番茄、玉米套種膜下滴灌條件下農(nóng)田地溫變化特征

龔雪文，李仙岳,*，史海濱，田德龍，李 禎，彭遵原

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018 2. 水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020

番茄、玉米套種膜下滴灌條件下農(nóng)田地溫變化特征

龔雪文1，李仙岳1,*，史海濱1，田德龍2，李 禎1，彭遵原1

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018 2. 水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020

土壤水熱狀況是影響作物生長的重要因素，以膜下滴灌及套種雙重效應(yīng)為背景，針對番茄、玉米套種農(nóng)田設(shè)置了高(番茄：180 mm，玉米：270 mm)、中(番茄：132 mm，玉米：202.5 mm)、低(番茄：84 mm，135 mm)3種不同的灌溉定額，采用定位監(jiān)測法測定番茄帶膜間裸地(A)、覆膜番茄行間(B)、番茄帶與玉米帶膜間裸地(C)、覆膜玉米行間(D)共4個位置的不同深度主根區(qū)含水率和地溫動態(tài)變化，研究了地膜覆蓋、土壤水分以及作物遮陰對套種農(nóng)田不同行間，不同深度土壤溫度的影響特征。結(jié)果表明：全生育期內(nèi)，4個水平位置的地溫大小順序與土壤深度有關(guān)，10 cm以上的地溫大小順序?yàn)镃>D>A>B，10 cm以下的地溫大小順序?yàn)镈>B>A>C；從土壤溫度場的分布情況來看，地溫的最大變幅出現(xiàn)在C處，為8.10 ℃；最小變幅出現(xiàn)在B處，為4.71 ℃；含水率與地溫的關(guān)系表現(xiàn)為：5 cm以上地溫與含水率呈反比關(guān)系，20 cm以下地溫與含水率呈正比關(guān)系。可見，套種覆膜滴灌農(nóng)田合適的土壤水分狀況將有利于根區(qū)良好水熱的形成，從而更有利于作物的生長。研究結(jié)果將對西北地區(qū)滴灌農(nóng)田管理有一定的參考價值。

套種; 膜下滴灌; 地溫; 含水率

套種不僅能提高單位面積的產(chǎn)量，而且能極大提高光、水、熱等資源的利用效率[1- 2]，據(jù)報道，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)套種已超過總種植面積的70%，然而由于套種農(nóng)田對太陽輻射的有效攔截和利用不同[3]，導(dǎo)致套種農(nóng)田不同行間位置的地溫分布特征不同，而且覆膜后，塑料薄膜能夠有效將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，有效調(diào)節(jié)作物根區(qū)環(huán)境[4- 6]。因此將膜下滴灌技術(shù)與套種農(nóng)田結(jié)合起來探討作物耕層溫度變化規(guī)律，對提高套種農(nóng)田水熱利用效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近些年針對套種農(nóng)田采用膜下滴灌技術(shù)的研究主要集中在作物系數(shù)、水分利用效率、水分遷移過程以及產(chǎn)量品質(zhì)的影響[7- 10]等方面，而針對水、熱特性的研究主要以套種效應(yīng)、覆膜效應(yīng)、覆蓋效應(yīng)、土壤水分效應(yīng)等單項(xiàng)研究為主，如套種可有效利用太陽輻射提高產(chǎn)量[3]；覆膜可有效提高土壤耕層溫度，促進(jìn)作物生長[11]；覆蓋可抑制地溫的大幅度波動[12]；土壤含水量與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)[13]。另外，國內(nèi)外學(xué)者還對覆膜條件或套種條件下的土壤熱效應(yīng)及地溫的極值變化理論和模擬等方面做了研究[14- 19]。顯然，這些研究主要是針對或覆膜或套種或滴灌等單項(xiàng)技術(shù)開展的，而對套種農(nóng)田的不同行間位置地溫分布特征尚未做深入研究。故本文主要針對套種及膜下滴灌耦合條件下多作物農(nóng)田不同行間位置的地溫變化規(guī)律展開研究，并分析了套種模式下覆膜效應(yīng)及土壤水分效應(yīng)對地溫影響的綜合效應(yīng)，本研究對于套種農(nóng)田和膜下滴灌耦合作用下水熱理論發(fā)展具有一定的意義，并為該技術(shù)的進(jìn)一步推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

2012年在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)磴口試驗(yàn)站(40.20 E，107.1 N)開展了番茄套種玉米的試驗(yàn)，該試驗(yàn)田地處干旱半荒漠草原地帶，夏季多風(fēng)干旱，冬季少雨寒冷，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔2004 m，年均氣溫7.2 ℃，年均日照時數(shù)2190 h，年均降水量198.3 mm，年均蒸發(fā)量2460.3 mm，年均風(fēng)速2.74 m/s，多年平均無霜132 d。試驗(yàn)田土壤質(zhì)地為夾砂粘土，1 m內(nèi)土壤平均容重為1.50 g/cm3，凋萎系數(shù)為8%，田持為24.1%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

供試作物為玉米(品種為中地77)和番茄(品種為屯河48)，采用“一膜一管兩行”的滴灌布設(shè)方式，采用4行番茄套2行玉米的種植模式。在當(dāng)?shù)毓嗨?jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)設(shè)置了高、中、低3種不同的灌水處理，本試驗(yàn)考慮了番茄與玉米需水量不同的特點(diǎn)，在每個小區(qū)中分別對番茄和玉米設(shè)定了不同的灌水定額(表1)，采用精度為0.001 m3的水表(NSD6)控制灌水量，每個處理均設(shè)置了3個重復(fù)。

每個處理均布設(shè)了4組精度為0.1 ℃的水銀直角地溫計(RM-004)，作物種植方式及地溫計的布設(shè)方式如圖1所示。

表1 全生育期番茄套種玉米的灌溉制度Table 1 Irrigation scheduling for intercropping between tomato and maize during the whole growing season

圖1 番茄、玉米套種方式及地溫計與滴灌帶布置圖Fig.1 Latout of intercropping between tomato and maize and geothermometer and drip irrigation system

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 氣象資料測量

離試驗(yàn)區(qū)300 m的空曠地中設(shè)有自動氣象站(HOBO)，用于觀測降水、氣溫、濕度、太陽輻射、大氣壓等。

1.3.2 土壤含水率測量

采用TRIME-PICO TDR和土鉆相結(jié)合的方法，以TRIME為主，每隔3 d測量1次，定期用土鉆取土烘干的方法加以校正，TDR與地溫計位置相同(見圖1)，采用定位監(jiān)測法測量含水率，測量深度為0—100 cm。

1.3.3 地溫觀測時間與方法

在6—9月，利用直角地溫計(RM-004)對5、10、15、20、25 cm處的土壤溫度進(jìn)行定點(diǎn)觀測，測量時間與土壤含水率一致，每隔3 d測量1次，每天的觀測時間為8:00—20:00，2 h測1次。

1.3.4 作物生長指標(biāo)測量

用直尺測量玉米和番茄的株高；葉面積的測量：玉米葉面積=葉長×葉寬×0.75，番茄采用折算系數(shù)法計算[20]，以上指標(biāo)均在每個生育期內(nèi)測3次，取平均值。

1.3.5 試驗(yàn)觀測日期

玉米4月20日播種，9月10日收獲，番茄5月5日移苗，8月10日采摘第1茬，8月25日采摘結(jié)束。試驗(yàn)觀測時間從6月開始到9月結(jié)束，試驗(yàn)觀測期內(nèi)氣溫變化見圖2。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Spss 18.0和Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Excel 2003和Surfer 8.0 軟件繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 套種農(nóng)田不同位置及不同深度地溫日變化規(guī)律

在套種農(nóng)田不同行間的不同位置土壤溫度日變化亦有所不同。通過對比分析6—9月份地溫數(shù)據(jù)可以看出，高水分處理T1各行間位置的地溫變化過程(圖3)均是隨著土層深度的增加地溫日波動呈減小趨勢，其中距地表5 cm處地溫日波動最劇烈，距地表25 cm處地溫日波動最平緩，距地表5、10、15、20、25 cm的日最高與最低地溫差值分別為：12.72、8.78、6.09、4.44、2.96 ℃，存在極顯著性差異(F=12.74005，P=0.007301)。

圖2 試驗(yàn)觀測期內(nèi)的氣溫變化Fig.2 The temperature change during the experimental period

圖3 整個觀測期內(nèi)T1的日平均地溫變化圖Fig.3 The daily variation law of soil temperature during the whole observation period of T1

套種農(nóng)田不同行間位置的地溫受地膜覆蓋和作物遮陰的影響較大。透明塑料薄膜對土壤的保溫效應(yīng)主要體現(xiàn)在土層15 cm以下，從表2中可以看出，B、D位置的地溫明顯高于A、C位置，隨著土層的加深，膜內(nèi)與膜外平均地溫的差值變化呈拋物線形，且均差在20 cm處達(dá)到最大值，可見在套種農(nóng)田中，地膜可隔絕土壤與外界的水分交換和顯熱交換，使土壤的熱通量在20 cm處達(dá)到最大。地面增溫的唯一來源是太陽輻射，套種農(nóng)田不同行間位置地溫受作物遮陰的影響程度也不相同，這在5 cm以上土層表現(xiàn)的較為明顯，從圖3中可以看出，距地表5 cm處的地溫大小關(guān)系表現(xiàn)為C>D>A>B。這是由于C處位于高矮作物的行間，遮陰面積最小，日照時間最長，因此表層(5 cm處)的地溫也最高；而B位于低矮作物行間，遮陰面積較大，地表所受太陽直射時間最短，因而地溫也最低?？梢姡诹Ⅲw種植農(nóng)田中，高桿作物遮陰區(qū)的地溫要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于矮桿作物遮陰區(qū)的地溫；在15 cm以下，膜內(nèi)的日平均地溫要高于膜外。

表2 15 cm以下膜內(nèi)與膜外的日平均地溫Table 2 Average day soil temperature of covered and uncovered treatments below 15 cm

2.2 套種農(nóng)田不同處理及不同位置地溫顯著性分析

6—9月份是番茄、玉米進(jìn)行營養(yǎng)生長的重要階段，地溫的變化直接影響其根系競爭水分和養(yǎng)分的能力。本文通過該時期地溫數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，分析不同位置、不同深度的地溫變化規(guī)律。結(jié)果顯示：套種農(nóng)田不同位置地溫的差異性受到地膜覆蓋、作物遮陰及土壤水分的綜合影響，從不同位置地溫平均值變化來看，T1、T2的番茄一側(cè)(A、B)平均地溫?zé)o差異，而玉米一側(cè)(C、D)的平均地溫存在極顯著差異(表3)，T3的4個位置平均地溫均在0.05水平上顯著。說明作物遮陰和土壤水分是導(dǎo)致套種農(nóng)田不同位置地溫出現(xiàn)差異的主要原因。從番茄一側(cè)的不同深度地溫變化來看，T1在25 cm范圍內(nèi)均無差異，而T2和T3分別在15 cm處和15 cm以下出現(xiàn)了顯著差異性；從玉米一側(cè)的不同深度地溫變化來看，T1、T2、T3的地溫均在15 cm處出現(xiàn)了差異性。這是因?yàn)樵诟材さ喂鄺l件下，不同土壤水分所形成的獨(dú)特濕潤體不同，導(dǎo)致土壤水分在10—15 cm之間出現(xiàn)了差異性，從而改變了土壤的熱容量，加之套種農(nóng)田不同行間位置的遮陰率不同，熱量在土層中分配時，其量值有所改變，因而出現(xiàn)了以上差異[21]。綜上可知，套種農(nóng)田在營養(yǎng)生長的共生期，作物遮陰和水分差異是影響地溫的主要因素，而地膜覆蓋的影響變小。

表3 不同處理及不同位置地溫顯著性分析/℃Table 3 Analyze the significance of soil temperature at different processing and positions

同列數(shù)值后不同大小寫字母表示差異達(dá)1%和5%顯著水平

2.3 套種農(nóng)田不同土壤水分對地溫變化的影響

由于7月份套種農(nóng)田兩種作物生長發(fā)育趨于穩(wěn)定，本文為了分析不同高低作物套種不同位置地溫的差異，以及不同土壤水分對地溫的影響，在7月份對土壤水分、不同位置地溫進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測。結(jié)果顯示：

距地表5 cm處，土壤受外界環(huán)境的影響較大，高水分T1的平均體積含水率明顯高于T2和T3，其中T1、T2相差3.8%，T1、T3相差7.2%(圖4)，T1、T2、T3之間的體積含水率呈顯著性差異(F=6.223587，P=0.020088)。而地溫則相反，高水分T1各位置的平均地溫明顯低于T2和T3，其中T1、T2的平均地溫相差0.81 ℃，T1、T3相差1.65 ℃(圖5)，T1、T2、T3之間的地溫?zé)o顯著性差異(F=1.44877，P=0.282652)。3個處理的不同位置含水率均表現(xiàn)為B>A>D>C，地溫則為D>C>B>A的規(guī)律。不同處理的膜內(nèi)位置B(或D)，含水率從T1減小到T2和T3依次降低2.73%、6.04%(或2.71%、6.63%)，地溫則依次上升0.95 ℃、2.02 ℃(或0.47 ℃、0.97 ℃)；不同處理的膜外位置A(或C)，含水率從T1減小到T2和T3依次降低3.16%、6.44%(或6.59%、9.71%)，地溫則依次上升1.16 ℃、1.97 ℃(或0.64 ℃、1.65 ℃)。說明在距地表5 cm處，地溫隨含水率的降低而上升，其中膜外的上升比率是膜內(nèi)的1.2倍，表明在土壤表層膜內(nèi)與膜外的溫度差較小。

圖4 不同灌溉定額水平下土壤的平均含水率Fig.4 Comparison of average soil moisture content for different irrigation quota

20 cm處，土壤受外界環(huán)境的影響變小，而受水分的影響變大，高水分T1的平均含水率仍高于T2和T3，其中T1、T2相差3.61%，T1、T3相差6.9%(圖4)，無顯著性差異(F=3.338497，P=0.082302)。地溫亦為T1高于T2和T3，其中T1、T2的平均地溫相差0.87 ℃，T1、T3相差1.48 ℃(圖5)，T1、T2、T3之間的地溫?zé)o顯著性差異(F=1.981115，P=0.193657)。3個處理的不同位置體積含水率均表現(xiàn)為B>A>D>C，地溫則為D>B>C>A的規(guī)律。不同處理的膜內(nèi)位置B(或D)，含水率從T1減小到T2和T3依次降低2.91%、6.58%(或2.47%、5.77%)，地溫則依次降低1.04 ℃、1.63 ℃(或1.03 ℃、1.52 ℃)；不同處理的膜外位置A(或C)，含水率從T1減小到T2和T3依次降低3.6%、6.82%(或5.47%、8.4%)，地溫則依次降低1 ℃、0.9 ℃(或0.43 ℃、1.52 ℃)。說明在20 cm處，地溫隨含水率的降低而降低，其中膜外的降低比率是膜內(nèi)的2.1倍，表明較深層(20 cm以下)膜內(nèi)地膜波動幅度小于膜外地溫波動幅度。

2.4 套種農(nóng)田不同處理及不同位置土壤溫度場的分布特征

為進(jìn)一步研究套種農(nóng)田不同行間位置之間地溫的傳遞效應(yīng)，本文對作物生長旺期，兩種作物都發(fā)育充分條件下選擇7、8月份觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后繪成套種農(nóng)田地溫二維分布圖(圖6)。由于監(jiān)測的是農(nóng)田日地溫的平均值，從圖中可以看出，A、C膜外位置在土體內(nèi)溫度變化幅度大，B、D膜內(nèi)位置在土體內(nèi)溫度變化幅度小，3個處理在C位置處在土壤上層地溫明顯高于其它位置，這主要是C位置兩側(cè)遮陰小，吸熱多的原故，而B、D位置盡管覆膜，但白天這兩個位置受兩側(cè)作物的遮陰影響，地溫反而沒有C位置大。在土壤下層，C位置的地溫明顯低于其他位置地溫，這是由于C位置無覆膜，保溫效果差，到了夜間，上層熱量難以向下傳遞?？梢姡?5 cm處C位置地溫低于B、D位置地溫，無覆膜情況下白天太陽輻射增溫效應(yīng)僅對土壤上層有效，而覆膜情況下則0—25 cm都能升溫。另外對于不同水分處理溫度場的分布主要是土體內(nèi)含水量不同，對于高水分處理的T1土體內(nèi)平均含水量較大，因而比熱大，所以最高地溫與最低地溫的差值變小，3個處理的最高地溫與最低地溫的差值分別為6.02、7.26、8.04 ℃。

圖5 不同處理在5cm和20cm處的平均溫度日變化Fig.5 The average temperature of the diurnal variation (soil depth 5cm and 20cm)

圖6 不同處理土壤剖面的溫度分布特征Fig.6 Comparison of soil profile characteristics of temperature distribution

3 結(jié)論

3.1 番茄套種玉米能有效利用太陽輻射提高作物根區(qū)溫度，其不同行間位置的地溫變化主要受地膜覆蓋、作物遮陰和土壤水分含量的影響。在套種農(nóng)田中，地膜的保溫作用主要體現(xiàn)在15 cm以下，而作物遮陰和土壤水分含量則對整個耕層都有影響?？梢?，合理的套種模式和適宜的土壤水分含量有利于作物根區(qū)形成良好的生長環(huán)境，從而促進(jìn)作物的生長。

3.2 套種農(nóng)田不同深度土層土壤含水率與地溫的關(guān)系不同。本試驗(yàn)通過分析番茄套種玉米表層(5 cm)及深層(20 cm)的地溫與含水率的關(guān)系得出：5 cm以上的地溫與含水率呈反比關(guān)系，20 cm以下地溫與含水率呈正比關(guān)系，可見，在套種農(nóng)田中，地溫與含水率在不同土層呈現(xiàn)的關(guān)系也不相同，而并不像単種農(nóng)田一樣，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.3 從套種農(nóng)田不同行間位置地溫的傳遞規(guī)律可以看出，高矮作物行間位置(C處)在白天有明顯的增溫效應(yīng)，且溫度可有效傳遞到作物兩側(cè)，而覆膜可有效防止土壤溫度的散失，因此高矮作物套種應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)男芯啵瑥亩行岣咦魑锔鶇^(qū)的溫度。

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The interplanting between tomato and maize of soil temperature dynamics under mulched drip irrigation

GONG Xuewen1, LI Xianyue1,*, SHI Haibin1, TIAN Delong2, LI Zhen1, PENG Zunyuan1

1WaterConservancyandCivilEngineeringCollegeofInnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010018,China2InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,MinistryofWaterResources,Huhhot010020,China

It is very significant for maintaining the optimal soil moisture and soil temperature in the crop field, because that is the important foundation of developing an optimal irrigation system. The environment of reasonable soil moisture and temperature in the field will not only enhance the water use efficiency but also benefit crop growth and increase crop yield, especially for interplanting field with complex crop environments. In the experiments, the interplanting of tomato and corn under mulched drip irrigation were tested in Hetao Irrigation District in 2012. We set up three treatments which are the high irrigation quota (tomato: 180 mm, corn: 270 mm), medium irrigation quota (tomato: 132 mm, corn: 202.5 mm) and low irrigation quota (tomato: 84 mm, corn: 135 mm). The moisture content and soil temperature of different depths of root zone were measured in the middle of bare soil between tomatoes belt (A), the middle of mulched tomato lines (B), the middle of bare soil between tomatoes and corn belt (C), the middle of mulched corn lines (D) and crop growth and yield were observed in different growing seasons. The effects of plastic film, soil moisture and crop shade on soil temperature at different rows and depths of inter-planting were studied by the experiment. The results showed that it had apparent effect of mulch on heat preservation under 15 cm soil depths, but the soil temperatures of whole root zone were influenced by crop shade and soil moisture; The soil temperatures of four horizontal positions were significant variation for different the soil depths (5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm), and the proper sequence of average soil temperature above 10 cm soil depth in different positions was: C>D>A>B, the one under 10 cm soil depth was: D>B>A>C; The study on distribution of the soil temperature in the interplanting field showed that the maximum variational amplitude of soil temperature appeared at the C position, and it would reach 8.10 ℃; the minimum variational amplitude of soil temperature appeared in the B position, and it was only 4.71 ℃. There was definitely some inverse correlation between the soil temperature and soil moisture above 5 cm soil depth, however direct proportion was observed below 20 cm soil depth. The study also found that there was strong temperature effect in the middle of lines between high and low crops (such as C position) during daytime, and the temperature can influence the crop of two sides, so mulched cultivation has obvious effects for restraining the loss of heat. It is thus clear that the optimal soil water and soil temperature are beneficial to form better soil moisture and temperature environment and high crop yield in the intercropping field under mulched drip irrigation. The study will be very meaningful for drip irrigation farm management in the Northwest Region.

intercropping; mulched drip irrigation; soil temperature; soil water

國家自然科學(xué)基金(51109105, 51349003); 國家科技支撐(2011BAD29B03); 內(nèi)蒙古高等學(xué)?！扒嗄昕萍加⒉胖С钟媱潯? 博士后基金(2011M500547, 2012T50250)

2013- 03- 24;

日期:2014- 03- 25

10.5846/stxb201303240506

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lixianyue80@126.com

龔雪文，李仙岳，史海濱，田德龍，李禎，彭遵原.番茄、玉米套種膜下滴灌條件下農(nóng)田地溫變化特征.生態(tài)學(xué)報,2015,35(2):489- 496.

Gong X W, Li X Y, Shi H B, Tian D L, Li Z, Peng Z Y. The interplanting between tomato and maize of soil temperature dynamics under mulched drip irrigation.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):489- 496.