覆膜开孔率对土壤水分蒸发的影响

王 慧，李绍才，龙 凤，李付斌，孙海龙，张琼瑛

(1.四川大学生命科学学院，四川成都 610064;2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610064;3.彭州市山地生态工程技术研究中心，四川成都 610064)

地膜又称塑料薄膜，把塑料薄膜严密地覆盖在土壤表面就称为地膜覆盖。地膜覆盖是20世纪50年代初期随着塑料工业的兴起而发展起来的，是把厚度为0.002～0.02 mm的聚乙烯塑料薄膜覆盖在农田上面的抗旱保墒技术。1978年我国从日本引进地膜覆盖栽培技术，现已大面积推广应用于西北半干旱、干旱地区。地膜覆盖可以提墒保墒、减少耕层土壤盐分、改善土壤理化性质、促进农作物生长发育，提高作物产量和品质［1］。

近年来，国内外针对裸土蒸发［2-5］、全覆膜蒸发［6］或不同覆盖条件下的蒸发［7］等土壤蒸发过程进行了大量的研究，但是有关覆膜开孔对土壤水分蒸发影响的研究较少，并且相关研究多为室内覆膜开孔水分蒸发的动态观测［2，8］，缺乏室外覆膜开孔对土壤水分蒸发影响的相关研究。本试验通过研究室外玻璃棚内覆膜开孔率对土壤水分蒸发的影响，对覆膜开孔率与土壤水分蒸发关系进行定量分析，旨在为覆膜开孔土壤水分蒸发的研究提供参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2011年9—10月在四川省彭州市山地生态工程技术研究中心的玻璃棚内进行。试验地位于彭州市升平镇，属亚热带季风气候，年均气温16.3℃，年均相对湿度79%，年均蒸发量1 536.4 mm。

1.2 试验设计方案

1.2.1 试件材料

试验覆膜为透明超薄(厚0.007 mm)塑料薄膜，试验试件采用有机玻璃加工制成。试验土壤按国际制砂土标准(砂粒85% ～100%，粉粒0～15%，黏粒0～15%)配制，其中砂粒92%、粉粒5%、黏粒3%。

1.2.2 试验设计

试验试件如图1所示，土壤经烘箱进行干燥处理后，装入长40 cm、宽40 cm、高5 cm的有机玻璃盆中，重量均为2 150 g，与有机玻璃盆口近乎平齐。试验以覆膜不同开孔率为变量因子，分别设置12.5%、25%、50%、75%、100%五个开孔率，100%开孔率即为裸土蒸发。覆膜表面按照开孔率方形开孔，均匀分布。有机玻璃盆底部有圆形开孔，填土后，将其放入水池中充分吸水，然后置于有网格的铁架上控水，至不存在重力水，然后在有机玻璃盆底部覆膜，准备好后称重，最后将其放入玻璃棚中。每种处理设置3个平行试验。

图1 覆膜开孔率对土壤水分蒸发影响试验试件设计示意

1.3 试验测定方法

土壤水分蒸发量采用称重法测量［9-10］，每天测量2次，分别在早上8：00和晚上20：00进行称量。有机玻璃盆内土壤水分蒸发量计算公式为

式中：Wn为当天早上有机玻璃盆质量，g;Wn+1为当天晚上有机玻璃盆质量，g;Wn+2为次日早上有机玻璃盆质量，g。

2 结果分析

2.1 土壤累积蒸发量与覆膜开孔率的关系

根据试验数据，绘制出不同覆膜开孔率条件下土壤水分累积蒸发量随蒸发时间变化的散点图，见图2。结果表明，覆膜试件的开孔率不同，土壤水分累积蒸发量不同，覆膜开孔率越大，土壤与大气之间的水分交换越畅通，即水汽扩散的通量越大，则覆膜抑制土壤水分蒸发的效率越低，水分累积蒸发量越大。随着蒸发时间延长，因系统没有外来水量供给，故累积蒸发量增长趋势逐渐减弱且趋于稳定，覆膜开孔率越大土壤水分越早趋于蒸发稳定状态。无覆膜条件下的土壤水分累积蒸发量最高，并且最早趋于水分蒸发的稳定状态。

国内外大量研究表明，裸土蒸发［3-4，11-12］和覆膜开孔蒸发［2，8］条件下，土壤水分累积蒸发量和蒸发时间的平方根之间存在线性关系。对累积蒸发量趋于稳定前的试验结果分析处理后可知，覆膜开孔率为12.5%、25%、50%、75%、100%时，土壤水分累积蒸发量与蒸发时间的平方根之间均存在一定的线性关系，符合相关理论及试验研究。根据裸土蒸发中累积蒸发量随时间变化的理论和试验分析结果可得

式中：E为累积蒸发量，g;t为蒸发时间，d;AE为与土壤性质相关的系数，亦称蒸发系数。

对式(4)拟合覆膜不同开孔率条件下实测的土壤水分蒸发资料，得到蒸发系数(表1)。由表1可见，覆膜开孔率为12.5%的土壤蒸发系数最低，随着开孔率的增大，蒸发系数呈非线性增大，无覆膜条件下的蒸发系数AE最大。

表1 覆膜不同开孔率下的累积蒸发量系数

2.2 覆膜不同开孔率条件下土壤累积蒸发量白天与夜晚的差异

试验表明，无覆膜条件下土壤水分累积蒸发量在试验进行到25 d后基本趋于稳定。对前25 d内不同覆膜开孔率条件下白天与夜晚的土壤累积蒸发量的试验结果处理后得表2。由表2可知，随着开孔率增加，白天与夜晚累积蒸发量均逐渐增加，当覆膜开孔率为12.5%时，土壤白天、夜晚累积蒸发量均为最小，覆膜开孔率为100%时土壤白天、夜晚累积蒸发量最大。由于白天具有较强的蒸发优势，如气温、辐射等远远强于晚上，所以白天土壤水分的累积蒸发量大大高于夜晚。采用SPSS进一步对不同覆膜开孔率条件下白天与夜晚的累积蒸发量分别进行多重比较(见表2)，结果表明，白天不同覆膜开孔率条件下的土壤累积蒸发量之间差异性显著，但是夜晚覆膜开孔率25%与50%、50%与75%的土壤累积蒸发量之间差异性并不显著。

表2 白天与夜晚不同覆膜开孔率对土壤累积蒸发量的影响

2.3 覆膜开孔率对土壤日蒸发量差值的影响

无论覆膜开孔与否，受风速、湿度、日照、气温等各种因素的综合影响，土壤水分的日蒸发量都会随着环境条件的变化而变化。根据试验数据可知，覆膜开孔率为12.5%、25%、50%、75%、100%的土壤水分日蒸发量最大值与最小值之差分别是142.67、165.33、187.00、240.00、255.67 g，由此可进一步得到不同覆膜开孔率的水分日蒸发量差值比较图(图3)。由图3可知，裸土的日蒸发量差值最大，覆膜开孔率为12.5%时的日蒸发量差值最小，随开孔率增大日蒸发量差值增大，即开孔率越大土壤水分的日变化量就越大。

图3 覆膜开孔率对土壤水分日蒸发量差值的影响

2.4 覆膜开孔率对单位膜孔面积累积蒸发量的影响

实测资料分析表明，蒸发结束时的土壤水分总累积蒸发量随着覆膜开孔率的增大而增加。覆膜开孔实际上提供了土壤和大气之间水分交换的通道，而且这一通道与膜孔面积密切相关。因此，对覆膜开孔条件下单位膜孔面积的累积蒸发量进行了比较分析。在此定义：单位膜孔面积累积蒸发量(g/cm2)=总累积蒸发量(g)/覆膜开孔总面积(cm2)。将蒸发结束时的土壤单位膜孔面积的累积蒸发量随覆膜开孔率变化的趋势显示于图4，由图4可知，在相同的蒸发时间内，覆膜开孔率越大，单位膜孔面积累积蒸发量越小，即单位膜孔面积的累积蒸发量随覆膜开孔率的增加而降低，且其降低趋势为覆膜开孔率为12.5%—50%的明显快于覆膜开孔率为50%—100%的。

图4 单位膜孔面积的累积蒸发量变化

3 结语

地膜覆盖的抑制蒸发、保墒和增温效应明显地改善了光、温、水、气、肥等生态条件，有利于培育壮苗。研究表明，在自然条件下，随着覆膜开孔率的增加，土壤累积蒸发量不断提高;在不同覆膜开孔率条件下，覆膜开孔率对夜间土壤水分蒸发影响较小;在水分蒸发的前中期，即土壤水分累积蒸发量趋于稳定之前，土壤累积蒸发量与蒸发时间的平方根呈现一定的线性关系;此外，土壤水分蒸发量系数和土壤日蒸发量差值均随覆膜开孔率的增加而增大，但是单位膜孔面积的累积蒸发量随覆膜开孔率的增加而降低。覆膜开孔为作物出土预留了苗孔，且增设灌水孔，已成为一项突出的增产节水措施，对农业生产具有重大意义，应用中可以结合现实需要选取合适的覆膜开孔率，以经济有效地利用覆膜和水资源。

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