鐘 哲，賈志峰，3，王 智，3，4，5，盧玉東，3，任 濤，陳 瑾，王小平

(1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710054;2.長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054;3.長(zhǎng)安大學(xué)水與發(fā)展研究院，陜西西安710054;4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100;5.美國(guó)加利福尼亞州州立大學(xué)弗雷斯諾分校地球與環(huán)境科學(xué)系，美國(guó)加州弗雷斯諾93740;6.甘肅省定西市水土保持科學(xué)研究所，甘肅定西743000)

隴中半干旱地區(qū)為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，該地區(qū)降雨量少，日照和蒸發(fā)強(qiáng)度大，地下水位埋藏較深，導(dǎo)致農(nóng)作物在生育期內(nèi)缺少水分，成為旱作農(nóng)業(yè)遭受旱災(zāi)的主要原因［1-3］。新型壟膜溝植技術(shù)能顯著改善土壤水分分布條件，抑制土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，緩解因降水時(shí)空分布不均而引起的干旱風(fēng)險(xiǎn)［4-7］。王亞宏等［8］基于隴中半干旱地區(qū)的大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溝壟和覆蓋處理可有效規(guī)避作物生長(zhǎng)發(fā)育期由于降雨少且分布不均引起的干旱風(fēng)險(xiǎn)，確保作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。馬忠明等［9］基于大田對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)起壟覆膜具有很好的集雨作用，可提高旱區(qū)作物生長(zhǎng)前期土壤水分，加快作物生長(zhǎng)。吳賢忠等［10］發(fā)現(xiàn)黑膜覆蓋有利于提高土壤表層水分，保墑增溫，延長(zhǎng)作物生產(chǎn)時(shí)間。侯慧芝等［11］研究表明，全膜覆蓋、壟溝種植能顯著提高馬鈴薯生育期的土壤水分和溫度。謝軍紅等［12］認(rèn)為全膜雙壟溝播具有明顯的增產(chǎn)增收效果和提高水分利用效率的作用，是理想的玉米種植模式。但隨著地膜使用量的增加和使用范圍的擴(kuò)大，農(nóng)田殘膜污染變得越來(lái)越嚴(yán)重［13］，因此在地膜上再覆蓋耐用性較強(qiáng)的防草地布形成地布-地膜雙重覆蓋，既緩解了地膜碎片化又保持了其抑蒸保墑作用［14］。以往關(guān)于起壟覆膜的研究雖然較多，但大多數(shù)是采用雙壟溝全膜覆蓋技術(shù)［15-16］，即兩邊的壟與中間的溝皆用地膜覆蓋，其缺點(diǎn)是地膜的年終碎片化嚴(yán)重，可能污染土壤，且不可重新使用，重復(fù)勞動(dòng)量大。本研究在雙壟溝全膜覆蓋技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)有防草地布加地膜覆壟(MB)、防草地布覆壟(DB)和裸地起壟(CK)3種不同處理，并對(duì)各處理的土壤水分、水勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，旨在探究干旱半干旱區(qū)地布替代地膜覆蓋的有效性和可行性，為旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)的改進(jìn)提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)和試驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)在甘肅省定西市水土保持科學(xué)研究所安家溝試驗(yàn)站氣象園外開(kāi)展。安家溝試驗(yàn)站(35°33＇N，104°38＇E)位于定西市城區(qū)東側(cè)，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅴ副區(qū)。該地海拔1 973 m，無(wú)霜期 152 d，年平均氣溫 6.8℃，年內(nèi)溫差較大(-24.4℃～36.2℃)，年平均降雨量427 mm，降雨主要集中在7—9月，并多以暴雨形式出現(xiàn)，多年平均潛在蒸騰蒸發(fā)量高達(dá)1 510 mm，屬于中溫帶半干旱氣候區(qū)［17］。試驗(yàn)區(qū)土壤類型以黃綿土和溝道鹽漬土為主，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，機(jī)械組成為粘粒(＜0.002 mm)占 8.8%，粉粒(0.002～0.05 mm)占79.6%，砂粒(0.05～2 mm)占11.6%，無(wú)礫石(2～76 mm)，0～2 m 土壤容重為 1.09～1.36 g·cm-3，平均容重為1.2 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)含量介于0.37%～1.34%之間［18］，土壤孔隙率平均約55%，田間持水量(體積含水率)為27.5%，地下水埋深超過(guò)50 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)收集

試驗(yàn)布設(shè)于水平階地上，無(wú)作物種植，試驗(yàn)小區(qū)面積為14 m2(長(zhǎng)4 m×寬3.5 m)，在試驗(yàn)地中起2組規(guī)格相同的微壟，長(zhǎng)300 cm，寬60 cm，高20 cm，壟溝寬40 cm，采用雙壟地布覆蓋處理，即在兩側(cè)雙壟上進(jìn)行地布覆蓋，而壟溝區(qū)不覆蓋以利耕作。這種利用田間微地形和覆蓋相結(jié)合的集水保水措施，可有效提高對(duì)自然降雨的利用率［19］，微壟最前端0～1 m長(zhǎng)度設(shè)有防草地布加地膜覆壟(MB)(地膜在下，防草地布在上)，1～2 m長(zhǎng)度段設(shè)有防草地布覆壟(DB)，2～3 m長(zhǎng)度段設(shè)有無(wú)覆蓋的裸地壟(CK)作為對(duì)照，區(qū)段間無(wú)隔離層，以防擾動(dòng)土壤，容許土壤水分自由運(yùn)動(dòng)，具體布置如圖1所示。

在壟溝內(nèi)縱橫向中心位置埋設(shè)土壤水分、水勢(shì)監(jiān)測(cè)儀器，故各處理監(jiān)測(cè)儀器間間隔最大，為100 cm，可最大程度減少區(qū)段間的邊際效應(yīng)。監(jiān)測(cè)儀器均由美國(guó)Decagon公司生產(chǎn)，主要儀器安裝方式和參數(shù)如下:

(1)MB組在地面以下5 cm和15 cm處埋設(shè)土壤水勢(shì)傳感器(MPS-2);DB組在地下5 cm和15 cm處埋設(shè)土壤水分傳感器(GS3)，15 cm處增設(shè)土壤水勢(shì)傳感器(MPS-2);CK組在地下5 cm和15 cm處埋設(shè)土壤水分傳感器(GS3)。其中GS3土壤水分傳感器測(cè)量范圍為 0～100%VWC，精度為±3%，MPS-2土壤水勢(shì)傳感器測(cè)量范圍為-10～-500 kPa，精度為±25%，土壤溫度精度為±1℃。

(2)地面以上200 cm處架設(shè)有雨量計(jì)(ECRN-100)，進(jìn)行降雨監(jiān)測(cè)，精度為±0.2 mm;地面以上20 cm處安裝有大氣溫濕度儀(VP-3)和葉面露水儀(LWS)，可進(jìn)行大氣溫濕度和露水的監(jiān)測(cè)，大氣濕度測(cè)量精度為±2%，溫度精度為±1℃，露水儀精度為±0.02 mm。

上述所有儀器均通過(guò)數(shù)據(jù)采集器(EM50)自動(dòng)采集［20］，采集間隔為30 min，測(cè)量時(shí)間為2017年8月7日—2018年8月6日。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 土壤儲(chǔ)水量 土壤儲(chǔ)水量能很好地反映土壤水庫(kù)的持水能力，對(duì)土壤含水量的變化情況也有較好的體現(xiàn)，其計(jì)算公式［10］如下:

式中，W為土壤儲(chǔ)水量(mm)，H為土壤深度(cm)，θ為土壤體積含水率(cm3·cm-3)。

任何時(shí)段的土壤儲(chǔ)水變化量為

式中，ΔW為土壤儲(chǔ)水變化量，W末為時(shí)段末期儲(chǔ)水量(mm)，W初為時(shí)段初期儲(chǔ)水量(mm)。

1.3.2 露水量計(jì)算 露水量采用葉面露水儀(LWS)傳感器采集的數(shù)據(jù)(電壓)與露水量的轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行計(jì)算［20］，公式如下:

式中，Wdi為i時(shí)段實(shí)測(cè)露水值(mm);xi為露水傳感器測(cè)量i時(shí)段內(nèi)的原始電壓值(最低臨界值為447 mV)。

1.3.3 雨水保存率 對(duì)于無(wú)作物灌溉和地下水補(bǔ)給的集雨農(nóng)業(yè)，農(nóng)田雨水保存率［21］采用以下公式:

式中，K為雨水保存率(%)，U為滲入并保存在土壤中的水量(mm)，R為農(nóng)田接收的自然降水量(mm)，K的取值范圍為0～100%，K值越大，農(nóng)田雨水保存率越高。

1.3.4 土壤水分特征曲線 為了便于分析土壤水分的變化特征，需將MB組地面以下5、15 cm處以及DB組5 cm處的土壤水勢(shì)轉(zhuǎn)化為土壤水分。本試驗(yàn)中DB組15 cm處安裝有土壤水勢(shì)和水分傳感器，基于該組數(shù)據(jù)得到土壤水分特征曲線［22］(圖2)，計(jì)算如下:

土壤水勢(shì)傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)單位換算:

式中，P為水勢(shì)傳感器測(cè)量值(kPa)，γ=9.8 kN·m-3，h為土壤基質(zhì)式(cm)，得到土壤體積含水量與基質(zhì)勢(shì)的關(guān)系。

采用Van Genuchten模型［23］擬合土壤水分特征曲線，公式如下:

式中，θ為含水量;θr為殘余含水量;θs為飽和含水量;α、n、m為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

對(duì) θr、θs、α，n參數(shù)采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，如圖 2 所示，得到 θr=0.0329，θs=0.4873，α=0.1043，n=1.77，m=0.565，歸一化均方根NRMSD=0.06，吻合度較好。

圖2 土壤水分特征曲線Fig.2 Soil moisture characteristics curve

1.3.5 資料統(tǒng)計(jì)與分析 利用Microsoft Excel 2010與SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)，采用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層土壤水分日變化特征

由于冬季溫度較低，表層土壤水分凍結(jié)，土壤水分傳感器僅能夠測(cè)量土壤非凍結(jié)含水量，故本文僅選取春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)3個(gè)季節(jié)的平均值，分析地表以下5、15 cm處土壤水分日變化過(guò)程(圖3)。由圖3可知，各季節(jié)日平均土壤水分變化受不同覆壟處理和季節(jié)影響顯著，在5 cm土層變化劇烈，15 cm土層變化平緩;各處理0～20 cm土層土壤儲(chǔ)水量變化趨勢(shì)與地表以下5 cm處土壤水分變化基本一致，呈輕微波形變化。MB處理的土壤含水率變化為00∶00～10∶00下降，10∶00～16∶00上升，16∶00～24∶00下降，日變化呈“余弦”波形;而DB處理和CK處理的土壤含水率變化為00∶00～07∶00上升，07∶00～15∶30下降，15 ∶30～24∶00上升，呈“正弦”波形;此外0～20 cm土層土壤儲(chǔ)水量日變化亦受季節(jié)影響顯著，日變化幅度為夏季最大(1.20 mm·d-1)、春季次之(1.03 mm·d-1)、秋季最小(0.79 mm·d-1)，不同季節(jié)的日儲(chǔ)水量均值為秋季最大(39.11 mm·d-1)、夏季次之(35.03 mm·d-1)、春季最小(31.27 mm·d-1)。

上述表層土壤水分的日變化是復(fù)雜多變的水分運(yùn)移耦合結(jié)果，土壤水分來(lái)源主要是降雨入滲、地下水輸送和對(duì)氣態(tài)水的凝結(jié)及吸附作用［25］。考慮到試驗(yàn)區(qū)地下水位埋藏較深，故此地土壤水分主要源自降雨入滲和氣態(tài)水的凝結(jié)，而水分輸出主要是隨時(shí)空變化的土壤蒸發(fā)。針對(duì)3種不同處理?xiàng)l件，MB覆壟的土壤水分日變化表現(xiàn)為白天增加夜間減少，白天水分增加的原因是地表接收太陽(yáng)輻射并吸收熱量，造成地表溫度高于氣溫與較深層的地溫，在地表下0～5 cm處形成發(fā)散型熱量零通量面，水汽在溫度梯度作用下向溫度低的界面運(yùn)移，造成5 cm土層水分增加，而DB覆壟和CK土壟則因?yàn)闊o(wú)地膜覆蓋，溫度梯度作用要小于MB覆壟，并且此時(shí)兩者水分大，故蒸發(fā)強(qiáng)度也大，因此造成5 cm土層水分減少;到了晚間地表放出長(zhǎng)波輻射而迅速降溫，在溫度梯度作用下，深層土壤水汽流向地表，空氣中的水汽也在地表凝結(jié)，形成露水［24］(圖4)。因此DB覆壟和CK土壟5 cm土層水分增加，但MB覆壟由于地膜的覆蓋，隔絕了土壟與大氣的接觸，兩側(cè)微壟的水勢(shì)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壟溝處，壟溝處的水汽橫向補(bǔ)給兩側(cè)微壟，導(dǎo)致MB覆壟5 cm土層水分減小。覆壟處理下0～20 cm土壤儲(chǔ)水量日變化幅度均高于CK處理，這是因?yàn)閴派细采w黑色薄膜和黑色防草地布均能夠吸收熱量致使覆蓋處理下表層土壤溫度高于CK處理，加大蒸發(fā)強(qiáng)度，導(dǎo)致覆壟處理在無(wú)降雨情況下壟溝處水分損失大于CK處理。

圖3 表層0～20 cm土層土壤水分季節(jié)日平均值變化Fig.3 Season-average diurnal variation of surface 0～20 cm layer soil moisture

圖4 不同季節(jié)平均每日每時(shí)露水量的變化Fig.4 Changes of average daily and hourly dew amount in different seasons

2.2 土壤水分的年變化特征

圖5 裸地(CK)水文變化過(guò)程Fig.5 Hydrological processes in the bare soil(CK)

隴中半干旱區(qū)降雨分布不均，蒸發(fā)強(qiáng)度大，地下水位埋深大，土壤干濕季節(jié)分明，年變化特征表現(xiàn)為干—濕—干的特點(diǎn)［25］。以CK處理為例，地表下5、15 cm土層土壤水分年變化特征見(jiàn)圖5(a)。由圖5(a)可知，5 cm處土壤含水率變化范圍為8.9%～32.5%，年變幅為23.6%，年平均土壤含水率為17.4%，15 cm處土壤含水率變化范圍為3.7%～23.8%，年變幅為 20.1%，年平均土壤含水率為12.8%，5 cm處土壤含水率年變幅均高于15 cm處，峰值出現(xiàn)在7月初和8月底，低谷出現(xiàn)在12月—翌年2月份，與年降雨分布相符。由圖5(b)可知，在時(shí)空分布上，露水與降雨高度互補(bǔ)，露水只發(fā)生在晴朗無(wú)云的夜晚，就年周期而言，露水與降雨一樣主要發(fā)生在6—10月，露水量雖然遠(yuǎn)小于降雨量，但露水凝結(jié)具有發(fā)生頻率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)［26］，對(duì)于缺水的半干旱地區(qū)同樣有著重要作用。根據(jù)年降雨和露水凝結(jié)的分布特點(diǎn)將一年劃分為損失期(11月至次年2月)、過(guò)渡期(3—5月)、補(bǔ)充期(6—10月)3個(gè)時(shí)期圖5(c)。損失期在冬季，溫度低、降雨少，露水量小，表層土壤含水率較低，含水率變化幅度低，但蒸發(fā)損失大［27］，地下5 cm和15 cm處的平均含水率分別為11.1%和4.5%，15 cm處土壤干化程度大于5 cm處;過(guò)渡期降雨有所增加，露水量略有上升，但溫度也開(kāi)始回升，蒸發(fā)強(qiáng)度增大，地下5 cm和15 cm處均出現(xiàn)土壤水分損失的情況，土壤含水率分別下降了11.5%和11.7%，這一時(shí)期的降雨量較小，無(wú)法完全補(bǔ)充蒸發(fā)造成的水分損失，導(dǎo)致了降雨量雖然增加但土壤含水率卻降低的情況;補(bǔ)充期雖然溫度高、蒸發(fā)強(qiáng)烈，但降雨量大，露水量也大，因此地下5 cm和15 cm處土壤含水率都有顯著增加，平均土壤含水率分別為23.7%和16.6%，變化幅度分別為23.2%和22.6%，5 cm處土壤含水率要高于15 cm處，變化幅度相差不大。

通過(guò)對(duì)比不同覆蓋處理?xiàng)l件下各時(shí)期0～20 cm土層的土壤儲(chǔ)水量變化(圖6)發(fā)現(xiàn)，雙壟不同地布覆蓋處理對(duì)表層土壤水分的儲(chǔ)存具有顯著影響，損失期各處理的土壤水分均出現(xiàn)了一定程度的損失，分別為DB 10.2 mm、MB 16.1 mm和CK 4.9 mm，覆壟處理?yè)p失的水分要高于CK處理;過(guò)渡期DB和MB兩種覆壟處理的土壤儲(chǔ)水量分別增加了4.4 mm和8.8 mm，CK處理反而減少了7.3 mm;補(bǔ)充期時(shí)各處理的土壤儲(chǔ)水量都有大幅度提升，其中DB處理的儲(chǔ)水量增量最大，為30.7 mm，MB處理次之，增加了28.8 mm，CK處理增加量最少，為23.6 mm。全年水分凈收獲總量為DB最大(24.9 mm)、MB略低(21.5 mm)、CK最小(11.4 mm)。以上分析表明，損失期不同處理土壤水分損失的主要原因是該時(shí)段降雨量小，而地膜和地布覆壟處理能吸收更多的熱量，與CK處理相比，表層土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)度更大;過(guò)渡期覆壟處理的土壤儲(chǔ)水量都有所增加，而CK處理卻減少，這是因?yàn)榈啬さ夭几矇拍芎芎檬占⒘拷涤旰吐端?，集中匯至壟溝處，入滲到土壤中，減少土壟對(duì)水分的吸收以及無(wú)效蒸發(fā)，同時(shí)，雖然降雨量有所增加，但溫度回升，蒸發(fā)強(qiáng)度也逐漸增大，對(duì)于CK處理，這一時(shí)期的降雨補(bǔ)給不能滿足其蒸發(fā)所消耗的水分，土壤儲(chǔ)水量減小;補(bǔ)充期大量的降雨使得3組處理的土壤儲(chǔ)水量都出現(xiàn)大幅度上升，不過(guò)該時(shí)期的溫度也是全年最高的，蒸發(fā)強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他時(shí)期，而地布和地膜的覆蓋能起到抑蒸保濕作用，將壟上收集的水分補(bǔ)給到壟溝處，同時(shí)覆壟相較于土壟具有更加高效的集水能力，水分集中匯集到壟溝處，滲入土壤中，減少土壟對(duì)水分的吸收以及無(wú)效蒸發(fā)，導(dǎo)致覆壟處理土壤儲(chǔ)水增量明顯高于CK處理。綜上所述，表層土壤含水率變化與降雨量、露水量密切相關(guān)，5 cm處的土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)要高于15 cm處;不同覆壟處理對(duì)土壤水分的年變化特征有著顯著影響，損失期覆壟處理相較于CK處理，壟溝處表層土壤水分干化更加嚴(yán)重;過(guò)渡期覆壟處理具有抑蒸保濕作用，有助于土壤儲(chǔ)水，減少無(wú)效蒸發(fā);補(bǔ)充期地布覆蓋具有很好的集水效果，可以有效地促進(jìn)降水匯集到壟溝處，入滲到土壤中，增加土壤儲(chǔ)水量。

圖6 各時(shí)期土壤表層儲(chǔ)水量變化Fig.6 Changes of surface soil water storage in each period

2.3 不同處理對(duì)降雨疊加效應(yīng)的影響

降雨作為半干旱區(qū)土壤主要的水分補(bǔ)給來(lái)源，對(duì)旱區(qū)農(nóng)作有著重要意義，因此如何能更加高效集中降雨，減少其無(wú)效蒸發(fā)，對(duì)半干旱區(qū)旱情的緩解具有重要意義。選取三天典型降雨過(guò)程(8月27日—8月29日)，分析降雨前后壟溝中心0～20 cm土層的土壤儲(chǔ)水量動(dòng)態(tài)變化情況(圖7)，定量分析起壟覆蓋對(duì)土壤雨水保存率的影響。

圖7 降雨前后表層土壤儲(chǔ)水量變化Fig.7 Changes of surface soil water storage before and after a group of rainfall events

如圖7所示，該典型降雨過(guò)程中共發(fā)生了兩次大型的連續(xù)性降雨，降雨量分別為20 mm和31.4 mm，第一次降雨后，0～20 cm土層土壤儲(chǔ)水增量大小表現(xiàn)為 MB(17.9 mm)＞DB(15.9 mm)＞CK(12.3 mm)，雨水保存率為 MB最高(89.5%)、DB略低(79.5%)、CK 最小(61.5%);第二次降雨后，0～20 cm土層土壤儲(chǔ)水增量大小表現(xiàn)為MB(10 mm)＞DB(6.3 mm)＞CK(5.5 mm)，雨水保存率為 MB最高(31.8%)、DB 略低(20.1%)、CK 最小(17.5%)。以上數(shù)據(jù)表明，兩次降雨后覆壟處理的土壤儲(chǔ)水增量均高于CK處理，差異顯著(P＜0.05)，地布地膜覆蓋隔離了土壟和降雨的接觸，使降雨更多地匯集至壟溝處，減少水分損失。另外對(duì)比兩次降雨前后發(fā)現(xiàn)，雖然第二次的降雨量要大于第一次，但第一次降雨各組儲(chǔ)水增量卻高于第二次降雨，主要原因?yàn)榈谝淮谓涤曛率贡韺油寥浪纸咏柡?，第二次降雨則主要以下滲為主，導(dǎo)致土壤儲(chǔ)水量增加幅度小。覆壟處理在第一次降雨后的儲(chǔ)水量較CK處理更早到達(dá)峰值，第二次降雨后則無(wú)明顯提前，說(shuō)明土壤儲(chǔ)水量對(duì)降雨的響應(yīng)存在一定的滯后性，而覆壟處理能減弱這種滯后性，因?yàn)榈夭几采w隔離了土壟與降雨的接觸而減小了土壟對(duì)降雨的吸收，更快形成徑流，雨水能更加高效地匯集壟溝，入滲至土壤中，第二次降雨發(fā)生時(shí)由于第一次降雨雨滴的沖濺作用，土壟上的土壤結(jié)皮逐漸形成，因此第二次降雨后覆壟處理和CK處理土壤儲(chǔ)水量達(dá)到峰值的時(shí)間基本一致。綜上所述，雙壟覆蓋處理具有很好的集雨效果，雨水保存率表現(xiàn)為MB最高、DB略低、CK最小，在連續(xù)的降雨過(guò)程中，降雨后期土壤儲(chǔ)水增量小于前期，地布覆蓋能減弱土壟對(duì)降雨響應(yīng)的滯后性，在連續(xù)降雨的后期土壟會(huì)形成土壤結(jié)皮［28］，在集雨與聚水方面具有和地布覆壟類似的功能。

3 討 論

本研究結(jié)果表明，表層土壤水分日變化受不同覆壟處理影響顯著，其中MB覆壟5 cm土層土壤水分變化呈輕微“余弦”波形變化，與李德帥等［25］在隴中黃土高原觀測(cè)結(jié)果一致，而DB覆壟和CK土壟呈輕微“正弦”波形變化，這一變化規(guī)律與張靜等［29］在沙壟丘間低地(無(wú)結(jié)皮覆蓋)觀測(cè)結(jié)果一致，這是不同季節(jié)降雨、結(jié)露、土壤溫度梯度和土壤水分蒸發(fā)速率等時(shí)空耦合的結(jié)果。此外土壤儲(chǔ)水量日變化幅度受季節(jié)影響顯著，具體表現(xiàn)為夏季最大(1.20 mm·d-1)、春季次之(1.03 mm·d-1)、秋季最小(0.79 mm·d-1)，全年凈水分收獲總量為DB最大(24.9 mm)、MB略低(21.5 mm)、CK最小(11.4 mm)，夏季由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，溫度高，蒸發(fā)強(qiáng)度大，導(dǎo)致土壤儲(chǔ)水量日變化幅度要顯著大于其他季節(jié)，而覆蓋處理會(huì)促進(jìn)土壤對(duì)熱量的吸收，使土壤蒸發(fā)強(qiáng)度高于CK處理，導(dǎo)致水分損失要大于CK處理。

表層土壤水分年變化主要受降雨和露水影響，各季節(jié)表層土壤含水率大小表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季;冬季時(shí)，覆壟處理導(dǎo)致5 cm土層處的土壤干化程度略高于裸地處理，但在作物種植的春、夏季節(jié)，覆壟處理土壤儲(chǔ)水增量則顯著高于CK處理，這與王亞宏［8］等的研究存在差異，主要是因?yàn)樵谝酝难芯恐型寥浪直O(jiān)測(cè)的傳感器埋設(shè)于壟對(duì)應(yīng)土層中，而本文是將傳感器埋設(shè)于壟溝處。

本試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，膜布的覆蓋可以更加高效地實(shí)現(xiàn)降雨疊加，增加土壤儲(chǔ)水量，減少水分的散失［30-33］。不同覆蓋處理下土壤的雨水保存率表現(xiàn)為MB最高、DB次之、CK最低，在連續(xù)降雨過(guò)程中，降雨后期表層土壤水分接近飽和，土壤水分向深層入滲，淺層土壤儲(chǔ)水增量減少，這與吳賢忠等［10］結(jié)果一致。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)地布覆壟能減弱土壤儲(chǔ)水量對(duì)降雨響應(yīng)的滯后性，降雨過(guò)程中覆蓋處理下土壤儲(chǔ)水量的增長(zhǎng)基本與降雨時(shí)段一致，而CK處理在第一次降雨時(shí)對(duì)降雨的響應(yīng)具有明顯的滯后性;但在連續(xù)降雨后，CK處理土壤儲(chǔ)水量變化也與覆壟處理同步，滯后性有所減弱，這是由于在降雨后期土壟會(huì)形成土壤結(jié)皮，在集雨與聚水方面具有覆壟類似的功能［28］。

使用防草地布覆壟代替地膜覆壟，其優(yōu)缺點(diǎn)比較如下:防草地布又稱為園藝地布、地面防護(hù)膜等，是由聚丙烯或聚乙烯材料編織而成的一種布狀材料，具有拉力強(qiáng)、耐摩擦、抗老化、抗紫外線、耐腐蝕、無(wú)毒無(wú)味等特點(diǎn)，可有效抑制雜草生長(zhǎng)［34］。無(wú)降水條件下，地面以下5、20 cm和40 cm土層在地膜、防草地布覆蓋下土壤含水量與裸地相比，均能提高13%～15%，兩者保墑效果相當(dāng)［35］，但防草地布覆蓋可以有效控制雜草而且可以多年使用。防草地布的厚度是普通地膜的5倍，牢固耐用，露地使用可達(dá)5～10 a，且其韌性好，不變形不褪色，收放方便，環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)小，滲水性好，水分可滲入土壤，可長(zhǎng)期控制雜草［36］。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，每年每畝農(nóng)田鋪設(shè)地膜的成本為636元，假設(shè)防草地布的使用年限為5 a，則地膜年均使用成本是防草地布的4.5倍。防草地布初始材料成本投資較大，但其使用年限長(zhǎng)，一次鋪設(shè)、多年受益，用途廣泛，價(jià)格逐年下降，相比地膜可節(jié)省大量的人力消耗，具有省工節(jié)本、生產(chǎn)高效等優(yōu)勢(shì)。

綜合而言，無(wú)降雨條件下地布覆壟對(duì)應(yīng)的壟溝土壤水分的蒸發(fā)強(qiáng)度要略高于CK處理，但在壟溝集雨儲(chǔ)水方面，地布覆壟具有很好的效果，覆壟處理相較于CK處理更能促進(jìn)土壤對(duì)水分的吸收和保存。在作物生育期內(nèi)(5—9月)覆壟土壤儲(chǔ)水凈增量MB(30.73 mm)、DB(36.35 mm)，分別較裸地壟(16.3 mm)增多14.43 mm和20.05 mm。因此地膜或地布覆壟對(duì)緩解半干旱區(qū)因降雨分布不均而導(dǎo)致的干旱險(xiǎn)情具有很好的效果，并且通過(guò)對(duì)比防草地布與地膜的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮環(huán)境污染以及經(jīng)濟(jì)效益等方面，初步認(rèn)為隴中半干旱區(qū)可直接使用防草地布覆壟(也可覆溝)，無(wú)需地膜下墊。

另外，本試驗(yàn)是在溝內(nèi)無(wú)作物條件下進(jìn)行的，有作物時(shí)由于葉面遮陽(yáng)且攔截飛濺水滴，土面和大氣無(wú)效蒸發(fā)會(huì)減小，更有利于雨露疊加和植物有效利用。

4 結(jié) 論

通過(guò)為期一年的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)防草地布加地膜覆壟(MB)、防草地布覆壟(DB)和裸地起壟(CK)3種處理的儲(chǔ)水利用效果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明:

1)表層土壤水分日變化受不同覆壟處理影響顯著，其中MB覆壟5 cm土層水分變化呈輕微“余弦”波形變化，而DB覆壟和CK土壟呈輕微“正弦”波形變化，這是不同季節(jié)降雨、結(jié)露、土壤溫度梯度和土壤水分蒸發(fā)速率等時(shí)空耦合的結(jié)果。

2)表層土壤水分的年內(nèi)變化主要受降雨和露水的影響，特征表現(xiàn)為春冬干、夏秋濕的特點(diǎn)，在11月至翌年2月覆壟處理土壤損失的水分要高于裸地處理，而在作物生育期內(nèi)(5—9月)地布覆壟處理的土壤儲(chǔ)水凈增量(36.35 mm)較裸地處理(16.3 mm)多20.05 mm。

3)覆壟處理能增加雨水的入滲量和儲(chǔ)存量，而土壟對(duì)降雨的入滲具有滯后性，但隨著連續(xù)降雨的發(fā)生，滯后性逐漸減弱。

4)0～20 cm土層的土壤儲(chǔ)水量日變化幅度受季節(jié)和地布覆蓋措施影響顯著，具體表現(xiàn)為夏季最大(1.20 mm·d-1)、春季略低(1.03 mm·d-1)、秋季最小(0.79 mm·d-1)，全年凈水分收獲總量為DB最大(24.9 mm)，MB略低(21.5 mm)，CK最小(11.4 mm)。據(jù)此，隴中半干旱區(qū)可直接使用防草地布覆壟(也可覆溝)，無(wú)需地膜下墊。防草地布耐久性好，可多年使用。

致謝:感謝長(zhǎng)安大學(xué)研究生院、長(zhǎng)安大學(xué)水與發(fā)展研究院、西北農(nóng)林科技大學(xué)和定西市水土保持科學(xué)研究所對(duì)本試驗(yàn)項(xiàng)目的支持。