不同種植模式棉田土壤溫度的時(shí)空變化特征

邢芳芳，韓迎春，雷亞平，馮璐，王國(guó)平，楊北方，王占彪，李小飛，熊世武，范正義，杜文麗，辛明華，李亞兵

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽(yáng)455000）

土壤溫度作為土壤熱狀況的綜合表征指標(biāo)，受大氣溫度、近地空間熱平衡特征、土壤持水狀況及太陽(yáng)輻射等諸多因素影響[1]，是與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境緊密相關(guān)的土壤重要物理性質(zhì)之一。土壤溫度的變化與根系功能和光合作用等作物生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)有著規(guī)律性對(duì)應(yīng)關(guān)系[2]，其能量直接來源于地表所吸收的太陽(yáng)輻射。 土壤中熱量和水分的運(yùn)移相互影響，土壤含水量的變化直接影響土壤的比熱容，從而影響土壤溫度的變化[3]。

土壤溫度控制著土壤中的生物和生物化學(xué)過程[4-5]，以不同方式影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育[6]，直接影響作物種子的萌發(fā)、出苗、根系的生長(zhǎng)，養(yǎng)分吸收和分解，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的許多生理過程，如光合作用、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和二氧化碳吸收。 根系生長(zhǎng)對(duì)土壤溫度很敏感，土壤溫度通過影響根系的生長(zhǎng)、根系呼吸作用和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收，從而影響植物的生長(zhǎng)[7]?；谶@些影響前人研究認(rèn)為土壤溫度響應(yīng)氣溫的變化在不同季節(jié)會(huì)隨著深度增加而變化。毛樹春等[8-10]比較了不同種植方式（3 行小麥1 行棉花和4 行小麥2 行棉花）的棉田土壤溫度的變化以及各層土壤的最高溫出現(xiàn)情況。 何匯虹等[2]認(rèn)為土壤日最高和最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間是春、夏季較早，秋季次之，冬季較晚。 關(guān)于不同種植制度棉花生育期土壤溫度空間變化特征的研究并不多，棉花生長(zhǎng)的各個(gè)階段都要有適應(yīng)的溫度，過高過低都不利于棉花的生長(zhǎng)發(fā)育。 溫度能夠影響棉花的生育進(jìn)程、棉鈴的發(fā)育以及鈴重[11]。 播期和種植方式能夠引起棉花對(duì)生長(zhǎng)物候環(huán)境差異的不同響應(yīng)，進(jìn)而影響棉花生物量的累積分配過程， 最終影響棉花產(chǎn)量的形成[12]。 因此，研究不同種植模式土壤溫度時(shí)空特征對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響非常必要。

不同種植方式土壤溫度的研究多集中在覆蓋方式（覆膜、秸稈），不同播種方式如溝播、平作、壟作這些方面。 作為黃河流域重要的種植制度—麥棉兩熟這方面的研究并不多。 前人對(duì)土壤溫度、 積溫影響作物的規(guī)律進(jìn)行了大量研究，但以往大多數(shù)研究是以氣溫為基礎(chǔ)計(jì)算積溫或是人工在不同時(shí)間段測(cè)量估算積溫，缺少對(duì)不同種植模式土壤溫度的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，而作物生長(zhǎng)前期以土壤積溫作為指標(biāo)更接近影響作物的實(shí)際。本文在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)麥棉兩熟 （麥套棉花、麥后棉花）和單作棉花3 種不同種植模式的土壤溫度進(jìn)行了兩年連續(xù)監(jiān)測(cè)，旨在探明不同種植模式下土壤溫度的時(shí)空變化特征以及土壤積溫與棉花生育進(jìn)程、農(nóng)藝性狀的關(guān)系，以期為不同種植模式的棉花生產(chǎn)和管理提供理論支持。

試驗(yàn)于2016 年和2017 年在河南省安陽(yáng)縣中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所東場(chǎng)（36°06′N，116°21′E）試驗(yàn)田進(jìn)行。3 種種植模式分別為單作棉花（Monoculture cotton,MC），5 月15 日播種； 麥套棉花（Wheat/intercropped cotton,WIC），小麥第1年10 月26 日播種，次年6 月10 日收獲，棉花5月15 日播種；麥后棉花（Wheat/direct-seeded cotton,WDC），小麥第1 年10 月26 日播種，次年6月10 日收獲，棉花6 月15 日播種。 供試棉花品種為豫早棉9110，小麥品種為中育1123 號(hào)。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3 次重復(fù)，每小區(qū)6 行，行長(zhǎng)9 m，行寬70 cm，采用統(tǒng)一的田間施肥、除草、灌水管理。 2 年氣候條件見表1。

1.2.1土壤溫度測(cè)定。 3 組來自美國(guó)的5TE 傳感器分別埋設(shè)在MC、WIC、WDC 農(nóng)田里。土壤溫度分布具有高度的空間相關(guān)性，每個(gè)空間位點(diǎn)的土壤溫度不具有傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)的完全隨機(jī)性，因此本文利用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)原理， 采用空間網(wǎng)格方法取樣。 每組傳感器垂直于行間挖坑布設(shè)，分布在地下10—110 cm 土層垂直剖面上。 縱向、橫向均間隔20 cm，每層5 個(gè)傳感器，具體分布見圖1。 土壤溫度、水分、電導(dǎo)率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并運(yùn)用數(shù)據(jù)采集器CR1000 每1 h 記錄1 次。

表1 2016—2017 年棉花生育期氣候條件Table 1 Weather information during the cotton growing seasons in 2016 and 2017 years

圖1 傳感器分布示意圖Fig. 1 Sensor distribution diagram

圖2 直觀地展示了10—110 cm 土壤溫度的空間分布特征以及兩熟棉花與單作棉花土壤溫度的空間分布情況。 圖中等值線分布密集說明該層的土壤溫度變化快，反之則表明土壤溫度變化慢。在垂直方向上，2016 和2017 年10—40 cm 土層土壤溫度受氣溫影響變化復(fù)雜，大于40 cm 土層土壤溫度變化比較平緩；在水平方向上，10—40 cm 變化明顯， 大于40 cm 土層土壤溫度變化比較?。ǔ龍D2 D 吐絮期90—110 cm 土層）。 兩年棉花生育期的前中期土壤溫度隨著土層深度增加而遞減，在棉花生育末期土壤溫度隨深度遞增。圖2 A 中，2016 和2017 年土壤溫度在整個(gè)空間WIC 變化范圍是：15.6～20 ℃、15.6～20.4 ℃；WDC 變 化 范 圍 分 別 是15.6 ～20.4 ℃、15.8 ～21.8 ℃；MC 土壤溫度變化范圍分別是：16.8～21.6 ℃、18.5～24.9 ℃，不同種植模式土壤溫度在整個(gè)空間的變化趨勢(shì)為MC＞W(wǎng)DC＞W(wǎng)IC。 由于麥棉共生期棉花苗弱小，土壤溫度差異主要是受小麥生長(zhǎng)的影響，因此WIC 和WDC（小麥）的土壤溫度相差不多。 從兩熟模式與單作模式的空間比較圖可以看出這兩年兩熟棉花比單作棉花的土壤溫度分別低0.8～2 ℃，2.3～5.3 ℃。

圖2 B 中WIC 和MC 處于蕾期、WDC 處于苗期，2016 年WIC、WDC、MC 土壤溫度在整個(gè)空間的變化范圍分別為20～25 ℃、19.8～25 ℃、20～24.8 ℃；2017 年WIC、WDC、MC 土壤溫度變化分別為20～27 ℃、20～27.5 ℃、20～28 ℃。2016 年和2017 年MC 與WIC 的土壤溫度差的范圍分別為－1～0.6 ℃、－0.8～1.5 ℃；2016 年和2017 年MC 與WDC 的土壤溫度差的范圍分別為：－0.55～0.6 ℃、－0.9～2 ℃。 由MC-WIC可知10—40 cm 是負(fù)值，而MC-WDC 顯示10—40 cm 的負(fù)值區(qū)域明顯小于MC-WIC，可見在10—40 cm 的大部分區(qū)域土壤溫度WIC 大于MC，而WDC 只有小部分區(qū)域大于MC。2016 年在40—110 cm 土層土壤溫度隨著深度的增加，單作棉花土壤溫度約大于兩熟棉花土壤溫度。2017 年也是同樣的趨勢(shì)，只是大于MC 的土壤溫度的范圍比較小。 這些位置土壤溫度微小的差異可能是受麥茬、棉花植株遮蔭、土壤含水量等綜合影響。

在圖2 C 中WIC 和MC 處于棉花花鈴期、WDC 處于棉花蕾期，2016 年WIC、WDC、MC 土壤溫度在整個(gè)空間的變化分別為23.6～28 ℃、23.4 ～28.2 ℃、23.4 ～27.4 ℃；2017 年WIC、WDC、MC 土壤溫度的變化分別為23～25.6 ℃、23.2～26.2 ℃、23.1～25.5 ℃。 2016 年和2017 年MC 與WIC 土壤溫度差的范圍分別為－1.1～0.35 ℃、－0.95～0.35 ℃；MC 與WDC 的土壤溫度差范圍為－1.1～0.6 ℃； 表明此時(shí)期不同種植模式土壤溫度的差異縮小。 從2016 年空間變化比較圖可以看出兩熟棉花的土壤溫度大于單作棉花的土壤溫度，只有中下層小部分區(qū)域的土壤溫度是單作棉花略大于兩熟棉花，這可能主要受土壤含水量的影響。

在2016 年和2017 年，圖2 D 中棉花處于吐絮期，WIC 溫度在整個(gè)空間變化范圍分別為：17.8～21.8 ℃、14.6℃～19 ℃；WDC 的土壤溫度變化范圍分別為：17.4～21.4 ℃、14.4～20 ℃；MC的土壤溫度變化范圍分別為：18.5～21.5 ℃、15～19.4 ℃。 在2016 年和2017 年，MC 和WIC 的土壤溫度差范圍分別為－0.55～1.75 ℃、－0.7～1.3 ℃，MC 與WDC 的土壤溫度差范圍分別為0～1.7 ℃、－0.7～1.3 ℃?？傮w表現(xiàn)為單作棉花的土壤溫度大于兩熟棉花土壤溫度， 除了2016 年的WIC 的部分區(qū)域稍大于MC。 綜上所述，不同種植模式土壤溫度在生育期的差異明顯。

圖2 2016—2017 年不同生育時(shí)期土壤溫度空間分布Fig. 2 Spatial distribution of soil temperature at different growth stages in 2016 and 2017

不同種植模式棉田的土壤溫度基本都是響應(yīng)氣溫的變化呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。 從圖3 看出，兩年各層土壤溫度在棉花生育期都是呈開口向下的二次曲線，先上升然后下降。 土壤溫度隨播種后天數(shù)增加而上升的過程中表現(xiàn)為第1 層（10—43.3 cm）＞第2 層（43.3—76.7 cm）＞第3 層（76.7—110 cm）。WIC 從播種后75 d（2016）、70 d（2017） 即在蕾期末花鈴期初各層土壤溫度達(dá)到最大值， 且每層之間的變化幅度也較其它時(shí)期大，之后各層土壤溫度開始緩慢下降，第1 層土壤溫度下降速度最快，很快下降到與第2 層土壤溫度大致相同，到吐絮成熟末期第1 層的土壤溫度下降到最低。WDC 播種時(shí)間晚于WIC 1 個(gè)月，生育前期土壤溫度在上升過程中有降低的情況（尤其是第1 層表現(xiàn)明顯）， 這是受降水的影響。大約播種后50 d（2016 年）、40 d（2017 年）即在蕾期各層土壤溫度達(dá)到最大值， 然后開始緩慢下降，到花鈴期時(shí)下降速度增加。MC 的各層土壤溫度差相對(duì)比較小，土壤溫度在75 d（2016 年）、60 d（2017 年）達(dá)到最大。 由此可見，不同種植模式土壤溫度在生育期變化趨勢(shì)一致，其差異主要與棉花的長(zhǎng)勢(shì)如冠層覆蓋度有關(guān)，年度間的差異主要是受氣候的影響。

圖3 不同層次土壤溫度隨播種后時(shí)間的變化Fig. 3 Changes in soil temperature at different levels with the time after sowing

為了進(jìn)一步了解土壤溫度在不同生育時(shí)期的日變化特征，研究了各生育期土壤溫度日變化情況（圖4）。 在2016 年5 月25 日10—30 cm 土層土壤溫度呈先下降后上升的變化趨勢(shì)， 在8∶00—10∶00 時(shí)出現(xiàn)日最低溫，21∶00—22∶00 時(shí)出現(xiàn)日最高溫；兩熟棉田30—90 cm 每下降20 cm，土壤溫度的最低值出現(xiàn)時(shí)間延后2～4 h，90—110 cm 土壤溫度在24 h 內(nèi)幾乎沒有變化。每下降20 cm（從30 cm 開始）兩熟棉田土壤溫度大約下降0.5 ℃，單作棉田土壤溫度大約下降0.8 ℃。 7 月1日，各層土壤溫度的趨勢(shì)與之前基本一致；隨著晝夜溫差減小，10—30 cm 的土壤溫度變化趨緩，日最低溫出現(xiàn)在上午9∶00， 日最高溫出現(xiàn)在18∶00—20∶00；30—50 cm 變化幅度為0.3～0.4 ℃，大于50 cm 土壤溫度變化平緩，隨著土層加深土壤溫度梯度變小。 單作棉田的土壤溫度和兩熟棉田的土壤溫度差距縮小。 8 月12 日，10—30 cm土壤溫度呈下降- 上升- 下降的趨勢(shì)，WDC 的土壤溫度比WIC 高0.1～0.2 ℃， 比單作棉田土壤溫度高0.2～0.5 ℃。 大于30 cm 土壤溫度在0∶00出現(xiàn)最低溫，最高溫在10∶00 后。受這一時(shí)期雨水的影響土壤含水量比較大，土壤溫度日較差小。9月12 日土壤溫度日較差增大，10～30 cm 土壤溫度日最低溫出現(xiàn)在8∶00～10∶00，日最高溫出現(xiàn)在19∶00～20∶00；隨著土壤深度增加日最低溫和日最高溫出現(xiàn)的時(shí)間延后，大于70 cm 的土壤溫度比較穩(wěn)定。 綜上可以看出兩熟棉田土壤溫度日最低溫出現(xiàn)時(shí)間要比單作棉田早1 h 左右， 而日最高出現(xiàn)的時(shí)間基本一致。 土壤溫度的梯度在麥棉共生期最大，隨著生育期推移逐漸減小。 單作棉花10—30 cm 土壤溫度日較差在苗期最大，之后與兩熟棉田的日較差差距變小，吐絮時(shí)單作棉花的日較差比兩熟棉花的日較差小0.3 ℃。

圖4 不同種植模式不同層次土壤溫度的日變化（2016 年）Fig. 4 Diurnal variation of soil temperature at different levels in different cropping systems（2016 year）

由表2 可知，3 種模式不同生育時(shí)期土壤積溫主要表現(xiàn)為第1 層 （10—43.3 cm）＞第2 層（43.3—76.7 cm）＞第3 層（76.7—110 cm）。 WDC比MC 晚播30 d，土壤平均溫度高，因此從播種到蕾期的時(shí)間也比MC 縮短了8～15 d。 WIC 受小麥遮蔭的影響土壤平均溫度低，從播種到蕾期比MC 延遲3～11 d， 土壤溫度直接影響了棉花從播種到蕾期的時(shí)間，土壤溫度越高所需時(shí)間越短。 從現(xiàn)蕾到開花所需的天數(shù)年際間有差異，在2016 年WIC、WDC、MC 分別為31 d、33 d、30 d；2017 年為25 d、31 d、23 d； 求其日平均溫度發(fā)現(xiàn)2016 年WDC 第1、2、3 層溫度分別為25.4 ℃、23.6 ℃、21.6 ℃，小于WIC 第1、2、3 層溫度26.2℃、24.8 ℃、22.8 ℃， 大于MC 第1、2、3 層溫度24.5 ℃、23.3 ℃、21.4 ℃。 2017 年WDC 和WIC第2 層和第3 層的日平均溫度基本都是25 ℃左右， 第1 層表現(xiàn)為WIC （27.4 ℃）＞W(wǎng)DC （26.6℃）＞MC（25.3 ℃）。 從年際間來看2017 年不同種植模式各層土壤日平均溫度大于2016 年，因此WIC、WDC、MC 在2017 年比2016 年從現(xiàn)蕾到開花分別縮短了6 d、2 d、7 d。 從現(xiàn)蕾到開花年

度內(nèi)土壤溫度和時(shí)長(zhǎng)沒有規(guī)律。 開花到吐絮期：WDC 各層比MC 各層日平均溫度低1.44～3.9℃， 各模式的日平均溫度變化差異逐層降低。WDC 的花鈴期持續(xù)時(shí)間比MC 多14～15 d，WIC 和MC 各層日平均溫度相差1.1 ℃之內(nèi)，持續(xù)時(shí)間相差±2 d。總體表現(xiàn)為生育期內(nèi)日平均土壤溫度越高，該生育時(shí)期持續(xù)的時(shí)間越短。 從年際間來看，2017 年各模式的土壤溫度比2016 年的土壤溫度偏高，WIC、WDC、MC 開花到吐絮期的時(shí)間2017 年比2016 年分別 增長(zhǎng)12 d、7 d、8 d，年際間的差異受氣候的影響比較大。

表2 不同種植模式棉花各生育期天數(shù)和土壤積溫Table 2 Date and accumulated soil temperature of growth stages for different cropping systems

2.5.1葉面積動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)。 播種后天數(shù)與葉面積指數(shù)LAI 在生育期內(nèi)呈二次曲線的關(guān)系（圖5）。 不同種植模式棉花LAI 的變化顯著不同。 LAI 隨著播種后天數(shù)呈先上升后下降的趨勢(shì)。 LAI 變化范圍在2.77～5.05。 2016 年和2017 年MC 的LAI峰值最大，最大值分別為：5.05 和4.02，出現(xiàn)在播種后95 d 左右；WDC 的LAI 最大值分別為3.39、2.77，分別出現(xiàn)在播種后105 d、115 d 左右；WIC 的LAI 最大值分別是3.40、3.42， 出現(xiàn)在播種后95 d、105 d 左右。 MC 的LAI 達(dá)到最大值的時(shí)間要比WDC 早10～20 d。

圖5 不同種植模式葉面積指數(shù)的變化Fig. 5 Variation of LAI in different cropping system

2.5.2生物量的累積變化。 通過Logistic 曲線充分描述了生物量的累積過程， 擬合方程為y＝k/（1＋aebx），R2≥0.96 （表3），k值代表理論上的最大生物量。 在2016 年MC 的生物量累積大于兩熟棉花的生物量，兩熟棉花的生物量表現(xiàn)為WIC＞W(wǎng)DC。在2017 年生物量是WIC＞MC＞W(wǎng)DC。對(duì)擬合公式y(tǒng)＝k/（1＋aebx）進(jìn)行求導(dǎo)，結(jié)果如表3所示。WIC 最大增長(zhǎng)速率的起始時(shí)間和終止時(shí)間均晚于其他兩種模式，且最大速率累積持續(xù)期也低于其它兩種模式。WIC 在2016、2017 年的最大速率累積持續(xù)期比MC 少1～2 d，最大速率小于MC， 表現(xiàn)為累積時(shí)間長(zhǎng)、 累積速度慢的規(guī)律。WDC 由于播種晚， 相對(duì)比MC 的最大增長(zhǎng)速率起始時(shí)間縮短了4～13 d， 最大增長(zhǎng)速率終止時(shí)間提前10～11 d。 最大速率累積持續(xù)期在2016年WDC 比MC 多2 d， 在2017 年WDC 比MC少4 d。WDC 棉花播種晚，生育前期氣溫高，棉花生長(zhǎng)發(fā)育比較快，但生育后期土壤溫度及外界溫度有所降低，生物量的累積不夠，影響生物量的形成。

表3 2016 年和2017 年不同種植模式生物量累積模擬方程Table 3 Simulation equation of biomass accumulation for different cropping system in 2016 and 2017

2.5.3土壤積溫與生物量的關(guān)系。 各層土壤積溫與生物量呈線性關(guān)系， 各層之間的R2均大于等于0.91（圖6）。 土壤積溫是影響棉花產(chǎn)量的一個(gè)因素， 但土壤溫度的變化是一個(gè)整體的微系統(tǒng)，各層土壤溫度的變化比較小，因此不同種植模式各層土壤溫度與累積生物量之間的關(guān)系差異不大。

圖6 不同種植模式不同層次土壤積溫與累積生物量的關(guān)系Fig. 6 Relationship between accumulated soil temperature and accumulated biomass of different layers in different cropping system

土壤溫度在10—40 cm 的垂直方向變化相對(duì)復(fù)雜， 在大于40 cm 深度的水平方向變化平緩。 這主要是由于太陽(yáng)輻射、作物生長(zhǎng)狀況，土壤含水量以及農(nóng)事活動(dòng)的影響[14]。 劉鳳山等對(duì)根系特征的分布的研究表明根系具有喜溫向水的特性，0—40 cm 土層的根系生態(tài)位指數(shù) （RENI）占總RENI 的86.8%[15]。 由此可見，不同種植模式土壤溫度的變化會(huì)經(jīng)由根系影響棉花的生長(zhǎng)發(fā)育。另外吐絮期90—110 cm 土層土壤溫度變化比較大，是由于外界溫度降低，在90—110 cm 土層土壤溫度較高，土壤溫度向上傳遞，且受土壤含水量的影響，導(dǎo)致了這一層的變化明顯。 在不同種植模式的配置中，土壤日平均溫度變化明顯。 從兩熟棉花與單作棉花的空間變化比較圖可以看出空間內(nèi)相同位置土壤溫度的差異，在麥棉共生期，單作棉田的土壤平均溫度比兩熟棉田土壤平均溫度高1～3 ℃， 這與毛樹春等之前的研究結(jié)果一致[8]。 WIC 與WDC 雖然各層次存在差異但總平均溫度差異不大，這是因?yàn)閃IC 3-1 式麥套棉花處于苗期植株個(gè)體小，主要還是受小麥的影響比較大。 這也是兩熟模式中棉花弱苗遲發(fā)的重要原因[9-10，16]。 共生期間土壤溫度出現(xiàn)了波浪狀的走勢(shì)， 這是共生期2 次灌溉對(duì)土壤溫度的影響，灌溉使得土壤溫度先增大后減小[17]。 因此在管理上可以通過調(diào)節(jié)兩熟棉田灌溉的時(shí)間和量來緩解土壤溫度對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響。 在圖2 B 中MC和WIC 處于蕾期、WDC 處于苗期時(shí)， 從空間分布剖面圖大致可以看出在10—40 cm 兩熟棉花的土壤溫度大于單作棉花的土壤溫度，40—110 cm 的規(guī)律正好相反， 這有可能因?yàn)橐环矫鎃IC和WDC 的麥茬截留了部分太陽(yáng)輻射， 另一方面MC 的棉花苗壯葉面積大遮蔭嚴(yán)重[18]，麥棉兩熟和單作棉花土壤溫度的差異是這兩方面綜合影響的結(jié)果。 圖2 C 中MC 和WIC 處于花鈴期、WDC 處于蕾期時(shí)， 各種植模式棉田土壤溫度差異縮小，單作棉田土壤溫度稍低于兩熟棉田的土壤溫度， 此時(shí)期MC 葉片已經(jīng)達(dá)到最大并封行，棉花遮蔭導(dǎo)致單作棉田的土壤溫度低于兩熟棉田。在吐絮期，MC 進(jìn)入吐絮期較早，葉片脫落多，土壤接受來自太陽(yáng)輻射的熱量較多，所以兩熟棉花的土壤溫度低于單作棉花的土壤溫度。

不同種植模式相同深度的土壤溫度24 h 的日變化趨勢(shì)一致，隨著土壤深度的增加土壤溫度的日最低溫和日最高溫均有滯后的情況[19]。 由圖4 可以看出大于30 cm 各層次的土壤溫度的梯度隨著生育期逐漸減小。 單作棉田土壤溫度明顯高于兩熟棉田土壤溫度是因?yàn)閱巫髅藁ㄔ诿缙谥晾倨陔A段植株矮小且沒有小麥遮蔭，可以直接得到太陽(yáng)輻射的熱量。 如何提高兩熟棉花苗、蕾期的土壤溫度促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)是需要進(jìn)一步解決的問題。 花鈴期雨水增多，土壤的導(dǎo)熱率增加，土壤熱擴(kuò)散率增加[20]，因此土壤溫度的導(dǎo)熱性更好，土壤溫度的日變化趨勢(shì)與其它生育時(shí)期不同，10—30 cm 土壤溫度日較差減小。 此時(shí)期麥后棉花和麥套棉花長(zhǎng)勢(shì)快，單作棉田和兩熟棉田的土壤溫度差異縮小。 10—30 cm 土壤比較干燥時(shí)接收太陽(yáng)直射后吸收熱量快、升溫快，所以土壤溫度高；晚上沒有持續(xù)的熱源所以散熱快、土壤溫度低，因此晝夜溫差大。

在土壤日平均溫度隨天數(shù)上升的過程中，第1 層（10～43.3 cm）＞第2 層（43.3～76.7 cm）＞第3 層（76.7～110 cm），反映了土壤溫度是響應(yīng)氣溫變化的。 各層的土壤積溫除了2017 年WIC播種到現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾到開花階段的第2、3 層相差甚微以及WDC 開花到吐絮期（土壤積溫第2 層＞第1 層＞第3 層）外，其它均與土壤日平均溫度的變化規(guī)律一致。 WIC、WDC、MC 分別在播種后70～75 d、40～50 d、60～75 d 日平均溫度達(dá)到最大值， 可見土壤溫度是在WIC 和MC 處于蕾期末和初花期、WDC 在蕾期時(shí)土壤溫度達(dá)到最大值。 WDC 晚播1 個(gè)月，土壤平均溫度高，因此從播種到現(xiàn)蕾的時(shí)間比MC 縮短了8～15 d。 WIC從播種到現(xiàn)蕾比MC 延遲3～11 d， 日平均溫度進(jìn)入最大值也比MC 的晚，相差10 d 之內(nèi)，這主要受小麥遮蔭和棉花長(zhǎng)勢(shì)的綜合影響。 從現(xiàn)蕾到開花土壤溫度和持續(xù)時(shí)間沒有規(guī)律，此時(shí)期土壤日平均溫度比較高， 對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響比較小，棉花主要受外界日照時(shí)間、土壤水分、大于20℃日積溫等影響更大[21-22]。 開花到吐絮階段，各層土壤日平均溫度表現(xiàn)為WDC 比MC 低1.44～3.9 ℃，WDC 比MC 此時(shí)期持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)14～15 d；WIC 和MC 各層土壤平均溫度相差1.1 ℃之內(nèi)，其持續(xù)時(shí)間與MC 相差±2 d，這時(shí)期的土壤溫度還可能影響棉花品質(zhì)[23]，有待進(jìn)一步研究。 總體表現(xiàn)為日平均溫度越高，該生育時(shí)期歷時(shí)越短。 年際間的差異受氣候的影響比較大[24-25]。

不同種植模式LAI 顯著不同， 由于播期不同，WDC（6 月15 日播種）的LAI 顯著小于播期是5 月15 日的MC 和WIC，而WIC 苗期受到套種小麥的影響，它的LAI 值小于MC。LAI 決定了PAR 的截獲，WIC 中的光吸收主要由每種套種作物的葉面積指數(shù)和遮蓋結(jié)構(gòu)所決定[26]。 待小麥?zhǔn)斋@后，棉花解除蔭蔽以及其他競(jìng)爭(zhēng)，棉花生長(zhǎng)發(fā)育的速度加快，LAI 值的大小也間接反映了不同種植模式的遮蔭情況。 據(jù)報(bào)道，不利的土壤溫度通過影響根系結(jié)構(gòu)、功能以及根系對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收量來改變植株地上部分的水分和營(yíng)養(yǎng)狀況[27]。 當(dāng)水分虧缺時(shí)會(huì)出現(xiàn)膨壓下降、氣孔關(guān)閉，從而光合生產(chǎn)力下降，限制了葉片的生長(zhǎng),最終影響產(chǎn)量[27]。

通過Logistic 曲線反應(yīng)了生物量的累積增長(zhǎng)的過程，MC 最早進(jìn)入了快速增長(zhǎng)期。 WIC 兩年差異較大，2016 年進(jìn)入最大增長(zhǎng)速率起始時(shí)間與MC 只差2 d， 而在2017 年進(jìn)入最大增長(zhǎng)速率起始時(shí)間比MC 晚44 d，且最大速率小，它的LAI最大值出現(xiàn)時(shí)間比MC 晚10 d， 這是由于2017年共生期小麥長(zhǎng)勢(shì)良好，棉行遮蔭郁蔽,嚴(yán)重影響了棉花前期的生長(zhǎng)。 從第一次取樣的生物量和LAI 來看，2016 年比2017 年分別高3 倍左右，且解除蔭蔽后期營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)比較旺盛，因此對(duì)于套作棉花生育前期不僅要提高土壤溫度解決弱苗遲發(fā)的問題， 還需要減輕小麥對(duì)棉花遮蔭的影響，提高棉花的光截獲率。 WDC 播期晚，WDC 比MC 進(jìn)入最大增長(zhǎng)速率起始時(shí)間晚， 且最大速率較小， 這是導(dǎo)致生物量累積不足的一個(gè)明顯表現(xiàn)，與前人的研究表現(xiàn)一致[28]。 另外，土壤溫度與棉花生理方面的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。

不同種植模式棉田受種植方式、遮蔭、水分等影響，10—110 cm 土壤溫度的時(shí)空特征不同，間接影響了棉花的生長(zhǎng)發(fā)育。 土壤溫度主要影響了棉花出苗到現(xiàn)蕾和開花到吐絮期的持續(xù)時(shí)間，對(duì)現(xiàn)蕾到開花持續(xù)時(shí)間的影響不明顯。 日平均溫度越高，該生育時(shí)期持續(xù)時(shí)間越短。 同一時(shí)期兩熟棉花土壤溫度最低溫出現(xiàn)的時(shí)間要比單作棉花早1 h 左右，最高溫出現(xiàn)的時(shí)間基本一致。在管理上可以通過調(diào)節(jié)灌溉的時(shí)間和量來緩解土壤溫度對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響。 不同種植模式的土壤積溫與生物量擬合呈線性關(guān)系，因此提高苗期和開花到吐絮期的土壤積溫對(duì)兩熟棉花出苗和吐絮都是有益的。 本文以期為不同種植模式的合理配置與管理提供理論依據(jù)，今后會(huì)進(jìn)一步研究土壤溫度對(duì)棉花生理方面的影響。