椰子叶覆盖还田对半干旱椰子园土壤水热动态的调控效应

《Agricultural Research》：On-Site Recycling of Coconut Leaves as Mulch Modifies Soil Hydrothermal Dynamics in Semiarid Coconut Orchards

　　

在半干旱椰子园中，椰子叶原位还田作为覆盖物可改变土壤水热状况及灌溉用水效率。本研究评估了衰老椰子叶（Cocos nucifera L.）作为覆盖物对巴西半干旱椰子园土壤热状况与水分状况的影响。研究设置五种处理，组合灌溉量与覆盖水平：裸土分别在150和300 L plant?1 day?1灌溉量下，以及每株覆盖15、30或45片椰子叶并在150 L plant?1 day?1灌溉量下。覆盖处理降低了土壤温度的日振幅并延迟了峰值升温，尤其在表层表现显著。然而，覆盖层对灌溉水的截留量相当可观，15、30和45片叶处理分别平均截留48%、54%和60%，且在较低灌溉深度下更为明显。覆盖还改变了土壤水分的空间分布与持续性。中等覆盖水平使土壤剖面中最大比例维持在最优水分范围（0.15–0.22 cm3 cm?3），而较厚覆盖层虽减少了土壤水分消耗，却限制了侧向湿润。总体而言，覆盖处理下的土壤水分消耗（4.2 mm day?1）显著低于裸土（7.9 mm day?1）。结果表明，椰子叶覆盖在半干旱条件下可改善土壤水分保持并缓和土壤温度，但过厚的覆盖层可能降低灌溉效率。因此，优化覆盖水平并与灌溉管理相结合，对于在微灌椰子系统中平衡水分保持与有效土壤湿润至关重要。

半干旱椰子园椰子叶覆盖还田对土壤水热动态与灌溉水利用的调控机制研究解读

一、研究背景与科学问题

在半干旱地区，农业生产的核心挑战在于土壤蒸发损失难以有效控制。巴西半干旱区年降雨量通常低于800 mm，而大气蒸发需求常超过1800–2000 mm，水资源供需矛盾极为突出。在此背景下，灌溉成为维持作物生产力的必要条件，尤其对于椰子（Cocos nucifera L.）这类多年生经济作物而言更是如此。巴西椰子种植集中于东北部半干旱区域，该地区已形成以矮化椰子为主的集约化灌溉生产体系。这类体系每年产生大量衰老叶片，传统上被清除并焚烧，不仅造成养分损失，还加剧温室气体排放。将椰子叶原位还田作为覆盖物，既能促进养分循环与土壤有机碳积累，又有潜力降低灌溉水需求。然而，覆盖物的有效性高度依赖于其厚度特征。较厚覆盖层通常提供更好的隔热与抑蒸效果，但在微喷灌等局部灌溉条件下，可能截留相当比例的灌溉水，减少实际到达土壤表面的水量。这种覆盖—灌溉交互作用所引入的权衡关系，在半干旱条件下尚未得到充分探索。既有研究多聚焦于蒸发控制，对灌溉水分配、土壤湿润格局及土壤剖面水热耦合行为的关注相对有限。研究人员据此提出假设：增加覆盖厚度将增强土壤热缓冲并减少土壤水分消耗，但同时增加灌溉截留并改变土壤湿润格局，进而系统评估不同椰子叶覆盖水平在微喷灌条件下对半干旱椰子园水热动态的影响。

二、研究设计与主要技术方法

本研究在巴西巴伊亚州Rodelas灌溉区的小农户农场开展，属K?ppen分类中的BSh（炎热半干旱）气候。供试土壤为石英砂质新成土（Quartzipsamment），砂含量高、持水能力低。供试矮化椰子树龄12年，株行距8.5 m × 8.5 m。研究设置五种处理：裸土150 L plant^?1 day^?1（0L150）、裸土300 L plant^?1 day^?1（0L300，当地常规灌溉参照）、以及150 L plant^?1 day^?1灌溉量下分别覆盖15、30、45片叶的处理（15L150、30L150、45L150）。衰老叶片切为0.6 m段，分布于树干周围2.5 m半径范围内。主要技术方法包括：其一，土壤温度剖面测定，采用数字温度计于正午时段在0–0.9 m深度范围内分层测温，并布设K型热电偶连接数据采集器进行30 min间隔连续监测，运用正弦模型分析日温振幅与相位变化；其二，灌溉水截留量测定，在邻近相似条件下采用3×3因子设计（覆盖水平×灌溉深度），通过吸水表面（HS）装置在覆盖层上方与下方分别收集灌溉水，计算截留百分比；其三，土壤水分空间分布监测，采用FDR探头（PR2型）沿径向布设5根测管，在0.1–1.0 m深度范围内开展12次监测活动；其四，土壤水分消耗速率测定，在灌溉间隔期（约24 h）内以30 min间隔连续监测土壤含水量，通过线性模型拟合斜率表征消耗速率。

三、主要研究结果

土壤温度动态。 方差分析表明，覆盖水平、土壤深度及其交互作用对正午时段土壤温度均有显著影响（p < 0.01）。仅45叶处理在各深度上一致降低土壤温度，15叶与30叶处理则呈现随深度变化的中间响应。在表层与0.05 m深度，30叶和45叶处理的降温效果优于15叶；在0.10 m深度，所有覆盖处理均较裸土降温且彼此无显著差异；至0.20 m深度差异不再显著。红外测温显示，直接辐射下覆盖物表面温度（最高54.0 °C）显著高于裸土（37.2 °C），而树冠遮阴下覆盖物表面降至34.9 °C，反映干叶低导热性将热量滞留于覆盖层表面。连续监测的正弦模型分析表明，覆盖处理使0.05 m深度日温振幅从裸土的4.2 °C降至3.7、2.8和2.9 °C，并将峰值升温时间延迟42、78和72 min。覆盖同时延迟夜间降温过程。温度剖面显示差异可延伸至约0.40 m深度，剖面温度变幅从裸土的6.1 °C降至覆盖条件下的1.6–5.2 °C，且降温主要源于最高温度（T_max）的降低。

椰子叶覆盖对灌溉水的截留。 平均灌溉强度为5.8 mm h^?1，100、150、200 L plant^?1 day^?1分别对应3.8、5.8、6.8 mm的施水深度。覆盖层截留率随覆盖水平增加而升高，15、30、45叶处理分别平均截留49%、54%、60%，但覆盖水平效应未达统计显著（p = 0.18）。灌溉深度则显著影响截留率（p = 0.02），100 L处理截留63%，150 L处理为52%，200 L处理降至47%。线性回归显示灌溉深度与截留率呈显著负相关（截距80.01，斜率?0.1703，p < 0.05），表明截留主要受施水动态控制而非覆盖厚度增量。

土壤湿润格局。 在稳态条件下，覆盖改变了土壤水分的空间分布与量级。45叶处理在中心冠区维持较高含水量，但将侧向湿润限制在约1.5 m范围内；15叶处理允许更广泛的侧向分布（约1.75 m），并使土壤剖面中48%的体积维持在最优水分范围（0.15–0.22 cm³ cm^?3），与0L300处理相当；30叶处理表现居中。裸土150 L处理（0L150）在周边表层约有6%的剖面体积低于永久萎蔫点。此外，在≥0.8 m深度观测到持续过湿区域，含水量超过0.27 cm³ cm^?3，1.0 m处达0.419 cm³ cm^?3，接近饱和值（0.458 cm³ cm^?3），该深层水分累积对以表层过程主导的土壤蒸发影响有限。

土壤水分消耗速率。 覆盖处理使土壤水分消耗速率较裸土降低35%（0.0284 vs. 0.0441 cm³ cm^?3 h^?1），各覆盖处理间无显著差异，45L150处理观测值最低。0–0.6 m土层占灌溉间隔期总消耗量的97%。据此估算，裸土平均作物蒸散量（ETc）为7.9 mm day^?1，覆盖处理为4.9 mm day^?1。季节性变化显示夏季值较高（裸土10.5 vs. 覆盖6.8 mm day^?1），冬季较低（5.2 vs. 3.0 mm day^?1）。作物系数（Kc）范围为0.93–1.19，与文献报道一致。0L300处理夏季消耗达12.3 mm day^?1，可能因过量灌溉导致深层渗漏而高估ETc。

四、讨论与结论

讨论部分指出，椰子叶覆盖在半干旱椰子园中发挥双重且交互的作用。一方面，覆盖通过降低土壤—覆盖物系统的有效热扩散率，减弱热量向土壤剖面的传递，从而衰减根区温度波动、延迟峰值升温，为根系水分吸收提供更稳定的热环境，这在缓冲能力低的砂质土壤中尤为重要。另一方面，覆盖通过物理屏障限制水汽扩散、削弱土壤—大气耦合，将蒸发从能量控制转变为扩散限制，从而显著降低土壤水分消耗。然而，覆盖层截留了相当比例的灌溉水，且截留主要受施水深度控制而非覆盖厚度，表明覆盖层存在有限储水容量，接近饱和后多余水分迅速排出。这一灌溉控制型截留与蒸发削减之间的交互构成了土壤水动态的核心权衡：增加覆盖厚度增强保水但限制侧向湿润并增加截留损失；较低覆盖水平允许更广泛的侧向分布与根区空间覆盖，但蒸发控制效果较弱。因此，中等覆盖水平（15–30叶每株）在水分保持与空间分布之间提供了最有利的平衡。生产监测显示，30L150处理果实产量最高（300.3果 plant^?1 year^?1），15L150处理椰子水体积最高（525.1 mL fruit^?1），且与使用两倍灌溉量的0L300常规处理相当，表明基于覆盖的管理策略有潜力降低半干旱椰子园的灌溉水需求。

研究结论可归纳为：椰子叶覆盖通过衰减土壤温度波动并延迟峰值升温，显著改善了半干旱椰子园的土壤热状况，促进根区热环境稳定；尽管覆盖层截留了部分灌溉水，但同步降低了土壤水分消耗，总体上改善了土壤水分保持；覆盖厚度在调控土壤水动态中起关键作用，较厚覆盖层增强热缓冲但增加截留损失并限制侧向湿润；中等覆盖水平（15–30叶每株）在水分保持、适宜水分分布与蒸发削减之间提供了最有利的平衡。这些结果表明，椰子叶覆盖在半干旱环境中具有作为土壤管理策略的较强潜力，但其有效性取决于覆盖厚度与灌溉管理的协同优化，以确保高效用水与充分土壤湿润。此外，椰子叶原位还田替代焚烧，兼具养分循环、土壤有机碳提升与温室气体减排等多重生态效益，是半干旱地区气候韧性农业系统的重要组成部分。