農(nóng)田覆膜對冬小麥土壤水熱的影響

馬雪琴, 吳淑芳, 郭妮妮

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程分院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西 楊凌 712100)

土壤水分是植物生存的基礎(chǔ)，土壤水分受到耕作方式、農(nóng)田形式、降雨分布等因素的影響。土壤溫度在作物生長發(fā)育[1]、土壤中水鹽運移[2]、農(nóng)田溫室氣體排放[3]、土壤碳平衡[4]等方面有很重要的意義。農(nóng)田地膜覆蓋具有保水提墑，減少蒸發(fā)，提升地溫的效果。劉匣等[5]通過AquCrop模型加之實測數(shù)據(jù)表明，覆膜均提高了水分利用效率和產(chǎn)量。Chen等[6]研究表明，在冬小麥生長季，壟溝覆膜栽培可以提供更好的土壤溫度狀況，進而顯著地提升作物產(chǎn)量。而寬窄行種植有利于優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)[7]、根系分布[8]等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。陳光杰[9]通過HYDRUS-2D模型模擬不同的覆膜壟溝比的農(nóng)田水分消耗表明覆膜減少蒸發(fā)，可提高土壤的貯水量，提升農(nóng)田可持續(xù)性。王慶杰等[10]的研究表明寬窄行種植能夠改善玉米的群體結(jié)構(gòu)，促進個體生長發(fā)育，提高玉米產(chǎn)量。在冬小麥生育期內(nèi)，土壤溫度變化經(jīng)歷“降溫—持續(xù)低溫—升溫—持續(xù)高溫”的過程，土壤溫度變化相對比較復(fù)雜[11]。因此，結(jié)合冬小麥生育期，系統(tǒng)研究不同覆膜方式麥田土壤水分效應(yīng)和溫度變化，探索覆膜方式下農(nóng)田土壤水熱變化規(guī)律，為完善覆膜集雨栽培技術(shù)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在陜西省楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點實驗室灌溉試驗站進行，試驗站位于黃土高原南部旱作區(qū)(34°20′N，108°24′E)，海拔521 m，位于暖濕帶季風(fēng)半濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫13℃，年平均降雨量為635.1～635.9 mm，年均蒸發(fā)量1 440 mm，降水量季節(jié)分配不均，主要集中在7月、8月、9月，氣候干旱，年晝夜溫差平均為11.5℃，無霜期169～200 d。土壤為中壤土，1 m土層的平均田間持水率為23%～25%，凋萎含水率為8.5%，平均干體積質(zhì)量為1.44 g/cm3。該站地下水埋深50 m以下，其向上補給量可忽略不計。

冬小麥生育期內(nèi)(2014年10月—2015年6月)總的降雨量為232.8 mm，降雨分布很不均勻，在12月份(越冬期)降雨量為0.2 mm；在3—4月份(拔節(jié)期)降雨量達(dá)146.6 mm。冬小麥生育期內(nèi)的氣溫平均值為9.32℃，但不同月份之間溫度變化差異明顯。12月份平均溫度低到0.8℃，5月份平均溫度則升高到19.8℃(圖1)。

圖12014-2015年楊陵地區(qū)冬小麥生長季每日氣象數(shù)據(jù)

1.2 試驗設(shè)計

試驗所用地膜為普通聚乙烯塑料薄膜，膜厚為0.01 mm。試驗共設(shè)6個處理，具體見表1。圖2為不同覆膜試驗試驗處理示意圖，其中圖2A為對照處理，行距均為30 cm；圖2B為寬窄行平作栽培種植，寬行40 cm，窄行20 cm，寬窄行交替排列；圖2C為寬行壟作處理，寬行起壟，壟高為15 cm，壟寬40 cm，窄行為20 cm，寬窄行交替排列。每個處理3重復(fù)次，小區(qū)面積18 m2。供試冬小麥品種為“小偃22號”，播種量為167.5 kg/hm2，南北行種植，人工穴播，小麥種于膜兩側(cè)，生育期內(nèi)無灌水，根據(jù)實際情況進行除草殺蟲等農(nóng)田管理，播種前施加氮肥210 kg/hm2，磷肥160 kg/hm2，鉀肥90 kg/hm2；生育期內(nèi)不追肥。小麥于2014年10月16日播種，2015年06月08日收獲，全生育期為235 d。

表1 試驗處理設(shè)置

1.3 測定指標(biāo)與方法

該試驗中土壤水分的觀測采用TRIME-TDR和ECH2O水分傳感器進行動態(tài)監(jiān)測，其中，TRIME-TDR的測量深度為200 cm，0—100 cm是每10 cm為一個測量深度間隔，100—200 cm以20 cm為間隔。用曲管地溫計從播種到收獲測定0—25 cm處的土壤溫度，每次的觀測時間為8：00到18：00，每3 h觀測記錄1次，每次間隔7 d。四次讀數(shù)的平均值作為日均土壤溫度。冬小麥的種植時間為2014年10月16日，收獲日期為2015年6月8日。冬小麥生育期包括出苗、越冬、返青、拔節(jié)、開花、灌漿及成熟期。

圖2不同覆膜處理下冬小麥試驗圖

對于0—25 cm土壤表層的時間溫度變化，呈現(xiàn)“錐形”分布[12]。采用指數(shù)去擬合能夠更好地刻畫不同深度土壤溫度的大小和變化幅度。公式為：y=AeBx，其中：A，B為擬合的經(jīng)驗參數(shù)；x為土層深度；y為土壤溫度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗中所有數(shù)據(jù)均為各重復(fù)測定的平均值，采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，并用LSD法進行多重比較(p<0.05)，采用Sigmaplot12.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜種植下表層土壤水分的動態(tài)變化

圖3A為平作覆膜處理與對照處理0—20 cm土壤水分的動態(tài)變化，在整個生育期內(nèi)，平作覆膜處理下的土壤水分較不覆膜處理不顯著。在冬小麥苗期，地面裸露面積大，各覆膜處理的蓄墑效果顯著。在越冬期(2014年10月30日—1月20日)，其中PM，DPR，WPR 處理顯著高于對照CK，平均表層土壤含水率分別較對照提高4.95%、2.47%和3.68%。在冬小麥生長階段的4月和5月降雨充沛，覆膜處理土壤含水率較對照處理分別減少2%～12%。在平作覆膜條件下，降雨量充足時期內(nèi)，覆膜處理土壤含水率小于裸地處理，這可能與平作覆膜后，部分雨水被地膜攔截，使得有效降雨入滲量減少。

圖3冬小麥不同覆膜處理0-20cm土壤水分動態(tài)變化

起壟覆膜處理與CK處理0—20 cm土壤水分變化如圖3B所示，寬壟覆膜表層水分大于裸地處理及等行壟作。在冬小麥返青期(2015年3月)，降雨量較少，寬行起壟處理土壤含水率較對照處理增加2.3%。在雨量充沛的4月份，CK表層水分高于其余處理，覆膜處理較對照處理降低2.2%，可見，對于寬行起壟覆膜處理，在干旱少雨時期，可以增加土壤表層貯水量。

2.2 不同覆膜種植下土壤貯水量的動態(tài)變化

不同覆蓋處理在冬小麥不同的生育期內(nèi)，土壤貯水量與對照CK相比都存在差異，其中PM全膜處理的土壤貯水量最高(圖4)。冬小麥生長前期(播種期到越冬前)，該時期植株較小，對水分的消耗主要以土壤蒸發(fā)為主，同時外界溫度較低減少了土壤水分的蒸發(fā)，各處理土壤貯水量變化減小，PM和WLR覆蓋處理的土壤貯水量高于對照CK，分別增加4.49%和3.54%，說明覆蓋處理為小麥的生長發(fā)育提供了良好的水分環(huán)境。冬小麥拔節(jié)期到成熟期，0—200 cm 土層，以PM，WLR處理的平均土壤貯水量最高，分別比CK增加6.06%，4.07%；DPR和WPR次之，分別比CK增加1.38%，0.98%。冬小麥生長發(fā)育后期(灌漿期到成熟期)，DPR，DLR，WPR 覆蓋處理貯水量無明顯差異。冬小麥全生育期內(nèi)，0—200 cm土層，PM，WLR處理的平均土壤貯水量分別比CK增加8.52%，6.81%，其他處理差異不顯著。可得出，寬行起壟較窄行起壟更能蓄水保墑。

注：T1，T2，T3，T4，T5，T6分別代表CK，DPR，DLR，WPR，WLR，PM。

圖4冬小麥不同生育期內(nèi)0-200cm土壤貯水量的變化

2.3 土壤溫度隨氣溫變化的一般特征

由于不同覆膜方式土壤溫度對氣溫的響應(yīng)趨勢一致，本研究僅以全膜處理為例說明土壤溫度隨氣溫變化的一般特征。冬小麥各生育時期的土壤晝夜溫差均隨土層深度的增加而逐漸減小，并呈“倒錐形”狀態(tài)，但各個時期地溫隨深度的變化幅度不一致(圖5)。各個時期5，10，15，20，25 cm土層土壤溫度變幅依次為2.26～11.18℃，0.11～6.58℃，0.06～8.29℃和1.25～13.72℃，其中以灌漿期最大,而返青期最小。土壤溫度變化是太陽輻射和大氣溫度的影響下而進行吸收或釋放能量的動態(tài)過程。隨著土壤土層深度的增加，土壤溫度受太陽輻射的影響逐漸減小。而在灌漿期氣溫較高，導(dǎo)致地表溫度增長較大；在返青期，氣溫較低，對地溫的影響也較小，因而在該生育期地溫變化趨于穩(wěn)定。

圖5土壤溫度剖面對氣溫變化的響應(yīng)(以全膜為例)

氣象條件、土壤水分、地膜覆蓋等因素都影響冬小麥生育期的地溫分布。如圖6可知各處理不同土層深度的土壤溫度均在降雨后出現(xiàn)下降趨勢。5 cm表層土壤溫度受降雨影響最大，降雨后溫度下降明顯。地表以下深度25 cm土壤溫度變化相對較為緩慢。以最大降雨日4月1日為例，由于降雨量較大的原因(降雨量為42.4 mm)，覆膜與裸地處理在降雨1周后均有所下降。其中，4月9日覆膜條件下5 cm處地溫較4月1日同處下降約8 ℃，15 cm和25 cm處較同處下降相對緩慢，2～4 ℃。常規(guī)裸地5 cm處地溫較4月1日下降約11 ℃左右，15 cm，25 cm處較同處下降約2 ℃。經(jīng)過土壤熱量的傳輸，降雨入滲對淺層土壤溫度影響較為明顯，而對于覆膜處理，由于雨水無法全部入滲，使得溫度變化不是很明顯。

圖6不同條件下不同土層深度土壤溫度變化

2.4 覆膜栽培方式下土壤溫度變幅特征

不同處理、不同土層深度和不同時刻溫度變幅特征如表2所示。從表2中可以看出，對于不同土深而言，最大的溫度變幅發(fā)生在土壤表層5 cm處，其次是深度10 cm，15 cm，20 cm，25 cm處；對于不同時間而言，最大變幅發(fā)生在11：00，將各時刻不同深度與對應(yīng)深度處溫度擬合成指數(shù)函數(shù)形式，發(fā)現(xiàn)在14：00，17：00 時的相關(guān)系數(shù)最高，其次是11：00，8：00，無論覆膜與否，8：00的擬合回歸公式與其他時段(遞減曲線)不同，呈現(xiàn)出遞增曲線，表明早晨溫度隨深度變化規(guī)律性不強，不符合指數(shù)關(guān)系，從整體上看覆膜處理的判定系數(shù)均較裸地處理高。

表2 不同處理不同土層深度溫度擬合特征

注：x表示土層深度；y表示土壤溫度。

在地膜覆蓋的條件下，小麥獲得了較多的太陽輻射能量，膜下土壤溫度升高，各個時段內(nèi)各個不同深度間的溫度變化率也變大，從表3中可以看出覆膜與裸地處理的溫度變化率情況，裸地土壤表層的土壤溫度變化率大于覆膜處理，主要是在土壤表層裸土地表土壤水分含量變化很大。由于水汽在土壤孔隙中的移動取決于水汽密度差，土壤溫度在影響水汽密度差中占主導(dǎo)地位。而覆膜卻能阻止水汽擴散到大氣中，從而使溫度變化率減少。在5 cm 以下，覆膜處理的溫度變化率都高于裸地，說明覆膜處理的水汽密度高于裸地處理，并且隨著深度的增加溫度變化率減少。這說明地膜覆蓋有增溫效應(yīng)，使地表與地中之間溫度變化率提高，增加了由土壤深處向地表移動的水汽數(shù)量，這些水汽由于受到地膜的阻隔，除小部分沿水平方向散失外，大部分都聚集在膜下和靠近地表附近的土壤孔隙中，從而加大了膜下的相對濕度，使得地膜覆蓋有好的保墑作用。

表3 覆膜與對照處理土壤溫度變化率

3 結(jié) 論

(1) 整個冬小麥生育期內(nèi)覆膜處理提高了耕層土壤表層的含水量，尤其在出苗期蓄水保墑作用明顯；在干旱少雨時期，起壟覆膜對增加土壤表層貯水量顯著高于其他處理，其中寬行起壟較窄行起壟更能蓄水保墑。

(2) 以往研究中得出深層土壤溫度對氣溫的相關(guān)系數(shù)大于淺層土壤。本研究得出，土壤溫度日變化的變幅隨土層深度的增加而縮小，呈“錐形”。土壤溫度響應(yīng)氣溫變化隨土層深度增加具有時間滯后效應(yīng)，5—25 cm 土層深度每增加5 cm，土壤溫度隨氣溫的變化滯后0.8 h 左右。

(3) 降雨對淺層土壤溫度的影響較為明顯，雨后5 cm淺層土壤溫度急劇下降，25 cm深層土壤溫度下降稍顯緩慢。本試驗在大田進行地膜覆蓋，天氣等客觀因素以及試驗處理相對較少導(dǎo)致試驗產(chǎn)生一定的誤差。溫度梯度是引起水分運動的原因之一，結(jié)合土壤含水率分析水分與溫度的相關(guān)性有待進一步研究。