塔克拉玛干沙漠腹地不同保水措施对土壤水分、盐分及耕作层温度的影响

塔克拉玛干沙漠腹地不同保水措施对土壤水分、盐分及耕作层温度的影响

塔克拉玛干沙漠的降水很少。沙漠道路防护台通过提取高矿化度地下水进行灌溉。极端干燥的天气导致一些灌溉，以蒸发土壤，形成土壤盐分的收集。因此,关于抑制土壤水分蒸发技术的研究成为关注的重点问题。覆盖是最常见的保水措施,最早应用于农业生产中。塑料薄膜和覆沙是应用最为广泛的覆盖措施。Guilspare是瑞士GuilfordDevelopment公司生产的一种新型节水产品,是一种可溶的有机硅化合物,为弱碱性透明液体,基本成分为N,O和Si,附着的亲水基具有保持土壤水分的作用,施用到土壤表层使土壤颗粒周围产生不易被水沾湿的疏水层,切断了毛管的蒸腾,从而阻止土壤水分的蒸发。国外学者研究表明,Guilspare有抑制土壤水分蒸发、抑制杂草、促进植物生长、防治病虫害等作用。孙树国等首次将新型土壤蒸发抑制剂Guilspare引进到沙漠公路防护林中,取得了较好的保水效应;而覆盖技术在防护林中的研究鲜有报道。土壤水分蒸发损失引起土壤盐分表聚是土壤次生盐渍化的一个重要原因。目前,沙漠公路防护林土壤水分与盐分的运移日趋活跃。在蒸发和蒸腾作用下灌溉水中的盐分随水分的上移积累在表层土壤中,并引起盐分表聚,形成致密的盐结皮层,造成一定的盐害。2003年和2005年夏季就曾发生过突发性强降雨,造成防护林沙拐枣(Calligonummongolicum)大量死亡的案例,对防护林的防护功能造成一定影响。土壤温度不仅是植物生长的重要环境因子,还与土壤水吸力有关。研究表明,土壤水势差是由土壤表面张力和毛细管作用引起的,而水的粘度是温度的函数,因此温度变化必然引起土壤水吸力的变化,对土壤水分和水汽再分布有很大影响。可见,研究土壤温度的变化对了解土壤水分运移有一定意义。已有研究表明,土壤水分蒸发损失是塔里木沙漠公路防护林持续发挥防护作用的最大障碍,是造成土壤水分、盐分分布不均匀的主要原因。本文研究不同抑制土壤水分蒸发技术,旨在探讨土壤水分、盐分分布和耕作层温度的变化特征,以期制定科学有效地减少土壤水分蒸发和抑制盐分表聚的管理措施,防治防护林在降雨后可能遭受的盐害,也可为沙漠公路防护林的可持续管护积累有益资料。1材料和方法1.1沙面温度与土壤条件试验区位于塔克拉玛干沙漠腹地(39°06′N,83°40′E),海拔为1100m。据塔中气象站资料,该区年平均气温12.4℃,月平均气温28.2℃,一年中最热月为7月,沙面最高温度75.3℃,最冷月为12月,月平均气温-8.1℃,极端最低温度-22.2℃,极差67.8℃。年平均降水量24.6mm,年平均相对湿度29.4%,年蒸发量3638.6mm;平均风速为3.2m/s,最大瞬时风速为24.0m/s。土壤类型绝大部分为流动风沙土,盐分含量1.2～2.6g/kg。丘间平坦沙地的地下水埋深一般在3～5m,矿化度4.0～4.8g/L。1.2地下水覆盖物和覆膜的确定在塔克拉玛干沙漠腹地布设田间试验,试验地土质为流动风沙土(表1),栽植植物为沙拐枣。试验设置3种保水措施(覆膜、喷施Guilspare、覆沙)和对照;依次标记为覆膜、抑制剂、覆沙和裸地,共4个处理,每个处理3个重复。覆膜采用100cm宽的薄膜,起垄后覆盖;Guilspare浓度为1.5%(v/v),施用量3.0L/m2;覆沙深度为25cm,灌溉用水采自试验区地下水,矿化度为4.612g/L(表2)。观测地按照保水措施分成4个小区,每个小区面积为4.5m×10m,沙拐枣行距1.5m,株距1m。1.3测量和方法1.3.1灌溉周期末土壤含水量植苗后,分别观测每个灌溉周期内停溉后1d和灌溉周期末的土壤含水量。利用土钻在0～100cm土层,每隔10cm取样,采用烘干(105℃)称重法测定含水量,每个处理重复3次。1.3.2土壤浸提液电导率的测定将烘干过1mm筛的土壤按1∶5土水比例进行浸提,用DDB-303A型电导仪测定土壤浸提液在25℃时的电导率(ECmS/cm)。并借助拟合所得电导率与土壤含盐量的关系式,求出不同保水措施下土壤含盐量。1.3.3气候变化的观测采用以色列生产的MicroLite温度探头观测5～20cm土层的温度变化,观测深度间隔5cm,时间间隔2h;观测时间为2009年7月16～20日。2结果与分析2.1不同深度土壤含水量分布特征为了较为客观地反映滴灌条件下风沙土水分再分布特征,本研究测定了停灌24h的土壤含水量。从图1a可以看出,表层土壤含水量差异较为明显,覆膜>对照>覆沙>抑制剂。随土壤深度增大,土壤含水量逐渐变大,但不同处理土壤含水量的变化特征存在差异。这主要是因为停灌后,土壤水分在重力作用下向下运移的同时还有部分土壤水向上运移。覆膜后切断了土壤与外界大气的交换,向上运动的水汽到达表层后,不能散失到大气中,而以凝结水的形式返回到表层,故表层含水量较高。采取覆沙措施后,直接在地表25cm以下滴灌,表层基本是干沙层,故其含水量低于对照。喷施蒸发抑制剂后,土壤表层形成疏水层,灌溉水无法填充到表层土壤孔隙中,故表层含水量最低。剖面土壤含水量分布特征为:覆膜处理下0～10cm土壤含水量较高,10cm以下土壤含水量随深度变化成近似直线降低关系;对照地块土壤含水量随深度的增加呈波动下降趋势,土壤水分没有集中分布区域;覆沙和抑制剂处理随土壤深度增加土壤含水量呈单峰变化,分别集中在30～60cm和20～40cm。70cm以下所有处理的土壤含水量变化不大。由图1b可知,表层土壤含水量变化不大,依然是覆膜最高,其他处理相差不大;深层土壤含水量变化却发生了较大变化。对照和抑制剂处理的0～10cm土壤含水量很低,深度大于20cm土壤含水量保水措施远远高于对照,特别是30～60cm土层差异最大。但保水措施间存在差异,覆沙>覆膜>抑制剂。70cm以下所有处理的土壤含水量变化稳定。保水措施下土壤温度高于对照,土壤温度梯度为:覆膜>抑制剂>覆沙。而土壤温度是影响土壤水势差的主要因子,当存在温度梯度时,水势差会发生改变,必然导致土壤内部形成能量梯度,驱动水分的运动。因此,覆膜处理下土壤温度梯度最大,水分向上运移的驱动力也最大,土壤水分主要分布在20cm附近;抑制剂处理下土壤温度梯度次之,土壤水分主要分布在40cm附近;覆沙处理下土壤温度梯度较小,土壤水分主要分布在60cm附近。2.2保水措施对土壤含盐量变化的影响2.2.1分含量之间的关系土壤含盐量是我国表征土壤盐分状况的主要参数之一,也是确定土壤盐渍化程度的一个主要指标。在盐分组成基本恒定的情况下,电导率与盐分含量之间通常呈线性关系。因此,利用塔克拉玛干沙漠腹地测定的土壤浸提液电导率及盐分,建立两者的关系,以便利用易于测定的土壤电导率直接反映土壤含盐量。通过对试验数据的分析,获得了土壤电导率与土壤全盐量的关系,关系式可表示为:Y=3.5897X-0.0385,(R2=0.9249**)(1)式中:Y为土壤全盐量(g/kg);X为土壤电导率(mS/cm)。2.2.2保水措施对表层土壤盐分含量的影响从图2a可以看出,表层土壤盐分含量较低,依次为:地膜>对照>覆沙>抑制剂。这与土壤含水量的变化比较吻合。随土层深度增加,盐分含量急剧降低,10～40cm土壤盐分含量很低,处理间差异不大。深度大于40cm土层,保水措施下土壤盐分含量随土层深度增加而增大,80～100cm土壤含盐量远远高于0～80cm土层。可见,灌溉有明显的淋溶作用,呈现土壤愈深,盐分含量愈高的规律。这主要是因为灌溉过程中,保水措施下土壤水分散失较少,较多的水分向深层运移,将表层土壤盐分淋溶到深层土体中。覆膜处理下表层土壤含盐量高于对照,这可能与覆膜后表层土壤保持较高的含水量有关。在土壤蒸发力作用下,灌溉周期末剖面土壤盐分含量发生较大变化(图2b)。与停灌后1d的剖面土壤盐分含量相比,灌溉周期末表层土壤盐分含量增幅较大。除抑制剂处理下表层土壤盐分含量变化不大,其他处理的土壤含盐量均较高。保水措施下表层土壤盐分含量却远远低于对照。可见,保水措施起到了抑制盐分表聚的作用,特别是抑制剂的效果最为明显。0～10cm土壤盐分含量降低幅度很大,10～70cm土层盐分含量较低,处理间差异不大。可见,盐分主要积聚在浅层土壤中,林木根系分布层土壤盐分含量较低。2.3保水措施对林地土壤温度的影响2.3.1覆盖土地的温度值土壤温度日变化是土壤吸收和散失热量动态变化的结果,研究不同保水措施下土壤温度的日变化对确定合适的保水措施很有帮助。试验结果表明(图3),保水措施处理下土壤温度均高于对照,其中覆膜处理下5～20cm土壤温度最高,其他处理对土壤温度随深度的变化存在一定差异。从土壤温度随时间的变化来看,5cm和10cm地温在10:00时出现一日内最小值,随后逐渐升高。5cm地温在18:00时出现最高温度,10cm却在20:00时出现最高温。15cm和20cm地温在12:00时出现一日内最小值,此后随时间的延长逐渐升高,在20:00时升至最高温度,这与塔克拉玛干沙漠地区的太阳辐射有关。从图3a可以看出,覆沙处理下5cm地温的变化幅度最剧烈。08:00时覆膜地块的土壤温度最高,为27.42℃;抑制剂与对照相差不大,分别为24.67℃和23.99℃;覆沙处理最低,为22.29℃。覆沙地块从10:00时开始地温迅速升高,至正午时与覆膜处理相差很小。从10:00～18:00时,土壤升温最快。18:00时覆膜、抑制剂和覆沙地块的土壤温度分别比裸地高8.25℃,2.03℃和6.68℃。18:00时以后土壤温度开始缓慢降低。图3(b,c,d)表明,深度大于5cm时地温变化范围不大,在5cm土层范围内,日最低温度高,而日最高温度低,符合土壤温度随土壤深度的一般变化规律。特别是覆沙和抑制剂处理下地温的变化趋势基本相同。2.3.2土壤温度日变化的规律地温随剖面最大日变幅为每一层全天最高地温与最低地温之差值,剖面地温的最大日变幅为一日内不同时刻5～20cm地温的最大值与最小值之差。地温的最大日变幅能够反映不同处理一日内土壤温度变化的剧烈程度以及最大影响深度。以2009年7月18日观测结果来分析(图4),地温最大日变幅随土层深度的变化趋势表明,1日内处理各层平均地温为保水措施大于对照,地温的剖面最大日变幅随着土层深度的增加逐渐降低。5cm土层土壤温度最大日变幅为:覆沙>覆膜>抑制剂>对照。深度大于5cm土层,地温日变幅则为:覆膜>覆沙>抑制剂>对照。最大日变幅的规律与土壤温度的日变化规律大致相同,这可能与保水措施下土壤水分含量较高有关。由于土壤水和温度间的相互作用,土壤含水量与土壤热容量呈线性关系,与土壤导热率呈现幂函数增加趋势。保水措施下土壤含水量较高,土壤导热率大,热量交换较快,因此,保水措施地块地温日变幅大于裸地。各层不同水分梯度间总体以覆膜最大,故覆膜处理下各层地温日变幅较大。将不同深度土壤温度最大日变幅与深度拟合成对数函数形式(表3),发现两者间有很好的相关性。这对预测耕作层不同土层温度日变幅很有帮助,而耕作层温度变化与作物生长状况有关。另外,耕作层地温状况对研究土壤水热迁移过程十分重要。2.3.3土层深度对土壤温度的影响从图5可以看出,保水措施处理下垂直剖面土壤温度均呈现出:覆膜>抑制剂>覆沙>对照的变化趋势。覆膜地块的剖面土壤温度与其他处理间的差异均达到极显著水平(p<0.01),除覆膜外,其他处理下土壤温度间差异随土层深度不同存在差异。深度为5cm土层,覆沙、抑制剂和对照间差异不显著;深度为10～20cm土层,抑制剂显著高于对照(p<0.05);覆沙与对照的差异不显著。试验期间覆膜、抑制剂和覆沙地块,5cm土层地温较对照分别提高5.09℃,1.70℃和1.54℃;10cm土层地温较对照分别提高4.81℃,1.46℃和0.46℃;15cm土层地温较对照依次增加4.13℃,1.12℃和0.55℃;20cm土层地温较对照依次增加3.98℃,0.80℃和0.62℃。可见,保水措施对地温的影响随土壤深度的增大逐渐降低。3保水措施对土壤温度的影响(1)在塔克拉玛干沙漠夏季采取保水措施(覆膜、覆沙和土壤蒸发抑制剂)效果明显。保水措施对停止灌溉后土壤水分的再分布有一定影响,不同的保水措施下土壤水分的集中分布区域存在差异。覆膜处理下0～10cm土层土壤含水量较高,10cm土层以下土壤含水量随深度变化成近似直线降低关系;对照的土壤含水量随深度呈波动下降趋势,土壤水分没有明显的集中区域;覆沙和抑制剂处理下,随土壤深度的增大土壤含水量呈单峰变化,分别集中在30～60cm和20～40cm。同时,保水措施能够极大地抑制土壤蒸发,保持土壤水分,提高土壤的蓄水保墒能力。灌溉周期末,保水措施处理下剖面土壤含水量远远高于裸地。(2)保水措施起到了抑制表层土壤盐分聚集的作用。灌溉周期末,表层土壤盐分含量为:裸地>覆沙>覆膜>抑制剂(Guilspare)。剖面土壤盐分分布特征为:0～10cm土层裸地>覆沙>覆膜>抑制剂(Guilspare),10～70cm土层各处理间差异不大,土壤盐分含量较低。(3)保水措施对剖面土壤温度日变化的影响明显。其中,覆膜处理下5～20cm土层土壤温度最高,