铺设地膜条件下梭梭土壤水分的动态变化

王 英王军德张育斌秦 力

(甘肃省水利科学研究院,甘肃 兰州730000)

土壤水分作为荒漠植被发育最主要的制约因子,影响沙地植物的生长状况[1],植被覆盖也影响着土壤水分的含量及其分布[2]。分析沙生植物的水分动态时空分布特征对荒漠过渡带植被建设具有重要意义[3-5]。Schlesinger等[6]研究表明,干旱区植物通过特有的土壤水分吸收机制来响应土壤水分的空间异质性,同时也对土壤水分的空间分布产生重要影响。郭泉水等[7]认为沙区土壤水分的时空动态决定着生态系统的格局和演变,而生态系统演变又不断改变着沙地的水文过程。民勤县地处河西走廊东北部,被巴丹吉林和腾格里两大沙漠所包围,属荒漠过渡带。梭梭作为民勤县的主要固沙植物,其生长发育很大程度上受制于土壤水分条件[8],存活率低,生长缓慢。目前研究多采用机械沙障与种植沙生植物梭梭,骆驼刺等,起到防风固沙和恢复生态的作用[9],常用的机械沙障有塑料网沙障、麦草沙障、覆袋沙障、黏土沙障、玉米秆沙障、生态垫沙障等,苏永德等[10]研究了生态垫和覆袋沙障对梭梭林冠下土壤含水量的影响;安富博等[11]通过固沙植物材料选育和新型机械沙障的研制开展民勤防沙治沙新技术、新材料研究,研究表明棉秆沙障具有良好的防风固沙效果。刘江等[12]研究了窄条纱网沙障和保水凝水剂对梭梭造林成效的影响,各种沙障制作材料和布设形式的不同,表现出来的防风固沙效益也各不相同[13-15]。大部分研究认为沙障材料可以保持水分、起到防风固沙,进而影响梭梭根系对水分的吸收,但是通过铺设地膜降低梭梭水分蒸发损失,提高蓄水保墒能力的研究较少。为此,本文在梭梭周围设置麦草方格的基础上,布设4种不同厚度的高密度聚乙烯(HDPE)地膜,对5种处理梭梭进行土壤含水量观测,通过试验旨在选择保水性能好的地膜材料,来减少梭梭土壤水分蒸发,增强保水保墒能力,为河西走廊沙漠化防治提供技术支撑。

1 研究地区及试验布置

1.1 研究区

本试验选择民勤县城以北13.5 km处的大滩乡东大村为试验基地,民勤县地处河西走廊东北部、石羊河流域下游,被巴丹吉林和腾格里两大沙漠包围,代表了我国北方干旱典型脆弱区,降水稀少,多年平均降水量为113.2 mm,蒸发量为2 675.6 mm,试验区地下埋深20 m。根据气象资料统计,民勤地区的干旱指数为24,具有明显的沙漠气候特征。梭梭适应旱生环境,具有非常强的抗旱特性,在民勤地区是典型的抗旱沙生植物。

1.2 试验设计

本试验选择1 a生梭梭为试验对象,苗高20 cm,主根长30 cm,根幅30 cm。采用普通麦草围成的沙障网格作为沙面材料,麦草沙障高度为15 cm,沙障网格为1 m×1 m,网格内铺设高密度聚乙烯塑料膜。分别选择0.3 mm的白色PE土工膜,0.03 mm的农用膜,0.2 mm的黑色PE土工膜,0.12 mm的棚膜,规格为1 m×1 m;植物种植处预留直径为20 cm的圆孔,铺设时四周高,并以2%坡度流向至中央圆孔处,试验设置5种处理,每种处理3次重复。4种覆膜处理,1种未覆膜的对照处理。

2 试验方法

采用TRIME-PICOIPH2TDR剖面土壤水分测量系统测定5种处理梭梭土壤体积含水量,测试深度为0—100 cm,每隔20 cm设定一个土壤剖面,共5个土壤层。每7 d观测一次,同时对降雨后的梭梭土壤含水量进行连续3 d观测,降雨量的测定采用气象观测系统,测量时间在降雨天的8:00和20:00。采用Origin 2017和Excel 2016进行数据统计分析,采用SPSS 26进行数据的方差相关性分析。

式中:Δθi为土壤某层的体积含水量;Zi为土壤层厚度;i为土壤层次。

对于旱作物,在整个生育期中任何一个时段的水量平衡方程为:

式中:ΔW为任一时段间t的储水量(mm);Wr为由于H增加而增加的水量(mm);P0为保存在H内的有效降雨量(mm);K为时段t内的地下水补给量(mm);M为时段t内的灌溉水量(mm);ET为时段t内的田间需水量。

5种处理土壤含水量分析是在同一土壤层深度,H在时段内无变化,Wr不存在;由于试验区地下水埋深20 m,对于1 a生梭梭补给可能性很小,因此时段内地下水补给量K可忽略;试验期未对梭梭进行灌溉,因此时段内的灌溉水量M为0,因此,本研究的水量平衡方程的计算公式为:

式中:ΔW为时段时间t的土壤储水量变化;P0为保存在H内的有效降雨量;ET为时段t的田间需水量(mm)。

3 覆膜对梭梭土壤水分动态影响

3.1 5种处理梭梭土壤水分特征对比分析

试验基地2019年降雨量情况如图1所示。降雨集中在夏秋季的5—10月,春冬季降雨较少。最大的降雨量17.1 mm出现在2019年9月8日。对5种处理梭梭从2019年2—12月测定土壤体积含水量,同一土壤层梭梭体积含水量随时间变化对比降雨量分析结果如图2所示。分析可知,梭梭土壤含水量随着季节降雨波动变化而变化,夏秋季土壤含水量高,冬春季土壤含水量逐渐趋于平缓。表层土壤20 cm深度,土壤含水量受降雨量影响变化最明显,属于土壤水分速变层,与刘娇[16]的研究成果一致。40 cm深度土壤含水量变化较明显,说明0—40 cm土壤含水量受降雨影响较大;这与陈宏祥等[17]研究成果相符合,即雨季对梭梭土壤水分的影响主要集中在水分活跃层。8月下旬试验基地久未下雨,出现极度干旱状态,受干旱胁迫梭梭土壤含水量呈现最低状态。9月8日降雨量为一年日降雨量最大值,5种处理梭梭土壤含水量随之变化最大,20 cm土层深度土壤含水量受其影响显著。

图1 试验基地2019年1—12月降雨量

图2 不同土层深度5种处理梭梭林下土壤含水量动态变化

3.2 5种处理梭梭土壤含水量相关性分析

通过对5种处理在20,40,60,80和100 cm深度的土壤含水量数据进行单因素相关性分析,结果详见表1。20 cm土层深度,白膜梭梭土壤含水量与对照梭梭土壤含水量呈显著性相关;其余处理间土壤含水量均不呈现明显相关性;40 cm土层深度,棚膜梭梭土壤含水量与对照梭梭呈显著性强相关,黑膜梭梭土壤含水量与对照梭梭呈显著性弱相关,其余处理间均不呈现明显相关性;60—100 cm土层深度,5种处理间呈多个显著性相关关系,说明40 cm土层深度以上,铺设地膜对梭梭土壤含水量的影响最显著。

表1 不同土层深度5种处理梭梭林下土壤含水量的相关性分析

3.3 降雨前后不同处理的土壤水分特征分析

2019年9月8日,试验基地降雨17.1 mm,对降雨前9月1日、降雨后9月9—11日的梭梭土壤体积含水量进行分析。由图3观测分析结果可知,5种处理中,降雨前梭梭已经处于极度干旱状态,5层土壤含水量逐层增加。

图3 降雨前后不同土层深度5种处理梭梭林下土壤含水量

不同处理梭梭土壤含水量表现出不同的差异性,20 cm土层深度,土壤含水量依次顺序为:白膜梭梭＞黑膜梭梭＞棚膜梭梭＞对照区梭梭＞农膜梭梭;40 cm土层深度,棚膜梭梭土壤含水量最高;60 cm土层深度,黑膜梭梭土壤含水量最高;80 cm土层深度,白膜梭梭土壤含水量最高,是对照区土壤含水量的32%,但100 cm土层深度,对照区梭梭土壤含水量和覆膜梭梭的土壤含水量差距不大,说明地膜对梭梭的影响为80 cm以上的土层深度。降雨后,雨水很快集蓄在梭梭根部,土壤含水量受降雨影响迅速上升,随着雨水逐渐下渗到深层土壤及植物蒸腾蒸发作用,表层土壤含水量逐渐下降。20 cm深度,梭梭土壤含水量增加幅度最大,受降雨影响程度最大,表现为:白膜梭梭＞棚膜梭梭＞黑膜梭梭＞农膜梭梭＞对照区梭梭;白膜梭梭比对照区梭梭土壤含水量高26%;40 cm土层深度,棚膜梭梭土壤含水量最高,对照区梭梭土壤含水量最低;60—100 cm土层深度,梭梭土壤含水量随降雨变化有所增加,变化特征与降雨前60—100 cm深度土壤含水量一致;由此说明,布设白膜、黑膜和棚膜梭梭的土壤含水量高于未覆膜的对照区和农膜梭梭的土壤含水量,说明布设地膜对梭梭起到了良好的集雨保水效果。布设0.03 mm农膜梭梭土壤含水量低于对照区未覆膜梭梭,是由于农膜厚度薄、水汽穿透性高,导致对膜下土壤温度影响大,水分蒸发强度高而造成农膜梭梭的土壤含水量低。

3.4 生长周期内5种处理梭梭的土壤水分变化

梭梭的生长期分为返青、展叶、开花、新枝形成、果实成熟及黄枯6个时期,根据民勤地区梭梭物候期规律[18],计算分析5种处理梭梭一个生长周期内的土壤储水量。由图4可知,储水量的变化与降雨在年内的分布相吻合。以开花时5月8日为界分为2个阶段,开花前由于降雨土壤储水量达到了峰值,对梭梭开花时水分供给十分有利,梭梭的耗水作用使土壤储水量在整个生长阶段呈减少趋势,在果实成熟期达到了极低值。在一年的生育期内,铺设白膜梭梭的土壤储水量始终处于最高值,黑膜梭梭次之。

图4 梭梭生育期内的林下土壤储水量

以1 m土层厚度为蒸散作用层,有效降雨量为单次降雨量大于5 mm的降雨量之和。按照水量平衡方程计算5种处理梭梭在一个生长周期内的蒸散量,结果详见表2。白膜梭梭全生育期的耗水量最大,黑膜梭梭的耗水量次之。从生长情况来看,白膜梭梭生长最好,黑膜梭梭次之。说明铺设白膜和黑膜对梭梭土壤水库的影响显著,白膜和黑膜的保水效果最好。

表2 5种处理梭梭的耗水量及生长情况

4 结论

(1)通过为期1 a的5种处理梭梭土壤含水量观测可以得出,梭梭土壤含水量随着季节降雨呈现波动变化的状态,40 cm以上深度为土壤水分活跃层,受降雨量影响较大;降雨前后梭梭土壤含水量对比表明,布设有白膜、黑膜和棚膜梭梭的土壤含水量高于未覆膜的对照区梭梭和农膜梭梭土壤含水量,铺设地膜对梭梭起到了良好的蓄水保墒效果。布设农膜梭梭土壤含水量低于对照区未覆膜梭梭,是由于农膜厚度薄、水汽穿透性高,导致对膜下土壤温度影响大,水分蒸发强度高而造成。

(2)5种处理梭梭生长周期内耗水量和生长情况分析得出,储水量的变化与降雨在年内的分布相吻合,梭梭的耗水作用使土壤储水量在整个生长阶段呈减少趋势,开花期处于峰值,果实成熟期处于最低值,铺设白膜梭梭的土壤储水量始终处于最高值,且白膜梭梭的耗水量最大,其次为黑膜梭梭。说明白膜和黑膜的布设能够起到蓄水保水和防止土壤水分蒸发的作用。