日光溫室玉米秸稈深埋土壤溫度變化規(guī)律研究

龐明亮　李波　姚名澤

摘要：為了研究秸稈深埋條件下東北地區(qū)日光溫室內(nèi)土壤溫度的變化規(guī)律，試驗設(shè)計了秸稈深埋處理和無秸稈深埋處理，分析在灌水條件下和非灌水條件下，隨日光溫室溫度變化過程土壤剖面溫度分布的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在無灌水條件下，與無秸稈處理相比，秸稈深埋處理在0～50 cm范圍內(nèi)土壤平均溫度提高了043 ℃；與無秸稈處理相比，秸稈深埋處理各層土壤溫度變化更加平穩(wěn)，當溫室內(nèi)溫度升高時，秸稈深埋處理積蓄土壤溫度，當溫室溫度下降時，秸稈深埋處理減緩?fù)寥罍囟认陆怠Ｔ诠喔葪l件下，與無秸稈處理相比，秸稈深埋處理在0～50 cm范圍內(nèi)土壤平均溫度提高了1 ℃；秸稈深埋處理加劇了秸稈層上部土壤溫度的變化，與無秸稈處理相比，在灌水過程前期的0～10 h內(nèi)，秸稈深埋處理土壤0～10 cm范圍溫度升高的最大值為5 ℃，平均值為2 ℃。

關(guān)鍵詞：日光溫室；玉米秸稈深埋；滴灌；土壤溫度

中圖分類號： S1528文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2017）16-0231-07

[HJ14mm]

收稿日期：2017-01-26

基金項目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（編號：201303125）；遼寧省自然科學(xué)基金（編號：2015020770）。

作者簡介：龐明亮（1990—），男，山西大同人，碩士，助理工程師，主要從事日光溫室生態(tài)環(huán)境及節(jié)水灌溉理論和技術(shù)研究。E-mail：792516752@qqcom。

通信作者：李波，博士，教授，主要從事日光溫室生態(tài)環(huán)境及節(jié)水灌溉理論和技術(shù)研究。E-mail：250077704@qqcom。[HJ]

土壤溫度是植物生長發(fā)育的重要環(huán)境變量，土壤溫度影響根系的生長，影響生物過程如氮循環(huán)和農(nóng)藥轉(zhuǎn)化[3]，影響土壤微生物呼吸作用[4]和有機物的利用效率[5]。對于北方的日光溫室，土壤溫度對作物的生長發(fā)育影響顯著。在改善土壤溫度的多種渠道中，秸稈深埋作為一種綠色環(huán)保的手段，有著廣闊應(yīng)用前景。秸稈還田在改變地溫、改善土壤、提高二氧化碳濃度等方面都有不同程度的影響。同時，隨著時間的增加，土壤中微生物與秸稈相互作用形成的秸稈反應(yīng)堆對周圍的微環(huán)境有持續(xù)影響，這種生化反應(yīng)的一個綜合表征是溫度變化。由于研究方法、地域特點、作物原料、還田方式、有無微生物菌種的不同，秸稈對溫度的具體效應(yīng)各不相同，但較為普遍認為在添加菌種的情況下能提高土壤溫度[7-12]。對于土壤溫度變化的相關(guān)研究比較廣泛，Dahiya等對秸稈覆蓋狀態(tài)下土壤水熱傳輸過程進行了研究，Wang等對季節(jié)性凍土的水分狀況和熱狀況進行了試驗研究[14]，Timlin在氣溫、輻射、降雨等條件下對土壤溫度的變化規(guī)律進行了研究[15]。然而，針對秸稈深埋改變土壤溫度的研究仍然較少，現(xiàn)有研究大都停留在一維線性的角度上，缺少對秸稈周圍溫度場的微觀分布及變化規(guī)律的研究，也缺少在灌溉過程中對秸稈深埋影響溫度場分布的研究。本研究通過連續(xù)、多部位觀測秸稈深埋后土壤溫度的變化，利用柯瑞金插值法對數(shù)據(jù)進行分析，從二維角度探究秸稈深埋對土壤溫度的作用規(guī)律。

1材料與方法

11試驗區(qū)概況

試驗地點位于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)實驗基地43號日光溫室，位于4182°N、12357°E。日光溫室為單面采光拋物面式結(jié)構(gòu)。棚膜采用PVC防老化塑料無滴膜，以防雨棉被作為保溫措施。供試土壤為黏壤土，土壤沙粒、粉粒、黏粒比例分別369%、409%、222%。土壤有機質(zhì)含量為1273 g/kg，全氮含量為047 g/kg，全磷含量為108 g/kg，全鉀含量為2078 g/kg，速效氮含量為2020 mg/kg，速效磷含量為 294 mg/kg，速效鉀含量為7855 mg/kg。供試秸稈為沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米基地2014、2015年收割風(fēng)干后的玉米秸稈，玉米品種為美津599。供試秸稈有機碳、全氮、全磷和全鉀含量分別為4290%、086%、038%和135%。將整株秸稈首尾平鋪于開挖好的溝內(nèi)，鋪設(shè)厚度10 cm，將開挖好的土壤回填至溝中；秸稈容重為011 g/cm3。測試期間室內(nèi)最高溫度為 358 ℃，最低溫度為164 ℃。

12試驗設(shè)計

121試驗布置

試驗溫室內(nèi)土壤布置形式為大壟。壟內(nèi)挖長度為1 900 mm的土溝，土溝內(nèi)鋪入秸稈并壓實，秸稈均勻成束鋪設(shè)，不做特殊處理，鋪設(shè)時保證秸稈厚度約為 100 mm，最后用原土壓實，具體截面尺寸見圖1。覆土后將地溫計插入試驗田，地溫計的底部端點深度分別為100、200、300、350、400、500 mm。試驗秸稈埋置于2014年10月份完成，在溫室內(nèi)靜置至2015年5月份進行溫度測量模擬，埋置周期為半年，模擬自然秸稈回填過程，期間無雨水及其他水源入滲。

本試驗假設(shè)沿垂直于秸稈埋設(shè)方向的截面上，秸稈的溫度效應(yīng)等效；假設(shè)壟中對稱位置的溫度相等。秸稈深埋A、B、C這3個處理溫度計的插入深度分別為100（#1-#5）、200（#6-#10）、300（#11-#15）、350（#16-#20）、400（#21-#25）、500 mm（#26-#30），每個處理共計30支地溫計，溫度探頭垂直分布位置剖面見圖1，地溫計水平位置布置見圖2。

122試驗對照設(shè)置

試驗同時設(shè)置D、E、F 3個無秸稈深埋處理，無秸稈深埋處理壟臺的設(shè)置及地溫計的布置與秸稈處理相同。

試驗同時研究了灌水條件和無灌水條件下，秸稈深埋處理和無秸稈深埋處理土壤溫度的變化規(guī)律，灌水方式為滴灌。

14試驗方法

141試驗數(shù)據(jù)選擇及監(jiān)測

試驗在5月3日開始，8月2日結(jié)束，每日早中晚對土壤溫度進行監(jiān)測，期間進行3次灌溉，模擬溫室內(nèi)灌溉過程，灌溉時間為早上08：00，灌溉首日同時進行土壤含水率的監(jiān)測，含水率每05 h監(jiān)測1次，溫度每2 h監(jiān)測1次，含水率在28 h后基本穩(wěn)定，以28 h確定為監(jiān)測周期。試驗過程對室內(nèi)氣溫及濕度每1 h進行1次監(jiān)測。

142試驗數(shù)據(jù)處理

將秸稈深埋處理和無秸稈深埋處理各部位的溫度數(shù)據(jù)進行對比分析，所有數(shù)據(jù)均采用Surfer 13軟件進行二維差值化處理，繪制溫度等值線圖進行研究。

2結(jié)果與分析

由于試驗測量數(shù)據(jù)眾多，部分數(shù)據(jù)受天氣影響不具有典型性，針對無灌水日，選擇5、6月中不同時間段具有代表性的一天早中晚的溫度等值線圖進行分析說明。

對于灌水日，選擇有代表性的1次灌水過程連續(xù)28 h的溫度等值線圖進行分析說明。

21秸稈深埋無灌水條件下不同時期土壤溫度分布規(guī)律

分別選取5月5日、6月3日、6月19日3個時期，通過地溫計對土壤溫度進行測定，獲取秸稈深埋處理和無秸稈深埋處理不同位置土壤溫度數(shù)據(jù)，利用克瑞金插值法將數(shù)據(jù)進行插值計算，由Surfer 13生成土壤和秸稈的溫度等值線圖。在無灌水條件下，秸稈深埋處理一天中不同時刻的土壤溫度分別如圖3-a、3-c、3-e、4-a、4-c、4-e、5-a、5-c、5-e所示，無秸稈深埋處理一天中不同時刻的土壤溫度分別如圖3-b、3-d、3-f、4-b、4-d、4-f、5-b、5-d、5-f所示，溫度單位為 ℃。

[FK（W25][TPPML3tif][FK）]

由圖3可見，在無灌水條件下，與無秸稈處理相比，秸稈深埋處理土壤溫度無明顯差異，可能的原因是溫室內(nèi)土壤未進行灌水，土壤整體含水率較低，秸稈內(nèi)部微生物活性較低，相關(guān)生化反應(yīng)尚未開始。但整體來講，與無秸稈處理相比，秸稈深埋處理土壤各層溫度分布較為均勻，無溫度集中點。

由圖4可見，無灌水條件下，與無秸稈處理相比，從不同時刻的土壤溫度分布來看，08：00溫室空氣溫度較低時，秸稈深埋處理整體土壤溫度分布自上而下呈遞增趨勢，秸稈層溫度明顯較高；中午12：00溫室空氣溫度升高時，深埋秸稈處理整體土壤溫度分布自上而下呈遞減趨勢，相同深度秸稈深埋處理土壤溫度較高；傍晚18：00時溫室空氣溫度降低時，秸稈深埋處理土壤溫度分布自上而下呈遞減趨勢，相同深度秸稈深埋處理土壤溫度較高。從土壤各層的溫度分布來看，秸稈深埋處理土壤溫度分布各層更加均勻，無溫度集中點。

由圖5可見，無灌水條件下，與無秸稈處理相比，從不同時刻的土壤溫度分布來看，早上08：00溫室空氣溫度較低時，秸稈深埋處理整體土壤溫度分布自上而下先增高后降低，秸稈處理土壤溫度總體較高；中午12：00溫室空氣溫度升高時，深埋秸稈處理整體土壤溫度分布自上而下呈遞減趨勢，相同深度秸稈深埋處理土壤溫度較高；傍晚18：00時溫室空氣溫度降低時，秸稈深埋處理整體土壤溫度分布自上而下呈遞減趨勢，相同深度秸稈深埋處理土壤溫度較高。從土壤各層的溫度分布來看，秸稈深埋處理土壤溫度分布各層更加均勻，無溫度集中點。

整體來看，秸稈深埋處理對土壤溫度分布起到了一定的調(diào)節(jié)作用。

22秸稈深埋灌水過程中土壤溫度的變化規(guī)律

7月24日上午08：00對土壤進行滴灌灌溉，灌溉中每隔 2 h 進行1次土壤溫度測溫，每05 h進行1次土壤水分測試， 水分測試時間為 28 h。 將秸稈深埋處理與無秸稈深埋處

理的溫度數(shù)據(jù)，利用克瑞金插值法將數(shù)據(jù)進行插值計算，由Surfer 13生成土壤和秸稈的溫度等值線圖，灌水條件下，秸稈深埋處理灌溉0、8、16、32 h的土壤溫度分別如圖6-a、6-b、6-c、6-d所示，無秸稈深埋處理灌溉0、8、16、32 h的土壤溫度分別如圖7-a、7-b、7-c、7-d所示。

由圖6、圖7可見，在土壤水分入滲時，與無秸稈處理相比，秸稈深埋處理土壤溫度較高，相對高出約2 ℃，同時土壤溫度呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢。灌水結(jié)束土壤水分達到穩(wěn)定時，與無秸稈處理相比，秸稈深埋處理不同位置土壤溫差迅速回落至平衡狀態(tài)。

將秸稈深埋處理與無秸稈深埋處理28 h內(nèi)10、20、30、35、40、50 cm的平均溫度數(shù)據(jù)隨室內(nèi)空氣溫度的變化進行對比分析（圖8）。

由圖8可見，從秸稈深埋作用的時間可以看出，在灌水條件下，相對于無秸稈深埋處理，秸稈深埋處理對土壤溫度改變的主要時間段為灌溉開始后的0～10 h內(nèi)， 而在10～28 h后

作用的效果較小。從秸稈深埋改善溫度的幅度來看，在灌水條件下，0～10 cm范圍內(nèi)土壤溫度變化最大，變化的最大值接近 5 ℃，其次是位于秸稈層的30～35 cm，變化值為1～2 ℃。

總體來說，灌溉過程引發(fā)的相關(guān)反應(yīng)，在短時間內(nèi)加強了秸稈深埋處理提升土壤溫度的作用。將秸稈深埋處理與無秸稈深埋處理28 h內(nèi)土壤0～50 cm范圍內(nèi)的平均溫度數(shù)據(jù)進行對比分析（圖9）。

[FK（W10][TPPML9tif][FK）]

由圖9可見，從土壤整體的溫度變化趨勢來看，在灌水作用下，秸稈深埋處理與無秸稈深埋處理土壤溫度的變化趨勢基本相同，在0～10 h內(nèi)秸稈深埋處理與無秸稈深埋處理的土壤溫度差值相對于10～28 h較大。從土壤溫度變化的幅度來看，在灌水作用下，秸稈深埋處理比無秸稈深埋處理土壤的平均溫度始終高出1 ℃，而在非灌溉日期，這一溫度差的平均值為043 ℃。

23秸稈深埋溫差大小及位置分布

231無灌水期溫差的分布情況

為明確無灌水期間有無秸稈深埋處理溫差分布的具體位置及溫差值，將秸稈深埋處理與無秸稈深埋處理土壤溫度平均值的差值進行了二維差值化對稱處理（圖10）。

由圖10可見，從秸稈溫差的分布范圍來看，相對于無秸稈深埋處理，正溫差主要分布在深度為0～15 cm的表層土壤、深度為25～45 cm的秸稈層及秸稈層周圍，總體分布范圍較為均勻，45 cm以下土壤溫差不明顯。負溫差出現(xiàn)在深度為20 cm的土壤中部。從溫差的大小來看，溫差的差值在 -153～107 ℃之間。

232灌水期溫差的分布情況

為明確無灌水期間有無秸稈深埋處理溫差分布的具體位置及溫差值，將秸稈深埋處理與無秸稈深埋處理28 h內(nèi)土壤溫度平均值的差值進行了二維差值化對稱處理（圖11）。

由圖11可見，從秸稈溫差的分布范圍來看，相對于無秸稈深埋處理，正溫差主要分布在深度0～15 cm的表層土壤、秸稈層35 cm深度處的秸稈水平側(cè)邊緣以及30 cm深度處的遠秸稈端，總體由上至下溫差逐步減小，45 cm以下土壤溫差不明顯。負溫差出現(xiàn)在深度為20 cm的土壤中部。從溫差的

大小來看，溫差的差值在-08～276 ℃之間。

與非灌水期間相比，灌水改變了溫差的主要分布范圍，使土壤溫度的整體分布更加不均勻，并主要提升了深度為0～15 cm的表層土壤的溫度。

3結(jié)論

秸稈深埋能夠改善土壤溫度分布狀態(tài)，提高土壤溫度。在無灌水條件下，與無秸稈深埋處理相比，秸稈深埋處理提升土壤0～50 cm范圍的平均溫度為043 ℃，在無灌水條件下，與無秸稈深埋處理相比，秸稈深埋處理提升土壤0～50 cm 范圍的平均溫度為1 ℃。對于50 cm以下部位，秸稈深埋處理對土壤溫度分布的影響較小。無灌水作用時，秸稈深埋有高溫時蓄熱、低溫時放熱的作用，這種規(guī)律與舒占濤等的研究結(jié)果[16]相一致。在無灌水條件下，與無秸稈深埋處理相比，秸稈深埋處理各層土壤溫度更加均勻穩(wěn)定，溫度集中點較少。

在灌水過程中，秸稈深埋灌水前期能夠顯著提升土壤表層溫度，加劇秸稈層上層土壤溫度的不穩(wěn)定，與無秸稈相比，在灌水后 0～10 h內(nèi)，土壤0～10 cm范圍溫度升高的最大值為5 ℃，平均值為2 ℃，0～28 h內(nèi)土壤0～50 cm范圍溫度升高的平均值為1 ℃。灌水過程激發(fā)秸稈深埋的土壤產(chǎn)生了更多的熱量，并重新分配了土壤的溫度。在這種秸稈深埋方式下，相對無秸稈深埋處理，灌水在短時間內(nèi)能夠有效提高土壤表層溫度。

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