干旱区瓜田不同压砂覆盖对土壤水分蒸发的影响及回归模型

赵伶俐

摘    要：为研究干旱区瓜田不同压砂覆盖对土壤水分蒸发量的影响，设置在土壤表层裸露和覆盖砾石、覆盖砾石厚度不同、粒径不同以及覆盖砾石年限不同的处理，采用土柱蒸发称重法测量土壤水分蒸发量，并对土壤水分累积蒸发量进行线性回归、二次多项式回归、乘幂回归拟合。结果表明，从西瓜生长到成熟期，压砂地累积水分蒸发量的增加只有裸地的29.3%，压砂覆盖可以明显减少土壤水分蒸发量。土壤表面压砂覆盖越厚，抑制蒸发效果越好，考虑经济性和利用率，覆盖厚度10～15 cm时抑制土壤水分蒸发效果最优。覆盖砾石粒径越小，抑制蒸发效果越好，综合考虑持水性和取材经济性，采用粒径30～50 mm的砂石覆盖土壤最适宜。压砂覆盖年限不同，土壤的蒸发量和含水量也不同，压砂3 a（年）土壤的含水量最高，随着压砂年限增加到5 a以上，土壤含水量降低。二次多项式回归拟合模型能更好地模拟预测不同压砂覆盖下土壤累积蒸发量，回归拟合度R2均大于0.98。

关键词：西瓜;压砂覆盖;厚度;粒径;蒸发量;回归拟合

中图分类号：S651+S606 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2020）12-039-05

Abstract： In order to study the evaporation effect of different gravel cover on the melons field in the arid area， the soil surface was covered with gravel with different thickness， different particle size， and different coverage age. The evaporation was measured by soil column evaporation weighing method. Results showed that： （1） During watermelon growing to maturity， the cumulative evaporation of covered gravel land increased by only 29.3% of bare land， and covered gravel could significantly reduce soil water evaporation. （2） The thicker gravel is covered on the surface of soil， the better the evaporation inhibition effect. Considering the economy and utilization rate， the effect of inhibiting soil water evaporation is optimal when the covered gravel is 10-15 cm. （3） The smaller the particle size of covered gravel， the better the evaporation inhibition. Considering the water holding capacity and the economy of sampling， it is most suitable to cover the soil with sand and gravel with diameter of 20-50 mm. （4） The age of covered gravel is different， the evaporation and water content of soil are also different. The soil moisture content is the highest in covered gravel for 3 years， and the soil water content decreases with the age of covered gravel not less than 5 years . （5） Quadratic regression fitting model can better simulate and predict soil evaporation under different gravel mulches. The regression fitting degree R2 is greater than 0.98.

Key words： Watermelon; Gravel covering; Thickness; Particle size; Evaporation; Regression fitting

压砂覆盖是用砾石或卵石覆盖在土壤表面的一种旱田农业耕作技术。在土壤表面覆盖砂石有抑制土壤水分蒸发、蓄水、抑制土壤盐碱化、抗风蚀等作用。陈年来等[1]研究发现，干旱地区覆盖砂石对改善土壤环境、抑制蒸发、提高农作物品质效果显著。Ma等[2]研究发现，砂子和砾石混合覆盖更有利于保持土壤水分，在一定范围内，覆盖厚度越大，保持土壤水分效果越好。原翠萍等[3]研究了砂石覆盖粒径对土壤蒸发的影响，发现覆盖砂石粒径与蒸发抑制密切相关，粒径越大，抑制蒸发的能力越低。关红杰等[4]研究了砂石覆盖厚度和粒径对土壤水分蒸发的影响，发现覆盖砂石粒径在2.5～40.0 mm范围内，砂石粒径越大，对水分蒸发的抑制作用越小。周约等[5]研究了不同类型砾石的形状、颜色对土壤水分蒸发的影响，发现覆盖规则砾石对土壤水分蒸发的抑制效果比不规则的好。陈士輝等[6]研究了砂田西瓜不同粒径砾石覆盖的水分效应，发现覆盖粒径2.0～5.0 mm砾石的土壤水分生产率显著高于覆盖粒径20.0～60.0 mm砾石的土壤。马国飞等[7]研究了宁夏压砂地土壤水分动态及消耗规律，发现不同年限的压砂农田土壤水分存在一定差异。大部分学者研究了砂砾石覆盖土壤的水分效应，覆盖砂石能明显抑制土壤水分蒸发。但对干旱地区瓜田不同压砂覆盖对蒸发的影响缺乏定量分析，对蒸发量随时间变化的回归拟合模型少有研究。笔者以宁夏干旱地区瓜田为研究对象，研究土壤表层裸露与覆盖砾石、覆盖砾石厚度、覆盖砾石粒径、覆盖砾石年限对蒸发量的影响，对不同覆盖条件下土壤累积蒸发量进行对比分析，建立回归拟合模型预测干旱区瓜田累积蒸发量随时间变化的趋势。

1 材料与方法

1.1 材料及试验地概况

试验地位于宁夏中宁县鸣沙镇硒砂西瓜种植区，地处宁夏中部，属温带大陆性干旱半干旱气候，干旱少雨，水资源匮乏，日照时间长，昼夜温差大。全年日照长2 883～3 019 h，夏季日照每天长13～14 h。平均日温差为13～14 ℃，年平均温度9.5 ℃，降水主要集中在7—9月，年降水量为220～350 mm，年平均蒸发量为2 100～3 200 mm，蒸发量远远超出降水量。土壤属于灰钙土、沙壤土，成土母质是黄土。该区域瓜田种植压砂覆盖为砾石、卵石等，取材于黄河及支流的河卵石，砂石资源较为丰富，可就地取材，为压砂瓜田覆盖砂石创造了有利条件，可降低成本。

1.2 试验设计

设置西瓜田裸露与覆盖砾石、覆盖砾石厚度、覆盖砾石粒径、覆盖砾石年限不同等4种设计。设置1：裸露与覆盖砾石处理，压砂覆盖的砾石直径20～30 mm，覆盖砾石厚度约15 cm，比较土壤水分蒸发量。设置2：覆盖的砂石粒径为20～30 mm，覆盖砂石厚度设置了2、5、10、15 cm等4个覆盖厚度处理，比较土壤水分蒸发量。设置3：压砂覆盖厚度均为10 cm，设置了砂石粒径为5～10、10～20、20～30、30～50 mm等4个粒径处理，比较土壤水分蒸发量。设置4：选取了覆盖砂石年限分别是1 a、3 a、5 a的土壤，在西瓜不同生长期，距离土壤表层15 cm处测量并比较土壤含水量。4种设计小区面积均为28.8 m2，行距：80 cm，株距100 cm。组内随机设计，3次重复。西瓜品种为‘金城5号，压砂覆盖前结合整地施农家肥，二氨225 kg·hm-2，尿素70 kg·hm-2。2018年3月下旬进行压砂石覆盖处理试验布置。观测时段为2018年4月10日至8月10日。

1.3 测定方法

土壤含水量采用RS485土壤水分传感器（测量范围：0～100%，精度3%）测量0～60 cm的土壤水分。

土壤蒸发量采用模拟蒸发测量，用土柱、加热、称重等方法[8-9]。把土壤装入土柱（PVC管，内径20 cm，厚0.2 cm，高50 cm）。加热源用200 W灯泡，距离土体上方30 cm处，每次测量时早上9：00开灯加热，下午18：00结束。称重用量程30 kg、精度1 g的电子称称量，土柱每天质量的差值为土壤日蒸发质量E土（kg），将土壤蒸发质量E土（kg）转化为标准的土壤蒸发量E（mm）。

式中E为标准的土壤蒸发量（mm），E土为测量的土壤蒸发量（kg），10为蒸发器半径（cm）。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 19.0对试验数据进行处理及分析。通过采集的数据对土壤水分累积蒸发量进行线性回归、二次多项式回归和乘幂回归拟合。

2 结果与分析

2.1 压砂覆盖厚度对瓜田土壤蒸发量的影响

由图1可以看出，从4月10日至8月10日，裸地累积蒸发量由160 mm增长到1 150 mm，增加了990 mm。而压砂覆盖瓜田的土壤累积蒸发量较为平缓，由90 mm增长到380 mm，累积增加了290 mm。在统计的120 d内，压砂瓜地累积蒸发量只有裸地累积蒸发量的29.3%。

由表1可知，在西瓜的不同生长期表层0～10 cm，裸地的土壤含水量都小于6%。而压砂瓜地的土壤含水量都大于15%。从表层0～10 cm到50～60 cm深度，且每层压砂瓜地土壤含水量都比相同深度裸地土壤含水量高10%左右。尤其在西瓜生长需水量较大的伸蔓期和果实膨大期，每一层压砂瓜地的土壤含水量比裸地的高出12%左右。

由此可见，压砂覆盖瓜田土壤水分蒸发量明显小于裸地蒸发量，压砂覆盖可以明显抑制土壤水分蒸发，有良好的蓄水抗旱性能。

2.2 覆盖砂石厚度对瓜田土壤水分蒸发量的影响

由图2可知，土壤水分累积蒸发量随覆盖砂石厚度的增大而减小。覆盖砂石厚度在2 cm时土壤水分累积蒸发量最大约730 mm;覆盖砾石厚度为5 cm时土壤水分累积蒸发量最大约610 mm。而当覆盖砾石厚度达到10 cm时，土壤水分蒸发量明显减小，最大值约为430 mm;当覆盖厚度达到15 cm时，土壤水分累积蒸发量最大值约为340 mm。由此可见，覆盖层越厚，抑制水分蒸发能力越强。当覆盖砾石厚度为2 cm和5 cm时，从6月份开始受气温上升等影响，土壤水分累积蒸发量增长较快，曲线上升明显，而压砂厚度为10 cm和15 cm时，土壤水分累积蒸发量增长较为缓慢。

2.3 覆盖砂石粒径对瓜田土壤水分蒸发量的影响

由图3可知，覆盖粒径为5～10 mm的小砂石土壤水分累积蒸发量最大约270 mm，覆盖粒径为10～20 mm的砂石土壤水分累积蒸发量最大约305 mm，覆盖粒径为20～30 mm中等粒径砂石的土壤水分累积蒸发量最大约350 mm，而覆盖30～50 mm大粒径砂石的土壤水分累积蒸发量最大约400 mm，由此可见，当覆盖砂石的粒径由小到大变化时，土壤水分累积蒸发量也逐渐增大。覆盖砂石粒径大小不同，会影响土壤水分的蒸发，对土壤的保水效果也明显不同。

2.4 覆盖砂石年限对土壤含水量的影响

由图4可知，裸地的土壤含水量均小于6%，覆蓋1 a砂石的土壤含水量比裸地高10%～12%，覆盖3 a的土壤含水量比裸地高16%～20%，覆盖5 a的土壤含水量比裸地高5%～10%。在覆盖砂石1 a、3 a和5 a的瓜田中，覆盖3年的土壤含水量最高，约为27%，随着压砂年限增加到5 a，土壤含水量又降低，但是比裸地的土壤含水量高。

2.5 不同压砂覆盖与土壤水分累积蒸发量的回归模型

由表2可以看出，裸地、覆盖砂石厚度15 cm和覆盖粒径30～50 mm的土壤水分累积蒸发量线性回归拟合度R2均大于0.98，二次多项式回归拟合度R2均大于0.98，而乘幂回归的拟合度R2均小于0.85。

式（2）中y为累积蒸发量（mm），t为累积时间（d），a、b、c为二次多项式系数。

由图5～7回归拟合曲线可以看出，线性回归曲线和二次多项式回归曲线能较好模拟观测数据值，而乘幂回归曲线偏离观测值。由此可见，线性回归模型和二次多项式回归模型对观测值有较好的擬合度，乘幂模型对观测值拟合度较差。按照回归模型拟合度系数R2越大越优原则，比较3种回归数学模型的拟合度和模拟曲线，二次多项式回归模型能更好地模拟预测不同砂石覆盖下土壤水分累积蒸发量。

3 讨论与结论

在宁夏中部干旱地区，4月份当地最高气温在15 ℃左右，压砂地和裸地累积蒸发量相差较小，而随着日照时间增长及气温的增加，裸地的蒸发量增长很快。在4—8月西瓜生长期，压砂地累积蒸发量的增加只有裸地累积蒸发量增加的29.3%。尤其在西瓜生长的伸蔓期和膨大期，植物的叶片和果实生长需要消耗大量水分，而压砂瓜田的土壤含水量比裸地高出12%左右。由此可见，压砂地土壤水分蒸发量明显小于裸地土壤水分蒸发量，压砂覆盖有良好的蓄水抗旱性能。这与吴宏亮和钟芳等[10-11]的研究结果相同。

冀宏等[12]研究表明，不同覆盖厚度的土壤水分累积蒸发量均表现为 7 cm <5 cm <3 cm <1 cm 。本研究结果表明，覆盖砂石越厚，越能减少土壤水分蒸发，与前人的研究结果一致。当覆盖砂石厚度为2 cm和5 cm时，由于气温上升，累积蒸发量增长较快，而压砂厚度为10 cm和15 cm时，土壤水分累积蒸发量增长较为缓慢。考虑覆盖砂石厚度的经济性和利用率，压砂厚度为10～15 cm时抑制土壤水分蒸发效果最优。

覆盖砂石粒径不同，对水分蒸发量的影响也不同。赵文举等[13]研究覆盖粒径（粗砂、中砂、细砂）为影响因子，发现覆盖细砂抑制蒸发效果最好。本研究结果表明，随着覆盖砂石粒径变大，土壤水分累积蒸发量也逐渐增大，这与前人研究结果相同。从不同粒径砂石取材的经济性考虑，大粒径砂石随地取材无需加工，而粒径5～10 mm的砂石需要再加工。另外，覆盖30～50 mm的砂石比覆盖小粒径5～10 mm的砂石具有较强的抗冲击性，而且雨水易沉淀和渗透，可以有效减少地表径流，防止水土流失。因此从便于取材和水稳性考虑，通常在瓜田用粒径30～50 mm的砂石覆盖于土壤表层，既能抑制土壤水分蒸发，又有良好的持水性和水稳性。

土壤表层覆盖砂石年限不同也影响土壤的蒸发量和含水量。本试验结果发现，在压砂1 a、3 a和5 a的瓜田中，压砂覆盖初期的1～3 a，土壤水分逐年积累有较好的蓄水保水能力，其中压砂覆盖3 a的土壤含水量最高，随着压砂年限增长到5 a，土壤含水量又降低，但是比裸地的土壤含水量高。研究认为，由于覆盖时间增长，砂石自然风化以及作物生产耕作使得土壤中砂石与土的比例发生变化，土壤覆盖层保水性能和耕作层持水性能下降。由于本研究中只选取了覆盖砂石年限为1 a、3 a、5 a的瓜田，并且只测量了土壤含水量，对于覆盖其他年限土壤水分蒸发量的数据未采集测量，因此还需进一步试验和验证。

关于不同压砂覆盖土壤累积蒸发量随时间（累积天数）的数学预测模型，蔡永坤[14]研究表明，累积蒸发量与时间的平方根成正比，即E=αt0.5，其中E为累积蒸发量（mm），α是与土壤性质有关的系数，t是蒸发的时间（天）。周约等[5]研究表明，砂石覆盖处理的累积蒸发量可以用多项式方程表示。笔者对瓜田中裸地、覆盖砂石厚度15 cm和覆盖粒径30～50 mm的累积蒸发量分别进行线性回归拟合、二次多项式回归拟合和乘幂回归拟合，比较3种回归数学模型的拟合度R2和模拟曲线。试验结果表明，二次多项式回归的拟合度R2均大于0.98，二次多项式回归模型能更好地模拟预测不同砂石覆盖下土壤累积蒸发量。该结果与周约等[5]对土壤水分蒸发量模拟的模型较为相似。由于土壤水分的时空稳定性也会受到降雨、有机物质、地表植物、人类活动等的影响，因此累积蒸发量的预测模型还需更多的采集数据和分析，还有待进一步研究。

综上所述，干旱区瓜田压砂覆盖土壤水分蒸发量明显小于裸地水分蒸发量，覆盖砂石的粒径不同、覆盖厚度不同和覆盖砂石的年限不同，对土壤水分蒸发量有不同的影响。建议干旱区瓜田可覆盖厚度为10～15 cm、粒径为30～50 mm的砂石，覆盖砂石年限3 a左右，抑制土壤水分蒸发效果的更优，对旱区瓜田有更好的节水灌溉作用。

参考文献

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