雙層秸稈不同層位覆蓋對土壤水分蒸發(fā)影響

周長泉，趙文舉，王珍珍，許建堂

(1.蘭州理工大學技術(shù)工程學院，蘭州 730050；2.蘭州理工大學能源與動力工程學院，蘭州 730050)

0 引 言

土壤水分是農(nóng)作物生長的重要因子，蒸發(fā)是地表水分和水文循環(huán)中的一個重要過程，而過多的水分蒸發(fā)，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說則是一項重要的水分損失[1,2]。“鹽隨水去，水去鹽留”，在我國西北地區(qū)，土壤水分的劇烈蒸發(fā)導致了土壤水分大量的損失，形成土壤的鹽漬化[3-5]，進而嚴重制約了當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展。因此，有效控制土壤水分蒸發(fā)，理論上就可以減輕鹽分表聚，從而達到改良土壤的目的[6]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中抑制土壤蒸發(fā)的方式有覆蓋砂石、塑料薄膜、秸稈等，國內(nèi)外研究表明，通過地面覆蓋，可減少土壤蒸發(fā)，同時抑制土壤鹽分向表層聚集[7-9]。

秸稈作為農(nóng)作物產(chǎn)物，來源廣泛，收集成本低，秸稈覆蓋可提高土壤持水能力，抑制地表返鹽，增加土壤有機質(zhì)[10,11]?；⒛憽ね埋R爾白等[12]認為在不同地下水位下，秸稈覆蓋埋深為30 cm厚度時抑鹽效果優(yōu)于表層秸稈覆蓋；喬海龍等[13]研究表明秸稈進行深層覆蓋可減少2%～3%深層土壤水分的蒸散量，對深層土壤的蓄水保墑有積極的作用；同時地埋秸稈體可以有效降低0～60 cm土層土壤含水率和含鹽量[14]；對農(nóng)田土壤進行秸稈覆蓋可有效減小作物棵間蒸發(fā)量，當農(nóng)田灌水量過低時秸稈還有明顯的截留作用[15]。趙永敢等[16]認為表層覆膜+秸稈隔層能抑制潛水蒸發(fā),對累積蒸發(fā)量的抑制率可達75.07%～95.42%；王曼華等[17]通過研究得出秸稈雙層覆蓋表層秸稈覆蓋量與深層秸稈覆蓋量之比為2∶1時，抑制蒸發(fā)效果較好?？梢钥吹剑斩捀采w的研究正在由單層向雙層拓展，但目前針對雙層秸稈覆蓋方式對土壤蒸發(fā)影響還有待進一步研究。因此，本試驗基于室內(nèi)模擬試驗，研究雙層秸稈不同層位覆蓋下對土壤蒸發(fā)過程的影響，得出雙層秸稈適宜的埋深層位，以期為西北干旱區(qū)土壤水分的無效蒸發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用土壤均為具有代表性的甘肅省景泰縣的砂壤土。取自表層0～30 cm，土壤經(jīng)自然風干(風干后土壤初始含水率為0.75%)、試驗前對土壤進行了充分研磨，除去雜物后均可通過2 mm篩。試驗用的秸稈為當年收割晾干并粉碎為3～5 cm的小麥秸稈；土柱底部用紗布及沙石作為底部隔層，防止被泥土流出土柱阻礙底部鹽水運移。土柱底部均放置水盆，其中均添加15 g/L的鹽水用來模擬地下水環(huán)境。土壤的顆粒組成見表1。

表1 供試土壤顆粒組成Tab.1 The granule constitution of the tested soil

1.2 試驗方法

試驗采用高660 mm，直徑210 mm聚氯乙烯管做土柱試驗，柱身共有6個孔洞，埋深分別為100、185、290、375、460、545 mm。分別記為1～6號孔。土柱試件如圖1所示：秸稈厚度均設(shè)置為10 mm，秸稈單層覆蓋埋深80 mm (CK)、上層埋深0 mm下層埋深300 mm秸稈雙層覆蓋(C1)、上層埋深80 mm下層埋深220 mm秸稈雙層覆蓋(C2)、上層埋深80 mm下層埋深300 mm秸稈雙層覆蓋(C3)、上層埋深80 mm下層埋深380 mm秸稈雙層覆蓋(C4)。試驗開始前，對每個土柱中注水至底部均有水體自然滲出，放置一天待滲流完成后，對各土柱進行稱重，記錄初始質(zhì)量，后將土柱置于室內(nèi)光照條件下進行蒸發(fā)實驗，光照選用的燈泡為220 V、275 W。試驗共持續(xù)24 d，每兩天稱重一次測量蒸發(fā)量，稱重儀器采用感度為0.001 kg的電子秤。

圖1 不同層位秸稈埋深試驗裝置圖(單位：mm)Fig.1 Chart of Test Devices for Different Straw Underlying

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件采用Microsoft Excle 2007軟件和Origin9.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈不同層位下土壤日蒸發(fā)量的影響

不同覆蓋模式下土壤日蒸發(fā)量連續(xù)24 d的動態(tài)變化過程如圖2，可看出，1～10 d內(nèi)，各土柱水分蒸發(fā)變化較為穩(wěn)定，此時土壤前期含水量較大，各對照土柱的蒸發(fā)處于充分供水階段，隨著蒸發(fā)的進行，土壤中重力水和毛管水水分逐漸減小，無法滿足充分供水。

圖2 日蒸發(fā)量變化過程Fig.2 Daily evaporation process

11～18 d日蒸發(fā)量均減小明顯，此階段土壤中毛管水逐漸斷裂，土壤蒸發(fā)進一步減弱，至蒸發(fā)的19～24 d曲線恢復穩(wěn)定，此階段由于秸稈隔層的作用破壞了土壤孔隙的連續(xù)性，導致土壤下層潛水不能順利到達表層土壤，致使土壤蒸發(fā)量減小至最低水平并趨于穩(wěn)定。

實驗數(shù)據(jù)顯示蒸發(fā)開始的1～10 d，土壤蒸發(fā)量基本保持為CK>C4>C2>C1>C3，11～18 d內(nèi)土壤日蒸發(fā)大小為CK>C1>C4>C3>C2。在經(jīng)過19～24 d的持續(xù)蒸發(fā)后水分蒸發(fā)量大小變?yōu)镃2>C1>CK>C4>C3。

2.2 秸稈不同層位埋深下土壤累積蒸發(fā)量的影響

秸稈不同層位埋深下土壤累積蒸發(fā)量連續(xù)24 d的變化如圖3所示?？煽闯?，在試驗過程中，各對照土柱蒸發(fā)量不斷增大，具體表現(xiàn)是前期蒸發(fā)速率大，后期蒸發(fā)緩慢。不同秸稈覆蓋處理之間累計蒸發(fā)量大小有差異，但土壤累積蒸發(fā)量的變化趨勢基本一致。CK的累積蒸發(fā)量為3.154 2 kg，C1、C2、C3、C4處理的抑蒸率分別為2%、3.97%、8.6%、2.3%?？傻茫煌裆罹嚯x下秸稈對土壤蒸發(fā)的抑制作用由大到小分別是：C3>C2>C4>C1>CK。說明單層秸稈埋深距離對于抑制土壤土壤水分蒸發(fā)弱于雙層秸稈，且下層秸稈埋深與土壤水分蒸發(fā)非正相關(guān)。

圖3 累積蒸發(fā)量變化過程Fig.3 Process of cumulative evaporation

整個實驗過程中，C3處理累計蒸發(fā)量始終低于其他對照，表明上層埋深80 mm下層埋深300 mm秸稈雙層覆蓋最有利于抑制土壤水分蒸發(fā)。

2.3 不同層位雙層秸稈埋深下土壤水分蒸發(fā)變化規(guī)律

對土壤累積蒸發(fā)量進行不同函數(shù)方程擬合，分別用指數(shù)方程Y=axb、對數(shù)方程Y=aln(x)+b和線性方程Y=ax+b，得到擬合參數(shù)見表2?？芍?種方程擬合所得的相關(guān)系數(shù)R2值均達到極顯著水平，但是對比3種擬合方程可知，Y=axb的擬合效果最好，R2數(shù)值均大于0.985以上，即雙層秸稈覆蓋下土壤累計蒸發(fā)量和時間符合指數(shù)關(guān)系。

表2 不同埋深下土壤累積蒸發(fā)量與時間的擬合參數(shù)Tab.2 Matching parameters of soil cumulative evaporation and time under different buried depths

在本次試驗過程中，分析選用Y=axb方程來模擬土壤水分蒸發(fā)全過程，方程中，x為時間，Y為累計蒸發(fā)量。對方程微分處理得到蒸發(fā)過程速率值V：V=dY/dx=abx(b-1)，可知，速率大小與系數(shù)a、b和b-1相關(guān)，表2計算系數(shù)a、b和b-1均為常數(shù)。將a、b和b-1數(shù)值代入求解微分方程，得各時段蒸發(fā)速率值(表3)。

表3 不同層位埋深下土壤累積蒸發(fā)速率Tab.3 Cumulative evaporation rate of soil under different depths

分析各時段水分蒸發(fā)速率值。在蒸發(fā)開始兩日0～2 d，土壤水分蒸發(fā)速率大小為CK>C4>C2>C1>C3。在蒸發(fā)初期4～8 d，土壤水分蒸發(fā)速率大小為CK>C4>C1>C2>C3。在蒸發(fā)中后期10～24 d，土壤水分蒸發(fā)速率大小為CK>C1>C4>C2>C3。即在蒸發(fā)各個階段，秸稈單層覆蓋蒸發(fā)速率始終較其他對照組大，說明單層覆蓋較雙層覆蓋抑制土壤蒸發(fā)能力弱。對比C1、C2、C3、C4四組對照的蒸發(fā)速率，可以得到在蒸發(fā)過程中C1的蒸發(fā)速率較C2、C3、C4逐漸變大，也就是說隨著蒸發(fā)的不斷進行，土壤含水量不斷下降，C1覆蓋模式下土壤蒸發(fā)速率衰減較C2、C3、C4對照組少，說明在土壤不斷蒸發(fā)過程中雙層秸稈表層+深層的覆蓋模式對土壤蒸發(fā)的抑制效果弱于雙層秸稈淺層+深層覆蓋。

結(jié)合秸稈不同層位埋深觀察水分蒸發(fā)速率值，可得秸稈的埋深層位與土壤水分蒸發(fā)速率具有相關(guān)性。對比C2、C3、C4三組對照的蒸發(fā)速率，在上層秸稈層位不變的狀態(tài)下，改變下層秸稈層位，隨著層位向下移動，土壤蒸發(fā)速率先減小后增大(C4>C2>C3)，表明雙層秸稈覆蓋下水分蒸發(fā)速率值隨著下層秸稈埋深增大而減小，但達到一定埋深深度后，蒸發(fā)速率值不再繼續(xù)減小，反而開始增大。即當下層秸稈超過一定埋深后，雙層秸稈對土壤蒸發(fā)抑制作用開始減弱。因此可以看出，雙層秸稈覆蓋過程中合理選擇秸稈埋深層位對抑制蒸發(fā)有直接影響。本次試驗中，最有利于抑制土壤水分蒸發(fā)埋深層位為上層80 mm、下層300 mm的C3對照組。

3 結(jié) 論

(1)不同秸稈覆蓋方式的土壤日蒸發(fā)量不同。蒸發(fā)過程可大體分為三段：在蒸發(fā)初期1～10 d，土壤含水量較大，土壤蒸發(fā)量基本保持CK>C4>C2>C1>C3；隨著蒸發(fā)的進行，土壤含水量逐漸降低，水分逐漸無法充分供應(yīng)，11～18 d土壤日蒸發(fā)大小為CK>C1>C4>C3>C2；當?shù)皆囼災(zāi)┢冢寥篮窟_到最低，且秸稈隔層的作用破壞了土壤孔隙的連續(xù)性，土壤下層潛水不能順利到達表層土壤，致使土壤蒸發(fā)量減小至最低水平并趨于穩(wěn)定，19～24 d內(nèi)基本保持C2>C1>CK>C4>C3的變化趨勢。

(2)雙層秸稈覆蓋下秸稈埋深層位與土壤水分蒸發(fā)量具有相關(guān)性，表現(xiàn)為隨著下層秸稈埋深距離的增大，蒸發(fā)量先減小后增大。在整個蒸發(fā)過程中，CK的土壤水分累積蒸發(fā)量為3.154 2 kg，C1、C2、C3、C4處理相較于CK 的抑蒸率分別為2%、3.97%、8.6%、2.3%。相比可知，單層秸稈覆蓋抑制蒸發(fā)作用小于雙層秸稈，雙層秸稈淺層+深層覆蓋方式(C2、C3、C4)對土壤水分蒸發(fā)的抑制效果優(yōu)于秸稈表層+深層覆蓋方式(C1)。

(3)不同秸稈埋深下土壤水分蒸發(fā)采用方程Y=axb的擬合最好，更符合本次試驗土壤水分累積蒸發(fā)量與時間的變化關(guān)系。蒸發(fā)速率V值越小，抑蒸效果越明顯，雙層秸稈覆蓋下隨著下層秸稈向下埋深深度增大，土壤蒸發(fā)速率減小，當埋深超過最佳埋深距離后，蒸發(fā)速率重新增大，通過試驗分析，得到上層埋深80 mm下層埋深300 mm秸稈雙層覆蓋最有利于抑制土壤水分蒸發(fā)。