覆膜種植方式對東祁連山區苜蓿草地土壤溫度和水分的影響*

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(甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，中-美草地畜牧業可持續發展研究中心， 甘肅省草業工程實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

全球草地資源受超載過牧等不合理的利用方式及全球氣候變化的影響，出現不同程度的退化[1-2]。祁連山生態系統作為我國“一帶一路”系統中的重要生態支撐，在維護我國西部生態安全方面有著舉足輕重和不可替代的地位，是西北地區重要的生態安全屏障[3]。近年來，祁連山高寒草地生態系統遭到破壞，導致草地植被覆蓋率下降，種類減少，群落豐富度降低，飼用價值變差，產草量和載畜量極低[4-5]。目前，祁連山面臨著畜牧業繼續增產與保護草場的雙重壓力。冬春季節天然草地提供的飼草已不能滿足放牧牦牛和藏羊正常生長發育和繁殖所需的營養，使得牛羊出現“冬瘦、春死”的現象，嚴重影響了高寒區家畜的生長發育[6]。為此，急需建立穩定高產的多年生人工草地，提高飼草供給能力，實現草畜平衡，使退化草地得休養生息，恢復草地自然調節功能，從而達到草地生態保護與畜牧業發展的雙贏目的[7]。

覆膜種植技術已廣泛應用于我國北方干旱和半干旱地區的玉米、馬鈴薯、小麥等農作物生產。大量實踐表明，覆膜可減少土壤水分蒸發，有效地利用太陽能，達到抗旱、增墑和保溫的作用，有利于建立穩定的節水型農業[8-16]。覆膜種植技術可以改變小麥、玉米、胡麻和馬鈴薯等作物生長的外部微環境[17-20]，可增加土壤有效積溫，提高水分利用效率，進而提高作物產量[21-22]。有研究表明，覆膜能促進天祝和甘南高寒區苜蓿的生長，但關于不同覆膜種植方式對祁連山區土壤溫度和水分的影響未見報道。因此，我們于祁連山東段甘肅天祝高寒地區布設試驗，研究了平膜全覆、壟溝覆膜、壟溝覆膜+覆土和壟溝種植不同方式下土壤溫度和水分含量的變化，旨在為高寒區苜蓿的建植提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為甘農1號雜花苜蓿(MedicagosativaL. ×M.falcataL.)cv ‘Gannong No.1’，由甘肅農業大學提供。

1.2 試驗地概況

研究地設在甘肅省武威市天祝藏族自治縣抓喜秀龍鄉甘肅農業大學天祝高山草原試驗站(37°40′ N，102°32′ E)，試驗區海拔2 960 m，氣候潮濕空氣稀薄、太陽輻射強。天然植被為寒溫潮濕類高寒草甸，該地區水熱同期，無絕對無霜期，僅分冷、熱兩季，年均氣溫-0.1℃，最熱月7月均溫12.7℃，最冷月1月均溫-18.3℃，≥0℃的年積溫為1 380℃；年均降水量416 mm，多集中于7、8、9月；年蒸發量為1 592 mm，水熱同期，年蒸發約是降水量的3.8倍。土壤以亞高山草甸土為主，土層厚度40～80 cm，土壤pH為7.0～8.2[23]。

圖1 試驗區2013年溫度和降雨情況Fig.1 The temperature and rainfall in the experimental site in 2013

1.3 試驗設計

本試驗采用平膜全覆、壟溝覆膜、壟溝覆膜+覆土和壟溝(不覆膜)4種種植方式。壟溝覆膜、壟溝覆膜+覆土和壟溝處理中，壟為集雨區，溝為種植區，壟寬為30 cm，高為15 cm，壟坡約為45°(圖2)[24]。所用地膜為厚度0.008 mm的白色塑料薄膜[25]。試驗小區面積為2 m × 5 m，重復3次，小區隨機區組排列。于2013年5月6日-7日進行播種，所有處理均為穴播，每穴播種5～10粒，播種深度2～3 cm，株距5 cm，行距30 cm；出苗后酌情補苗和間苗，確保每穴有3～5株苜蓿成活。在冬季來臨之前，將壟溝和壟溝覆膜+覆土處理進行抹平處理，覆土厚度為7.5 cm。在6月20日至7月15日，分別進行了人工拔除雜草。

1.4 測定方法

1.4.1土壤溫度 使用地溫計測定地表、地下深5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm的土壤溫度；由于該地區天氣變化較大，因此，選擇在天氣晴朗時測定，并對數據進行匯總，測定時，從8:00-18:00，每隔2個小時記錄1次；每種植方式重復3次。

1.4.2土壤水分 水分測定采用烘干法測定：5月中旬進行整地覆膜，次日播種，在播種前測1次土壤水分；以后每月中旬對每種處理采樣測定水分含量，重復3次。測定時用土鉆取樣，分別采取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm的土樣，稱取5 g放到已知重量的鋁盒當中，105℃烘干恒重，稱重，計算土壤含水量。

圖2 苜蓿種植示意圖Fig.2 Schematic diagram of alfalfa planting注：圖中藍色線條表示覆膜，褐色線條表示起壟Note: The blue line indicates the film mulching, and the brown line indicates the ridge forming in the figure

1.5 數據分析

用Excel 2007軟件整理數據，用SPSS 17.0統計軟件對試驗數據進行單因素方差分析，差異顯著性用LSR法進行多重比較。

溫度統計處理時，對不同處理間的地溫以兩種方式進行統計：(1)不同處理間的地溫在垂直方向上進行比較(即不同土層深度地溫的差異)，以不同深度上(0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm)從早到晚(8:00-18:00)的日平均地溫統計數據，進行比較。(2)不同處理間的地溫隨時間的變化：即在1天中不同時間點不同處理下地溫的變化，對0～25 cm的平均溫度，在不同時間點(8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00)上進行比較。溫度統計處理時，對不同月份晴天下的溫度以這兩種方法進行統計處理。

2 結果與分析

2.1 不同種植方式對天祝區苜蓿草地土壤溫度的影響

天祝高寒區苜蓿草地地表溫度表現為：5月份，壟溝覆膜>壟溝覆膜+覆土>壟溝>平膜全覆；平膜全覆的地表溫度顯著低于其余處理(P<0.05)，比壟溝覆膜降低1.3℃。6月份，平膜全覆>壟溝覆膜>壟溝>壟溝覆膜+覆土。7、8、9月，平膜全覆>壟溝覆膜>壟溝>壟溝覆膜+覆土；7月份，平膜全覆(36.63℃)和壟溝覆膜(31.33℃)顯著高于壟溝覆膜+覆土(26.57℃)和壟溝處理(26.63℃)(P<0.05)，平膜全覆比壟溝覆膜+覆土和壟溝處理下的地表溫度增高10.00℃；8月份，4種處理下的地表溫度(16.38～17.64℃)間無顯著性差異。

5～25 cm地溫的表現趨勢為：5月份，平膜全覆>壟溝覆膜>壟溝>壟溝覆膜+覆土(表1)；平膜全覆在5 cm深度下的地溫顯著最高，為19.5℃(P<0.05)，比壟溝覆膜、壟溝覆膜+覆土和壟溝處理分別高1.64℃，4.22℃，3.09℃；10 cm深度時，平膜全覆的地溫(15.13℃)顯著最高(P<0.05)，比壟溝覆膜、壟溝覆膜+覆土和壟溝處理分別高0.69℃，1.92℃，1.67℃；20～25 cm地溫4種處理間差異不顯著。5月晴天時，平膜全覆在淺土層的地溫增溫最快，較其他3種處理可增溫9.3%、27.7%和19.0%。6月份，平膜全覆在5～25 cm的地溫皆顯著高于其他3種處理(P<0.05)，且平膜全覆>壟溝覆膜>壟溝覆膜+覆土>壟溝；在10～15 cm處，平膜全覆處理下的最高地溫可達26.31℃，26.48℃。6月晴天平膜全覆地表溫度較比其他3種處理可增溫5.99℃、10.39℃和10.36℃；5～10 cm土層地溫在各處理下均達到最大。7、8、9月份，5～25cm地溫為：平膜全覆>壟溝覆膜>壟溝>壟溝覆膜+覆土。7月和8月在5～25cm深度的地溫皆是平膜全覆顯著高于其他處理(P<0.05)，其余3種處理間無顯著性差異。9月份0～25cm土層地溫，4種處理間無顯著性差異。

2.2 不同種植方式對天祝區苜蓿草地土壤溫度日變化的影響

5月從早晨8:00到14:00的地溫都表現為：平膜全覆>壟溝覆膜>壟溝>壟溝覆膜+覆土(表2)。從8:00至16:00一直處于增溫狀態, 18:00地溫下降。其中,平膜全覆處理最高地溫為18.32℃；壟溝覆膜18.38℃；壟溝覆膜+覆土16.52℃；壟溝16.67℃。5月晴天最高地溫在14:00-16:00。

6月地溫變化為：除早晨8:00壟溝覆膜+覆土處理下的地溫最低外，其他時間都是平膜全覆>壟溝覆膜>壟溝覆膜+覆土>壟溝。從10:00到18:00，平膜全覆的地溫都顯著高于其他3種處理；平膜全覆最高溫度在16:00，達32.27℃，較壟溝覆膜、壟溝覆膜+覆土和壟溝處理下的地溫分別增加5.24、7.73與8.89℃，分別提高19.4%、31.5%和38%。

7月、8月晴天地溫均為平膜全覆最高，7月晴天在16:00時，地溫最高，平膜全覆可達32.97℃，較其他3種處理增加了5.24℃、6.04℃和7.2℃；18：00地溫下降。

8月最高地溫出現在12:00，14:00地溫下降。平膜全覆、壟溝覆膜、壟溝覆膜+覆土和壟溝處理的最高地溫分別為：22.31℃,17.79℃,17.88℃和18.58℃，8月份的最高地溫較7月份低。

9月的8:00增溫至14:00時，16:00地溫下降平膜全覆、壟溝覆膜、壟溝覆膜+覆土和壟溝處理的最高地溫分別為21.32℃,19.93℃,17.98℃和20.82℃。

表1 種植方式對各月晴天不同土層地溫的影響Table 1 Effects of planting patterns on soil temperature in different soil layers in a sunny day /℃

續表1

注：不同小寫字母表示各月不同處理間差異性顯著(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters indicated significant differences among different treatments in each month (P<0.05). The same as below

表2 種植方式對晴天地溫日變化規律的影響Table 2 Effects of planting patterns on daily changes of soil temperature in a sunny day/℃

續表2

2.3 不同種植方式對天祝區苜蓿草地土壤水分的影響

5月土壤含水量，壟溝覆膜最高為26.38%，壟溝處理最低為21.13%；平膜全覆在較深土層(20～40 cm)為24.82%，高于壟溝覆膜+覆土(23.22%)，較低土層(0～20 cm)則低于壟溝覆膜+覆土(25.28%)(表3)。0～10 cm土層土壤含水量壟溝覆膜最高為26.92%，與壟溝覆膜+覆土處理(25.95%)間差異不顯著，但顯著高于平膜全覆(24.28%)和壟溝處理(18.68%)，壟溝處理顯著低于其他處理(P<0.05)；10～30 cm土層壟溝覆膜顯著高于其他處理(P<0.05)，平膜全覆與壟溝覆膜+覆土間差異不顯著，在10～20 cm，壟溝處理顯著低于其他處理(21.63%)(P<0.05)，20～30 cm，后三者間差異不顯著；30～40 cm土層的土壤含水量略有升高，壟溝覆膜處理26.14%，與平膜全覆(26.14%)間差異不顯著，但顯著高于壟溝覆膜+覆土處理(24.16%)和壟溝處理(23.12%)(P<0.05)，后二者間差異顯著，壟溝處理顯著低于其他處理(P<0.05)。5月壟溝覆膜處理0～40 cm土壤含水量為26.38%，較平膜全覆(24.56%)提高了7.4%，較壟溝覆膜+覆土(24.25%)提高了8.8%，較壟溝處理提高了24.8%。

6月土壤含水量表現為：壟溝覆膜>平膜全覆>壟溝覆膜+覆土>壟溝。其中，壟溝覆膜種植方式下0～10 cm(25.77%)、20～40 cm(26.22%)土層的土壤含水量皆顯著高于其他3種處理(P<0.05)，其它3種處理間無顯著性差異；10～20cm土層的土壤含水量壟溝覆膜(27.68%)與平膜全覆處理(27.47%)顯著高于壟溝覆膜+覆土處理(23.94%)與壟溝處理(24.97%)(P<0.05)，前二者間無顯著差異，后二者間無顯著差異。6月土壤含水量壟溝覆膜處理(26.92%)較其他3種處理分別提高了7.8%、13.8%和15.8%。

7月土壤含水量0～30 cm與6月的趨勢相同，30～40 cm表現為：壟溝覆膜>平膜全覆>壟溝>壟溝覆膜+覆土。0～10 cm土層，平膜全覆(24.65%)、壟溝覆膜(25.45%)與壟溝覆膜+覆土(23.90%)3種處理均顯著高于壟溝處理的土壤水分(20.77%)(P<0.05)；10～20 cm土層，平膜全覆(22.98%)與壟溝覆膜(23.63%)顯著高于壟溝覆膜+覆土(21.63%)與壟溝處理(19.55%)(P<0.05)；20～30 cm土層，壟溝覆膜與平膜全覆、壟溝覆膜+覆土處理間的差異不顯著，壟溝處理顯著最低(P<0.05)，但與平膜全覆、壟溝覆膜+覆土差異不顯著；30～40 cm土層，4處理間差異皆為顯著差異(P<0.05)。7月壟溝覆膜0～40 cm土壤含水量為23.86%，高于平膜全覆(22.87%)、壟溝覆膜+覆土(22.90%)和壟溝處理(20.88%)，土壤含水量分別提高了4.3%、4.2%和14.3%。

8月土壤含水量表現為：壟溝覆膜>壟溝覆膜+覆土>平膜全覆>壟溝。0～10 cm土層，平膜全覆(24.05%)、壟溝覆膜(26.82%)和壟溝覆膜+覆土(25.27%)3種處理均顯著高于壟溝處理(21.20%)(P<0.05)；10～20 cm土層，壟溝處理最低為17.82%，與平膜全覆、壟溝覆膜+覆土間差異不顯著，與壟溝覆膜(23.82%)間差異顯著(P<0.05)；20～30 cm土層，壟溝覆膜為24.87%，顯著高于平膜全覆和壟溝處理(P<0.05)，但與壟溝覆膜+覆土間差異不顯著，壟溝處理最低；30～40 cm土層，4種處理間差異性不顯著。8月0～40 cm土壤含水量壟溝覆膜為24.64%，高于平膜全覆(20.54%)、壟溝覆膜+覆土(23.14%)和壟溝處理(19.02%)，土壤含水量分別提高了20.0%、6.5%和29.5%。

9月土壤含水量與8月份土壤含水量的表現趨勢一致，為：壟溝覆膜>壟溝覆膜+覆土>平膜全覆>壟溝。在0～10 cm土層，壟溝覆膜(25.98%)與壟溝覆膜+覆土處理(23.33%)的土壤含水量顯著高于壟溝處理下的土壤含水量(20.02%)(P<0.05)；10～20 cm、30～40 cm土層，壟溝覆膜與壟溝覆膜+覆土間差異不顯著，但高于平膜全覆與壟溝處理(P<0.05)，壟溝處理與平膜全覆、壟溝覆膜+覆土間差異性不顯著；20～30 cm土層，壟溝處理土壤含水量最低為18.43%，其他處理4顯著高于壟溝處理(P<0.05)，3者間無顯著性差異。9月0～40 cm土壤含水量壟溝覆膜最高為24.54%，較壟溝覆膜+覆土、平膜全覆和壟溝處理分別提高5.5%、14.5%和22.8%。

表3 種植方式對各月份不同土層土壤含水量的影響Table 3 Effects of planting patterns on the monthly changes of soil water content in different soil layers

3 討論

3.1 不同處理下對地溫的變化規律

地面覆蓋對土壤溫度進行調節的作用機制是通過其覆蓋層及覆蓋層與地面之間空氣層的存在來對土壤與大氣間的熱量交換施以影響[26]。本試驗通過對各月份天氣晴朗時，0～25 cm土層的地溫進行記錄，研究表明5-9月份上午8:00土壤地溫較低，10:00后地溫逐漸增加，其峰值出現在14:00和16:00，且土壤溫度變化最敏感的土層深度為0～15 cm。此結果與王炳英[27]在陜西楊凌地區對覆膜玉米研究的結論相似。李成華等[26]認為，透明聚乙烯薄膜可使來自日光的短波熱輻射幾乎不受阻擋地穿越覆蓋層到達地表面，而土壤反射的長波熱輻射則不能穿過覆蓋層。所以與裸地相比，在覆蓋層下面的熱量聚集導致了土壤溫度的提高；地面覆蓋可有效減小土壤水分喪失，降低土壤溫度。壟溝覆膜+覆土處理是在覆膜之后，再對塑料薄膜覆蓋一層土，土層減弱了太陽輻射從而降低覆膜對土壤的提溫作用。地溫的變化也隨著氣溫變化，溫度傳遞過程受到膜下水循環的影響而有其滯后性[26]；因此不同深度地溫的變化在傳遞過程中會逐層遞減，呈現不同的規律。

5月晴天平膜全覆處理下的表層土壤溫度最低，這是由于天祝高寒區5月氣溫依然較低，且風大，地表溫度很容易受氣候的影響；壟溝覆膜、壟溝覆膜+覆土和壟溝三種種植方式屬于起壟種植，測定地溫時，地表溫度計被置于溝內，由于壟的擋風等作用，地表平均溫度高于平膜全覆。

在晴天天氣中，早晨8:00地溫較低，從10:00開始地溫開始漸增，在14:00和16:00時達到最高，隨后又開始降低。5、6、7月白天最高地溫在16:00時，8月和9月在14:00時，王炳英[27]關于作物在覆膜條件下土溫的變化規律得出相似結論。本研究中土壤溫度變化最敏感的深度為0～15 cm，因此晴天白天地溫隨時間變化增溫也主要在0～15 cm。

本研究表明，覆膜對5、6、7月份土壤的提溫作用影響較大，即對苜蓿生長初期(5月、6月)和生長期(7月)的地溫影響較大。受氣候影響，苜蓿生長后期(8月、9月)地溫整體降低，不同覆膜處理下6月和7月各層地溫出現峰值；8月份平膜全覆的提溫作用依然明顯，9月份各處理的地溫無顯著差異。苜蓿生長初期，土地覆膜能增加日光照射面積，加速覆膜處理下地溫提升速率；而7月為天祝高寒草甸溫度最高月份[23]，土壤溫度隨之增高，苜蓿迅速生長。隨著苜蓿及雜草的生長，在苜蓿生長的后期，雜草和苜蓿對地膜的遮蓋作用越來越明顯，地膜接受的日光輻射也隨之減少，對地溫的提升作用下降。李興等[28]在黃土高原研究覆膜玉米的土壤溫度時也指出，地膜可提高地溫，其作用主要在作物生長前期，中期和后期效果減弱；李富春等[29]的研究也表明地膜可提高苗期的地溫；吳序卉和蒲小朋[30]使用地膜在天祝種植燕麥和豌豆時也發現地膜覆蓋在前期對太陽輻射的作用反應最明顯、效果最好。

3.2 不同處理下土壤水分的變化規律

覆膜可有效減小水分損失，保持土壤濕度，阻止蒸發，從而促進作物生長[33]。周麗敏[11]對玉米進行不同方式的覆膜種植，發現雙壟全膜覆蓋比全膜平鋪可以更有效地提高表層土壤水分含量，提高玉米的產量和水分利用效率。本試驗中，5-9月份壟溝覆膜種植方式下各土層的土壤含水量均高于其他各處理，各月份各土層的土壤含水量高于平膜全覆和其他兩種處理，集雨效果達最佳，與周麗敏[11]的研究結果相一致。各月份中，三種覆膜種植方式下的土壤水分含量均高于不覆膜的壟溝處理，且在0～20 cm的淺層土壤水分差異較大，20～40 cm的深層土壤變化趨勢減弱。平膜全覆在6-7月份的集雨效果僅次于壟溝覆膜，8月和9月的效果減弱，壟溝覆膜+覆土的集雨效果在8月和9月提高。在天祝高寒區，降雨主要集中在7、8、9月，該段時間剛好是苜蓿生長需水量最大的時間，采用覆膜，尤其是壟溝覆膜種植方式可以極大的提高水分利用效率，為苜蓿高產奠定基礎。壟溝覆膜對高寒區苜蓿生長提供最大的水分利用效率，其次是平膜全覆和壟溝覆膜+覆土，壟溝處理集雨效果最差。5月至9月間，壟溝覆膜土壤含水量比平膜全覆增加了4.3%～14.5%，比壟溝覆膜+覆土增加了4.2%～13.8%，比壟溝處理增加了14.3%～24.8%，可見壟溝覆膜處理的集雨效果在4種處理間效果最佳。

本研究結果顯示，天祝高寒區平膜全覆種植方式土壤表層的溫度最高，在中午12:00-14:00時，瞬間溫度達40℃以上，這會對苜蓿造成傷害；而壟溝覆膜下的表層土壤在該時的溫度在40℃以下，不會造成傷害。且壟溝覆膜處理的集雨效果在4種處理間效果最佳，土壤含水量最大。因此，壟溝覆膜處理顯著提高了高寒區苜蓿的生長，促進了苜蓿根頸、根頸芽和根系的生長[25]。

4 結論

平膜全覆對天祝高寒區苜蓿生長在溫度上的貢獻最大，且覆膜對苜蓿生長地溫的提升作用主要集中在苜蓿生長前期和中期，生長季末期的作用有限。壟溝覆膜在水分上的貢獻最大，相比壟溝處理可增加土壤含水量14.3%～24.8%，集雨效果最佳。平膜全覆和壟溝覆膜2種處理能夠更大效率的增溫和保墑，在實際生產應用中，能夠為天祝高寒區苜蓿的生長提供最有利的環境。