秸稈覆蓋厚度對凍融期土壤溫度的影響

邢述彥，劉 虎，鄭秀清，劉美萍

（太原理工大學 水利科學與工程學院，太原030024）

土壤溫度是表征土壤特性的重要指標之一，它對土壤養分、土壤質地、土壤水分、土壤中微生物的生長、農作物產量起著重要的作用，并影響著近地表小氣候，具有環境效應。凍融期土壤溫度是影響土表蒸發、土壤水分相變及遷移轉化、土壤入滲規律、土壤結構、土壤養分、土壤中微生物種群及其生長和越冬期農作物生長的主要因素［1－9］。凍融期土壤溫度與大氣條件、土壤質地、土壤水分、耕作措施、地表覆蓋等多種因素有關。秸稈覆蓋是影響土壤溫度的重要因素之一，其效果與秸稈覆蓋量有重要的關系。近年來，不少學者對秸稈覆蓋產生的各種影響效應進行了大量研究［10－13］，得出了許多有益的成果，但關于凍融期秸稈覆蓋量對土壤溫度的影響尚未見報道。本文在前人研究的基礎上，通過對凍融期休閑地覆蓋厚度為5，10，15，20，30cm的玉米秸稈和裸地共6種地表處理條件下地表下100cm范圍內不同地層土壤溫度的測定，探討了季節性凍土區凍融期秸稈覆蓋量對土壤剖面溫度的分布與變化特征及覆蓋量與土壤溫度變化之間的關系，以期為季節性凍土區農田管理提供參考依據，對優化秸稈覆蓋措施具有積極意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2005年11月至2006年3月在山西省水文水資源勘測局太谷均衡實驗站進行。試驗區地處山西晉中盆地，海拔777m，屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候。試驗期間太陽總輻射為123kJ／cm2，日最高輻射值1.604kJ／cm2，日最低輻射值0.244 kJ／cm2。試驗期間日最高氣溫為19.9℃，日最低氣溫為－21℃。2005年11月，日最低氣溫出現負值，但日平均氣溫仍在0℃以上，月平均氣溫為3.9℃；2005年12月至2006年2月的日平均氣溫均在0℃以下（見圖1），12月、1月、2月的月平均氣溫分別為－5.9、－4.9、－1.1℃；2006年3月，月平均氣溫為4.1℃。試驗田為休閑深耕地，土壤類型為壤土。該地區從11月底進入凍結期，次年2月中旬凍土層開始融化，3月中旬融通。

1.2 試驗設計

試驗設置玉米覆蓋層厚度分別為5，10，15，20，30cm （即140，287，433，574，866kg／hm2）5種處理情況，并設不覆蓋處理作為對照。玉米秸稈切成3～5cm長，于2005年11月1日均勻碾壓覆蓋于秋耕休閑地。每一種處理分別設3個重復，計有試驗小區18個，每個小區規格為3m×3m。無覆蓋記為BP，秸稈覆蓋用SPN 表示，N 表示覆蓋厚度（cm），5種覆蓋處理分別記為 SP5、SP10、SP15、SP20和SP30。土壤溫度采用預埋熱敏電阻監測，每個試驗小區沿土壤剖面設置6個監測點（地表下5，10，20，40，60，100cm 處）。自覆蓋之日起（2005年11月1日）至2006年3月27日，對6種處理田塊的土壤溫度進行監測，施測時間為每天上午8點，施測時間間隔為5～10d。

2 結果與分析

2.1 凍融期不同覆蓋條件的土壤溫度動態

凍融期太陽輻射量變化及氣溫變化是土壤溫度變化之根本原因。圖1給出了試驗期間試驗區太陽輻射量和日平均氣溫。

圖1 凍融期試驗區日平均氣溫及太陽輻射量

圖2 為凍融期（2005年11月—2006年3月）6種地表處理（BP、SP5、SP10、SP15、SP20和SP30）在地表以下5，10，20，40，60，100cm 深處土壤溫度的變化。

圖2 凍融期不同地表處理條件下各土層土壤溫度動態

土壤的熱量主要來自太陽的輻射能，土壤溫度是太陽輻射平衡、土壤熱量平衡和土壤熱學性質共同作用的結果。土壤溫度的變化取決于土壤本身熱量收支差額，即以輻射方式進行的熱量交換、與相鄰土層間的熱量交換、地面與近地層之間的熱量交換和通過水分凝結和蒸發進行的熱量交換。由圖2可以看出，不同地表處理的田塊具有大致相同的初始土壤溫度。進入凍融期后，土壤溫度開始逐漸降低，說明該階段土壤吸收的熱量小于散失的熱量，到2006年1月上旬，6種處理田塊的土壤溫度先后降到其最低值；隨后的一段時間里，土壤熱量收支基本平衡，土壤溫度維持在低溫狀態；之后，隨著太陽輻射增強，氣溫升高，土壤吸收的熱量大于支出的熱量，土壤溫度開始逐漸回升。凍融期內，受氣候變化的影響，各種處理田塊各土層溫度經歷了溫度降低、低溫下持續一段時間、溫度升高的變化過程。在此過程中，各種田塊的土壤溫度表現出相似的變化趨勢，但由于秸稈覆蓋厚度不同，各田塊的土壤溫度又具有各自的變化特征，形成了不同的土壤溫度分布規律。

2.2 凍融期土壤溫度變化與秸稈覆蓋厚度的關系

2.2.1 凍融期土壤溫度變化幅度

由圖2各圖可見，凍融期內不同處理田塊的各土層土壤溫度雖然具有相近的變化趨勢，但在土壤溫度變化過程中，不同深度土層的土壤溫度都有各自的最大變化幅值；同一土層內，不同處理的土壤溫度變化幅度不同。地表下5cm處（圖2-a），BP、SP5、SP10、SP15、SP20和SP30的土壤溫度最大變幅依次為18.4，10.7，9.2，8.3，7.3，6.7℃，可見隨著覆蓋厚度的加大，變幅減小。其它各層土壤溫度的變幅，亦為不覆蓋田塊的變幅最大，隨著覆蓋厚度的增加，土壤溫度變幅按線性規律減小。

由圖2還可看出，同一種處理，在不同土壤深度溫度變化情況各異，淺層土壤熱狀況受氣候條件影響較為強烈。無覆蓋田塊在溫度降低和升高的過程中，隨著氣溫的驟然變化，出現多次較大的起伏，其變化量隨著土壤深度的增加呈減小趨勢。覆蓋田塊土壤溫度變化過程中的起伏波動現象隨著覆蓋厚度的增加逐漸減弱。根據不同土層凍融期內土壤溫度的波動情況，可將監測范圍內土壤沿剖面劃分為土壤溫度劇變層、活躍層和漸變層3個區域。秸稈覆蓋厚度不同時，分層情況及區域范圍各異。BP田塊在地表下20cm范圍內，土壤溫度隨氣溫的突然升降有較大波動，屬劇變層；40～60cm處土壤溫度波動幅度減小，屬于活躍層；100cm處為漸變層。SP5、SP10和SP15在地表下20cm范圍內，土壤溫度在降低和升高的過程中有小波動，可視為活躍層，SP20和SP30cm田塊未出現劇變層和活躍層，在整個凍融期內土壤溫度均處于漸變狀態。

2.2.2 凍融期土壤溫度變化速率

在凍融期土壤溫度變化過程中，各種處理土壤溫度的變化具有不同的降溫和升溫速率。為便于比較，將各種處理田塊在凍融期溫度降低和溫度升高過程中土壤剖面溫度最大平均變化速率列于表1。

表1 不同處理田塊的土壤溫度變化最大平均速率 ℃／d

由表1可知，無覆蓋田塊土壤溫度變化率遠大于秸稈覆蓋田塊。SP5、SP10、SP15、SP20和SP30的最大平均溫降速率隨著秸稈覆蓋厚度增加依y＝－0.0092x＋0.467規律線性減小；最大平均溫升速率亦隨秸稈覆蓋厚度增加而線性減小（y＝－0.169x＋0.7327）；相同覆蓋厚度的土壤其溫度回升時最大變化速率大于溫度降低最大速率。

2.2.3 秸稈覆蓋的保溫效應

凍融期休閑地土壤溫度動態變化是氣候變化的結果，覆蓋于地表的秸桿在土壤和空氣之間形成了一個相對疏松的隔離層，切斷了土壤與大氣的直接聯系。秸稈覆蓋一方面減小了地表對太陽輻射的吸收，另一方面減少了地表向大氣的長波輻射，減小了土壤熱量的散失。圖2各圖顯示，覆蓋田塊土壤溫度明顯高于裸地，說明凍融期內秸稈覆蓋對土壤熱量散失的減小作用強于對太陽輻射的阻隔作用，秸稈覆蓋田塊有較多的熱量被保存在土壤中，具有保溫效應，且隨著秸稈覆蓋厚度的增加，保溫效應逐漸增強。秸稈覆蓋處理的土壤剖面最低溫度隨覆蓋厚度增加而增大，BP最低溫度為－10.0℃，SP5、SP10、SP15、SP20和SP30的土壤剖面最低溫度依次為－1.2，－0.7，0.3，1.2，2.0℃，分別比 BP 高8.8，9.3，10.3，11.2，12℃，5種處理剖面最低溫度升高值與覆蓋厚度之間符合y＝0.166x＋8.66關系式。

2.2.4 秸稈覆蓋引起的溫度變化滯后效應

自然狀態下，土壤溫度的變化主要受氣溫的影響，且滯后于氣溫的變化，秸稈覆蓋則進一步增強了這種滯后效應。在土壤溫度降低的過程中，不同處理的土壤降到同一溫度的時間隨覆蓋厚度的增加而滯后。以10cm土層為例（圖2-b），BP土壤于2005年11月26日降低到2℃，SP5、SP10、SP15、SP20和SP30處理的土壤則先后于2005年12月4日、12月13日、12月20日、12月28日和2006年1月21日降低到2℃，分別比BP滯后10，19，26，34，58d。土壤溫度降低過程中達到相同溫度所需要的時間隨秸稈覆蓋厚度的增加而增加。

2.2.5 凍融期秸稈覆蓋的影響深度

對比圖2中不同深度土壤溫度在凍融期的動態可知，隨著土壤深度的增加，外界環境對土壤溫度的影響減弱，各種處理之間的差別減小。

圖2-f顯示，在60cm深處，5種覆蓋厚度不同田塊的土壤溫度已非常接近。SP5和SP30兩種處理土壤的最大變幅之差、溫度變化速率之差和最低溫度 值 之 差 由 5cm 處 的 4.0℃、0.22℃／d 和4.2℃，分別減小為0.6℃、0.08℃／d和0.7℃。這表明秸稈覆蓋對土壤溫度的影響以淺層最為顯著，隨著土壤深度的增加而逐漸減弱；秸稈覆蓋厚度在5～30cm變化時，對地表下60cm深處的土壤溫度的影響已無明顯區別。

3 結論

凍融期秸稈覆蓋改變了自然條件下土壤與大氣間的熱量交換模式，增加了地氣之間熱量交換的阻滯作用，導致凍融期土壤溫度分布及變化與裸地有較大區別。秸稈覆蓋厚度為5～30cm時，對凍融期農田土壤溫度的影響主要表現在以下幾方面。

1）凍融期內土壤溫度的變化幅度隨覆蓋厚度的增加線性減小，地表下5cm處，BP、SP5、SP10、SP15、SP20和SP30的土壤溫度最大變幅依次為18.4，10.7，9.2，8.3，7.3，6.7℃，其它土層變化規律與之相同。

2）秸稈覆蓋顯著抑制土壤溫度波動，抑制作用隨覆蓋厚度的增加而增大。5，10，15cm覆蓋厚度下的土壤不存在土壤溫度劇變層；秸稈覆蓋厚度大于20cm時，整個土壤剖面溫度均為漸變狀態，不出現劇變層和活躍層。

3）凍融期秸稈覆蓋的保溫效應隨著覆蓋厚度的增加而增強，顯著提高了土壤溫度。SP5、SP10、SP15、SP20和SP30處理在5cm深處的最低土壤溫度分別比BP高8.8，9.3，10.3，11.2，12℃。土壤剖面最低溫度升高值隨覆蓋厚度的增加而線性增大。

4）凍融期土壤溫度變化速率隨秸稈覆蓋厚度的增加而線性降低。

5）土壤溫度對氣溫響應的滯后效應隨覆蓋厚度的增加而增強。

6）秸稈覆蓋量對土壤溫度的影響隨著土壤深度的增加而逐漸減弱，地表下60cm處，秸稈覆蓋厚度從5cm增加到30cm，土壤溫度的變化無明顯區別。

［1］ Borresen M H，Barnes D L，Rike A G.Repeated freeze-thaw cycles and their effects on mineralization of hexadecane and phenanthrene in cold climate soils［J］.Cold Regions Science and Technology，200749（3）：215-225.

［2］ LI Hongjian，YAN Junxia，YUE Xiaofeng，et al.Significance of soil temperature and moisture for soil respiration in a Chinese mountain area［J］.Agricultural and forest meteorology，2008，148（3）：490-503.

［3］ Wu X，Yao Z，Bruggemann N，et al.Effects of soil moisture and temperature on CO2and CH4soil-atmosphere exchange of various land use／cover types in a semi-arid grassland in Inner Mongolia，China［J］.Soil Biology ＆ Biochemistry，2010，42（5）：773-787.

［4］ Wang Xianwei，Li Xiuzhen，Hu Yuanman，et al.Effect of temperature and moisture on soil organic carbon mineralization of predominantly permafrost peatland in the Great Hing’an Mountains，Northeastern China［J］.Journal of Environmental Sciences，2010，22（7）：1057-1066.

［5］ Hannu T.Koponen，Tuula Jaakkola，Minna M，Keina nen-Toivola，et al.Microbial communities，biomass，and activities in soils as affected by freeze thaw cycles［J］.Soil Biology ＆ Biochemistry，2006，38（7）：1861-1871.

［6］ 邢述彥.越冬期土壤溫度場及其影響因素初探［J］.太原理工大學學報，2004，35（2）：134-136.

［7］ 邢述彥.土壤凍結溫度測定試驗研究［J］.太原理工大學學報，2004，35（4）：385-387.

［8］ 鄭秀清，陳軍鋒，邢述彥，等.季節性凍融期耕作層土壤溫度及土壤凍融特性的試驗研究［J］.灌溉排水學報，2009，28（3）：56-58.

［9］ Zheng Xiuqing，Chen Junfeng，Xing Shuyan.Infiltration capacity and parameters of freezing and thawing soil under different surface coverages［J］.Transactions of the CSAE，2009，25（1l）：23-28.

［10］ Ramakrishna A，Hoang Minh Tam，Suhas P WaniField，et al.Effect of mulch on soil temperature，moisture，weed infestation and yield of groundnut in northern Vietnam［J］.Crops Research，2006，95：115-125.

［11］ 陳素英，張喜英，裴冬，等.玉米秸稈覆蓋對麥田土壤溫度和土壤蒸發的影響［J］.農業工程學報，2005，21（10）：171-173.

［12］ 王兆偉，郝衛平，龔道枝，等.秸稈覆蓋量對農田土壤水分和溫度動態的影響［J］.中國農業氣象，2010，31（2）：244-250.

［13］ 楊金鳳，鄭秀清，孫明.地表覆蓋對季節性凍融土壤溫度影響研究［J］.太原理工大學學報，2006，37（3）：358-360.