毛乌素沙漠地膜-地布覆盖下土壤温度变化特征

任 涛,贾志峰,3,王 智,3,4,5,卢玉东,3,刘秀花,3,钟 哲

(1. 长安大学水利与环境学院，陕西 西安 710054；2. 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3. 长安大学水与发展研究院，陕西 西安 710054；4. 西北农林科技大学水利工程与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100;5. 美国加利福尼亚州州立大学弗雷斯诺分校地球与环境科学系，美国 加州弗雷斯诺 93740)

毛乌素沙漠是中国典型的土地荒漠化地区，随着诸多生态措施的实施，毛乌素沙漠得到有效治理，植被生长得到极大改善[1-2]。然而，该地区年均降雨量少，时空分布不均，蒸发强烈，生态环境脆弱，且已经受气候变化和人类工程活动影响。毛乌素沙漠仍然存在许多隐患，如地下水位下降、固沙植被减少甚至死亡等，这使植物固沙等有效措施效果减弱[3-5]。研究不同覆盖方式对毛乌素沙漠地区土壤温度变化的影响，有助于研究如何减少该地区土壤水分蒸发、有效利用雨水资源，为该地区植被恢复提供参考[6-10]。黑色地膜覆盖能够起到增温保墒、抑制杂草生长和减少土壤蒸发等作用，在农业和植被恢复中被广泛使用[11]。随着垄沟集雨技术的发展，垄上覆盖地膜作为主要集雨区，垄沟处不覆盖作为种植区，增温保墒及雨露叠加效果显著，使干旱半干旱区土壤温度和雨水利用效率显著提高[12-15]。已有研究表明，土壤温度是土壤水分蒸发的一个重要指标[16]。同时，采用地膜+防草地布覆盖能够有效延长地膜的使用寿命，减少地膜破碎化对土壤的污染[17],进一步起到增温保墒的作用；而采用防草地布覆盖也具有增温保墒的作用。因此，本文设置地膜+防草地布覆盖(MB)、防草地布覆盖(DB)以及裸地CK 3组处理方式，在毛乌素沙漠东缘风沙滩区选取典型试验点，开展地膜+地布覆盖条件下土壤温度原位监测试验，研究地膜+地布覆盖条件下的土壤温度变化规律、保温效果以及气象因子对土壤温度的影响，为该地区植被恢复技术的发展提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

试验在国家林业局榆林荒漠生态站开展。榆林站(109.701°E，38.363°N)位于黄土高原和鄂尔多斯高原过渡区，陕西省榆林市西北部(图1)。该地海拔1 114 m左右，多年平均气温约8.4℃，多年平均降雨量397.1 mm，多年平均蒸发量为1 611 mm，地下水水位埋深约为9 m，气候属于暖温带干旱区，是典型的毛乌素沙漠风沙滩区[1-2,18]。

1.2 试验设计

在试验站选取地势平坦裸地试验区，占地面积约400(20 m×20 m)m2，平地起垄并对其做不同覆盖处理，如图2所示：a.双垄表面覆盖黑色地膜，再在其上覆盖黑色防草地布，即地膜+地布处理(MB)；b.双垄表面仅覆盖防草地布(DB)；c.裸地对照(CK)。主要监测的气象因子包括降雨、露水、大气温湿度、风速风向等。试验基于地膜易破碎、经济成本高、土壤污染严重的问题，引入防草地布材料，以保护地膜，可进行长期布设[17-18]。选择地膜+地布覆盖及地布覆盖两种覆盖方式，其优点还在于能够节约每年因更换地膜而造成的人力和物力损失，也能够减少土壤污染。

图1 试验点地理位置Fig.1 Geographical location of the experimental site

试验中垄宽和沟宽取决于作物生育期降雨量和频率、蒸散发量和需水量等，依据水量平衡原理确定如下：

P×(M+F)=F×Et

(1)

式中，P为降雨量(mm);M为膜布覆盖面积(m2);F为沟面积(m2);Et为土壤蒸发和植物蒸腾的总耗水量(mm)。

注 Note:a 雨量计 Rain gauge; b 露水仪(LWS) Dew sensor; c 大气温湿度仪 Atmospheric temperature and humidity sensor; d 风速风向仪 Wind sensor; e 数据采集器 Data logger (Em50).图2 田间地表试验布设及监测设备Fig.2 Field surface test layout and monitoring equipment

由公式(1)得垄-沟宽度比为：

(2)

式中，Et和P均按全年计算。为了最大限度满足植物用水需求，Et应按最大值Et0处理(短草的潜在蒸腾量)，Et0为生长旺盛、高度整齐、不缺水而且地面完全被覆盖的低矮青草地(草高8～15 cm)的腾发量，单位为mm。

气象资料表明[19]，榆林地区Et0为1 003 mm，该地区的年均降雨量为397.1 mm。各作物中，冬小麦耗水最多，在此定为Et0。则所有作物都按此计算，可保证沟内土壤蓄水量超出预期，防止某一时段降雨量不足引起的干旱。因此，计算出垄、沟宽度比为1.53，本试验中即选择垄宽100 cm，沟宽60 cm。

据以上垄沟尺寸，人工挖取沙土，使之中间形成一道分水岭且两边呈低垄状。垄宽100 cm，沟宽60 cm，垄高10 cm，垄长360 cm(3组处理长度各为120 cm，各个处理间用地膜材料沿着垄的纵剖面进行隔离，隔离深度为30 cm，减少不同处理间的相互影响)。垄面保证平整且无杂草。起垄后，地膜+地布处理段先覆盖黑色地膜，以减少蒸发、收集雨水、保墒增温，覆膜时保证地膜与垄面紧贴，选用厚0.008 mm、宽1 m、长1.2 m的黑色地膜；地膜覆盖完成后，其上再覆盖防草地布，以保护地膜，选用厚1 mm、宽1 m、长1.2 m的黑色地布。地布处理仅在土表覆盖黑色地布(长1.2 m)，以防杂草生长，减少蒸发并收集雨水。

针对地膜+地布、地布、裸地处理分别在垄沟中心处的垂直剖面上布设相应传感器，地下设备安装位置如图3，距离地表5、15 cm处布设土壤水分温度传感器；距地表5、15、30 cm处布设土壤水势温度传感器。另外，在裸地区距离地表2 cm处布设土壤水分温度传感器。以上地表、地下设备所记录数据均由EM50数据采集器自动采集记录，采集间隔为30 min。数据采集时间为2017年11月1日—2018年10月31日。监测仪器参数及安装位置高度见表1。

图3 田间地下试验布设及监测设备Fig.3 Field underground test layout and monitoring equipment.

1.3 数据处理

法国的德列奥米尔于1735年研究发现，地积温对植物生长起着非常重要的作用，通常将日平均温度在5℃以上的时期称为植物生长期，春季≥5℃的初日即是早春植物的种植开始日[20-22]。选取5℃作为生物学下限温度。地积温(≥5℃)计算公式如下[23]：

(3)

式中，Aε为地积温(≥5℃)，Ti为当日平均地温，n指计算时间(d)。

利用Microsoft Excel 2016进行数据统计与分析处理，采用Origin 8.0软件绘图，采用Suffer 11软件绘制等值线图，采用SPSS 25软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 气象要素分析

监测期内降雨量及近地表大气温度变化如图4。监测时段内降雨量为634.2 mm，日最大降雨量为56.8 mm(2018年8月10日)，7—8月降雨量占总降雨量的62.9%，2017年11月—2018年2月降雨量仅为0.4 mm，占总降雨量的0.06%，降雨量季节分布不均；本水文年共发生71次降雨，5 mm以下的降雨达到36次，占总降雨次数的50.7%，50 mm以上暴雨发生1次。该周期内近地表大气日平均最高温度为27.8℃(2018年8月6日)，最低温度为-17.4℃(2017年12月16日)，平均气温为7.9℃。

试验站风速及风向分布见图5，4月平均风速最大，为1.9 m·s-1,12月风速最小，为0.9 m·s-1。风速季节变化呈现春夏大、秋冬小的分布特点。试验站全周期内资料统计中，静风频率占21.2%，偏北风占18.9%，偏东风占24.0%，偏南风占14.0%，偏西风占21.9%。

表1 设备型号及安装

图4 试验期内降雨量及大气温度变化Fig.4 Rainfall and atmospheric temperature changes in the test period

图5 试验期内风速及风向频率Fig.5 Wind speed and wind direction frequency in the test period

2.2 土壤温度变化特征

2.2.1 土壤温度日变化特征 为了消除随机天气过程的影响，对试验中同一深度同一时刻不同日期的值进行累加，求平均值，得到3个处理下各个深度土壤温度的日平均变化过程(图6)。可以看出，3个处理下各个深度处的土壤温度日变化均呈现正弦曲线变化；同一深度处，MB的峰值、谷值出现时间与DB的峰值、谷值出现时间基本一致；在不同土壤深度处的变化呈现以下特点：距地表5 cm处，MB(DB)的峰值、谷值出现时间分别在16∶00和8∶00左右，与CK相比，峰值提前1 h，谷值滞后1 h；MB和DB的土壤温度日较差分别比CK高2.9℃和2.3℃。距地表15 cm处，MB(DB)峰值、谷值分别出现在18∶00和9∶00左右，与CK相比，峰值提前2 h，谷值滞后2 h； MB和DB的土壤温度日较差分别比CK高1.7℃和1.9℃。距地表30 cm处，MB(DB)峰值、谷值分别出现在21∶00、12∶00左右，与CK相比，峰值提前3 h，谷值滞后2 h；MB与DB的土壤温度日较差一致，均比CK高0.9℃。

对不同深度处土壤温度数据进行方差分析(SSR法)，年平均土壤温度及显著性见表2。结果表明，在5、15、30 cm处，MB区年平均土壤温度分别比DB区高0.55℃、0.55℃、0.41℃，比CK区高1.05℃、0.80℃、1.01℃，均表现为极显著差异；在5 cm和30 cm处，DB区年平均土壤温度分别比CK区高出0.50℃和0.60℃，而在15 cm处DB区年平均土壤温度高于CK区0.24℃。说明同一深度处不同处理的年平均土壤温度之间存在显著性差异，即MB比DB保温效果显著，DB比CK保温效果显著。

图6 不同处理条件下土壤温度日变化Fig.6 Diurnal variation of soil temperature under different treatment conditions

表2 年平均土壤温度方差分析

注：不同小写字母表示同一深度处不同处理差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示同一深度处不同处理差异极显著(P<0.01)。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments at the same depth (P<0.05), and different capital letters indicate extremely significant difference among different treatments at the same depth (P<0.01).

3个处理5、15 cm和30 cm土壤深度的温度时空变化见图7。可以看出，3个处理各层土壤温度的峰值和谷值都存在随深度滞后的现象，即出现“右倾”。同一处理下，各层土壤温度日变化的位相呈现以下特点：CK处理下与5 cm相比，15 cm处位相滞后约3 h，30 cm处位相滞后约7 h；MB与DB处理下，与5 cm相比，15 cm处位相滞后约2 h，30 cm处位相滞后约6 h。因此，同一处理下，各层土壤温度日变化的位相随着深度逐层滞后，且深度越深，滞后时间越长。

选取4个典型日代表春、夏、秋、冬四季的土壤温度变化趋势，本文选择四季的典型日为：春季(2018年4月17日)、夏季(2018年7月30日)、秋季(2018年10月23日)、冬季(2018年1月15日)。四季典型日的土壤温度随深度变化见图8。由图可知，春季为土壤冻融转换期，MB区5、15 cm和30 cm的日均土壤温度比DB区分别高出0.6、0.5℃和0.3℃，比CK分别高出2.0、1.9℃和2.0℃；夏季与春季变化趋势基本一致，其MB区5、15 cm和30 cm的土壤温度比DB区分别高出0.9、0.8℃和0.5℃，比CK分别高出1.5、1.5℃和1.8℃；秋季是土壤由消融阶段开始进入冻结阶段，5 cm土壤深度处MB区的土壤温度比DB和CK分别高0.7℃和1.2℃，15和30 cm土壤深度处DB区土壤温度较CK区略高，但随着深度的增加，二者基本一致；冬季土壤全部冻结，各层温度均在0℃以下，其中5 cm土壤深度处MB区的土壤温度比DB和CK分别高0.3℃和0.9℃，15 cm和30 cm土壤深度处DB区土壤温度与CK区相同。

图7 土壤温度时空变化Fig.7 Spatial and temporal variation of soil temperature

图8 典型日土壤温度与土壤深度的关系Fig.8 Relationship between soil temperature and soil depth on a typical day

由此可知，春夏季土壤温度随着深度的增加而减小；秋冬季土壤温度随着深度的增加而增大；由浅层(5 cm)至深层(30 cm)夏季温度最高(28℃～32℃)、春季次之(11℃～17℃)、秋季较低(7℃～11℃)、冬季最低(-6℃～3℃)。

2.2.2 土壤温度年内变化特征 3个处理5、15 cm和30 cm处的土壤温度年内变化见图9。年内变化整体趋势均呈现正弦曲线变化，且与近地表大气温度变化趋势一致，峰值均在8月份，谷值均在2月份，但由于大气温湿度、降雨等影响，土壤温度年内变化具有波动性，3个处理不同深度处的日变幅较大，随着深度的增加，日变幅减小。同一处理下，随着土壤深度的增加，振幅依次减小。而同一处理下，随着深度的增加，变化幅度依次减小。MB区5、15 cm和30 cm土层的年均温度比DB区分别高出0.5℃、0.6℃和0.4℃，比CK分别高出1.0℃、0.8℃和1.0℃。由此可知，MB区土壤增温效果最明显。

土壤冻融是土壤水分对温度的响应，本文采用冻结开始日为土壤温度日均值开始持续小于 0℃日，同理，解冻开始日为土壤温度日均值持续大于0℃日[24-25]。3个处理不同深度处，最早开始冻结的是浅层5 cm 处，最晚开始冻结的是深层30 cm处，二者之间相差18 d。冻融期持续时间最长的是CK5,为101 d，最短的是MB30,为82 d。3个处理5、15 cm和30 cm处土壤层的冻结时间、解冻时间、冻融期长度见表3。由此可知，同一处理下，随着深度的增加，冻结开始时间推迟，冻融期长度缩短；5、30 cm土层处，冻融期长度表现为CK最长、DB次之、MB最短。

2.2.3 地积温(≥5℃)变化特征 图10为3个处理不同深度处地积温(≥5℃)的对比。MB区在5、15 cm和30 cm土壤深度处地积温(≥5℃)比DB区分别高4.0%、4.0%和3.0%，比CK分别高8.0%、7.0%和9.0%；同一处理下，随着深度的增加，地积温(≥5℃)逐渐减小。由此可知，MB条件下的地积温对当地植物的生长期更加有利，对植被恢复有很大帮助。

图9 土壤温度年内变化Fig.9 Intra-year variation of soil temperature

2.3 气象因子对土壤温度的影响

2.3.1 降雨对土壤温度的影响 为研究降雨对3个处理5、15 cm和30 cm深度处土壤温度的影响，选取2018年4月14日—4月30日时间段为例，4月22日18∶00—23日3∶30累积降雨量达35.4 mm，其余时间均无降雨发生。降雨对3个处理5、15 cm和30 cm深度处土壤温度的影响见图11。由图可知，降雨开始前(即4月20—21日)土壤温度出现降低现象，这取决于降雨前的天气状况等；降雨期间土壤温度由于峰值、谷值均降低，变幅变小；降雨结束后，土壤温度逐渐升高，且变幅开始变大，说明降雨对土壤温度有一定的影响。由图还可以得出，降雨前、降雨期间和降雨后，同一深度处土壤温度日较差均以MB最大，DB次之，CK最小；同一处理下，随着土壤深度的增加，降雨的影响明显减弱。

表3 不同处理不同深度土层的冻结、解冻、冻融期

2.3.2 近地表大气温度对土壤温度的影响 近地表大气温度与3个处理5、15 cm和30 cm深度处土壤温度见图12，由图可得，近地表大气温度与3个处理不同深度处的土壤温度均呈正相关(R2=0.901～0.971)，同一深度处，覆盖条件下大气温度与土壤温度的相关性最大，CK最小，说明近地表大气温度显著影响土壤温度，对覆盖条件下土壤温度的影响较大，CK较小。同一处理下，随着深度的增加，近地表大气温度与土壤温度相关性减小，即表明近地表大气温度对土壤温度的影响随着深度的增加逐渐减弱。

图10 不同处理地积温(≥5℃)对比Fig.10 Different processing accumulated greater than 5℃temperature contrast analysis diagram

图11 降雨对土壤温度的影响Fig.11 Influence of rainfall on soil temperature

图12 近地表大气温度与土壤温度的相关性Fig.12 Correlation between near-surface atmospheric temperature and soil temperature

3 讨 论

地膜覆盖有增温保墒的作用，对旱区植物生长有益[26-27]。本研究表明，同一深度处，无论覆盖还是裸地，土壤温度日较差以MB最大，DB次之，CK最小；同一处理，比较5、15 cm和30 cm土壤深度处土壤温度的日变化，随着深度的增加，峰值、谷值均有所滞后，这与国内许多学者的研究结果基本一致。韩璐等[28]、权晨等[29]、赵逸舟等[30]、赵维俊等[31]分别对柴达木盆地、祁连山林草复合流域、藏北高原、青藏高原高寒湿地的土壤温度变化特征进行研究得出，随着土层深度的增加，振幅减小，位相逐层滞后，具有明显的时滞效应。各层土壤温度日变化的位相随着深度逐层滞后，且深度越深，滞后时间越长；涂钢等[32]研究发现东北半干旱区退化草地的浅层土壤，20 cm土壤层比10 cm土壤层温度变化滞后2.0～3.0 h,10 cm土壤层比5 cm土壤层滞后0.5～1.5 h,5 cm土壤层比2 cm土壤层滞后0.5～1.0 h，比较可见，虽然不同下垫面上土壤温度变化趋势一致，但变化的振幅、位相及其滞后时间均有所不同。对不同深度处3个处理的土壤温度进行方差分析(SSR法，P<0.05)，结果表明3个处理5、15、30 cm处，均表现为MB比DB处理保温效果显著，DB比CK处理保温效果显著;吴贤忠等[33]研究发现地膜覆盖可以起到很好的保温效果。典型日变化表明，春夏季土壤温度随着深度的增加而减小，秋冬季土壤温度随着深度的增加而增大。杜宏娟等[34]在红寺堡地区研究发现冬季酿酒葡萄根系层土壤温度随着深度的增加而升高，与本研究的冬季变化趋势一致。

土壤温度年内变化在不同处理不同深度处均表现为正弦曲线的形式，MB处理5、15 cm和30 cm的年均土壤温度比DB区分别高出0.5℃、0.6℃和0.4℃，比CK分别高出1.0℃、0.8℃和1.0℃；Gu等[35]发现在生物膜未分解前，生物膜覆盖在5、15 cm和25 cm土壤深度处的平均土壤温度比裸地对照高1.3℃、1.0℃和0.9℃，比PE材料地膜覆盖低0.2℃、0.3℃和0.2℃。由此可得，以裸地为对照，无论是PE材料地膜、未分解的生物膜、地膜+防草地布还是仅防草地布覆盖，土壤温度均显著升高。Cuello等[36]研究发现，覆盖地膜可以显著提高土壤温度约2℃。本研究3个处理均在垄沟中心处垂直剖面上布设传感器，因此，由于垄沟处无覆盖，土壤保温效果与Cuello等研究结果相比，增温较小。涂钢等[32]研究发现土壤冻融期与下垫面、气候等因素有关，本研究发现同一深度处，3个处理冻融期以CK最长、DB 次之、MB最短，而同一处理下，随着深度的增加冻融期长度减小。吴贤忠等[33]在陕西省米脂县研究发现年覆盖地膜可以缩短土壤冻融期长度，促进作物提前发芽，延长其生长期。因此，土壤冻融不仅与下垫面有关，也与土壤深度有关。

MB处理在5、15、30 cm土壤深度处地积温(≥5℃)比DB处理分别高4.0%、4.0%和3.0%，比CK分别高8.0%、7.0%和9.0%，这表明MB处理下土壤的地积温效果最明显，对该地区的植被生长有一定的促进作用；而同一处理下，随着深度的增加，地积温(≥5℃)逐渐减小。侯慧芝等[37]研究发现马铃薯在全膜覆盖垄沟种植下，地积温随着深度的增加逐渐减小，但全膜覆盖条件下有效积温比露地平作显著增加，与本文对地积温的研究表现出一致的结果。

土壤温度的影响因素很多，比如地表覆盖、土壤湿度、大气相对湿度、大气温度、降雨等[38-39]。本研究发现降雨前、降雨期间和降雨后，同一深度处土壤温度日较差以MB处理最大，DB次之，CK最小；同一处理下，随着深度的增加，降雨的影响明显减弱。降雨期间各个处理的土壤温度与降雨前相比均有下降趋势，说明降雨对土壤温度有一定的影响，但对不同处理下土壤温度的影响差异性未达显著水平。

近地表大气温度与土壤温度的相关性较为显著(R2=0.901～0.971)，同一深度处，覆盖条件下近地表大气温度与土壤温度相关性最大，裸地最小，即覆盖条件下近地表大气温度对土壤温度的影响较大；同一处理下，随着深度的增加，其相关性减弱。这与安可栋等[40]研究结果一致。

4 结 论

1)无论覆盖还是裸地，土壤温度日变化、年内变化均呈正弦曲线状，以地膜+地布覆盖区振幅最大，地布覆盖区次之，裸地最小；同一深度处3个处理的日均土壤温度之间存在显著性差异(P<0.05)，以地膜+地布覆盖条件下土壤保温效果最好。

2)地膜+地布覆盖区5、15 cm和30 cm土层的年内平均温度比地布覆盖区分别高出0.5℃、0.6℃和0.4℃，比裸地分别高出1.0℃、0.8℃和1.0℃。地膜+地布覆盖可以有效缩短土壤冻融期；同一处理下，随着深度的增加，土壤冻结时间推迟，冻融期缩短；同一深度处(分别在5、15、30 cm深度)，冻融期裸地最长、地布覆盖次之(较裸地缩短1、-6、4 d)、地膜+地布覆盖最短(较裸地缩短3、2、6 d)。

3)地膜+地布覆盖区在5、15 cm和30 cm土壤深度处地积温(≥5℃)比地布覆盖区分别高4.0%、4.0%和3.0%，比裸地分别高8.0%、7.0%和9.0%，这表明地膜+地布覆盖下土壤的地积温效果最明显。同一处理下，随着深度的增加，地积温(≥5℃)逐渐减小。

4)降雨前、中、后，同一深度处土壤温度日较差以地膜+地布覆盖区最大，地布覆盖区次之，裸地最小；同一处理下，随着深度的增加，降雨的影响明显减弱。近地表大气温度与土壤温度的相关性较为显著(R2=0.901～0.971)，同一深度处，覆盖条件下其相关性最大，裸地最小。

致谢:感谢长安大学研究生院、长安大学水与发展研究院、国家林业局榆林荒漠生态站对本试验项目的支持；感谢王浩、苏凤梅对试验的关注与现场帮助。