不同灌水处理对干旱区滴灌核桃树土壤温度的影响

赵经华, 洪 明, 马英杰, 陈凯丽

(新疆农业大学 水利与土木工程学院, 乌鲁木齐 830052)

作物良好的生长需要适宜的土壤环境，而土壤水分和温度的适宜范围是土壤环境的重要参数。当土壤水分和温度环境不在适宜范围内时，作物的生长明显下降。土壤温度的高低对作物生长和土壤环境有着诸多的影响，其中包括作物的根系、土壤的物理和化学性质、微生物活动和营养元素的结构形态等等。当土壤温度升高时，土壤明显加快了化学反应，同时各种盐类的溶解能力也会随着温度的提高而提高。随着土壤中水分的运动以及土壤中二氧化碳与空气中氧气两者之间的转换加快，养分的有效释放量也越来越多，这些改变使得微生物活动越来越活跃，从而加剧根系对水分以及养分的吸收利用；反之，当土壤温度降低时，微生物活动将会受到明显的抑制，有机质中的矿物元素分解速度也随之降低，这非常不利于养分的释放[1]。目前，国内外关于土壤温度的研究很多，最为主要和常见的是对于各种有利于作物生长的水热环境措施的研究。覆膜、覆盖方式、耕作方式、灌水等都是对田间的土壤温度有调控作用的主要措施[2-9]，其中对于灌水定额和灌水方式的研究相对较少。干旱地带中的绿洲农业主要依赖于灌溉，它对农业生产的影响十分显著。灌溉后，土壤的含水率会明显增加，土壤温度也随着土壤含水率的改变而发生变化，两者之间相互影响且形成了一定的特有规律[10]。在一定的土壤条件下，灌水方法及灌水制度(灌水量和灌水频率)是土壤中水、热分布情况的主要决定性因素[11]。通过大量的研究，Sharmasarkar等[12]认为灌水方法不仅是土壤中水分的分布状况的决定性因素，还影响着土壤表面及以下的温度和湿度，从而影响着土壤的微气候环境。本文以新疆阿克苏核桃为研究对象，探讨不同灌水处理对土壤温度的影响，以期对新疆南疆核桃最优灌溉制度的建立具有一定的指导意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于新疆阿克苏地区红旗坡新疆农业大学林果试验基地内，距市区13 km，地理位置为东经80°14′，北纬41°16′，海拔1 133 m。该基地地处天山中段的托木尔峰南麓，塔里术盆地北缘，属于典型的温带大陆性气候，多年平均年日照时数2 855 ～2 967 h，无霜期达205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm，多年平均气温11.2℃，年有效积温为3 950℃。试验地面积为0.13 hm2，地下水埋深在6 m以下，土壤质地为含砾石砂土。

供试核桃树栽植于2008年，果树南北行向种植，品种为温185，株行距2 m×3 m，种植密度1 667株/hm2，株高3.8～4.2 m，树体矮小，树冠紧凑。试验时间为2015年4—10月。

1.2 试验方法

试验共设4个处理，分别为灌水定额15 mm滴灌(C1)、灌水定额30 mm滴灌(C2)、灌水定额45 mm滴灌(C3)和灌水定额30 mm涌泉灌(C4)。滴灌管直径为16 mm，滴头流量为3.75 L/h，滴头间距为50 cm，每行树下布设两根滴灌管，分别距树左右50 cm处；涌泉灌为直径20 mm，灌水器流量为20 L/h，滴头间距为100 cm，每行树下布置一根涌泉灌管，涌泉灌处理下，每棵树下有两个灌水器。各处理分别有3组重复。各处理均采用当地实际的灌溉制度，灌溉次数相同，均在萌芽期春灌1次(75 mm)，开花期灌水1次，果实膨大期灌水2次，硬核期灌水3次，油脂转换期2次，冬灌1次(120 mm)。各处理全生育期合计灌溉定额分别是：315 mm(C1)，435 mm(C2)，555 mm(C3)，435 mm(C4)。核桃生育期见表1。

表1 核桃生育期

1.3 参数测定

(1) 气象因子的测定：利用美国SPECTRUM公司生产的watchdog 2000系列自动气象站观测太阳辐射、气温、相对湿度、风速及降雨量等气象资料，每30 min记录一次数据。

(2) 土壤温度：在距树50 cm处布置温度传感器，利用美国Fourtec公司生产的MicroLite U盘式温度记录仪分别记录土壤深度为5，10，20，30，40 cm的地温，每30 min记录1次数据。

(3) 土壤含水率的测定：在树行间分别距树0.5，1.0，1.5 m布置3个测点，在棵间分别距树0.5，1.0 m布置2个测点，每个测点深度都测到1.2 m(图1)。每次灌水前后采用德国产的TRIME-IPH土壤水分测定仪测1次土壤含水率，降雨前后加测1次。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理对土壤日均温度的影响

从表2可以看出，土壤温度统计特征值的变化，各处理的各层地温差异明显。各处理的各层地温平均温度的最大值均在20℃左右。涌泉灌处理的土壤温度规律与滴灌差异较明显，滴灌处理各层日均土壤温度随着深度增大呈先增大而后减小的趋势，而涌泉灌处理各层日均温度随着深度增大呈减小趋势。这是因为滴灌由于滴头流量较小，灌溉时间较长，以及太阳辐射热传递等原因，使滴灌最高温度出现在20—25 cm处。而涌泉灌是以小股水流方式出水，这使得水分在土壤中向下渗透的速度相对较快，水平方向渗透速度较慢。这使得近地表水分相对滴灌较少。含水量直接影响土壤的比热容，水分含量低的土壤温度会偏高，5 cm处日均土壤温度达到最大。在5—10月期间，滴灌各处理的土壤日均温度变化规律一致，各处理地温都在6～27℃波动。各滴灌处理各层土壤温度变化幅度随着深度增加呈减小趋势，这是因为随着土层深度的增加，土壤环境因外界影响的强度减小而保持相对稳定的状态，变异性小，变异指标相对较低。而涌泉灌处理的各层土壤温度变化幅度随深度呈先增大而后减小的趋势，且涌泉灌相对滴灌处理日均土壤温度较稳定。在滴灌处理中，20 cm处土壤特征值出现反常，C1处理除20 cm以外的各层日均温度的方差、标准差、变异系数比其他处理都低。

图1 trime及温度传感器布置

表2 土壤日均温度统计特征值

注：C1—5表示C1处理土壤深度为5 cm处温度，以此类推。

2.2 不同灌水处理对各层土壤温度的影响

由图2—3可知，各处理5 cm处土壤温度呈单峰曲线，在油脂转化期土壤温度达到最大，平均达到23℃，且土壤温度波动较其他土层幅度大，这是因为近地表土壤温度受气温影响最大。各处理5 cm处土壤温度在不同生育期差异较大，差幅可以达到10℃。在油脂转化期时，C4—5处理比C1—5处理地温高近3℃，其他时期各处理土壤温度差异不大。各生育期的各处理土壤温度随着灌溉定额的增加而增加，呈现先增加而减小的趋势且差幅约为1℃，在灌溉定额为30 mm处达到最大。

图2 不同生育期的气温

各处理10—20 cm处土壤温度随时间呈单峰曲线，都在油脂转化期土壤温度达到最大，平均达到23℃。各处理的土壤温度在果实膨大期、硬核期波动不大，在18～21℃波动。各处理在油脂转化期、成熟期、落叶期地温波动较大，在12～23℃波动。C3—10处理在成熟期、落叶期土壤温度低于C4—10近0.3℃和3℃；C3—20在成熟期低于C4—20处理0.4℃。C3处理的10 cm，20 cm的地温除上述的出现变动，剩下的在整个生育期内土壤温度都比其他处理高3%～8%。各处理的各生育期在30 cm，40 cm处地温差异不大，差幅在1℃左右。

各处理各土层土壤温度在各生育期都呈单峰曲线，都在油脂转化期(温度达到全年最高)土壤温度达到最大，且波动幅度随着深度的增加而减小。这同时说明气温对于0—40 cm的土壤温度都有影响，且随着深度的增加影响程度减小。整个生育期C3处理的各层土壤温度基本都大于其他处理，且C3处理与C2处理的各层土壤温度差异不大。

2.3 各层灌前灌后土壤含水率与各层土壤温度变化关系

由表3可知，无论灌前还是灌后，0—20 cm土壤温度与20—40 cm土壤温度显著相关，这是因为太阳辐射的能量源源不断地输送到地球表面，通过大气与土壤界面以热量的形式交换来实现，这就形成大气—上层土壤—下层土壤之间不断能量传递过程[13]，所以呈显著相关。灌前0—20 cm含水率与灌后0—20 cm含水率显著相关。灌前0—20 cm含水率与0—40 cm的灌后土壤温度达到显著相关；灌前20—40 cm的含水率与灌前0—40 cm的土壤温度显著相关。灌后0—20 cm含水率与0—20 cm灌后地温达到极显著相关，与灌后20—40 cm的土壤温度达到显著相关。经上述研究研究表明，无论是灌前还是灌后，土壤0—20 cm的含水率对灌后0—20 cm的土壤温度影响是巨大的，都呈显著正相关。灌前20—40 cm含水率对灌前0—40 cm的土壤温度显著相关；灌后20—40 cm的土壤含水率对0—40 cm灌后土壤温度存在低水平相关且并不显著。

表3 各层灌前灌后土壤含水率与各层土壤温度之间的person相关

注：*代表显著相关，**代表极显著相关。

注：Ⅰ为果实膨大期，Ⅱ为硬核期，Ⅲ为油脂转化期，Ⅳ为成熟期，Ⅴ为落叶期，相同生育阶段不同字母代表在0.05层级各处理差异性显著。
图3 不同灌水处理的各层土壤温度

2.4 不同灌水处理对各层灌前灌后土壤温度变化

如图4所示，以7月25日灌前土壤温度和7月27日灌后土壤温度为例。各处理的灌前土壤温度都比灌后土壤温度高，且各层土壤温度灌前灌后日变化规律一致。各层土壤温度都随着时间呈近似三角函数曲线在变化，且幅度随着土层深度的增加而减小。在1日内土壤温度变化存在最大值、最小值，可将土壤温度变化过程分为上升与下降2个阶段。且土壤温度下降的速率明显小于其上升的速率。土壤温度变化随着土层深度具有明显的滞后现象。各处理5—10 cm的土壤最低温度出现在10:30左右，20 cm土壤最低温度出现在12:30左右，30 cm土壤最低温度出现在14:30左右。40 cm土壤最低温度出现在16:30左右。最高温度同理。由此可得深度每增加10 cm土壤温度滞后2 h[14]。各层土壤温度灌前灌后具体变化特征及其变化过程如下：

(1) 各处理5 cm土壤温度变化规律。各处理5 cm处土壤温度日变化波动最剧烈。C1处理与C2，C3，C4处理的灌前土壤温度在各时段有明显差异，温度低0.8～1.8℃。灌后，C1处理比灌前土壤温度下降了8%～17%；C2，C3处理的土壤温度差异不大，都下降了7%～14%。C4处理的土壤温度在灌前灌后变化幅度最大，灌后的土壤温度下降了10%～20%。各处理灌前灌后土壤温度各时段变化幅度也有差异，幅度大小依次是：0:00—6:00>6:00—16:00>16:00—0:00。

(2) 各处理10 cm土壤温度变化规律。C1处理灌前土壤温度明显比C2，C3，C4处理低0.6～2℃。C3处理的灌前土壤温度在3:00—18:00比其他处理都高，在18:00—0:00期间C2处理的灌前土壤温度比其他处理高。灌后C3土壤温度最高，比C1处理高1.5～4℃，比C2处理高0.6～1.7℃，比C4处理高1.15～3.74℃。C1处理和C4处理灌后土壤温度差异不大。C1，C2，C3，C4处理灌后土壤温度分别下降了7%～16%，6%～12%，4%～7%，9%～18%。

(3) 各处理20—40 cm土壤温度变化规律。各处理20—40 cm灌前灌后土壤温度变化幅度都随着深度逐渐减小。C1处理在20，30，40 cm处灌后土壤温度分别下降了6.5%～12.78%，5%～9%，3.8%～5.5%，且相对其他处理温度一直最低。C2，C3处理的20—40 cm灌后土壤温度都比C1处理的土壤温度高。C2，C3处理20—40 cm灌前灌后土壤温度变化差幅比另外两个处理要小很多。C2处理的20—40 cm灌前土壤温度最高。在20，30，40 cm处灌后土壤温度分别下降了5%～9%，4%～5%，3.1%～3.5%。C3处理的20—40 cm灌后土壤温度最高。在20，30，40 cm处灌后土壤温度分别下降了2%～5%，0.3%～3%，0～2%。C4处理灌前灌后土壤温度变化幅度最大，在20，30，40 cm处灌后土壤温度分别下降了8%～12%，6%～9%，2.2%～6%。

各处理灌前灌后的各层土壤温度变化幅度都随着深度逐渐减小，这是主要因为随着土层深度的增加受太阳辐射的影响而减小。灌前C1处理各层土壤温度都低于其他处理，且差异较大。C2，C3处理在20—40 cm的灌后土壤温度都比C1的灌前处理略大。说明C1灌水处理不益于土壤温度。C2处理与C3处理各层的灌前灌后土壤温度差异不大。灌后各层的土壤温度低于C2，C3处理的各层的灌后土壤温度，且土壤温度相差较大。C3处理的灌前灌后的各层土壤温度变化幅度要略小于C2处理。C3处理在0—10 cm的灌前土壤温度要比其他处理都大，C2处理在10—40 cm的灌前土壤温度比其他处理都大。C4处理灌前土壤温度和C2，C3处理的土壤温度相近。C4处理的各层灌前灌后土壤温度变化幅度最大，虽然C4处理和C2处理是相同的灌水定额，但由于灌水方式的不同，涌泉灌向下渗透速度要比滴灌快，造成在相同灌溉定额条件下，C4处理灌后的土壤含水率明显小于C2处理(表4)，最终C4处理土壤温度要小于C2处理。但随着土壤蒸发、核桃树的消耗，C4处理与C2处理的含水率相近，这使得C4，C2处理在灌后很长一段时间后土壤温度又相近。上述研究表明灌水定额和灌溉方式对土壤温度的影响是巨大的。

3.5 不同灌水处理对核桃产量及品质的影响

由表5可知，不同灌溉量与灌水方式均对产量有显著影响。在相同灌水方式不同灌水定额下，C2处理的产量分别高于C1，C3处理39.43%，23.12%，单个核桃质量也呈现显著差异，仍以C2处理为最大。在不同灌水方式相同灌水定额下，与C4处理相比，C2处理产量显著高于C4处理48.14%。单个核桃质量也呈现显著差异，以C2处理为最大。因此在不考虑果实品质的前提下，C2处理灌溉制度下的核桃产量最多。

研究表明核桃主要成分有脂肪、蛋白质、维生素、碳水化合物及微量元素等营养成分[15]，这些营养成分量决定了核桃果实的品质。C1处理各项品质指标显著小于其他处理，表明灌水量较少时易造成果实品质显著降低，影响经济效益。灌水量较大时(C3处理)虽然促使蛋白质含量提升，但影响果实的脂肪含量与出仁率，与C2处理相比，分别下降了2.25%，3.52%。当改变灌水方式后，其变化结果，与C3处理相似。

因此，综合对比，在考虑产量与各项品质指标的前提下，C2处理对核桃产量与品质最有益。

图4 不同灌水处理对各层灌前灌后的土壤温度日变化

表4 灌前灌后各处理土壤含水率 %

表5 不同灌水处理的核桃产量及品质

注：同列数据不同字母表示在p<0.05水平差异显著。

3 结 论

(1) 涌泉灌处理的日均土壤温度规律与滴灌差异较明显，滴灌处理各层日均土壤温度随着深度增大呈先增大而后减小的趋势，最高温度出现在20—25 cm处；涌泉灌处理各层日均温度随着深度增大呈减小趋势，5 cm处日均土壤温度达到最大。

(2) 各处理各土层土壤温度在各生育期都呈单峰曲线，都在油脂转化期(温度达到全年最高)土壤温度达到最大。C3处理与C2处理的各层日均土壤温度差异不大。C2处理的各层日均温度的方差、标准差、变异系数比其他处理都低，而C1处理最高。

(3) 刚灌水结束后，灌后土壤含水率对土壤温度影响是显著的，灌后0—20 cm土壤含水率对0—40 cm的土壤温度的影响要显著大于20—40 cm的土壤含水率对其影响。在灌后的一段时间内，土壤水分经过土壤蒸发、核桃树消耗以及深层渗漏，土壤含水量在各土层发生了变化，对各层土壤温度的影响也发生了相应的变化。此时，0—20 cm的含水率对0—20 cm的土壤温度有显著影响，对20—40 cm的土壤温度，有一定的影响但并没有达到显著水平。20—40 cm的含水率对0—40 cm的土壤温度有很大影响，并呈显著水平。

(4) 综合考虑土壤温度、产量及品质情况，灌溉定额为435 mm(C2)处理的土壤温度最稳定，产量最高，品质最好，是最有益的处理。