郭俊文，李援農(nóng)，汪有科，靳珊珊

（1.西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌 712100；2.中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西楊凌 712100；3.河南農(nóng)業(yè)大學林學院，河南鄭州 450002）

黃土高原黃土丘陵區(qū)土層深厚、光熱資源豐富，具有較大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力，但因降水時空分布極度不均而干旱災害頻發(fā)，長期普遍存在水土流失和土壤干化、土壤退化現(xiàn)象，制約著農(nóng)作物生長發(fā)育和林草植被的有效恢復［1-2］。 采取合理有效的水土保持措施，就地攔蓄降水資源、提高土壤肥力、減少土壤水分蒸發(fā)和作物蒸騰，是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)的關(guān)鍵，為此眾多學者對黃土丘陵區(qū)各種集雨措施、水土保持措施改善土壤水分的效果進行了大量研究［3-8］。 在各類措施中，地膜覆蓋作為保墑措施，可以有效改善土壤水、熱、鹽狀況［9-10］。 為了揭示黃土丘陵區(qū)干化土壤連續(xù)多年覆膜后水熱鹽分布的年內(nèi)變化規(guī)律，給改善干層土壤水熱鹽狀況的進一步研究提供參考，本文基于連續(xù)覆膜5 a 的棗林地試驗小區(qū)定位監(jiān)測資料，研究了多年覆膜后土壤水、熱、鹽分布的年內(nèi)變化情況。

1 研究方法

1.1 試驗小區(qū)布設(shè)概況

試驗樣地位于陜西省米脂縣境內(nèi)的西北農(nóng)林科技大學紅棗節(jié)水研究基地，監(jiān)測時段為2020 年1 月10日—2021 年1 月31 日。 該研究基地地貌類型屬黃土高原黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，平均海拔960 m，山地坡度為21°～39°；試驗土壤為黃綿土，平均容重為1.3 g／cm3，0～150 cm 土層中粉粒含量為47.6%～50.1%、砂粒含量為43.9%～46.5%、黏粒含量為5.9%～7.1%，屬于粉質(zhì)壤土，其質(zhì)地疏松、保水性較差；該地區(qū)屬于中溫帶半干旱氣候區(qū)，干濕季分明，夏秋季濕潤多雨、冬春季干燥少雨，年潛在蒸發(fā)量為1 600 mm 左右，試驗監(jiān)測期間降水總量為372.2 mm（主要集中于6—10月），年內(nèi)日平均降雨量為1.3 mm、日最大降雨量為24.5 mm；在監(jiān)測時段內(nèi)平均氣溫10.6 ℃，最高氣溫為29.7 ℃，最低氣溫為-17.6 ℃，年日照時數(shù)2 372.7 h；平均相對濕度為55.9%，最大相對濕度為97.3%，最小相對濕度為14.3%。 地下水埋深超過50 m，其對耕作層土壤水分的影響可以忽略。

覆膜試驗小區(qū)布設(shè)于2015 年7 月。 壟溝集雨模式為壟覆膜、溝不覆膜，選取地面平坦的水平階棗林地作為試驗地進行起壟覆膜，在壟高20 cm、壟寬50 cm、溝寬20 cm 的相鄰壟上分別布設(shè)白膜覆蓋小區(qū)（WF）、黑膜覆蓋小區(qū)（BF）、裸地小區(qū)（CK） （如圖1 所示），其中白膜為耐久性較好的無色透明塑料膜（厚度約為0.015 mm，雙層覆蓋，膜上設(shè)置若干直徑為2～3 mm 的進水小孔）、黑膜為黑色牛毛氈，壟溝沿等高線布置、溝內(nèi)不覆膜，每種處理重復3 次，共設(shè)置9 個試驗小區(qū)（隨機排列）。 由于試驗小區(qū)布設(shè)在棗林地內(nèi)無植被覆蓋的地塊，因此可忽略植被蒸騰耗水。 在小區(qū)周邊設(shè)置高出地表20 cm 的圍壟，確保試驗小區(qū)無徑流損失；為避免小區(qū)間互相影響和小區(qū)周邊植物根系吸水及土壤水分的側(cè)滲，在小區(qū)間豎向埋設(shè)牛毛氈進行隔離，同時在試驗地塊周邊埋設(shè)厚塑料布進行隔離。

圖1 試驗小區(qū)布設(shè)示意

1.2 測定指標及方法

研究區(qū)棗林地土壤水分的唯一補充來源是降水，土壤水分的時空變化主要受降雨和蒸散發(fā)的影響［11-12］，依據(jù)當?shù)氐慕涤晏攸c，將土壤水分動態(tài)變化過程劃分為過渡階段（3—6 月）、補充階段（7—10月）、損失階段（11 月—次年2 月）進行分析。 試驗期間的氣溫、降水量、相對濕度、風速等氣象數(shù)據(jù)源于試驗基地布設(shè)的BLJW-4 型自動氣象站。

在各小區(qū)距地表深度為5、15、30、50、75、100、125、150 cm 處分別埋設(shè)GS3 傳感器（如圖1 所示），每隔30 min 自動監(jiān)測一次土壤體積含水率（θ）、溫度（T）及電導率（EC，用于間接反映土壤含鹽量，其值越大表明土壤含鹽量越高），通過EM50 數(shù)據(jù)采集器采集各傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)整理與分析

采用軟件Excel2019 與SPSS24、DPS 進行監(jiān)測數(shù)據(jù)整理與分析，采用最小顯著差異法（LSD）進行顯著性檢驗（顯著性水平P＜0.05），采用軟件Origin2021 進行統(tǒng)計圖繪制。

土壤儲水量計算公式為

式中：W為土壤儲水量，H為土層厚度，θ為土壤體積含水率。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 土壤水分變化特征

2020 年2 月1 日—2021 年1 月31 日各小區(qū)0 ～10、10～30、30 ～60、60 ～100、100 ～150 cm 土層含水率逐日變化過程及年均值見圖2，可以看出，受降水、蒸發(fā)的影響，各土層含水率在監(jiān)測期呈“升—降—升—降”的波動，其中深度為0～100 cm 各土層含水率波動劇烈、100～150 cm 土層含水率波動較為平緩，因此可把0 ～100 cm 土層視為土壤水分易恢復區(qū)、把深度大于100 cm 土層視為土壤水分難恢復區(qū)［12］。

圖2 監(jiān)測期各小區(qū)不同土層土壤含水率逐日變化過程

各小區(qū)土壤含水率均在7—8 月出現(xiàn)“波谷”，原因是在土壤水分補充階段初期雖然降水量增加，但是氣溫較高、空氣相對濕度較低、土壤水分蒸發(fā)量較大，降水不足以補償土壤水分的損耗，導致土壤含水率持續(xù)下降，直至2020 年8 月5 日出現(xiàn)第一次較大降雨，土壤水分才得以迅速恢復。 在沒有徑流損失的情況下，由于地膜覆蓋在一定程度上延緩了降雨入滲速度，同時切斷了土壤與空氣的直接聯(lián)系，使土壤蒸發(fā)量減小，因此裸地小區(qū)的土壤含水率波動較覆膜小區(qū)的劇烈，而覆膜小區(qū)土壤含水率對大氣降水的響應(yīng)時間相對滯后、響應(yīng)強度相對減弱，如30～60 cm 土層，2 種覆膜小區(qū)土壤含水率最大值出現(xiàn)時間（均為8 月7 日）較裸地小區(qū)推遲了1 d，WF、BF、CK 最小含水率分別為10.7%、10.2%、9.3%，2 種覆膜小區(qū)含水率最小值對應(yīng)的時間較裸地小區(qū)均推遲了5 d（原因可能是覆膜在冬季具有保溫效應(yīng)，延緩了土壤凍結(jié)）。

就土壤含水率年均值而言，在0 ～150 cm 深度范圍內(nèi)，2 種覆膜小區(qū)無顯著差異（WF、BF 土壤含水率分別為17.1%、17.6%）且均顯著高于裸地小區(qū)的（CK土壤含水率為15.9%）；0 ～30 cm 土層，各小區(qū)無顯著差異；30 ～60 cm 土層，2 種覆膜小區(qū)無差異（均為16.4%），且均顯著高于裸地小區(qū)的；60 ～100 cm 土層，白膜覆蓋小區(qū)最高、黑膜覆蓋小區(qū)最低，2 種覆膜小區(qū)差異顯著；100～150 cm 土層，黑膜覆蓋小區(qū)顯著高于其他2 種小區(qū)的，而白膜覆蓋小區(qū)與裸地小區(qū)無明顯差異。

土壤水分動態(tài)變化各階段各小區(qū)不同土層的儲水量見表1。 在監(jiān)測期內(nèi)，WF、BF、CK 處理間土壤儲水量差異顯著，BF、WF 分別較CK 高12.6%、5.1%。 從各階段土壤儲水量變化情況看，各處理土壤儲水量在過渡階段與損失階段均呈現(xiàn)出減小趨勢，而在補充階段均表現(xiàn)出增大的趨勢（WF、BF、CK 分別增大了52.6、74.7、68.0 mm，差異顯著）。

表1 各階段各小區(qū)不同土層儲水量mm

表2 不同階段0～60 cm 耕作層水、熱、鹽偏相關(guān)系數(shù)

監(jiān)測期末，3 種小區(qū)0～150 cm 土層儲水量差異顯著，其大小順序為BF＞W(wǎng)F＞CK。 與吳賢忠等［13］對連續(xù)2 a 覆膜小區(qū)的試驗結(jié)果相比，本研究中連續(xù)5 a 覆膜小區(qū)在水分補充階段降雨量增加的情況下0 ～150 cm土層儲水量的監(jiān)測結(jié)果并未明顯增加，說明補充階段一部分雨水下滲深度超過150 cm（補充了更深層土壤）。 就0～60 cm 耕作層儲水量而言，過渡階段3 種小區(qū)無顯著差異；在補充階段和損失階段覆膜處理WF、BF 儲水量分別較CK 高16.5%、18.1%，差異顯著。 就60～100 cm 土層儲水量而言，各階段3 種小區(qū)無顯著差異。 就100～150 cm 土層儲水量而言，在過渡階段和補充階段黑膜覆蓋小區(qū)顯著大于其他2 種小區(qū)的，兩個階段BF 分別較WF 高9.7%、17.7%，分別較CK 高9.5%、33.0%；而損失階段3 種小區(qū)無顯著差異。

2.2 土壤溫度變化特征

為便于敘述，把2020 年1—2 月的穩(wěn)定凍結(jié)—凍融時段稱為解凍期，把2020 年11 月—2021 年1 月的凍融—穩(wěn)定凍結(jié)時段稱為凍結(jié)期，把監(jiān)測期其他時段稱為完全融解期。

監(jiān)測結(jié)果表明：在凍結(jié)期，深層土壤溫度高于淺層土壤溫度，土壤溫度隨土層深度加大呈現(xiàn)升高的趨勢；而在解凍期，深層土壤溫度低于淺層土壤溫度，土壤溫度隨土層深度加大逐漸降低，各小區(qū)間上層溫度差異大于下層的。

就0～150 cm 土層而言，3 種小區(qū)年均溫度差異顯著，高低順序為WF（11.5 ℃）＞BF（11.3 ℃）＞CK（10.6 ℃）；覆膜小區(qū)年內(nèi)最高溫度較裸地高2.2 ℃、最低溫度較裸地高0.9 ℃；7 月平均溫度在監(jiān)測時段內(nèi)最高，白膜覆蓋小區(qū)、黑膜覆蓋小區(qū)、裸地小區(qū)7 月土壤平均溫度分別為24.9、24.7、23.3 ℃，覆膜小區(qū)與裸地小區(qū)間差異顯著，而2 種覆膜小區(qū)間差異不顯著。 就0 ～60 cm 土層而言，黑膜覆蓋小區(qū)7 月平均溫度顯著低于白膜覆蓋小區(qū)的（低5.6%），表明高溫季節(jié)黑膜覆蓋對耕作層土壤溫度有一定調(diào)控作用；1 月平均溫度在監(jiān)測時段內(nèi)最低，3 種小區(qū)差異顯著，白膜覆蓋小區(qū)、黑膜覆蓋小區(qū)、裸地小區(qū)1 月平均溫度分別為-0.7、-1.1、-1.4，說明長期地膜覆蓋在土壤凍結(jié)期具有保溫作用。 就0～10 cm 土層而言，2 種覆膜小區(qū)在不同時期的土壤溫度均顯著高于裸地小區(qū)的，說明多年覆膜措施有利于提高表層土壤溫度。

監(jiān)測期3 種小區(qū)最大凍深均為75 cm，連續(xù)使用5 a的地膜對越冬期土壤最大凍深已無明顯影響，黑膜覆蓋小區(qū)和裸地小區(qū)凍結(jié)到最大深度的時間比白膜覆蓋小區(qū)約提前了2 d。 由監(jiān)測期各小區(qū)0 ～75 cm 土層凍融過程線（見圖3）可以看出，0 ～75 cm 土層經(jīng)歷了穩(wěn)定凍結(jié)—凍融—完全融解—凍融—穩(wěn)定凍結(jié)的過程。

圖3 土壤凍融變化過程線

就0～10 cm 土層而言，解凍期白膜覆蓋小區(qū)、黑膜覆蓋小區(qū)、裸地小區(qū)最低溫度分別為-6.6、-5.2、-5.0 ℃，在2020 年2 月15 日氣溫為-7.4 ℃的情況下白膜覆蓋小區(qū)首先開始解凍（較BF、CK 分別提前2、4 d）；凍結(jié)期白膜覆蓋小區(qū)、黑膜覆蓋小區(qū)、裸地小區(qū)最低溫度分別為-13.7、-13.1、-13.0 ℃，在2020 年11 月23 日氣溫為-5.7 ℃的情況下白膜覆蓋小區(qū)首先凍結(jié)（較BF、CK提前了7 d）。

就10～30 cm 土層而言，解凍期白膜覆蓋小區(qū)、黑膜覆蓋小區(qū)、裸地小區(qū)最低溫度分別為-1.7、-1.4、-2.4 ℃，在2020 年2 月9 日氣溫為-1.0 ℃情況下，白膜覆蓋小區(qū)首先開始解凍（較BF 提前3 d，較CK 提前11 d）；凍結(jié)期白膜覆蓋小區(qū)、黑膜覆蓋小區(qū)、裸地小區(qū)最低溫度分別為-7.0、-7.0、-8.8，在2020 年12 月7 日氣溫為-4.4 ℃情況下裸地小區(qū)首先凍結(jié)（較WF 提前6 d，較BF 提前8 d）。

就30 ～60 cm 土層而言，解凍期2 種覆膜小區(qū)沒有發(fā)生凍融現(xiàn)象，裸地小區(qū)在2020 年2 月12 日平均氣溫為3.9 ℃情況下完全解凍；凍結(jié)期白膜覆蓋小區(qū)、黑膜覆蓋小區(qū)、裸地小區(qū)最低氣溫分別為-2.8、-4.3、-6.3 ℃，在2020 年12 月15 日氣溫為-10.0 ℃情況下裸地小區(qū)首先凍結(jié)（較BF 提前7 d，較WF 提前17 d）。

在深度為75 cm 處，解凍期3 種小區(qū)都沒有發(fā)生凍融現(xiàn)象；凍結(jié)期白膜覆蓋小區(qū)、黑膜覆蓋小區(qū)、裸地小區(qū)最低氣溫分別為-0.7、-1.0、-1.2 ℃，黑膜覆蓋小區(qū)和裸地小區(qū)于2021 年1 月8 日在同一天凍結(jié)（較WF 提前了2 d）。

綜上所述，連續(xù)使用5 a 的覆膜仍然可以縮短凍結(jié)土壤的解凍時間，其中白膜覆蓋更有利于凍土的解凍、黑膜覆蓋更有利于延緩0 ～30 cm 淺層土壤的凍結(jié)過程，土層越深土壤溫度越穩(wěn)定、越不易凍結(jié)。

2.3 土壤電導率變化特征

監(jiān)測期各小區(qū)不同土層土壤電導率逐日變化過程及年均值見圖4。 由圖2、圖4 可知，土壤電導率變化規(guī)律與土壤含水率變化規(guī)律基本一致，符合“鹽隨水來，鹽隨水去”的運移規(guī)律［14］。

圖4 監(jiān)測期各小區(qū)不同土層土壤電導率逐日變化過程

表層土壤含鹽量因受土壤融解、降雨和蒸發(fā)的影響而波動劇烈，導致表層土壤電導率也明顯波動。2020 年2 月土壤處于解凍期，各小區(qū)0～60 cm 耕作層土壤電導率呈增大趨勢，原因是解凍期凍土消融是上下雙向進行的，中間未解凍的凍結(jié)夾層隔斷了上層土壤水分下滲的通道［15］，使得凍結(jié)層以上土壤含水率較高（0～10 cm 土層含水率最高達19.8%），同時凍結(jié)層的存在使得土壤剖面存在溫度梯度，凍結(jié)層以下土壤水分向凍結(jié)層持續(xù)移動使土壤鹽分向凍結(jié)層遷移。 隨著氣溫持續(xù)上升，表層積聚的水分開始大量蒸發(fā)，隨著水分向上運移，凍結(jié)期累積在凍結(jié)層的鹽分迅速向土壤表層遷移，表層土壤呈現(xiàn)返鹽現(xiàn)象［16］。 之后隨著氣溫持續(xù)升高，凍結(jié)層完全融解，蒸發(fā)量進一步增大，但同時降雨量逐漸增加，蒸降比減小，上層土壤水分增加并向下層土壤入滲，使土壤表聚的鹽分向下層土壤運移，當水分入滲深度超過150 cm 時，一部分鹽分向更深層土壤運移，此時表層土壤電導率開始呈現(xiàn)減小的趨勢。 2020 年7—8 月各小區(qū)土壤電導率出現(xiàn)幾次突升，原因是出現(xiàn)了幾次較大降雨使土壤含水率提高、土壤積鹽量增大，之后土壤鹽分隨土壤含水率的波動和水分大量下滲而淋洗下降，土壤電導率也隨之波動下降。 2020 年11 月25 日左右出現(xiàn)的最后一個峰值，是2020 年11 月19 日的一次較大降雨造成土壤水分聚集，且隨后氣溫下降使土壤開始凍結(jié)，凍結(jié)層以下土壤水分攜帶鹽分再次向凍結(jié)層遷移所致。

就監(jiān)測期平均電導率而言：0 ～10 cm 土層和60 ～100 cm 土層，2 種覆膜小區(qū)間差異不顯著但均顯著高于裸地小區(qū)的；10～60 cm 土層，黑膜覆蓋小區(qū)與裸地小區(qū)差異不顯著但均顯著低于白膜覆蓋小區(qū)的；100 ～150 cm 土層，白膜覆蓋小區(qū)與裸地小區(qū)差異不顯著但均顯著低于黑膜覆蓋小區(qū)的。

有關(guān)研究表明，地膜覆蓋可以有效抑制土壤鹽分表聚［17-21］。 本試驗監(jiān)測結(jié)果表明在黃土高原棗林地連續(xù)多年覆膜會產(chǎn)生鹽分表聚效應(yīng)，與吳賢忠［13］、李志華［16］等的研究結(jié)果一致，但多年覆膜后0 ～150 cm土層電導率全年均值較小，白膜覆蓋小區(qū)、黑膜覆蓋小區(qū)均為0.05 mS／cm，較3 a 前的監(jiān)測結(jié)果（白膜覆蓋小區(qū)、黑膜覆蓋小區(qū)分別為0.07、0.08 mS／cm）明顯減小，說明在降水量較大的情況下一部分土壤鹽分隨雨水下滲向150 cm 以下運移。

2.4 土壤水熱鹽相關(guān)性分析

在土壤水分過渡階段，裸地小區(qū)土壤水熱相關(guān)性顯著而覆膜小區(qū)土壤水熱相關(guān)性不顯著，說明過渡階段地溫隨大氣溫度變化時，長期覆膜抑制了蒸發(fā)，膜下土壤含水率較為穩(wěn)定；過渡階段蒸發(fā)量隨氣溫升高而增大，但降雨量逐漸增多，蒸降比減小，同時解凍過程中滯留在耕作層的水分逐漸下滲并使鹽分淋洗下降，因此各小區(qū)熱鹽之間均呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)性，其中黑膜覆蓋小區(qū)熱鹽相關(guān)性明顯較其他兩種小區(qū)的強，說明過渡階段黑膜覆蓋土壤溫度的變化比白膜覆蓋的大、鹽分下降明顯；鹽離子是通過水分運動實現(xiàn)運移的，所以各小區(qū)水鹽均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，其中白膜覆蓋小區(qū)的水鹽相關(guān)性最顯著，說明白膜覆蓋后耕層內(nèi)土壤含水率波動較大。

在土壤水分補充階段，3 種小區(qū)耕作層土壤水熱均表現(xiàn)出顯著負相關(guān)性，其中黑膜覆蓋小區(qū)的相關(guān)性相對較弱，說明長期覆蓋黑膜在補充階段保水調(diào)溫效果較好；白膜覆蓋小區(qū)和裸地小區(qū)熱鹽顯著正相關(guān)，而黑膜覆蓋小區(qū)熱鹽無相關(guān)性，原因可能是黑膜覆蓋小區(qū)耕作層土壤鹽分含量較低、土壤溫度較為穩(wěn)定；3 種小區(qū)水鹽均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，即電導率隨著土壤含水率的升降而變化。

在土壤水分損失階段，3 種小區(qū)水熱均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（其中黑膜覆蓋小區(qū)正相關(guān)性最強），原因是該階段土壤處于凍融循環(huán)和穩(wěn)定凍結(jié)期，土壤液態(tài)水分含量取決于土壤溫度；2 種覆膜小區(qū)土壤熱鹽間無相關(guān)性，說明覆膜后土壤溫度變化對鹽分的影響較小，原因可能是土壤溫度持續(xù)降低，覆膜表現(xiàn)出良好的保溫效應(yīng)，延緩了土壤凍結(jié)和土壤鹽分向凍結(jié)鋒面的遷移；3 種小區(qū)水鹽均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，與過渡階段、補充階段具有一致的規(guī)律。

3 結(jié)論

1）連續(xù)覆膜5 a 后，0～150 cm 土層的含水率明顯高于裸地的，尤其0 ～60 cm 耕作層的儲水量明顯增加；各階段黑膜覆蓋小區(qū)的土壤儲水量均大于白膜覆蓋小區(qū)和裸地小區(qū)的，表現(xiàn)出良好的集雨保墑效應(yīng)。

2）2 種覆膜小區(qū)0 ～150 cm 各土層土壤溫度均明顯高于裸地的，監(jiān)測期最高地溫和最低地溫分別較裸地高2.2、0.9 ℃，白膜覆蓋在寒冷時的保溫效果較好，黑膜覆蓋在高溫時對0 ～60 cm 耕作層土壤溫度有一定調(diào)控作用。

3）多年覆膜后會發(fā)生表層土壤積鹽現(xiàn)象，但0 ～150 cm 土層鹽分含量較3 a 前有所降低，在降水量較大的情況下一部分土壤鹽分隨雨水下滲向150 cm 以下土層運移，因此連續(xù)覆膜不會造成土壤次生鹽漬化。

4）不同階段各小區(qū)土壤水鹽（含水率與電導率）間均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，其中黑膜覆蓋小區(qū)水鹽相關(guān)性相對較弱；各小區(qū)不同階段土壤水熱相關(guān)性、熱鹽相關(guān)性差異明顯，2 種覆膜對不同階段土壤水、熱、鹽具有不同的調(diào)控效應(yīng)。