覆膜開孔率對土壤水分蒸發(fā)的影響

王 慧，李紹才，龍 鳳，李付斌，孫海龍，張瓊瑛

(1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川成都 610064;2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都 610064;3.彭州市山地生態(tài)工程技術(shù)研究中心，四川成都 610064)

地膜又稱塑料薄膜，把塑料薄膜嚴(yán)密地覆蓋在土壤表面就稱為地膜覆蓋。地膜覆蓋是20世紀(jì)50年代初期隨著塑料工業(yè)的興起而發(fā)展起來的，是把厚度為0.002～0.02 mm的聚乙烯塑料薄膜覆蓋在農(nóng)田上面的抗旱保墑技術(shù)。1978年我國從日本引進地膜覆蓋栽培技術(shù)，現(xiàn)已大面積推廣應(yīng)用于西北半干旱、干旱地區(qū)。地膜覆蓋可以提墑保墑、減少耕層土壤鹽分、改善土壤理化性質(zhì)、促進農(nóng)作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［1］。

近年來，國內(nèi)外針對裸土蒸發(fā)［2-5］、全覆膜蒸發(fā)［6］或不同覆蓋條件下的蒸發(fā)［7］等土壤蒸發(fā)過程進行了大量的研究，但是有關(guān)覆膜開孔對土壤水分蒸發(fā)影響的研究較少，并且相關(guān)研究多為室內(nèi)覆膜開孔水分蒸發(fā)的動態(tài)觀測［2，8］，缺乏室外覆膜開孔對土壤水分蒸發(fā)影響的相關(guān)研究。本試驗通過研究室外玻璃棚內(nèi)覆膜開孔率對土壤水分蒸發(fā)的影響，對覆膜開孔率與土壤水分蒸發(fā)關(guān)系進行定量分析，旨在為覆膜開孔土壤水分蒸發(fā)的研究提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2011年9—10月在四川省彭州市山地生態(tài)工程技術(shù)研究中心的玻璃棚內(nèi)進行。試驗地位于彭州市升平鎮(zhèn)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫16.3℃，年均相對濕度79%，年均蒸發(fā)量1 536.4 mm。

1.2 試驗設(shè)計方案

1.2.1 試件材料

試驗覆膜為透明超薄(厚0.007 mm)塑料薄膜，試驗試件采用有機玻璃加工制成。試驗土壤按國際制砂土標(biāo)準(zhǔn)(砂粒85% ～100%，粉粒0～15%，黏粒0～15%)配制，其中砂粒92%、粉粒5%、黏粒3%。

1.2.2 試驗設(shè)計

試驗試件如圖1所示，土壤經(jīng)烘箱進行干燥處理后，裝入長40 cm、寬40 cm、高5 cm的有機玻璃盆中，重量均為2 150 g，與有機玻璃盆口近乎平齊。試驗以覆膜不同開孔率為變量因子，分別設(shè)置12.5%、25%、50%、75%、100%五個開孔率，100%開孔率即為裸土蒸發(fā)。覆膜表面按照開孔率方形開孔，均勻分布。有機玻璃盆底部有圓形開孔，填土后，將其放入水池中充分吸水，然后置于有網(wǎng)格的鐵架上控水，至不存在重力水，然后在有機玻璃盆底部覆膜，準(zhǔn)備好后稱重，最后將其放入玻璃棚中。每種處理設(shè)置3個平行試驗。

圖1 覆膜開孔率對土壤水分蒸發(fā)影響試驗試件設(shè)計示意

1.3 試驗測定方法

土壤水分蒸發(fā)量采用稱重法測量［9-10］，每天測量2次，分別在早上8：00和晚上20：00進行稱量。有機玻璃盆內(nèi)土壤水分蒸發(fā)量計算公式為

式中：Wn為當(dāng)天早上有機玻璃盆質(zhì)量，g;Wn+1為當(dāng)天晚上有機玻璃盆質(zhì)量，g;Wn+2為次日早上有機玻璃盆質(zhì)量，g。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤累積蒸發(fā)量與覆膜開孔率的關(guān)系

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制出不同覆膜開孔率條件下土壤水分累積蒸發(fā)量隨蒸發(fā)時間變化的散點圖，見圖2。結(jié)果表明，覆膜試件的開孔率不同，土壤水分累積蒸發(fā)量不同，覆膜開孔率越大，土壤與大氣之間的水分交換越暢通，即水汽擴散的通量越大，則覆膜抑制土壤水分蒸發(fā)的效率越低，水分累積蒸發(fā)量越大。隨著蒸發(fā)時間延長，因系統(tǒng)沒有外來水量供給，故累積蒸發(fā)量增長趨勢逐漸減弱且趨于穩(wěn)定，覆膜開孔率越大土壤水分越早趨于蒸發(fā)穩(wěn)定狀態(tài)。無覆膜條件下的土壤水分累積蒸發(fā)量最高，并且最早趨于水分蒸發(fā)的穩(wěn)定狀態(tài)。

國內(nèi)外大量研究表明，裸土蒸發(fā)［3-4，11-12］和覆膜開孔蒸發(fā)［2，8］條件下，土壤水分累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)時間的平方根之間存在線性關(guān)系。對累積蒸發(fā)量趨于穩(wěn)定前的試驗結(jié)果分析處理后可知，覆膜開孔率為12.5%、25%、50%、75%、100%時，土壤水分累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)時間的平方根之間均存在一定的線性關(guān)系，符合相關(guān)理論及試驗研究。根據(jù)裸土蒸發(fā)中累積蒸發(fā)量隨時間變化的理論和試驗分析結(jié)果可得

式中：E為累積蒸發(fā)量，g;t為蒸發(fā)時間，d;AE為與土壤性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)，亦稱蒸發(fā)系數(shù)。

對式(4)擬合覆膜不同開孔率條件下實測的土壤水分蒸發(fā)資料，得到蒸發(fā)系數(shù)(表1)。由表1可見，覆膜開孔率為12.5%的土壤蒸發(fā)系數(shù)最低，隨著開孔率的增大，蒸發(fā)系數(shù)呈非線性增大，無覆膜條件下的蒸發(fā)系數(shù)AE最大。

表1 覆膜不同開孔率下的累積蒸發(fā)量系數(shù)

2.2 覆膜不同開孔率條件下土壤累積蒸發(fā)量白天與夜晚的差異

試驗表明，無覆膜條件下土壤水分累積蒸發(fā)量在試驗進行到25 d后基本趨于穩(wěn)定。對前25 d內(nèi)不同覆膜開孔率條件下白天與夜晚的土壤累積蒸發(fā)量的試驗結(jié)果處理后得表2。由表2可知，隨著開孔率增加，白天與夜晚累積蒸發(fā)量均逐漸增加，當(dāng)覆膜開孔率為12.5%時，土壤白天、夜晚累積蒸發(fā)量均為最小，覆膜開孔率為100%時土壤白天、夜晚累積蒸發(fā)量最大。由于白天具有較強的蒸發(fā)優(yōu)勢，如氣溫、輻射等遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于晚上，所以白天土壤水分的累積蒸發(fā)量大大高于夜晚。采用SPSS進一步對不同覆膜開孔率條件下白天與夜晚的累積蒸發(fā)量分別進行多重比較(見表2)，結(jié)果表明，白天不同覆膜開孔率條件下的土壤累積蒸發(fā)量之間差異性顯著，但是夜晚覆膜開孔率25%與50%、50%與75%的土壤累積蒸發(fā)量之間差異性并不顯著。

表2 白天與夜晚不同覆膜開孔率對土壤累積蒸發(fā)量的影響

2.3 覆膜開孔率對土壤日蒸發(fā)量差值的影響

無論覆膜開孔與否，受風(fēng)速、濕度、日照、氣溫等各種因素的綜合影響，土壤水分的日蒸發(fā)量都會隨著環(huán)境條件的變化而變化。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，覆膜開孔率為12.5%、25%、50%、75%、100%的土壤水分日蒸發(fā)量最大值與最小值之差分別是142.67、165.33、187.00、240.00、255.67 g，由此可進一步得到不同覆膜開孔率的水分日蒸發(fā)量差值比較圖(圖3)。由圖3可知，裸土的日蒸發(fā)量差值最大，覆膜開孔率為12.5%時的日蒸發(fā)量差值最小，隨開孔率增大日蒸發(fā)量差值增大，即開孔率越大土壤水分的日變化量就越大。

圖3 覆膜開孔率對土壤水分日蒸發(fā)量差值的影響

2.4 覆膜開孔率對單位膜孔面積累積蒸發(fā)量的影響

實測資料分析表明，蒸發(fā)結(jié)束時的土壤水分總累積蒸發(fā)量隨著覆膜開孔率的增大而增加。覆膜開孔實際上提供了土壤和大氣之間水分交換的通道，而且這一通道與膜孔面積密切相關(guān)。因此，對覆膜開孔條件下單位膜孔面積的累積蒸發(fā)量進行了比較分析。在此定義：單位膜孔面積累積蒸發(fā)量(g/cm2)=總累積蒸發(fā)量(g)/覆膜開孔總面積(cm2)。將蒸發(fā)結(jié)束時的土壤單位膜孔面積的累積蒸發(fā)量隨覆膜開孔率變化的趨勢顯示于圖4，由圖4可知，在相同的蒸發(fā)時間內(nèi)，覆膜開孔率越大，單位膜孔面積累積蒸發(fā)量越小，即單位膜孔面積的累積蒸發(fā)量隨覆膜開孔率的增加而降低，且其降低趨勢為覆膜開孔率為12.5%—50%的明顯快于覆膜開孔率為50%—100%的。

圖4 單位膜孔面積的累積蒸發(fā)量變化

3 結(jié)語

地膜覆蓋的抑制蒸發(fā)、保墑和增溫效應(yīng)明顯地改善了光、溫、水、氣、肥等生態(tài)條件，有利于培育壯苗。研究表明，在自然條件下，隨著覆膜開孔率的增加，土壤累積蒸發(fā)量不斷提高;在不同覆膜開孔率條件下，覆膜開孔率對夜間土壤水分蒸發(fā)影響較小;在水分蒸發(fā)的前中期，即土壤水分累積蒸發(fā)量趨于穩(wěn)定之前，土壤累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)時間的平方根呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系;此外，土壤水分蒸發(fā)量系數(shù)和土壤日蒸發(fā)量差值均隨覆膜開孔率的增加而增大，但是單位膜孔面積的累積蒸發(fā)量隨覆膜開孔率的增加而降低。覆膜開孔為作物出土預(yù)留了苗孔，且增設(shè)灌水孔，已成為一項突出的增產(chǎn)節(jié)水措施，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大意義，應(yīng)用中可以結(jié)合現(xiàn)實需要選取合適的覆膜開孔率，以經(jīng)濟有效地利用覆膜和水資源。

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