Sustainable Agricultural Water Management Under Changing Environment
· 第五篇 ·
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Cite this article :
Xinyu WANG, Haijing WANG, Xiao LI, Di WANG. Effects of combined drip irrigation and mulching practices on the soil evaporation characteristics in a young apple orchard in arid northwestern China. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(4): 575-588 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024563
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土壤蒸发 (soil evaporation, SE) 是区域水文平衡的关键组成部分，尤其是在干旱地区。中国是世界上苹果种植面积最大的国家，但在滴灌 (drip irrigation, DI) 果园中，覆盖对土壤蒸发动态变化的影响及其控制因素尚不清楚。为了解决这些问题，本研究对两种地膜覆盖处理下的幼龄苹果园的土壤蒸发、气象因子、土壤温度和土壤含水量进行了测量。试验包括三种处理：薄膜覆盖 (film mulching, FM) 和玉米秸秆覆盖 (straw mulching, SM) 以及作为对比的清耕处理 (clean tillage, TL)。结果表明，地膜覆盖显著影响幼龄果园的每日土壤蒸发的动态变化，在FM、SM和TL处理下，平均每日土壤蒸发分别约为1.3±0.5、1.3±0.4和1.7±0.4 mm·d–1。FM和SM处理的每日土壤蒸发没有发现明显差异，而SM处理下120 cm以下四个土层的每日土壤含水量始终大于FM和TL处理。与TL处理相比，FM和SM处理的日SE更易受气象因素的影响。逐步回归分析表明，无论采用哪种处理，幼龄果园的日SE主要受蒸气压差、参考蒸散量和太阳辐射的控制。总体而言，SM是一种可以减少干旱和类似气候地区滴灌条件下幼龄苹果园的非生产性的土壤蒸发并改善土壤含水量的有效覆盖方式。
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苹果树适应各种气候，是全球种植最广泛的水果作物之一。中国已成为世界上最大的苹果生产国，2023年苹果种植面积和总产量均居世界首位。西北地区日照充足、通风良好、日温差大，是中国苹果主产区之一。该地区气候干燥，水资源稀缺，特别是在干旱地区，大多数作物都是通过灌溉种植的。此外，效率低下的灌溉方式和不断变化的气候条件进一步加剧了苹果工业中水资源供需之间的不平衡，特别是在水资源有限的地区。上述因素直接导致了苹果生产的负面效应。因此，干旱地区苹果产业的可持续发展亟需先进的节水技术和科学的水资源管理实践。
滴灌作为一种现代节水灌溉技术，被认为是解决水资源有限地区农业用水与生态用水冲突的一种方法。与蒸腾相比，土壤蒸发在生态系统中具有明显不同的功能：土壤蒸发不直接促进生产，通常被认为是一种不受欢迎的成分。因此，提高对幼龄苹果园土壤蒸发特征的认识，对于选择适当的节水措施和充分开发缺水地区苹果园的生产潜力至关重要。
研究发现，覆盖处理明显影响了幼龄苹果园的土壤蒸发的动态变化。FM、SM和TL处理下幼龄苹果园每日土壤蒸发分别为1.3±0.5、1.3±0.4和1.7±0.4 mm·d–1，这表明覆膜显著降低了非生产性的水分流失量。土壤蒸发主要是非生物过程的结果，并受气象因子、冠层遮阳和土壤含水量的共同影响。三种处理均在同一果园进行，处理间气象变量和冠层特征的差异可忽略不计。近地面辐射、风况和温度的变化对控制土壤蒸发非常重要，不同的处理可能导致这些变量的特征不同，从而导致日土壤蒸发的差异。研究发现，不同处理土壤剖面每日土壤温度 (土壤含水量) 存在差异，不同土层每日土壤温度与每日土壤蒸发呈显著正相关。SM处理持续降低了幼龄果园不同土层的日温度，这可能是玉米秸秆较厚的隔离层导致的，这有助于调节研究期间地表温度的太阳反射率、导热系数和温度耗散。
FM与SM处理每日土壤蒸发差异不显著，这与过去其它人的研究结果相似，以往的研究表明，与不覆盖相比，覆盖提高了旱地耕地的水和氮的利用效率。这可能与覆盖管理、土壤质地和气候条件对土壤蒸发变化的影响有关，覆盖材料的选择和覆盖厚度的设计在很大程度上影响着覆盖层的粗糙度和对水汽流动的气动阻力。此外，土壤物理参数、导水性和能量输入的变化也会影响土壤蒸发动态变化，在研究期间，上述变量在不同处理之间可能存在差异，这些变量共同影响幼园土壤蒸发动态变化。因此FM和SM处理下幼龄果园每日土壤蒸发的季节变化基本一致。与TL处理相比，FM和SM处理下幼龄果园每日土壤蒸发对气象因子的响应更大。逐步回归分析显示，每日土壤蒸发与主要控制因素的关系在处理间也存在差异，土壤含水量是控制地表和大气之间水和能量平衡过程的重要状态变量。虽然FM和SM处理显著提高了土壤水分含量，特别是在0–30 cm层，但各处理土壤水分含量对每日土壤蒸发变化的影响不大。
土壤蒸发是区域水平衡的重要过程，对农业经营、土壤水分有效性和地下水补给有重要影响。西北地区苹果园种植规模不断扩大，幼龄苹果园非生产性土壤蒸发及其对当地水分平衡的影响应予以重视。因此，应采取适当的农业管理措施，将土壤蒸发转移到植物生产中，提高苹果园的水分利用效率。与TL处理相比，FM和SM处理明显降低了幼龄苹果园土壤蒸发损失，且两处理幼园树高和胸径无显著差异。SM处理的每日土壤含水量均高于FM和TL处理，我们认为SM处理是减少土壤蒸发损失、改善干旱区滴灌条件下幼龄果园土壤水分状况的更优覆盖方式。
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在干旱区薄膜覆盖和秸秆覆盖可显著减少滴灌条件下幼龄苹果园土壤蒸发损失，而薄膜覆盖和秸秆覆盖间苹果园每日土壤蒸发则没有显著差异。与清耕处理相比，薄膜覆盖和秸秆覆盖幼龄苹果园每日土壤蒸发对气象因素的响应更加敏感。秸秆覆盖苹果园0–120 cm土壤剖面每日土壤含水量总是高于薄膜覆盖和清耕处理，而各处理不同土层每日土壤蒸发和土壤含水量间没有显著关系。研究结果强调了不同覆盖处理间土壤蒸发动态变化和土壤水分状况的显著差异。因此，在为该区滴灌条件幼龄苹果园选择适当的覆盖措施时建议考虑秸秆覆盖。未来，将土壤蒸发与含水量的估算及蒸腾作用和水分利用效率的测量相结合，有助于提高我们对干旱及类似气候条件下，滴灌技术与覆盖措施联合应用对幼龄苹果园水分利用特性影响的认识。
供稿 | 王欣宇
编辑 | 唐静月 李云舟
审稿 | 许建香
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