土壤水熱交互作用對(duì)作物的影響綜述

喬鑫陽 褚麗麗

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

土壤水分是土壤的重要構(gòu)成成分之一，也是影響土壤中肥力大小的一個(gè)重要因素，土壤中包含的所有物質(zhì)的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換，包括植物想要從土壤中吸收、汲取養(yǎng)分，都少不了土壤中水分的作用。水分太多或者太少都會(huì)影響作物生長(zhǎng)。在足夠的水分條件下，種子才能解除休眠狀態(tài)發(fā)芽；土壤濕潤(rùn)時(shí)，根系生長(zhǎng)緩慢，分布范圍窄，適度土壤干旱能促進(jìn)根系生長(zhǎng)，根系發(fā)達(dá)，擴(kuò)大根系范圍；缺水時(shí)，植物的莖和葉生長(zhǎng)會(huì)特別緩慢，土壤中的水分太過充足時(shí)，莖和稈的生長(zhǎng)效果會(huì)變得細(xì)長(zhǎng)，易倒伏。土壤的溫度變化不僅會(huì)直接影響到土壤的含水與土壤中空氣的流動(dòng)，而且還會(huì)對(duì)土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、作物的生長(zhǎng)發(fā)育和最終產(chǎn)量的多少造成影響，是影響土壤肥力的重要變量之一。一個(gè)合適的溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的升高，作物新陳代謝就會(huì)變快，作物生長(zhǎng)也就越快。土壤的溫度能夠直接影響到土壤中水分變化的大小和態(tài)勢(shì),土壤水分也能通過一定作用對(duì)土壤的溫度的變化大小和幅度造成影響。二者在不受外界環(huán)境其它因素影響的條件下對(duì)作物的發(fā)育成長(zhǎng)有著明顯的互作關(guān)系。但是至今還未有文獻(xiàn)系統(tǒng)化地把二者的交互作用對(duì)作物的影響進(jìn)行詳細(xì)的分析評(píng)價(jià)。

1 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤水熱交互作用對(duì)作物影響的研究由來已久,世界上對(duì)土壤水熱交互作用對(duì)作物影響的研究也已逐步成型。目前我國(guó)主要以土壤水熱交互作用對(duì)作物產(chǎn)量、作物生長(zhǎng)發(fā)育的研究為主?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要從3個(gè)方面展開。

1.1 土壤水熱交互作用對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響規(guī)律

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有大量研究從水熱各方面對(duì)作物產(chǎn)量的影響作出證明，土壤溫度的變化是通過太陽輻射和空氣中溫度變化的波動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致土壤溫度增加或者降低的過程,適宜的土壤溫度對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的形成具有明顯的促進(jìn)關(guān)系。土壤水分是土壤中的養(yǎng)分得以運(yùn)輸流動(dòng)的重要載體，只有水分的流動(dòng)分布適宜，土壤中的水、氣才能運(yùn)作協(xié)調(diào)，養(yǎng)分才會(huì)流動(dòng)起來被作物吸收利用。土壤中水分的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有著極其關(guān)鍵的作用，只有當(dāng)作物不同階段的不同生長(zhǎng)需求與此時(shí)的土壤水分條件達(dá)到適應(yīng)，生長(zhǎng)狀態(tài)才能表現(xiàn)良好。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者還發(fā)現(xiàn)，土壤溫度和水分存在著明顯的互作效應(yīng)[1],土壤中水分的流動(dòng)和溫度的變化是一個(gè)復(fù)雜的耦合過程。水分調(diào)控對(duì)土壤溫度產(chǎn)生了影響。合適的灌溉有利于通過增加土壤日溫度差異來達(dá)到促進(jìn)水稻根系所需要的發(fā)育基礎(chǔ),增加作物內(nèi)所需干物質(zhì)的積累,勢(shì)必也會(huì)大幅提高產(chǎn)量。賽音朝格圖[2]等通過Gaussian函數(shù)模型多峰擬合和線性擬合的辦法對(duì)土壤水熱互作關(guān)系進(jìn)行分析得出,土壤水分隨土壤熱狀況的變化均呈現(xiàn)出線性相關(guān)的變化趨勢(shì),且距土壤表層越近,這種相關(guān)的趨勢(shì)越明顯，說明土壤溫度和水分之間存在顯著的正交互作用。但是在大田生產(chǎn)中，外界因素如氣溫、覆膜、作物葉面積遮光率等成為影響土壤溫度變化的主要因素，土壤溫度也不再與土壤含水率呈正交互作用。而在秸稈的覆蓋下的土壤水分與土壤溫度又呈負(fù)相關(guān)。秸稈覆蓋下土壤表層小氣候溫度隨著作物呼吸而升高，土壤含水量反而下降。雪被覆蓋一定程度上也通過同樣的機(jī)制作用著土壤的水熱耦合效應(yīng),進(jìn)而使“冬小麥”在該階段有著穩(wěn)定的表面環(huán)境,表現(xiàn)出與秸稈覆蓋同樣的水熱互作效果。WANG等[3]研究發(fā)現(xiàn)，地膜和秸稈覆蓋可以提升土壤水分有效性,提高冬小麥產(chǎn)量。秸稈覆蓋同樣也通過提高馬鈴薯莖和葉發(fā)育條件，使馬鈴薯產(chǎn)量得到顯著增加。而進(jìn)一步采用壟覆二元覆蓋技術(shù)能優(yōu)化旱作土壤水熱環(huán)境,提高馬鈴薯水分利用效率和產(chǎn)量。溝壟覆蓋能通過集蓄降水對(duì)土壤保溫、增溫，改善土壤水熱，進(jìn)而顯著提高馬鈴薯生育期的株高和莖粗,最后達(dá)到增產(chǎn)效果。而在溫棚隔絕了外界環(huán)境條件下,水熱條件變成了作物生長(zhǎng)的最主要因素,可以通過控制溫棚溫度進(jìn)行觀察得出溫度過低會(huì)延緩蔬菜的生長(zhǎng),甚至凍傷蔬菜苗；溫度過高會(huì)增加大棚內(nèi)的水分蒸發(fā)量,使得蔬菜出現(xiàn)萎蔫干枯現(xiàn)象,還會(huì)影響蔬菜的品質(zhì)。因此,要協(xié)調(diào)好大棚內(nèi)溫度與濕度的關(guān)系,改善土壤的水熱條件,才能提高作物產(chǎn)量,這也是目前研究的主要方向。

1.2 土壤水熱交互作用對(duì)作物的性狀及特征影響

土壤水熱交互作用對(duì)作物的影響一般都可以通過作物的性狀及特征來直觀觀察到。以2種常見作物水稻、玉米為例。水稻有效分蘗的數(shù)量通常是水稻壯秧的考核條件。土壤增溫可以明顯促進(jìn)高寒地區(qū)水稻的早發(fā)和有效分蘗。水稻分蘗會(huì)受到水稻遺傳因子的影響,又會(huì)受到環(huán)境和種植方法的影響,外部環(huán)境中影響最大的影響因子是大氣溫度、土溫和水溫,在合適的溫度范圍,隨著溫度升高、分蘗增快,而超過溫度閾值,就會(huì)影響分蘗甚至導(dǎo)致分蘗停止。玉米的生長(zhǎng)發(fā)育水平可以通過株高、莖粗和葉面積觀察到。胡亞瑾[4]發(fā)現(xiàn)，夏種玉米在早期壟覆地膜、溝覆秸稈、全覆膜平作、覆秸稈平作條件下,夏玉米的株高均會(huì)出現(xiàn)線性增長(zhǎng)變化，進(jìn)行各種覆蓋處理的植株生長(zhǎng)高度會(huì)明顯較無任何處理的對(duì)照組有增高效果,夏玉米整體葉面積所占的指數(shù)從小到大依次是壟覆地膜溝覆秸稈>全覆膜平作>覆秸稈平作>不覆蓋。以在礫石覆蓋的條件下種植夏玉米為例,土壤日蒸發(fā)水分明顯減少,降低了土壤最高溫度、溫度變化幅度和平均溫度,顯著提高了貯水量,進(jìn)而提高了穗長(zhǎng)、穗粗、單穗穗粒數(shù)以及百粒重。秸稈覆蓋條件下,土壤水熱生態(tài)條件改善,不再受到外界氣溫、天氣的影響,玉米的株高提高顯著,同時(shí),在同一個(gè)處理?xiàng)l件下株高與灌水量多少呈正相關(guān)趨勢(shì)。不僅如此,玉米的葉面積也是對(duì)照組的多倍，且隨著灌水量增加而增加,玉米的莖粗也較對(duì)照組有所增加,隨灌水量的增加莖粗的上升趨勢(shì)會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值后下降。

1.3 土壤水熱交互作用對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解的影響規(guī)律

土壤的水熱交互作用除了對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育起著重要作用，還對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和土壤有機(jī)質(zhì)的礦化有著極大的促進(jìn)作用。湯水榮[5]認(rèn)為，休閑期的土壤溫度和土壤含水量對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的分解有著很大影響，并采取實(shí)驗(yàn)培育并研究土壤有機(jī)質(zhì)分解對(duì)土壤熱狀況和土壤含水量的響應(yīng)特征，最終發(fā)現(xiàn)，添加秸稈后的土壤熱狀況和含水量會(huì)對(duì)田間土壤中有機(jī)碳的分解有極大促進(jìn)作用。銨態(tài)氮的濃度在一定的溫度范圍內(nèi)會(huì)隨著土壤溫度的增加和實(shí)驗(yàn)培育時(shí)間的增加而有明顯的降低和降低趨勢(shì)，而硝態(tài)氮的濃度卻相反，表現(xiàn)出會(huì)隨著溫度的增加和實(shí)驗(yàn)培育時(shí)間的延長(zhǎng)而帶有明顯的升高和升高趨勢(shì)，結(jié)果表明，土壤溫度對(duì)土壤有機(jī)氮的礦化有著明顯的促進(jìn)作用。在土壤有機(jī)質(zhì)的礦化過程中，酶擔(dān)任著重要一職。土壤水熱交互作用也是通過對(duì)酶的活性產(chǎn)生影響進(jìn)而影響有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化過程。酶是土壤眾多構(gòu)成成分中最突出的有機(jī)成分之一,土壤需要酶和各種微生物發(fā)生作用來共同促進(jìn)土壤各種代謝。一般來講,土壤氮、磷、鉀的含量與其它各種有機(jī)質(zhì)含量是互成比例的,所以土壤氮、磷、鉀的含量也會(huì)和土壤中酶的活性相互影響。土壤中廣泛存在著的各種酶類，大多是氧化還原酶類和水解酶類,這兩者對(duì)土壤各種分解作用和肥力有著至關(guān)重要的作用。土壤中各種酶的活性同時(shí)也會(huì)反映出土壤中種種生物反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)弱和趨勢(shì)。土壤含水量和熱狀況對(duì)土壤中酶的活性的影響是顯而易見的,土壤中水熱環(huán)境與土壤中的各種微生物的活性和類型有著明顯的關(guān)聯(lián),因此,對(duì)土壤中各種酶的活性有著極大作用。不同含水量和溫度也會(huì)直接作用到土壤中各種酶存在的形式與酶活性的大小，進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率和有機(jī)質(zhì)礦化能力有重大影響。一般來講,土壤含水量較大時(shí),酶的活性也會(huì)提高,有機(jī)質(zhì)的礦化能力變強(qiáng)，但當(dāng)土壤太過潮濕時(shí),酶的活性反而減弱；土壤含水量減少時(shí),酶的活性也相應(yīng)變?nèi)?，土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率也會(huì)減慢，因此土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化能力有一個(gè)相應(yīng)的區(qū)間水量。土壤熱狀況也是影響能夠生成酶類的微生物種類及多少的直接因素,因此,土壤熱狀況是會(huì)影響酶類活性，也就是土壤有機(jī)質(zhì)礦化能力的重要因素之一。而改變土壤含水量，土壤中的各種氮素化合物的運(yùn)輸流動(dòng)也會(huì)發(fā)生變化，加大含水量可以達(dá)到土壤中氮流動(dòng)變快，進(jìn)而加大作物對(duì)氮素的吸收、轉(zhuǎn)化和利用；但是如果含水量超過了一定的范圍，就會(huì)起到完全對(duì)立的作用，會(huì)使作物對(duì)氮素的吸收、轉(zhuǎn)化和利用減少。因此，土壤中含水量過高過低均不利于作物對(duì)氮的吸收和利用，這需要一個(gè)合適的灌水量。

1.4 土壤水熱交互作用對(duì)棚內(nèi)小氣候及作物的影響

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),近年來我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)持續(xù)改進(jìn),設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,特別是通過溫室提高作物生產(chǎn)效率的方法飛速發(fā)展。應(yīng)用溫室技術(shù)來生產(chǎn)作物可以合理運(yùn)用氣候資源,還能通過合理調(diào)控溫室水熱來明顯提升作物品質(zhì),并給我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面帶來經(jīng)濟(jì)效益[6]。目前，國(guó)內(nèi)溫室大棚多為日光溫室,室內(nèi)溫度依賴于外界的氣候。但在東北等寒冷地區(qū)則需要加溫系統(tǒng)才能維持大棚作物生長(zhǎng)所需的溫度。采用具有加溫技術(shù)的溫室時(shí),外界的大氣溫度造成的室內(nèi)外溫差、日光輻射作用于大地的晝夜交替與不穩(wěn)定性會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生重大影響,經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)嘗試與驗(yàn)證，證明了增溫系統(tǒng)完全能夠提供陰天時(shí)植物對(duì)地溫的需要；通過試驗(yàn)分析不同灌水模式對(duì)溫室作物的影響,研究發(fā)現(xiàn)降低土壤水分有助于促進(jìn)作物根區(qū)土壤溫度的升高。溫室大棚內(nèi)溫度是對(duì)作物生長(zhǎng)極為重要的影響因素,水熱條件的變化是作物生長(zhǎng)主要影響因子,隨著溫度的增高,溫室內(nèi)土壤水分的蒸騰速率隨之增大,溫室空氣中的濕度也會(huì)相應(yīng)增大,光合速率增高,這種情況極易造成植株徒長(zhǎng),且不利于干物質(zhì)的形成。作物不同生長(zhǎng)期生長(zhǎng)階段受溫室內(nèi)溫度、濕度和土壤水分的影響，生長(zhǎng)情況不同。每個(gè)生長(zhǎng)階段的溫度過高或者過低都會(huì)影響土壤表面的水熱狀況,進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng),所以調(diào)節(jié)大棚內(nèi)適宜的水熱因子，為大棚作物提供合適的水熱環(huán)境至關(guān)重要。

2 評(píng)述

對(duì)于土壤水熱交互作用對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響,土壤的溫度和水分都是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的重要因素。目前研究者已發(fā)現(xiàn)，土壤中水分和土壤熱量二者之間有著極其復(fù)雜的相互作用關(guān)系,二者相互影響，進(jìn)而影響著作物的生長(zhǎng),但是,對(duì)作物的影響除了二者的互作效應(yīng)外,還與外界的各種環(huán)境直接相關(guān)。在復(fù)雜的外界環(huán)境下對(duì)作物的生長(zhǎng)表現(xiàn)出復(fù)雜的影響,而隨著通過覆膜、大棚等技術(shù)的應(yīng)用，使作物與外界復(fù)雜環(huán)境隔離,使得作物生長(zhǎng)環(huán)境穩(wěn)定,水熱因子對(duì)作物的生長(zhǎng)就顯得愈發(fā)關(guān)鍵。這表明了一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境對(duì)于作物水熱交互作用的穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用。關(guān)于土壤水熱交互作用對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解影響研究表明，土壤水熱條件對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解速率、礦化能力有著至關(guān)重要的作用。但目前研究主要還是集中在水熱單個(gè)因素對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解速率、礦化能力的影響，只有找到各個(gè)作物適宜的水熱條件才能起到促進(jìn)作用。對(duì)于水熱的交互作用對(duì)作物有機(jī)質(zhì)礦化的影響機(jī)制還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)論證。而研究中的溫室大棚多采用太陽能集熱升溫,還是會(huì)受到外界各種因素的影響,不能具體了解土壤水熱因子對(duì)棚內(nèi)氣候最直接的影響。在我國(guó)東北部黑龍江省，由于冬季的低溫環(huán)境，水熱資源無法滿足作物的生長(zhǎng)，大量?jī)?yōu)質(zhì)的黑土地資源不能在冬季發(fā)揮作用，只能通過溫室大棚來改善現(xiàn)狀。而對(duì)一些有加溫系統(tǒng)的大棚研究還只停留在提高溫度來觀察農(nóng)田小氣候的各種變化,而沒有在加入不同的灌溉模式下,研究土壤水熱耦合效應(yīng)下棚內(nèi)小氣候的變化規(guī)律對(duì)作物造成的影響。所以,未來對(duì)土壤水熱對(duì)作物的影響研究應(yīng)通過創(chuàng)建一個(gè)有著可控溫度梯度的室外大棚并結(jié)合灌溉技術(shù)來進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。