干化土壤连续多年覆膜后水热盐分布特征研究

2023-09-12郭俊文李援农汪有科靳珊珊

人民黄河 2023年9期

郭俊文，李援农，汪有科，靳珊珊

（1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100；2.中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，陕西杨凌 712100；3.河南农业大学林学院，河南郑州 450002）

黄土高原黄土丘陵区土层深厚、光热资源丰富，具有较大的农业生产潜力，但因降水时空分布极度不均而干旱灾害频发，长期普遍存在水土流失和土壤干化、土壤退化现象，制约着农作物生长发育和林草植被的有效恢复［1-2］。采取合理有效的水土保持措施，就地拦蓄降水资源、提高土壤肥力、减少土壤水分蒸发和作物蒸腾，是该地区农业生产和生态建设的关键，为此众多学者对黄土丘陵区各种集雨措施、水土保持措施改善土壤水分的效果进行了大量研究［3-8］。在各类措施中，地膜覆盖作为保墒措施，可以有效改善土壤水、热、盐状况［9-10］。为了揭示黄土丘陵区干化土壤连续多年覆膜后水热盐分布的年内变化规律，给改善干层土壤水热盐状况的进一步研究提供参考，本文基于连续覆膜5 a 的枣林地试验小区定位监测资料，研究了多年覆膜后土壤水、热、盐分布的年内变化情况。

1 研究方法

1.1 试验小区布设概况

试验样地位于陕西省米脂县境内的西北农林科技大学红枣节水研究基地，监测时段为2020 年1 月10日—2021 年1 月31 日。该研究基地地貌类型属黄土高原黄土丘陵沟壑区第一副区，平均海拔960 m，山地坡度为21°～39°；试验土壤为黄绵土，平均容重为1.3 g／cm3，0～150 cm 土层中粉粒含量为47.6%～50.1%、砂粒含量为43.9%～46.5%、黏粒含量为5.9%～7.1%，属于粉质壤土，其质地疏松、保水性较差；该地区属于中温带半干旱气候区，干湿季分明，夏秋季湿润多雨、冬春季干燥少雨，年潜在蒸发量为1 600 mm 左右，试验监测期间降水总量为372.2 mm（主要集中于6—10月），年内日平均降雨量为1.3 mm、日最大降雨量为24.5 mm；在监测时段内平均气温10.6 ℃，最高气温为29.7 ℃，最低气温为-17.6 ℃，年日照时数2 372.7 h；平均相对湿度为55.9%，最大相对湿度为97.3%，最小相对湿度为14.3%。地下水埋深超过50 m，其对耕作层土壤水分的影响可以忽略。

覆膜试验小区布设于2015 年7 月。垄沟集雨模式为垄覆膜、沟不覆膜，选取地面平坦的水平阶枣林地作为试验地进行起垄覆膜，在垄高20 cm、垄宽50 cm、沟宽20 cm 的相邻垄上分别布设白膜覆盖小区（WF）、黑膜覆盖小区（BF）、裸地小区（CK）（如图1 所示），其中白膜为耐久性较好的无色透明塑料膜（厚度约为0.015 mm，双层覆盖，膜上设置若干直径为2～3 mm 的进水小孔）、黑膜为黑色牛毛毡，垄沟沿等高线布置、沟内不覆膜，每种处理重复3 次，共设置9 个试验小区（随机排列）。由于试验小区布设在枣林地内无植被覆盖的地块，因此可忽略植被蒸腾耗水。在小区周边设置高出地表20 cm 的围垄，确保试验小区无径流损失；为避免小区间互相影响和小区周边植物根系吸水及土壤水分的侧渗，在小区间竖向埋设牛毛毡进行隔离，同时在试验地块周边埋设厚塑料布进行隔离。

图1 试验小区布设示意

1.2 测定指标及方法

研究区枣林地土壤水分的唯一补充来源是降水，土壤水分的时空变化主要受降雨和蒸散发的影响［11-12］，依据当地的降雨特点，将土壤水分动态变化过程划分为过渡阶段（3—6 月）、补充阶段（7—10月）、损失阶段（11 月—次年2 月）进行分析。试验期间的气温、降水量、相对湿度、风速等气象数据源于试验基地布设的BLJW-4 型自动气象站。

在各小区距地表深度为5、15、30、50、75、100、125、150 cm 处分别埋设GS3 传感器（如图1 所示），每隔30 min 自动监测一次土壤体积含水率（θ）、温度（T）及电导率（EC，用于间接反映土壤含盐量，其值越大表明土壤含盐量越高），通过EM50 数据采集器采集各传感器的监测数据。

1.3 数据整理与分析

采用软件Excel2019 与SPSS24、DPS 进行监测数据整理与分析，采用最小显著差异法（LSD）进行显著性检验（显著性水平P＜0.05），采用软件Origin2021 进行统计图绘制。

土壤储水量计算公式为

式中：W为土壤储水量，H为土层厚度，θ为土壤体积含水率。

2 监测结果分析

2.1 土壤水分变化特征

2020 年2 月1 日—2021 年1 月31 日各小区0 ～10、10～30、30 ～60、60 ～100、100 ～150 cm 土层含水率逐日变化过程及年均值见图2，可以看出，受降水、蒸发的影响，各土层含水率在监测期呈“升—降—升—降”的波动，其中深度为0～100 cm 各土层含水率波动剧烈、100～150 cm 土层含水率波动较为平缓，因此可把0 ～100 cm 土层视为土壤水分易恢复区、把深度大于100 cm 土层视为土壤水分难恢复区［12］。

图2 监测期各小区不同土层土壤含水率逐日变化过程

各小区土壤含水率均在7—8 月出现“波谷”，原因是在土壤水分补充阶段初期虽然降水量增加，但是气温较高、空气相对湿度较低、土壤水分蒸发量较大，降水不足以补偿土壤水分的损耗，导致土壤含水率持续下降，直至2020 年8 月5 日出现第一次较大降雨，土壤水分才得以迅速恢复。在没有径流损失的情况下，由于地膜覆盖在一定程度上延缓了降雨入渗速度，同时切断了土壤与空气的直接联系，使土壤蒸发量减小，因此裸地小区的土壤含水率波动较覆膜小区的剧烈，而覆膜小区土壤含水率对大气降水的响应时间相对滞后、响应强度相对减弱，如30～60 cm 土层，2 种覆膜小区土壤含水率最大值出现时间（均为8 月7 日）较裸地小区推迟了1 d，WF、BF、CK 最小含水率分别为10.7%、10.2%、9.3%，2 种覆膜小区含水率最小值对应的时间较裸地小区均推迟了5 d（原因可能是覆膜在冬季具有保温效应，延缓了土壤冻结）。

就土壤含水率年均值而言，在0 ～150 cm 深度范围内，2 种覆膜小区无显著差异（WF、BF 土壤含水率分别为17.1%、17.6%）且均显著高于裸地小区的（CK土壤含水率为15.9%）；0 ～30 cm 土层，各小区无显著差异；30 ～60 cm 土层，2 种覆膜小区无差异（均为16.4%），且均显著高于裸地小区的；60 ～100 cm 土层，白膜覆盖小区最高、黑膜覆盖小区最低，2 种覆膜小区差异显著；100～150 cm 土层，黑膜覆盖小区显著高于其他2 种小区的，而白膜覆盖小区与裸地小区无明显差异。

土壤水分动态变化各阶段各小区不同土层的储水量见表1。在监测期内，WF、BF、CK 处理间土壤储水量差异显著，BF、WF 分别较CK 高12.6%、5.1%。从各阶段土壤储水量变化情况看，各处理土壤储水量在过渡阶段与损失阶段均呈现出减小趋势，而在补充阶段均表现出增大的趋势（WF、BF、CK 分别增大了52.6、74.7、68.0 mm，差异显著）。

表1 各阶段各小区不同土层储水量mm

表2 不同阶段0～60 cm 耕作层水、热、盐偏相关系数

监测期末，3 种小区0～150 cm 土层储水量差异显著，其大小顺序为BF＞WF＞CK。与吴贤忠等［13］对连续2 a 覆膜小区的试验结果相比，本研究中连续5 a 覆膜小区在水分补充阶段降雨量增加的情况下0 ～150 cm土层储水量的监测结果并未明显增加，说明补充阶段一部分雨水下渗深度超过150 cm（补充了更深层土壤）。就0～60 cm 耕作层储水量而言，过渡阶段3 种小区无显著差异；在补充阶段和损失阶段覆膜处理WF、BF 储水量分别较CK 高16.5%、18.1%，差异显著。就60～100 cm 土层储水量而言，各阶段3 种小区无显著差异。就100～150 cm 土层储水量而言，在过渡阶段和补充阶段黑膜覆盖小区显著大于其他2 种小区的，两个阶段BF 分别较WF 高9.7%、17.7%，分别较CK 高9.5%、33.0%；而损失阶段3 种小区无显著差异。

2.2 土壤温度变化特征

为便于叙述，把2020 年1—2 月的稳定冻结—冻融时段称为解冻期，把2020 年11 月—2021 年1 月的冻融—稳定冻结时段称为冻结期，把监测期其他时段称为完全融解期。

监测结果表明：在冻结期，深层土壤温度高于浅层土壤温度，土壤温度随土层深度加大呈现升高的趋势；而在解冻期，深层土壤温度低于浅层土壤温度，土壤温度随土层深度加大逐渐降低，各小区间上层温度差异大于下层的。

就0～150 cm 土层而言，3 种小区年均温度差异显著，高低顺序为WF（11.5 ℃）＞BF（11.3 ℃）＞CK（10.6 ℃）；覆膜小区年内最高温度较裸地高2.2 ℃、最低温度较裸地高0.9 ℃；7 月平均温度在监测时段内最高，白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区7 月土壤平均温度分别为24.9、24.7、23.3 ℃，覆膜小区与裸地小区间差异显著，而2 种覆膜小区间差异不显著。就0 ～60 cm 土层而言，黑膜覆盖小区7 月平均温度显著低于白膜覆盖小区的（低5.6%），表明高温季节黑膜覆盖对耕作层土壤温度有一定调控作用；1 月平均温度在监测时段内最低，3 种小区差异显著，白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区1 月平均温度分别为-0.7、-1.1、-1.4，说明长期地膜覆盖在土壤冻结期具有保温作用。就0～10 cm 土层而言，2 种覆膜小区在不同时期的土壤温度均显著高于裸地小区的，说明多年覆膜措施有利于提高表层土壤温度。

监测期3 种小区最大冻深均为75 cm，连续使用5 a的地膜对越冬期土壤最大冻深已无明显影响，黑膜覆盖小区和裸地小区冻结到最大深度的时间比白膜覆盖小区约提前了2 d。由监测期各小区0 ～75 cm 土层冻融过程线（见图3）可以看出，0 ～75 cm 土层经历了稳定冻结—冻融—完全融解—冻融—稳定冻结的过程。

图3 土壤冻融变化过程线

就0～10 cm 土层而言，解冻期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低温度分别为-6.6、-5.2、-5.0 ℃，在2020 年2 月15 日气温为-7.4 ℃的情况下白膜覆盖小区首先开始解冻（较BF、CK 分别提前2、4 d）；冻结期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低温度分别为-13.7、-13.1、-13.0 ℃，在2020 年11 月23 日气温为-5.7 ℃的情况下白膜覆盖小区首先冻结（较BF、CK提前了7 d）。

就10～30 cm 土层而言，解冻期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低温度分别为-1.7、-1.4、-2.4 ℃，在2020 年2 月9 日气温为-1.0 ℃情况下，白膜覆盖小区首先开始解冻（较BF 提前3 d，较CK 提前11 d）；冻结期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低温度分别为-7.0、-7.0、-8.8，在2020 年12 月7 日气温为-4.4 ℃情况下裸地小区首先冻结（较WF 提前6 d，较BF 提前8 d）。

就30 ～60 cm 土层而言，解冻期2 种覆膜小区没有发生冻融现象，裸地小区在2020 年2 月12 日平均气温为3.9 ℃情况下完全解冻；冻结期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低气温分别为-2.8、-4.3、-6.3 ℃，在2020 年12 月15 日气温为-10.0 ℃情况下裸地小区首先冻结（较BF 提前7 d，较WF 提前17 d）。

在深度为75 cm 处，解冻期3 种小区都没有发生冻融现象；冻结期白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区、裸地小区最低气温分别为-0.7、-1.0、-1.2 ℃，黑膜覆盖小区和裸地小区于2021 年1 月8 日在同一天冻结（较WF 提前了2 d）。

综上所述，连续使用5 a 的覆膜仍然可以缩短冻结土壤的解冻时间，其中白膜覆盖更有利于冻土的解冻、黑膜覆盖更有利于延缓0 ～30 cm 浅层土壤的冻结过程，土层越深土壤温度越稳定、越不易冻结。

2.3 土壤电导率变化特征

监测期各小区不同土层土壤电导率逐日变化过程及年均值见图4。由图2、图4 可知，土壤电导率变化规律与土壤含水率变化规律基本一致，符合“盐随水来，盐随水去”的运移规律［14］。

图4 监测期各小区不同土层土壤电导率逐日变化过程

表层土壤含盐量因受土壤融解、降雨和蒸发的影响而波动剧烈，导致表层土壤电导率也明显波动。2020 年2 月土壤处于解冻期，各小区0～60 cm 耕作层土壤电导率呈增大趋势，原因是解冻期冻土消融是上下双向进行的，中间未解冻的冻结夹层隔断了上层土壤水分下渗的通道［15］，使得冻结层以上土壤含水率较高（0～10 cm 土层含水率最高达19.8%），同时冻结层的存在使得土壤剖面存在温度梯度，冻结层以下土壤水分向冻结层持续移动使土壤盐分向冻结层迁移。随着气温持续上升，表层积聚的水分开始大量蒸发，随着水分向上运移，冻结期累积在冻结层的盐分迅速向土壤表层迁移，表层土壤呈现返盐现象［16］。之后随着气温持续升高，冻结层完全融解，蒸发量进一步增大，但同时降雨量逐渐增加，蒸降比减小，上层土壤水分增加并向下层土壤入渗，使土壤表聚的盐分向下层土壤运移，当水分入渗深度超过150 cm 时，一部分盐分向更深层土壤运移，此时表层土壤电导率开始呈现减小的趋势。 2020 年7—8 月各小区土壤电导率出现几次突升，原因是出现了几次较大降雨使土壤含水率提高、土壤积盐量增大，之后土壤盐分随土壤含水率的波动和水分大量下渗而淋洗下降，土壤电导率也随之波动下降。 2020 年11 月25 日左右出现的最后一个峰值，是2020 年11 月19 日的一次较大降雨造成土壤水分聚集，且随后气温下降使土壤开始冻结，冻结层以下土壤水分携带盐分再次向冻结层迁移所致。

就监测期平均电导率而言：0 ～10 cm 土层和60 ～100 cm 土层，2 种覆膜小区间差异不显著但均显著高于裸地小区的；10～60 cm 土层，黑膜覆盖小区与裸地小区差异不显著但均显著低于白膜覆盖小区的；100 ～150 cm 土层，白膜覆盖小区与裸地小区差异不显著但均显著低于黑膜覆盖小区的。

有关研究表明，地膜覆盖可以有效抑制土壤盐分表聚［17-21］。本试验监测结果表明在黄土高原枣林地连续多年覆膜会产生盐分表聚效应，与吴贤忠［13］、李志华［16］等的研究结果一致，但多年覆膜后0 ～150 cm土层电导率全年均值较小，白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区均为0.05 mS／cm，较3 a 前的监测结果（白膜覆盖小区、黑膜覆盖小区分别为0.07、0.08 mS／cm）明显减小，说明在降水量较大的情况下一部分土壤盐分随雨水下渗向150 cm 以下运移。

2.4 土壤水热盐相关性分析

在土壤水分过渡阶段，裸地小区土壤水热相关性显著而覆膜小区土壤水热相关性不显著，说明过渡阶段地温随大气温度变化时，长期覆膜抑制了蒸发，膜下土壤含水率较为稳定；过渡阶段蒸发量随气温升高而增大，但降雨量逐渐增多，蒸降比减小，同时解冻过程中滞留在耕作层的水分逐渐下渗并使盐分淋洗下降，因此各小区热盐之间均呈现显著的负相关性，其中黑膜覆盖小区热盐相关性明显较其他两种小区的强，说明过渡阶段黑膜覆盖土壤温度的变化比白膜覆盖的大、盐分下降明显；盐离子是通过水分运动实现运移的，所以各小区水盐均呈现显著的正相关性，其中白膜覆盖小区的水盐相关性最显著，说明白膜覆盖后耕层内土壤含水率波动较大。

在土壤水分补充阶段，3 种小区耕作层土壤水热均表现出显著负相关性，其中黑膜覆盖小区的相关性相对较弱，说明长期覆盖黑膜在补充阶段保水调温效果较好；白膜覆盖小区和裸地小区热盐显著正相关，而黑膜覆盖小区热盐无相关性，原因可能是黑膜覆盖小区耕作层土壤盐分含量较低、土壤温度较为稳定；3 种小区水盐均呈现显著正相关性，即电导率随着土壤含水率的升降而变化。

在土壤水分损失阶段，3 种小区水热均呈现显著正相关（其中黑膜覆盖小区正相关性最强），原因是该阶段土壤处于冻融循环和稳定冻结期，土壤液态水分含量取决于土壤温度；2 种覆膜小区土壤热盐间无相关性，说明覆膜后土壤温度变化对盐分的影响较小，原因可能是土壤温度持续降低，覆膜表现出良好的保温效应，延缓了土壤冻结和土壤盐分向冻结锋面的迁移；3 种小区水盐均呈现显著的正相关性，与过渡阶段、补充阶段具有一致的规律。