羅皓峰，楊啟良

(昆明理工大學農業(yè)與食品學院，云南 昆明 650500)

松針覆蓋處理是中藥材種植中常用的一種土壤保濕方式，與塑料薄膜覆蓋等手段相比，松針覆蓋層能為土壤提供良好的保溫和透氣效果，緩解天然降雨和灌溉對土壤表面的打擊能力，增加土壤入滲能力，減少土壤表面的蒸發(fā)損失，具有很好的保水、保肥效果[1–3]。松針覆蓋處理還能提高土壤的有機質含量，增強微生物活性[4–5]。此外，松針覆蓋處理能顯著減少坡地土壤的侵蝕量和徑流量[6]，具有保持坡地水土的作用。目前，針對松針覆蓋層的研究主要聚焦于松針覆蓋對樹木、藥材育苗效果等的對比試驗，較少有人關注松針覆蓋層作為土壤覆蓋物的保墑性能、作用機理等，松針覆蓋層的施用方法也僅僅停留在經驗層面。此外，現(xiàn)有的土壤水分模型不能夠完全模擬松針覆蓋層對土壤的影響。

MOURA 等[7]在熱帶氣象條件下研究了豆科秸稈覆蓋對土壤蒸發(fā)通量和玉米氮素吸收的影響，發(fā)現(xiàn)覆蓋處理降低了土壤滲透阻力，并且提高了玉米抽穗期的氮素吸收率。李艷等[8]提出了留茬覆蓋模式下的蒸發(fā)阻力和土面蒸發(fā)模型，并基于試驗數(shù)據確定了公式參數(shù)，結果表明，當秸稈覆蓋量小于0.05 g/cm2時，覆蓋層的蒸發(fā)阻力隨秸稈覆蓋量的增加而呈指數(shù)增長。但以上研究都沒有考慮水分在覆蓋層內部的運動。實際上，當水分通過覆蓋層時，部分水量會截留在覆蓋層內部，對松針覆蓋層而言，截留在覆蓋層內部的水分質量可達覆蓋層總質量的60%。KADER 等[9]利用HYDRUS–1D 模型，通過設置秸稈覆蓋層的水力參數(shù)和熱參數(shù)模擬了稻草覆蓋和裸土處理在日本中部岐阜縣的雨養(yǎng)大豆栽培中的水熱運移，證明了HYDRUS 模型能夠用于秸稈等有機覆蓋條件下土壤層和覆蓋層內部的水分動態(tài)模擬。

秸稈覆蓋物是一種典型的有機覆蓋物，松針覆蓋層和秸稈覆蓋層具有相似的物理結構和物質構成，松針覆蓋對土壤產生影響的研究可參考秸稈覆蓋的研究。本研究中，結合室內模擬試驗和HYDRUS–1D 軟件模擬，探索松針覆蓋條件下影響土壤蒸發(fā)量和土壤含水量的因素，并結合實際情況率定松針覆蓋層在van Genuchten-Mualem 模型下的水力參數(shù)，從而研究不同松針覆蓋量條件下的土壤在單次降水下的土壤水分動態(tài)，旨在為實現(xiàn)松針覆蓋農田的土壤水分動態(tài)的準確模擬和實時預測提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗用土樣按土壤質地國際標準分類為壤質黏土，風干后用2 mm 孔徑的篩子過篩，測量其殘余含水量為7.87%。填入有機玻璃管后擊實，其干密度為1.202 g/cm3。利用吸管法測得其土壤物理性質(表1)。

表1 試驗用土壤的物理性質Table 1 Physical properties of experimental soil

松針覆蓋層選用自然風干的云南松松針制備，通過20 次隨機抽樣測得松針的平均長度為13.22 cm。將松針均勻散落在篩子中，當篩子中的松針厚度達到比預定的厚度稍厚的程度后，使用平底的鎮(zhèn)子鎮(zhèn)壓幾次，壓實厚度約為原厚度的30%；隨后使用水管均勻澆水直至篩子中的松針濕透，瀝干水分后在通風處晾曬5 d，使覆蓋層徹底風干。此方法制得的松針覆蓋層在物理性質上與田間取樣獲得的松針覆蓋層較為接近[10]。用烘干法測得其殘余含水量為0.271%，干物質密度為0.617 g/cm3。

1.2 試驗裝置設計

模擬松針覆蓋條件下的一維土柱垂直入滲的試驗裝置如圖1 所示。垂直土柱的制作采用內徑81 mm，管長750 mm 的有機玻璃土柱管，底部設有網格，方便管內土壤中的空氣和水分排出。網格上方鋪有一層濾紙，以防止試驗土樣流失。管壁一側每隔50 mm 設有一個取樣孔，最底部的取樣孔距離有機玻璃管底部網格的距離為25 mm。將有機玻璃管從底部開始每隔50 mm 劃分為一層，以控制有機玻璃管內的土壤干密度。土壤填充高度為500 mm，高于該高度的取樣孔用塑料薄膜封死，以容納覆蓋層并防止灌水時產生的積水外流。每根土柱上方均懸掛有一盞200 W 白熾燈，為土柱上表面提供穩(wěn)定的熱能。為了使土壤表面所受的熱輻射量與太陽常數(shù)相等[11]，將燈絲與土柱頂端表面的距離設置為10.06 cm。

圖1 模擬松針覆蓋條件下的一維土柱垂直入滲試驗裝置Fig.1 One-dimensional s oil c olumn ve rtical infil tration sim ulated experiment device under pine needle mulch

1.3 試驗設計

室內試驗于2019 年11 月在昆明理工大學農業(yè)與食品學院實驗室內進行。為模擬不同覆蓋程度下一維土柱垂直入滲的過程，設置3 種松針覆蓋量處理，分別為0.29，0.58，0.87 g/cm2，記為F1、F2、F3；同時設置空白(裸土)對照組(F0)，共4 組模擬試驗。試驗裝置均置于實驗室內遮陰避風處，避免日光照射和風的影響。

試驗開始時，使用噴壺以恒定的速率均勻噴入200 mL 蒸餾水，隨后打開白熾燈。試驗共持續(xù)96 h，0～12 h(前期)，每隔1 h 將土柱整體放置于最小量程0.5 g 的臺秤上稱質量并記錄；>12～48 h，每隔2 h稱質量并記錄；>48～96 h，每隔4 h 稱質量并記錄?？紤]到試驗全程無底部滲水，每次稱質量測得的質量差值即為該時段內蒸發(fā)的水的質量。

試驗開始后，每隔24 h 從土柱側面設置的取樣孔取得土柱不同深度的土壤樣本，以監(jiān)測土柱不同深度下的含水量變化?？紤]到取樣會對取樣點附近的土壤性質產生影響，每次取樣的土壤均采集自土柱內結構較為完整的部分，且每次取樣的土壤控制在5～10 g。取出的土樣用烘箱在105 ℃下歷經12 h烘干，以準確測量土樣的含水量。每次取樣前后稱土柱質量，以消除取樣對質量平衡計算的影響。

為求解松針覆蓋層的水力特征參數(shù)，還需要對覆蓋層水分特性進行測試：使用4 個大孔不銹鋼土篩，高度10 cm，內部填滿風干的松針覆蓋層，用臺秤稱質量后將土篩堆疊組合為1 個40 cm 高的松針柱，松針柱頂部與大氣接觸，側面被土篩的框阻擋而與大氣隔絕，底部允許水分自由滲出；使用水管澆透松針柱，使其含水量達到飽和，分別稱量每個土篩的質量，即可計算出每個土篩內松針的平均含水量；隨后將松針柱放入容器中，讓松針柱自由蒸發(fā)/滲流10 h，每隔1 h 計算其蒸發(fā)量、滲流量和每個土篩的質量，并推算出土篩內松針的平均含水量，假定土篩內部松針的中心點的含水量等于平均含水量，即可得到松針柱內部的含水量變化序列。

2 模型的建立

2.1 基本假定

松針覆蓋處理對土壤的影響需要綜合考慮土壤的結構性狀、松針覆蓋層的熱能傳遞特性、覆蓋層對土壤表層大氣條件的影響等多種因素，針對松針覆蓋土壤水分運動的數(shù)值模擬十分復雜，必須對試驗的影響因素進行一定的簡化：①將松針覆蓋層視為具有穩(wěn)定性狀的均勻多孔導水介質，覆蓋層中的水分運動以垂向運動為主，故松針覆蓋條件下的土壤水分運動可作為垂向一維流問題進行模擬；②忽略土壤溫度變化對土壤水分運動的影響。

2.2 計算模型

運用HYDRUS–1D(4.16.0110)進行土壤水的入滲和蒸發(fā)模擬。松針覆蓋層中的含水量及蒸發(fā)量同樣納入計算范圍，以模擬松針覆蓋處理對土壤水動態(tài)的影響。非飽和條件下的土壤的水力函數(shù)用van Genuchten–Mualem 模型進行計算，具體公式參見HYDRUS–1D 軟件說明。

2.3 邊界條件與參數(shù)的率定

2.3.1 初始條件與邊界條件的確定

根據試驗情況設置一維蒸發(fā)入滲模型的邊界條件。上邊界條件設置為表層大氣邊界條件，允許水積聚在表面上，地表水層高度受沉積、滲透和蒸發(fā)的影響而變化。土壤表面的最大水頭高度設置為10 cm。下邊界條件設置為自由滲流條件，允許土壤自由水通過下邊界。土壤和覆蓋層的初始含水量均由試驗測量獲得；潛在蒸發(fā)量則由相同條件下的水面時段蒸發(fā)量推求。

2.3.2 參數(shù)率定

土壤水力參數(shù)的確定：首先運用軟件內置的Rosetta 工具，采用土壤顆粒組成和容重參數(shù)計算模型的土壤水力參數(shù)，并結合模擬結果對參數(shù)進行微調，最終根據精度較高的結果確定試驗土壤的水分特征參數(shù)。

參考KADER 等[9]的方法確定土壤表面的松針覆蓋層水力參數(shù)：根據剖面的大小劃分為多個計算域，用土篩法測得的松針含水量變化序列作為HYDRUS 的反解數(shù)據，利用HYDRUS 的反解功能計算松針對應的van Genuchten-Mualem(VG)模型參數(shù)。飽和含水量(θs)和殘余含水量(θr)的值根據烘干法測得的實測數(shù)據設置。VG 模型中參數(shù)α的大小與土壤含水量(θ(h)，h為壓力水頭)大小呈負相關，其他參數(shù)不變時，α越大，水分特征曲線的中間部分對應的負壓值越小。從物理含義來說，α越大，等含水量下的負壓水頭越低，介質持水能力越弱[12–13]。設定覆蓋層參數(shù)α的取值區(qū)間為0.05～0.30。

參數(shù)n的變化會影響到θ(h)和土壤導水率的值。根據霍思遠等[14]的研究，參數(shù)n的變化會對水分特征曲線中含水量較高的部分產生較為明顯的影響。當n值增大時，水分特征曲線中含水量較高的部分負壓值減小，且曲線拐點處的導數(shù)絕對值增大，曲線變得更加曲折，n值減少時，曲線高含水量部分負壓值增大，曲線變得更加平滑。根據松針覆蓋層的性質，設定初始參數(shù)時n值同樣高于土壤層相關參數(shù)。同時，敏感性分析表明，n的變化對入滲和蒸發(fā)的影響都較為劇烈，故n的取值過大，將極易導致模型無法擬合，因此，反向求解中設置n的取值區(qū)間為1.5～2.1。

根據陳衛(wèi)金等[15]的研究結果，VG 模型中參數(shù)α和n的大小還與水分特征曲線拐點處的負壓(pi)相關聯(lián)，更大的n值會使pi更趨近于α的倒數(shù)，而較高導水率和較低持水能力的介質符合這些條件。

參數(shù)Ks為飽和導水率。由于松針覆蓋層質地疏松，飽和導水率相比土壤更高，故Ks取值較大。

參數(shù)l的取值與介質的孔隙連通性相關，其值可正可負。l的大小與K(h)呈負相關。l的值越小，介質中的孔隙連通性就越高，介質在非飽和條件下的導水率就越高[16]。在對土壤類介質的計算中，l的值通常取0.5，但由于覆蓋層的水力特性與土壤不同，其內部幾乎沒有毛細管效應，且含水量不受土壤補給影響，因此，將參數(shù)l的值設置為–0.5。

反解獲得的土壤水力參數(shù)和覆蓋物水力參數(shù)列于表2。

表2 van Genuchten-Mualem 模型參數(shù)Table 2 Parameters of van Genuchten-Mualem model

2.4 模擬結果的評估

使用均方根誤差和相關系數(shù)評估每種處理的土壤水分模擬值和實測值之間的相關程度。

3 結果與分析

3.1 松針覆蓋處理對土壤蒸發(fā)量的影響

由圖2 可知，與無覆蓋土壤相比，松針覆蓋土壤的累計蒸發(fā)量隨覆蓋層厚度增加而減少，這表明松針覆蓋處理能降低土壤蒸發(fā)量，促進土壤保墑。隨覆蓋量的增加，覆蓋層對土壤蒸發(fā)的減弱能力的增長速度逐漸放緩，這可能是由于到達土壤表層的熱輻射隨覆蓋厚度的增加呈指數(shù)形式遞減造成的。

圖2 松針覆蓋處理后土壤累計蒸發(fā)量與時間的關系曲線Fig.2 Relationship cu rve b etween cu mulative s oil eva poration and time after pine needle mulching treatment

從表3 可以看出，F(xiàn)0由于沒有覆蓋處理，在420 min 之前均保持了較高的時段蒸發(fā)量，平均時段蒸發(fā)量為0.729 mm/h?？梢姡?20 min 之前的時段內F0的土壤蒸發(fā)較為穩(wěn)定，處于第一蒸發(fā)階段；隨后土壤開始進入第二蒸發(fā)階段，時段蒸發(fā)量開始下降，截至720 min，水分蒸發(fā)的速度已經降至0.252 mm/h。F1在60 min 內的時段蒸發(fā)量僅為0.272 mm，之后隨時間緩慢下降，截至720 min，F(xiàn)1的時段蒸發(fā)量已經下降至0.078 mm。F2和F3在60 min 內的時段蒸發(fā)量均為0.485 mm；在>60～120 min，F(xiàn)2的時段蒸發(fā)量降低至0.194 mm，低于F1的。F3在0～300 min 時段內始終保持著3 種覆蓋處理中最高的時段蒸發(fā)量和累計蒸發(fā)量，時段蒸發(fā)量也同樣呈現(xiàn)出隨時間逐漸減小的趨勢；但F3的時段蒸發(fā)量從>300～360 min 開始低于F1的，且>360～420、>420～480、>600～660 min 3 個時段低于F2的，得益于360 min前較高的時段蒸發(fā)量，F(xiàn)3在整個蒸發(fā)前期均保持了3 組覆蓋處理組中最高的累計蒸發(fā)量。

表3 松針覆蓋處理后12 h 土壤的時段蒸發(fā)量Table 3 Interval soil evaporation in 12 h ours after pine needle mulching treatment

3.2 松針覆蓋處理對土壤含水量時空分布的影響

試驗實測和模型模擬的不同時間土壤含水量的空間分布如表4 所示。試驗中，含水量發(fā)生明顯變化的土壤層主要位于0～30 cm 深度，此處主要分析該深度范圍內的實測土壤含水量的變化規(guī)律。

表4 松針覆蓋處理后不同時間土壤含水量的空間分布Table 4 Spatial distribution of soil water contents at different times after pine needle mulching treatment %

表4(續(xù)) %

24 h 時，F(xiàn)0的地表土壤含水量已經降低至11%，2.5 cm 淺層土壤的土壤含水量為18.9%；F1、F2、F3的地表土壤含水量為25.1%～26.7%，2.5 cm 淺層土壤含水量為25.7%～30.1%?？梢钥闯?，F(xiàn)1、F2、F3由于受到松針覆蓋的影響，土壤蒸發(fā)量大幅減少，土壤含水量在各個深度上都高于F0的。96 h 時，F(xiàn)0的地表土壤含水量為9.8%，2.5 cm 淺層土壤含水量為13.1%；F1、F2、F3的地表土壤含水量分別為16.4%、19.1%、20.6%，相較于F0的提升比例分別為67.3%、94.9%、110.2%；2.5 cm 淺層土壤含水量分別為22.0%、23.2%、23.5%，相較于F0提高了67.9%、77.1%、79.4%。

7.5～17.5 cm 深度下，F(xiàn)0的含水量受到蒸發(fā)和入滲的影響持續(xù)減少，土壤含水量由 24 h 時的19.7%～21.2%減少至96 h 時的18.0%～18.6%；F1、F2、F3在該深度下的土壤含水量相比F0均有提升，但F1、F2、F3之間的土壤含水量差距并不明顯。

>20 cm 深度下，4 種處理的土壤含水量差距較小，這是由于深層土壤受蒸發(fā)的影響較小，其含水量變化主要取決于初期入滲的水量。但透過有機玻璃管觀察土壤剖面，發(fā)現(xiàn)土壤含水量產生明顯變化的深度，即濕潤鋒的深度，4 種處理間仍有區(qū)別，96 h 時，F(xiàn)0、F1、F2、F3的濕潤鋒深度分別為29.5、31.8、32.3、32.5 cm，總體呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。

土壤含水量的空間分布受到蒸發(fā)能力和土壤入滲能力2 種因素的影響。深度5 cm 以上的淺層土壤受蒸發(fā)的影響較大，含水量相對較低；20 cm以下的深層土壤受到入滲能力的限制，土壤含水量也較??；5～20 cm 深度的土壤受蒸發(fā)和入滲能力的影響都較小，含水量較高。F0由于沒有松針覆蓋，蒸發(fā)量較高，淺層土壤的含水量較低，而F1、F2、F3由于受到松針覆蓋的影響，土壤蒸發(fā)量大幅減少，土壤含水量在各個深度上都高于F0組。24 h 時，F(xiàn)2和F3的土壤含水量在各深度上均較為接近，這是由于土柱前期的蒸發(fā)量主要來自覆蓋層，土壤內的水分蒸發(fā)量很??；F1的松針覆蓋層在24 h 時已經較為干燥，土壤蒸發(fā)的速度相對更高，土壤表面的含水量相比F2和F3更低；F2、F3覆蓋層內部仍比較濕潤，土壤蒸發(fā)速度較慢，土壤內部的水分空間分布幾乎相同。96 h 時，由于土壤表面已經比較干燥，含水量變化較小，F(xiàn)0土壤表面的含水量為9.8%，隨著松針覆蓋層內部水量的逐漸減少，F(xiàn)1、F2、F3的土壤含水量分布開始產生差別，受水分蒸發(fā)影響最劇烈的F1、F2、F3的土壤表面含水量依次減少；深層土壤受蒸發(fā)的影響較小，其含水量變化主要取決于初期入滲的水量，F(xiàn)1、F2、F3的深層土壤含水量較為接近，濕潤鋒深度均處于32.0～32.5 cm 內，其中，F(xiàn)2和F3由于前期的土壤含水量變化幾乎一致，后期深層土壤中的土壤含水量也較為接近。

從表5 可知，模擬值與實測值間的均方根誤差均低于0.025，相關系數(shù)均高于0.6，表明模擬土壤含水量與實測值較接近，該模型能較好地預測松針覆蓋條件下的土壤含水量的變化趨勢，具有較好的模擬效果。

表5 不同位置土壤含水量模擬值與實測值間的均方根誤差和相關系數(shù)Table 5 Theroot mean s quared er rors a nd co rrelation coefficients between s imulated an d measured s oil water contents at different locations

4 結論與討論

本試驗條件下，松針覆蓋層對土壤蒸發(fā)量的影響主要源于以下2 種效應：①覆蓋層阻隔了到達下墊面土壤表面的熱能，對土壤造成類似遮陰的影響，降低了下墊面土壤所受到的熱輻射，減少了土壤的潛熱變化；②覆蓋層會截留一部分降水，這些水分在覆蓋層內部蒸發(fā)，且蒸發(fā)量相對于下墊面土壤更大，從而提高了整個土柱的蒸發(fā)量。由于相同厚度的覆蓋層對熱輻射的透射率相同[14]，隨著覆蓋量的逐漸增大，到達土壤表層的熱能會呈指數(shù)形式逐漸減少，F(xiàn)0、F1、F2、F3的累計蒸發(fā)量依次減小。同時，雖然松針覆蓋層質地疏松，但也不能完全阻隔下墊面土壤與大氣的氣體交換。在蒸發(fā)初期，較厚的覆蓋層仍然有效抑制了下墊面土壤的水分蒸發(fā)。這可能是由于覆蓋層內部的水分蒸發(fā)增大了覆蓋層內部空氣的濕度，從而減小了土壤表層和覆蓋層內部的水汽壓差，使得土壤中的水蒸氣更難以擴散，從而在蒸發(fā)初期對下墊面土壤產生進一步的抑制作用。在試驗前期，F(xiàn)1、F2、F3的土壤含水量空間分布較為接近；試驗后期，各處理組的土壤含水量空間分布也僅在5 cm 以上的土壤表現(xiàn)出較大的差別。

松針覆蓋條件下的土壤水時段蒸發(fā)量E為覆蓋層時段蒸發(fā)量(Emulch)和土壤層時段蒸發(fā)量(Es)之和。其中，Es的變化取決于土壤上方的蒸發(fā)阻力和土壤自身因素的變化，即同時受到熱輻射量、風速、空氣濕度、土壤含水量等因素的影響[17–18]，其變化在規(guī)則上遵循土壤蒸發(fā)的3 個典型階段[19]，即：①常速率階段，蒸發(fā)量主要由土壤表層到土壤層表面大氣的水汽壓差決定；②減速率階段，土壤性質因素逐漸成為決定蒸發(fā)速率的主要因素；③殘余階段，發(fā)生在蒸發(fā)的后期，土體毛細水作用逐漸減弱，蒸發(fā)量較小。Emulch的大小則受覆蓋層的含水量和外界環(huán)境控制，覆蓋層含水量較高時，Emulch較大，同時隨著覆蓋層中的水分逐漸蒸發(fā)，Emulch也逐漸減小。結合松針覆蓋層對土壤蒸發(fā)量產生影響的作用機制，松針覆蓋條件下的土壤水分蒸發(fā)過程可以分為以下4 個階段：①蒸發(fā)初期，土壤和松針覆蓋層都具有較高的濕度，Emulch較高，由于覆蓋層內部濕度較大，土壤表層與覆蓋層內部的水汽壓梯度較小，Es受到較強的抑制；②覆蓋層內部的液態(tài)水逐漸被消耗且不受土壤補給，Emulch開始減少，同時由于覆蓋層濕度減小，水汽壓梯度增大，Es開始逐漸增大；③覆蓋層內部的液態(tài)水基本蒸發(fā)殆盡，Emulch接近于0，Es達到極大值；④隨著土壤表層水分逐漸蒸發(fā)，Es遵循土壤蒸發(fā)的3 個典型階段，且受覆蓋層的影響，E值低于同條件無覆蓋處理的土壤蒸發(fā)量。

綜上所述，松針覆蓋層厚度的增加除了能夠對下墊面土壤的水分蒸發(fā)產生數(shù)值上的變化，還能夠改變水分蒸發(fā)的發(fā)生過程。覆蓋層截留一部分降水并優(yōu)先蒸發(fā)，使得下墊面土壤內部的蒸發(fā)速度極慢，表層土壤有更充足的水分向下滲透，從而增加了土壤的入滲量。同時，覆蓋層厚度越大，截留的水分就越多，覆蓋層變得干燥的時間就越晚，這也減緩了下墊面土壤蒸發(fā)速度的提升，使高覆蓋量下土壤蒸發(fā)量上升的時刻比低覆蓋量下的更晚。從理論和實踐上來看，松針覆蓋處理是一種行之有效的保水保墑措施，為淺根類中藥材的種植管理創(chuàng)造了有利的根區(qū)微環(huán)境，也是提高農田水分利用效率的一項切實可行的農藝措施。