鋪設地膜條件下梭梭土壤水分的動態變化

王 英王軍德張育斌秦 力

(甘肅省水利科學研究院,甘肅 蘭州730000)

土壤水分作為荒漠植被發育最主要的制約因子,影響沙地植物的生長狀況[1],植被覆蓋也影響著土壤水分的含量及其分布[2]。分析沙生植物的水分動態時空分布特征對荒漠過渡帶植被建設具有重要意義[3-5]。Schlesinger等[6]研究表明,干旱區植物通過特有的土壤水分吸收機制來響應土壤水分的空間異質性,同時也對土壤水分的空間分布產生重要影響。郭泉水等[7]認為沙區土壤水分的時空動態決定著生態系統的格局和演變,而生態系統演變又不斷改變著沙地的水文過程。民勤縣地處河西走廊東北部,被巴丹吉林和騰格里兩大沙漠所包圍,屬荒漠過渡帶。梭梭作為民勤縣的主要固沙植物,其生長發育很大程度上受制于土壤水分條件[8],存活率低,生長緩慢。目前研究多采用機械沙障與種植沙生植物梭梭,駱駝刺等,起到防風固沙和恢復生態的作用[9],常用的機械沙障有塑料網沙障、麥草沙障、覆袋沙障、黏土沙障、玉米稈沙障、生態墊沙障等,蘇永德等[10]研究了生態墊和覆袋沙障對梭梭林冠下土壤含水量的影響;安富博等[11]通過固沙植物材料選育和新型機械沙障的研制開展民勤防沙治沙新技術、新材料研究,研究表明棉稈沙障具有良好的防風固沙效果。劉江等[12]研究了窄條紗網沙障和保水凝水劑對梭梭造林成效的影響,各種沙障制作材料和布設形式的不同,表現出來的防風固沙效益也各不相同[13-15]。大部分研究認為沙障材料可以保持水分、起到防風固沙,進而影響梭梭根系對水分的吸收,但是通過鋪設地膜降低梭梭水分蒸發損失,提高蓄水保墑能力的研究較少。為此,本文在梭梭周圍設置麥草方格的基礎上,布設4種不同厚度的高密度聚乙烯(HDPE)地膜,對5種處理梭梭進行土壤含水量觀測,通過試驗旨在選擇保水性能好的地膜材料,來減少梭梭土壤水分蒸發,增強保水保墑能力,為河西走廊沙漠化防治提供技術支撐。

1 研究地區及試驗布置

1.1 研究區

本試驗選擇民勤縣城以北13.5 km處的大灘鄉東大村為試驗基地,民勤縣地處河西走廊東北部、石羊河流域下游,被巴丹吉林和騰格里兩大沙漠包圍,代表了我國北方干旱典型脆弱區,降水稀少,多年平均降水量為113.2 mm,蒸發量為2 675.6 mm,試驗區地下埋深20 m。根據氣象資料統計,民勤地區的干旱指數為24,具有明顯的沙漠氣候特征。梭梭適應旱生環境,具有非常強的抗旱特性,在民勤地區是典型的抗旱沙生植物。

1.2 試驗設計

本試驗選擇1 a生梭梭為試驗對象,苗高20 cm,主根長30 cm,根幅30 cm。采用普通麥草圍成的沙障網格作為沙面材料,麥草沙障高度為15 cm,沙障網格為1 m×1 m,網格內鋪設高密度聚乙烯塑料膜。分別選擇0.3 mm的白色PE土工膜,0.03 mm的農用膜,0.2 mm的黑色PE土工膜,0.12 mm的棚膜,規格為1 m×1 m;植物種植處預留直徑為20 cm的圓孔,鋪設時四周高,并以2%坡度流向至中央圓孔處,試驗設置5種處理,每種處理3次重復。4種覆膜處理,1種未覆膜的對照處理。

2 試驗方法

采用TRIME-PICOIPH2TDR剖面土壤水分測量系統測定5種處理梭梭土壤體積含水量,測試深度為0—100 cm,每隔20 cm設定一個土壤剖面,共5個土壤層。每7 d觀測一次,同時對降雨后的梭梭土壤含水量進行連續3 d觀測,降雨量的測定采用氣象觀測系統,測量時間在降雨天的8:00和20:00。采用Origin 2017和Excel 2016進行數據統計分析,采用SPSS 26進行數據的方差相關性分析。

式中:Δθi為土壤某層的體積含水量;Zi為土壤層厚度;i為土壤層次。

對于旱作物,在整個生育期中任何一個時段的水量平衡方程為:

式中:ΔW為任一時段間t的儲水量(mm);Wr為由于H增加而增加的水量(mm);P0為保存在H內的有效降雨量(mm);K為時段t內的地下水補給量(mm);M為時段t內的灌溉水量(mm);ET為時段t內的田間需水量。

5種處理土壤含水量分析是在同一土壤層深度,H在時段內無變化,Wr不存在;由于試驗區地下水埋深20 m,對于1 a生梭梭補給可能性很小,因此時段內地下水補給量K可忽略;試驗期未對梭梭進行灌溉,因此時段內的灌溉水量M為0,因此,本研究的水量平衡方程的計算公式為:

式中:ΔW為時段時間t的土壤儲水量變化;P0為保存在H內的有效降雨量;ET為時段t的田間需水量(mm)。

3 覆膜對梭梭土壤水分動態影響

3.1 5種處理梭梭土壤水分特征對比分析

試驗基地2019年降雨量情況如圖1所示。降雨集中在夏秋季的5—10月,春冬季降雨較少。最大的降雨量17.1 mm出現在2019年9月8日。對5種處理梭梭從2019年2—12月測定土壤體積含水量,同一土壤層梭梭體積含水量隨時間變化對比降雨量分析結果如圖2所示。分析可知,梭梭土壤含水量隨著季節降雨波動變化而變化,夏秋季土壤含水量高,冬春季土壤含水量逐漸趨于平緩。表層土壤20 cm深度,土壤含水量受降雨量影響變化最明顯,屬于土壤水分速變層,與劉嬌[16]的研究成果一致。40 cm深度土壤含水量變化較明顯,說明0—40 cm土壤含水量受降雨影響較大;這與陳宏祥等[17]研究成果相符合,即雨季對梭梭土壤水分的影響主要集中在水分活躍層。8月下旬試驗基地久未下雨,出現極度干旱狀態,受干旱脅迫梭梭土壤含水量呈現最低狀態。9月8日降雨量為一年日降雨量最大值,5種處理梭梭土壤含水量隨之變化最大,20 cm土層深度土壤含水量受其影響顯著。

圖1 試驗基地2019年1—12月降雨量

圖2 不同土層深度5種處理梭梭林下土壤含水量動態變化

3.2 5種處理梭梭土壤含水量相關性分析

通過對5種處理在20,40,60,80和100 cm深度的土壤含水量數據進行單因素相關性分析,結果詳見表1。20 cm土層深度,白膜梭梭土壤含水量與對照梭梭土壤含水量呈顯著性相關;其余處理間土壤含水量均不呈現明顯相關性;40 cm土層深度,棚膜梭梭土壤含水量與對照梭梭呈顯著性強相關,黑膜梭梭土壤含水量與對照梭梭呈顯著性弱相關,其余處理間均不呈現明顯相關性;60—100 cm土層深度,5種處理間呈多個顯著性相關關系,說明40 cm土層深度以上,鋪設地膜對梭梭土壤含水量的影響最顯著。

表1 不同土層深度5種處理梭梭林下土壤含水量的相關性分析

3.3 降雨前后不同處理的土壤水分特征分析

2019年9月8日,試驗基地降雨17.1 mm,對降雨前9月1日、降雨后9月9—11日的梭梭土壤體積含水量進行分析。由圖3觀測分析結果可知,5種處理中,降雨前梭梭已經處于極度干旱狀態,5層土壤含水量逐層增加。

圖3 降雨前后不同土層深度5種處理梭梭林下土壤含水量

不同處理梭梭土壤含水量表現出不同的差異性,20 cm土層深度,土壤含水量依次順序為:白膜梭梭＞黑膜梭梭＞棚膜梭梭＞對照區梭梭＞農膜梭梭;40 cm土層深度,棚膜梭梭土壤含水量最高;60 cm土層深度,黑膜梭梭土壤含水量最高;80 cm土層深度,白膜梭梭土壤含水量最高,是對照區土壤含水量的32%,但100 cm土層深度,對照區梭梭土壤含水量和覆膜梭梭的土壤含水量差距不大,說明地膜對梭梭的影響為80 cm以上的土層深度。降雨后,雨水很快集蓄在梭梭根部,土壤含水量受降雨影響迅速上升,隨著雨水逐漸下滲到深層土壤及植物蒸騰蒸發作用,表層土壤含水量逐漸下降。20 cm深度,梭梭土壤含水量增加幅度最大,受降雨影響程度最大,表現為:白膜梭梭＞棚膜梭梭＞黑膜梭梭＞農膜梭梭＞對照區梭梭;白膜梭梭比對照區梭梭土壤含水量高26%;40 cm土層深度,棚膜梭梭土壤含水量最高,對照區梭梭土壤含水量最低;60—100 cm土層深度,梭梭土壤含水量隨降雨變化有所增加,變化特征與降雨前60—100 cm深度土壤含水量一致;由此說明,布設白膜、黑膜和棚膜梭梭的土壤含水量高于未覆膜的對照區和農膜梭梭的土壤含水量,說明布設地膜對梭梭起到了良好的集雨保水效果。布設0.03 mm農膜梭梭土壤含水量低于對照區未覆膜梭梭,是由于農膜厚度薄、水汽穿透性高,導致對膜下土壤溫度影響大,水分蒸發強度高而造成農膜梭梭的土壤含水量低。

3.4 生長周期內5種處理梭梭的土壤水分變化

梭梭的生長期分為返青、展葉、開花、新枝形成、果實成熟及黃枯6個時期,根據民勤地區梭梭物候期規律[18],計算分析5種處理梭梭一個生長周期內的土壤儲水量。由圖4可知,儲水量的變化與降雨在年內的分布相吻合。以開花時5月8日為界分為2個階段,開花前由于降雨土壤儲水量達到了峰值,對梭梭開花時水分供給十分有利,梭梭的耗水作用使土壤儲水量在整個生長階段呈減少趨勢,在果實成熟期達到了極低值。在一年的生育期內,鋪設白膜梭梭的土壤儲水量始終處于最高值,黑膜梭梭次之。

圖4 梭梭生育期內的林下土壤儲水量

以1 m土層厚度為蒸散作用層,有效降雨量為單次降雨量大于5 mm的降雨量之和。按照水量平衡方程計算5種處理梭梭在一個生長周期內的蒸散量,結果詳見表2。白膜梭梭全生育期的耗水量最大,黑膜梭梭的耗水量次之。從生長情況來看,白膜梭梭生長最好,黑膜梭梭次之。說明鋪設白膜和黑膜對梭梭土壤水庫的影響顯著,白膜和黑膜的保水效果最好。

表2 5種處理梭梭的耗水量及生長情況

4 結論

(1)通過為期1 a的5種處理梭梭土壤含水量觀測可以得出,梭梭土壤含水量隨著季節降雨呈現波動變化的狀態,40 cm以上深度為土壤水分活躍層,受降雨量影響較大;降雨前后梭梭土壤含水量對比表明,布設有白膜、黑膜和棚膜梭梭的土壤含水量高于未覆膜的對照區梭梭和農膜梭梭土壤含水量,鋪設地膜對梭梭起到了良好的蓄水保墑效果。布設農膜梭梭土壤含水量低于對照區未覆膜梭梭,是由于農膜厚度薄、水汽穿透性高,導致對膜下土壤溫度影響大,水分蒸發強度高而造成。

(2)5種處理梭梭生長周期內耗水量和生長情況分析得出,儲水量的變化與降雨在年內的分布相吻合,梭梭的耗水作用使土壤儲水量在整個生長階段呈減少趨勢,開花期處于峰值,果實成熟期處于最低值,鋪設白膜梭梭的土壤儲水量始終處于最高值,且白膜梭梭的耗水量最大,其次為黑膜梭梭。說明白膜和黑膜的布設能夠起到蓄水保水和防止土壤水分蒸發的作用。