不同粒径砾石覆盖对宁夏干旱区土壤水分蒸发的影响

周 约

（宁夏大学教学实验农场，宁夏 银川 750100；宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）



不同粒径砾石覆盖对宁夏干旱区土壤水分蒸发的影响

周 约

（宁夏大学教学实验农场，宁夏 银川 750100；宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

摘 要：为了探求宁夏中部干旱区最适宜的硒砂瓜覆砂粒径，以宁夏中卫南山台地区天然砂石为试材，采用蒸发器整体称重法，研究了不同粒径砾石覆盖对土壤水分蒸发的影响。结果表明：砾石覆盖可显著降低土壤水分的蒸发量；且覆盖砾石的粒径越小，土壤日蒸发量越少，土壤含水量越高；试验时间内，以4.0～5.0 cm粒径处理的土壤水分累积蒸发量最大（10.67 mm），以0.7～1.0 cm粒径处理的土壤水分累积蒸发量最小（7.80 mm），但砾石粒径在1.5～4.0 cm范围内时，不同粒径砾石抑制土壤水分蒸发的效果差别不大。相关性分析结果表明：可用多项式方程Y=at2+bt来模拟土壤水分累积蒸发量随时间的变化，用指数函数方程Y=aebx来模拟土壤总蒸发量随砾石覆盖粒径的变化。

关键词：砾石覆盖；粒径；土壤水分；蒸发；干旱区；宁夏

在干旱半干旱地区，土壤表面的蒸发导致农业生产中重要的水分损失。裸地土壤水分蒸发后可形成一个干土层，能阻止毛细管水的上升，从而减少土壤水分的蒸发；频繁的耕作、作物秸秆和砾石覆盖等也能形成一个较好的干土层，减少土壤水分的蒸发。许多学者认为，砾石和砂石覆盖能有效地减少土壤蒸发，提高土壤水分含量，增加砂田作物产量和水分生产率[1-3]。虽然国内外学者对砂砾石和砾石覆盖条件下土壤水分的散失过程进行了大量研究，但有关砂砾石粒径大小与土壤水分蒸发的相关性研究较少。研究通过测量不同粒径砂砾覆盖条件下土壤水分的累积蒸发量，比较不同粒径的砾石覆盖对土壤蒸发的抑制效果。

1　材料与方法

1.1试验材料

供试土壤采自宁夏回族自治区中卫市沙坡头区永康镇南山台乐台村，土壤质地为沙土，土样风干后粉碎，过2 mm的土筛。供试砾石粒径范围为0.7～5.0 cm。蒸发器采用市场购置的PVC管子做成的圆桶，桶直径20 cm，桶高50 cm，

1.2试验方法

设计5个粒径梯度，分别为：L1（0.7～1.0 cm）、L2（1.0～1.5 cm）、L3（1.5～3.0 cm）、L4（3.0～4.0 cm）、L5（4.0～5.0 cm），同时设置一个不覆盖处理作对照（CK），每个处理重复3次。

蒸发器底部铺一层细纱，然后卡入蒸发器底部盖子的旋转丝扣中；把装好土的土柱在有水的塑料盆里放置2 d，通过毛细管作用使土壤水分达到饱和；取出静止2 d，等多余水分排掉后，将不同粒径的砾石覆盖在土壤表面，砾石厚度为15 cm左右，砾石表面与圆桶上表面齐平。

每个蒸发器上方30 cm高度悬挂一个200 W的灯泡，用来提供蒸发所需热量，每天上午9:00开灯，到下午17:00关灯，南北坐向的房间在整个试验期间保持通风；室内温度和相对湿度用干湿温度计测定；采用量程为30 kg、感度为1 g的电子秤来测定土壤蒸发量。土壤蒸发开始后，土柱每次质量的变化即为当天的土壤蒸发质量E±（kg），将E±转化为标准的土壤蒸发量E（mm）：

2　结果与分析

2.1不同粒径砾石覆盖对土壤水分日蒸发量的影响

从表1中可以看出，砾石覆盖的粒径越小，土壤日蒸发量越少。其中，L1处理的土壤日蒸发量分别比L2、L3、L4、L5和CK降低了10.53％、19.05％、19.05％、29.17％和80.23％。这表明随着砾石粒径的减小，土壤日蒸发量逐渐减少，土壤含水量逐渐增加。因此，应选择小粒径砾石进行覆盖，以阻止土壤水分大量损失。

表1　不同处理土壤水分日蒸发量的比较

变异系数（CV）的大小反映随机变量的离散程度，当CV＞1时，说明变量为强变异；0.1＜CV＜1时，为中等变异；CV＜0.1时，为弱变异。从表1中还可以看出，不同粒径砾石覆盖条件和不覆盖条件下的土壤日蒸发量的CV均大于0.1，表现出中等变异性，不同处理的CV值差别不大。当不覆盖处理的CV值明显高于砾石覆盖处理。对数据进一步进行偏度系数和峰度系数的分析发现，随着砾石粒径的增加，土壤日蒸发量的峰度系数和偏度系数也随之变大，不覆盖处理的土壤日蒸发量的峰度系数和偏度系数均高于砾石覆盖处理，说明不覆盖处理的土壤日蒸发量分布的对称性和平坦性比砾石覆盖处理的要差，大粒径覆盖处理的土壤日蒸发量分布的对称性和平坦性比小粒径砾石覆盖处理的要差。

陈士辉等[1]研究了不同粒径砂砾石覆盖对砂田土壤的水分效应，结果表明覆盖2～5 mm粒径砂砾石的土壤水分蒸发量仅为20 ～ 60 mm粒径处理的61.4％，与笔者的研究结论一致。Xie等[4]也得出砾石覆盖能有效抑制土壤水分蒸发的结论，其抑制蒸发的效果与砾石粒径密切相关，随着砾石粒径的增加，对土壤水分蒸发的抑制能力越低。

2.2不同粒径砾石覆盖对土壤水分日蒸发量变化的影响

由图1可知，不同粒径砾石覆盖与无覆盖处理的土壤日蒸发量随时间的逐日变化规律基本一致，说明土壤水分蒸发主要受温度、湿度、风速等气象因素的影响而呈现连续波动变化。另外，砾石覆盖的土壤水分蒸发量的变化程度明显小于无砾石覆盖土壤的，不同粒径覆盖的土壤日蒸发量变化相差不明显。

图1　不同处理的土壤水分日蒸发量随时间的变化情况

2.3不同粒径砾石覆盖对土壤水分累积蒸发量的影响

从表2中可以看出，CK和砾石覆盖处理的土壤水分累积蒸发量有显著差异（P＜0.05）；覆盖厚度相同的条件下，随着砾石粒径的增加，土壤水分蒸发量显著增加。

表2　不同处理各时段对土壤水分累积蒸发量的影响 （mm）

由图2可知，不同粒径砾石覆盖的累积蒸发量均明显小于裸土的水分累积蒸发量；土壤水分累积蒸发量随砾石覆盖粒径的增大而增加，以4.0～5.0 cm粒径处理的最大（10.67 mm），以0.7～1.0 cm粒径处理的最小（7.80 mm）。这表明砾石覆盖能够有效抑制土壤蒸发，提高水分的利用效率，且砾石粒径越小，对水分蒸发的抑制效果越明显。

随着试验天数的增加，L3（1.5～3.0 cm）和L4 （3.0～4.0 cm）处理的累积蒸发量的差别逐渐减小，说明当砾石粒径在1.5～4.0 cm范围内时，不同粒径砾石抑制蒸发的效果差别不大。

图2　不同处理土壤水分累积蒸发量随时间的变化情况

2.4覆盖砾石粒径与土壤水分蒸发量的相关性分析

为了明确土壤水分累积蒸发量随时间的变化特征以及不同粒径砾石覆盖条件下土壤水分的蒸发情况，对砾石的粒径与土壤水分蒸发量之间的关系进行了研究。由表3可知，各处理线性回归方程的相关系数均大于0.93，乘幂回归方程的相关系数均大于0.89，多项式回归方程的相关系数均大于0.95。这说明可以用多项式方程Y=at2+bt（因变量Y为土壤水分累积蒸发量，自变量t为蒸发时间，a和b均为方程系数）来模拟土壤水分累积蒸发量随时间的变化，即土壤水分累积蒸发量随蒸发时间呈二次幂函数增加。

表3　不同处理下土壤水分累积蒸发量随时间变化的拟合方程

图3为45 d的蒸发试验结束时，不同粒径砾石覆盖和不覆盖处理土壤水分的总蒸发量。由图3可知，土壤水分总蒸发量随砾石粒径的增加呈现指数函数增加的变化趋势，拟合曲线的相关系数为0.527 0，说明可以用指数函数方程Y=aebx（因变量Y为土壤水分总蒸发量，自变量x为砾石粒径，a和b均为方程系数）来模拟土壤总蒸发量随砾石覆盖粒径的变化。

图3　不同粒径砾石覆盖对累积蒸发量的影响

3　结 论

研究利用称重法分析了不同粒径砾石覆盖条件下土壤水分蒸发量随时间的变化情况，得出以下结论。

（1）随着覆盖砾石粒径的增加，土壤水分的日蒸发量逐渐增加，土壤含水量逐渐减少，说明在实施砾石覆盖处理时，应该选择粒径较小的砾石进行覆盖，阻止大量水分的损失。不覆盖处理土壤水分日蒸发量的变异系数、偏度系数和峰度系数明显高于砾石覆盖处理的，大粒径覆盖处理土壤水分日蒸发量的变异系数、峰度系数和偏度系数均高于小粒径处理的，说明不覆盖和大粒径覆盖的土壤日蒸发量分布的对称性和平坦性比小砾石覆盖处理的要差。

（2）不同粒径砾石覆盖处理的土壤水分累积蒸发量均明显小于裸土的，同时土壤水分累积蒸发量随砾石覆盖粒径的增大而增加；当砾石粒径为4.0～5.0 cm时，土壤水分累积蒸发量最大；当砾石粒径为0.7～1.0 cm时，土壤水分累积蒸发量最小，两个处理间的土壤水分累积蒸发量相差2.87 mm。但L3（1.5～3.0 cm）和L4（3.0～4.0 cm）处理的累积蒸发量的差别穗蒸发时间的延长而逐渐减小，说明当砾石粒径在1.5～4.0 cm范围内时，不同粒径砾石抑制土壤水分蒸发的效果差别不大。

（3）不同粒径砾石覆盖处理的土壤水分累积蒸发量随蒸发时间呈二次幂函数增加，相关系数大于0.95；土壤水分总蒸发量随覆盖砾石粒径的增加呈现指数函数增加，拟合曲线的决定系数达到0.527 0。

参考文献：

[1] 陈士辉，谢忠奎，王亚军，等.砂田西瓜不同粒径砂砾石覆盖的

水分效应研究[J].中国沙漠，2005，25（3）：433-436.

[2] 崔向新，蒙仲举，高 永，等.不同粒径砾石覆盖对土壤水分蒸发的影响[J].中国农村水利水电，2009，（3）：21-23.

[3] 秦百顺，李斌斌.不同砾石覆盖保持土壤水分有效性研究[J].中国水土保持，2012，（6）：46-47.

[4] Xie Z，Wang Y，Jiang W，et al.Evaporation and evapotranspiration in a water melon field mulched with gravel of different sizes in northwest China[J].Agricultural Water Management，2006，81（1-2）：173-184.

（责任编辑：成 平）

Effects of Different Particle Sizes of Gravel Cover on Soil Evaporation of Arid Land in Ningxia

ZHOU Yue
（Experimental Farm, Ningxia University, Yingchuan 750100, PRC; School of Agriculture, Ningxia University, Yingchuan 750021, PRC）

Abstract：This study was conducted to explore the most suitable particle size of gravel mulching in selenium-contained watermelon field.The natural gravel from Nanshantai Region in Zhongwei City, Ningxia, was used as tested materials to determine how different particlesize gravel covering affects daily soil water evaporation with evaporator overall weighing method.The results show that the daily soil water evaporation capacity of the gravel-covering particle size from high to low was CK> L5（4.0-5.0 cm）> L4（3.0-4.0 cm）> L3（1.5-3.0 cm）>L2（1.0-1.5 cm）>L1（0.7-1.0 cm）.With the increase of particle size of gravel covering, the daily soil water evaporation capacity increased gradually, and the soil water content reduce gradually.The soil water cumulative evaporation in differently particlesized gravel cover was significantly less than that of bare soil, and the soil water cumulative evaporation with gravel cover increased with the increase of the particle size.With the increase of test days, the difference of soil moisture cumulative evaporation capacity between L3 （1.5-3.0 cm）和L4（3.0-4.0 cm）decreased gradually.As the gravel size was 1.5-4 cm, the inhibition effect of different particle sizes of gravel on soil water evaporation was of little difference.The appropriate gravel particle size of 1.5-4 cm could be selected to prevent the loss of a large amount of moisture, with other comprehensive factors.And the exponential function equation Y=aebxcould be used to simulate the soil total evaporation along with the change of particle size of the gravel cover, and the polynomial equation Y=at2+bt could be taken to simulate soil water cumulative evaporation changes over time.

Key words：gravel covering; particle size; soil moisture; evaporation; arid region; Ningxia

作者简介：周 约（1972-），男，宁夏回族自治区中卫市人，讲师，主要从事草地生态资源与环境教学研究工作。

基金项目：宁夏大学自然科学研究基金资助项目（ZR1208）；宁夏高等学校科学技术研究资助项目（NGY2014065）

收稿日期：2015-10-10

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.12.021

中图分类号：S156.92

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2015）12-0072-03