不同類型礫石覆蓋對土壤水分蒸發的影響

?周 約，謝鐵娜

（1.寧夏大學教學實驗農場，寧夏 銀川 750100；2.寧夏大學農學院，寧夏 銀川750021）

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不同類型礫石覆蓋對土壤水分蒸發的影響

周 約1，謝鐵娜2

（1.寧夏大學教學實驗農場，寧夏 銀川 750100；2.寧夏大學農學院，寧夏 銀川750021）

摘 要：為了探求寧夏中部干旱區最適宜的硒砂瓜覆砂粒徑，以寧夏中衛南山臺地區天然砂石為試材，采用蒸發器整體稱重法，研究了不同類型礫石覆蓋對土壤水分蒸發的影響。結果表明：不規則礫石覆蓋處理的土壤日蒸發量顯著高于卵石和片石，而卵石和片石覆蓋處理下的土壤日蒸發量平均值差別較小，未達到顯著水平。這表明規則礫石對土壤水分蒸發的抑制效果比不規則礫石的要好。相關性分析結果表明：不同類型礫石覆蓋處理的累積蒸發量可以用多項式方程Y=at2+bt+c來模擬，相關系數大于0.95。

關鍵詞：礫石類型；覆蓋；土壤水分蒸發

在干旱和半干旱地區，土壤蒸發導致的水分消耗占到很大比例。研究表明，礫石覆蓋可以很好的抑制土壤水分蒸發，提高水分的利用效率。其原理是：礫石覆蓋改變了土壤的輻射特性和地表溫度，同時礫石層切斷了毛管力作用，中斷了水分的向上運動，因此削弱土壤水分的蒸發[1-2]。雖然國內外學者對砂礫石和礫石覆蓋的水分散失過程有許多研究，但分析不同覆蓋厚度和不同覆蓋粒徑下土壤蒸發過程的較多[3]，對礫石類型的研究較少，不同類型礫石的形狀、顏色、孔隙度等物理特性存在差異，從而對土壤水分的蒸發過程也有影響。試驗對不同類型砂礫覆蓋下土壤水分的蒸發過程進行監測，比較不同類型的礫石覆蓋對土壤水分蒸發的抑制效果。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自寧夏回族自治區中衛市永康鎮南山臺樂臺村，土壤質地為沙土，土樣風干后粉碎，過2 mm的土篩。供試礫石類型為不規則紫石、紫卵石、紫片石，采自寧夏中衛南山臺地區。蒸發器采用市場購置的PVC管做成圓桶，桶直徑20 cm，桶高50 cm。

1.2 試驗方法

1.2.1 預處理 圓桶底部蓋一層細紗，然后卡入桶底部蓋子的旋轉絲扣中。把裝好土的土柱放在盛水的塑料盆里吸水2 d，通過土壤的毛細管作用使土壤水分達飽和狀態。土柱取出靜置48 h，排掉多余水分，備用。

1.2.2 試驗設計 將不同類型的礫石覆蓋在土壤表面，礫石厚度為8 cm左右，礫石表面與圓桶上表面齊平。設計4個處理：S1，不規則紫石覆蓋；S2，紫卵石覆蓋；S3，紫片石覆蓋；CK，無礫石覆蓋。每個處理重復3次。每個土柱上方30 cm高度放置一個200 W的燈泡，用來提供蒸發所需熱量，每天開燈8 h，從9:00到17:00，南北坐向的窗戶在整個試驗期間保持通風。

1.2.3 指標測定及計算 室內溫度和相對濕度用干濕溫度計測定；采用量程為30 kg、感度為1 g的電子秤測定土壤蒸發量。土壤蒸發開始后，土柱每次質量的變化即當天土壤蒸發質量E±（kg），將E±轉化為標準的土壤蒸發量E（mm）：

2 結果與分析

2.1 不同類型礫石覆蓋對土壤水分日蒸發量的影響

從表1中可以看出，礫石覆蓋處理的日蒸發量顯著低于無礫石覆蓋處理，S1～S3處理的日蒸發量比CK處理低50%～62%；其中，以紫卵石和紫片石覆蓋處理對土壤水分蒸發的抑制效果較好，S2（紫卵石覆蓋）和S3（紫片石覆蓋）處理的土壤水分日蒸發量比S1（不規則紫石覆蓋）處理的低0.10～0.11 mm，且差異顯著。這說明規則礫石對土壤水分蒸發的抑制效果比不規則礫石的要好。在實施礫石覆蓋處理時，應該選擇規則礫石進行覆蓋，以防止水分大量損失，從而促進旱作農業的可持續發展。

表1　不同類型礫石覆蓋下土壤水分日蒸發量的比較

變異系數（CV）反映隨機變量的離散程度，峰度系數和偏度系數反映數據分布的對稱性和平坦性。從表1中還可以看出，礫石覆蓋和無礫石覆蓋條件下，土壤日蒸發量的CV值均大于0.7，表現出中等變異性，各處理之間的CV值區別較小。不規則紫石和紫卵石覆蓋處理土壤日蒸發量的峰度系數和偏度系數均高于片石覆蓋處理，說明不規則石和卵石土壤日蒸發量分布的對稱性和平坦性比片石覆蓋處理的要差。導致這一結果的原因可能是礫石之間的孔隙結構使土壤水分蒸發過程存在差異，總體上片石和卵石對土壤蒸發的抑制效果明顯優于不規則石。

2.2 不同類型礫石覆蓋對土壤水分日蒸發量變化的影響

由圖1可知，不同類型礫石覆蓋與無覆蓋處理的土壤日蒸發量隨時間的變化規律基本一致，主要受溫度、濕度、風速等氣象因素的影響而呈現不穩定的波動變化，當蒸發試驗進行到30 d時，除不覆蓋處理外，不同類型礫石覆蓋處理的日蒸發量變化很小且差異不明顯。

圖1　不同類型礫石覆蓋下土壤水分日蒸發量隨時間的變化

2.3 不同類型礫石覆蓋對土壤水分累積蒸發量的影響

由表2和圖2可知，試驗進行5 d時，CK處理的土壤水分累積蒸發量顯著低于S1～S2處理，但隨著時間的延續，S1～S2處理的土壤水分蒸發量累積速度顯著慢于CK處理，到試驗進行41 d時，S1～S2處理的土壤水分累積蒸發量比CK處理低49.8%～61.6%。而不同類型礫石之間，不規則紫礫石覆蓋處理的土壤水分累積蒸發量分別比紫卵石和紫片石覆蓋處理的高4.46和4.14 mm，且差異顯著。這也說明礫石覆蓋可有效降低水分蒸發量，且規則礫石對土壤水分蒸發的抑制效果比不規則礫石更明顯。

表2　不同類型礫石覆蓋在不同時段土壤水分累積蒸發量的差異性分析　（mm）

圖2　不同處理土壤水分累積蒸發量隨時間的變化

2.4 覆蓋礫石類型與土壤水分蒸發量的相關性分析

為了明確累積蒸發量隨時間的變化特征，以及預測礫石覆蓋條件下累積蒸發量，對不同類型礫石覆蓋下，累積蒸發量隨時間變化進行擬合，結果如表3所示。由表3可知，各處理線性回歸的相關系數均大于0.94，乘冪回歸的相關系數均大于0.93，多項式回歸的相關系數均大于0.95，說明可以用多項式方程Y=at2+bt+c（因變量Y為累積蒸發量，自變量t為蒸發時間，a、b和c均為方程系數）來模擬累積蒸發量隨時間的變化，即累積蒸發量隨蒸發時間呈多項式函數增加。

表3　不同類型礫石覆蓋對累積蒸發量隨時間變化擬合結果

圖3為41 d的蒸發試驗結束時，不同類型礫石覆蓋和無礫石覆蓋處理土壤水分的總蒸發量。從圖3中可以看出，各處理土壤水分總蒸發量由高到低排列依次為：無礫石覆蓋＞不規則礫石覆蓋＞片石覆蓋＞卵石覆蓋，且不同類型礫石覆蓋的累積蒸發量變化趨勢也可以用多項式來表示，Y=4.617 8x2-15.701x+26.115，R2=0.983 9。

圖3　不同類型礫石覆蓋對累積蒸發量的影響

3 小 結

研究利用稱重法分析了不同類型礫石覆蓋條件下土壤水分蒸發量隨時間的變化情況，得出以下結論。

（1）不規則礫石覆蓋處理的土壤日蒸發量高于卵石和片石，而卵石和片石覆蓋處理下的土壤日蒸發量平均值差別較小。不同類型礫石覆蓋條件和無礫石覆蓋條件下的土壤日蒸發量的CV值均大于0.7，表現出中等變異性，不同類型礫石覆蓋處理間的CV值差別較小。不規則石和卵石的土壤日蒸發量的峰度系數和偏度系數均高于片石覆蓋處理，說明不規則石和卵石土壤日蒸發量分布的對稱性和平坦性比片石覆蓋處理的要差。

（2）通過不同類型礫石覆蓋下土壤累積蒸發量的比較，發現累積蒸發量與覆蓋礫石的類型密切相關，其中不規則礫石覆蓋的累積蒸發量最大，卵石和片石的累積蒸發量相差較小，說明規則礫石對土壤水分蒸發的抑制效果比不規則礫石更明顯。

（3）不同類型礫石覆蓋處理的累積蒸發量可以用多項式方程Y=at2+bt+c（因變量Y為累積蒸發量，自變量t為蒸發時間，a、b和c均為方程系數）來模擬，相關系數大于0.95。

（4）不同類型礫石覆蓋所導致的土壤水分蒸發差異跟礫石表面的形狀和粗糙度有很大的相關性。因為不同形狀和粗糙度的礫石堆積形成的覆蓋層內孔隙大小不一，對土壤中水分的運動以及水汽在礫石覆蓋層中的遷移過程產生了影響，其具體作用機制還需要進一步研究。

參考文獻：

[1] Poesen J，Lavee H. Rock fragments in top soils：significance and processes[J]. Catena，1994，23：1-28.

[2] 邵明安，馬東豪，朱無駿. 黃土高原土石混合介質土壤水分研究[M].北京：科學出版社，2010.

[3] 周 約. 不同粒徑礫石覆蓋對寧夏干旱區土壤水分蒸發的影響[J].湖南農業科學，2015，（12）：72-74.

（責任編輯：成 平）

Effects of Different Kinds of Gravel Covering on Soil Evaporation

ZHOU Yue1，XIE Tie-na2（1. The experimental Farm of Ningxia University, Yingchuan 750100, PRC; 2. School of Agriculture , Ningxia University, Yingchuan 750021, PRC）

Abstract：In order to explore the most suitable type of gravel covering for selenium sand melon in dry areas of middle Ningxia, this research used the natural gravels from Nanshantai region in Zhongwei city, Ningxia, as test materials, and utilized evaporator overall weighing method to study the effects of different kinds of gravel covering on soil water evaporation. The results showed that the daily evaporation capacity of the soil covered by irregular gravels was significantly higher than those of the soils covered by pebble and flaky, while the daily evaporation capacities of pebble and flaky cover treatments were almost the same without significant difference, which indicated that the evaporation suppression effect of regular gravels was better than those of irregular ones. Correlation analysis results showed that cumulative evaporation capacity of different kinds of gravel covering could be simulated with the polynomial equation Y=at2+bt+c and the correlation coefficient was larger than 0.95.

Key?words：gravel type; covering; soil water evaporation

作者簡介：周 約（1972-），男，寧夏中衛市人，講師，主要從事草地生態資源與環境教學研究工作。

基金項目：寧夏大學自然科學研究基金資助項目（ZR1208）；寧夏高等學校科學技術研究資助項目（NGY2014065）

收稿日期：2015-10-10

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.013

中圖分類號：S156.92

文獻標識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）01-0040-03