馬己安，馮克鵬,2,3，李王成,2,3，李于坤，高海燕，李 晨，郝 璐

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點實驗室，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

0 引 言

寧夏中部降水少，蒸發(fā)強烈，是典型的干旱地區(qū)。強烈蒸發(fā)引起的水資源短缺是制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素，為解決干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展中面臨的水資源短缺問題，人們進行了各種各樣的嘗試[1,2]，壓砂地種植就是當(dāng)?shù)厝嗣裨陂L期實踐中探索出來的一種有效的種植方法，其特有的保水保墑能力為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)帶來了可觀的收益[3-7]。在對壓砂地和裸地的差異性研究過程中，王興[8]、劉學(xué)智[9]通過設(shè)置不同砂土混合比例條件下的壓砂地和裸地作對比，分析了壓砂地和裸地在蒸發(fā)過程中存在的差異，關(guān)紅杰[10]從砂層厚度、粒徑組成的角度對壓砂地和裸地蒸發(fā)做了對比分析，劉謙和[11]在對壓砂地的純干燥過程研究中發(fā)現(xiàn)壓砂地具有一定的保溫作用。在對壓砂地進行探索的過程中，仍有諸多地方值得研究，本文擬以室外模擬降雨試驗為基礎(chǔ)，對蒸發(fā)過程中壓砂地和裸地土壤溫度、水分變化過程進行分析，同時設(shè)置對照組，對自然條件下壓砂地和裸地溫度變化進行對比，研究壓砂地和裸地的差異，分析結(jié)果可為壓砂地農(nóng)業(yè)水資源管理制度的確立提供參考。

1 資料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)紅圈子村，地處寧夏中部干旱帶，東鄰中寧縣，南與同心縣、海原縣及甘肅省靖遠縣交匯，西接甘肅省景泰縣，北鄰內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗。實驗區(qū)深居內(nèi)陸，遠離海洋，屬半干旱氣候，風(fēng)大沙多，干旱少雨。年均降水量不足200 mm，蒸發(fā)量接近2 000 mm，降水主要集中在6-8月，地下水位埋深較深，是典型的干旱地區(qū)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年8月進行，選取試驗區(qū)內(nèi)場地平整、無植被覆蓋的2 m×2 m裸地和壓砂地各一塊，進行模擬降雨試驗，四周壅高土層，防止水分流失。分析近50年試驗區(qū)豐、平、枯水年型降雨資料，5～10 mm降雨總量占全年總降雨量比例分別為：39.86%、47.7%、36.7%，考慮到該地區(qū)蒸發(fā)強烈，小降雨量條件下水分損失速率較快，故設(shè)置模擬降雨量為10 mm。模擬降雨采用自制的模擬降雨器進行(模擬降雨器由水箱、水管和噴頭組成)，試驗開始前用1 000和100 mL量筒量取模擬降雨所需水量裝于水箱中，通過噴頭均勻噴灑至試驗區(qū)地面，噴頭距地面保持一定高度。同時在試驗場地附近選取場地平整，無植被覆蓋的壓砂地和裸地埋設(shè)溫度計，不進行處理，作為溫度觀測對照組，每日觀測不同土層溫度。

1.3 測定項目

(1)地溫：采用曲管酒精地溫計測量地下5、10、15、20、25、30、50 cm處地溫，地溫計精度為0.5 ℃，每日8∶00、12∶00、18∶00測量溫度。

(2)含水率：土鉆取土，烘干法測量土壤含水率，取土深度分別為5、10、15、20、25、30、40、50 cm，每日20∶00取土，文中含水率為質(zhì)量含水率。

(3)降雨量：試驗基地氣象站自動監(jiān)測，試驗期間無自然降雨。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓砂地與裸地土壤溫度變化差異性分析

通過觀察10 mm模擬降雨量條件下和自然條件下(無降雨)對照組壓砂地、裸地的溫度變化，采用變異系數(shù)和皮爾遜相關(guān)性分析各土層溫度的變化特征[12]，對比分析壓砂地、裸地之間的差異。變異系數(shù)CV可以用來描述變量的變異性大小，一般認為：變異系數(shù)CV≤0.1時為弱變異性；0.1

(1)

式中：CV為變異系數(shù)；SD為該組數(shù)據(jù)的標準差；MN為該組數(shù)據(jù)的平均值。

(1)自然無降雨條件下對照組土壤溫度差異性分析。自然無降雨條件下壓砂地和裸地各土層溫度之間的相關(guān)性存在差異，但其總體表現(xiàn)為相鄰?fù)翆又g相關(guān)性最好，且其相關(guān)性隨各土層之間的距離成正比，距離越近相關(guān)性越強，反之相關(guān)性越弱(見表1)。該分析結(jié)果表明，各土層與相鄰?fù)翆又g的熱量交換關(guān)系緊密，由于溫度勢差的存在，某一土層不但會接收上一土層所傳遞的來自太陽輻射產(chǎn)生的熱量，還會將該熱量繼續(xù)傳遞到下一土層；反之，當(dāng)外界溫度降低時，土壤會接收來鄰近土層傳遞的熱量，并傳遞給上一土層，因此相鄰?fù)翆又g相關(guān)性顯著。

表1 自然無降雨條件下各土層溫度皮爾遜相關(guān)性統(tǒng)計值

注：**表示在 0.01 級別，相關(guān)性顯著；*表示在 0.05 級別，相關(guān)性顯著，下同。

表2中累日平均值為觀測期間各土層溫度的平均值，自然無降雨條件下，壓砂地各土層溫度平均值大于裸地，說明壓砂地具有保溫作用。對比每日觀測的溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，自然無降雨條件下壓砂地各土層溫度比裸地高0.5～4.5 ℃(見圖1，以5 cm處溫度為例)，其增溫效果隨著土層深度的增加而減小。壓砂地和裸地各土層地溫的變異系數(shù)和方差隨著土層深度的增加而減小，說明隨著土壤深度的增加，土壤溫度環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定，地溫變化幅度逐漸減小。

表2 自然無降雨條件下各土層溫度變化統(tǒng)計特征值

圖1 自然無降雨條件下壓砂地和裸地5 cm處溫度日變化規(guī)律

(2)10 mm模擬降雨量條件下土壤溫度差異性分析。分析結(jié)果(見表3)表明10 mm降雨條件下壓砂地與裸地各土層溫度之間的相關(guān)性依然呈現(xiàn)與自然無降雨條件下相同的規(guī)律。

壓砂地和裸地各土層溫度的變化特征分析結(jié)果(見表4)表明，各土層溫度的CV值均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而減小的趨勢。壓砂地除15、20 cm處土壤溫度方差值略大于裸地外，其余土層均小于裸地；同時，壓砂地除20 cm處溫度變異系數(shù)略大于裸地外，其余土層均大于或等于裸地，表明裸地在蒸發(fā)過程中各土層溫度變化幅度比壓砂地大。通過對比壓砂地和裸地各土層溫度發(fā)現(xiàn)，模擬10 mm降雨條件下，壓砂地除5 cm處土壤溫度小于裸地0.5～4.0 ℃外(見圖2)，其余土層溫度均大于裸地，10～50 cm各土層溫度增幅為0.5～3.5 ℃(見圖3，以10 cm處溫度變化為例)。

2.2 壓砂地與裸地土壤含水率變化差異性分析

由表5可知，模擬10 mm降雨條件下，壓砂地0～25 cm各土層含水率均與相鄰?fù)翆映曙@著相關(guān)，25～30 cm土層含水率僅與上層土壤呈顯著相關(guān)，其余土層均未表現(xiàn)出這一規(guī)律；裸地0～15 cm各土層含水率均與相鄰?fù)翆映曙@著相關(guān)，15～20 cm土層含水率僅與上層土壤呈顯著相關(guān)，其余土層與相鄰?fù)翆酉嚓P(guān)性不高。水分經(jīng)由土壤表層依次入滲，蒸發(fā)過程中，各層土壤水分依次上移，故水分變化活躍的土層之間呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，而10 mm的降雨量未能影響到深層土壤，且由于測量過程中存在一定誤差，深層土壤在此次實驗中并未表現(xiàn)出較高的相關(guān)性，但不能依此斷定深層土壤含水率與其相鄰?fù)翆又g不相關(guān)。

表3 模擬10 mm降雨條件下各土層溫度皮爾遜相關(guān)性統(tǒng)計值

表4 模擬10 mm降雨條件下各土層溫度變化統(tǒng)計特征值

圖2 10 mm降雨條件下壓砂地與裸地5 cm處溫度日變化規(guī)律

圖3 10 mm降雨條件下壓砂地與裸地10 cm處溫度日變化規(guī)律

表5 模擬10 mm降雨條件下各土層含水率皮爾遜相關(guān)性統(tǒng)計值

表6中最小值為土壤的初始含水率，最大值為第一日結(jié)束后土壤含水率，變化區(qū)間值為第一日結(jié)束后含水率與初始含水率之差，在含水率變化幅度較大的0～15 cm土層，區(qū)間值越大說明第一日結(jié)束時土壤中水分存留越多，蒸發(fā)越弱，0～15 cm土層中壓砂地含水率變化區(qū)間值顯著大于裸地，說明裸地蒸發(fā)速率大于壓砂地。各土層含水率變異系數(shù)存在差異，但其總體均未出現(xiàn)強變異性，表層土壤(0～15 cm)呈現(xiàn)為中等變異性，其余土層均為弱變異性，結(jié)合方差值和變異系數(shù)來看，0～15 cm土層土壤對蒸發(fā)響應(yīng)較為強烈，其余土層變化微弱，說明10 mm模擬降雨量對15 cm以下土壤影響較小。

壓砂地和裸地在蒸發(fā)過程中土壤含水率變化如圖4和圖5所示，可以看出，壓砂地和裸地含水率變化幅度較大的均為0～15 cm土層，隨著土壤蒸發(fā)過程的進行，各土層含水率逐漸減小至初始含水率，深層土壤含水率圍繞初始含水率呈現(xiàn)出幅度較小的波動。其中，壓砂地蒸發(fā)速率緩慢，水分可以充分入滲，在第一日出現(xiàn)了5～15 cm土層含水率高于20～50 cm土層含水率、在第三日出現(xiàn)了10～15 cm土層含水率高于15～50 cm土層含水率的現(xiàn)象，隨著蒸發(fā)過程的進行，其余時段各土層含水率隨著土壤深度的增加而增加，裸地蒸發(fā)速率較快，并未出現(xiàn)這種情況。

表6 壓砂地、裸地水分變化統(tǒng)計特征值

圖4 壓砂地含水率日變化規(guī)律

圖5 裸地含水率日變化規(guī)律

2.3 壓砂地與裸地中地溫-含水率相關(guān)性分析

土壤水分的散失會帶走一定的熱量，從而影響土壤溫度，土壤溫度變化和水分變化之間存在一定的相關(guān)性。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分析了10 mm降水量條件下壓砂地和裸地不同土層溫度和含水率變化之間的相關(guān)性(見表7)，結(jié)果顯示，除壓砂地15～20、25～30 cm土層和裸地25～30 cm土層含水率與部分土層溫度呈低水平正相關(guān)外，其余土層含水率均與溫度之間呈現(xiàn)出程度不等的負相關(guān)。含水率高時在蒸發(fā)過程中會增加土壤的潛熱交換量，從而降低土壤溫度，減小各土層升溫效果，故土層含水率與溫度之間呈現(xiàn)負相關(guān)，而隨著土壤深度的增加，土壤環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定，兩者之間的相關(guān)性逐漸減小。其中，壓砂地5～10 cm土層土壤含水率與10、15 cm處溫度、30～40 cm土層土壤含水率與10～50 cm各土層溫度達到了顯著性水平，裸地0～5 cm土層含水率與15 cm處溫度相關(guān)性達到了顯著水平。

表7 壓砂地和裸地各土層溫度和含水率皮爾遜相關(guān)性統(tǒng)計值

從能量平衡角度來看，土壤水分變化是影響潛熱交換的主要因素，水分散失會帶走熱量，從而降低土壤溫度，土壤溫度變化和水分變化之間存在一定的聯(lián)系。水分觀測是農(nóng)田水分管理的重要依據(jù)，但土壤水分數(shù)據(jù)的獲取操作困難，且會破壞土體結(jié)構(gòu)，而農(nóng)田土壤溫度的觀測對土體結(jié)構(gòu)破壞較小，簡單易行，建立溫度和水分之間的定量關(guān)系，有助于了解土壤墑情，對農(nóng)田水分管理有重要意義。

在分析裸地溫度和水分變化關(guān)系時，由于僅0～5 cm土層含水率和15 cm處溫度達到統(tǒng)計學(xué)顯著水平，故對其進行回歸分析，得到關(guān)系式為：

(2)

式中：B表示裸地；yB1為裸地0～5 cm土層含水率；xB3為裸地15 cm處土壤溫度。

同樣，由于壓砂地5～10 cm土層含水率和10 cm、15 cm處土壤溫度達到了統(tǒng)計學(xué)顯著水平，故對其進行回歸分析，建立方程為：

yG2=-0.565xG2-0.241xG3+34.147 (R2=0.93)

(3)

式中：G表示壓砂地；yG2為壓砂地5～10 cm土層含水率；xG2為壓砂地10 cm處土壤溫度；xG3為壓砂地15 cm處土壤溫度。

雖然壓砂地30～40 cm土層含水率與10～50 cm土層溫度達到了統(tǒng)計學(xué)顯著水平，但在回歸分析中，15、20以及30 cm土層溫度未通過篩選，剔除此3個變量，最終建立方程為：

yG7=-0.03xG2-0.167xG5+0.231xG7+12.233

(R2=0.99)

(4)

式中：yG7為壓砂地30～40 cm土層含水率；xG2為壓砂地10 cm處土壤溫度；xG5為壓砂地25 cm處土壤溫度；xG7為壓砂地50 cm處土壤溫度。

3 討 論

在對壓砂地和裸地溫度變化規(guī)律進行觀察時我們發(fā)現(xiàn)壓砂地具有保溫作用，這一結(jié)果與劉謙和在蘭州進行的結(jié)論一致。劉謙和以不同粒徑和不同砂層厚度為變量進行土壤的純干燥過程研究，本文僅設(shè)置了一個粒徑和一個砂層厚度，在分析壓砂地保溫機理的角度上有所欠缺。

在對壓砂地、裸地蒸發(fā)過程中水分變化的研究中我們發(fā)現(xiàn)，除上層水分變化比較活躍的土層含水率與相鄰?fù)翆映曙@著相關(guān)關(guān)系外，其余土層均未表現(xiàn)出較高的相關(guān)性。張建兵[13]在研究葵花田灌溉后水分變化規(guī)律時發(fā)現(xiàn)0～100 cm土層(每20 cm一層)各土層之間含水率相關(guān)性較高，因其灌水量為3 000 m3/hm2，灌水量大，水分可以充分入滲，而本實驗?zāi)M降雨量較小，水分入滲只出現(xiàn)在土壤上層，加之實驗區(qū)地下水位較深，蒸發(fā)過程中幾乎無地下水補給，因此下層土壤含水率變化較小，又因為測量過程中存在一定誤差，故得出此結(jié)論。今后在研究土壤水分變化的過程中，應(yīng)將降水量納入考慮范圍。

在對壓砂地和裸地的土壤溫度水分相互關(guān)系進行分析對比時，受限于當(dāng)?shù)貙嶒灄l件，建立的函數(shù)關(guān)系只能作以參考。

4 結(jié) 語

(1)自然無降雨條件下，壓砂地各土層溫度比裸地高0.5～4.5 ℃，模擬10 mm降雨處理條件下，壓砂地5 cm處土壤溫度低于裸地0.5～4.0 ℃，10～50 cm土層壓砂地土壤溫度比裸地高0.5～3.5 ℃。

(2)結(jié)合土壤蒸發(fā)過程中各土層含水率變化的方差值和變異系數(shù)分析，10 mm模擬降雨條件下，壓砂地和裸地0～15 cm處土壤含水率變化幅度較大，15～50 cm處含水率變化幅度較小，裸地蒸發(fā)速率大于壓砂地。

(3)無地下水補給，室外模擬10 mm降雨量處理條件下的蒸發(fā)過程中，裸地0～5 cm土層土壤含水率與15 cm處溫度相關(guān)性達到了顯著水平，壓砂地5～10 cm土層含水率與10、15 cm處溫度相關(guān)性達到了顯著水平，30～40 cm土層土壤含水率與10～50 cm各土層溫度相關(guān)性均達到了顯著性水平，依此建立的土壤水分-溫度函數(shù)關(guān)系可對當(dāng)?shù)剞r(nóng)田水分管理提供參考。