双层秸秆不同层位覆盖对土壤水分蒸发影响

周长泉，赵文举，王珍珍，许建堂

(1.兰州理工大学技术工程学院，兰州 730050；2.兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050)

0 引 言

土壤水分是农作物生长的重要因子，蒸发是地表水分和水文循环中的一个重要过程，而过多的水分蒸发，对于农业生产来说则是一项重要的水分损失[1,2]。“盐随水去，水去盐留”，在我国西北地区，土壤水分的剧烈蒸发导致了土壤水分大量的损失，形成土壤的盐渍化[3-5]，进而严重制约了当地农业生产和发展。因此，有效控制土壤水分蒸发，理论上就可以减轻盐分表聚，从而达到改良土壤的目的[6]。在农业生产中抑制土壤蒸发的方式有覆盖砂石、塑料薄膜、秸秆等，国内外研究表明，通过地面覆盖，可减少土壤蒸发，同时抑制土壤盐分向表层聚集[7-9]。

秸秆作为农作物产物，来源广泛，收集成本低，秸秆覆盖可提高土壤持水能力，抑制地表返盐，增加土壤有机质[10,11]。虎胆·吐马尔白等[12]认为在不同地下水位下，秸秆覆盖埋深为30 cm厚度时抑盐效果优于表层秸秆覆盖；乔海龙等[13]研究表明秸秆进行深层覆盖可减少2%～3%深层土壤水分的蒸散量，对深层土壤的蓄水保墒有积极的作用；同时地埋秸秆体可以有效降低0～60 cm土层土壤含水率和含盐量[14]；对农田土壤进行秸秆覆盖可有效减小作物棵间蒸发量，当农田灌水量过低时秸秆还有明显的截留作用[15]。赵永敢等[16]认为表层覆膜+秸秆隔层能抑制潜水蒸发,对累积蒸发量的抑制率可达75.07%～95.42%；王曼华等[17]通过研究得出秸秆双层覆盖表层秸秆覆盖量与深层秸秆覆盖量之比为2∶1时，抑制蒸发效果较好。可以看到，秸秆覆盖的研究正在由单层向双层拓展，但目前针对双层秸秆覆盖方式对土壤蒸发影响还有待进一步研究。因此，本试验基于室内模拟试验，研究双层秸秆不同层位覆盖下对土壤蒸发过程的影响，得出双层秸秆适宜的埋深层位，以期为西北干旱区土壤水分的无效蒸发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用土壤均为具有代表性的甘肃省景泰县的砂壤土。取自表层0～30 cm，土壤经自然风干(风干后土壤初始含水率为0.75%)、试验前对土壤进行了充分研磨，除去杂物后均可通过2 mm筛。试验用的秸秆为当年收割晾干并粉碎为3～5 cm的小麦秸秆；土柱底部用纱布及沙石作为底部隔层，防止被泥土流出土柱阻碍底部盐水运移。土柱底部均放置水盆，其中均添加15 g/L的盐水用来模拟地下水环境。土壤的颗粒组成见表1。

表1 供试土壤颗粒组成Tab.1 The granule constitution of the tested soil

1.2 试验方法

试验采用高660 mm，直径210 mm聚氯乙烯管做土柱试验，柱身共有6个孔洞，埋深分别为100、185、290、375、460、545 mm。分别记为1～6号孔。土柱试件如图1所示：秸秆厚度均设置为10 mm，秸秆单层覆盖埋深80 mm (CK)、上层埋深0 mm下层埋深300 mm秸秆双层覆盖(C1)、上层埋深80 mm下层埋深220 mm秸秆双层覆盖(C2)、上层埋深80 mm下层埋深300 mm秸秆双层覆盖(C3)、上层埋深80 mm下层埋深380 mm秸秆双层覆盖(C4)。试验开始前，对每个土柱中注水至底部均有水体自然渗出，放置一天待渗流完成后，对各土柱进行称重，记录初始质量，后将土柱置于室内光照条件下进行蒸发实验，光照选用的灯泡为220 V、275 W。试验共持续24 d，每两天称重一次测量蒸发量，称重仪器采用感度为0.001 kg的电子秤。

图1 不同层位秸秆埋深试验装置图(单位：mm)Fig.1 Chart of Test Devices for Different Straw Underlying

1.3 数据处理

实验数据分析和绘图软件采用Microsoft Excle 2007软件和Origin9.0软件。

2 结果与分析

2.1 秸秆不同层位下土壤日蒸发量的影响

不同覆盖模式下土壤日蒸发量连续24 d的动态变化过程如图2，可看出，1～10 d内，各土柱水分蒸发变化较为稳定，此时土壤前期含水量较大，各对照土柱的蒸发处于充分供水阶段，随着蒸发的进行，土壤中重力水和毛管水水分逐渐减小，无法满足充分供水。

图2 日蒸发量变化过程Fig.2 Daily evaporation process

11～18 d日蒸发量均减小明显，此阶段土壤中毛管水逐渐断裂，土壤蒸发进一步减弱，至蒸发的19～24 d曲线恢复稳定，此阶段由于秸秆隔层的作用破坏了土壤孔隙的连续性，导致土壤下层潜水不能顺利到达表层土壤，致使土壤蒸发量减小至最低水平并趋于稳定。

实验数据显示蒸发开始的1～10 d，土壤蒸发量基本保持为CK>C4>C2>C1>C3，11～18 d内土壤日蒸发大小为CK>C1>C4>C3>C2。在经过19～24 d的持续蒸发后水分蒸发量大小变为C2>C1>CK>C4>C3。

2.2 秸秆不同层位埋深下土壤累积蒸发量的影响

秸秆不同层位埋深下土壤累积蒸发量连续24 d的变化如图3所示。可看出，在试验过程中，各对照土柱蒸发量不断增大，具体表现是前期蒸发速率大，后期蒸发缓慢。不同秸秆覆盖处理之间累计蒸发量大小有差异，但土壤累积蒸发量的变化趋势基本一致。CK的累积蒸发量为3.154 2 kg，C1、C2、C3、C4处理的抑蒸率分别为2%、3.97%、8.6%、2.3%。可得，不同埋深距离下秸秆对土壤蒸发的抑制作用由大到小分别是：C3>C2>C4>C1>CK。说明单层秸秆埋深距离对于抑制土壤土壤水分蒸发弱于双层秸秆，且下层秸秆埋深与土壤水分蒸发非正相关。

图3 累积蒸发量变化过程Fig.3 Process of cumulative evaporation

整个实验过程中，C3处理累计蒸发量始终低于其他对照，表明上层埋深80 mm下层埋深300 mm秸秆双层覆盖最有利于抑制土壤水分蒸发。

2.3 不同层位双层秸秆埋深下土壤水分蒸发变化规律

对土壤累积蒸发量进行不同函数方程拟合，分别用指数方程Y=axb、对数方程Y=aln(x)+b和线性方程Y=ax+b，得到拟合参数见表2。可知，3种方程拟合所得的相关系数R2值均达到极显著水平，但是对比3种拟合方程可知，Y=axb的拟合效果最好，R2数值均大于0.985以上，即双层秸秆覆盖下土壤累计蒸发量和时间符合指数关系。

表2 不同埋深下土壤累积蒸发量与时间的拟合参数Tab.2 Matching parameters of soil cumulative evaporation and time under different buried depths

在本次试验过程中，分析选用Y=axb方程来模拟土壤水分蒸发全过程，方程中，x为时间，Y为累计蒸发量。对方程微分处理得到蒸发过程速率值V：V=dY/dx=abx(b-1)，可知，速率大小与系数a、b和b-1相关，表2计算系数a、b和b-1均为常数。将a、b和b-1数值代入求解微分方程，得各时段蒸发速率值(表3)。

表3 不同层位埋深下土壤累积蒸发速率Tab.3 Cumulative evaporation rate of soil under different depths

分析各时段水分蒸发速率值。在蒸发开始两日0～2 d，土壤水分蒸发速率大小为CK>C4>C2>C1>C3。在蒸发初期4～8 d，土壤水分蒸发速率大小为CK>C4>C1>C2>C3。在蒸发中后期10～24 d，土壤水分蒸发速率大小为CK>C1>C4>C2>C3。即在蒸发各个阶段，秸秆单层覆盖蒸发速率始终较其他对照组大，说明单层覆盖较双层覆盖抑制土壤蒸发能力弱。对比C1、C2、C3、C4四组对照的蒸发速率，可以得到在蒸发过程中C1的蒸发速率较C2、C3、C4逐渐变大，也就是说随着蒸发的不断进行，土壤含水量不断下降，C1覆盖模式下土壤蒸发速率衰减较C2、C3、C4对照组少，说明在土壤不断蒸发过程中双层秸秆表层+深层的覆盖模式对土壤蒸发的抑制效果弱于双层秸秆浅层+深层覆盖。

结合秸秆不同层位埋深观察水分蒸发速率值，可得秸秆的埋深层位与土壤水分蒸发速率具有相关性。对比C2、C3、C4三组对照的蒸发速率，在上层秸秆层位不变的状态下，改变下层秸秆层位，随着层位向下移动，土壤蒸发速率先减小后增大(C4>C2>C3)，表明双层秸秆覆盖下水分蒸发速率值随着下层秸秆埋深增大而减小，但达到一定埋深深度后，蒸发速率值不再继续减小，反而开始增大。即当下层秸秆超过一定埋深后，双层秸秆对土壤蒸发抑制作用开始减弱。因此可以看出，双层秸秆覆盖过程中合理选择秸秆埋深层位对抑制蒸发有直接影响。本次试验中，最有利于抑制土壤水分蒸发埋深层位为上层80 mm、下层300 mm的C3对照组。

3 结 论

(1)不同秸秆覆盖方式的土壤日蒸发量不同。蒸发过程可大体分为三段：在蒸发初期1～10 d，土壤含水量较大，土壤蒸发量基本保持CK>C4>C2>C1>C3；随着蒸发的进行，土壤含水量逐渐降低，水分逐渐无法充分供应，11～18 d土壤日蒸发大小为CK>C1>C4>C3>C2；当到试验末期，土壤含水量达到最低，且秸秆隔层的作用破坏了土壤孔隙的连续性，土壤下层潜水不能顺利到达表层土壤，致使土壤蒸发量减小至最低水平并趋于稳定，19～24 d内基本保持C2>C1>CK>C4>C3的变化趋势。

(2)双层秸秆覆盖下秸秆埋深层位与土壤水分蒸发量具有相关性，表现为随着下层秸秆埋深距离的增大，蒸发量先减小后增大。在整个蒸发过程中，CK的土壤水分累积蒸发量为3.154 2 kg，C1、C2、C3、C4处理相较于CK 的抑蒸率分别为2%、3.97%、8.6%、2.3%。相比可知，单层秸秆覆盖抑制蒸发作用小于双层秸秆，双层秸秆浅层+深层覆盖方式(C2、C3、C4)对土壤水分蒸发的抑制效果优于秸秆表层+深层覆盖方式(C1)。

(3)不同秸秆埋深下土壤水分蒸发采用方程Y=axb的拟合最好，更符合本次试验土壤水分累积蒸发量与时间的变化关系。蒸发速率V值越小，抑蒸效果越明显，双层秸秆覆盖下随着下层秸秆向下埋深深度增大，土壤蒸发速率减小，当埋深超过最佳埋深距离后，蒸发速率重新增大，通过试验分析，得到上层埋深80 mm下层埋深300 mm秸秆双层覆盖最有利于抑制土壤水分蒸发。