生态垫覆盖的土壤温度效应研究

张梅花，张文君，孙庆仲，贾莉莉，王 宏，蔺阿荣

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学管理学院，甘肃 兰州 730070)

土壤温度是土壤环境的重要因素之一[1]，是衡量土壤热状况的尺度[2]。不仅直接影响植物根系和幼苗的生长，而且还影响着土壤水分、养分的迁移和转等[3]。同时，土壤温度又受大气温度、土壤水分以及地表覆盖等多种因素的影响。鉴于此，研究不同因素对土壤温度的影响，为植物生长提供良好的土温环境就显得十分必要。

沙丘由于其特殊的生态系统限制了林木的生长，其中最重要的一个因素就是土壤温度。本研究拟通过对覆盖生态垫和不覆盖生态垫的沙丘土壤温度进行观测分析，探讨生态垫的温度效应，旨在了解覆盖生态垫对沙丘植被生长环境的影响，为生态垫在建立沙地人工植被恢复系统的可行性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省河西走廊中部的甘州区，是典型的大陆性草原荒漠气候，气候干燥，温差大，降水少而集中。年平均降水量130.4mm，主要集中在7—9月，年均蒸发量2002.5mm，是降水量的15.4倍。多年平均气温7.3℃，近三十年最高气温39.8℃，最低气温-28.2℃。据1995—2015年气象资料显示，该地区年平均降水量为140mm，蒸发量2000mm，昼夜温差大，干旱频繁。试验区内位于沙漠边缘，分布有固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘，土壤主要为灰棕漠土。

1.2 试验材料

生态垫(eco-mat)是由棕榈树果壳纤维制造的一种生物覆盖材料。厚约3～5cm、规格为1m×10m，疏松多孔，较易分解。

1.3 试验设计

试验地选在沙漠边缘的一处流动沙丘和固定沙丘迎风坡上部，将试验地沿垂直等高线方向平均分成12块(流动沙丘和固定沙丘各6块)，相邻试验区之间留1m隔离带，生态垫沿等高线铺设于沙丘上部，间距为1m。试验共设置4个处理：覆盖生态垫的流动沙丘(M)、未覆盖生态垫的流动沙丘(M0)、覆盖生态垫的固定沙丘(F)和未覆盖生态垫的固定沙丘(F0)，每个处理重复3次，采用随机区组。

1.4 土壤温度测定

将曲管地温计埋设在各处理0、5、10、15、20cm处，从2016年5—10月，每月选2～3个晴天进行土壤温度日变化观测，从08∶00到20∶00，每2h观测1次，每处理设3个重复，结果取平均值。处理M和F的温度测点在生态垫下，M0和F0的温度测点在裸露的沙上。

1.5 数据处理

数据分析采用SPSS19.0软件完成，利用EXCEL软件做图。

2 结果与分析

2.1 生态垫覆盖对高温季节土壤温度日变化的影响

适宜的土壤温度是土壤养分转化及树木根系生长发育的重要条件[4]。通过2016年7月16日对0～20cm处土壤温度日变化的连续观测(如图1所示)发现，各处理土壤温度日变化均呈单峰曲线，表层从10∶00开始迅速升温，至15∶00达到最高温，5cm及以下土壤最高温出现的时间略有延迟。但不论是处理M还是处理F各时间段温度变化都比处理M0和F0平缓，处理M和F在表层和5cm处温度均低于处理M0和F0。通过对各时间段的土壤温度进行方差分析发现，从10∶00～17∶00，在土壤表层，处理M和F均与处理M0和F0差异显著，且在10∶00～13∶00之间M和F差异显著，这说明覆盖生态垫可显著降低表层土壤温度，且覆盖在流动沙丘的效果优于固定沙丘；5～15cm处，在观测时间段内，虽然处理M和F温度均低于处理M0和F0，但差异均不显著。20cm处，19∶00～20∶00，这两个观测时间段内M和F温度均高于处理M0和F0，且差异显著。

图1 不同处理土壤温度日变化

2.2 覆盖对不同深度土壤温度的影响

土壤不同深度地温的垂向变化是地表散热和吸热之间动态变化的结果[5]，热量的传递和吸收随着深度的增加，最高温度和最低温度出现的时间也逐渐落后。从0～20cm处各处理土壤温度的变化(如图2所示)看，处理M和F在土壤垂直剖面上的温度变幅较小，其中处理M相邻土层间温度变化区间为0.62～1.65℃，处理F为0.08～4.31℃；而处理M0和F0的变幅则较大，其中处理M0为1.84～11.85℃，处理F0为0.46～9℃。处理M和F温差最大值均出现在5～10cm处，处理M0和F0则出现在表层至5cm处。由此可见，覆盖生态垫后改变了土壤对热量的传递和吸收过程，缩小了土壤间的温差。随着土壤深度的增加，土壤温度逐渐降低，覆盖和未覆盖生态垫下的土壤温差也逐渐减小，在10～25cm处各处理温度变化很小。

通过对土壤平均温度垂直变化的对比(如图3所示)可以看出，处理M表层日平均温度为31.96℃，而处理M0的为41.86℃，两者相差9.9℃；处理F为36.69℃，而处理F0为42.15℃，温差为5.46℃；同时，处理M与处理F间的温差为4.73℃。处理M和F，在表层和5cm处土壤温度日平均值均低于处理M0和F0，而在10cm以下处理M0和F0慢慢接近处理M和F，在12cm处处理M0和M相等，之后M0温度迅速减小，小于处理M；处理F和F0在10cm处相对，随着土层深度的递增，F0逐渐小于F。从土壤的垂直剖面看，处理M和F变幅较小，且M小于F；而处理M0和F0变幅较大，尤其是0～10cm处。由此可见，覆盖生态垫后使得0～20cm处土壤温度变化平缓。其主要原因由于生态垫对太阳辐射和地面有效反射的拦截、吸收，使土壤所接受的太阳辐射大大降低[6- 9]，因此处理M和F土壤温度上升缓慢，且日变幅小；而对于裸露的沙漠表层，吸热快放热也快，温度变化剧烈，各层之间温差较大。因此处理M和F温度随层下降速度低于处理M0和F0。从土壤的垂直剖面看，对照温度先高于铺垫，然后渐渐接近，在15cm处两者相差极小，15cm以下对照温度又逐渐低于铺垫，这种温度的急剧变化不利于林木根系的生长发育，进而会影响林木生长。

图2 不同深度土壤温度变化情况

图3 各处理土壤日均温度垂直变化情况

3 结语

覆盖生态垫后改变了土壤对热量的传递和吸收过程，对0～5cm土层有降温作用，同时，缩小了各层土壤间的温差，使得0～20cm处土壤温度变化平缓，这有利于干旱地区夏季高温时减少土壤蒸发，保持较高的土壤水分。地表温度过高，表层土壤水会迅速汽化后散失到空气中使得表层水分降低，表层水分降低后导致土壤水势梯度增大，深层土壤水开始向地表移动来补充表层散失的土壤水，在这个过程中土壤中的水分由于强烈蒸发而被白白消耗，另一方面，温度过高，根系吸水能力加强，但由于沙土含水量低，没有足够的水分供根系吸收，使根系由于吸水困难而死亡。

将生态垫无论是覆盖在流动沙丘还是固定沙丘均可显著降低表层土壤温度，且覆盖于流动沙丘的效果要优于固定沙丘。20cm处，19∶00～20∶00，这两个观测时间段内M和F温度均显著高于处理M0和F0，说明从傍晚开始覆盖生态垫的沙丘会有升温的现象，但由于从20∶00至次日8∶00未进行观测，各处理土壤温度的变化还不能确定，还需进一步深入研究。