日光温室玉米秸秆深埋土壤温度变化规律研究

庞明亮　李波　姚名泽

摘要：为了研究秸秆深埋条件下东北地区日光温室内土壤温度的变化规律，试验设计了秸秆深埋处理和无秸秆深埋处理，分析在灌水条件下和非灌水条件下，随日光温室温度变化过程土壤剖面温度分布的变化规律。结果表明：在无灌水条件下，与无秸秆处理相比，秸秆深埋处理在0～50 cm范围内土壤平均温度提高了043 ℃；与无秸秆处理相比，秸秆深埋处理各层土壤温度变化更加平稳，当温室内温度升高时，秸秆深埋处理积蓄土壤温度，当温室温度下降时，秸秆深埋处理减缓土壤温度下降。在灌溉条件下，与无秸秆处理相比，秸秆深埋处理在0～50 cm范围内土壤平均温度提高了1 ℃；秸秆深埋处理加剧了秸秆层上部土壤温度的变化，与无秸秆处理相比，在灌水过程前期的0～10 h内，秸秆深埋处理土壤0～10 cm范围温度升高的最大值为5 ℃，平均值为2 ℃。

关键词：日光温室；玉米秸秆深埋；滴灌；土壤温度

中图分类号： S1528文献标志码：

文章编号：1002-1302（2017）16-0231-07

[HJ14mm]

收稿日期：2017-01-26

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（编号：201303125）；辽宁省自然科学基金（编号：2015020770）。

作者简介：庞明亮（1990—），男，山西大同人，硕士，助理工程师，主要从事日光温室生态环境及节水灌溉理论和技术研究。E-mail：792516752@qqcom。

通信作者：李波，博士，教授，主要从事日光温室生态环境及节水灌溉理论和技术研究。E-mail：250077704@qqcom。[HJ]

土壤温度是植物生长发育的重要环境变量，土壤温度影响根系的生长，影响生物过程如氮循环和农药转化[3]，影响土壤微生物呼吸作用[4]和有机物的利用效率[5]。对于北方的日光温室，土壤温度对作物的生长发育影响显著。在改善土壤温度的多种渠道中，秸秆深埋作为一种绿色环保的手段，有着广阔应用前景。秸秆还田在改变地温、改善土壤、提高二氧化碳浓度等方面都有不同程度的影响。同时，随着时间的增加，土壤中微生物与秸秆相互作用形成的秸秆反应堆对周围的微环境有持续影响，这种生化反应的一个综合表征是温度变化。由于研究方法、地域特点、作物原料、还田方式、有无微生物菌种的不同，秸秆对温度的具体效应各不相同，但较为普遍认为在添加菌种的情况下能提高土壤温度[7-12]。对于土壤温度变化的相关研究比较广泛，Dahiya等对秸秆覆盖状态下土壤水热传输过程进行了研究，Wang等对季节性冻土的水分状况和热状况进行了试验研究[14]，Timlin在气温、辐射、降雨等条件下对土壤温度的变化规律进行了研究[15]。然而，针对秸秆深埋改变土壤温度的研究仍然较少，现有研究大都停留在一维线性的角度上，缺少对秸秆周围温度场的微观分布及变化规律的研究，也缺少在灌溉过程中对秸秆深埋影响温度场分布的研究。本研究通过连续、多部位观测秸秆深埋后土壤温度的变化，利用柯瑞金插值法对数据进行分析，从二维角度探究秸秆深埋对土壤温度的作用规律。

1材料与方法

11试验区概况

试验地点位于沈阳农业大学科学实验基地43号日光温室，位于4182°N、12357°E。日光温室为单面采光抛物面式结构。棚膜采用PVC防老化塑料无滴膜，以防雨棉被作为保温措施。供试土壤为黏壤土，土壤沙粒、粉粒、黏粒比例分别369%、409%、222%。土壤有机质含量为1273 g/kg，全氮含量为047 g/kg，全磷含量为108 g/kg，全钾含量为2078 g/kg，速效氮含量为2020 mg/kg，速效磷含量为 294 mg/kg，速效钾含量为7855 mg/kg。供試秸秆为沈阳农业大学玉米基地2014、2015年收割风干后的玉米秸秆，玉米品种为美津599。供试秸秆有机碳、全氮、全磷和全钾含量分别为4290%、086%、038%和135%。将整株秸秆首尾平铺于开挖好的沟内，铺设厚度10 cm，将开挖好的土壤回填至沟中；秸秆容重为011 g/cm3。测试期间室内最高温度为 358 ℃，最低温度为164 ℃。

12试验设计

121试验布置

试验温室内土壤布置形式为大垄。垄内挖长度为1 900 mm的土沟，土沟内铺入秸秆并压实，秸秆均匀成束铺设，不做特殊处理，铺设时保证秸秆厚度约为 100 mm，最后用原土压实，具体截面尺寸见图1。覆土后将地温计插入试验田，地温计的底部端点深度分别为100、200、300、350、400、500 mm。试验秸秆埋置于2014年10月份完成，在温室内静置至2015年5月份进行温度测量模拟，埋置周期为半年，模拟自然秸秆回填过程，期间无雨水及其他水源入渗。

本试验假设沿垂直于秸秆埋设方向的截面上，秸秆的温度效应等效；假设垄中对称位置的温度相等。秸秆深埋A、B、C这3个处理温度计的插入深度分别为100（#1-#5）、200（#6-#10）、300（#11-#15）、350（#16-#20）、400（#21-#25）、500 mm（#26-#30），每个处理共计30支地温计，温度探头垂直分布位置剖面见图1，地温计水平位置布置见图2。

122试验对照设置

试验同时设置D、E、F 3个无秸秆深埋处理，无秸秆深埋处理垄台的设置及地温计的布置与秸秆处理相同。

试验同时研究了灌水条件和无灌水条件下，秸秆深埋处理和无秸秆深埋处理土壤温度的变化规律，灌水方式为滴灌。

14试验方法

141试验数据选择及监测

试验在5月3日开始，8月2日结束，每日早中晚对土壤温度进行监测，期间进行3次灌溉，模拟温室内灌溉过程，灌溉时间为早上08：00，灌溉首日同时进行土壤含水率的监测，含水率每05 h监测1次，温度每2 h监测1次，含水率在28 h后基本稳定，以28 h确定为监测周期。试验过程对室内气温及湿度每1 h进行1次监测。

142试验数据处理

将秸秆深埋处理和无秸秆深埋处理各部位的温度数据进行对比分析，所有数据均采用Surfer 13软件进行二维差值化处理，绘制温度等值线图进行研究。

2结果与分析

由于试验测量数据众多，部分数据受天气影响不具有典型性，针对无灌水日，选择5、6月中不同时间段具有代表性的一天早中晚的温度等值线图进行分析说明。

对于灌水日，选择有代表性的1次灌水过程连续28 h的温度等值线图进行分析说明。

21秸秆深埋无灌水条件下不同时期土壤温度分布规律

分别选取5月5日、6月3日、6月19日3个时期，通过地温计对土壤温度进行测定，获取秸秆深埋处理和无秸秆深埋处理不同位置土壤温度数据，利用克瑞金插值法将数据进行插值计算，由Surfer 13生成土壤和秸秆的温度等值线图。在无灌水条件下，秸秆深埋处理一天中不同时刻的土壤温度分别如图3-a、3-c、3-e、4-a、4-c、4-e、5-a、5-c、5-e所示，无秸秆深埋处理一天中不同时刻的土壤温度分别如图3-b、3-d、3-f、4-b、4-d、4-f、5-b、5-d、5-f所示，温度单位为 ℃。

[FK（W25][TPPML3tif][FK）]

由图3可见，在无灌水条件下，与无秸秆处理相比，秸秆深埋处理土壤温度无明显差异，可能的原因是温室内土壤未进行灌水，土壤整体含水率较低，秸秆内部微生物活性较低，相关生化反应尚未开始。但整体来講，与无秸秆处理相比，秸秆深埋处理土壤各层温度分布较为均匀，无温度集中点。

由图4可见，无灌水条件下，与无秸秆处理相比，从不同时刻的土壤温度分布来看，08：00温室空气温度较低时，秸秆深埋处理整体土壤温度分布自上而下呈递增趋势，秸秆层温度明显较高；中午12：00温室空气温度升高时，深埋秸秆处理整体土壤温度分布自上而下呈递减趋势，相同深度秸秆深埋处理土壤温度较高；傍晚18：00时温室空气温度降低时，秸秆深埋处理土壤温度分布自上而下呈递减趋势，相同深度秸秆深埋处理土壤温度较高。从土壤各层的温度分布来看，秸秆深埋处理土壤温度分布各层更加均匀，无温度集中点。

由图5可见，无灌水条件下，与无秸秆处理相比，从不同时刻的土壤温度分布来看，早上08：00温室空气温度较低时，秸秆深埋处理整体土壤温度分布自上而下先增高后降低，秸秆处理土壤温度总体较高；中午12：00温室空气温度升高时，深埋秸秆处理整体土壤温度分布自上而下呈递减趋势，相同深度秸秆深埋处理土壤温度较高；傍晚18：00时温室空气温度降低时，秸秆深埋处理整体土壤温度分布自上而下呈递减趋势，相同深度秸秆深埋处理土壤温度较高。从土壤各层的温度分布来看，秸秆深埋处理土壤温度分布各层更加均匀，无温度集中点。

整体来看，秸秆深埋处理对土壤温度分布起到了一定的调节作用。

22秸秆深埋灌水过程中土壤温度的变化规律

7月24日上午08：00对土壤进行滴灌灌溉，灌溉中每隔 2 h 进行1次土壤温度测温，每05 h进行1次土壤水分测试， 水分测试时间为 28 h。 将秸秆深埋处理与无秸秆深埋处

理的温度数据，利用克瑞金插值法将数据进行插值计算，由Surfer 13生成土壤和秸秆的温度等值线图，灌水条件下，秸秆深埋处理灌溉0、8、16、32 h的土壤温度分别如图6-a、6-b、6-c、6-d所示，无秸秆深埋处理灌溉0、8、16、32 h的土壤温度分别如图7-a、7-b、7-c、7-d所示。

由图6、图7可见，在土壤水分入渗时，与无秸秆处理相比，秸秆深埋处理土壤温度较高，相对高出约2 ℃，同时土壤温度呈现出先增高后降低的趋势。灌水结束土壤水分达到稳定时，与无秸秆处理相比，秸秆深埋处理不同位置土壤温差迅速回落至平衡状态。

将秸秆深埋处理与无秸秆深埋处理28 h内10、20、30、35、40、50 cm的平均温度数据随室内空气温度的变化进行对比分析（图8）。

由图8可见，从秸秆深埋作用的时间可以看出，在灌水条件下，相对于无秸秆深埋处理，秸秆深埋处理对土壤温度改变的主要时间段为灌溉开始后的0～10 h内， 而在10～28 h后

作用的效果较小。从秸秆深埋改善温度的幅度来看，在灌水条件下，0～10 cm范围内土壤温度变化最大，变化的最大值接近 5 ℃，其次是位于秸秆层的30～35 cm，变化值为1～2 ℃。

总体来说，灌溉过程引发的相关反应，在短时间内加强了秸秆深埋处理提升土壤温度的作用。将秸秆深埋处理与无秸秆深埋处理28 h内土壤0～50 cm范围内的平均温度数据进行对比分析（图9）。

[FK（W10][TPPML9tif][FK）]

由图9可见，从土壤整体的温度变化趋势来看，在灌水作用下，秸秆深埋处理与无秸秆深埋处理土壤温度的变化趋势基本相同，在0～10 h内秸秆深埋处理与无秸秆深埋处理的土壤温度差值相对于10～28 h较大。从土壤温度变化的幅度来看，在灌水作用下，秸秆深埋处理比无秸秆深埋处理土壤的平均温度始终高出1 ℃，而在非灌溉日期，这一温度差的平均值为043 ℃。

23秸秆深埋温差大小及位置分布

231无灌水期温差的分布情况

为明确无灌水期间有无秸秆深埋处理温差分布的具体位置及温差值，将秸秆深埋处理与无秸秆深埋处理土壤温度平均值的差值进行了二维差值化对称处理（图10）。

由图10可见，从秸秆温差的分布范围来看，相对于无秸秆深埋处理，正温差主要分布在深度为0～15 cm的表层土壤、深度为25～45 cm的秸秆层及秸秆层周围，总体分布范围较为均匀，45 cm以下土壤温差不明显。负温差出现在深度为20 cm的土壤中部。从温差的大小来看，温差的差值在 -153～107 ℃之间。

232灌水期温差的分布情况

为明确无灌水期间有无秸秆深埋处理温差分布的具体位置及温差值，将秸秆深埋处理与无秸秆深埋处理28 h内土壤温度平均值的差值进行了二维差值化对称处理（图11）。

由图11可见，从秸秆温差的分布范围来看，相对于无秸秆深埋处理，正温差主要分布在深度0～15 cm的表层土壤、秸秆层35 cm深度处的秸秆水平侧边缘以及30 cm深度处的远秸秆端，总体由上至下温差逐步减小，45 cm以下土壤温差不明显。负温差出现在深度为20 cm的土壤中部。从温差的

大小来看，温差的差值在-08～276 ℃之间。

与非灌水期间相比，灌水改变了温差的主要分布范围，使土壤温度的整体分布更加不均匀，并主要提升了深度为0～15 cm的表层土壤的温度。

3结论

秸秆深埋能够改善土壤温度分布状态，提高土壤温度。在无灌水条件下，与无秸秆深埋处理相比，秸秆深埋处理提升土壤0～50 cm范围的平均温度为043 ℃，在无灌水条件下，与无秸秆深埋处理相比，秸秆深埋处理提升土壤0～50 cm 范围的平均温度为1 ℃。对于50 cm以下部位，秸秆深埋处理对土壤温度分布的影响较小。无灌水作用时，秸秆深埋有高温时蓄热、低温时放热的作用，这种规律与舒占涛等的研究结果[16]相一致。在无灌水条件下，与无秸秆深埋處理相比，秸秆深埋处理各层土壤温度更加均匀稳定，温度集中点较少。

在灌水过程中，秸秆深埋灌水前期能够显著提升土壤表层温度，加剧秸秆层上层土壤温度的不稳定，与无秸秆相比，在灌水后 0～10 h内，土壤0～10 cm范围温度升高的最大值为5 ℃，平均值为2 ℃，0～28 h内土壤0～50 cm范围温度升高的平均值为1 ℃。灌水过程激发秸秆深埋的土壤产生了更多的热量，并重新分配了土壤的温度。在这种秸秆深埋方式下，相对无秸秆深埋处理，灌水在短时间内能够有效提高土壤表层温度。

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