南疆膜下滴灌棉田土壤温度时空变化规律研究

姚宝林，程 晨，杨 晨

(塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

土壤温度影响作物生长发育进程和作物品质[1,2]。通过地表覆盖措施调控土壤水分状况进而改善土壤温度的时空变化是目前广泛采用的一种农业措施[3-6]。南疆塔里木盆地具有丰富的光热资源，是典型的灌溉农业区，也是我国优质棉生产基地，覆膜栽培技术和滴灌技术有机结合形成的膜下滴灌技术具有协调土壤水、肥、气、热的分布状况，满足棉花生长发育的生理需求，具有苗齐、苗壮、高产优质的效果[7,8]。贺欢(2009年)[9]研究发现，覆膜对土壤的增温效应主要在棉花生长前期，土壤温度最大日幅与深度有很好的相关性；申孝军(2011年)[10]对棉花膜下滴灌土壤温度变化研究表明表层地温的变化滞后于气温的变化，滞后时间随着土壤深度的增加而延长，地表40 cm以下土壤温度的日变化十分微弱，几乎不受太阳辐射日变化的影响；李萌(2015年)[11]发现5 cm土层土壤温度受气温的影响最密切，15 cm以下气温对土壤温度的影响不显著。

目前对膜下滴灌棉花生育期土壤温度时空变化研究较多，但针对南疆免冬春灌“干播湿出”滴水出苗土壤温度变化研究较少，本文通过监测膜下滴灌棉花生育期土壤剖面温度，进一步明确膜下滴灌棉花生育期宽行、窄行和膜间土壤温度时空分布规律，为南疆棉花膜下滴灌可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本概况

试验于2015在塔里木大学水利与建筑工程学院试验基地(79°23′33″～81°53′45″E，40°20′00″～41°47″18″N)进行，海拔高度1 020 m，年均气温10.8 ℃，年均降水量40.1～82.5 mm，年均蒸发量1 976.6～2 558.9 mm，为典型极端干旱气候区，地下水埋深在3 m以下。2015年棉花生育期日均温度与太阳辐射见图1所示。日均温度与太阳辐射出现先增加后逐渐减小的趋势，日均温度最高为30.34 ℃，日均太阳辐射量最大为3.28 kJ/cm2。

图1 试验期间日均气温与太阳辐射量变化Fig.1 Daily average temperature and solar radiation during experiment periods

1.2 试验项目与方法

膜下滴灌棉花种植模式为“一膜两带四行”，采用“干播湿出”滴水出苗方式，棉花供试品种为“新陆中28”，4月中旬进行棉秆拔除、清地、犁地、耙地、敷带覆膜、播种等耕作环节，犁地时施入尿素180 kg/hm2，磷酸二氢铵225 kg/hm2，硫酸钾镁150 kg/hm2。棉花生育期分四次随水滴施棉花滴灌专用肥450 kg/hm2，喷施缩节安化控4次。膜下滴灌毛管采用单翼迷宫式滴灌带，滴头流量实测1.8L/h，滴头间距30 cm。试验区面积约0.2 hm2，生育期灌水12次，灌水定额为20～30 mm，由一条支管控制，由水表读取灌水量。土壤温度测定位置分别在膜间(1号)、滴灌带下(2号)和宽行(3号)3个位置，采用多通道土壤温度自动采集系统进行测定，记录时间间隔为1 h，各位置温度计探头埋深分别为5、10、15、20、30、40、60 cm，共计7个土壤深度，监测自2015年4月20日棉花播种始至2015年10月31日收获完毕截止，种植模式和温度测定位置见图2所示。

2 结果与分析

2.1 棉花生育期不同位置土壤温度时空变化

棉花生育期土壤温度变化见图3所示。宽行、窄行和膜间土壤温度随时间变化与气温变化具有相同的变化趋势，棉花生育前期土壤温度变幅大于后期，浅层土壤温度波动剧烈，随土壤深度的增加土壤温度变化趋于平缓，各层土壤温度表现为宽行>窄行>膜间。主要是4、5月份棉花处于萌芽和幼苗生长阶段，气温对土壤温度的影响明显，随着棉株生长，在棉花生长旺盛的花铃期，棉花生长达到最大叶面积指数[12]，宽行、窄行和膜间逐渐形成了作物覆盖，不同位置和深度土壤温度波动幅度减小，波形趋于一致，至吐絮期末和收花阶段地膜的保温效果使不同位置土壤温度变幅出现小幅增加。

图2 一膜两带四行种植模式与土壤温度示意图(单位：cm)Fig.2 Field scheme of 4 cotton row with 1 dripping pipes under plastic film mulching and soil temperature sampling point

图3 棉花生育期日均土壤温度变化Fig.3 Daily average soil temperature change during cotton growth periods

棉花生育期不同时间土壤活动积温见图4。土壤昼夜温差均随土壤深度的增加逐渐减小，变化比较稳定。宽行、窄行和膜间土壤温度对气温的响应趋势一致，土壤温度均呈“锥形”分布。地膜覆盖有助于提高各时间段的土壤活动积温，如5 cm处宽行比窄行和膜间生育期活动积温2∶00、8∶00、14∶00和20∶00分别增加了262.73、345.66、306.47、162.61 ℃和484.14、472.81、74.31、223.64 ℃，棉花生育期宽行、窄行和膜间5 cm处活动积温日较差为1 033.53、1 216.575和1 465.74 ℃，随土壤深度的增加至60 cm处日较差分别减小为9.36、95.3和28.89 ℃，这主要是透明地膜具有较低的短波反射率、较高的短波透射率和长波发射率等特点，有助于在地表产生较大的净辐射，使地膜覆盖的土壤温度表现升高；同时地膜隔绝了土壤与外界的水分交换，消除了潜热(地表蒸发时液态水汽化所吸收的热量)交换损失；减弱了土壤与外界的湿热交换，增加土壤热通量，从而提高土壤温度[3]。

2.2 棉花生育期土壤温度日变化的差异

如图5所示，气温和棉花生育阶段的不同土壤日变化有所差异。浅层土壤与大气热交换频繁，其温度受气温变化影响明显，随土壤深度的增加太阳辐射传递的热量越少，受外界的影响减弱，土壤温度变幅也越小。苗期覆膜增温效应明显，5 cm深度土壤最高温度比日最高气温高4.1 ℃，土壤昼夜温差为15.9 ℃，随棉花叶面积增加至花铃期日最高气温比5 cm土壤日最高温度高7.7 ℃，减小了气-地温之间的温差，地膜覆盖具有平抑土壤温度变化的作用。吐絮期大气温度处于降温阶段，此时日气温差扩大为18.6 ℃，而5 cm土壤日地温差为4.3 ℃，此时地膜覆盖减缓土壤温度的降低具有保温作用。

图4 不同位置不同时间土壤活动积温图Fig.4 Soil accumulated temperature on different point and time

图5 宽行土壤温度日变化特征Fig.5 Daily dynamic changes of soil temperature under film mulch

2.3 棉花不同生育期土壤温度变化

棉花不同生育阶段土壤温度呈现出不同的变化规律。表层土壤是太阳辐射能量频繁交换的土层，一般将棉种萌芽时5 cm深度土壤温度超过12 ℃时称为土壤生物学零度，棉花出苗和生长不但与土壤温度有关，还与土壤有效积温有关。棉花不同生育阶段5 cm深度土壤温度见表1所示。棉花不同生育阶段均表现为宽行间和窄行间土壤温度均高于膜间。发芽出苗阶段日气温平均为19.67 ℃，宽行和窄行土壤温度高于气温4.11、1.67 ℃，而膜间土壤温度低于气温0.35 ℃，由于此时地表尚无形成棉株覆盖，地膜的保温增温效果明显，膜下较高的土壤温度有效地促进了棉种的萌芽和出苗，保证了幼株的成活率。进入花铃期后，棉株在地表形成了较为茂密的作物覆盖,棉花叶面积指数达到最大[12]；另一方面由于滴灌的灌溉，导致土壤含水率增加，湿土的热容量较干土大，湿土吸收相同的热量后升温较干土小，使宽行、窄行和膜间土壤温度均小于气温，分别小0.29、0.92和1.55 ℃。吐絮期气温开始降低，棉株下部叶片已经脱落，棉花叶面积减小，遮荫率降低，宽行和窄行土壤温度高于气温，而膜间小于气温，随着棉花叶面积和气温的进一步降低，覆膜的保温效果逐渐增强，至收花结束宽行、窄行5 cm土壤温度比平均气温高2.29和0.98 ℃，而膜间低0.33 ℃。地膜覆盖在棉花出苗期发挥了重要的增温作用，可以有效保障棉花出苗，在生育期的后几个阶段，覆膜的增温功能因作物覆盖逐渐丧失，但作物冠层可以避免阳光对土壤的直射，降低土壤水分蒸发，一定程度上代替地膜的保墒作用。可见膜下滴灌条件下，土壤水热呈现出特殊的时间和空间分布，气象条件、土壤水分、地膜和棉株覆盖4个因素作用于棉花生长的不同阶段，形成了地温随生育期变化和分布的不同规律[13]。

表1 不同生育阶段5 cm深度土壤温度变化 ℃

2.4 棉田土壤温度与气温的关系

以棉田土壤日均温度为因变量Ts，日平均气温Ta为自变量进行统计分析，棉花生育期日均土壤温度与日均气温具有较好的线性关系，即：

Ts=a+bTa

(1)

表2可以看出浅层土壤日均温度与日均气温线性相关性好于下层，浅层膜间土壤温度相关性好于窄行和宽行。

表2 棉花生育期土壤温度与气温的关系Tab.2 Soil temperature and air temperature under cotton growth periods

3 结 论

南疆棉花“干播湿出”膜下滴灌土壤剖面温度主要受大气温度的影响，地膜覆盖对土壤温度的影响随土壤深度的增加而减弱，地膜覆盖隔断了土壤与外界的水分和热量交换，缩小土壤温度日较差，使土壤温度日变化较气温波 动平缓。5～15cm浅层土壤温度变幅明显，地表40cm以下土壤温度的日变化微弱，没有明显的升温和降温过程，土壤日增温为宽行>窄行>膜间[4，10，11]。地膜覆盖可明显提高膜下滴灌棉花播种-出苗阶段浅层土壤温度，具有增温效应，增温效应为宽行>窄行>膜间；随棉花生育进程推进地膜覆盖对土壤温度的影响减弱，具有平抑土壤温度变化的作用；而在吐絮期以后随气温的降低地膜覆盖出现保温效应。地膜覆盖可以增加棉花各生育阶段土壤活动积温和有效积温，积温为宽行>窄行>膜间。

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