塔克拉瑪干沙漠腹地不同保水措施對土壤水分、鹽分及耕作層溫度的影響

塔克拉瑪干沙漠腹地不同保水措施對土壤水分、鹽分及耕作層溫度的影響

塔克拉瑪干沙漠的降水很少。沙漠道路防護臺通過提取高礦化度地下水進行灌溉。極端干燥的天氣導(dǎo)致一些灌溉，以蒸發(fā)土壤，形成土壤鹽分的收集。因此,關(guān)于抑制土壤水分蒸發(fā)技術(shù)的研究成為關(guān)注的重點問題。覆蓋是最常見的保水措施,最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。塑料薄膜和覆沙是應(yīng)用最為廣泛的覆蓋措施。Guilspare是瑞士GuilfordDevelopment公司生產(chǎn)的一種新型節(jié)水產(chǎn)品,是一種可溶的有機硅化合物,為弱堿性透明液體,基本成分為N,O和Si,附著的親水基具有保持土壤水分的作用,施用到土壤表層使土壤顆粒周圍產(chǎn)生不易被水沾濕的疏水層,切斷了毛管的蒸騰,從而阻止土壤水分的蒸發(fā)。國外學(xué)者研究表明,Guilspare有抑制土壤水分蒸發(fā)、抑制雜草、促進植物生長、防治病蟲害等作用。孫樹國等首次將新型土壤蒸發(fā)抑制劑Guilspare引進到沙漠公路防護林中,取得了較好的保水效應(yīng);而覆蓋技術(shù)在防護林中的研究鮮有報道。土壤水分蒸發(fā)損失引起土壤鹽分表聚是土壤次生鹽漬化的一個重要原因。目前,沙漠公路防護林土壤水分與鹽分的運移日趨活躍。在蒸發(fā)和蒸騰作用下灌溉水中的鹽分隨水分的上移積累在表層土壤中,并引起鹽分表聚,形成致密的鹽結(jié)皮層,造成一定的鹽害。2003年和2005年夏季就曾發(fā)生過突發(fā)性強降雨,造成防護林沙拐棗(Calligonummongolicum)大量死亡的案例,對防護林的防護功能造成一定影響。土壤溫度不僅是植物生長的重要環(huán)境因子,還與土壤水吸力有關(guān)。研究表明,土壤水勢差是由土壤表面張力和毛細管作用引起的,而水的粘度是溫度的函數(shù),因此溫度變化必然引起土壤水吸力的變化,對土壤水分和水汽再分布有很大影響。可見,研究土壤溫度的變化對了解土壤水分運移有一定意義。已有研究表明,土壤水分蒸發(fā)損失是塔里木沙漠公路防護林持續(xù)發(fā)揮防護作用的最大障礙,是造成土壤水分、鹽分分布不均勻的主要原因。本文研究不同抑制土壤水分蒸發(fā)技術(shù),旨在探討土壤水分、鹽分分布和耕作層溫度的變化特征,以期制定科學(xué)有效地減少土壤水分蒸發(fā)和抑制鹽分表聚的管理措施,防治防護林在降雨后可能遭受的鹽害,也可為沙漠公路防護林的可持續(xù)管護積累有益資料。1材料和方法1.1沙面溫度與土壤條件試驗區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠腹地(39°06′N,83°40′E),海拔為1100m。據(jù)塔中氣象站資料,該區(qū)年平均氣溫12.4℃,月平均氣溫28.2℃,一年中最熱月為7月,沙面最高溫度75.3℃,最冷月為12月,月平均氣溫-8.1℃,極端最低溫度-22.2℃,極差67.8℃。年平均降水量24.6mm,年平均相對濕度29.4%,年蒸發(fā)量3638.6mm;平均風(fēng)速為3.2m/s,最大瞬時風(fēng)速為24.0m/s。土壤類型絕大部分為流動風(fēng)沙土,鹽分含量1.2～2.6g/kg。丘間平坦沙地的地下水埋深一般在3～5m,礦化度4.0～4.8g/L。1.2地下水覆蓋物和覆膜的確定在塔克拉瑪干沙漠腹地布設(shè)田間試驗,試驗地土質(zhì)為流動風(fēng)沙土(表1),栽植植物為沙拐棗。試驗設(shè)置3種保水措施(覆膜、噴施Guilspare、覆沙)和對照;依次標(biāo)記為覆膜、抑制劑、覆沙和裸地,共4個處理,每個處理3個重復(fù)。覆膜采用100cm寬的薄膜,起壟后覆蓋;Guilspare濃度為1.5%(v/v),施用量3.0L/m2;覆沙深度為25cm,灌溉用水采自試驗區(qū)地下水,礦化度為4.612g/L(表2)。觀測地按照保水措施分成4個小區(qū),每個小區(qū)面積為4.5m×10m,沙拐棗行距1.5m,株距1m。1.3測量和方法1.3.1灌溉周期末土壤含水量植苗后,分別觀測每個灌溉周期內(nèi)停溉后1d和灌溉周期末的土壤含水量。利用土鉆在0～100cm土層,每隔10cm取樣,采用烘干(105℃)稱重法測定含水量,每個處理重復(fù)3次。1.3.2土壤浸提液電導(dǎo)率的測定將烘干過1mm篩的土壤按1∶5土水比例進行浸提,用DDB-303A型電導(dǎo)儀測定土壤浸提液在25℃時的電導(dǎo)率(ECmS/cm)。并借助擬合所得電導(dǎo)率與土壤含鹽量的關(guān)系式,求出不同保水措施下土壤含鹽量。1.3.3氣候變化的觀測采用以色列生產(chǎn)的MicroLite溫度探頭觀測5～20cm土層的溫度變化,觀測深度間隔5cm,時間間隔2h;觀測時間為2009年7月16～20日。2結(jié)果與分析2.1不同深度土壤含水量分布特征為了較為客觀地反映滴灌條件下風(fēng)沙土水分再分布特征,本研究測定了停灌24h的土壤含水量。從圖1a可以看出,表層土壤含水量差異較為明顯,覆膜>對照>覆沙>抑制劑。隨土壤深度增大,土壤含水量逐漸變大,但不同處理土壤含水量的變化特征存在差異。這主要是因為停灌后,土壤水分在重力作用下向下運移的同時還有部分土壤水向上運移。覆膜后切斷了土壤與外界大氣的交換,向上運動的水汽到達表層后,不能散失到大氣中,而以凝結(jié)水的形式返回到表層,故表層含水量較高。采取覆沙措施后,直接在地表25cm以下滴灌,表層基本是干沙層,故其含水量低于對照。噴施蒸發(fā)抑制劑后,土壤表層形成疏水層,灌溉水無法填充到表層土壤孔隙中,故表層含水量最低。剖面土壤含水量分布特征為:覆膜處理下0～10cm土壤含水量較高,10cm以下土壤含水量隨深度變化成近似直線降低關(guān)系;對照地塊土壤含水量隨深度的增加呈波動下降趨勢,土壤水分沒有集中分布區(qū)域;覆沙和抑制劑處理隨土壤深度增加土壤含水量呈單峰變化,分別集中在30～60cm和20～40cm。70cm以下所有處理的土壤含水量變化不大。由圖1b可知,表層土壤含水量變化不大,依然是覆膜最高,其他處理相差不大;深層土壤含水量變化卻發(fā)生了較大變化。對照和抑制劑處理的0～10cm土壤含水量很低,深度大于20cm土壤含水量保水措施遠遠高于對照,特別是30～60cm土層差異最大。但保水措施間存在差異,覆沙>覆膜>抑制劑。70cm以下所有處理的土壤含水量變化穩(wěn)定。保水措施下土壤溫度高于對照,土壤溫度梯度為:覆膜>抑制劑>覆沙。而土壤溫度是影響土壤水勢差的主要因子,當(dāng)存在溫度梯度時,水勢差會發(fā)生改變,必然導(dǎo)致土壤內(nèi)部形成能量梯度,驅(qū)動水分的運動。因此,覆膜處理下土壤溫度梯度最大,水分向上運移的驅(qū)動力也最大,土壤水分主要分布在20cm附近;抑制劑處理下土壤溫度梯度次之,土壤水分主要分布在40cm附近;覆沙處理下土壤溫度梯度較小,土壤水分主要分布在60cm附近。2.2保水措施對土壤含鹽量變化的影響2.2.1分含量之間的關(guān)系土壤含鹽量是我國表征土壤鹽分狀況的主要參數(shù)之一,也是確定土壤鹽漬化程度的一個主要指標(biāo)。在鹽分組成基本恒定的情況下,電導(dǎo)率與鹽分含量之間通常呈線性關(guān)系。因此,利用塔克拉瑪干沙漠腹地測定的土壤浸提液電導(dǎo)率及鹽分,建立兩者的關(guān)系,以便利用易于測定的土壤電導(dǎo)率直接反映土壤含鹽量。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析,獲得了土壤電導(dǎo)率與土壤全鹽量的關(guān)系,關(guān)系式可表示為:Y=3.5897X-0.0385,(R2=0.9249**)(1)式中:Y為土壤全鹽量(g/kg);X為土壤電導(dǎo)率(mS/cm)。2.2.2保水措施對表層土壤鹽分含量的影響從圖2a可以看出,表層土壤鹽分含量較低,依次為:地膜>對照>覆沙>抑制劑。這與土壤含水量的變化比較吻合。隨土層深度增加,鹽分含量急劇降低,10～40cm土壤鹽分含量很低,處理間差異不大。深度大于40cm土層,保水措施下土壤鹽分含量隨土層深度增加而增大,80～100cm土壤含鹽量遠遠高于0～80cm土層。可見,灌溉有明顯的淋溶作用,呈現(xiàn)土壤愈深,鹽分含量愈高的規(guī)律。這主要是因為灌溉過程中,保水措施下土壤水分散失較少,較多的水分向深層運移,將表層土壤鹽分淋溶到深層土體中。覆膜處理下表層土壤含鹽量高于對照,這可能與覆膜后表層土壤保持較高的含水量有關(guān)。在土壤蒸發(fā)力作用下,灌溉周期末剖面土壤鹽分含量發(fā)生較大變化(圖2b)。與停灌后1d的剖面土壤鹽分含量相比,灌溉周期末表層土壤鹽分含量增幅較大。除抑制劑處理下表層土壤鹽分含量變化不大,其他處理的土壤含鹽量均較高。保水措施下表層土壤鹽分含量卻遠遠低于對照。可見,保水措施起到了抑制鹽分表聚的作用,特別是抑制劑的效果最為明顯。0～10cm土壤鹽分含量降低幅度很大,10～70cm土層鹽分含量較低,處理間差異不大?？梢?鹽分主要積聚在淺層土壤中,林木根系分布層土壤鹽分含量較低。2.3保水措施對林地土壤溫度的影響2.3.1覆蓋土地的溫度值土壤溫度日變化是土壤吸收和散失熱量動態(tài)變化的結(jié)果,研究不同保水措施下土壤溫度的日變化對確定合適的保水措施很有幫助。試驗結(jié)果表明(圖3),保水措施處理下土壤溫度均高于對照,其中覆膜處理下5～20cm土壤溫度最高,其他處理對土壤溫度隨深度的變化存在一定差異。從土壤溫度隨時間的變化來看,5cm和10cm地溫在10:00時出現(xiàn)一日內(nèi)最小值,隨后逐漸升高。5cm地溫在18:00時出現(xiàn)最高溫度,10cm卻在20:00時出現(xiàn)最高溫。15cm和20cm地溫在12:00時出現(xiàn)一日內(nèi)最小值,此后隨時間的延長逐漸升高,在20:00時升至最高溫度,這與塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的太陽輻射有關(guān)。從圖3a可以看出,覆沙處理下5cm地溫的變化幅度最劇烈。08:00時覆膜地塊的土壤溫度最高,為27.42℃;抑制劑與對照相差不大,分別為24.67℃和23.99℃;覆沙處理最低,為22.29℃。覆沙地塊從10:00時開始地溫迅速升高,至正午時與覆膜處理相差很小。從10:00～18:00時,土壤升溫最快。18:00時覆膜、抑制劑和覆沙地塊的土壤溫度分別比裸地高8.25℃,2.03℃和6.68℃。18:00時以后土壤溫度開始緩慢降低。圖3(b,c,d)表明,深度大于5cm時地溫變化范圍不大,在5cm土層范圍內(nèi),日最低溫度高,而日最高溫度低,符合土壤溫度隨土壤深度的一般變化規(guī)律。特別是覆沙和抑制劑處理下地溫的變化趨勢基本相同。2.3.2土壤溫度日變化的規(guī)律地溫隨剖面最大日變幅為每一層全天最高地溫與最低地溫之差值,剖面地溫的最大日變幅為一日內(nèi)不同時刻5～20cm地溫的最大值與最小值之差。地溫的最大日變幅能夠反映不同處理一日內(nèi)土壤溫度變化的劇烈程度以及最大影響深度。以2009年7月18日觀測結(jié)果來分析(圖4),地溫最大日變幅隨土層深度的變化趨勢表明,1日內(nèi)處理各層平均地溫為保水措施大于對照,地溫的剖面最大日變幅隨著土層深度的增加逐漸降低。5cm土層土壤溫度最大日變幅為:覆沙>覆膜>抑制劑>對照。深度大于5cm土層,地溫日變幅則為:覆膜>覆沙>抑制劑>對照。最大日變幅的規(guī)律與土壤溫度的日變化規(guī)律大致相同,這可能與保水措施下土壤水分含量較高有關(guān)。由于土壤水和溫度間的相互作用,土壤含水量與土壤熱容量呈線性關(guān)系,與土壤導(dǎo)熱率呈現(xiàn)冪函數(shù)增加趨勢。保水措施下土壤含水量較高,土壤導(dǎo)熱率大,熱量交換較快,因此,保水措施地塊地溫日變幅大于裸地。各層不同水分梯度間總體以覆膜最大,故覆膜處理下各層地溫日變幅較大。將不同深度土壤溫度最大日變幅與深度擬合成對數(shù)函數(shù)形式(表3),發(fā)現(xiàn)兩者間有很好的相關(guān)性。這對預(yù)測耕作層不同土層溫度日變幅很有幫助,而耕作層溫度變化與作物生長狀況有關(guān)。另外,耕作層地溫狀況對研究土壤水熱遷移過程十分重要。2.3.3土層深度對土壤溫度的影響從圖5可以看出,保水措施處理下垂直剖面土壤溫度均呈現(xiàn)出:覆膜>抑制劑>覆沙>對照的變化趨勢。覆膜地塊的剖面土壤溫度與其他處理間的差異均達到極顯著水平(p<0.01),除覆膜外,其他處理下土壤溫度間差異隨土層深度不同存在差異。深度為5cm土層,覆沙、抑制劑和對照間差異不顯著;深度為10～20cm土層,抑制劑顯著高于對照(p<0.05);覆沙與對照的差異不顯著。試驗期間覆膜、抑制劑和覆沙地塊,5cm土層地溫較對照分別提高5.09℃,1.70℃和1.54℃;10cm土層地溫較對照分別提高4.81℃,1.46℃和0.46℃;15cm土層地溫較對照依次增加4.13℃,1.12℃和0.55℃;20cm土層地溫較對照依次增加3.98℃,0.80℃和0.62℃。可見,保水措施對地溫的影響隨土壤深度的增大逐漸降低。3保水措施對土壤溫度的影響(1)在塔克拉瑪干沙漠夏季采取保水措施(覆膜、覆沙和土壤蒸發(fā)抑制劑)效果明顯。保水措施對停止灌溉后土壤水分的再分布有一定影響,不同的保水措施下土壤水分的集中分布區(qū)域存在差異。覆膜處理下0～10cm土層土壤含水量較高,10cm土層以下土壤含水量隨深度變化成近似直線降低關(guān)系;對照的土壤含水量隨深度呈波動下降趨勢,土壤水分沒有明顯的集中區(qū)域;覆沙和抑制劑處理下,隨土壤深度的增大土壤含水量呈單峰變化,分別集中在30～60cm和20～40cm。同時,保水措施能夠極大地抑制土壤蒸發(fā),保持土壤水分,提高土壤的蓄水保墑能力。灌溉周期末,保水措施處理下剖面土壤含水量遠遠高于裸地。(2)保水措施起到了抑制表層土壤鹽分聚集的作用。灌溉周期末,表層土壤鹽分含量為:裸地>覆沙>覆膜>抑制劑(Guilspare)。剖面土壤鹽分分布特征為:0～10cm土層裸地>覆沙>覆膜>抑制劑(Guilspare),10～70cm土層各處理間差異不大,土壤鹽分含量較低。(3)保水措施對剖面土壤溫度日變化的影響明顯。其中,覆膜處理下5～20cm土層土壤溫度最高,