砂石与秸秆覆盖对风沙土水分蒸发特性的影响

吕向楠, 吕 刚, 刘 媛, 郑 林

(1.沈阳城市建设学院, 沈阳 110000; 2.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院, 辽宁 阜新 123000;3.内蒙古赤峰市克什克腾旗青山林场, 内蒙古 赤峰 024000)

在干旱半干旱地区,土壤水分蒸发是造成土壤水分流失、土地干旱的一个重要原因。在干旱区农业种植中,抑制土壤水分的蒸发是一项至关重要的措施,它可以有效提升作物的产量[1-5]。大量研究表明地面覆盖技术能有效抑制土壤水分蒸发、减少土壤水分的无效散失,其中砂石覆盖、秸秆覆盖、塑料膜覆盖等为主要的覆盖方式[6-11]。砂石覆盖粒径越大对土壤蒸发的抑制能力越低[8,12],并随覆盖砂石的厚度增大,对土壤水分蒸发的抑制效果就越好[12-13]。秸秆覆盖能有效抑制土壤水分蒸发[14],且抑蒸效果与秸秆覆盖量之间呈正相关关系,随着覆盖量的增大,抑蒸效果就越好[15-16],能够显著提高土壤水分的生产效率[17],降低土壤水分蒸发量,且土壤水分累积蒸发量随时间呈指数关系[18]。Kemper等[19]研究发现,无论砂石的颜色如何,砂石覆盖都能显著降低土壤水分的蒸发作用。Ma和Li[20]进行了田间试验,发现鹅卵石和细砂混合覆盖在地面上时,抑制土壤水分蒸发效果随覆盖物厚度增大而增强[21]。

辽西北位于我国北方半干旱农牧交错区生态脆弱带内,受气候原因极易遭受风蚀、水蚀侵袭,导致土地沙漠化[22],是辽宁风沙最严重的地区[23]。水分是沙地治理和植被恢复的主要制约因素[24],但该区降雨稀少,且70%多集中在夏季,地下水埋深较浅,地下水除了人为开发利用,大多以潜水蒸发为主消耗掉,且潜水蒸发为区域水分蒸发的主要来源之一[25],如何保持土壤中有限的水分对该区植被恢复和农牧业发展至关重要[26]。砂石和秸秆覆盖是一种具有增温保墒、减少土壤侵蚀、减少病虫害、提高作物产量、改良作物品质、抑制杂草生长等的覆盖措施,已经广泛应用于干旱、半干旱地区的农业生产方面[27-28]。然而,目前针对砂石或者秸秆覆盖对于不同初始含水率辽西北风沙土土壤水蒸发特性的研究还比较缺乏。本文选取辽西北风沙土,采用室内蒸发桶试验研究不同砂石或秸秆覆盖厚度对风沙土土壤水分蒸发量的影响,并探讨不同初始含水率对土壤水分蒸发的影响规律,对比分析了土壤水分日蒸发量、累积蒸发量及土壤蒸发抑制效率,确定了初始含水率不同时,不同砂石与秸秆覆盖层厚度抑制蒸发作用,旨在为辽西北风沙地农田合理抑蒸保墒提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试样品采集

通过文献分析和现场实地调查,确定以辽宁省沙地治理与利用研究所章古台试验基地内的大扁杏果园地风沙土为研究对象,在大扁杏果园样地内选取3处,以等边三角形的形态分布于顶点,间距为15 m,各点位处布置3个重复的1 m×1 m样方,取样深度为0～20 cm,采集相应数量土壤散样带回实验室风干后,过2 mm土壤筛滤去杂质作为供试土壤。同时使用体积为200 cm3的钢制环刀采集原状土壤样品,随后于实验室分析其土壤物理性质。相关土壤物理性质如表1所示,测定方法借鉴文献[29]。试验采用的秸秆选用同年于章古台割取晒干并粉碎形成约4 cm的玉米秸秆,试验用的砂石为网上采购直径为0.6～0.9 cm的白色雨花石。

表1 供试土壤物理性质

1.2 土壤水分蒸发试验

蒸发抑制效率是指在土壤蒸发过程中某些指标抑制土壤水分蒸发的能力[30]。通过引入蒸发抑制效率来衡量不同砂石与秸秆覆盖厚度抑制土壤水分蒸发的能力。计算公式如下:

(1)

式中:ECt为第t天的土壤累积蒸发量,mm;I为指标对土壤蒸发的抑制效率,%;EC0为对照土壤累积蒸发量,mm。

1.3 数据处理

运用Excel 2021、SPSS27.0等软件对试验数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖厚度条件下辽西北风沙土的土壤水分蒸发过程

2.1.1 不同覆盖厚度条件下辽西北风沙土的土壤日蒸发过程

随蒸发时间发生变化,在初始含水率、覆盖物种类、覆盖厚度处理下,土壤日蒸发量和对照变化趋势基本一致,都是下降趋势,只不过变化幅度有些不同而已。存在覆盖的处理下,土壤日蒸发量变化波动幅度逐渐变小,相比之下,对照的土壤水分日蒸发量变化波动幅度较大。相同含水率、相同覆盖物种类条件下,蒸发前期,土壤日蒸发量表现为对照>3 cm>2 cm>1 cm,随着蒸发时间的推移,存在覆盖物的处理土壤日蒸发量逐渐大于对照,这是由于蒸发前期土壤含水量较高,覆盖物越厚,相应处理土壤日蒸发量越小,土壤水分随着蒸发时间不断减少,随着覆盖物厚度的减小,土壤水分的降低程度逐渐加大,从而导致土壤的日蒸发量相对于覆盖物厚度较大的处理而言较低。这一结果和蔡永坤等[2]所发现的是一致的(图1)。

图1 相同初始含水率情况下不同砂石与秸秆覆盖厚度条件下辽西北风沙土土壤水分日蒸发量的变化特征

通过试验结果可以看出土壤日蒸发过程可以较为明显的分为两个阶段,相同含水率、相同覆盖物种类条件下,蒸发前期,土壤日蒸发量表现为对照>3 cm>2 cm>1 cm。这是因为覆盖物厚度越大,土体表层的空气流速越低,随之土壤水分蒸发速率越低。蒸发中后期,进入第二个阶段,土壤日蒸发量逐渐表现为1 cm>2 cm>3 cm>对照,其原因是在低土壤含水率的情况下,土壤水分的蒸发速率受其水分含量或水汽扩散能力的影响,导致土壤蒸发速率急剧降低。因此在干旱半干旱地区,植被覆盖是影响土壤水分状况最主要因素之一。土壤中的水分通过地表输送至覆盖物和大气之间的交界处,呈现水汽的特征,这种现象可以延缓土壤的蒸发速度,而对照组则已经逐渐进入了土壤水分蒸发的第三个阶段,毛管水已经受水表面张力作用而断裂,土壤水分仅能作为水汽分子慢慢地迁移到地表[31]。

2.1.2 不同覆盖厚度条件下辽西北风沙土的土壤累积蒸发量

试验结果表明,各处理下的土壤水分累积蒸发量随蒸发时间的推移逐渐增大,但增量逐渐变小。在初始含水率、覆盖物种类相同的条件下,覆盖厚度越大,相同蒸发时间的风沙土土壤累积蒸发量越少(图2)。

鲁迅《嵇康集考》云：“《录书解题》称‘《嵇中散集》’者，陈氏书久佚，清人从《永乐大典》辑出，因用后来所称之名，原书盖不如此”，可见陈录原载并非“嵇中散集”，而可能还是“嵇康集”。

图2 相同初始含水率情况下不同砂石与秸秆覆盖厚度条件下辽西北风沙土土壤水分累积蒸发量随时间变化

土壤初始含水率在5%、15%、25%时,砂石与秸秆覆盖都能有效降低累积蒸发量,且覆盖厚度越大,砂石或者秸秆对累积蒸发量减少作用越大。在同一初始含水率时,会因为蒸发初期土壤水分比较高,水分蒸发得更快;随蒸发时间延长而增加,土壤水分降低,水分蒸发速度减小,覆盖厚度越高,减少累积蒸发量作用越明显,冀宏等[32]的研究中,也得出了土壤水分累积蒸发量在初期上升趋势明显,在后期随覆盖物越厚越小的结果。

2.1.3 不同覆盖厚度条件下辽西北风沙土的土壤蒸发抑制效率

相同含水率、相同覆盖物种类条件下,3 d后在土壤蒸发抑制效率表现上为3 cm>2 cm>1 cm。前3 d,15%含水率的秸秆覆盖、25%含水率的秸秆或砂石覆盖没有表现出此规律,是由于覆盖物具有一定吸附水的能力,蒸发前期受此不同程度的影响导致前3 d没有表现出此规律。当土壤初始含水率为5%时,砂石与秸秆各厚度处理下的土壤蒸发抑制效率随蒸发时间逐渐减小,同时15 d后1 cm、2 cm、3 cm秸秆覆盖的土壤蒸发抑制效率差异不大。当土壤初始含水率为15%时,砂石各厚度处理下的土壤蒸发抑制效率表现为前期波动,于7 d出现最大值后逐渐减小。而秸秆各厚度处理下的土壤蒸发抑制效率表现为前3 d下降后保持平稳,直至7 d开始逐渐减小,同时2 cm与3 cm秸秆覆盖的土壤蒸发抑制效率差异不大。当土壤初始含水率为25%时,各厚度的砂石覆盖的土壤蒸发抑制效率表现为先降低后增高再降低的变化规律,且于8 d出现峰值,而各厚度的秸秆覆盖的土壤蒸发抑制效率表现为先降低然后平稳约7 d后再降低。试验测得自然含水量为3.23%,综合考虑土壤含水率和土壤蒸发抑制效率,认为在辽西北风沙地覆盖厚度越高越好(图3)。

图3 相同初始含水率情况下不同砂石与秸秆覆盖厚度条件下辽西北风沙土土壤蒸发抑制效率随时间变化

2.2 不同覆盖物条件下辽西北风沙土的土壤水分蒸发过程

2.2.1 不同覆盖物条件下辽西北风沙土的土壤日蒸发过程

覆盖厚度相同、初始含水率相同的情况下,砂石与秸秆覆盖土壤日蒸发量相比仅在前3 d有较为明显的区别,3 d后的表现几乎相同。在5%初始含水率的条件下,对于1 cm、2 cm、3 cm三种覆盖厚度而言,前3 d的土壤水分日蒸发量均表现为对照>秸秆>砂石。在15%初始含水率的条件下,对于1 cm、2 cm两种覆盖厚度而言,前3 d的土壤水分日蒸发量表现为对照>砂石>秸秆,而覆盖厚度为3 cm时,前3 d的土壤水分日蒸发量均表现为对照>秸秆>砂石。在25%初始含水率的条件下,对于1 cm、2 cm、3 cm三种覆盖厚度而言,前3 d的土壤水分日蒸发量均表现为对照>砂石>秸秆(图4)。

图4 不相同初始含水率、覆盖厚度情况下砂石与秸秆覆盖条件下土壤水分日蒸发量随时间的变化特征

2.2.2 不同覆盖物条件下辽西北风沙土的土壤累积蒸发量

在5%初始含水率的条件下,对于1 cm、2 cm、3 cm三种覆盖厚度而言,土壤累积蒸发量均表现为对照>秸秆>砂石。在15%初始含水率的条件下,覆盖厚度为1 cm时,土壤累积蒸发量表现为对照>砂石>秸秆,覆盖厚度为2 cm时,砂石与秸秆几乎无区别,而覆盖厚度为3 cm时,土壤累积蒸发量均表现为对照>秸秆>砂石。在25%初始含水率的条件下,对于1 cm、2 cm、3 cm三种覆盖厚度而言,土壤水分日蒸发量均表现为对照>砂石>秸秆(图5)。

图5 不同覆盖物条件下累积蒸发量随时间的变化

2.2.3 不同覆盖物条件下辽西北风沙土的土壤蒸发抑制效率

当覆盖厚度为1 cm时,在5%初始含水率条件下土壤蒸发抑制效率表现为砂石>秸秆,而在15%及25%初始含水率条件下土壤蒸发抑制效率表现为秸秆>砂石。当覆盖厚度为2 cm时,在5%初始含水率条件下土壤蒸发抑制效率表现为砂石>秸秆,在15%初始含水率条件下,15 d前土壤蒸发抑制效率表现为秸秆>砂石,15 d以后,土壤蒸发抑制效率表现为砂石>秸秆,25%初始含水率条件下土壤蒸发抑制效率表现为秸秆>砂石。当覆盖厚度为3 cm时,在5%初始含水率条件下土壤蒸发抑制效率表现为砂石>秸秆,在15%初始含水率条件下,3 d前土壤蒸发抑制效率表现为秸秆>砂石,3 d以后土壤蒸发抑制效率表现为砂石>秸秆,25%初始含水率条件下土壤蒸发抑制效率表现为秸秆>砂石。试验测得自然含水量为3.23%,综合考虑土壤含水率和土壤蒸发抑制效率,认为在辽西北风沙地相比于秸秆和砂石应选择砂石(图6)。

图6 相同初始含水率、覆盖厚度情况下砂石与秸秆覆盖条件下辽西北风沙土土壤蒸发抑制效率随时间的变化

2.3 不同初始含水率条件下辽西北风沙土的土壤水分蒸发过程

2.3.1 不同初始含水率条件下辽西北风沙土的土壤日蒸发过程

砂石覆盖的情况下不同初始含水率条件下仅当初始含水率为25%时前3 d的土壤日蒸发量明显大于其他初始含水量梯度,除此之外土壤日蒸发量随蒸发时间变化的曲线趋势大致相同,曲线波动幅度上略有差异。秸秆覆盖前3 d土壤日蒸发量的表现与砂石相同,经过第4 d的观察,发现土壤日蒸发量在25%和15%两个初始含水率梯度下显著增加,而在5%初始含水率的情况下则相对减少,这是由于5%初始含水率的土壤步入了蒸发速度递减阶段,土壤水分减少,土壤水分的蒸发速度随之下降(图7)。

2.3.2 不同初始含水率条件下辽西北风沙土的土壤累积蒸发量

同种覆盖物、相同覆盖厚度情况下,初始含水率越大土壤累积蒸发量越大,且土壤水分累积蒸发量随蒸发时间的进行逐渐趋于平缓。5%初始含水率下,累积蒸发量表现为3 cm砂石覆盖<2 cm砂石覆盖<1 cm砂石覆盖<3 cm秸秆覆盖<2 cm秸秆覆盖<1 cm秸秆覆盖;15%初始含水率下,累积蒸发量表现为3 cm砂石覆盖<2 cm砂石覆盖<3 cm秸秆覆盖<2 cm秸秆覆盖<1 cm砂石覆盖<1 cm秸秆覆盖;25%初始含水率下,累积蒸发量表现为3 cm秸秆覆盖<2 cm秸秆覆盖<3 cm砂石覆盖<1 cm秸秆覆盖<2 cm砂石覆盖<1 cm砂石覆盖。第9 d之后,同种覆盖物、相同覆盖厚度情况下,各初始含水率梯度的累积蒸发量随蒸发时间变化的曲线呈现明显差异,表现为25%>15%>5%,且5%初始含水率土壤的累积蒸发量曲线变化率在第9 d之后趋于0,表明初始含水率为5%的土壤在第9 d之后进入了土壤蒸发滞缓的阶段,由于土壤表面的极度干燥,土壤水分的蒸发过程主要依赖于土壤中的水分蒸发,然后水蒸气扩散至土体外,此过程非常缓慢[2](图8)。

图8 不同初始含水率条件下累积蒸发量随时间的变化

3 结论

(1)与对照相比,砂石与秸秆覆盖能够抑制土壤水分蒸发,且覆盖厚度和土壤初始含水率与这种抑制作用密切相关;随着初始含水率增大,砂石与秸秆的覆盖厚度越大,土壤累积蒸发量越小,土壤蒸发强度越稳定。

(2)与对照相比,砂石和秸秆覆盖能够有效地保持土壤水分;在同等覆盖厚度下,5%初始含水率时,砂石覆盖土壤蒸发抑制效率高于秸秆覆盖;在25%初始含水率时秸秆覆盖土壤蒸发抑制效率高于砂石覆盖。当初始含水率为15%时,覆盖厚度不同土壤蒸发抑制效率表现存在差异,覆盖厚度为1 cm时,秸秆土壤蒸发抑制效率高于砂石,覆盖厚度为2 cm时,15 d前土壤蒸发抑制效率表现为秸秆>砂石,15 d以后,土壤蒸发抑制效率表现为砂石>秸秆。覆盖厚度为3 cm时,3 d前土壤蒸发抑制效率表现为秸秆>砂石,3 d以后,土壤蒸发抑制效率表现为砂石>秸秆。

(3)综合考虑土壤水分状况和本试验抑蒸保墒效果,认为3 cm砂石覆盖模式是较适合辽西北风沙地的覆盖模式。