黃土丘陵山地全年覆膜下土壤溫度、水分運移規律研究

何婷婷，汪有科，史志鵬

(1.江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116；2.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

【研究意義】果樹種植在黃土高原地區有著悠久的歷史，同時也讓該區域出現了不同程度的土壤干化[1-2]，這已經引起了國內外研究學者的高度重視。植物的種植類型是影響其土壤水分的消耗的關鍵因素[3-4]，同一植被，其不同深度的土壤水分消耗也不相同[5]。何小武等通過分析該地區不同植被類型下土壤水分的空間變異性后指出，遵守植被的自然分布規律以及充分利用降雨才是該地區實現水資源可持續利用的根本出路[6]。【前人研究進展】棗樹是陜北地區退耕還林以后的主要經濟樹種，1999年實行矮化密植后，其產量和品質有了大幅提升[7]，常年的棗樹種植使得該區域土壤出現了不同程度的水分虧缺，土壤水分的空間分布又直接影響棗樹根系的垂直分布[8]。土壤水分受降雨影響較大[9]，合理的覆蓋保墑措施能夠提高土壤水分含量，近而提高雨水的利用效率，該方法已經成為干旱半干旱地區的主要節水措施，并且成功應用于玉米、小麥和果樹等作物[10-15]。已有研究表明，地表覆蓋措施可以通過改善土壤的水熱、氣狀況和礦物質的分布而影響作物的生長和產量，并且對土壤干層的修復也有一定效果[16-18]，而這些覆蓋方法中，尤以地膜覆蓋效果最好[19]。薄膜覆蓋技術有很好的保墑增溫功能，由于薄膜鋪設在土壤表面，形成一層不透氣的塑料阻隔層，因此土壤蒸發在垂直方向被阻斷，因此作物蒸發量降低；另一方面，薄膜覆蓋使得土壤和外界的熱交換能力減弱，因此地表溫度會升高，地膜覆蓋技術已被成功應用于玉米、小麥等田間作物、大棚蔬菜和果樹上[20-26]。目前市場上農用覆蓋地膜的種類很多，李仙岳等[27]通過研究不同地膜對土壤溫度和葵花生長及產量的影響發現，普通塑料薄膜相比于液體地膜有顯著的增溫效果，保水方面也和生物地膜無差異。張杰等[28]也研究了不同地膜覆蓋下的玉米集雨種植，發現生物降解地膜和普通地膜在土壤保水和對提高玉米產量方面有顯著效果，并且相互之間無差異，生物降解地膜可以代替普通地膜用于農業生產。地膜覆蓋對北方寒冷地區的土壤保溫有顯著的效果，不同顏色的地膜對作物生長和產量的影響也不相同。許樹寧等[29]通過研究不同顏色地膜對甘蔗的生長后，通過經濟效益分析發現黑色地膜和普通無色地膜經濟性和對作物生長產量提高方面均優于灰黑雙色地膜，可作為新型地膜逐漸推廣。關于地膜覆蓋的研究非常多，并且在果樹方面的應用也已成熟，但是不同顏色地膜的保水效果保溫效果研究較少。【本研究切入點】本研究選擇陜北山地為研究對象，運用土壤水分遙感監測技術[30-31]，研究不同地膜覆蓋下的土壤溫度和水分變化規律。【擬解決的關鍵問題】探討不同覆膜方式對當地土壤的保水保溫效果，也為當地棗林土壤水分干層的恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2015年7月至2016年7月在陜西省榆林市米脂縣遠志山西北農林科技大學紅棗節水研究基地(37°40′～38°06′N, 100°15′～110°16′E)進行，該地區屬于典型的黃土高原丘陵溝壑區，平均海拔960 m，為中溫帶半干旱氣候，年內平均溫度 8.8 ℃，日照時數2372.7 h，無霜期165 d，根據米脂縣多年氣象資料，本地區年平均降雨量451.6 mm，降水集中在7-9月份，年最大降雨量704.8 mm，最小降雨量 186.1 mm。研究區土壤為黃綿土，土質均一，滲透性良好，為粉質壤土，1 m內土壤平均容重為1.29～1.31 g/cm3，土壤具體物理指標見表1。

1.2 試驗布設與指標測定

1.2.1 試驗布設 在棗林水平階選擇面積較大裸地，設置白膜覆蓋和黑膜覆蓋2種覆蓋方式，薄膜為雙層覆蓋0.015 mm的無色透明塑料膜和黑色牛毛氈，上下膜間距為15 cm，薄膜上設有若干不對稱直徑約2～3 mm的小孔以便雨水進入，薄膜根據破損情況定期更換，大約每年更換3～4次，以旁邊裸地作為對照，共3個處理，每個處理3個重復，9個小區隨機排列，在整個試驗地周邊挖1 m的深槽，槽內埋設厚塑料布使試驗小區與周邊土壤隔離，防止周邊土壤水分對試驗小區產生影響，試驗具體布設見圖1。

表1 試驗地土壤主要理化性質Table 1 Main soil physicochemical property of testing ground

圖1 田間試驗布設Fig.1 Field experimental layout

1.2.2 氣象資料獲取 距離試驗地100 m處設有小型自動氣象站(BLJW-4)，用于測定試驗地的降雨(mm)、氣溫(℃)、凈輻射(w/m2)、相對濕度(RH， %)、風速(m/s)等。數據采集器每30 min采集1次數據。

1.2.3 土壤溫度、水分測定 在每個試驗小區距離地表5、15、40、75、100、125、150 cm處各埋設由美國Decagon公司生產的GS3土壤水分傳感器，用于實時監測各點土壤溫度(T， ℃)和含水量(θ，cm3/cm3)，如圖1。利用Em50數據采集器采集數據，監測步長為30 min。

1.3 指標計算

土壤含水率計算：

(1)

式中：C——土壤含水率， %；θ——土壤體積含水量，cm3/cm3；ρ——土壤密度，g/cm3。

土壤儲水量計算：

W=10Hθ

(2)

式中：W——土壤儲水量，mm；H——土層深度，cm；θ——土壤體積含水量，cm3/cm3。

土壤儲水量變化量計算：

△W=Wt-W0

(3)

式中：Wt——計算時段末土壤儲水量，mm；W0——土壤初始儲水量，mm。

變異系數和標準差的計算公式：

(4)

(5)

土壤水分相對虧缺量(deficit soil water storage，DSWS)[32]：

(6)

式中：SWScpi為對照地第i土層土壤儲水量(mm)；SWSi為樣地第i土層土壤儲水量(mm)。

2 結果與分析

2.1 氣象資料分析

從圖2可以看出，試驗地氣溫和降雨年內變化較大，降雨集中在5-11月，降雨總量為359.8 mm，為全年降雨總量的89.7 %，最大降雨量出現在9月份，為89.2 mm；平均氣溫年內波動較大，最高溫度出現在7月上旬，為35.6 ℃，最低溫度出現在1月下旬，為-8.9 ℃；相對濕度全年波動較大，只在12月至次年3月表現出相對穩定的較低值，因為此時段為本地區凍土時間段，蒸發較少，且同時期降雨較少，空氣干燥，因此環境相對濕度也比較低。

2.2 不同覆膜條件下土壤溫度和水分時變化

選擇2017年8月典型晴天數據繪制不同覆膜條件下150 cm土層土壤平均溫度和水分時變化。從圖3可以看出，氣溫在一天中的變化趨勢為拋物線，最低溫度出現在早晨6：00，為16 ℃，最高溫度出現在11：30，為32.3 ℃。圖3(a)中，土壤溫度在一天中的變化趨勢也為拋物線，但是變化幅度較氣溫小，并且明顯滯后于氣溫。其中土壤最低溫度出現在8：00，白膜、黑膜的最低溫度分別為24.4和24.8 ℃，分別高出裸地1.3和1.7 ℃；土壤最高溫度出現在16：00，白膜、黑膜和裸地土壤最高溫度分別為28.8、27.6和28.32 ℃，可見裸地白天溫度高于黑膜，夜晚最小。日土壤溫度變化顯示，在12：30前，黑膜覆蓋土壤溫度較高，而12：30后白膜覆蓋土壤溫度較高。說明土壤溫度變化主要受氣溫變化的影響，在輻射大氣溫高時，白膜覆蓋因為透光性好因此保溫效果最好。從圖3(b)可以看出，相比于土壤溫度，土壤水分一天中的變化較小，基本保持不變，其中白膜覆蓋的土壤水分最高，為12.5 %，黑膜覆蓋土壤水分和裸地對照基本無差異，說明覆膜可以提高土壤含水率，抑制蒸發，其中白膜覆蓋比黑膜覆蓋效果好。

圖2 氣象資料分析Fig.2 Analysis of meteorological data

2.3 不同覆膜條件下不同深度土壤溫度和水分時變化

從圖4可以看出，各處理不同深度土壤溫度對氣溫響應程度不同，5 cm深度土層土壤溫度日變化最劇烈并且和氣溫變化趨勢相同，呈單峰曲線，但最低溫度和最高溫度出現時間均滯后于氣溫，其中白膜覆蓋5 cm土層土壤溫度峰值最高，為46.2 ℃，而裸地5 cm土層土壤溫度峰值最低，為36.6 ℃。可見各處理5 cm土層土壤溫度均明顯高于氣溫，并且土壤保溫效果白膜>黑膜>裸地。各處理15 cm土層土壤溫度日變化相對淺層土壤較小，呈“淺V型”，這主要是由于熱量沿土層深度傳導的滯后性導致的。各處理75 cm以下土層土壤溫度在一天中基本不變，并且隨著土層深度的增加土壤溫度逐漸降低。氣溫對土壤溫度的影響范圍為15 cm，白膜覆蓋對淺層土壤保溫效果更好。

從圖5可看出，各處理土壤溫度隨土壤深度增加而逐漸降低，其中白膜15 cm以上土層土壤溫度最高，這主要是因為白膜透光性強，吸收的太陽輻射多。15 cm以下土層2種薄膜覆蓋差異不大，但是均高于裸地，可見覆膜可以顯著增加表層土壤溫度，達到保溫的效果。

圖3 不同覆膜條件下土壤溫度和水分時變化Fig.3 Soil temperature and moisture changes in a day time with different mulching

圖4 不同覆膜條件下不同深度土壤溫度時變化Fig.4 Soil temperature changes of different depths in a day under different mulching

從圖6可以看出，薄膜覆蓋5 cm土層土壤水分時變化為單峰曲線，和土壤溫度變化趨勢相同，黑膜和白膜覆蓋土壤含水率最大值分別為7.6 %和9.6 %；而裸地5 cm土層土壤水分在一天中基本不變。各處理15 cm以下土層土壤含水率在一天中保持不變。就150 cm土層而言，白膜和黑膜覆蓋土壤含水率分別為487.11、452.79 mm，裸地則相應減少75.69 和41.37 mm。

圖5 不同覆膜條件下土壤溫度垂直變化Fig.5 Vertical change of soil temperature under different mulching

圖6 不同覆膜條件下不同深度土壤水分時變化Fig.6 Soil moisture changes of different depths in a day under different mulching

從圖7得知，在垂直方向，125 cm土層以上各處理土壤含水率隨深度變化明顯，而125 cm以下土壤含水率基本保持不變。土壤水分總體來說：白膜>黑膜>裸地，其中白膜和黑膜15 cm土層土壤含水率最高，分別為17.33 %和15.96 %，15 cm以下土層土壤含水率逐漸降低，而裸地土壤含水率隨深度不斷增加，究其原因，主要是因為8月為當地棗樹生育期，氣溫高，蒸發強烈，裸地無覆蓋因此表層土壤蒸發劇烈，表層土壤含水率低；薄膜覆蓋因為有薄膜的阻隔，土壤蒸發微弱，而淺層土壤又經常得到降雨的補給，因此含水率較深層土壤高。

圖7 不同覆膜條件下土壤含水率垂直變化Fig.7 Vertical change of soil moisture under different mulching

圖8 不同覆膜措施下不同深度土壤溫度全年變化Fig.8 Soil temperature changes of different depths in a year under different mulching

2.4 不同覆膜條件下土壤溫度、水分年內變化

從圖8可以看出，白膜、黑膜和裸地不同深度土壤溫度全年變化規律和氣溫相同，為“深V型”。各處理75 cm以上土層土壤溫度日變幅較大，其中5 cm土層土壤溫度日變化最大，這主要是受氣溫的影響。裸地5 cm土層土壤最高溫度為53.5 ℃，出現在7月14日，而黑膜和白膜覆蓋5 cm土層土壤最高溫度分別為46.3和48.2 ℃，均出現在7月26日，白膜覆蓋表層土壤增溫效果較黑膜顯著。在冬季，裸地、黑膜和白膜覆蓋5 cm土層土壤最低溫度均出現在1月25日，分別為-10.3、-5.7和-7.3 ℃，各處理15 cm土層相對于5 cm土層而言，日變幅較小，并且相互之間差異不顯著。綜合圖7，薄膜覆蓋對表層土壤溫度的影響表現為“雙重”效果，在冬季，覆膜表層土壤保溫效果好，而黑膜的保溫效果較白膜好；夏季覆膜表層土壤溫度降低，且土壤最高溫度的出現時間滯后于氣溫，說明覆膜可以減小表層土壤的全年溫差，且黑膜夏季降溫、冬季保溫效果最好。

從圖9可以看出，各處理各層土壤含水率全年變化規律基本一致，但是變幅不一致，說明不同土層受降雨影響程度不一樣。結合降雨資料發現，裸地75 cm土層內土壤含水率受降雨影響較大，土壤含水率全年波動較大；而覆膜后只有15 cm土層土壤含水率全年波動較大，并且和降雨的分布規律是一致的，說明降雨對裸地的表層土壤水分影響更大。由表2～3看出，就150 cm土層全年均值而言，白膜土壤含水率最高，為14.13 %，比裸地高1.43 %，說明白膜覆蓋保水效果較好；比較不同覆蓋不同層土壤含水率均值看出，裸地125 cm土層土壤含水率最高；白膜覆蓋15 m土層土壤含水率最高而黑膜覆蓋75 cm土層土壤含水率最高。說明裸地、白膜和黑膜降雨入滲補給深度分別為125、15和75 cm，薄膜覆蓋對降雨的入滲有一定的阻礙作用。近一步分析各覆蓋措施蒸發影響層深度發現，在2015年12月至2016年2月，為當地冬季，降雨較少，土壤水分損失基本上只有蒸發，裸地的蒸發影響深度為100 cm，而覆膜后蒸發影響深度為75 cm，說明覆膜可以抑制蒸發，減小蒸發影響深度。表3顯示，125 cm深度以下土層土壤含水率差異性極不顯著(P>0.01)，黑膜和白膜覆蓋125 cm以上土層各層土壤含水率之間差異顯著(P<0.05)，可見覆膜對土壤含水率垂直分布影響顯著。

圖9 不同覆膜措施不同深度土壤水分全年變化Fig.9 Soil moisture changes of different depths in a year under different mulching

表2 不同覆蓋措施土壤含水量特征值Table 2 Characteristic values of soil moisture with different mulching

表3 不同覆蓋措施土壤含水量差異性檢驗Table 3 Differences test of soil moisture with different mulching

注：采用單因素方差分析的LSD多重比較，同一行中標有不同大寫、小寫字母者表示組間差異極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)；標有相同大寫、小寫字母者表示組間差異極不顯著(P>0.01)和不顯著(P>0.05)。
Note: Single factor analysis of variance LSD multiple comparison, the same line marked with different uppercase and lowercase letters indicated that the differences between the groups was extremely significant (P<0.01) and significant (P<0.05); The data marked with the same uppercase and lowercase letters expressed that the difference between groups was not significant (P> 0.01) and was not significant (P> 0.05).

2.5 不同覆膜條件下土壤儲水量

從表4可以看出，采用白色覆膜后，各月150 cm土層土壤儲水量均高于裸地。12月至次年2月為當地植物休眠期，已有研究表明，休眠期也是土壤水分損失的關鍵時期[19]。在休眠期，各處理150 mm土層土壤儲水量逐月減小，表現為消耗型，裸地、白膜和黑膜覆蓋的土壤水分消耗量分別為93.8、74.1和69.2 mm，覆膜可以減少休眠期土壤水分消耗。

為了量化分析不同覆膜對土壤水分的恢復情況，計算2種覆膜措施的土壤水分相對虧缺量，結果顯示：和裸地相比，白膜覆蓋150 cm土層全年土壤蓄積效果明顯，土壤儲水量增加358.2 mm，其中休眠期土壤儲水量增加92.4 mm。可見覆膜在休眠期可以抑制蒸發，其中白膜的土壤水分修復效果較黑膜好。

表4 不同覆蓋措施淺層土壤儲水量月變化和DSWSTable 4 Soil water monthly changes and deficit soil water storage with different mulching (mm)

3 討 論

土壤溫度對于作物的萌芽、生長具有非常重要的意義，也是環境因素中的主導因素，土壤溫度梯度也直接影響土壤水勢梯度，造成水分的垂直運移[19]。適宜的低溫會促進土壤養分分解和有機質礦化，有利于植物根系的生長發育，增強其吸水抗旱能力，間接起到保水的作用。而地膜覆蓋有明顯的增溫效應，這主要是由于覆膜后，隔斷了土壤與外界的空氣流通，減少了土壤的熱量散失，同時地膜下面的水滴能阻斷地面熱量散失，從而使土壤升溫[10]。不同顏色地膜的土壤增溫效果不同，這主要是由于不同顏色地膜，其透熱率和透光率均不同，對土壤環境的調控作用也不一樣，研究發現，地膜顏色越淺，其透光性越好，有溫室效應，可以提高摸下土壤溫度，因此增溫效果越好[29]。本試驗對比黑色覆膜和白色覆膜不同深度土壤溫度變化發現，不論是時尺度還是日尺度上，白膜表層土壤增溫效果均較黑膜覆蓋好，這和前人的研究結果是一致的。然而前人關于土壤溫度的研究多以日為尺度，并且缺乏連續性，本試驗研究以時和日為尺度，研究不同覆膜土壤溫度的連續變化，能在不同尺度上更好的闡述土壤溫度的變化情況，并且本試驗以不同土層為研究對象，能更好的揭示土壤溫度的垂直變化規律。

黃土高原地區由于“低降水，高蒸發”，使得水資源更加匱乏，植被建設是基本的生態建設措施[6]，然而不同的植被種植使得該地區深層土壤水分過度消耗，表現出不同程度的水分虧缺，形成永久性干層[32]。由于當地地下水埋深較大，降雨成為土壤水分的唯一來源，而土壤入滲量和入滲速率受土壤下墊面條件和雨強等的影響較大，同等條件下，雨強越大，土壤累積入滲量和入滲速率也越大[8]。然而，即使是大雨(降雨33.6 mm)，8 d之后也只有1.2 m內土壤含水量增量明顯，1.4 m以下沒有變化[9]。土壤水分損失主要發生在2 m土層內，覆蓋措施可以明顯提高土壤含水量，也可以促進土壤水分向深層運移[19]。覆蓋措施中，尤以地膜覆蓋效果最佳[16-17]，地膜覆蓋尤其對50 cm土層內的土壤含水率提高最為明顯[21]，而雙膜覆蓋較單膜覆蓋效果更好[13]。本試驗分析裸地的降雨入滲特征發現，裸地蒸發影響深度在100 cm，而降雨入滲補給深度為125 mm，這和前人的研究結果基本一致。2種顏色地膜不同土層土壤含水率時變化和日變化顯示，白膜覆蓋土壤保水效果更好。這和前人的研究結果不符，究其原因主要是因為前人是選擇3月下旬到4月中旬中的任意3 d數據求平均值，數據集中選擇在植物出苗期并且土壤深度選擇5～10 cm處，為表層土壤水分變化[29]。已有研究表明，土壤蒸發入滲影響層為0～200 cm[7]，因此研究覆膜長期保水效果僅僅局限在10 cm土層，并且只選擇一個時間段是遠遠不夠的。本試驗選擇連續一年時間段，數據連續性好，并且土層深度選擇0～150 cm，因此結果更具有實踐價值。

4 結 論

(1)時尺度上，土壤溫度在一天中的變化為拋物線，比氣溫變幅小，且滯后于氣溫。白膜、黑膜的最低溫度出現在8: 00，最高溫度出現在16: 00，均高于裸地，其中白膜最高，為28.8 ℃。裸地白天溫度大于黑膜而夜晚最低。土壤水分一天中的變化較小，白膜覆蓋的土壤水分最高，為12.5 %，黑膜覆蓋土壤水分和裸地無差異。

(2)不同深度土壤溫度對氣溫響應程度不同，5 cm土層土壤溫度日變化最劇烈且呈單峰曲線，土壤保溫效果白膜>黑膜>裸地；15 cm土層土壤溫度日變化較小，呈“淺V型”；75 cm以下土層土壤溫度在一天中不變且隨土層深度增加而降低。就150 cm土層而言，白膜和黑膜覆蓋土壤含水率分別為487.11、452.79 mm，裸地則減少75.69和41.37 mm。垂直方向，各處理土壤溫度隨深度增加，白膜表層溫度最高；125 cm以上土壤含水率隨深度變化明顯，白膜覆蓋淺層保水效果最好。

(3)白膜、黑膜和裸地不同深度土壤溫度全年變化規律和氣溫相同，為“深V型”。各處理75cm以上土層土壤溫度日變幅較大且5 cm土層變化最大，白膜覆蓋表層土壤增溫效果較黑膜顯著。覆膜可以減小表層土壤的全年溫差，且黑膜夏季降溫、冬季保溫效果最好。

(4)各層土壤含水率全年變化規律一致，但變幅不同。降雨對裸地和覆膜的影響深度為75和15 cm。就150 cm土層全年均值而言，白膜土壤含水率最高，為14.13 %，保水效果最好；裸地、白膜和黑膜降雨入滲補給深度分別為125、15 和75 cm，薄膜覆蓋對降雨的入滲有一定的阻礙作用；裸地的蒸發影響深度為100 cm，而覆膜后蒸發影響深度為75 cm，覆膜可以抑制蒸發。

(5)采用白色覆膜后各月土壤儲水量均高于裸地。休眠期，各處理土壤儲水量逐月減小，表現為消耗型，裸地、白膜和黑膜覆蓋的土壤水分消耗量分別為93.8、74.1和69.2 mm，覆膜可以減少休眠期土壤水分消耗；和裸地相比，白膜覆蓋150 cm土層全年土壤蓄積效果明顯，土壤儲水量增加358.2 mm，白膜土壤水分修復效果較黑膜好。