秸秆覆盖条件下滨海盐渍土蒸发对近地层微气候变化影响的模拟研究

2021-04-28邓亚鹏孙池涛张俊鹏孙景生毛伟兵孙玉霞平文超

干旱地区农业研究 2021年2期

邓亚鹏，孙池涛，张俊鹏，孙景生，毛伟兵，孙玉霞，平文超，李勃

(1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271000；2.中国农业科学院农田灌溉研究所，农业部作物需水与调控重点实验室，河南新乡 453002；3.沧州市农林科学院，河北沧州 061400；4.山东省果树研究所，山东泰安 271000)

在滨海地区，淡水资源紧缺和土壤盐渍化导致的土壤干旱与贫瘠是引起农业生产水平低且不稳定的重要因素[1]。在这些地区，土壤蒸发约占同期农田水分总损失的50%～70%，盐分随水分蒸发而积聚在表层土壤，不但加重了土壤盐渍化，而且影响了作物的正常生长[2]。土壤水分蒸发一方面降低了植物根系吸收水分的相对比例，另一方面改变了近地层空气微气候(温度、湿度)，影响了近地层水热交换。以往研究中多关注了不同抑蒸措施对作物耗水的影响，而忽略了水分蒸发对近地层微气候变化的影响[3]。

秸秆覆盖是国内外应用最为广泛的抑蒸、保水农业技术措施。秸秆覆盖不仅在提高土壤蓄水能力，促进盐分淋洗、抑制地表返盐方面具有显著的效果，而且在调节土壤通透性、温度、养分、酶活性、生物结构、碳氮转运、土壤呼吸、作物水分利用等方面也具有重要作用[4-8]。王青霞等[9]研究表明秸秆覆盖后，土壤微生物活性及其利用碳水化合物和羧酸的能力有显著提升，农田生态系统更为稳定；程曼等[10]指出长期秸秆还田对土壤养分含量及酶活性均产生了有益影响，为作物产量的稳定与提升提供了重要保障。然而，作物产量提升、微生物数量、酶活性及碳氮转运等生化活动离不开适宜的土壤水热环境和近地层微气候条件，以往有关秸秆覆盖对土壤水热环境和作物水分利用等方面的研究报道颇多，成果丰硕[11-13]；而对近地层微气候变化的影响研究鲜见报道。开展近地层微气候效应研究有助于揭示秸秆覆盖对农田生态环境作用机理，完善秸秆覆盖应用理论，为秸秆覆盖技术推广提供理论依据。

基于上述内容，本研究通过模拟试验旨在探索秸秆覆盖后盐渍土近地层微气象因素变化规律，明确秸秆覆盖条件下土壤蒸发强度及水盐动态特征，解析微气象条件-土壤蒸发-土壤水盐之间的作用机制，为秸秆覆盖在盐渍土水盐调控方面的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1试验材料

试验土壤取自滨州市无棣县渤海粮仓科技示范区(117°42′～118°04′E， 37°17′～38°03′N)内农田0～40 cm土层，土壤含盐量为3 g·kg-1，主要以NaCl为主，约占总盐分含量的70～80%。通过吸管法测定土壤各粒级相对含量(表1)，可见，粘粒(< 0.002 mm)为10.75%，粉粒(0.002～0.05 mm)为54.92%，沙粒(> 0.05 mm)为34.33%；土壤质地为粘质壤土(美国制)。采样区为温带大陆性季风气候，多年平均气温为12.3℃，降雨量为586 mm，蒸发量为1800 mm；其中，6—9月降雨量约占全年总降雨量的70%。本试验中覆盖材料为剪碎0.5～1 cm的小麦秸秆。

表1 试验土壤颗粒级配相对含量/ %

1.2 试验设计

试验通过航空塑料杯(容积230 mL，杯高80 mm，上口直径70 mm，下口直径50 mm)实现，2个塑料杯为一套装置(图1a)，上杯底部用电钻均匀打孔(孔径1 mm)，下杯完好嵌套上杯。上杯底部均匀铺设20 g粒径为2 mm的石英砂，之后石英砂上装230 g风干土壤(容重为1.3 g·cm-3)，上杯顶部预留0.5 cm空间以覆盖秸秆，秸秆量按照0、0.3、0.6、0.9 kg·m-2和1.2 kg·m-2(分别由CK、A、B、C和D表示)铺设，每个处理重复20次。试验布置如图1b所示：各装置置于1 cm厚泡沫板上，图中每个圆表示一套试验装置，不同处理间设置50 cm×50 cm的塑料隔板以消除空气温湿度的相互影响。试验时间为2019年12月28日至2020年1月9日共计14 d。试验在山东农业大学水利土木工程实验中心大厅完成，试验期间室内温度为13℃～18℃。

1.3 试验流程

试验开始前，向每套装置中加预先配置好的5 g·L-1NaCl溶液180 mL(灌水前土壤上方铺设滤纸，以保证表层不被扰动)，入渗过程中及时倒掉下杯搜集的液体，静置24 h后，按设计用量覆盖秸秆。每个处理固定3组装置称重，根据前后2次称量值计算蒸发量。称重同时用红外测温仪(Testo，德国)测定各处理近地层表层土壤温度；用空气温湿度仪(Testo 608，德国)测定每个处理中央位置正上方10、15、100 cm处温度、湿度和风速；此外，通过破坏性分层取样(0～1、1～2、2～3、3～5 cm)测定土壤含水率和电导率。土壤蒸发和土壤含水率、电导率前期按照每240～480 min(4～8 h)测定1次，后期按照每720～1 440 min(12～24 h)测定1次；温度、湿度和风速前期按照每120 min(2 h)测定1次，后期按照每240 min(4 h)测定1次。参考翁笃鸣[14]、李全起等[15]的定义，本文中近地层气象因素特指地表土壤温度及地表上方15 cm处空气温度和湿度。将取出的土壤分成两份，一份土壤风干，过2 mm筛后称取10 g土壤，按照土与水质量比为1∶5混合，震荡3 min，静置30 min后，采用电导率仪(DDS-307A)测定土壤浸提液电导率值；已有研究表明，土壤电导率与土壤全盐含量具有较好的线性正相关关系，电导率的大小可反映土壤含盐量的高低[16]。土壤含水率采用烘干法测定，将另一份土壤置于105 ℃烘箱中烘10 h，测量干土质量，计算获得土壤含水率。

1.4 数据处理及作图

本试验中，无外源加热设备补充热量，主要考虑蒸发显热H、潜热通量LE以及湍流交换系数(KZ)的变化情况。相关计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，ρ为空气密度，ρ=0.00129 g·m-2；Cp为定压比热，Cp=1.008 J·(g·℃)-1；TZ1、TZ2为Z1、Z2位置处空气温度(℃)；k为卡曼常数，0.41；uZ1、uZ2为Z1、Z2位置处空气风速(m·s-1)；L为净长波辐射量(W·m-2)；e1、e2为Z1、Z2位置处(本文中为处理表面正上方10 cm和100 cm位置)空气水汽压(hPa)；e为空气饱和水汽压(hPa)；KZ为Z位置处湍流交换系数(m2·s-1)；T为空气温度(℃)。

本试验数据录入和初步分析由Excel实现，单因素方差分析(One-way ANOVA)由SPSS 19.0实现(LSD法进行差异显著性检验，p<0.05)，作图由Excel完成。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖对地表土壤温度、地表上方15 cm处空气温度、湿度的影响

秸秆覆盖后土壤表面导热率、反射率及粗糙度等发生变化，进而改变了表层土壤的热学和动力学性质，影响了地表土壤温度和近地层空气温度和湿度。

2.1.1秸秆覆盖对地表土壤温度的影响试验期间各处理地表土壤温度随时间的变化趋势基本一致：随着秸秆覆盖量的增加近地层土壤温度亦显著增加，A、B、C和D地表土壤温度比CK分别增加了21.9%、27.4%、27.2%和33.5%(图2)，且0～10 000 min时间段不同处理间温度差异较大，A、B、C和D地表土壤温度比CK分别增加了25.6%、32.4%、31.8%和39.5% (p<0.05)；10 000～18 000 min秸秆覆盖处理地表土壤温度差异不显著，但仍高于CK，A、B、C和D处理分别提高了9.2%、9.9%、11.3%和12.6%。

2.1.2 秸秆覆盖对地表上方15 cm处空气温度的影响与地表土壤温度随时间变化趋势相似，试验期间各处理地表上方15 cm处空气温度亦随秸秆覆盖量的增加呈增加趋势，试验期间秸秆覆盖处理与CK地表上方15 cm处平均空气温度差异不显著，A、B、C和D处理地表上方15 cm处空气温度比CK分别增加了1.02%、0.59%、0.95%和1.54%(图3)。0～10 000 min，秸秆覆盖处理地表上方15 cm处空气温度高于CK，A、B、C和D空气温度比CK分别增加了1.28%、0.89%、1.26%和1.91%；10 000～18 000 min，秸秆覆盖处理地表上方15 cm处空气温度低于CK，差异不显著，A、B、C和D处理依次降低了0.21%、0.84%、0.53%和0.21%。

2.1.3 秸秆覆盖对地表上方15 cm处空气相对湿度的影响试验期间各处理地表上方15 cm处平均空气相对湿度随时间的变化趋势相似，秸秆覆盖处理地表上方15 cm处平均空气相对湿度显著低于CK，A、B、C和D处理比CK分别降低了1.9%、1.8%、1.5%和1.9%(图4)。0～10 000 min，A、B、C和D处理的地表上方15 cm处空气相对湿度比CK分别降低了2.8%、2.7%、2.3%和2.8%；10 000～18 000 min，A、B、C和D处理的地表上方15 cm处空气相对湿度比CK分别增加了2.3%、2.0%、1.9%和1.9%。

2.2 秸秆覆盖对近地层湍流热通量的影响

湍流交换系数可有效反映湍流交换能力，其数值越大表明湍流交换能力越强，空气对热量的输送能力也越强。由图5a表示试验期间地表上方15 cm处湍流交换系数变化。试验期间A、B、C和D处理平均湍流交换系数比CK分别降低了73.3%、62.8%、29.9%和51.7%(图5a)。湍流热通量主要由湍流交换系数及Z1和Z2位置的温差决定，湍流热通量为正表示热量由上层向下层传输，反之，则表示热量由下层向上层传输。试验期间各处理湍流热通量数值为负(图5b)，即热量主要由土壤向大气传输，且从图中还可以看出，A、B、C和D处理平均湍流热通量比CK处理分别增加了80.2%、70.6%、52.8%和69.6%。

在水汽传输过程中，蒸发主要以潜热方式实现地表和近地层之间的热交换。潜热通量为正表示水分蒸发，释放热量；反之，则为水分凝结，吸收热量。试验期间各处理潜热通量均为正，呈蒸发状态，且A、B、C和D处理的平均潜热通量比CK分别低了84.9%、79.4%、57.6%和69.8%(图5c)。

2.3 秸秆覆盖对土壤蒸发的影响

秸秆覆盖后地表温度及地表上方空气温度、湿度及湍流热通量条件发生改变，地气间的水汽传输必然受到影响。由图6可见，0～10 000 min内，A、B、C和D处理的平均土壤蒸发强度比CK处理依次低了12.4%、52.5%、26.7%和60.3%，且这一阶段CK蒸发强度始终高于覆盖处理，A、B、C和D处理的蒸发强度自初始迅速降低，之后蒸发强度逐渐趋于稳定；10 000～18 000 min内，A、B、C和D处理的平均蒸发强度比CK依次提高了196.1%、186.6%、88.0%和91.0%。可见，秸秆覆盖主要抑制了蒸发初期的土壤蒸发强度，且随着秸秆覆盖量的增加抑制效果表现更为明显。

2.4 秸秆覆盖对土壤水分和土壤电导率的影响

秸秆覆盖后各处理表层0～1 cm土壤含水率和电导率随时间的变化如图7所示。所有处理土壤含水率随时间的延长而降低，且随着秸秆覆盖量的增加土壤含水率呈递增趋势，A、B、C和D处理的土壤含水率平均分别比CK提高了41.2%、52.3%、65.7%和58.5%(图7a)。此外，蒸发过程中CK土壤含水率的下降速率明显高于秸秆覆盖处理；土壤电导率则是0～2 000 min期间迅速升高，之后趋于相对恒定，且各处理随着秸秆覆盖量的增加表层平均电导率呈降低趋势，表明秸秆覆盖具有抑盐效果，且秸秆覆盖量越大，表层抑盐效果越强(图7b)。

3 讨论

秸秆覆盖改变了蒸发面与下层土壤的毛管联系，减弱了土壤空气与大气之间的对流交换强度，影响了近地层微气候。研究表明秸秆覆盖在低温时具有“增温效应”，而在高温时则具有“降温效应”[4]。本试验观测前期秸秆覆盖处理地表土壤温度及近地层空气温度整体均高于CK，空气湿度低于CK，结果与邓浩亮等[17]基本一致；而试验后期秸秆覆盖处理近地层空气温度整体均高于CK，空气湿度低于CK，其原因可能是随着土壤蒸发的持续上层秸秆吸收了部分蒸发水分，提高了自身的比热容及热传导能力[18]。试验期间，各处理均无额外热源加热，秸秆覆盖层阻挡了土壤与大气间的能量交换，减少了土壤热量向大气中的散发，导致秸秆覆盖处理近地层气温高于裸地(CK)。

地表覆盖后土壤表层与空气之间形成了一个疏松的隔离层，增加了地表粗糙度，切断了空气与土壤的接触，影响了土壤与空气间的湍流热通量交换[15]。方文松等[19]田间试验结果表明秸秆覆盖量越大，湍流热通量越大，而潜热通量则随秸秆覆盖量的增加而降低。本研究结果表明湍流热通量和潜热通量均随秸秆覆盖量的增加呈增加趋势，原因可能是本研究为室内蒸发试验，无额外热源补给，且热量主要通过蒸发释放。

土壤蒸发强度同时受内因(土壤自身导水性能、含水率等)和外因(气象、覆盖等)共同影响[20]。本研究中，蒸发伊始各处理内因(土壤含水率)相同，受秸秆覆盖量不同引起蒸发外因差异明显，秸秆覆盖处理土壤蒸发强度显著高于对照。从图7可看出本试验期间所有处理主要包含了蒸发强度快速降低和蒸发强度缓慢下降2个变化阶段，且所有秸秆覆盖处理蒸发强度快速降低阶段持续时间均低于CK，其原因是覆盖的秸秆层隔断了蒸发层与下层土壤的毛管联系，减弱土壤空气与大气之间的湍流交换强度[18]，有效地抑制蒸发，本研究中可以看出，秸秆覆盖量越大，其抑制效果越好，与张翼夫等[21]研究结果一致。蒸发后期CK蒸发强度低于秸秆覆盖处理，原因是蒸发后期CK土壤含水率已下降至较低水平，其可供蒸发水量低于秸秆覆盖处理。此外，CK蒸发前期强度较高导致深层土壤盐分在地表积聚形成致密层，在一定程度上也降低了其蒸发强度[22]。

秸秆覆盖处理土壤含水率高于CK，且随着秸秆覆盖量的增加其土壤含水率愈高，这与张翼夫等[21]研究结果一致。试验开始前，各处理初始含盐量基本一致，蒸发初期各处理盐分均呈递增趋势，原因可能是下层土壤盐分随蒸发的进行运移至上层土壤所致。结合土壤蒸发强度随时间变化(图6)可知，土壤盐分向上层土壤积聚主要集中于蒸发强度快速下降阶段。此阶段水分主要以毛管水或膜状水传输为主[23]，表明盐分运移可能以毛管水或膜状水运动为主。然而，土壤盐分主要随何种水分形式(毛管水、膜状水)运移尚有待于进一步研究。

近地层微气候受多种因素共同影响，开展秸秆覆盖条件下的微气候影响效应研究可揭示秸秆覆盖的机理与功效，为深入开展相关研究提供重要理论依据[14, 24]。然而，近地层微气候田间监测研究需要投入较多的人力、物力且需配合严格的监测方案才能获得最佳效果[14-15]；室内模拟试验借鉴了田间监测的优点，规避了其缺点，可快捷、简便地开展单要素变化对试验结果的影响机理研究，目的更为明确。本文旨在研究秸秆覆盖对近地层微气候和盐碱土蒸发及水分、盐分的影响并揭示其内在机理，研究结果进一步验证了张俊鹏等[5]、李全起等[15]、方文松等[19]田间试验结果的准确性。室内秸秆覆盖模拟试验类似于土柱试验[25-26]可忽略天气环境及土壤环境差异对结果的影响，为深入开展秸秆覆盖对微气候变化机理研究提供了新模式。