土壤水热交互作用对作物的影响综述

乔鑫阳 褚丽丽

(黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

引言

土壤水分是土壤的重要构成成分之一，也是影响土壤中肥力大小的一个重要因素，土壤中包含的所有物质的运输、转换，包括植物想要从土壤中吸收、汲取养分，都少不了土壤中水分的作用。水分太多或者太少都会影响作物生长。在足够的水分条件下，种子才能解除休眠状态发芽；土壤湿润时，根系生长缓慢，分布范围窄，适度土壤干旱能促进根系生长，根系发达，扩大根系范围；缺水时，植物的茎和叶生长会特别缓慢，土壤中的水分太过充足时，茎和秆的生长效果会变得细长，易倒伏。土壤的温度变化不仅会直接影响到土壤的含水与土壤中空气的流动，而且还会对土壤中养分的转化、作物的生长发育和最终产量的多少造成影响，是影响土壤肥力的重要变量之一。一个合适的温度区间内，随着温度的升高，作物新陈代谢就会变快，作物生长也就越快。土壤的温度能够直接影响到土壤中水分变化的大小和态势,土壤水分也能通过一定作用对土壤的温度的变化大小和幅度造成影响。二者在不受外界环境其它因素影响的条件下对作物的发育成长有着明显的互作关系。但是至今还未有文献系统化地把二者的交互作用对作物的影响进行详细的分析评价。

1 国内外文献综述

国内外学者对土壤水热交互作用对作物影响的研究由来已久,世界上对土壤水热交互作用对作物影响的研究也已逐步成型。目前我国主要以土壤水热交互作用对作物产量、作物生长发育的研究为主。现有文献主要从3个方面展开。

1.1 土壤水热交互作用对作物生长及产量的影响规律

国内外学者已有大量研究从水热各方面对作物产量的影响作出证明，土壤温度的变化是通过太阳辐射和空气中温度变化的波动进而导致土壤温度增加或者降低的过程,适宜的土壤温度对作物生长发育及产量的形成具有明显的促进关系。土壤水分是土壤中的养分得以运输流动的重要载体，只有水分的流动分布适宜，土壤中的水、气才能运作协调，养分才会流动起来被作物吸收利用。土壤中水分的流动状态对作物的生长发育有着极其关键的作用，只有当作物不同阶段的不同生长需求与此时的土壤水分条件达到适应，生长状态才能表现良好。国内外大量学者还发现，土壤温度和水分存在着明显的互作效应[1],土壤中水分的流动和温度的变化是一个复杂的耦合过程。水分调控对土壤温度产生了影响。合适的灌溉有利于通过增加土壤日温度差异来达到促进水稻根系所需要的发育基础,增加作物内所需干物质的积累,势必也会大幅提高产量。赛音朝格图[2]等通过Gaussian函数模型多峰拟合和线性拟合的办法对土壤水热互作关系进行分析得出,土壤水分随土壤热状况的变化均呈现出线性相关的变化趋势,且距土壤表层越近,这种相关的趋势越明显，说明土壤温度和水分之间存在显著的正交互作用。但是在大田生产中，外界因素如气温、覆膜、作物叶面积遮光率等成为影响土壤温度变化的主要因素，土壤温度也不再与土壤含水率呈正交互作用。而在秸秆的覆盖下的土壤水分与土壤温度又呈负相关。秸秆覆盖下土壤表层小气候温度随着作物呼吸而升高，土壤含水量反而下降。雪被覆盖一定程度上也通过同样的机制作用着土壤的水热耦合效应,进而使“冬小麦”在该阶段有着稳定的表面环境,表现出与秸秆覆盖同样的水热互作效果。WANG等[3]研究发现，地膜和秸秆覆盖可以提升土壤水分有效性,提高冬小麦产量。秸秆覆盖同样也通过提高马铃薯茎和叶发育条件，使马铃薯产量得到显著增加。而进一步采用垄覆二元覆盖技术能优化旱作土壤水热环境,提高马铃薯水分利用效率和产量。沟垄覆盖能通过集蓄降水对土壤保温、增温，改善土壤水热，进而显著提高马铃薯生育期的株高和茎粗,最后达到增产效果。而在温棚隔绝了外界环境条件下,水热条件变成了作物生长的最主要因素,可以通过控制温棚温度进行观察得出温度过低会延缓蔬菜的生长,甚至冻伤蔬菜苗；温度过高会增加大棚内的水分蒸发量,使得蔬菜出现萎蔫干枯现象,还会影响蔬菜的品质。因此,要协调好大棚内温度与湿度的关系,改善土壤的水热条件,才能提高作物产量,这也是目前研究的主要方向。

1.2 土壤水热交互作用对作物的性状及特征影响

土壤水热交互作用对作物的影响一般都可以通过作物的性状及特征来直观观察到。以2种常见作物水稻、玉米为例。水稻有效分蘖的数量通常是水稻壮秧的考核条件。土壤增温可以明显促进高寒地区水稻的早发和有效分蘖。水稻分蘖会受到水稻遗传因子的影响,又会受到环境和种植方法的影响,外部环境中影响最大的影响因子是大气温度、土温和水温,在合适的温度范围,随着温度升高、分蘖增快,而超过温度阈值,就会影响分蘖甚至导致分蘖停止。玉米的生长发育水平可以通过株高、茎粗和叶面积观察到。胡亚瑾[4]发现，夏种玉米在早期垄覆地膜、沟覆秸秆、全覆膜平作、覆秸秆平作条件下,夏玉米的株高均会出现线性增长变化，进行各种覆盖处理的植株生长高度会明显较无任何处理的对照组有增高效果,夏玉米整体叶面积所占的指数从小到大依次是垄覆地膜沟覆秸秆>全覆膜平作>覆秸秆平作>不覆盖。以在砾石覆盖的条件下种植夏玉米为例,土壤日蒸发水分明显减少,降低了土壤最高温度、温度变化幅度和平均温度,显著提高了贮水量,进而提高了穗长、穗粗、单穗穗粒数以及百粒重。秸秆覆盖条件下,土壤水热生态条件改善,不再受到外界气温、天气的影响,玉米的株高提高显著,同时,在同一个处理条件下株高与灌水量多少呈正相关趋势。不仅如此,玉米的叶面积也是对照组的多倍，且随着灌水量增加而增加,玉米的茎粗也较对照组有所增加,随灌水量的增加茎粗的上升趋势会达到一个峰值后下降。

1.3 土壤水热交互作用对土壤有机质分解的影响规律

土壤的水热交互作用除了对作物的生长发育起着重要作用，还对土壤有机质的分解和土壤有机质的矿化有着极大的促进作用。汤水荣[5]认为，休闲期的土壤温度和土壤含水量对土壤中有机质的分解有着很大影响，并采取实验培育并研究土壤有机质分解对土壤热状况和土壤含水量的响应特征，最终发现，添加秸秆后的土壤热状况和含水量会对田间土壤中有机碳的分解有极大促进作用。铵态氮的浓度在一定的温度范围内会随着土壤温度的增加和实验培育时间的增加而有明显的降低和降低趋势，而硝态氮的浓度却相反，表现出会随着温度的增加和实验培育时间的延长而带有明显的升高和升高趋势，结果表明，土壤温度对土壤有机氮的矿化有着明显的促进作用。在土壤有机质的矿化过程中，酶担任着重要一职。土壤水热交互作用也是通过对酶的活性产生影响进而影响有机质的矿质化过程。酶是土壤众多构成成分中最突出的有机成分之一,土壤需要酶和各种微生物发生作用来共同促进土壤各种代谢。一般来讲,土壤氮、磷、钾的含量与其它各种有机质含量是互成比例的,所以土壤氮、磷、钾的含量也会和土壤中酶的活性相互影响。土壤中广泛存在着的各种酶类，大多是氧化还原酶类和水解酶类,这两者对土壤各种分解作用和肥力有着至关重要的作用。土壤中各种酶的活性同时也会反映出土壤中种种生物反应和化学反应的强弱和趋势。土壤含水量和热状况对土壤中酶的活性的影响是显而易见的,土壤中水热环境与土壤中的各种微生物的活性和类型有着明显的关联,因此,对土壤中各种酶的活性有着极大作用。不同含水量和温度也会直接作用到土壤中各种酶存在的形式与酶活性的大小，进而对土壤有机质的分解速率和有机质矿化能力有重大影响。一般来讲,土壤含水量较大时,酶的活性也会提高,有机质的矿化能力变强，但当土壤太过潮湿时,酶的活性反而减弱；土壤含水量减少时,酶的活性也相应变弱，土壤有机质的矿化速率也会减慢，因此土壤中有机质的矿化能力有一个相应的区间水量。土壤热状况也是影响能够生成酶类的微生物种类及多少的直接因素,因此,土壤热状况是会影响酶类活性，也就是土壤有机质矿化能力的重要因素之一。而改变土壤含水量，土壤中的各种氮素化合物的运输流动也会发生变化，加大含水量可以达到土壤中氮流动变快，进而加大作物对氮素的吸收、转化和利用；但是如果含水量超过了一定的范围，就会起到完全对立的作用，会使作物对氮素的吸收、转化和利用减少。因此，土壤中含水量过高过低均不利于作物对氮的吸收和利用，这需要一个合适的灌水量。

1.4 土壤水热交互作用对棚内小气候及作物的影响

我国是一个农业大国,近年来我国农业经济不断创新与进步，农业产业结构持续改进,设施农业生产模式,特别是通过温室提高作物生产效率的方法飞速发展。应用温室技术来生产作物可以合理运用气候资源,还能通过合理调控温室水热来明显提升作物品质,并给我国农业生产方面带来经济效益[6]。目前，国内温室大棚多为日光温室,室内温度依赖于外界的气候。但在东北等寒冷地区则需要加温系统才能维持大棚作物生长所需的温度。采用具有加温技术的温室时,外界的大气温度造成的室内外温差、日光辐射作用于大地的昼夜交替与不稳定性会对作物生长产生重大影响,经过多年的实验尝试与验证，证明了增温系统完全能够提供阴天时植物对地温的需要；通过试验分析不同灌水模式对温室作物的影响,研究发现降低土壤水分有助于促进作物根区土壤温度的升高。温室大棚内温度是对作物生长极为重要的影响因素,水热条件的变化是作物生长主要影响因子,随着温度的增高,温室内土壤水分的蒸腾速率随之增大,温室空气中的湿度也会相应增大,光合速率增高,这种情况极易造成植株徒长,且不利于干物质的形成。作物不同生长期生长阶段受温室内温度、湿度和土壤水分的影响，生长情况不同。每个生长阶段的温度过高或者过低都会影响土壤表面的水热状况,进而影响作物的生长,所以调节大棚内适宜的水热因子，为大棚作物提供合适的水热环境至关重要。

2 评述

对于土壤水热交互作用对作物生长及产量的影响,土壤的温度和水分都是影响作物生长发育及产量的重要因素。目前研究者已发现，土壤中水分和土壤热量二者之间有着极其复杂的相互作用关系,二者相互影响，进而影响着作物的生长,但是,对作物的影响除了二者的互作效应外,还与外界的各种环境直接相关。在复杂的外界环境下对作物的生长表现出复杂的影响,而随着通过覆膜、大棚等技术的应用，使作物与外界复杂环境隔离,使得作物生长环境稳定,水热因子对作物的生长就显得愈发关键。这表明了一个稳定的环境对于作物水热交互作用的稳定性有着至关重要的作用。关于土壤水热交互作用对土壤有机质分解影响研究表明，土壤水热条件对土壤有机质分解速率、矿化能力有着至关重要的作用。但目前研究主要还是集中在水热单个因素对土壤有机质分解速率、矿化能力的影响，只有找到各个作物适宜的水热条件才能起到促进作用。对于水热的交互作用对作物有机质矿化的影响机制还有待进一步实验论证。而研究中的温室大棚多采用太阳能集热升温,还是会受到外界各种因素的影响,不能具体了解土壤水热因子对棚内气候最直接的影响。在我国东北部黑龙江省，由于冬季的低温环境，水热资源无法满足作物的生长，大量优质的黑土地资源不能在冬季发挥作用，只能通过温室大棚来改善现状。而对一些有加温系统的大棚研究还只停留在提高温度来观察农田小气候的各种变化,而没有在加入不同的灌溉模式下,研究土壤水热耦合效应下棚内小气候的变化规律对作物造成的影响。所以,未来对土壤水热对作物的影响研究应通过创建一个有着可控温度梯度的室外大棚并结合灌溉技术来进一步实验验证。