覆砂條件下保水劑對土壤水分蒸發(fā)影響的研究

趙文舉，豆品鑫，馬孝義，馬宏，郁文

（1.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌712100）

覆砂條件下保水劑對土壤水分蒸發(fā)影響的研究

趙文舉1，豆品鑫1，馬孝義2，馬宏1，郁文1

（1.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌712100）

覆砂條件下，保水劑具有更明顯的抑制蒸發(fā)和提高土壤保水能力的作用。本文采用室外蒸發(fā)桶模擬實驗，研究了在覆砂與不覆砂條件下，三種濃度保水劑對砂壤土水分蒸發(fā)的影響。結(jié)果表明：在無覆砂條件下，濃度為0.1%、0.2%、0.5%保水劑的累積蒸發(fā)量較裸土分別減少5.70%、20.20%、25.65%，說明加入保水劑后可明顯減少土壤水分蒸發(fā)，濃度越大抑制蒸發(fā)效果越明顯；在覆砂條件下，未加保水劑的土壤累積蒸發(fā)量較裸土減少了87.08%，當(dāng)分別加入保水劑濃度為0.1%、0.2%和0.5%時，土壤水分累積蒸發(fā)量較裸土分別減少了90.47%、96.20%、96.32%，在覆砂條件下，保水劑濃度由0.2%增加到0.5%時，抑制水分蒸發(fā)的效果增加不明顯，得出保水劑濃度為0.2%時，在三種保水劑濃度之間最為經(jīng)濟(jì)合理，說明“覆砂+保水劑”模式具有良好的節(jié)水效果，且累積蒸發(fā)量與時間的關(guān)系符合對數(shù)關(guān)系，該研究結(jié)果為西北旱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

土壤水分；累積蒸發(fā)量；覆砂；保水劑；濃度

趙文舉， 豆品鑫， 馬孝義， 馬宏， 郁文. 覆砂條件下保水劑對土壤水分蒸發(fā)影響的研究［J］. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究， 2016， 37（1）: 182-186.

Zhao W J， Dou P X， Ma X Y， Ma H， Yu W. Effects of water retaining agent application on evaporation from soils covered with gravel［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（1）: 182-186.

保水劑是近年來發(fā)展迅速的化學(xué)節(jié)水技術(shù)，研究者發(fā)現(xiàn)保水劑可影響土壤物理性質(zhì)，增強土壤保水性，改良土壤結(jié)構(gòu)，提高水分利用率，利用土壤保水劑節(jié)水增產(chǎn)是緩解中國水資源短缺的一種重要途徑和方法［12-13］。許多學(xué)者通過對保水劑研究得出，保水劑顆粒與土壤質(zhì)地、與保水劑用量成負(fù)效應(yīng)，保水劑用量與土壤質(zhì)地成正效應(yīng)［14］；保水劑對入滲率的影響具有穩(wěn)定性和一致性［15］；隨保水劑用量的增加，混劑土的保溫效果、抑制水分蒸發(fā)效果越好［16］。

綜上可知，砂石覆蓋和保水劑對土壤水分的蒸發(fā)都有抑制作用，但在砂石覆蓋條件下，加入保水劑來研究土壤水分的蒸發(fā)動態(tài)過程較少。為此，本文基于室外模擬試驗，研究了砂石覆蓋條件下不同濃度的保水劑對土壤蒸發(fā)動態(tài)過程的影響，得出覆砂條件下最佳的保水劑濃度，以期為西北旱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)概況

試驗設(shè)在景泰縣蘭州理工大學(xué)試驗研究基地，該基地海拔高度平均為1 596 m，地處黃土高原與騰格里沙漠過渡地帶，屬溫帶干旱大陸性氣候，主要特點是冬冷夏熱，晝夜溫差較大，干旱少雨，蒸發(fā)量大，風(fēng)沙日數(shù)較多，日照時數(shù)長，熱量資源豐富。土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土。多年平均降雨量為185.0 mm，平均蒸發(fā)量約為3 038 mm，約為降雨量的16倍。

1.2 實驗材料

試驗所用保水劑屬于高吸水性樹脂SAP保水劑，白色顆粒狀干粉，顆粒大小為0.8-1.0 mm，主要成分為丙烯酰胺與凸凹棒接枝共聚而成。覆蓋的砂石配比是5-10 mm為5.49%、2.5-5 mm為14.93%、1.25-2.5 mm為19.88%、0.63-1.25 mm為25.08%，0-0.63 mm為34.62%。土壤容重為1.3 g/cm3，土層厚度為15 cm，覆砂厚度為10 cm，在桶的底部有5個小孔，小孔直徑為1 cm，使多余水分流出，在小孔上覆蓋三層紗布，防止土壤漏出。如圖1所示，蒸發(fā)桶為自制蒸發(fā)桶，下底直徑為18 cm，頂部直徑為24 cm，凈高為31 cm，壁厚0.5 cm。土壤樣本取自基地附近的砂壤土，砂壤土的顆粒級配見表1。

圖1 實驗所用蒸發(fā)桶Fig. 1 The evaporation buckets for experiment

表1 土壤的顆粒級配（%）Table1 Soil separates（%）

1.3 試驗方法

本實驗采用室外模擬實驗，把土壤經(jīng)自然風(fēng)干（風(fēng)干后土壤含水率為0.75%）、碾碎、去除雜質(zhì)后，過2 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，控制土壤容重為1.3 g/cm3，分別裝在蒸發(fā)桶內(nèi)，在桶內(nèi)高15 cm處做標(biāo)記，每組設(shè)三個，共八個小組，分別為裸土（T1）、0.1%保水劑（T2）、0.2%保水劑（T3）、0.5%保水劑（T4）、覆砂（T5）、覆砂+0.1%保水劑（T6）、覆砂+0.2%保水劑（T7）、覆砂+0.5%保水劑（T8）。在室內(nèi)裝入裸土后進(jìn)行稱重，把保水劑均勻?qū)邮┰谕寥辣韺?-5 cm處，緩慢均勻的加入2 500 ml水，靜置使其完全入滲，且沒有多余水分從底孔漏出。入滲完全后，進(jìn)行覆砂再次對所有的桶進(jìn)行稱重，確定初始質(zhì)量，然后把裝置放置室外空曠處，在自然條件下進(jìn)行蒸發(fā)，每天利用稱重法測定土壤的蒸發(fā)量。實驗時間為2014年9月15日至2014年9月25日，21日下雨實驗桶用塑料膜覆蓋，每天早晚7:00時各稱重一次，當(dāng)實驗進(jìn)行到第10 d后已呈現(xiàn)明顯規(guī)律，實驗無需再進(jìn)行，故記錄了10 d數(shù)據(jù)。上述試驗均在景泰縣蘭州理工大學(xué)實驗基地內(nèi)進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水劑濃度對土壤水分蒸發(fā)的影響

在無覆砂條件下，不同保水劑濃度下土壤水分累積蒸發(fā)量隨時間變化規(guī)律如圖2所示。將加入濃度為0.1%保水劑的T2與裸土T1（CK）對比，從蒸發(fā)初始到結(jié)束，累積蒸發(fā)量降低了5.70%，當(dāng)保水劑濃度由0.1%提高到0.2%和0.5%時，將T3、T4與CK進(jìn)行對比，土壤水分累積蒸發(fā)量逐漸減少，較CK分別減少了20.20%和25.65%。由此表明，保水劑濃度過低時對土壤水分的抑制作用不明顯，這是由于實驗區(qū)位于干旱少雨地帶，日蒸發(fā)量很大，在實驗結(jié)束后，觀察土壤內(nèi)部團(tuán)聚物，當(dāng)保水劑濃度較低時，不能形成有效的團(tuán)聚物，其吸水能力弱，但隨著保水劑濃度的增大，保水劑在土壤中形成的團(tuán)聚物面積也在增大，從而有效的提高了土壤保水能力。

圖2 不同濃度保水劑下土壤水分累積蒸發(fā)量Fig. 2 Soil accumulated evaporation under different concentrations of soil water retaining agent

表2 土壤累積蒸發(fā)量與時間的擬合方程系數(shù)及相關(guān)系數(shù)Table2 Fitted coefficients and correlation coefficients for the relationship between soil accumulated evaporation and time

對土壤的累積蒸發(fā)量曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)累積蒸發(fā)量與時間呈顯著對數(shù)關(guān)系，擬合方程為:

式中：相關(guān)系數(shù)R值大小介于0.994 1-0.996 9之間，a、b為常數(shù)，X表示時間，Y為累積蒸發(fā)量，其中系數(shù)a、b及相關(guān)系數(shù)R見表2。其蒸發(fā)速率為，由表2可知，隨著保水劑濃度的增大，其系數(shù)a逐漸減小，系數(shù)b無明顯規(guī)律，表明在無覆砂條件下，隨著保水劑濃度的增大，土壤蒸發(fā)速率始終是T1＞T2＞T3＞T4，說明保水劑濃度越大，對土壤水分蒸發(fā)的抑制作用也越大。

2.2 覆砂條件下保水劑濃度對土壤水分抑制的影響

在覆砂條件下，對比不同保水劑濃度下土壤水分累積蒸發(fā)量隨時間變化規(guī)律可知（圖3），土壤水分蒸發(fā)量在僅覆砂（T5）條件下與圖2中裸土（T1）相比，覆砂后水分累積蒸發(fā)量減少了87.08%，這是由于砂石的大孔隙結(jié)構(gòu)明顯阻斷了土壤毛管水的上升，使土壤水分蒸發(fā)的通道減少，顯著減少了土壤水分蒸發(fā)。對比T6與T5，T6土壤水分累積蒸發(fā)量的增加呈現(xiàn)更加緩慢的趨勢，T7、T8與T5對比，在蒸發(fā)一定時間后，累積蒸發(fā)量幾乎不再變化，這說明在覆砂條件下，加入保水劑可顯著增加土壤水分蒸發(fā)的抑制作用。

圖3 覆砂條件下保水劑對土壤水分累積蒸發(fā)量的影響Fig. 3 The impact of water retaining agent on accumulated evaporation from soils covered by gravel

表3 覆砂后土壤水分累積蒸發(fā)量與時間的擬合方程系數(shù)及相關(guān)系數(shù)Table3 Fitted coefficients and correlation coefficients for the relationship between soil accumulated evaporation and time in soils covered by gravel

對土壤的累積蒸發(fā)量曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)累積蒸發(fā)量與時間呈顯著對數(shù)關(guān)系，擬合方程為：

式中：X表示時間，Y為累積蒸發(fā)量，a、b為常數(shù)，相關(guān)系數(shù)R值介于0.948 3-0.983 5之間，其中系數(shù)a、b及相關(guān)系數(shù)R見表3。由表3可知，在保水劑濃度由0增加到0.1%，0.2%，0.5%時，其系數(shù)a由45.557減少為35.737、17.149、17.595，從表3和圖3綜合分析來看，在覆砂條件下，保水劑濃度由0.2%到0.5%時，其累積蒸發(fā)曲線基本重合，蒸發(fā)速率不再隨保水劑濃度的增大而減小，故當(dāng)濃度為0.2%時，抑制效果達(dá)到最佳且經(jīng)濟(jì)合理。

2.3 不同模式下土壤累積蒸發(fā)量的對比

把不同模式和保水劑濃度下的土壤水分累積蒸發(fā)量進(jìn)行分析，如圖4所示。整體分析來看，覆砂抑制土壤的蒸發(fā)效果明顯優(yōu)于不覆砂，加入保水劑濃度越大，抑制土壤蒸發(fā)的效果越明顯。將覆砂T5與T1、T2、T3、T4進(jìn)行對比，得土壤水分累積蒸發(fā)量分別減少87.08%、86.30%、83.81%、82.62%，這說明在裸土中覆砂即可大幅度減少土壤水分蒸發(fā)量；將同濃度保水劑下覆砂與不覆砂對比，得T6比T2、T7比T3、T8比T4土壤水分累積蒸發(fā)量分別減小89.89%、95.24%、95.05%，可知在土壤中加入同濃度的保水劑下，覆砂條件下保水劑對水分的抑制作用進(jìn)一步提高；再將覆砂條件下加入不同濃度的保水劑與裸土T1進(jìn)行對比，即T6、T7、T8較T1的土壤水分累積蒸發(fā)量分別減少90.47%、96.20%、96.32%；最后對比T7與T8得出其累積蒸發(fā)量相差很小，T8比T7僅減少3.18%，由此表明，覆砂條件下保水劑濃度為0.2%時，其保水效果最佳，這對西北旱區(qū)科學(xué)合理的利用保水劑有重要的指導(dǎo)作用。

圖4 不同模式和保水劑濃度下的最終累積蒸發(fā)量Fig. 4 Final accumulated evaporation for different patterns and concentrations of water retaining agent

3 結(jié)論

本文基于室外模擬試驗，探討了在覆砂與不覆砂條件下，三種濃度保水劑對砂壤土水分蒸發(fā)的影響規(guī)律，可得出以下結(jié)論。

1）在不覆砂條件下，低濃度保水劑對土壤水分蒸發(fā)的抑制效果不太明顯，隨保水劑濃度的增大，對土壤水分蒸發(fā)抑制作用越顯著，這是由于濃度低時保水劑吸附水的能力過小，隨著保水劑濃度的增大，會形成有效的團(tuán)聚作用力，其吸水動力在增大。擬合土壤累積蒸發(fā)量與時間關(guān)系可得方程，其中系數(shù)a隨保水劑濃度增大而減小，說明隨著保水劑濃度的增大，其蒸發(fā)速率在減小。

2）在覆砂條件下，加入保水劑后的蒸發(fā)量明顯小于僅覆砂的土壤水分累積蒸發(fā)量，且隨著保水劑濃度的增大，抑制效果明顯，當(dāng)保水劑濃度由0.2%到0.5%時，其累積蒸發(fā)曲線基本重合，故保水劑濃度為0.2%時效果最佳。擬合土壤累積蒸發(fā)量與

4 討論

大量研究表明，在農(nóng)田土壤表層進(jìn)行覆蓋是抑制土壤水分蒸發(fā)的一種有效方式，因可以改變表層土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，從而影響土壤水分的蒸發(fā)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，砂石覆蓋是常用的覆蓋模式，是西北旱區(qū)勞動人民與自然經(jīng)過長期斗爭創(chuàng)造出的保護(hù)性耕作方式，又稱為壓砂地或砂田，距今已有300多年的種植歷史［17-18］。砂石覆蓋具有增加降水入滲、減少土壤水分蒸發(fā)、改善土壤溫度、改良土壤等作用［19-20］。本實驗中，覆砂與裸土（CK）相比，土壤水分累積蒸發(fā)量減少了87.08%，覆砂可有效抑制水分蒸發(fā)，這與張瑞喜等［9］的研究結(jié)果相同。

本文利用室外蒸發(fā)桶模擬實驗，研究了有無覆砂條件下不同濃度保水劑對土壤水分蒸發(fā)的影響。在無覆砂條件下，保水劑濃度過高或過低都不能較好地抑制土壤水分蒸發(fā)［21］，濃度過低時保水劑效果不明顯，過高時，非但不能促進(jìn)根系的發(fā)育，反而抑制作物的生長［22］，這可能由于在保水劑的應(yīng)用過程中，其暴露在氧化環(huán)境中慢慢分解及見光易分解的特性有關(guān)［23］；覆砂條件下，使用保水劑能更好抑制水分蒸發(fā)，保水劑濃度為0.2%時，保水效果最佳，與覆砂相比，土壤水分累積蒸發(fā)量減少了60.13%，由于覆砂避免了光和空氣與保水劑的直接接觸，降低了保水劑的分解，提高了保水劑的利用率，并降低了保水劑的投入成本。因此在西北干旱地區(qū)“覆砂+保水劑”的模式具有良好的應(yīng)用推廣前景。

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（責(zé)任編輯：王育花）

Effects of water retaining agent application on evaporation from soils covered with gravel

ZHAO Wen-ju1， DOU Pin-xin1， MA Xiao-yi2， MA Hong1， YU Wen1
（1. College of Energy and Power Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou， Gansu 730050， China； 2. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas， Ministry of Education， Northwest A&F University， Yangling， Shaanxi 712100， China）

Water retaining agent is significant in inhibiting evaporation and enhancing soil water retention. This study aimed to investigate the impact of soil water retaining agent on evaporation from soils covered with gravel by using outdoor evaporation simulation experiments. For this purpose， treatments with three different concentrations （0.1%， 0.2%， and 0.5%） of water retaining agent and two soil covers （gravel and no gravel） were applied. The results showed that accumulated soil evaporation decreased by 5.70%， 20.20%， and 25.65%， respectively， for treatments with water retaining agent concentrations of 0.1%， 0.2%， and 0.5% compared with no gravel cover treatment. This indicated that water retaining agent decreased evaporation and this effect was stronger for higher concentration of water retaining agent. In the gravel-mulched field without soil water retention agent， cumulative evaporation decreased by 87.08% compared with bare soil. When water retaining agent was added at the concentration of 0.1%， 0.2%， and 0.5%， the cumulative evaporation were reduced by 90.47%， 96.32%， and 96.20%， respectively， compared with bare soil. Because the effect of inhibiting evaporation did not change when the concentration of water retention agent increased from 0.2% and 0.5%， the suitable concentration of water retaining agent concentration could be 0.2%. This study indicated that “sand +water retaining agent” model has a good water-saving effect， the relationship between the cumulative evaporation and time could be fitted well by the logarithmic function. This experiment provided theoretical foundation for sustainable development of gravel-sand mulched ecological agriculture in north-western arid area.

soil moisture； cumulative evaporation； gravel-mulched field； water retaining agent； concentration

水分是農(nóng)作物生長的重要因子，在西北干旱半干旱地區(qū)，裸地表層土壤水分的蒸發(fā)導(dǎo)致了水分大量的損失［1］，從而嚴(yán)重限制了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展。覆砂作為一項傳統(tǒng)的覆蓋技術(shù)，是一種抑制土壤水分蒸發(fā)的有效手段［2-4］。大量研究顯示，土壤表層覆砂具有有效抑制土壤水分蒸發(fā)、改善土壤環(huán)境、增加雨水入滲、蓄水保墑等作用［5］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對覆砂的研究較多，Nachergaele等［6］在瑞士南部地區(qū)的研究認(rèn)為，礫石覆蓋不但增加了土壤溫度，也增加了葡萄園土壤的蒸散；Cerda［7］研究了瑞典東南部地區(qū)砂石覆蓋對入滲特性的影響，研究結(jié)果表明，土壤穩(wěn)滲率與砂石覆蓋度之間為正相關(guān)關(guān)系；Jimenez等［8］通過田間和實驗室試驗發(fā)現(xiàn)，與無覆蓋土壤相比，采用砂覆蓋的土壤水分蒸發(fā)量減少了70%，砂覆蓋的土壤含水量是無覆蓋土壤的1.6倍。張瑞喜等［9］研究了不同覆砂厚度對土壤水鹽運移的影響，得出覆砂厚度對潛水蒸發(fā)的抑制率有顯著效果，且抑制率隨覆砂厚度的增加而升高；關(guān)紅杰等［10］研究了砂石覆蓋厚度和粒徑對土壤蒸發(fā)的影響，得出細(xì)砂配比對抑制水分蒸發(fā)效果更優(yōu)；原翠萍等［11］研究得到砂石覆蓋條件下的累計土壤蒸發(fā)量與時間呈近似線性關(guān)系，而裸土為對數(shù)關(guān)系。

National Natural Science Foundation of China (51269008, 51279167); Young Teachers Plan of Lanzhou University of Technology (Q201310).

ZHAO Wen-ju, E-mail: wenjuzhao@126.com.

19 December, 2014; Accepted 15 October, 2015.

S156.2

A

1000-0275（2016）01-0182-05

10.13872/j.1000-0275.2015.0184

國家自然科學(xué)基金項目（51269008，51279167）；蘭州理工大學(xué)紅柳青年教師培養(yǎng)計劃（Q201310）。

趙文舉（1981-），男，甘肅永昌人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程方面的研究，E-mail：wenjuzhao@126.com。

2014-12-19，接受日期：2015-10-15