寒旱灌區(qū)凍融期冬小麥不同覆蓋條件土壤溫度變化

白巴特爾，鄭和祥，任 杰，張建成，趙春芝，張培智

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特010020；2.巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015400）

土壤溫度是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素之一［1－2］，而覆蓋直接影響土壤溫度，其可減少土壤水分損失，提高土壤水分利用率，同時(shí)也能改善作物生長(zhǎng)狀態(tài)［2－4］。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞覆蓋對(duì)土壤溫度和作物生長(zhǎng)影響進(jìn)行了大量相關(guān)研究，取得了許多重要的成果。Flerchinger等［5］研究了地表有不同覆蓋物和植被時(shí)對(duì)土壤溫度以及土壤含水率的變化分析；Ji等［6］研究分析了不同覆蓋物和不同覆蓋量對(duì)土壤溫度的影響；鄧力群等［7］開展了地面覆蓋對(duì)鹽漬土水熱鹽運(yùn)動(dòng)及作物生長(zhǎng)的影響研究，得出秸稈覆蓋的隔熱性及其對(duì)土壤熱容量的提高，緩和了土壤溫度的日變化；于曉蕾等［8］研究了不同秸稈覆蓋量對(duì)冬小麥生理及土壤溫濕狀況的影響，得出在小麥全生育期內(nèi)秸稈覆蓋可有效地保持土壤水分，在小麥返青后保持了較高的土壤溫度，有利于小麥的拔節(jié)，該試驗(yàn)僅從秸稈覆蓋量單一因子角度進(jìn)行了研究，還可進(jìn)行綜合因素分析；伊德里薩等［9］研究了不同水分條件下秸稈覆蓋對(duì)冬小麥生長(zhǎng)的影響，得出秸稈覆蓋不但可以提高土壤的保墑作用，而且在各種水分條件下秸稈覆蓋對(duì)于作物產(chǎn)量都有著顯著影響，該試驗(yàn)是在溫室大棚內(nèi)完成的，各項(xiàng)參數(shù)測(cè)定均受溫室大棚條件限制，其研究成果還有待大田試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證；譚凱敏等［10］研究了秸稈還田后覆膜鎮(zhèn)壓對(duì)旱地冬小麥土壤溫度和產(chǎn)量的影響，得出覆蓋隔斷了土壤與外界的水分交換，抑制了潛熱交換，減弱外界影響，使夜間溫度下降減緩，小麥秸稈還田的增溫效果要大于玉米秸稈還田，該試驗(yàn)主要從鎮(zhèn)壓角度分析了覆蓋對(duì)水熱交換的阻隔作用，未全面進(jìn)行土壤水熱運(yùn)移分析。

上述研究多是分析覆蓋對(duì)非凍期土壤溫度的變化規(guī)律及對(duì)作物產(chǎn)量的影響，而對(duì)凍融期不同地表覆蓋條件下的土壤溫度影響過程研究較少，特別是北方寒旱灌區(qū)覆蓋對(duì)冬小麥大田凍融期土壤溫度影響尚無研究成果。因此，本文在前述研究的基礎(chǔ)上，以實(shí)測(cè)田間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究寒旱灌區(qū)凍融期不同覆蓋條件冬小麥土壤溫度變化過程。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件

田間測(cè)試于2012年9月—2013年7月在巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院園子渠試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)中部，試驗(yàn)區(qū)的土壤、氣候和作物種植等狀況在河套灌區(qū)均具有較好的代表性。

試驗(yàn)區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，冬季長(zhǎng)而寒，夏季短而熱；降水少，年平均降水量135.9mm；蒸發(fā)大，年平均蒸發(fā)量1 984.3mm；年平均日照時(shí)數(shù)3 181h，年平均氣溫7.5℃，無霜期126d；每年的10月下旬至翌年5月上旬為土壤凍融期，最大凍土層深度1.2m。試驗(yàn)區(qū)1.0m深土壤類型均分為2層，上層0—40cm 為粉壤土，土壤容重1.42g/cm3，田間持水率37.50%；下層40—100cm為粉土，土壤容重1.40g/cm3，田間持水率38.75%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)定方法

試驗(yàn)在冬小麥試驗(yàn)田中開展，試驗(yàn)材料為“寧冬11號(hào)”耐寒冬小麥品種［11－12］，設(shè)無覆蓋處理CK、地膜覆蓋處理DM和秸稈覆蓋處理JG共3個(gè)處理；每個(gè)處理試驗(yàn)小區(qū)的長(zhǎng)度均為10m，寬度均為6m，面積為60 m2；每個(gè)小區(qū)之間設(shè)隔離帶，隔離帶寬度2.0m；各處理每次測(cè)定各測(cè)點(diǎn)5，15，25，40cm土層的土壤溫度；每天測(cè)2次，分別在8：00，18：00進(jìn)行，取其平均值作為日均溫度值進(jìn)行分析，常規(guī)測(cè)定為每7d一次［13－16］；各測(cè)點(diǎn)土層的土壤溫度采用曲管地溫計(jì)測(cè)定，量程－20°～50°，并采用插針式地溫傳感器對(duì)其中2個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壤溫度進(jìn)行了驗(yàn)證，誤差均在10.0%以內(nèi)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋條件土壤溫度影響分析

根據(jù)2012—2013年度田間實(shí)測(cè)土壤溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行不同覆蓋條件各土層土壤溫度的影響分析。圖1為地膜覆蓋、秸稈覆蓋和無覆蓋3種處理下冬小麥整個(gè)生育期內(nèi)5cm土層的土壤溫度過程線。從圖中可看出冬小麥在整個(gè)生育期，地膜覆蓋條件能使5cm土層產(chǎn)生明顯的增溫，在2012年12月9日土壤進(jìn)入快速凍結(jié)期時(shí)，與無覆蓋相比，5cm土層增溫最高達(dá)6.2℃；當(dāng)冬小麥進(jìn)入返青期后，氣溫開始回升，覆膜處理增溫效果也十分顯著，在土壤融解期的2013年4月12日5cm土層增溫最高達(dá)4.3℃；直到拔節(jié)期和乳熟期地膜覆蓋的增溫效果不明顯，這可能是由于在該生育期各處理的生物量指標(biāo)較大，植株的遮蔭率較高，尤其葉面積指數(shù)的提高使地膜覆蓋處理冠層截獲的能量大于無覆蓋處理，直射到地表的能量減少，從而增溫效果大大降低。

從圖1A中還可看出冬小麥在整個(gè)生育期秸稈覆蓋的土壤溫度一直低于地膜覆蓋處理而高于無覆蓋處理，特別是在土壤凍結(jié)過程和融解過程2種覆蓋增溫效果顯著；在土壤進(jìn)入凍結(jié)期的2012年10月15日至翌年1月5日，5cm土層的增溫均在1.5～3.5℃；在土壤凍結(jié)期的2012年11月29日5cm土層增溫最高達(dá)3.4℃；比地膜覆蓋增溫最高時(shí)間偏早11d，且最大增溫值偏小2.8℃；同樣在土壤融解期，秸稈覆蓋的增溫效果比地膜覆蓋偏低。

圖1B—D分別為15cm，25cm和40cm土壤深度3種處理的溫度過程線，由圖1中可知：地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理的土壤溫度始終比無覆蓋處理的土壤溫度高，地膜覆蓋的增溫效果最好，秸稈覆蓋處理增溫效果次之；隨著土層深度的增大，地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理的增溫效果均逐漸降低，40cm土層增溫效果最差，與無覆蓋處理相比40cm土層地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理的增溫最大值分別為3.1℃和1.8℃，遠(yuǎn)小于5cm土層的增溫效果。對(duì)比分析各土層土壤溫度變化過程線可以看出：與無覆蓋處理相比，地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理在融解期的增溫效果均比凍結(jié)期稍差，在凍結(jié)穩(wěn)定期（2012年12月下旬至2013年2月下旬）兩種覆蓋處理對(duì)各土層增溫效果很小。

上述分析結(jié)果表明：地膜覆蓋和秸稈覆蓋對(duì)土壤增溫影響主要在土壤表土層，隨著深度的增加，增溫效果逐漸降低，40cm的增溫作用較?。坏啬じ采w和秸稈覆蓋在凍結(jié)期對(duì)土壤的增溫效果較好，在融解期對(duì)土壤的增溫效果稍差，在凍結(jié)穩(wěn)定期增溫效果很小。

圖1 不同土層土壤溫度過程線

2.2 不同土層土壤溫度影響分析

圖2分別為冬小麥無覆蓋、地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理各土層的土壤溫度過程線；從圖2A可看出對(duì)于無覆蓋處理冬小麥在整個(gè)生育期土壤溫度總的變化趨勢(shì)是：在土壤凍結(jié)前，5cm土層的土壤溫度比其他土層稍微偏高，40cm土層的土壤溫度最低；進(jìn)入凍結(jié)期，隨著氣溫的降低，5cm土層的土壤溫度顯著降低，而40cm土層的土壤溫度下降最慢；直到進(jìn)入凍結(jié)穩(wěn)定期，各土層的土壤溫度逐漸接近，約在2013年1月28日，各土層的土壤溫度均降低至約－9.5℃；隨后進(jìn)入融解期，隨著氣溫的不斷升高，表層土開始融解，5cm土層的土壤溫度不斷升高，而40cm土層的土壤溫度升高最慢，直到2013年4月15日，各層土的土壤溫度均升高至0℃以上；之后氣溫快速升高，各層土壤溫度在20d左右均達(dá)到10℃以上。

上述分析結(jié)果表明：在冬小麥全生育期，隨著氣溫的變化，各土層土壤溫度總的變化趨勢(shì)是先逐漸降低，其中表層土降溫最快；然后隨著氣溫的不斷升高，5cm土層最先融解，并且融解速度較快，40cm土層融解速度最慢。

圖2B和圖2C中地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理各土層的土壤溫度總的變化趨勢(shì)與無覆蓋處理基本一致；不同的是地膜覆蓋各土層比無覆蓋處理各土層進(jìn)入凍結(jié)期的時(shí)間晚10～15d，土壤融解時(shí)間早8～12d；秸稈覆蓋各土層比無覆蓋處理各土層進(jìn)入凍結(jié)期的時(shí)間晚5～10d，土壤融解時(shí)間早3～8d。

上述分析結(jié)果表明：地膜覆蓋無論在凍結(jié)前、凍結(jié)前期、融解后期對(duì)各土層均具有較好的增溫效果，秸稈覆蓋效果稍差；而在凍結(jié)穩(wěn)定期和融解前期無論是地膜覆蓋還是秸稈覆蓋，基本無增溫作用。

圖2 不同覆蓋處理各土層土壤溫度過程線

3 結(jié) 論

（1）地膜覆蓋對(duì)凍融期的土壤溫度具有較好的增溫效果，秸稈覆蓋效果稍差；地膜覆蓋和秸稈覆蓋對(duì)土壤增溫影響主要在土壤表土層，隨著深度的增加，增溫效果逐漸降低，40cm土層的增溫作用較??；地膜覆蓋和秸稈覆蓋在凍結(jié)期對(duì)土壤的增溫效果較好，在融解期對(duì)土壤的增溫效果稍差，在凍結(jié)穩(wěn)定期增溫效果很小。

（2）在冬小麥全生育期各土層土壤溫度總的變化趨勢(shì)是先降低再逐漸升高，其中在凍結(jié)期表層土降溫速度最快；在融解期隨著氣溫的不斷升高5cm土層最先消融，并且融解速度較快，40cm土層融解速度最慢。

（3）土壤溫度變化過程在凍結(jié)期和融解期呈現(xiàn)不同特點(diǎn)，土壤凍結(jié)時(shí)間長(zhǎng)而消融時(shí)間短，土壤消融速度遠(yuǎn)大于凍結(jié)速度；凍結(jié)期土壤溫度隨著土壤深度的增加而升高，融解期隨著土壤深度的增加而降低。

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