寒旱灌區凍融期冬小麥不同覆蓋條件土壤溫度變化

白巴特爾，鄭和祥，任 杰，張建成，趙春芝，張培智

（1.中國水利水電科學研究院 牧區水利科學研究所，呼和浩特010020；2.巴彥淖爾市農牧業科學研究院，內蒙古 巴彥淖爾015400）

土壤溫度是影響作物生長發育的重要因素之一［1－2］，而覆蓋直接影響土壤溫度，其可減少土壤水分損失，提高土壤水分利用率，同時也能改善作物生長狀態［2－4］。國內外眾多學者圍繞覆蓋對土壤溫度和作物生長影響進行了大量相關研究，取得了許多重要的成果。Flerchinger等［5］研究了地表有不同覆蓋物和植被時對土壤溫度以及土壤含水率的變化分析；Ji等［6］研究分析了不同覆蓋物和不同覆蓋量對土壤溫度的影響；鄧力群等［7］開展了地面覆蓋對鹽漬土水熱鹽運動及作物生長的影響研究，得出秸稈覆蓋的隔熱性及其對土壤熱容量的提高，緩和了土壤溫度的日變化；于曉蕾等［8］研究了不同秸稈覆蓋量對冬小麥生理及土壤溫濕狀況的影響，得出在小麥全生育期內秸稈覆蓋可有效地保持土壤水分，在小麥返青后保持了較高的土壤溫度，有利于小麥的拔節，該試驗僅從秸稈覆蓋量單一因子角度進行了研究，還可進行綜合因素分析；伊德里薩等［9］研究了不同水分條件下秸稈覆蓋對冬小麥生長的影響，得出秸稈覆蓋不但可以提高土壤的保墑作用，而且在各種水分條件下秸稈覆蓋對于作物產量都有著顯著影響，該試驗是在溫室大棚內完成的，各項參數測定均受溫室大棚條件限制，其研究成果還有待大田試驗進一步驗證；譚凱敏等［10］研究了秸稈還田后覆膜鎮壓對旱地冬小麥土壤溫度和產量的影響，得出覆蓋隔斷了土壤與外界的水分交換，抑制了潛熱交換，減弱外界影響，使夜間溫度下降減緩，小麥秸稈還田的增溫效果要大于玉米秸稈還田，該試驗主要從鎮壓角度分析了覆蓋對水熱交換的阻隔作用，未全面進行土壤水熱運移分析。

上述研究多是分析覆蓋對非凍期土壤溫度的變化規律及對作物產量的影響，而對凍融期不同地表覆蓋條件下的土壤溫度影響過程研究較少，特別是北方寒旱灌區覆蓋對冬小麥大田凍融期土壤溫度影響尚無研究成果。因此，本文在前述研究的基礎上，以實測田間數據為基礎，研究寒旱灌區凍融期不同覆蓋條件冬小麥土壤溫度變化過程。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

田間測試于2012年9月—2013年7月在巴彥淖爾市農牧業科學研究院園子渠試驗站進行，該試驗區位于內蒙古河套灌區中部，試驗區的土壤、氣候和作物種植等狀況在河套灌區均具有較好的代表性。

試驗區屬于溫帶大陸性干旱氣候，冬季長而寒，夏季短而熱；降水少，年平均降水量135.9mm；蒸發大，年平均蒸發量1 984.3mm；年平均日照時數3 181h，年平均氣溫7.5℃，無霜期126d；每年的10月下旬至翌年5月上旬為土壤凍融期，最大凍土層深度1.2m。試驗區1.0m深土壤類型均分為2層，上層0—40cm 為粉壤土，土壤容重1.42g/cm3，田間持水率37.50%；下層40—100cm為粉土，土壤容重1.40g/cm3，田間持水率38.75%。

1.2 試驗設計和測定方法

試驗在冬小麥試驗田中開展，試驗材料為“寧冬11號”耐寒冬小麥品種［11－12］，設無覆蓋處理CK、地膜覆蓋處理DM和秸稈覆蓋處理JG共3個處理；每個處理試驗小區的長度均為10m，寬度均為6m，面積為60 m2；每個小區之間設隔離帶，隔離帶寬度2.0m；各處理每次測定各測點5，15，25，40cm土層的土壤溫度；每天測2次，分別在8：00，18：00進行，取其平均值作為日均溫度值進行分析，常規測定為每7d一次［13－16］；各測點土層的土壤溫度采用曲管地溫計測定，量程－20°～50°，并采用插針式地溫傳感器對其中2個測點的土壤溫度進行了驗證，誤差均在10.0%以內。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋條件土壤溫度影響分析

根據2012—2013年度田間實測土壤溫度數據進行不同覆蓋條件各土層土壤溫度的影響分析。圖1為地膜覆蓋、秸稈覆蓋和無覆蓋3種處理下冬小麥整個生育期內5cm土層的土壤溫度過程線。從圖中可看出冬小麥在整個生育期，地膜覆蓋條件能使5cm土層產生明顯的增溫，在2012年12月9日土壤進入快速凍結期時，與無覆蓋相比，5cm土層增溫最高達6.2℃；當冬小麥進入返青期后，氣溫開始回升，覆膜處理增溫效果也十分顯著，在土壤融解期的2013年4月12日5cm土層增溫最高達4.3℃；直到拔節期和乳熟期地膜覆蓋的增溫效果不明顯，這可能是由于在該生育期各處理的生物量指標較大，植株的遮蔭率較高，尤其葉面積指數的提高使地膜覆蓋處理冠層截獲的能量大于無覆蓋處理，直射到地表的能量減少，從而增溫效果大大降低。

從圖1A中還可看出冬小麥在整個生育期秸稈覆蓋的土壤溫度一直低于地膜覆蓋處理而高于無覆蓋處理，特別是在土壤凍結過程和融解過程2種覆蓋增溫效果顯著；在土壤進入凍結期的2012年10月15日至翌年1月5日，5cm土層的增溫均在1.5～3.5℃；在土壤凍結期的2012年11月29日5cm土層增溫最高達3.4℃；比地膜覆蓋增溫最高時間偏早11d，且最大增溫值偏小2.8℃；同樣在土壤融解期，秸稈覆蓋的增溫效果比地膜覆蓋偏低。

圖1B—D分別為15cm，25cm和40cm土壤深度3種處理的溫度過程線，由圖1中可知：地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理的土壤溫度始終比無覆蓋處理的土壤溫度高，地膜覆蓋的增溫效果最好，秸稈覆蓋處理增溫效果次之；隨著土層深度的增大，地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理的增溫效果均逐漸降低，40cm土層增溫效果最差，與無覆蓋處理相比40cm土層地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理的增溫最大值分別為3.1℃和1.8℃，遠小于5cm土層的增溫效果。對比分析各土層土壤溫度變化過程線可以看出：與無覆蓋處理相比，地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理在融解期的增溫效果均比凍結期稍差，在凍結穩定期（2012年12月下旬至2013年2月下旬）兩種覆蓋處理對各土層增溫效果很小。

上述分析結果表明：地膜覆蓋和秸稈覆蓋對土壤增溫影響主要在土壤表土層，隨著深度的增加，增溫效果逐漸降低，40cm的增溫作用較小；地膜覆蓋和秸稈覆蓋在凍結期對土壤的增溫效果較好，在融解期對土壤的增溫效果稍差，在凍結穩定期增溫效果很小。

圖1 不同土層土壤溫度過程線

2.2 不同土層土壤溫度影響分析

圖2分別為冬小麥無覆蓋、地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理各土層的土壤溫度過程線；從圖2A可看出對于無覆蓋處理冬小麥在整個生育期土壤溫度總的變化趨勢是：在土壤凍結前，5cm土層的土壤溫度比其他土層稍微偏高，40cm土層的土壤溫度最低；進入凍結期，隨著氣溫的降低，5cm土層的土壤溫度顯著降低，而40cm土層的土壤溫度下降最慢；直到進入凍結穩定期，各土層的土壤溫度逐漸接近，約在2013年1月28日，各土層的土壤溫度均降低至約－9.5℃；隨后進入融解期，隨著氣溫的不斷升高，表層土開始融解，5cm土層的土壤溫度不斷升高，而40cm土層的土壤溫度升高最慢，直到2013年4月15日，各層土的土壤溫度均升高至0℃以上；之后氣溫快速升高，各層土壤溫度在20d左右均達到10℃以上。

上述分析結果表明：在冬小麥全生育期，隨著氣溫的變化，各土層土壤溫度總的變化趨勢是先逐漸降低，其中表層土降溫最快；然后隨著氣溫的不斷升高，5cm土層最先融解，并且融解速度較快，40cm土層融解速度最慢。

圖2B和圖2C中地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理各土層的土壤溫度總的變化趨勢與無覆蓋處理基本一致；不同的是地膜覆蓋各土層比無覆蓋處理各土層進入凍結期的時間晚10～15d，土壤融解時間早8～12d；秸稈覆蓋各土層比無覆蓋處理各土層進入凍結期的時間晚5～10d，土壤融解時間早3～8d。

上述分析結果表明：地膜覆蓋無論在凍結前、凍結前期、融解后期對各土層均具有較好的增溫效果，秸稈覆蓋效果稍差；而在凍結穩定期和融解前期無論是地膜覆蓋還是秸稈覆蓋，基本無增溫作用。

圖2 不同覆蓋處理各土層土壤溫度過程線

3 結 論

（1）地膜覆蓋對凍融期的土壤溫度具有較好的增溫效果，秸稈覆蓋效果稍差；地膜覆蓋和秸稈覆蓋對土壤增溫影響主要在土壤表土層，隨著深度的增加，增溫效果逐漸降低，40cm土層的增溫作用較小；地膜覆蓋和秸稈覆蓋在凍結期對土壤的增溫效果較好，在融解期對土壤的增溫效果稍差，在凍結穩定期增溫效果很小。

（2）在冬小麥全生育期各土層土壤溫度總的變化趨勢是先降低再逐漸升高，其中在凍結期表層土降溫速度最快；在融解期隨著氣溫的不斷升高5cm土層最先消融，并且融解速度較快，40cm土層融解速度最慢。

（3）土壤溫度變化過程在凍結期和融解期呈現不同特點，土壤凍結時間長而消融時間短，土壤消融速度遠大于凍結速度；凍結期土壤溫度隨著土壤深度的增加而升高，融解期隨著土壤深度的增加而降低。

［1］ 王燕培，柴守璽，陳玉章，等.不同秸稈還田處理對旱地冬小麥土壤水分的影響［J］.水土保持研究，2014，21（6）：164－170.

［2］ 鄭和祥，郭克貞，郝萬龍.作物生長指標與土壤水分狀況及地溫關系研究［J］.水土保持研究，2011，18（3）：58－63.

［3］ 張小紅，張緒成.半干旱區旱地不同覆蓋方式對糜子耗水和產量的影響［J］.水土保持研究，2012，19（5）：29－33.

［4］ 宋淑亞，劉文兆，王俊，等.覆蓋方式對玉米農田土壤水分作物產量及水分利用效率的影響［J］.水土保持研究，2012，19（2）：210－212.

［5］ Flerchinger G N，Pierson F B.Modeling plant canopy effects on variability of soil temperature and water：Model calibration and validation［J］.Arid Environ.，1997，35（4）：641－653.

［6］ Ji S，Unger P W.Soil water accumulation under different precipitation，potential evaporation，and straw mulch conditions［J］.Soil Science Society of America Journal，2001，65（2）：442－448.

［7］ 鄧力群，陳銘達，劉兆普，等.地面覆蓋對鹽漬土水熱鹽運動及作物生長的影響［J］.土壤通報，2003，34（2）：93－97.

［8］ 于曉蕾，吳普特，汪有科，等.不同秸稈覆蓋量對冬小麥生理及土壤溫、濕狀況的影響［J］.灌溉排水學報，2007，27（4）：55－58.

［9］ 伊德里薩，張展羽，郭相平，等.不同水分條件下秸稈覆蓋對冬小麥生長的影響［J］.灌溉排水學報，2008，28（1）：125－127.

［10］ 譚凱敏，楊長剛，柴守璽，等.秸稈還田后覆膜鎮壓對旱地冬小麥土壤溫度和產量的影響［J］.干旱地區農業研究，2015，33（1）：159－164.

［11］ 常曉慧，孔德剛，井上光弘，等.秸稈還田方式對春播期土壤溫度的影響［J］.東北農業大學學報，2011，42（5）：117－120.

［12］ 曹晉軍，劉永忠，李萬星，等.不同覆蓋方式對土壤水熱狀況和玉米水分利用效率的影響［J］.中國農學通報，2015，29（33）：107－111.

［13］ 鄭和祥，李和平，郭克貞，等.河套灌區冬小麥凍結期土壤入滲特性分析［J］.農業工程學報，2014，30（4）：70－78.

［14］ 馬海鴿，蔣齊，王占軍，等.溫度和光照對不同預處理野生甘草種子萌發和幼苗生長的影響［J］.水土保持研究，2014，21（5）：225－235.

［15］ 姚寶林，施炯林.秸稈覆蓋免耕條件下土壤溫度動態變化研究［J］.安徽農業科學，2008，36（3）：1128－1129.

［16］ 蘇偉，魯劍巍，周廣生，等.稻草還田對油菜生長、土壤溫度及濕度的影響［J］.植物營養與肥料學報，2011，17（2）：366－373.