南疆膜下滴灌棉田土壤溫度時空變化規(guī)律研究

姚寶林，程 晨，楊 晨

(塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

土壤溫度影響作物生長發(fā)育進(jìn)程和作物品質(zhì)[1,2]。通過地表覆蓋措施調(diào)控土壤水分狀況進(jìn)而改善土壤溫度的時空變化是目前廣泛采用的一種農(nóng)業(yè)措施[3-6]。南疆塔里木盆地具有豐富的光熱資源，是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，也是我國優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，覆膜栽培技術(shù)和滴灌技術(shù)有機(jī)結(jié)合形成的膜下滴灌技術(shù)具有協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱的分布狀況，滿足棉花生長發(fā)育的生理需求，具有苗齊、苗壯、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的效果[7,8]。賀歡(2009年)[9]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜對土壤的增溫效應(yīng)主要在棉花生長前期，土壤溫度最大日幅與深度有很好的相關(guān)性；申孝軍(2011年)[10]對棉花膜下滴灌土壤溫度變化研究表明表層地溫的變化滯后于氣溫的變化，滯后時間隨著土壤深度的增加而延長，地表40 cm以下土壤溫度的日變化十分微弱，幾乎不受太陽輻射日變化的影響；李萌(2015年)[11]發(fā)現(xiàn)5 cm土層土壤溫度受氣溫的影響最密切，15 cm以下氣溫對土壤溫度的影響不顯著。

目前對膜下滴灌棉花生育期土壤溫度時空變化研究較多，但針對南疆免冬春灌“干播濕出”滴水出苗土壤溫度變化研究較少，本文通過監(jiān)測膜下滴灌棉花生育期土壤剖面溫度，進(jìn)一步明確膜下滴灌棉花生育期寬行、窄行和膜間土壤溫度時空分布規(guī)律，為南疆棉花膜下滴灌可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本概況

試驗于2015在塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院試驗基地(79°23′33″～81°53′45″E，40°20′00″～41°47″18″N)進(jìn)行，海拔高度1 020 m，年均氣溫10.8 ℃，年均降水量40.1～82.5 mm，年均蒸發(fā)量1 976.6～2 558.9 mm，為典型極端干旱氣候區(qū)，地下水埋深在3 m以下。2015年棉花生育期日均溫度與太陽輻射見圖1所示。日均溫度與太陽輻射出現(xiàn)先增加后逐漸減小的趨勢，日均溫度最高為30.34 ℃，日均太陽輻射量最大為3.28 kJ/cm2。

圖1 試驗期間日均氣溫與太陽輻射量變化Fig.1 Daily average temperature and solar radiation during experiment periods

1.2 試驗項目與方法

膜下滴灌棉花種植模式為“一膜兩帶四行”，采用“干播濕出”滴水出苗方式，棉花供試品種為“新陸中28”，4月中旬進(jìn)行棉稈拔除、清地、犁地、耙地、敷帶覆膜、播種等耕作環(huán)節(jié)，犁地時施入尿素180 kg/hm2，磷酸二氫銨225 kg/hm2，硫酸鉀鎂150 kg/hm2。棉花生育期分四次隨水滴施棉花滴灌專用肥450 kg/hm2，噴施縮節(jié)安化控4次。膜下滴灌毛管采用單翼迷宮式滴灌帶，滴頭流量實測1.8L/h，滴頭間距30 cm。試驗區(qū)面積約0.2 hm2，生育期灌水12次，灌水定額為20～30 mm，由一條支管控制，由水表讀取灌水量。土壤溫度測定位置分別在膜間(1號)、滴灌帶下(2號)和寬行(3號)3個位置，采用多通道土壤溫度自動采集系統(tǒng)進(jìn)行測定，記錄時間間隔為1 h，各位置溫度計探頭埋深分別為5、10、15、20、30、40、60 cm，共計7個土壤深度，監(jiān)測自2015年4月20日棉花播種始至2015年10月31日收獲完畢截止，種植模式和溫度測定位置見圖2所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花生育期不同位置土壤溫度時空變化

棉花生育期土壤溫度變化見圖3所示。寬行、窄行和膜間土壤溫度隨時間變化與氣溫變化具有相同的變化趨勢，棉花生育前期土壤溫度變幅大于后期，淺層土壤溫度波動劇烈，隨土壤深度的增加土壤溫度變化趨于平緩，各層土壤溫度表現(xiàn)為寬行>窄行>膜間。主要是4、5月份棉花處于萌芽和幼苗生長階段，氣溫對土壤溫度的影響明顯，隨著棉株生長，在棉花生長旺盛的花鈴期，棉花生長達(dá)到最大葉面積指數(shù)[12]，寬行、窄行和膜間逐漸形成了作物覆蓋，不同位置和深度土壤溫度波動幅度減小，波形趨于一致，至吐絮期末和收花階段地膜的保溫效果使不同位置土壤溫度變幅出現(xiàn)小幅增加。

圖2 一膜兩帶四行種植模式與土壤溫度示意圖(單位：cm)Fig.2 Field scheme of 4 cotton row with 1 dripping pipes under plastic film mulching and soil temperature sampling point

圖3 棉花生育期日均土壤溫度變化Fig.3 Daily average soil temperature change during cotton growth periods

棉花生育期不同時間土壤活動積溫見圖4。土壤晝夜溫差均隨土壤深度的增加逐漸減小，變化比較穩(wěn)定。寬行、窄行和膜間土壤溫度對氣溫的響應(yīng)趨勢一致，土壤溫度均呈“錐形”分布。地膜覆蓋有助于提高各時間段的土壤活動積溫，如5 cm處寬行比窄行和膜間生育期活動積溫2∶00、8∶00、14∶00和20∶00分別增加了262.73、345.66、306.47、162.61 ℃和484.14、472.81、74.31、223.64 ℃，棉花生育期寬行、窄行和膜間5 cm處活動積溫日較差為1 033.53、1 216.575和1 465.74 ℃，隨土壤深度的增加至60 cm處日較差分別減小為9.36、95.3和28.89 ℃，這主要是透明地膜具有較低的短波反射率、較高的短波透射率和長波發(fā)射率等特點，有助于在地表產(chǎn)生較大的凈輻射，使地膜覆蓋的土壤溫度表現(xiàn)升高；同時地膜隔絕了土壤與外界的水分交換，消除了潛熱(地表蒸發(fā)時液態(tài)水汽化所吸收的熱量)交換損失；減弱了土壤與外界的濕熱交換，增加土壤熱通量，從而提高土壤溫度[3]。

2.2 棉花生育期土壤溫度日變化的差異

如圖5所示，氣溫和棉花生育階段的不同土壤日變化有所差異。淺層土壤與大氣熱交換頻繁，其溫度受氣溫變化影響明顯，隨土壤深度的增加太陽輻射傳遞的熱量越少，受外界的影響減弱，土壤溫度變幅也越小。苗期覆膜增溫效應(yīng)明顯，5 cm深度土壤最高溫度比日最高氣溫高4.1 ℃，土壤晝夜溫差為15.9 ℃，隨棉花葉面積增加至花鈴期日最高氣溫比5 cm土壤日最高溫度高7.7 ℃，減小了氣-地溫之間的溫差，地膜覆蓋具有平抑土壤溫度變化的作用。吐絮期大氣溫度處于降溫階段，此時日氣溫差擴(kuò)大為18.6 ℃，而5 cm土壤日地溫差為4.3 ℃，此時地膜覆蓋減緩?fù)寥罍囟鹊慕档途哂斜刈饔谩?/p>

圖4 不同位置不同時間土壤活動積溫圖Fig.4 Soil accumulated temperature on different point and time

圖5 寬行土壤溫度日變化特征Fig.5 Daily dynamic changes of soil temperature under film mulch

2.3 棉花不同生育期土壤溫度變化

棉花不同生育階段土壤溫度呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。表層土壤是太陽輻射能量頻繁交換的土層，一般將棉種萌芽時5 cm深度土壤溫度超過12 ℃時稱為土壤生物學(xué)零度，棉花出苗和生長不但與土壤溫度有關(guān)，還與土壤有效積溫有關(guān)。棉花不同生育階段5 cm深度土壤溫度見表1所示。棉花不同生育階段均表現(xiàn)為寬行間和窄行間土壤溫度均高于膜間。發(fā)芽出苗階段日氣溫平均為19.67 ℃，寬行和窄行土壤溫度高于氣溫4.11、1.67 ℃，而膜間土壤溫度低于氣溫0.35 ℃，由于此時地表尚無形成棉株覆蓋，地膜的保溫增溫效果明顯，膜下較高的土壤溫度有效地促進(jìn)了棉種的萌芽和出苗，保證了幼株的成活率。進(jìn)入花鈴期后，棉株在地表形成了較為茂密的作物覆蓋,棉花葉面積指數(shù)達(dá)到最大[12]；另一方面由于滴灌的灌溉，導(dǎo)致土壤含水率增加，濕土的熱容量較干土大，濕土吸收相同的熱量后升溫較干土小，使寬行、窄行和膜間土壤溫度均小于氣溫，分別小0.29、0.92和1.55 ℃。吐絮期氣溫開始降低，棉株下部葉片已經(jīng)脫落，棉花葉面積減小，遮蔭率降低，寬行和窄行土壤溫度高于氣溫，而膜間小于氣溫，隨著棉花葉面積和氣溫的進(jìn)一步降低，覆膜的保溫效果逐漸增強(qiáng)，至收花結(jié)束寬行、窄行5 cm土壤溫度比平均氣溫高2.29和0.98 ℃，而膜間低0.33 ℃。地膜覆蓋在棉花出苗期發(fā)揮了重要的增溫作用，可以有效保障棉花出苗，在生育期的后幾個階段，覆膜的增溫功能因作物覆蓋逐漸喪失，但作物冠層可以避免陽光對土壤的直射，降低土壤水分蒸發(fā)，一定程度上代替地膜的保墑作用?？梢娔は碌喂鄺l件下，土壤水熱呈現(xiàn)出特殊的時間和空間分布，氣象條件、土壤水分、地膜和棉株覆蓋4個因素作用于棉花生長的不同階段，形成了地溫隨生育期變化和分布的不同規(guī)律[13]。

表1 不同生育階段5 cm深度土壤溫度變化 ℃

2.4 棉田土壤溫度與氣溫的關(guān)系

以棉田土壤日均溫度為因變量Ts，日平均氣溫Ta為自變量進(jìn)行統(tǒng)計分析，棉花生育期日均土壤溫度與日均氣溫具有較好的線性關(guān)系，即：

Ts=a+bTa

(1)

表2可以看出淺層土壤日均溫度與日均氣溫線性相關(guān)性好于下層，淺層膜間土壤溫度相關(guān)性好于窄行和寬行。

表2 棉花生育期土壤溫度與氣溫的關(guān)系Tab.2 Soil temperature and air temperature under cotton growth periods

3 結(jié) 論

南疆棉花“干播濕出”膜下滴灌土壤剖面溫度主要受大氣溫度的影響，地膜覆蓋對土壤溫度的影響隨土壤深度的增加而減弱，地膜覆蓋隔斷了土壤與外界的水分和熱量交換，縮小土壤溫度日較差，使土壤溫度日變化較氣溫波 動平緩。5～15cm淺層土壤溫度變幅明顯，地表40cm以下土壤溫度的日變化微弱，沒有明顯的升溫和降溫過程，土壤日增溫為寬行>窄行>膜間[4，10，11]。地膜覆蓋可明顯提高膜下滴灌棉花播種-出苗階段淺層土壤溫度，具有增溫效應(yīng)，增溫效應(yīng)為寬行>窄行>膜間；隨棉花生育進(jìn)程推進(jìn)地膜覆蓋對土壤溫度的影響減弱，具有平抑土壤溫度變化的作用；而在吐絮期以后隨氣溫的降低地膜覆蓋出現(xiàn)保溫效應(yīng)。地膜覆蓋可以增加棉花各生育階段土壤活動積溫和有效積溫，積溫為寬行>窄行>膜間。

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