膜下滴灌自動(dòng)化棉田地溫探究與預(yù)測

潘俊杰，阿不都卡依木,2，付秋萍，馬英杰

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.北京聯(lián)創(chuàng)思源測控技術(shù)有限公司，北京 100085)

0 引 言

地溫指土壤溫度，能直接影響土壤微生物的活動(dòng)和作物的生長發(fā)育[1]。棉花覆膜技術(shù)的引進(jìn)有效的阻隔了土壤與大氣間水汽交換，由此地溫得到了顯著的提高，促進(jìn)棉花出苗和產(chǎn)量提高[2]；同時(shí)減少土壤蒸發(fā)，提高水分利用效率[3-5]。且土壤中的溫度梯度與水勢梯度同時(shí)存在，并共同作用于熱量與水分的時(shí)空分布[6]。由于農(nóng)戶受傳統(tǒng)的溝灌技術(shù)的影響，滴灌系統(tǒng)中常出現(xiàn)灌水量增加、增長滴灌周期等問題，導(dǎo)致棉田土壤高地溫低含水率或低地溫高含水率的矛盾。而隨著自動(dòng)化墑情監(jiān)測技術(shù)發(fā)展，基于土壤水分平衡方程式的灌溉預(yù)測系統(tǒng)的引入，為更好的協(xié)調(diào)滴灌棉田的水熱環(huán)境，需要對影響棉田的因素研究并預(yù)測地溫變化情況。

前人對地溫進(jìn)行研究并取得了一定成果，適宜棉花根系生長的地溫為28～30 ℃[7]。棉田覆膜能有效提高地溫，并減少地溫變化幅度[8]。膜下滴灌棉花各生育期地溫變化特點(diǎn)是在苗期膜間地溫要低于膜下地溫，并在蕾期和花鈴期超過膜下，在吐絮期趨于一致[9]，表層地溫變幅要大于深層地溫，且深層地溫的變化存在滯后性[10,11]。前人對影響地溫的因素也進(jìn)行了分析，李毅等人發(fā)現(xiàn)氣溫與地溫具有較好的相關(guān)性，并用二次函數(shù)和橢圓曲線對地溫極值的日變化進(jìn)行了模擬[12]。張建兵等人發(fā)現(xiàn)土壤水分與地溫之間存在負(fù)相關(guān)性，且發(fā)現(xiàn)除表層地溫外，相鄰?fù)翆娱g地溫呈極顯著性相關(guān)，并建立土壤水分與地溫間的回歸方程[13]。王建東等人發(fā)現(xiàn)灌水頻率能夠延遲氣溫對地溫的影響[13]。朱寶文等人發(fā)現(xiàn)日光室內(nèi)日地溫呈正弦曲線變化，且地溫明顯受天氣類型的影響，并建立了日光溫室預(yù)報(bào)模型[14]。在模型模擬方面也有一定研究，何芬等人用有限差分法對日光室地溫進(jìn)行了定量分析[15]。吳從林等建立了地膜覆蓋的SPAC系統(tǒng)熱平衡方程式[16]。楊林等人應(yīng)用地積溫對AquaCrop模型進(jìn)行了改進(jìn)[17]。

綜述所述，前人的研究對膜下滴灌棉花田的變化規(guī)律進(jìn)行了探究，但是對影響地溫的因素研究較少，且存在觀測數(shù)據(jù)不連續(xù)和引入模型參數(shù)不全等問題，代表性不足。本文擬結(jié)合呼圖壁地區(qū)的土壤、水資源和農(nóng)藝措施，研究一膜兩管六行棉花土壤水熱狀況，探究影響地溫變化各項(xiàng)因素，為改善土壤熱狀況提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2017年在昌吉州呼圖壁縣大豐鎮(zhèn)現(xiàn)代化灌溉示范地進(jìn)行。試驗(yàn)地位于天山中段北麓(東經(jīng)86.63°，北緯44.18°)，屬于中溫帶大陸半荒漠干旱性氣候，平均年降雨量為167 mm，年平均氣溫5～6 ℃，日照時(shí)數(shù)2 750～3 090 h。試驗(yàn)地土壤類型為砂壤土，土壤容重1.54 g/cm3，地下水埋深15 m。供試棉花品種為新陸棉早57號(hào)，2017年4月22號(hào)播種，9月26日收獲。試驗(yàn)采用1膜6行的機(jī)采棉種植模式，作物行距(10+66+10+66+10) cm，株距10 cm。滴灌帶鋪設(shè)模式為一膜三帶，分別布置在距第一行棉花垂直距離20、96和142 cm的位置。滴灌帶管徑16 mm，滴頭流量1.8 L/h，滴頭間距0.2 m。灌溉水為井水，水溫為15～17 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)定3個(gè)灌水水平，①重度脅迫灌水W1：限定土壤含水率在田間持水率的40%～50%；②輕度脅迫灌水W2：限定土壤含水率在田間持水率的50%～65%；③常規(guī)灌水W3：限定土壤含水率在田間持水率的65%～80%。每個(gè)處理3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)。

1.3 測定項(xiàng)目

(1)土壤溫度和土壤水分。在實(shí)驗(yàn)小區(qū)距中間行棉花10 cm處，且距中間滴灌帶30 cm處布設(shè)傳感器，分別在土層10、25和40 cm剖面插入插針式傳感器，記錄時(shí)間間隔為60 min。

(2)氣象數(shù)據(jù)采集。采用北京聯(lián)創(chuàng)氣象站自動(dòng)檢測氣象狀況，記錄時(shí)間間隔為60 min，等，監(jiān)測降水、氣溫(日平均、最高和最低)、空氣濕度、輻射、2 m高處風(fēng)速、大氣壓等數(shù)據(jù)。

(3)冠層覆蓋度。采用打孔法進(jìn)行測定單株葉面積。

葉面積指數(shù)=單株葉面積×單位土地面積株數(shù)/單位土地面積[18]。

根據(jù)葉面積指數(shù)來計(jì)算冠層覆蓋率，其計(jì)算公式為：

CC=1.005×[1-EXP(-1.2×LAI)]1.7

(1)

式中：CC為冠層覆蓋率，%；LAI為葉面積指數(shù)[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 自動(dòng)化膜下滴灌棉田地溫的時(shí)空變化

2.1.1 重度脅迫棉花日均地溫的月變化特征

如圖1所示，受太陽輻射年際變化的影響， W1處理7-8月日均地溫隨時(shí)間的推移日均地溫呈先上升后下降的趨勢。而7月和8月中，受氣象因子、灌溉水、覆蓋度等的影響，10 cm土層隨著時(shí)間推移出現(xiàn)局部上下波動(dòng)的現(xiàn)象，7-8月份最大溫差為8.24 ℃；相對10 cm土層，25 cm和40 cm土層日均地溫波動(dòng)幅度較小， 7-8月份最大溫差分別降低了1.43 ℃和2.08 ℃。

圖1 W1處理日均地溫的月變化特征

2.1.2 氣象因子對重度脅迫棉花地溫要素的影響

太陽輻射年際變化會(huì)帶動(dòng)氣象因子的變化，而太陽輻射、大氣壓強(qiáng)和溫度是影響棉田地溫的主要?dú)庀笠蜃印Ｓ杀?可知，大氣壓強(qiáng)和大氣溫度與各土層的溫度要素呈極顯著性正相關(guān)，風(fēng)速和相對濕度與各土層地溫要素的相關(guān)性不明顯。在10 cm土層地溫的最高溫和最低溫與太陽輻射呈極顯著性相關(guān)，而最低溫與輻射的相關(guān)性不大；在25 cm土層地溫的日最低溫和日最均溫與太陽輻射呈極顯著性相關(guān)，與日最高溫呈顯著性相關(guān)；在40 cm土層地溫的日最高溫、日最低溫和日均溫與太陽輻射呈顯著性相關(guān)。

表1 不同深度土層地溫與氣象的相關(guān)系數(shù)

分析各因子對各土層地溫的影響可知，大氣溫度是對地溫的影響最大因子，且大氣溫度對10 cm土層的日最高溫和日均溫的相關(guān)性大于其與日最低溫的相關(guān)性，隨著土層深度的增加單位土層深度上平面與下底面的溫差變小，溫度變化逐漸下降。自動(dòng)化棉田大氣壓強(qiáng)升高，空氣比熱容增大，阻礙了大氣溫度和地溫的升高，且隨著土層深度的增加大氣壓強(qiáng)與地溫要素的相關(guān)系數(shù)變小。太陽輻射對10 cm土層的日最高溫、日均溫的影響較大，而對10 cm土層的日最低溫影響較小。空氣相對濕度對棉田土壤表層水分蒸發(fā)影響較大，進(jìn)而會(huì)對土壤表層溫度的變化產(chǎn)生影響。由于棉田植株冠層覆蓋，降低了風(fēng)速對棉田地表空氣流動(dòng)的影響，因此對地溫要素的影響不大。

選取7月1日至8月30日(61 d)的太陽輻射、大氣壓強(qiáng)、相對濕度、大氣溫度和各土層日均地溫建立偏最小二乘回歸方程：

Tmean=a+bx1+cx2+dx3+ex4

(2)

式中：a、b、c、d、e為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；x1代表日太陽輻射；x2代表大氣壓強(qiáng)；x3代表相對濕度；x4代表各土層日均地溫。如表2所示，各土層模擬出的方程R2均大于0.81，模擬效果較好。

表2 氣象因子與各土層日均地溫的擬合參數(shù)

2.1.3 重度脅迫棉花日均地溫的空間變化特征

如圖2所示，W1處理7月19日單日內(nèi)變化情況。不同土層地溫變化幅度表現(xiàn)出10 cm土層>25 cm土層>40 cm土層，越靠近地表土層溫度的變化幅度就越大。10 cm土層的最低溫出現(xiàn)在10∶00-12∶00，最高溫出現(xiàn)在20∶00-22∶00；相比10 cm土層，25 cm和40 cm土層有2～6 h的滯后。隨土層深度的增加，地溫波動(dòng)幅度越小。膜下滴灌棉田不同土層地溫受氣象因子、灌水等影響，單日內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)幅度。

圖2 W1處理7月19日不同土層地溫隨時(shí)間變化情況

不同土層的日均地溫呈正弦曲線變化規(guī)律，于是將7月19日的地溫與時(shí)間進(jìn)行擬合得正弦函數(shù)：

T=Tmean+A+Bcos(Cx+D)

(3)

式中：A、B、C和D為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；T為實(shí)時(shí)地溫的值；Tmean為日平均地溫。

如表3所示，將不同土層的參數(shù)與時(shí)間進(jìn)行擬合，對模擬值與實(shí)測值的RMSE進(jìn)行比較，模型對25 cm土層地溫和40 cm土層地溫的模擬結(jié)果為優(yōu)，對10 cm土層地溫的模擬結(jié)果較差；用R2比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)模擬10 cm和25 cm土層地溫的可靠性較強(qiáng)，模擬的40 cm土層地溫結(jié)果一般。

表3 W1處理不同土層地溫與時(shí)間擬合參數(shù)

2.2 不同覆蓋度情況下地溫分布情況

如圖3所示，覆蓋度的大小為W3>W2>W1。故在2017年7月1-7日對不同處理的剖面的日均地溫增量進(jìn)行研究。如圖4所示，相比W1處理，W2處理和W3處理10 cm土層日均地溫增量的增減幅度明顯減少，差值分別在-0.02～0.52 ℃和-0.07～0.86 ℃;而隨著土層加深覆蓋度對土層地溫變化的抑制效果減少，相比W1處理，W2處理和W3處理25 m土層日均地溫增量減少-0.21～0.13 ℃和-0.34～0.19 ℃。

圖4 各處理不同土層地溫日增量變化情況

2.3 土壤含水率對地溫的影響

選取棉花花鈴期覆蓋度一致，無降雨和灌水影響，且不同處理存在水分梯度的土壤剖面地溫變化進(jìn)行研究。如圖5所示，與W1處理相比較，隨著土壤含水率的上升，10 cm土層地溫的變化更快，W2和W3處理10 cm土層地溫8月20日當(dāng)日最大溫差分別降低了1.56 ℃和1.57 ℃；土壤含水率的增加能有效抑制地溫波動(dòng)。由于氣象因素等對深層土壤地溫的影響較小，在25 cm土層和40 cm土層，不同土壤含水率處理間的地溫波動(dòng)幅度基本一致。

圖5 各處理不同土層地溫日增量變化情況

2.4 降雨、灌溉對地溫的影響

如圖6所示，受降雨天氣影響地溫變幅不大，但降雨當(dāng)天不同土層地溫整體呈下降趨勢。10 cm土層地溫在次日9點(diǎn)達(dá)到谷底，再出現(xiàn)較大幅度提升，且降雨后3天10 cm土層日最高地溫相近，且變化趨勢與氣溫一致，而25 cm和40 cm土層地溫有一定的滯后性。如圖7所示，試驗(yàn)地灌溉水為地下水，溫度低于地表溫度。對比氣溫的波動(dòng)幅度，土層溫度的波動(dòng)幅度在灌水之后有一定程度的降低。

圖6 7月11日降雨后連續(xù)3天地溫變化情況

圖7 8月16日灌水后連續(xù)3天地溫變化情況

3 結(jié) 語

棉田不同剖面地溫在灌溉期大體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這與太陽輻射的年際變化有關(guān)。當(dāng)?shù)乇斫邮盏奶柖滩ㄝ椛浯笥诘乇矸派涞拈L波輻射時(shí)，地溫開始上升，反之地溫下降[20]。因此，新疆地區(qū)地溫在7月中旬達(dá)到峰值[14]，這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。而太陽輻射首先影響到地表溫度，接著能量向下傳輸。由此，下層土壤地溫的變化存在一定的滯后性，且變化幅度隨土層加深而變緩[21]，這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。受單日內(nèi)氣象因子的變化，單日內(nèi)地溫變化呈正弦曲線變化規(guī)律，且10 cm土層地溫最低溫出現(xiàn)時(shí)間為10∶00-12∶00，最高溫出現(xiàn)在20∶00-22∶00，而25 cm土層和40 cm土層有2～6 h的滯后。當(dāng)不同處理的覆蓋度不同時(shí)，土壤接收太陽輻射的面積變小，地溫的改變量會(huì)出現(xiàn)差異，覆蓋度越小地溫的增減幅度越大。本文結(jié)合地溫日變化情況，建立了一天之內(nèi)實(shí)時(shí)地溫與日均地溫的正弦函數(shù)。

氣象因子首先影響表層土壤溫度，然后能量向下傳遞。日凈輻射和大氣溫度與地溫呈正相關(guān)，風(fēng)速、大氣壓強(qiáng)和相對濕度與地溫呈負(fù)相關(guān)。氣溫和大氣壓強(qiáng)能極顯著影響土壤地溫要素，日凈輻射與10 cm土層日最高地溫極顯著相關(guān)，并與10 cm土層日均地溫顯著相關(guān)。相對濕度直接影響地溫和地溫極值的變化，可是相對濕度同時(shí)會(huì)影響地溫導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)較小，但是相對濕度對10 cm土層的日最高地溫具有顯著影響。由于植株覆蓋，風(fēng)速對地溫的影響程度較小。

膜下滴灌棉田土壤水分與地溫存在耦合作用，隨著土壤中含水率的增加，土壤熱容量加大，由此地溫隨其他因素的影響變幅隨著含水率的上升加大而減小。降雨和灌溉能直接增加土壤含水率，且能使地溫有一定程度的下降，并在灌水和降雨之后地溫的變幅有一定程度減緩。