黄土丘陵山地全年覆膜下土壤温度、水分运移规律研究

何婷婷，汪有科，史志鹏

(1.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

【研究意义】果树种植在黄土高原地区有着悠久的历史，同时也让该区域出现了不同程度的土壤干化[1-2]，这已经引起了国内外研究学者的高度重视。植物的种植类型是影响其土壤水分的消耗的关键因素[3-4]，同一植被，其不同深度的土壤水分消耗也不相同[5]。何小武等通过分析该地区不同植被类型下土壤水分的空间变异性后指出，遵守植被的自然分布规律以及充分利用降雨才是该地区实现水资源可持续利用的根本出路[6]。【前人研究进展】枣树是陕北地区退耕还林以后的主要经济树种，1999年实行矮化密植后，其产量和品质有了大幅提升[7]，常年的枣树种植使得该区域土壤出现了不同程度的水分亏缺，土壤水分的空间分布又直接影响枣树根系的垂直分布[8]。土壤水分受降雨影响较大[9]，合理的覆盖保墒措施能够提高土壤水分含量，近而提高雨水的利用效率，该方法已经成为干旱半干旱地区的主要节水措施，并且成功应用于玉米、小麦和果树等作物[10-15]。已有研究表明，地表覆盖措施可以通过改善土壤的水热、气状况和矿物质的分布而影响作物的生长和产量，并且对土壤干层的修复也有一定效果[16-18]，而这些覆盖方法中，尤以地膜覆盖效果最好[19]。薄膜覆盖技术有很好的保墒增温功能，由于薄膜铺设在土壤表面，形成一层不透气的塑料阻隔层，因此土壤蒸发在垂直方向被阻断，因此作物蒸发量降低；另一方面，薄膜覆盖使得土壤和外界的热交换能力减弱，因此地表温度会升高，地膜覆盖技术已被成功应用于玉米、小麦等田间作物、大棚蔬菜和果树上[20-26]。目前市场上农用覆盖地膜的种类很多，李仙岳等[27]通过研究不同地膜对土壤温度和葵花生长及产量的影响发现，普通塑料薄膜相比于液体地膜有显著的增温效果，保水方面也和生物地膜无差异。张杰等[28]也研究了不同地膜覆盖下的玉米集雨种植，发现生物降解地膜和普通地膜在土壤保水和对提高玉米产量方面有显著效果，并且相互之间无差异，生物降解地膜可以代替普通地膜用于农业生产。地膜覆盖对北方寒冷地区的土壤保温有显著的效果，不同颜色的地膜对作物生长和产量的影响也不相同。许树宁等[29]通过研究不同颜色地膜对甘蔗的生长后，通过经济效益分析发现黑色地膜和普通无色地膜经济性和对作物生长产量提高方面均优于灰黑双色地膜，可作为新型地膜逐渐推广。关于地膜覆盖的研究非常多，并且在果树方面的应用也已成熟，但是不同颜色地膜的保水效果保温效果研究较少。【本研究切入点】本研究选择陕北山地为研究对象，运用土壤水分遥感监测技术[30-31]，研究不同地膜覆盖下的土壤温度和水分变化规律。【拟解决的关键问题】探讨不同覆膜方式对当地土壤的保水保温效果，也为当地枣林土壤水分干层的恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2015年7月至2016年7月在陕西省榆林市米脂县远志山西北农林科技大学红枣节水研究基地(37°40′～38°06′N, 100°15′～110°16′E)进行，该地区属于典型的黄土高原丘陵沟壑区，平均海拔960 m，为中温带半干旱气候，年内平均温度 8.8 ℃，日照时数2372.7 h，无霜期165 d，根据米脂县多年气象资料，本地区年平均降雨量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。研究区土壤为黄绵土，土质均一，渗透性良好，为粉质壤土，1 m内土壤平均容重为1.29～1.31 g/cm3，土壤具体物理指标见表1。

1.2 试验布设与指标测定

1.2.1 试验布设 在枣林水平阶选择面积较大裸地，设置白膜覆盖和黑膜覆盖2种覆盖方式，薄膜为双层覆盖0.015 mm的无色透明塑料膜和黑色牛毛毡，上下膜间距为15 cm，薄膜上设有若干不对称直径约2～3 mm的小孔以便雨水进入，薄膜根据破损情况定期更换，大约每年更换3～4次，以旁边裸地作为对照，共3个处理，每个处理3个重复，9个小区随机排列，在整个试验地周边挖1 m的深槽，槽内埋设厚塑料布使试验小区与周边土壤隔离，防止周边土壤水分对试验小区产生影响，试验具体布设见图1。

表1 试验地土壤主要理化性质Table 1 Main soil physicochemical property of testing ground

图1 田间试验布设Fig.1 Field experimental layout

1.2.2 气象资料获取 距离试验地100 m处设有小型自动气象站(BLJW-4)，用于测定试验地的降雨(mm)、气温(℃)、净辐射(w/m2)、相对湿度(RH， %)、风速(m/s)等。数据采集器每30 min采集1次数据。

1.2.3 土壤温度、水分测定 在每个试验小区距离地表5、15、40、75、100、125、150 cm处各埋设由美国Decagon公司生产的GS3土壤水分传感器，用于实时监测各点土壤温度(T， ℃)和含水量(θ，cm3/cm3)，如图1。利用Em50数据采集器采集数据，监测步长为30 min。

1.3 指标计算

土壤含水率计算：

(1)

式中：C——土壤含水率， %；θ——土壤体积含水量，cm3/cm3；ρ——土壤密度，g/cm3。

土壤储水量计算：

W=10Hθ

(2)

式中：W——土壤储水量，mm；H——土层深度，cm；θ——土壤体积含水量，cm3/cm3。

土壤储水量变化量计算：

△W=Wt-W0

(3)

式中：Wt——计算时段末土壤储水量，mm；W0——土壤初始储水量，mm。

变异系数和标准差的计算公式：

(4)

(5)

土壤水分相对亏缺量(deficit soil water storage，DSWS)[32]：

(6)

式中：SWScpi为对照地第i土层土壤储水量(mm)；SWSi为样地第i土层土壤储水量(mm)。

2 结果与分析

2.1 气象资料分析

从图2可以看出，试验地气温和降雨年内变化较大，降雨集中在5-11月，降雨总量为359.8 mm，为全年降雨总量的89.7 %，最大降雨量出现在9月份，为89.2 mm；平均气温年内波动较大，最高温度出现在7月上旬，为35.6 ℃，最低温度出现在1月下旬，为-8.9 ℃；相对湿度全年波动较大，只在12月至次年3月表现出相对稳定的较低值，因为此时段为本地区冻土时间段，蒸发较少，且同时期降雨较少，空气干燥，因此环境相对湿度也比较低。

2.2 不同覆膜条件下土壤温度和水分时变化

选择2017年8月典型晴天数据绘制不同覆膜条件下150 cm土层土壤平均温度和水分时变化。从图3可以看出，气温在一天中的变化趋势为抛物线，最低温度出现在早晨6：00，为16 ℃，最高温度出现在11：30，为32.3 ℃。图3(a)中，土壤温度在一天中的变化趋势也为抛物线，但是变化幅度较气温小，并且明显滞后于气温。其中土壤最低温度出现在8：00，白膜、黑膜的最低温度分别为24.4和24.8 ℃，分别高出裸地1.3和1.7 ℃；土壤最高温度出现在16：00，白膜、黑膜和裸地土壤最高温度分别为28.8、27.6和28.32 ℃，可见裸地白天温度高于黑膜，夜晚最小。日土壤温度变化显示，在12：30前，黑膜覆盖土壤温度较高，而12：30后白膜覆盖土壤温度较高。说明土壤温度变化主要受气温变化的影响，在辐射大气温高时，白膜覆盖因为透光性好因此保温效果最好。从图3(b)可以看出，相比于土壤温度，土壤水分一天中的变化较小，基本保持不变，其中白膜覆盖的土壤水分最高，为12.5 %，黑膜覆盖土壤水分和裸地对照基本无差异，说明覆膜可以提高土壤含水率，抑制蒸发，其中白膜覆盖比黑膜覆盖效果好。

图2 气象资料分析Fig.2 Analysis of meteorological data

2.3 不同覆膜条件下不同深度土壤温度和水分时变化

从图4可以看出，各处理不同深度土壤温度对气温响应程度不同，5 cm深度土层土壤温度日变化最剧烈并且和气温变化趋势相同，呈单峰曲线，但最低温度和最高温度出现时间均滞后于气温，其中白膜覆盖5 cm土层土壤温度峰值最高，为46.2 ℃，而裸地5 cm土层土壤温度峰值最低，为36.6 ℃。可见各处理5 cm土层土壤温度均明显高于气温，并且土壤保温效果白膜>黑膜>裸地。各处理15 cm土层土壤温度日变化相对浅层土壤较小，呈“浅V型”，这主要是由于热量沿土层深度传导的滞后性导致的。各处理75 cm以下土层土壤温度在一天中基本不变，并且随着土层深度的增加土壤温度逐渐降低。气温对土壤温度的影响范围为15 cm，白膜覆盖对浅层土壤保温效果更好。

从图5可看出，各处理土壤温度随土壤深度增加而逐渐降低，其中白膜15 cm以上土层土壤温度最高，这主要是因为白膜透光性强，吸收的太阳辐射多。15 cm以下土层2种薄膜覆盖差异不大，但是均高于裸地，可见覆膜可以显著增加表层土壤温度，达到保温的效果。

图3 不同覆膜条件下土壤温度和水分时变化Fig.3 Soil temperature and moisture changes in a day time with different mulching

图4 不同覆膜条件下不同深度土壤温度时变化Fig.4 Soil temperature changes of different depths in a day under different mulching

从图6可以看出，薄膜覆盖5 cm土层土壤水分时变化为单峰曲线，和土壤温度变化趋势相同，黑膜和白膜覆盖土壤含水率最大值分别为7.6 %和9.6 %；而裸地5 cm土层土壤水分在一天中基本不变。各处理15 cm以下土层土壤含水率在一天中保持不变。就150 cm土层而言，白膜和黑膜覆盖土壤含水率分别为487.11、452.79 mm，裸地则相应减少75.69 和41.37 mm。

图5 不同覆膜条件下土壤温度垂直变化Fig.5 Vertical change of soil temperature under different mulching

图6 不同覆膜条件下不同深度土壤水分时变化Fig.6 Soil moisture changes of different depths in a day under different mulching

从图7得知，在垂直方向，125 cm土层以上各处理土壤含水率随深度变化明显，而125 cm以下土壤含水率基本保持不变。土壤水分总体来说：白膜>黑膜>裸地，其中白膜和黑膜15 cm土层土壤含水率最高，分别为17.33 %和15.96 %，15 cm以下土层土壤含水率逐渐降低，而裸地土壤含水率随深度不断增加，究其原因，主要是因为8月为当地枣树生育期，气温高，蒸发强烈，裸地无覆盖因此表层土壤蒸发剧烈，表层土壤含水率低；薄膜覆盖因为有薄膜的阻隔，土壤蒸发微弱，而浅层土壤又经常得到降雨的补给，因此含水率较深层土壤高。

图7 不同覆膜条件下土壤含水率垂直变化Fig.7 Vertical change of soil moisture under different mulching

图8 不同覆膜措施下不同深度土壤温度全年变化Fig.8 Soil temperature changes of different depths in a year under different mulching

2.4 不同覆膜条件下土壤温度、水分年内变化

从图8可以看出，白膜、黑膜和裸地不同深度土壤温度全年变化规律和气温相同，为“深V型”。各处理75 cm以上土层土壤温度日变幅较大，其中5 cm土层土壤温度日变化最大，这主要是受气温的影响。裸地5 cm土层土壤最高温度为53.5 ℃，出现在7月14日，而黑膜和白膜覆盖5 cm土层土壤最高温度分别为46.3和48.2 ℃，均出现在7月26日，白膜覆盖表层土壤增温效果较黑膜显著。在冬季，裸地、黑膜和白膜覆盖5 cm土层土壤最低温度均出现在1月25日，分别为-10.3、-5.7和-7.3 ℃，各处理15 cm土层相对于5 cm土层而言，日变幅较小，并且相互之间差异不显著。综合图7，薄膜覆盖对表层土壤温度的影响表现为“双重”效果，在冬季，覆膜表层土壤保温效果好，而黑膜的保温效果较白膜好；夏季覆膜表层土壤温度降低，且土壤最高温度的出现时间滞后于气温，说明覆膜可以减小表层土壤的全年温差，且黑膜夏季降温、冬季保温效果最好。

从图9可以看出，各处理各层土壤含水率全年变化规律基本一致，但是变幅不一致，说明不同土层受降雨影响程度不一样。结合降雨资料发现，裸地75 cm土层内土壤含水率受降雨影响较大，土壤含水率全年波动较大；而覆膜后只有15 cm土层土壤含水率全年波动较大，并且和降雨的分布规律是一致的，说明降雨对裸地的表层土壤水分影响更大。由表2～3看出，就150 cm土层全年均值而言，白膜土壤含水率最高，为14.13 %，比裸地高1.43 %，说明白膜覆盖保水效果较好；比较不同覆盖不同层土壤含水率均值看出，裸地125 cm土层土壤含水率最高；白膜覆盖15 m土层土壤含水率最高而黑膜覆盖75 cm土层土壤含水率最高。说明裸地、白膜和黑膜降雨入渗补给深度分别为125、15和75 cm，薄膜覆盖对降雨的入渗有一定的阻碍作用。近一步分析各覆盖措施蒸发影响层深度发现，在2015年12月至2016年2月，为当地冬季，降雨较少，土壤水分损失基本上只有蒸发，裸地的蒸发影响深度为100 cm，而覆膜后蒸发影响深度为75 cm，说明覆膜可以抑制蒸发，减小蒸发影响深度。表3显示，125 cm深度以下土层土壤含水率差异性极不显著(P>0.01)，黑膜和白膜覆盖125 cm以上土层各层土壤含水率之间差异显著(P<0.05)，可见覆膜对土壤含水率垂直分布影响显著。

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

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

表3 不同覆盖措施土壤含水量差异性检验Table 3 Differences test of soil moisture with different mulching

注：采用单因素方差分析的LSD多重比较，同一行中标有不同大写、小写字母者表示组间差异极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)；标有相同大写、小写字母者表示组间差异极不显著(P>0.01)和不显著(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 不同覆膜条件下土壤储水量

从表4可以看出，采用白色覆膜后，各月150 cm土层土壤储水量均高于裸地。12月至次年2月为当地植物休眠期，已有研究表明，休眠期也是土壤水分损失的关键时期[19]。在休眠期，各处理150 mm土层土壤储水量逐月减小，表现为消耗型，裸地、白膜和黑膜覆盖的土壤水分消耗量分别为93.8、74.1和69.2 mm，覆膜可以减少休眠期土壤水分消耗。

为了量化分析不同覆膜对土壤水分的恢复情况，计算2种覆膜措施的土壤水分相对亏缺量，结果显示：和裸地相比，白膜覆盖150 cm土层全年土壤蓄积效果明显，土壤储水量增加358.2 mm，其中休眠期土壤储水量增加92.4 mm。可见覆膜在休眠期可以抑制蒸发，其中白膜的土壤水分修复效果较黑膜好。

表4 不同覆盖措施浅层土壤储水量月变化和DSWSTable 4 Soil water monthly changes and deficit soil water storage with different mulching (mm)

3 讨 论

土壤温度对于作物的萌芽、生长具有非常重要的意义，也是环境因素中的主导因素，土壤温度梯度也直接影响土壤水势梯度，造成水分的垂直运移[19]。适宜的低温会促进土壤养分分解和有机质矿化，有利于植物根系的生长发育，增强其吸水抗旱能力，间接起到保水的作用。而地膜覆盖有明显的增温效应，这主要是由于覆膜后，隔断了土壤与外界的空气流通，减少了土壤的热量散失，同时地膜下面的水滴能阻断地面热量散失，从而使土壤升温[10]。不同颜色地膜的土壤增温效果不同，这主要是由于不同颜色地膜，其透热率和透光率均不同，对土壤环境的调控作用也不一样，研究发现，地膜颜色越浅，其透光性越好，有温室效应，可以提高摸下土壤温度，因此增温效果越好[29]。本试验对比黑色覆膜和白色覆膜不同深度土壤温度变化发现，不论是时尺度还是日尺度上，白膜表层土壤增温效果均较黑膜覆盖好，这和前人的研究结果是一致的。然而前人关于土壤温度的研究多以日为尺度，并且缺乏连续性，本试验研究以时和日为尺度，研究不同覆膜土壤温度的连续变化，能在不同尺度上更好的阐述土壤温度的变化情况，并且本试验以不同土层为研究对象，能更好的揭示土壤温度的垂直变化规律。

黄土高原地区由于“低降水，高蒸发”，使得水资源更加匮乏，植被建设是基本的生态建设措施[6]，然而不同的植被种植使得该地区深层土壤水分过度消耗，表现出不同程度的水分亏缺，形成永久性干层[32]。由于当地地下水埋深较大，降雨成为土壤水分的唯一来源，而土壤入渗量和入渗速率受土壤下垫面条件和雨强等的影响较大，同等条件下，雨强越大，土壤累积入渗量和入渗速率也越大[8]。然而，即使是大雨(降雨33.6 mm)，8 d之后也只有1.2 m内土壤含水量增量明显，1.4 m以下没有变化[9]。土壤水分损失主要发生在2 m土层内，覆盖措施可以明显提高土壤含水量，也可以促进土壤水分向深层运移[19]。覆盖措施中，尤以地膜覆盖效果最佳[16-17]，地膜覆盖尤其对50 cm土层内的土壤含水率提高最为明显[21]，而双膜覆盖较单膜覆盖效果更好[13]。本试验分析裸地的降雨入渗特征发现，裸地蒸发影响深度在100 cm，而降雨入渗补给深度为125 mm，这和前人的研究结果基本一致。2种颜色地膜不同土层土壤含水率时变化和日变化显示，白膜覆盖土壤保水效果更好。这和前人的研究结果不符，究其原因主要是因为前人是选择3月下旬到4月中旬中的任意3 d数据求平均值，数据集中选择在植物出苗期并且土壤深度选择5～10 cm处，为表层土壤水分变化[29]。已有研究表明，土壤蒸发入渗影响层为0～200 cm[7]，因此研究覆膜长期保水效果仅仅局限在10 cm土层，并且只选择一个时间段是远远不够的。本试验选择连续一年时间段，数据连续性好，并且土层深度选择0～150 cm，因此结果更具有实践价值。

4 结 论

(1)时尺度上，土壤温度在一天中的变化为抛物线，比气温变幅小，且滞后于气温。白膜、黑膜的最低温度出现在8: 00，最高温度出现在16: 00，均高于裸地，其中白膜最高，为28.8 ℃。裸地白天温度大于黑膜而夜晚最低。土壤水分一天中的变化较小，白膜覆盖的土壤水分最高，为12.5 %，黑膜覆盖土壤水分和裸地无差异。

(2)不同深度土壤温度对气温响应程度不同，5 cm土层土壤温度日变化最剧烈且呈单峰曲线，土壤保温效果白膜>黑膜>裸地；15 cm土层土壤温度日变化较小，呈“浅V型”；75 cm以下土层土壤温度在一天中不变且随土层深度增加而降低。就150 cm土层而言，白膜和黑膜覆盖土壤含水率分别为487.11、452.79 mm，裸地则减少75.69和41.37 mm。垂直方向，各处理土壤温度随深度增加，白膜表层温度最高；125 cm以上土壤含水率随深度变化明显，白膜覆盖浅层保水效果最好。

(3)白膜、黑膜和裸地不同深度土壤温度全年变化规律和气温相同，为“深V型”。各处理75cm以上土层土壤温度日变幅较大且5 cm土层变化最大，白膜覆盖表层土壤增温效果较黑膜显著。覆膜可以减小表层土壤的全年温差，且黑膜夏季降温、冬季保温效果最好。

(4)各层土壤含水率全年变化规律一致，但变幅不同。降雨对裸地和覆膜的影响深度为75和15 cm。就150 cm土层全年均值而言，白膜土壤含水率最高，为14.13 %，保水效果最好；裸地、白膜和黑膜降雨入渗补给深度分别为125、15 和75 cm，薄膜覆盖对降雨的入渗有一定的阻碍作用；裸地的蒸发影响深度为100 cm，而覆膜后蒸发影响深度为75 cm，覆膜可以抑制蒸发。

(5)采用白色覆膜后各月土壤储水量均高于裸地。休眠期，各处理土壤储水量逐月减小，表现为消耗型，裸地、白膜和黑膜覆盖的土壤水分消耗量分别为93.8、74.1和69.2 mm，覆膜可以减少休眠期土壤水分消耗；和裸地相比，白膜覆盖150 cm土层全年土壤蓄积效果明显，土壤储水量增加358.2 mm，白膜土壤水分修复效果较黑膜好。