冬小麥生長期土壤耕層溫濕度和地表、冠層溫度變化特征及其相互關(guān)系

陳曉萍， 曹雪仙， 陳文偉， 唐旭

(1.天臺縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 臺州 317200； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

溫度是影響植物生長的主要生態(tài)因子，氣溫對植物的生理效應(yīng)早已受到普遍重視[1-2]，但由于植物生長在土壤中，因此，植物的生長發(fā)育可能對土壤溫度更加敏感，而且土溫控制著土壤中的生物化學(xué)過程，直接影響作物光合作用、營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和二氧化碳吸收等許多生理過程[3-7]。但是土壤溫度受到實際氣象條件、地形、土壤質(zhì)地、地表植被類型及冠幅、土壤水分等諸多因素的共同影響，是大氣與陸地表面水熱循環(huán)共同作用的結(jié)果。相對于氣溫，土壤溫度的觀測和資料的獲取更加復(fù)雜和繁瑣。目前由于當(dāng)?shù)貧庀笈_站和試驗地地理位置不同，所獲得的觀測數(shù)據(jù)通常難以滿足生產(chǎn)和研究工作的需求。雖然利用曲管地溫表[8-10]能原位監(jiān)測土壤溫度變化，但缺乏連續(xù)性和系統(tǒng)性。Liu等[11]利用帶溫度探頭的數(shù)據(jù)采集器(CR1000)原位連續(xù)監(jiān)測2012年7月1日—10月31日4個月每月20日8：00、14：00和22：00時間點稻田不同土壤深度的溫度來研究施用生物炭對冷浸田土壤溫度的影響。陳繼康等[12]采用銅-康銅熱電偶分別測定氣溫及土壤埋深2.5、5、10、20、40和80 cm處土壤溫度，每10 min測定1次，30 min進行平均，利用CR10X型數(shù)據(jù)采集儀自動記錄檢測數(shù)據(jù)來研究華北平原不同耕作方式冬小麥田土壤溫度日變化及其對氣溫的響應(yīng)特征。上述的研究表明，隨著科技的發(fā)展，利用現(xiàn)代的土壤溫度數(shù)據(jù)采集器能夠?qū)崿F(xiàn)原位、連續(xù)監(jiān)測的目的，但還缺少更多佐證。

冬小麥?zhǔn)俏覈饕霓r(nóng)作物之一，2020年中國小麥播種面積2 338萬hm2[13]。了解冬小麥生長期土壤溫度和濕度時空特征對冬小麥養(yǎng)分管理非常重要。但目前國內(nèi)缺乏對冬小麥生長期環(huán)境溫濕度進行實時連續(xù)監(jiān)測和系統(tǒng)化、定量化研究，因此，本研究在浙江省天臺縣利用溫濕度儀原位實時同步監(jiān)測麥田冠層、地表和土壤耕層溫度及其土壤耕層濕度，研究作物整個生長期土壤溫濕度與冠層溫度和地表溫度的關(guān)系及其變化規(guī)律，為冠層和地表溫度應(yīng)用于麥田墑情監(jiān)測以及為冬小麥生產(chǎn)和管理提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測地點

研究區(qū)設(shè)在浙江省臺州市天臺縣街頭鎮(zhèn)湖酋村(29°5′53″N，120°47′20″E)。試驗地區(qū)以低山、丘陵地貌為主。氣候?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，又因四周山體環(huán)繞，中間低平，而小區(qū)域氣候特征顯著，帶有一定的盆地氣候特征。年平均氣溫16.8 ℃，年降水量1 300～1 600 mm，年無霜期238 d，年日照時數(shù)1 875.3 h。試驗地塊農(nóng)田排灌便利，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，粒徑≤0.002 mm的土壤占4.32%，耕層土壤(0～20 cm)pH 4.77、有機質(zhì)含量為18.4 g·kg-1、全氮含量為1.23 g·kg-1、堿解氮含量為115.7 mg·kg-1、有效磷含量為15.0 mg·kg-1、速效鉀含量為111.9 mg·kg-1。

監(jiān)測點前茬作物為水稻，冬小麥于2019年11月23日播種，蒞年5月13日收獲，生育期172 d，供試冬小麥品種為蘇麥188號。冬小麥氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)肥施用量分別為150、65和102 kg·hm-2，磷鉀肥作基肥一次性施入。氮肥分3次施用，基肥、分蘗肥和孕穗肥各占40%、40%和20%。氮肥用尿素(46%)、磷肥用鈣鎂磷肥(12%)、鉀肥用氯化鉀(60%)。田間管理按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培措施進行。

1.2 數(shù)據(jù)采集

將數(shù)據(jù)采集器(捷克Tomst TMS-4)插到土壤中每隔15 min采集一次冠層(6 cm)、地表(0 cm)溫度和地表下6 cm耕層溫度和濕度(體積含水率)數(shù)據(jù)。

1.3 統(tǒng)計分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)采用Excel軟件進行整理，并采用SAS統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 時空變化

在冬小麥播種后，收獲前(2019年11月23日—2020年5月13日)土壤耕層溫度在6.56～22.6 ℃，172 d平均溫度為12.8 ℃(圖1)。每日溫差在0～4.50 ℃，平均日溫差為2.18 ℃。整個生長期最低溫度出現(xiàn)在2020年2月1日8：00(6.56 ℃)，而最高溫度出現(xiàn)在2020年5月4日15：00(22.6 ℃)，溫差為16.0 ℃。整個生育期土壤耕層溫度均在0 ℃以上。

圖1 土壤耕層溫度的時空變化

在小麥生長期地表土壤溫度在0.06～32.5 ℃，平均溫度為12.5 ℃(圖2)。比耕層平均溫度低0.3 ℃(圖1)。日溫差在0.69～15.9 ℃，平均日溫差7.15 ℃，比土壤耕層高4.97 ℃。整個生長期最低地表溫度出現(xiàn)在2019年12月8日7：00(0.06 ℃)，最高地表溫度出現(xiàn)在2020年5月4日13：00(32.5 ℃)，溫差32.4 ℃，比耕層相應(yīng)溫差值(16.0 ℃)高16.4 ℃。與土壤耕層溫度相比，地表溫度易受到氣溫等外界環(huán)境因素的影響，而耕層溫度變化比較平緩，溫差相對較小。圖3數(shù)據(jù)表明，土壤耕層溫度與地表溫度呈極顯著正相關(guān)(R2=0.932 4**)，土壤耕層溫度隨地表溫度變化而上下波動。整個生育期土壤地表溫度也均在0 ℃以上。

圖2 土壤地表溫度的時空變化

小麥冠層溫度在-5.31～40.9 ℃，平均冠層溫度為11.7 ℃(圖4)，比土壤耕層和地表相應(yīng)溫度分別低1.1 ℃和0.8 ℃。日溫差在1.38～24.6 ℃，平均日溫差為12.4 ℃，比土壤耕層和地表相應(yīng)溫度平均值高10.2和5.25 ℃。整個生長期最低溫度出現(xiàn)在2020年2月1日6：00(-5.31 ℃)，最高溫度出現(xiàn)在2020年5月4日13：00(40.9 ℃)，溫差46.2 ℃，比土壤耕層和地表相應(yīng)溫差分別高29.4和13.0 ℃。與土壤耕層和地表溫度相比，冠層溫度更易受到外界因素的影響，溫差變化大。在整個生長期有26 d最低溫度低于0 ℃。圖3數(shù)據(jù)表明，土壤耕層溫度與冠層溫度也呈極顯著正相關(guān)(R2=0.965 6**)，而且從相關(guān)系數(shù)上看，土壤耕層溫度與冠層溫度關(guān)系更為緊密。

圖3 小麥生長期土壤耕層溫度與地表、冠層溫度間的關(guān)系

圖4 冠層溫度的時空變化

整個生育期土壤耕層濕度在26.9%～55.1%，平均濕度44.5%。日濕度差在0.10%～20.7%，平均濕度差1.79%(圖5)。整個生長期最低濕度出現(xiàn)在2020年4月20日19：00，而最高濕度出現(xiàn)在2020年2月15日19：00，濕度差為28.2%。土壤耕層濕度與土壤耕層、地表和冠層溫度均呈極顯著負(fù)相關(guān)(圖6)，隨著溫度的提高，濕度顯著降低。從相關(guān)系數(shù)上看，土壤耕層濕度與冠層溫度(R2=0.204 4**)，關(guān)系更為密切，其次是土壤耕層溫度(R2=0.191 7**)和地表溫度(R2=0.184 6**)。

圖5 土壤耕層濕度的變化

圖6 土壤耕層濕度與土壤耕層、地表和冠層溫度間的關(guān)系

2.2 月變化

在小麥播種的11月，土壤耕層溫度月平均值為14.8 ℃，出苗后溫度慢慢下降，到了蒞年1月份降到最低點10.4 ℃，然后溫度開始升高，小麥也開始進入孕穗抽穗期，到了5月小麥進入成熟期，溫度達(dá)到最高值，平均20.8 ℃(圖7)。每月溫差在4.25～10.1 ℃，平均8.18 ℃。最大溫差出現(xiàn)在12月份(10.1 ℃)，5月份溫差最小(4.25 ℃)。土壤地表溫度月變化趨勢與耕層的相似，在小麥進入成熟期的5月份平均值最高，為21.9 ℃，而1月份溫度最低，平均溫度只有9.23 ℃。但月溫差在13.6～25.3 ℃，平均19.3 ℃，遠(yuǎn)高于土壤耕層月溫差值。與耕層溫度月變化相似，最高月溫差也出現(xiàn)在12月份(25.3 ℃)，而在3月份溫差最小(13.6 ℃)。冠層月平均溫度也是在5月份最高，為22.5 ℃，而1月份溫度最低，平均為7.86 ℃。月溫差在26.1～35.6 ℃，平均30.4 ℃。溫差最大是在2月份(35.6 ℃)，而在5月份溫差最小(26.1 ℃)。與溫度的變化趨勢相反，在11月份耕層土壤濕度月平均值為39.1%，然后慢慢上升，2月份達(dá)到最高值，為49.7%，而后開始下降，到4月份又降低到39.1%，然后再上升。每月濕度差在9.62%～25.4%，整個生長期平均月濕度差為16.7%。濕度差最大是在4月份(25.4%)，而在11月份最小為9.62%。

圖7 土壤耕層溫度、地表溫度、冠層溫度和土壤耕層濕度月平均值、最高最低及其溫度差

2.3 日變化

在一天(24 h)中土壤耕層溫度在早上8：00左右最低(平均溫度為12.3 ℃)，隨后上升，到下午16：00達(dá)到最高值(平均12.3 ℃)，而后慢慢下降(圖8)，日溫差為1.68 ℃。地表溫度在6：00左右最低(平均10.2 ℃)，比耕層最低溫度值提前2 h出現(xiàn)，隨后溫度上升，到13：00達(dá)到最高值(平均16.3 ℃)，比耕層溫度最高值提前3 h出現(xiàn)，然后溫度慢慢下降(圖8)。一天中土壤地表平均溫差6.1 ℃，比土壤耕層溫度相應(yīng)差值高4.42 ℃。冠層溫度在早上5：00左右最低(平均7.85 ℃)，比耕層最低溫度值提前1 h出現(xiàn)，隨后溫度上升，與地表溫度規(guī)律相同，整個生育期冠層溫度日最高值出現(xiàn)在13：00，平均溫度高達(dá)18.0 ℃，然后慢慢下降(圖8)。冠層溫度日最高與最低平均差值為10.2 ℃，比土壤耕層和地表溫度相應(yīng)差值分別高8.52和4.1 ℃。但是與溫度變化規(guī)律相反，耕層濕度在早上6：00左右最高(平均44.8%)，隨后下降，到17：00達(dá)到最低(平均44.3%)，再慢慢上升。但一天中土壤耕層濕度差值很小，僅為0.45%(圖8)。

圖8 一天中每小時耕層、地表、冠層溫度和耕層土壤濕度變化

3 小結(jié)與討論

在冬小麥生長期，土壤耕層平均溫度高于地表和冠層溫度，但日溫差低于地表和冠層的溫差，冠層溫度受氣溫影響更大，而耕層溫度更穩(wěn)定。在5月，土壤耕層、地表和冠層溫度均最高，而12月份土壤耕層和地表溫度最低(冠層溫度1月份最低)。在一天中冠層溫度在早上5：00溫度最低，地表溫度最低值出現(xiàn)時間推遲了1 h，而耕層溫度的日最低值在8：00，推遲了3 h。隨后溫度慢慢上升，到13：00冠層和地表溫度達(dá)到最高值，而耕層溫度最高值出現(xiàn)時間推遲到16：00。同樣延遲了3 h。土壤濕度變化規(guī)律正好與溫度變化趨勢相反，2月份土壤濕度最高，而4月份濕度最低。在一天中耕層濕度在6：00左右最高，到17：00達(dá)到最低值。土壤耕層溫度與冠層和地表溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，且與冠層溫度變化更為緊密。土壤耕層濕度與土壤耕層、地表和冠層溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。