2018, Vol. 26
2. 甘肃民族师范学院物理与水电工程系 合作 747000;
3. 杨凌职业技术学院水利工程分院 杨凌 712100;
4. 中国科学院/教育部水土保持与生态环境研究中心 杨凌 712100;
5. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院 杨凌 712100
2. Department of Physics and Hydraulic Engineering, Gansu Normal University for Nationalities, Hezuo 747000, China;
3. Department of Water Conservancy, Yangling Vocational & Technological College, Yangling 712100, China;
4. Research Center of Soil and Water Conservation and Ecological Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Education, Yangling 712100, China;
5. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China
地膜在农业中的应用被称为是“白色革命”, 对世界农业的发展起到巨大推动作用, 尤其是在半干旱区的旱作农业中地膜覆盖发挥了决定性作用。目前薄膜的应用不仅仅限于干旱和半干旱区, 南方也较为普遍, 不但是农作物应用地膜覆盖, 林业应用也十分广泛, 尤其是很多果园采用常年持续覆盖地膜, 而且黑色薄膜应用也呈现增加趋势。由于膜覆盖对农林业发展的重要性, 多年来众多学者对地膜覆盖的机理和功能做了大量研究报道。主要包括地膜覆盖能显著改善土壤水热条件, 降低土壤水分的无效蒸发和热量散失, 提高作物产量[1-3]。起垄与覆膜相结合, 有利于增温保墒, 提高水分利用效率, 促进作物生长[4-6]。如马忠明等[7]基于大田对比试验, 发现起垄覆膜具有很好的集雨作用, 可提高旱砂田西瓜(Citrullus lanatus)生长前期土壤水分, 加快作物生长, 提高作物产量及品质。侯慧芝等[8]研究表明, 全膜覆盖垄沟种植能显著提高马铃薯(Solanum tuberosum)生育期土壤温度。王红丽等[9-10]试验表明全膜覆盖增温有利于小麦(Triticum aestivum)拔节, 在干旱的年份膜覆盖的增产和土壤水分利用效率更高, 在黑膜全地膜覆盖垄沟种植试验中发现同样具有显著的增温保墒效果。谢军红等[11]认为全膜双垄沟播具有明显的增产增效和提高水分利用效率的作用, 是理想的玉米(Zea mays)种植模式。李佳旸等[12]认为起垄覆膜垄沟集雨能有效改善土壤水分环境, 缓解果树生育期内水分供需矛盾, 并建议陕北黄土丘陵区山地雨养苹果(Malus domestica)园采用其保墒措施。张坤等[13]研究发现果园起垄覆黑膜在果树生长期间能降低蒸发, 较长时间的保持土壤水分和提高土壤水分的利用效率。盐随水动, 水分在温度梯度下的运动决定了盐分总的运动与变化趋势[14]。在咸水灌溉或者地下水水位浅的条件下, 覆膜具有明显的抑制盐分表聚的作用[15-16], 旱作条件下, 降雨淋溶使土壤表层脱盐, 盐分向下层土壤运移, 在蒸发蒸腾作用下, 盐分又上移在表层土壤中而形成表聚, 覆膜因阻挡降水直接冲刷而导致膜下硝酸盐出现表聚现象[17]。膜覆盖应用的研究虽然较多, 由于以往研究多集中在白色地膜覆盖的试验, 而且均在种植作物的情况下进行, 地膜覆盖增加的土壤水分往往被作物生长消耗, 主要表现为膜覆盖下作物生长好于无覆盖处理的作物生长, 在此情况下很难确定膜覆盖能够增加土壤水分的多少, 一些研究提到的膜覆盖提高土壤水分值也只是短期内作物没有利用完的部分水分值, 不是完整值, 从长时间尺度看地膜覆盖促进作物生长还会加剧土壤水分的干化[18-20]。另外, 目前对连续长期膜覆盖下的土壤水分、温度、盐分变化以及黑色膜与白色膜覆盖对比鲜见报道[21-22]。近年来有研究表明, 非生育期是黄土区土壤水分减少的关键时期[23-24], 冬季覆盖措施可以促进非生育期土壤水分向深层运移[25], 因此, 在半干旱区进行无作物生长情况下的黑、白膜连续全年覆膜土壤水、热、盐运移规律观测分析研究, 对今后合理选择不同薄膜, 确定覆盖时间及进一步提高农田土壤水分具有重要意义。
1 研究区概况及研究方法 1.1 研究区概况研究区位于中国典型黄土高原丘陵沟壑区陕西省米脂县远志山(108°49′E, 37°25′N, 坡度为21°~39°), 样地海拔890 m, 属于中温带半干旱性气候区。该区年均气温8.5 ℃, 年≥0 ℃积温3 281 ℃, 年辐射总量582.7 kJ·cm-2, 年日照时数2 372.7 h, 年均无霜期165 d, 年均降水量451.6 mm, 主要集中在7—9月, 年潜在蒸发量为1 600 mm左右。试验区土壤为黄绵土, 土壤容重为1.29~1.31 g·cm-3, 参考美国农业部土壤分类图(USDA Soil Texture Triangle), 0~150 cm土壤中粉粒含量最高(47.62%~50.10%), 其次为砂粒(43.88%~46.53%), 黏粒含量最低(5.89%~7.06%), 为粉质壤土。试验地土壤全氮、全磷、全钾平均质量分数依次为34.7 mg·kg-1、2.9 mg·kg-1、101.8 mg·kg-1, 有机质质量分数2.1 mg·kg-1, pH为8.6, 饱和持水量为39.8%, 田间持水量为23.4%(质量含水率), 地下水埋深超过50 m。
1.2 研究方法 1.2.1 试验设计试验布设于研究区水平阶地上, 无作物种植, 布设时间为2015年7月1日至2017年6月30日, 设计垄宽50 cm, 垄高20 cm, 沟宽20 cm, 垄上覆膜, 选取白色薄膜(WF)和黑膜(BF)2种覆盖处理, 以裸地无覆盖作为对照(CK), 每个处理重复3次, 试验地面积为3.6 m×2.3 m, 小区面积为1.2 m×2.3 m, 3个小区随机区组排列, 为避免小区之间土壤水热互相影响, 提高小区水热观测数据的精确度, 各个小区间用牛毛毡隔离, 试验地周边挖1 m深槽, 埋设厚塑料布将周边土壤隔离, 以防止周边土壤水分对试验小区产生影响。试验布设见图 1。
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图 1 试验布设示意图 Figure 1 Test arrangement WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land. |
试验数据采集自2015年7月1日开始, 土壤水分、温度、电导率数据采集于距地表 5 cm、15 cm、30 cm、50 cm、75 cm、100 cm、125 cm、150 cm处分别埋设美国Decagon公司生产的GS3土壤水分、温度、电导率传感器, 仪器精度土壤体积含水量为±3%, 土壤温度为±1 ℃, 电导率为±10%, 利用Em 50数据采集器, 以30 min为步长采集土壤不同深度的含水量(θ, cm3·cm-3)、温度(T, ℃)和电导率(s, mS·cm-1)。考虑到土壤水分探针在监测冬季土壤水分的不准确性, 冬季土壤水分数据采用内插法获得。土壤储水量计算采用公式(1):
| $ {\rm{W = 10}}H \times \theta $ | (1) |
式中: W为土壤储水量, mm; H为土层深度, cm; θ为土壤体积含水量, cm3·cm-3。
| $ \Delta {\rm{W = }}{W_{{\rm{初}}}} - {W_{{\rm{末}}}} $ | (2) |
式中: W初为时段初土壤储水量, mm; W末为时段末土壤储水量, mm。
在距试验地100 m处布设有小型自动气象站, 监测步长为10 min, 用于测定降雨(mm)、气温(℃)、净辐射(w·m-2)、相对湿度(%)、风速(m·s-1)等气象指标。
1.2.3 资料统计与分析利用Microsoft Excel 2010与SPSS 23.0进行数据统计与分析, 方差分析采用Duncan新复极差法进行显著性检验(P < 0.05), 采用Origin 9.0软件绘图, 采用Surfer 12软件绘制等值线图。
2 结果与分析 2.1 黑、白膜覆盖下土壤水分特征变化长期覆膜对土壤水分变化的影响十分显著, 本研究按照周年降水量特点, 将土壤水分划分为水分补充期(7—10月)、水分损失期(11—翌年3月)、水分补充过渡期(4—6月)3个阶段。试验的3种处理在不同时期的土壤储水量如图 2所示。试验期间的两个土壤水分补充期各处理土壤储水量均呈现增长趋势, 0~150 cm土层内两个土壤水分补充期WF、BF处理土壤储水量接近, 为272.0 mm、316.0 mm, 分别增加52.42 mm、41.87 mm左右, CK处理两次土壤水分补充期土壤储水量分别为257.68 mm、255.32 mm, 分别增加36.54 mm、45.06 mm。以上分析看出, 膜覆盖不但土壤储水量明显高于CK, 而且第2年土壤储水量高于第1年, CK土壤储水量两年几乎相等。从当年土壤储水量增加值看, 膜覆盖第2年新增储水量小于第1年, 也小于CK, 说明原有土壤水分在18.5%以上的情况下增加土壤储水量难度会加大。土壤水分补充期正值作物生长关键期, 膜覆盖下显著的水分增加是作物增产的关键。土壤水分损失期各处理的土壤水分呈现损失下降的特点, 0~150 cm土层内两个土壤水分损失期WF处理减少水分很小, 平均值为1.45 mm, BF处理减少水分平均值为1.47 mm, WF处理和BF处理土壤储水量减少几乎一样, CK处理两个土壤水分损失期储水量损失平均值22.55 mm, 大约是两种膜覆盖处理的15倍。由图 3可看出, 0~15 cm土层, BF处理土壤含水率高于WF处理, 差异显著(P < 0.05); 15~30 cm土层, WF处理土壤含水率高于BF处理, 差异显著(P < 0.05); 0~30 cm土层土壤储水量WF处理和BF处理分别为54.24 mm、55.68 mm, 二者基本相同。30 cm土层以下, 两种覆膜处理无显著差异, 0~150 cm各层土壤中CK处理的土壤含水率均显著低于两种膜覆盖处理。
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图 2 不同覆膜处理下周年不同时段的土壤储水量变化 Figure 2 Changes of soil water storage at different times under different film treatments WF、BF、CK分别为白膜处理、黑膜处理和裸地对照。ΔW为时段初期与末期土壤储水量变化量, W末为时段末土壤储水量。不同小写字母表示不同处理之间差异达显著水平(P < 0.05)。 WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land. ΔW: change in soil water storage from the beginning to the end of the period; W末: soil water storage at the end of the period. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P < 0.05). |
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图 3 不同覆膜处理下不同深度土壤含水率动态变化 Figure 3 Dynamics of soil moisture in different soil depths under different film treatments WF、BF、CK分别为白膜处理、黑膜处理和裸地对照。 WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land. |
试验结果还表明(图 3), 两种膜覆盖整体土壤水分表现出逐年增加, 明显好于CK处理。0~30 cm土层, 两种膜覆盖第1年平均含水量为16.6%, 第2年为18.4%, 增加10.8%; CK处理第1年平均含水量为13.3%, 第2年为12.4%, 减少7.1%。30~50 cm土层, 两种膜覆盖第1年平均含水量为15.8%, 第2年为17.1%, 增加8.4%; CK处理第1年平均含水量为15.4%, 第2年为14.4%, 减少6.2%。50 cm以下土层, 两种膜覆盖第1年平均含水量为16.3%, 第2年为16.6%, 增加1.7%; CK处理第1年平均含水量为14.7%, 第2年为13.8%, 减少6.3%。也就是说, 两种膜覆盖措施更有利于土壤深层水分的恢复, 这对前期干化土壤的水分修复有着十分重要的意义。
2.2 黑、白膜覆盖土壤温度变化特征冬季的气温决定土壤冻融期的长短, 周年地膜覆盖可以缩短土壤冻融期。如图 4所示, 图中红色0 ℃线为冻融曲线。在气温骤降(2015年12月16日降至-8.4 ℃)情况下(图 4a、c、e), 两种覆膜处理下30 cm土层冻结较CK推迟6 d, 5 cm土层两种覆膜处理的融解时间较CK提前3 d; 在气温较高的2016年(图 4b、d、f), 两种覆膜处理在近地表层(5 cm土层)冻结可推迟20 d, 30 cm土层WF处理较CK融解提前13 d, BF处理较CK融解提前5 d。覆膜缩短土壤冻融时间的作用, 对于促进植物提前发芽, 延长作物生长期具有积极意义。
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图 4 不同覆膜处理下土壤温度时空变化等值线图 Figure 4 Temporal and spatial variation contours of soil temperature during the experiment period under different film treatments WF、BF、CK分别为白膜处理、黑膜处理和裸地对照。a、c、e别为WF、BF、CK处理2015年7月—2016年6月期间土壤温度变化; b、d、f分别为WF、BF、CK处理2016年7月—2017年6月期间土壤温度变化。 WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land. Figure a, c and e show soil temperature change from July 2015 to June 2016 under treatments of WF, BF and CK, respectively. Figure b, d and f show soil temperature change from July 2016 to June 2017 under treatments of WF, BF and CK, respectively. |
图 4a-f所示, 由两年平均温度可以看出, 植物生育期(4—10月), 0~50 cm土层WF、BF、CK处理分别为17.36 ℃、16.46 ℃、15.43 ℃, WF处理土壤温度略高于BF处理, CK土壤温度最低。其中4—5月, WF、BF、CK处理的平均温度为18.16 ℃、16.79 ℃、15.78 ℃, 最高温度为30.81 ℃、27.07 ℃、24.40 ℃, WF处理分别高于BF处理、CK 3.74 ℃、6.41 ℃, 可见WF处理在该时段增温效果最为显著。最低温度存在于土壤最底层, 分别为8.32 ℃、8.08 ℃、7.92 ℃, WF处理高于CK处理0.4 ℃。从周年变化来看, 0~150 cm土层内两种覆膜处理年平均温度接近, 高于CK处理1.3 ℃左右。
近地表是土壤水分蒸发和能量传输的活跃和关键地带。选择3个典型晴天(2016年5月9—11日)和3个典型阴天(2016年5月12—14日), 分别绘制3日大气温度和3种处理15 cm土层的时平均温度昼夜变化曲线(图 5)。根据图 5a、5b, 晴天与阴天CK的土壤温度均最低, 分别为19.53 ℃、18.93 ℃, WF处理土壤温度比CK分别高1.85 ℃、1.32 ℃, BF处理比CK分别高0.7 ℃、0.82 ℃, WF处理在太阳辐射下提高温度快, 升温最高(图 5a)。晴天WF处理温度变化为18.72~24.05 ℃, 较CK的最大值和最小值高2.35 ℃和1.3 ℃, 较BF处理的最大值和最小值高1.7 ℃和0.6 ℃; 阴天3种处理土壤温度整体呈现下降趋势, BF处理土壤温度降幅最小。
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图 5 不同覆膜处理下0~15 cm土层土壤温度的昼夜变化动态 Figure 5 Dynamics of daily soil temperature of 0-15 cm layer under different treatments WF、BF、CK分别为白膜处理、黑膜处理和裸地对照。 WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land. |
试验两年内不同处理土壤电导率在土壤剖面的动态变化如图 6所示。不同处理下土壤盐分与水分(图 3)变化趋势基本一致, 符合盐随水走的运移规律。由图 6中两年平均土壤盐分可以看出, 3种处理土壤表层盐分最高, 随着土壤加深盐分逐渐降低, 50 cm以下3种处理没有差异。0~30 cm土层, CK土壤平均盐分最低, BF处理较CK高46.9%, WF处理较CK高40.8%, BF处理显著高于WF和CK处理(P < 0.05); 30~50 cm土层, WF处理土壤平均盐分显著高于BF处理和CK(P < 0.05), BF处理与CK接近(P > 0.05)。图 6也一定程度反映出随土壤深度增加盐分变化减弱的规律。为了更清晰分析盐分变化与土壤深度之间的关系, 利用经典统计分析方法对两年内不同深度土层盐分的均值、均方差(E)、变异系数(CV)进行分析(图 7)。从图 7可以看出, 0~50 cm土层中, 0~5 cm土层土壤盐分变化最为明显, 0~15 cm土层变化较为明显。在水分补充期(7—10月)、水分损失期(11月—翌年3月)、水分过渡期(4—6月), 0~5 cm土层WF和BF处理土壤盐分变异相近, 3个时期的变异值分别为0.56、0.51、0.58, 较CK高56.9%、56.1%、65.5%; 0~15 cm土层, WF和BF处理土壤盐分变异相同, 3个时期的变异值分别为0.35、0.37、0.32, 较CK高10.6%、17.3%、42.3%。0~5 cm土层盐分变异周年内4—6月最大, 这是因为该阶段是由旱季转向雨季, 土壤水分变化幅度较大所致。膜下土壤表层盐分聚集, 连续覆膜两年后, 两种覆膜处理电导率最大值为0.14 mS·cm-1, CK最大值为0.12 mS·cm-1, WF、BF、CK年平均值分别为0.069 mS·cm-1、0.077 mS·cm-1、0.068 mS·cm-1(图 6), 土壤盐分含量均处于较低水平[26]。由此可见长期地膜覆盖条件下土壤盐分并没有达到土壤次生盐渍化的程度。
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图 6 不同覆膜处理下不同深度土壤平均电导率动态变化 Figure 6 Dynamics of soil electrical conductivity in different soil depths under different treatments WF、BF、CK分别为白膜处理、黑膜处理和裸地对照。 WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land. |
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图 7 不同覆膜处理下不同深度土壤盐分变异特征 Figure 7 Variation coefficients of soil electrical conductivity in different soil depths under different treatments WF、BF、CK分别为白膜处理、黑膜处理和裸地对照。图a、b和c分别代表 7—10月、11月—翌年3月和4—6月。 WF: white film mulching; BF: black film mulching; CK: bare land. a: July to October; b: November to March of the next year; c: April to June. |
地膜覆盖可降低土壤水分的无效蒸发和热量散失, 增温保墒, 可显著改善土壤水热条件[1-4], 类似报道和研究较多。以往膜覆盖应用和研究多是在作物生长情况下开展, 膜覆盖产生的保墒作用往往很快用于作物生长, 也就是膜覆盖增加的土壤水分会被作物全部利用, 促进作物生长, 而留在土壤中的水分很少, 甚至导致土壤干层, 这就为准确研究膜覆盖下土壤水分效应带来很大干扰。本研究在无作物种植条件下探明黑白膜覆盖土壤近地表层的水分差异, 这可以更精确地确定覆膜可以为植物生长多提供的水量, 也是对以往研究的有益补充和完善。本研究表明, 当地作物生育期黑、白膜覆盖土壤储水量增加较裸地多60.8 mm, 为作物生长提供了更多的水分, 这是膜覆盖作物增产的主要因素。以往的研究覆膜增加土壤水分要小[20-22]。从年新增土壤水分看, 覆膜第2年新增储水量小于第1年, 甚至小于裸地处理, 这说明原有土壤水分高的情况下增加土壤储水量难度会加大, 即适度的土壤干化有利于雨水吸收和储水, 或者说保持适当的植物种植耗水有益于增加土壤储水量。同时发现, 0~150 cm土层, 膜覆盖下逐年土壤水分储量呈增加趋势, 但裸地逐年储水量呈减少趋势, 所以认为长期连年覆膜是一项有利于促进深层水分恢复的措施。以往研究膜覆盖下的水分效应多在作物生育期进行, 很少见到覆膜在冬季减少土壤损失的报道。本试验发现膜覆盖基本可以避免冬季土壤水分损失, 冬季裸地处理土壤储水量损失大约是膜覆盖处理的15倍, 这个作用对于抵抗春季干旱有十分积极的意义。另外, 冬季覆膜较裸地可以缩短土壤冻融时间, 更有利于田间作物的提前返青和生长, 延长了植物生长时间, 并在第2年的4—5月期间显著增温, 这对于农业生产也十分重要。白膜较黑膜更能提高地表温度, 所以对于早期育苗或者需要促进早春发芽时建议采用白膜覆盖。黑膜较白膜更能提高地表水分, 因此在夏季为了提高土壤水分和平抑土壤温度, 防止杂草生长建议采用黑膜覆盖, 这与江燕等[27]的研究结论一致, 与曹寒等[28]的研究结论部分不一致, 可能与作物生长后遮挡太阳辐射有关。
土壤盐渍化是世界上许多干旱和半干旱地区农业产量下降的主要原因[29]。试验观测虽然证明膜覆盖下土壤表层盐分明显高于裸地处理, 但是水分含盐量不变, 因此随着水分含量的波动盐分也波动, 当植物利用造成土壤水分降低时也会降低盐分, 不会造成土壤盐渍化, 这与丁建丽等[30]的观点一致。
4 结论1) 两种覆膜处理中, 0~15 cm土层黑膜较白膜处理土壤水分高, 15~30 cm土层白膜较黑膜处理土壤水分高, 但0~150 cm土层两种覆膜无差异。膜覆盖在作物生育期土壤储水量较裸地增加60.8 mm, 非生育期土壤水分损失较裸地处理少21.1 mm。
2) 覆膜缩短土壤冻融时间, 白膜覆盖下土壤融解较黑膜覆盖可提前8 d, 4—5月白膜增温效果最为显著, 适宜早期育苗或者促进早返青的作物。
3) 3种处理周年土壤盐分均表现为表层高于下层, 0~50 cm土层3种处理存在显著差异, 其中0~30 cm土层为黑膜覆盖 > 白膜覆盖 > 裸地, 30~50 cm土层为白膜覆盖 > 黑膜覆盖 > 裸地, 50 cm以下3种处理盐分没有差异, 土壤总体盐分较低, 无土壤盐渍化趋势。
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