長發(fā)育，增強其吸水抗旱能力，間接起到保水的作用。而地膜覆蓋有明顯的增溫效應，這主要是由于覆膜后，隔斷了土壤與外界的空氣流通，減少了土壤的熱量散失，同時地膜下面的水滴能阻斷地面熱量散失，從而使土壤升溫[10]。不同顏色地膜的土壤增溫效果不同，這主要是由于不同顏色地膜，其透熱率和透光率均不同，對土壤環(huán)境的調控作用也不一樣，研究發(fā)現(xiàn)，地膜顏色越淺，其透光性越好，有溫室效應，可以提高摸下土壤溫度，因此增溫效果越好[29]。本試驗對比黑色覆膜和白色覆膜不同深度土壤溫度變化發(fā)現(xiàn)，不論是時尺度還是日尺度上，白膜表層土壤增溫效果均較黑膜覆蓋好，這和前人的研究結果是一致的。然而前人關于土壤溫度的研究多以日為尺度，并且缺乏連續(xù)性，本試驗研究以時和日為尺度，研究不同覆膜土壤溫度的連續(xù)變化，能在不同尺度上更好的闡述土壤溫度的變化情況，并且本試驗以不同土層為研究對象，能更好的揭示土壤溫度的垂直變化規(guī)律。

黃土高原地區(qū)由于“低降水，高蒸發(fā)”，使得水資源更加匱乏，植被建設是基本的生態(tài)建設措施[6]，然而不同的植被種植使得該地區(qū)深層土壤水分過度消耗，表現(xiàn)出不同程度的水分虧缺，形成永久性干層[32]。由于當?shù)氐叵滤裆钶^大，降雨成為土壤水分的唯一來源，而土壤入滲量和入滲速率受土壤下墊面條件和雨強等的影響較大，同等條件下，雨強越大，土壤累積入滲量和入滲速率也越大[8]。然而，即使是大雨(降雨33.6 mm)，8 d之后也只有1.2 m內土壤含水量增量明顯，1.4 m以下沒有變化[9]。土壤水分損失主要發(fā)生在2 m土層內，覆蓋措施可以明顯提高土壤含水量，也可以促進土壤水分向深層運移[19]。覆蓋措施中，尤以地膜覆蓋效果最佳[16-17]，地膜覆蓋尤其對50 cm土層內的土壤含水率提高最為明顯[21]，而雙膜覆蓋較單膜覆蓋效果更好[13]。本試驗分析裸地的降雨入滲特征發(fā)現(xiàn)，裸地蒸發(fā)影響深度在100 cm，而降雨入滲補給深度為125 mm，這和前人的研究結果基本一致。2種顏色地膜不同土層土壤含水率時變化和日變化顯示，白膜覆蓋土壤保水效果更好。這和前人的研究結果不符，究其原因主要是因為前人是選擇3月下旬到4月中旬中的任意3 d數(shù)據(jù)求平均值，數(shù)據(jù)集中選擇在植物出苗期并且土壤深度選擇5～10 cm處，為表層土壤水分變化[29]。已有研究表明，土壤蒸發(fā)入滲影響層為0～200 cm[7]，因此研究覆膜長期保水效果僅僅局限在10 cm土層，并且只選擇一個時間段是遠遠不夠的。本試驗選擇連續(xù)一年時間段，數(shù)據(jù)連續(xù)性好，并且土層深度選擇0～150 cm，因此結果更具有實踐價值。

4 結 論

(1)時尺度上，土壤溫度在一天中的變化為拋物線，比氣溫變幅小，且滯后于氣溫。白膜、黑膜的最低溫度出現(xiàn)在8: 00，最高溫度出現(xiàn)在16: 00，均高于裸地，其中白膜最高，為28.8 ℃。裸地白天溫度大于黑膜而夜晚最低。土壤水分一天中的變化較小，白膜覆蓋的土壤水分最高，為12.5 %，黑膜覆蓋土壤水分和裸地無差異。

(2)不同深度土壤溫度對氣溫響應程度不同，5 cm土層土壤溫度日變化最劇烈且呈單峰曲線，土壤保溫效果白膜>黑膜>裸地；15 cm土層土壤溫度日變化較小，呈“淺V型”；75 cm以下土層土壤溫度在一天中不變且隨土層深度增加而降低。就150 cm土層而言，白膜和黑膜覆蓋土壤含水率分別為487.11、452.79 mm，裸地則減少75.69和41.37 mm。垂直方向，各處理土壤溫度隨深度增加，白膜表層溫度最高；125 cm以上土壤含水率隨深度變化明顯，白膜覆蓋淺層保水效果最好。

(3)白膜、黑膜和裸地不同深度土壤溫度全年變化規(guī)律和氣溫相同，為“深V型”。各處理75cm以上土層土壤溫度日變幅較大且5 cm土層變化最大，白膜覆蓋表層土壤增溫效果較黑膜顯著。覆膜可以減小表層土壤的全年溫差，且黑膜夏季降溫、冬季保溫效果最好。

(4)各層土壤含水率全年變化規(guī)律一致，但變幅不同。降雨對裸地和覆膜的影響深度為75和15 cm。就150 cm土層全年均值而言，白膜土壤含水率最高，為14.13 %，保水效果最好；裸地、白膜和黑膜降雨入滲補給深度分別為125、15 和75 cm，薄膜覆蓋對降雨的入滲有一定的阻礙作用；裸地的蒸發(fā)影響深度為100 cm，而覆膜后蒸發(fā)影響深度為75 cm，覆膜可以抑制蒸發(fā)。

(5)采用白色覆膜后各月土壤儲水量均高于裸地。休眠期，各處理土壤儲水量逐月減小，表現(xiàn)為消耗型，裸地、白膜和黑膜覆蓋的土壤水分消耗量分別為93.8、74.1和69.2 mm，覆膜可以減少休眠期土壤水分消耗；和裸地相比，白膜覆蓋150 cm土層全年土壤蓄積效果明顯，土壤儲水量增加358.2 mm，白膜土壤水分修復效果較黑膜好。