蚯蚓糞覆蓋對土壤水分蒸發過程的影響*

李彥霈 邵明安，，3? 王 嬌

（1 西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100）

（2 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101）

（3 中國科學院大學資源與環境學院，北京 100190）

土壤水分蒸發是干旱半干旱區農田水分損失的重要途徑，是制約農業生產的關鍵因素之一［1-2］，因此，國內外針對土壤蒸發抑制技術開展了大量研究［3-5］。其中，地表覆蓋能夠改善農田小氣候，在農業生產中受到普遍重視［6］。原翠萍等［7］研究發現，砂石覆蓋能夠有效抑制土壤蒸發，且抑制能力隨砂石粒徑的增大而降低；王曼華等［8］通過對秸稈覆蓋條件下的鹽堿地水分蒸發規律進行分析，指出秸稈覆蓋可顯著減少土壤水分蒸發，并且能夠抑制土壤返鹽；周宏偉等［9］利用自然覆蓋物進行了人工模擬蒸發實驗，結果表明，積沙層、鹽結皮層和枯落物阻隔土壤蒸發作用明顯；毛學森和曾江海［10］將水泥硬殼應用于農田，可使土壤蒸發減少75%～81%。

蚯蚓是土壤中的主要動物類群，在土壤表面和土體內部可產生大量排泄物——蚯蚓糞，蚯蚓糞是土壤中優良的團粒結構，能夠改善土壤的通氣透水、蓄水保肥等性質［11-12］。近年來，蚯蚓養殖業逐漸發展壯大，蚯蚓糞被廣泛用于育苗、土壤培肥、重金屬污染修復以及抑制作物病害等方面［13，17］。但目前國內外針對蚯蚓糞的研究主要集中于土壤生物、化學等過程，而關于其對土壤物理過程的影響研究較少。已有研究表明，覆蓋于地表的蚯蚓糞能夠增加土壤表面的粗糙度進而影響水分入滲過程［18-19］，但尚未有相關研究分析蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發過程的影響。

本研究主要目的是探究蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發過程的影響。通過比較一定時段內不同覆蓋厚度和覆蓋度條件下的土壤蒸發量和土壤累計蒸發量，以及蒸發過程中蚯蚓糞和土壤中有機質含量變化，分析蚯蚓糞不同覆蓋條件對土壤蒸發過程的抑制作用，試圖揭示蚯蚓糞抑制土壤蒸發的機制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年6月15日至7月25日在陜西省楊凌區中國科學院水土保持研究所（108°07′E,34°30′N）試驗地進行。供試土壤類型為褐土類，塿土亞類。采自水土保持研究所試驗農地，去除表層雜質后，采集0～1 m的土壤樣品。土壤樣品清除根系等雜質后自然風干，過2 mm篩備用。有機質含量5.36 g kg-1，全氮0.81 g kg-1，顆粒組成為：砂粒5.92%，粉粒62.85%，黏粒31.23%。

試驗用蚯蚓糞由大平1號蚯蚓產生，具體收集方法為：蚯蚓加入磨碎的樹葉中，放置于溫度20℃、土壤水分含量10%～15%的條件下培養1個月，然后在表層收集蚯蚓糞，混合均勻后待用。蚯蚓糞有機質含量18.92g kg-1，全氮8.77 g kg-1，全磷6.23 g kg-1，顆粒組成為：砂粒19.78%，粉粒59.69%，黏粒20.53%。

1.2 試驗方法

試驗用小型蒸發器為內徑20 cm、壁厚0.5 cm、高25 cm的圓柱形聚氯乙烯（PVC）管，底部均勻分布6個直徑為0.4 cm的圓孔，墊上濾紙及紗布防止土壤漏出。風干塿土按容重1.3 g cm-3分層裝入桶內至20 cm厚。將填裝好的蒸發器擺放于水槽中，蒸發器底部墊上2 cm厚的塑料泡沫，然后向水槽中緩緩加水至約蒸發器10 cm高處。24 h后，當蒸發器內的土壤全部濕潤時，將蒸發器搬出水槽，并在其表面覆蓋一層塑料薄膜防止蒸發，靜置48 h排除重力水后稱重。試驗統一將土壤初始含水量控制在田間持水量附近，在自然條件下進行連續蒸發。試驗中用稱重法測定土壤蒸發量，用20 cm標準蒸發皿測定相同時段內的大氣蒸發，標準蒸發皿放置于距離地面75 cm處。在蒸發器的土層上按不同厚度和覆蓋度（蚯蚓糞覆蓋面積與土壤橫截面積之比）隨機分散鋪設蚯蚓糞，共設置7個處理（見表1）。鋪設完畢后稱重記錄。在土壤表層垂直插入電子溫度計探頭，深度為3 cm，用于測定土壤表層溫度。每個處理設置3個重復。

表1 試驗處理Table 1 Experiment treatment

裝土完成后，將蒸發器放置于戶外空曠地，并用遮雨棚對蒸發器進行遮蓋以避免降雨影響。蚯蚓糞不同厚度和覆蓋度對土壤蒸發量影響的試驗分別進行，均連續測定15 d的土壤蒸發量，每天早晨8:00對蒸發器進行稱量，同時記錄土壤溫度和大氣蒸發力。同時，在蒸發試驗的第1天每隔1.5 h稱重，8:00開始至21:30結束，用于分析蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發量日變化的影響。

蒸發試驗開始前，從收集的蚯蚓糞中隨機選取4份重約1 g的團聚體，風干后過2 mm篩，利用重鉻酸鉀加熱法分別測定其有機質含量，取平均值作為蚯蚓糞有機質含量。土壤連續蒸發試驗結束后，收集各處理土壤表面的蚯蚓糞并將剩余的土壤混合均勻，分別測定蚯蚓糞及各處理土壤有機質含量。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0計算各變量的描述性統計特征值及單因素方差分析，利用Origin8.5完成制圖。

2 結果與討論

2.1 蚯蚓糞覆蓋厚度對土壤蒸發過程的影響

土壤蒸發量與大氣蒸發力的比值可用于反映不同天氣條件下各處理蒸發速率的差異。圖1顯示了在不同蚯蚓糞覆蓋厚度條件下，各處理土壤蒸發量與大氣蒸發力的比值隨時間的變化。從圖中可以看出，在蒸發過程的前9 d，土壤蒸發量表現為覆蓋4 cm ＜ 2.5 cm ＜ 1 cm ＜裸土，即蚯蚓糞覆蓋厚度越大，土壤蒸發量越小；隨著蒸發過程的繼續進行，不同處理之間的差異逐漸減小。蒸發前期，土壤含水量接近田間持水量，土壤水分充足，蒸發作用強烈，此時，蚯蚓糞覆蓋厚度越大，阻礙土壤水分向大氣散失的能力越強，因此，蚯蚓糞厚度大的土壤水分蒸發小于厚度小的土壤。以上結果說明：蚯蚓糞覆蓋可以有效抑制土壤水分蒸發，且覆蓋厚度越大，抑制力越強。隨著蒸發過程的進行，土壤中水分不斷損失，蒸發強度隨著土壤含水量的減少而降低。當地表形成干土層后，水分通過干土層散失至大氣中主要是水汽擴散的緩慢過程，蒸發強度很低，受蚯蚓糞覆蓋的影響減弱，因此不同處理間無明顯差異。

蚯蚓糞不同覆蓋厚度對土壤累計蒸發量的影響見圖2。從圖中可以看出，隨著蚯蚓糞覆蓋厚度的增大，土壤累計蒸發量逐漸減少，累計蒸發量與時間近似呈線性關系。覆蓋厚度1 cm、2.5 cm和4 cm處理下的平均土壤累計蒸發量分別占大氣蒸發量的49.57%、47.61%和36.96%，而裸土的平均累計蒸發量占大氣蒸發量的55.48%，表明蚯蚓糞覆蓋可有效減少土壤水分散失，而且覆蓋厚度越大，土壤蒸發量較裸土減少越多。

圖3為在蚯蚓糞不同覆蓋厚度條件下土壤蒸發量在一天中的變化情況。從08:00至12:30，土壤蒸發強度不斷增加，12:30時土壤蒸發量達到最大值，之后大致呈下降趨勢。土壤蒸發量受溫度影響，溫度升高時蒸發量相應增大。大部分時間段蚯蚓糞不同覆蓋厚度條件下土壤蒸發量從大到小的排序為：裸土＞1 cm覆蓋＞2.5 cm覆蓋＞4 cm覆蓋。至21:30時，覆蓋1 cm、2.5 cm和4 cm蚯蚓糞的平均土壤蒸發量較裸土分別降低了16.91%、38.40%、53.87%。就試驗時段的土壤蒸發量變化幅度而言，裸土的變幅（ACK= 20.00 g）和標準差（σCK=5.84 g）大于有蚯蚓糞覆蓋的土壤（A1= 17.33 g，A2.5= 13.67 g，A4= 14.33 g；σ1= 5.84 g，σ2.5=4.62 g，σ4= 4.64 g），說明蚯蚓糞覆蓋的土壤更不易受氣象條件等外部因素的影響，同時，蚯蚓糞厚度增加至2.5 cm時，土壤蒸發量的變幅和標準差均隨著蚯蚓糞覆蓋厚度的增加而降低，2.5 cm覆蓋厚度與4 cm差異不顯著，說明在一定范圍內，蚯蚓糞覆蓋厚度越大，土壤蒸發過程受氣象條件等外部因素影響越小。總體而言，蚯蚓糞覆蓋厚度對土壤蒸發過程存在較顯著的影響。

圖1 不同覆蓋厚度下土壤蒸發量與大氣蒸發力的比值Fig. 1 Ratio of soil evaporation to atmospheric evaporation relative to mulch thickness

圖2 不同覆蓋厚度條件下土壤累計蒸發量隨時間的變化Fig. 2 Temporal variation of soil cumulative evaporation relative to mulch thickness

圖3 不同覆蓋厚度條件下土壤蒸發量日變化Fig. 3 Daily variation of soil evaporation relative to mulch thickness

2.2 蚯蚓糞覆蓋度對土壤蒸發過程的影響

蚯蚓糞不同覆蓋度條件下土壤蒸發量與大氣蒸發力比值連續15 d的動態變化過程如圖4。從圖中可以看出，在蒸發過程的第1天，所有處理的土壤蒸發量均較高，占同期大氣蒸發力的91.11% ～97.78%，其中，覆蓋度90%的土壤平均蒸發量最低（93.09%）。第2天至第4天，不同處理的土壤日蒸發量均變化很小，覆蓋度90%的土壤蒸發量顯著小于其他三個處理，而裸土的日蒸發量最高。第5天開始，所有處理的土壤蒸發量均呈現明顯的下降趨勢，不同處理的土壤日蒸發量從高到低依次為：覆蓋度30% ＞覆蓋度60% ＞覆蓋度90% ＞裸土。裸土的蒸發量小于蚯蚓糞覆蓋的土壤可能是由于裸土的水分散失較快，其表層發生板結阻礙水分蒸發［20］。而對于覆蓋蚯蚓糞的三種處理而言，在覆蓋厚度一定的情況下，覆蓋面積越大，土壤與大氣的接觸面積越小，對蒸發的抑制越強，土壤蒸發量越小。

圖4 不同覆蓋度條件下土壤蒸發量與大氣蒸發力的比值Fig. 4 Ratio of soil evaporation to atmospheric evaporation relative to mulching coverage

圖5顯示了蚯蚓糞不同覆蓋度條件下土壤累計蒸發量隨時間的變化。由圖可以看出，蒸發前期覆蓋度90%的土壤累計蒸發量明顯小于其他三個處理，但覆蓋度30%、60%和裸土的土壤累計蒸發量差異不明顯。隨著蒸發過程的進行，裸土的累計蒸發量逐漸小于覆蓋度30%和60%的處理，但仍高于覆蓋度90%的土壤。在蒸發過程的最后4天，裸土的累計蒸發量與覆蓋度90%的土壤基本一致。此外，對比覆蓋度為90%覆蓋厚度分別為2 cm和2.5 cm條件下土壤累計蒸發量變化趨勢，可以發現前者的土壤蒸發速率在前9天較高，之后出現明顯的降低，而后者的蒸發速率則基本穩定。這主要是由于二者試驗同期的氣象條件存在差異。對于覆蓋厚度2 cm的處理，其試驗前期的外界氣溫高于覆蓋厚度2.5 cm的處理，后期則相對較低，因此，土壤水分在蒸發過程前期散失較快，蒸發速率較高，后期由于土壤含水量較低，蒸發速率下降。而對于覆蓋厚度為2.5 cm的處理，由于其前期水分損失相對較少，且后期外界氣溫較高，因此，蒸發速率無明顯變化。雖然土壤蒸發過程在相似覆蓋條件下存在差異，但均能夠有效減少土壤蒸發量。

圖5 不同覆蓋度條件下土壤累計蒸發量隨時間的變化Fig. 5 Temporal variation of soil cumulative evaporation relative to mulching coverage

圖6為在不同覆蓋度的蚯蚓糞覆蓋條件下土壤蒸發量在一天內的變化情況。由圖可知，不同處理的土壤在一天中蒸發量先增大后減小，在12:30至14:00最大，8:00至9:30最小。在8:00至11:00之間，土壤蒸發量從高到底依次為：裸土＞覆蓋度30%＞ 60% ＞ 90%；在11:00之后則為：覆蓋度30%＞覆蓋度60% ＞裸土＞覆蓋度90%。盡管表層板結導致裸土的蒸發量較低，但覆蓋度90%的土壤蒸發量仍小于裸土，其在試驗時段內的累計蒸發量是裸土的89%。說明當蚯蚓糞覆蓋度較大時，對土壤蒸發的抑制作用較為明顯。

2.3 蚯蚓糞覆蓋對土壤有機質含量的影響

圖6 不同覆蓋度條件下土壤蒸發量日變化Fig. 6 Daily variation of soil evaporation relative to mulching coverage

蒸發過程結束后各處理土壤的有機質含量見表2。試驗開始時土壤有機質含量為5.36 g kg-1，結束時所有處理的土壤有機質含量均有所下降。其中，無蚯蚓糞覆蓋的土壤有機質含量減少了23.32%，高于有蚯蚓糞覆蓋的處理，并且土壤有機質減少量隨著蚯蚓糞覆蓋厚度和覆蓋度的增加而減小。分別對蚯蚓糞不同覆蓋厚度和覆蓋度的土壤有機質含量進行方差分析，可以看出：蚯蚓糞覆蓋可顯著增加土壤有機質含量。對于覆蓋不同厚度蚯蚓糞的土壤來說，當覆蓋厚度由1 cm增加至2.5 cm時，土壤中有機質含量顯著增加，但當厚度增加至4 cm時，有機質含量無顯著性提高。而對于覆蓋厚度一定但覆蓋度不同的土壤而言，增大蚯蚓糞覆蓋度可顯著提高土壤有機質含量。

本試驗所用蚯蚓糞的有機質含量在蒸發過程開始為18.92 g kg-1，為土壤有機質含量的3.53倍。土壤有機質能夠促進團聚體結構的形成，進而改善其吸水和持水能力［21-22］。蚯蚓吞食土壤后形成的團聚體結構疏松，具有較大的毛管孔隙度和較高的有機質含量［23-24］，因此，蚯蚓糞較土壤具有更好的保水性能。此外，本研究結果表明，蚯蚓糞的覆蓋還能夠有效增加土壤有機質含量，在一定程度上也提高了土壤的持水能力。

3 結 論

蚯蚓糞覆蓋對土壤水分蒸發有一定的抑制作用，且與蚯蚓糞的覆蓋厚度和覆蓋度有密切關系。在相同的覆蓋度條件下，土壤蒸發量與大氣蒸發力的比值隨蚯蚓糞覆蓋厚度的增加而減小；土壤累計蒸發量與時間近似呈線性關系，而且覆蓋厚度越大，蒸發過程受氣象等外界條件的影響越弱，蒸發強度的日變化幅度越小。蚯蚓糞覆蓋度對土壤蒸發過程的影響小于覆蓋厚度，覆蓋度較大時，抑制土壤蒸發的效果較為明顯。進一步分析蒸發前后蚯蚓糞和各處理土壤有機質含量的變化，表明蚯蚓糞能夠有效增加土壤有機質含量，從而增強土壤的保水、持水性能。

表2 不同覆蓋條件下蒸發過程結束土壤有機質含量Table 2 Soil organic matter content after the experiment relative to treatment

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