不同粒徑礫石覆蓋對寧夏干旱區(qū)土壤水分蒸發(fā)的影響

周 約

（寧夏大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場，寧夏 銀川 750100；寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

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不同粒徑礫石覆蓋對寧夏干旱區(qū)土壤水分蒸發(fā)的影響

周 約

（寧夏大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場，寧夏 銀川 750100；寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

摘 要：為了探求寧夏中部干旱區(qū)最適宜的硒砂瓜覆砂粒徑，以寧夏中衛(wèi)南山臺地區(qū)天然砂石為試材，采用蒸發(fā)器整體稱重法，研究了不同粒徑礫石覆蓋對土壤水分蒸發(fā)的影響。結(jié)果表明：礫石覆蓋可顯著降低土壤水分的蒸發(fā)量；且覆蓋礫石的粒徑越小，土壤日蒸發(fā)量越少，土壤含水量越高；試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，以4.0～5.0 cm粒徑處理的土壤水分累積蒸發(fā)量最大（10.67 mm），以0.7～1.0 cm粒徑處理的土壤水分累積蒸發(fā)量最?。?.80 mm），但礫石粒徑在1.5～4.0 cm范圍內(nèi)時(shí)，不同粒徑礫石抑制土壤水分蒸發(fā)的效果差別不大。相關(guān)性分析結(jié)果表明：可用多項(xiàng)式方程Y=at2+bt來模擬土壤水分累積蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化，用指數(shù)函數(shù)方程Y=aebx來模擬土壤總蒸發(fā)量隨礫石覆蓋粒徑的變化。

關(guān)鍵詞：礫石覆蓋；粒徑；土壤水分；蒸發(fā)；干旱區(qū)；寧夏

在干旱半干旱地區(qū)，土壤表面的蒸發(fā)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的水分損失。裸地土壤水分蒸發(fā)后可形成一個(gè)干土層，能阻止毛細(xì)管水的上升，從而減少土壤水分的蒸發(fā)；頻繁的耕作、作物秸稈和礫石覆蓋等也能形成一個(gè)較好的干土層，減少土壤水分的蒸發(fā)。許多學(xué)者認(rèn)為，礫石和砂石覆蓋能有效地減少土壤蒸發(fā)，提高土壤水分含量，增加砂田作物產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率[1-3]。雖然國內(nèi)外學(xué)者對砂礫石和礫石覆蓋條件下土壤水分的散失過程進(jìn)行了大量研究，但有關(guān)砂礫石粒徑大小與土壤水分蒸發(fā)的相關(guān)性研究較少。研究通過測量不同粒徑砂礫覆蓋條件下土壤水分的累積蒸發(fā)量，比較不同粒徑的礫石覆蓋對土壤蒸發(fā)的抑制效果。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試土壤采自寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)永康鎮(zhèn)南山臺樂臺村，土壤質(zhì)地為沙土，土樣風(fēng)干后粉碎，過2 mm的土篩。供試礫石粒徑范圍為0.7～5.0 cm。蒸發(fā)器采用市場購置的PVC管子做成的圓桶，桶直徑20 cm，桶高50 cm，

1.2試驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)5個(gè)粒徑梯度，分別為：L1（0.7～1.0 cm）、L2（1.0～1.5 cm）、L3（1.5～3.0 cm）、L4（3.0～4.0 cm）、L5（4.0～5.0 cm），同時(shí)設(shè)置一個(gè)不覆蓋處理作對照（CK），每個(gè)處理重復(fù)3次。

蒸發(fā)器底部鋪一層細(xì)紗，然后卡入蒸發(fā)器底部蓋子的旋轉(zhuǎn)絲扣中；把裝好土的土柱在有水的塑料盆里放置2 d，通過毛細(xì)管作用使土壤水分達(dá)到飽和；取出靜止2 d，等多余水分排掉后，將不同粒徑的礫石覆蓋在土壤表面，礫石厚度為15 cm左右，礫石表面與圓桶上表面齊平。

每個(gè)蒸發(fā)器上方30 cm高度懸掛一個(gè)200 W的燈泡，用來提供蒸發(fā)所需熱量，每天上午9:00開燈，到下午17:00關(guān)燈，南北坐向的房間在整個(gè)試驗(yàn)期間保持通風(fēng)；室內(nèi)溫度和相對濕度用干濕溫度計(jì)測定；采用量程為30 kg、感度為1 g的電子秤來測定土壤蒸發(fā)量。土壤蒸發(fā)開始后，土柱每次質(zhì)量的變化即為當(dāng)天的土壤蒸發(fā)質(zhì)量E±（kg），將E±轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的土壤蒸發(fā)量E（mm）：

2　結(jié)果與分析

2.1不同粒徑礫石覆蓋對土壤水分日蒸發(fā)量的影響

從表1中可以看出，礫石覆蓋的粒徑越小，土壤日蒸發(fā)量越少。其中，L1處理的土壤日蒸發(fā)量分別比L2、L3、L4、L5和CK降低了10.53％、19.05％、19.05％、29.17％和80.23％。這表明隨著礫石粒徑的減小，土壤日蒸發(fā)量逐漸減少，土壤含水量逐漸增加。因此，應(yīng)選擇小粒徑礫石進(jìn)行覆蓋，以阻止土壤水分大量損失。

表1　不同處理土壤水分日蒸發(fā)量的比較

變異系數(shù)（CV）的大小反映隨機(jī)變量的離散程度，當(dāng)CV＞1時(shí)，說明變量為強(qiáng)變異；0.1＜CV＜1時(shí)，為中等變異；CV＜0.1時(shí)，為弱變異。從表1中還可以看出，不同粒徑礫石覆蓋條件和不覆蓋條件下的土壤日蒸發(fā)量的CV均大于0.1，表現(xiàn)出中等變異性，不同處理的CV值差別不大。當(dāng)不覆蓋處理的CV值明顯高于礫石覆蓋處理。對數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行偏度系數(shù)和峰度系數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，隨著礫石粒徑的增加，土壤日蒸發(fā)量的峰度系數(shù)和偏度系數(shù)也隨之變大，不覆蓋處理的土壤日蒸發(fā)量的峰度系數(shù)和偏度系數(shù)均高于礫石覆蓋處理，說明不覆蓋處理的土壤日蒸發(fā)量分布的對稱性和平坦性比礫石覆蓋處理的要差，大粒徑覆蓋處理的土壤日蒸發(fā)量分布的對稱性和平坦性比小粒徑礫石覆蓋處理的要差。

陳士輝等[1]研究了不同粒徑砂礫石覆蓋對砂田土壤的水分效應(yīng)，結(jié)果表明覆蓋2～5 mm粒徑砂礫石的土壤水分蒸發(fā)量僅為20 ～ 60 mm粒徑處理的61.4％，與筆者的研究結(jié)論一致。Xie等[4]也得出礫石覆蓋能有效抑制土壤水分蒸發(fā)的結(jié)論，其抑制蒸發(fā)的效果與礫石粒徑密切相關(guān)，隨著礫石粒徑的增加，對土壤水分蒸發(fā)的抑制能力越低。

2.2不同粒徑礫石覆蓋對土壤水分日蒸發(fā)量變化的影響

由圖1可知，不同粒徑礫石覆蓋與無覆蓋處理的土壤日蒸發(fā)量隨時(shí)間的逐日變化規(guī)律基本一致，說明土壤水分蒸發(fā)主要受溫度、濕度、風(fēng)速等氣象因素的影響而呈現(xiàn)連續(xù)波動(dòng)變化。另外，礫石覆蓋的土壤水分蒸發(fā)量的變化程度明顯小于無礫石覆蓋土壤的，不同粒徑覆蓋的土壤日蒸發(fā)量變化相差不明顯。

圖1　不同處理的土壤水分日蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化情況

2.3不同粒徑礫石覆蓋對土壤水分累積蒸發(fā)量的影響

從表2中可以看出，CK和礫石覆蓋處理的土壤水分累積蒸發(fā)量有顯著差異（P＜0.05）；覆蓋厚度相同的條件下，隨著礫石粒徑的增加，土壤水分蒸發(fā)量顯著增加。

表2　不同處理各時(shí)段對土壤水分累積蒸發(fā)量的影響 （mm）

由圖2可知，不同粒徑礫石覆蓋的累積蒸發(fā)量均明顯小于裸土的水分累積蒸發(fā)量；土壤水分累積蒸發(fā)量隨礫石覆蓋粒徑的增大而增加，以4.0～5.0 cm粒徑處理的最大（10.67 mm），以0.7～1.0 cm粒徑處理的最?。?.80 mm）。這表明礫石覆蓋能夠有效抑制土壤蒸發(fā)，提高水分的利用效率，且礫石粒徑越小，對水分蒸發(fā)的抑制效果越明顯。

隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，L3（1.5～3.0 cm）和L4 （3.0～4.0 cm）處理的累積蒸發(fā)量的差別逐漸減小，說明當(dāng)?shù)[石粒徑在1.5～4.0 cm范圍內(nèi)時(shí)，不同粒徑礫石抑制蒸發(fā)的效果差別不大。

圖2　不同處理土壤水分累積蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化情況

2.4覆蓋礫石粒徑與土壤水分蒸發(fā)量的相關(guān)性分析

為了明確土壤水分累積蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化特征以及不同粒徑礫石覆蓋條件下土壤水分的蒸發(fā)情況，對礫石的粒徑與土壤水分蒸發(fā)量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。由表3可知，各處理線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.93，乘冪回歸方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.89，多項(xiàng)式回歸方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.95。這說明可以用多項(xiàng)式方程Y=at2+bt（因變量Y為土壤水分累積蒸發(fā)量，自變量t為蒸發(fā)時(shí)間，a和b均為方程系數(shù)）來模擬土壤水分累積蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化，即土壤水分累積蒸發(fā)量隨蒸發(fā)時(shí)間呈二次冪函數(shù)增加。

表3　不同處理下土壤水分累積蒸發(fā)量隨時(shí)間變化的擬合方程

圖3為45 d的蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，不同粒徑礫石覆蓋和不覆蓋處理土壤水分的總蒸發(fā)量。由圖3可知，土壤水分總蒸發(fā)量隨礫石粒徑的增加呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)增加的變化趨勢，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.527 0，說明可以用指數(shù)函數(shù)方程Y=aebx（因變量Y為土壤水分總蒸發(fā)量，自變量x為礫石粒徑，a和b均為方程系數(shù)）來模擬土壤總蒸發(fā)量隨礫石覆蓋粒徑的變化。

圖3　不同粒徑礫石覆蓋對累積蒸發(fā)量的影響

3　結(jié) 論

研究利用稱重法分析了不同粒徑礫石覆蓋條件下土壤水分蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化情況，得出以下結(jié)論。

（1）隨著覆蓋礫石粒徑的增加，土壤水分的日蒸發(fā)量逐漸增加，土壤含水量逐漸減少，說明在實(shí)施礫石覆蓋處理時(shí)，應(yīng)該選擇粒徑較小的礫石進(jìn)行覆蓋，阻止大量水分的損失。不覆蓋處理土壤水分日蒸發(fā)量的變異系數(shù)、偏度系數(shù)和峰度系數(shù)明顯高于礫石覆蓋處理的，大粒徑覆蓋處理土壤水分日蒸發(fā)量的變異系數(shù)、峰度系數(shù)和偏度系數(shù)均高于小粒徑處理的，說明不覆蓋和大粒徑覆蓋的土壤日蒸發(fā)量分布的對稱性和平坦性比小礫石覆蓋處理的要差。

（2）不同粒徑礫石覆蓋處理的土壤水分累積蒸發(fā)量均明顯小于裸土的，同時(shí)土壤水分累積蒸發(fā)量隨礫石覆蓋粒徑的增大而增加；當(dāng)?shù)[石粒徑為4.0～5.0 cm時(shí)，土壤水分累積蒸發(fā)量最大；當(dāng)?shù)[石粒徑為0.7～1.0 cm時(shí)，土壤水分累積蒸發(fā)量最小，兩個(gè)處理間的土壤水分累積蒸發(fā)量相差2.87 mm。但L3（1.5～3.0 cm）和L4（3.0～4.0 cm）處理的累積蒸發(fā)量的差別穗蒸發(fā)時(shí)間的延長而逐漸減小，說明當(dāng)?shù)[石粒徑在1.5～4.0 cm范圍內(nèi)時(shí)，不同粒徑礫石抑制土壤水分蒸發(fā)的效果差別不大。

（3）不同粒徑礫石覆蓋處理的土壤水分累積蒸發(fā)量隨蒸發(fā)時(shí)間呈二次冪函數(shù)增加，相關(guān)系數(shù)大于0.95；土壤水分總蒸發(fā)量隨覆蓋礫石粒徑的增加呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)增加，擬合曲線的決定系數(shù)達(dá)到0.527 0。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳士輝，謝忠奎，王亞軍，等.砂田西瓜不同粒徑砂礫石覆蓋的

水分效應(yīng)研究[J].中國沙漠，2005，25（3）：433-436.

[2] 崔向新，蒙仲舉，高 永，等.不同粒徑礫石覆蓋對土壤水分蒸發(fā)的影響[J].中國農(nóng)村水利水電，2009，（3）：21-23.

[3] 秦百順，李斌斌.不同礫石覆蓋保持土壤水分有效性研究[J].中國水土保持，2012，（6）：46-47.

[4] Xie Z，Wang Y，Jiang W，et al.Evaporation and evapotranspiration in a water melon field mulched with gravel of different sizes in northwest China[J].Agricultural Water Management，2006，81（1-2）：173-184.

（責(zé)任編輯：成 平）

Effects of Different Particle Sizes of Gravel Cover on Soil Evaporation of Arid Land in Ningxia

ZHOU Yue
（Experimental Farm, Ningxia University, Yingchuan 750100, PRC; School of Agriculture, Ningxia University, Yingchuan 750021, PRC）

Abstract：This study was conducted to explore the most suitable particle size of gravel mulching in selenium-contained watermelon field.The natural gravel from Nanshantai Region in Zhongwei City, Ningxia, was used as tested materials to determine how different particlesize gravel covering affects daily soil water evaporation with evaporator overall weighing method.The results show that the daily soil water evaporation capacity of the gravel-covering particle size from high to low was CK> L5（4.0-5.0 cm）> L4（3.0-4.0 cm）> L3（1.5-3.0 cm）>L2（1.0-1.5 cm）>L1（0.7-1.0 cm）.With the increase of particle size of gravel covering, the daily soil water evaporation capacity increased gradually, and the soil water content reduce gradually.The soil water cumulative evaporation in differently particlesized gravel cover was significantly less than that of bare soil, and the soil water cumulative evaporation with gravel cover increased with the increase of the particle size.With the increase of test days, the difference of soil moisture cumulative evaporation capacity between L3 （1.5-3.0 cm）和L4（3.0-4.0 cm）decreased gradually.As the gravel size was 1.5-4 cm, the inhibition effect of different particle sizes of gravel on soil water evaporation was of little difference.The appropriate gravel particle size of 1.5-4 cm could be selected to prevent the loss of a large amount of moisture, with other comprehensive factors.And the exponential function equation Y=aebxcould be used to simulate the soil total evaporation along with the change of particle size of the gravel cover, and the polynomial equation Y=at2+bt could be taken to simulate soil water cumulative evaporation changes over time.

Key words：gravel covering; particle size; soil moisture; evaporation; arid region; Ningxia

作者簡介：周 約（1972-），男，寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市人，講師，主要從事草地生態(tài)資源與環(huán)境教學(xué)研究工作。

基金項(xiàng)目：寧夏大學(xué)自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（ZR1208）；寧夏高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目（NGY2014065）

收稿日期：2015-10-10

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.12.021

中圖分類號：S156.92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-060X（2015）12-0072-03