開溝覆膜滴灌條件下葡萄生育期土壤溫度變化研究

2018-12-26 08:42:52陸華天劉洪光

節水灌溉 2018年12期

陸華天，劉洪光

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832000)

0 引言

膜下滴灌技術的推廣應用大大加快了新疆節水農業的發展，實現了節水增產高效的目的[1]。但是，膜下滴灌灌溉用水量小，且部分灌溉用水礦化度高，土壤鹽分在外界強烈蒸發條件下較容易在表層聚集，致使產生更加嚴重的土壤次生鹽化危害[2]。針對膜下滴灌技術的鹽分表聚、累積以及在重鹽堿地上的使用問題，劉洪光等[3, 4]提出了一種調控田間鹽堿的新技術——開溝覆膜滴灌技術(示意圖如圖1)。開溝覆膜滴灌技術是在覆膜滴灌技術的基礎上，增加開溝技術，將作物種植在膜下的壟溝里，由于覆膜抑制蒸發，而裸地蒸發強烈，鹽分隨著土壤水分蒸發不斷向裸地表層土壤聚集，通過調控使鹽堿與作物根區土壤局部分離，為作物根區創造一個適宜的鹽分環境，滿足作物生長的需要[2,3,5]。

土壤溫度是土壤環境的重要參數之一，作為影響作物生長的重要因素，其對作物的影響機制一直是研究的重點[6-11]。土壤熱量主要源自太陽輻射,土壤熱量收支和熱性質的不同導致了溫度的變化[12]。膜下滴灌條件下，土壤中的熱量分布規律與傳統的大水漫灌相比，呈現出不同的時間和空間規律[10]，膜下滴灌土壤溫度受氣溫、玉米葉面積指數、灌水及土壤含水率共同作用[13]。陳麗娟等[11]研究了不同水分虧缺水平對土壤溫度變化特征的影響，結果表明不同水分處理對土壤溫度的影響差異較大。袁晶晶等[14]通過研究膜下滴灌棉田地溫時空變化規律，發現在棉花不同生育期導致地溫變化的主要影響因子不同，在棉花苗期，地溫主要影響因子為覆膜，在蕾、花鈴期為植株覆蓋及土壤含水量，而在吐絮期則為植株覆蓋。此外，很多學者針對小麥、玉米、棉花等經濟作物，圍繞不同覆蓋[15-18]、不同土壤管理方式和耕作措施[19-22]、不同節水灌溉條件[23-25]等對土壤溫度的影響展開研究,取得了一系列的研究成果。土壤溫度影響著植物的生育、土壤的形成和性狀,土壤空氣和土壤水的運動也與土壤溫度有密切關系[12]，國內外學者在研究中得到了一些結論：李明思等[12]研究發現，適當增加土壤溫度有利于促進種子發芽，保證作物出苗率。張德奇等[26]對干旱區覆膜技術研究進展進行了論述，大部分研究結果均表明覆膜對土壤溫度有提升作用，作物最終達到增產目的。同時，已有研究表明，土壤中水分與溫度相互影響，不同的土壤含水率下地溫變化存在差異[10]，土壤鹽分運移受制于土壤水分和溫度[27]。

目前，針對新疆膜下滴灌葡萄田塊土壤熱量狀況的田間觀測資料和數值模擬研究較為缺乏；同時，以往的觀測手段多為人工觀測，研究也多是基于典型日進行,數據資料不連續，代表性不足。本文以新疆兵團第八師田間試驗的連續性觀測資料為基礎，對開溝覆膜滴灌葡田塊的土壤熱狀況進行研究，著重分析不同灌水處理、不同開溝模式條件下的土壤溫度變化規律，以期在土壤熱量變化規律的基礎上更好地指導農業生產實踐。

1 材料與方法

1.1 研究區域自然地理概況

試驗區域位于新疆生產建設兵團第八師147團6連，該團位于瑪納斯河下游，天山北麓中段，準噶爾盆地南緣，面積約224.58 km2，地理位置東經86°10′～86°15′，北緯44°22′～44°50′，整體地形東南高西北低，南北海拔387.3～350 m，年降水量為106.1～178.3 mm，年平均蒸發量為1 722.5～2 260.5 mm。試驗區地下水埋深15 m以下，土壤在80 cm深度以內主要為沙壤土，80 cm內土壤平均容重為1.5 g/cm3，田間持水率為22%(質量含水率)。

1.2 試驗設計

試驗區種植葡萄品種為弗雷早熟無核葡萄，樹齡為12 a，行株距為3 m×1.5 m。葡萄種植為一行兩管模式，采用開溝覆膜滴灌技術栽培，通常采用滴頭流量為3.2 L/h。整個葡萄生育期共灌水7次，灌水定額450～675 m3/hm2。

圖1 開溝覆膜滴灌技術示意圖

試驗區葡萄生育期包括6個階段：萌芽期(5月上旬開始)、開花期(6月上旬開始)、坐果期(6月中旬開始)、果粒膨大期(6月下旬開始)、果粒成熟期(7月下旬～8月上旬)和枝條成熟期(8月中下旬開始)。由于地膜在作物生育后期的增溫保墑作用減弱，故在農業生產實踐中可采取揭膜的措施增大土壤透氣性，加強根系的呼吸作用，防止根系早衰。在兵團第八師葡萄的種植過程中，農戶采用這種生育后期揭膜(7月下旬)的做法，所以葡萄生育期最后一次灌水方式為滴灌。為了探究不同的灌水處理和開溝模式對土壤溫度的影響，該試驗設計采用了在葡萄種植中兩種常用的開溝模式，設置3個灌水處理(見表1)，具體試驗方案設計見表2。試驗觀測的時間為2016年5月9日-2016年7月19日，該時段屬于葡萄的生育期，因葡萄生育后期(果粒成熟期和枝條成熟期)灌水次數少且為無膜滴灌，7月下旬停止觀測。

表1 試驗采用灌水處理 m3/hm2

表2 試驗方案設計

1.3 試驗數據觀測與方法

采用自動氣象站自動檢測大氣溫度，采用EM50自動監測土壤溫度。數據的采集時間間隔為8 h。葡萄種植前，對儀器進行埋設安裝。每行葡萄樹埋設2套EM50數據采集器。EM50安裝在兩棵葡萄樹間距中點位置，另一套安裝在開溝覆膜邊(圖2所示)。EM50共有5個探頭，5個探頭分別位于垂直地表0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm處。

圖2 儀器埋設示意圖(單位：cm)

1.4 試驗數據處理與分析

對同一土層，EM50數據采集器在每天內采集的3個數據，求其平均值作為該土層土壤日平均溫度。數據用軟件SPSS 20.0和Origin 8.5進行數據處理統計和繪圖。采用方差分析比較不同灌水量和不同開溝模式下膜內外各土層溫度的差異顯著性。顯著性水平設定為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 各處理下葡萄生育期內土壤溫度逐日變化分析

從圖3可以看出，在各處理下，無論是膜內還是膜外，0～100 cm深度各層土壤溫度在5月上旬處于低溫水平，從5月下旬開始在波動中上升，大約在6月中旬達到峰值，之后基本維持在較高的水平，盡管有所波動但波動幅度逐漸減小，形狀趨于平緩。土壤溫度整體上升主要是受太陽輻射和大氣溫度的影響。各土層溫度變化波動趨勢與大氣溫度逐日變化趨勢基本保持一致，且大氣溫度的影響隨土壤深度的增加而減弱。土壤溫度呈現上述變化規律是地表吸收和散失熱量的結果，土壤表層熱量變化向下傳遞需要一定的時間，因此地表的土壤溫度變化較劇烈，深層土壤溫度趨于平緩[18]。

根據葡萄根系生理特性研究表明葡萄屬于喜溫植物，土壤溫度維持在13～35 ℃之間，有利于葡萄根系的生長、土壤養分的吸收以及糖分的積累[28]。從圖3中可以看到，在各處理下，無論膜內土壤溫度還是膜外土壤溫度均在14～33 ℃之間波動，膜內土溫均值與膜外均值相差不大，但是灌水(晚上)后，表層土壤溫度會急劇下降，膜內和膜外土壤溫度均下降，這可能是土壤含水率增加、夜晚降溫、水汽凝結吸收熱量等因素影響。待灌水48 h后，土壤內水分重分布結束，在太陽輻射的作用下，溫度逐漸上升，膜內土壤溫度與膜外波動趨勢一致，灌水的影響基本消除，這是由于滴灌是局部灌溉，灌水后膜內土壤溫度降低，在太陽輻射熱量和膜內外溫度勢作用下，膜內外土壤溫度很快達到平衡。孫貫芳等[13]研究發現膜內土壤溫度受灌溉影響較大，灌水后越接近地表土壤溫度下降幅度越大，地表5 cm土壤溫度2～3 d恢復至灌前水平，而膜外基本不受灌溉影響。本研究發現膜外表層土壤溫度受灌溉影響，與孫貫芳等研究有所不同，可能是由灌水量和觀測點位置等因素引起。

圖3 不同處理下葡萄生育期內土壤溫度時空變化分布圖

處理0～20 cm20～40 cm40～60 cm60～80 cm80～100 cm開溝模式膜內F0.2480.1260.1230.4220.017Sig.0.5940.7230.7260.4930.898膜外F3.3230.0730.5510.1640.011Sig.0.0690.4490.4580.6860.916灌水量膜內F21.70010.1003.0462.6861.862Sig.0.0000.0000.0000.0490.157膜外F4.1023.1220.6680.0790.346Sig.0.0170.0450.5130.8240.708

注：**顯著性水平為0.05。

2.2 不同灌水處理對土壤溫度的影響

由表3的方差分析結果可知，不同灌水處理對膜內0～60 cm土層土壤溫度影響差異顯著，對膜內60～100 cm土層土壤溫度影響差異不顯著，對膜外0～40 cm土層土壤溫度影響差異顯著，對膜外其余各土層土溫影響差異不顯著。陳麗娟等[11]通過研究覆膜和水分雙重因子對土壤溫度的影響，發現15 cm土層以下水分因子對土壤溫度的變化起主導作用。本文研究結果與陳麗娟等人研究結果相似。

從表4可知膜內0～20、20～40 cm土層土溫隨著灌水量的增加而降低，在0～20 cm土層，灌水量為4 575 m3/hm2時土溫顯著高于5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2處理下的土溫，比灌水量為5 100 m3/hm2時高2.5 ℃，比灌水量為5 625 m3/hm2時高2.9 ℃；在20～40 cm土層，灌水量為4 575 m3/hm2時土溫顯著高于5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2處理下的土溫，比灌水量為5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2時均高約1.8 ℃；而在40～60 cm土層，土溫與灌水量之間的變化關系則與0～20 cm、20～40 cm土層呈現的規律不同，土溫隨灌水量的增加而增加，灌水量為5 625 m3/hm2時土溫顯著高于4 575 m3/hm2和5 100 m3/hm2處理下的土溫，高約0.36 ℃。膜外0～20 cm、20～40 cm土溫隨灌水量的增加而增加；在0～20 cm土層，灌水量為5 100 m3/hm2處理下，土溫比4 575 m3/hm2處理時高0.95 ℃，5 625 m3/hm2處理下，土溫比4 575 m3/hm2處理時高1.26 ℃；在20～40 cm土層，灌水量為5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2時，土溫比4 575 m3/hm2處理時高約1 ℃。這是由于灌水量較小時，膜內淺層土壤水分含量低，在膜內外水汽交換作用下，膜內淺層土壤溫度能保持在較高水平，土壤水分在垂向運移速率快，能夠很快地將表層土壤熱量傳遞到深層土壤，使深層土壤溫度增加。而灌水量較大時，表層土壤含水量較高，由于水的比熱容值較大，在太陽輻射和膜內外水汽交換作用下，表層土溫比灌水量較小時波動幅度小升溫緩，而深層土壤由于含水量高，土壤熱量不易散失；同時水分沿水平方向擴散快，能夠使膜外土壤含水量大，而由于水分的比熱容較大，故能夠使膜邊主根區范圍(0～60 cm)土壤溫度維持在較高水平。

表4 不同灌水處理下土壤溫度的統計特征

2.3 不同開溝模式對土壤溫度的影響

由表3的方差分析結果可知，無論膜中還是膜外，采用不同開溝模式對其0～100 cm深度各土層土壤溫度影響差異并不顯著，但是從表5分析可知，隨著開溝寬度的增加，膜內各土層溫度均增加約0.04～0.21 ℃，膜外各土層溫度均增加約0.04～0.28 ℃，說明適當增大開溝寬度可以提高膜內土壤溫度，使覆膜的保溫保墑作用更明顯，同時可以增加膜邊土壤溫度，有利于水分、養分向膜邊運移，有利于根系在水平方向的生長。