鄂尔多斯高原玉米土壤温度变化规律研究——以鄂托克旗为例

贾浩南，李 彬,3,，降亚楠，王凯航，高凌智

(1.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古农牧业科学院 资源环境与检测技术研究所，内蒙古 呼和浩特 010031；3.高效节水技术装备与水土环境效应内蒙古自治区工程研究中心，内蒙古 呼和浩特 010018；4.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

土壤温度的变化对土壤化学性质和农作物后期生长状况影响很大[1-2]。高进等[3]研究发现，土壤温度影响植物根部的生长发育和幼苗的成长。土壤温度还影响着土壤中化学反应的类型和速率，并对生物过程有强烈影响，如种子发芽、幼苗出土及生长、根系发育以及微生物的活动等[4-6]。农作物的播种时间也受土壤温度的影响[7]。ARAI-SANOH等[8]研究发现，土壤温度升高会加快作物的生长发育和土壤中微生物的活性以及数量，同时还会加快作物对地下养分的吸收和利用。WAN等[9]研究发现，土壤温度通过影响作物根部吸收养分与代谢的功能，从而对作物生长发育产生影响。土壤温度不管是对土壤本身的生物活性还是作物的生长发育都起决定性作用[10]。

冻土的冻融作用对作物的播种、出苗有显著影响，并间接影响作物物质积累和幼苗发育，对作物生长起到了承上启下的作用[11]。Zhang DF等[12]研究发现，在干旱半干旱的寒冷地区，季节性冻融期土壤水盐运移容易造成土壤盐分再分配、土壤盐渍化。冻融期土壤温度是影响土壤中微生物生长、地面蒸发、土壤内部结构、土壤含有的养分含量以及土壤水分和热量的传输及盐分的积累过程的主要因素[13-16]。

因此，研究作物的土壤温度变化规律意义重大，并且以往对玉米作物无处理情况下的土壤温度变化规律研究较少。本试验采用了美国Onset公司生产的HOBO U30小型气象站在鄂尔多斯高原典型代表区鄂托克旗监测玉米的田间气候，系统地研究了玉米在太阳辐射，近地气温，降雨量的影响下土壤温度的变化规律，并创新性地加入了土壤冻融变化方面的研究，为鄂尔多斯高原种植玉米提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于鄂尔多斯的腹地鄂托克旗，是鄂尔多斯高原的典型代表区。鄂托克旗是典型的温带大陆性季风气候。该区冬季漫长且寒冷，夏季短促且炎热， 寒暑变化大，风多雨少，气候干燥，蒸发强烈，日照时数长，昼夜温差大。年日照时数 3000 h，平均海拔1800 m，年平均气温 6.4 ℃，年降水量为 250 mm，年蒸发量 3000 mm，降水主要集中在 7—9 月份，无霜期 122 d，灾害性天气为干旱和风沙危害。大风多集中在冬春两季，尤其是春季，多年平均风速 3.1 m/s。该旗一年四季均有干旱出现的概率，但以春旱为最多，大旱概率以秋、冬为最多。鄂托克旗常年气候干燥，植被属于草原化荒漠类型。土层较薄，基本为砂质壤土，土壤类型主要为棕钙土和灰漠土。

1.2 试验研究对象

玉米品种为TK601。出生期：出苗至成熟128 d，属晚熟品种。种子性状：楔形，马齿，橙黄色。幼苗性状：叶片绿色，叶缘紫色，叶鞘深紫色，第一叶圆形。植株性状：成株株型半紧凑型，护颖绿色，花药深紫色，花丝紫色；株高290 cm左右，穗位116 cm左右，总叶片数21片，雄穗一级分枝1～3个。果穗性状：果穗短简型，穗轴红色，穗长18.7 cm，穗粗4.9 cm，穗行数15.7行，行粒数39.2粒，出籽率85.0%。

1.3 试验设计

采用美国Onset公司生产的HOBO U30小型气象站监测位于鄂托克旗草籽场的玉米2020年5月1日—2021年4月30日的田间气候，包括太阳辐射、近地气温、5 cm地温、15 cm地温、25 cm地温，每1 h测定1次，汇总成表并进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 玉米在全生育期的土壤温度变化规律研究

试验对玉米全生育期(2020年5月1日—9月30日)进行数据采集，采集了近地气温、降雨量、5 cm地温、15 cm地温、25 cm地温5项指标，每天每隔1 h进行自动监测。现将每天监测的5 cm、15 cm、25 cm土壤温度和大气温度数据取平均值后按各个生育期绘制点线图，将降雨量求和后按各个生育期绘制柱状图，如图1所示。

图1 玉米全生育期的不同土层土壤温度的动态变化

从图1中可以看出，土壤温度随气温的增加而增加，且整体温度呈现出先增加后降低的趋势。在晴天时，气温高于各个土层的温度，而在阴雨天时，气温会出现显著降低的现象且低于各个土层的温度，土层越深土壤温度的变化幅度越小。可以说明土层越深土温越趋于稳定，保温效果越好，受气象因素影响较小。

2.2 玉米在各个生育期的土壤温度变化规律研究

在玉米的苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期和成熟期6个生育期内分别选取一个典型代表日作为研究对象。选取原则是典型代表日应包含晴朗天，多云天和阴雨天3种情况。其中苗期选取5月20日(晴朗日)为研究对象；拔节期选取6月22日(阴雨日，只在02:00，05:00，08:00，09:00间断降雨，降雨量合计1.8 mm)为研究对象；大喇叭口期选取7月17日(多云日，仅16:00降雨，降雨量合计为0.8 mm)为研究对象；吐丝期选取8月17日(阴雨天，10:00—19:00连续降雨，降雨量合计7.6 mm)为研究对象；灌浆期选取8月31日(晴天)为研究对象；成熟期选取9月15日(晴天，仅06:00降雨，降雨量合计为0.2 mm)为研究对象。

用6个典型代表日的太阳辐射、近地气温、5 cm地温、15 cm地温、25 cm地温5项指标绘制各个生育期土壤温度的动态变化图，以便研究各个土层受气象因素影响的变化规律，并且列出各个生育期的各个土层的地温变异性表格(见表1)，以便研究各个土层的稳定性。

表1 玉米各个生育期地温变异性分析

在玉米苗期不同土层温度变化动态如图2所示，可以看出，太阳辐射呈单峰分布，且从05:00开始出现，至13:00达到最高值，其值为963.1 W/m2，随后逐渐降低，至20:00其值为0 W/m2。近地气温、5 cm地温、15 cm地温、25 cm 地温皆呈正弦曲线分布。对比5 cm处地温与气温的关系可以看出，土壤有保温效果。在00:00—06:00时，5 cm地温均高于气温，并与气温一致降低，从06:00气温开始上升，但地温仍然有下降趋势，从08:00开始5 cm地温开始随着气温上升。是因为土壤温度增长滞后于气温。08:00—23:00，气温与5 cm地温变化趋势相同，但5 cm地温的上升和下降的曲线斜率均小于气温，这说明土壤具有保温性，5 cm地温比气温更稳定。对比不同土层温度，得出土层越深，土壤温度越稳定，即稳定性中，气温<5 cm地温<15 cm地温<25 cm地温。曲线越来越平缓，正弦曲线其振幅越来越小。且由表1苗期部分可以看出，该代表日地温的极差越小，地温的标准差及变异系数随土层的变深越来越小，说明稳定性也在增加。

图2 玉米苗期(5月20日)不同土层温度变化动态

在玉米拔节期不同土层温度变化动态如图3所示，可以看出，太阳辐射呈单峰分布，且从08:00开始逐渐上升，其中在11:00有一小段减小现象，随后又快速上升，斜率增大，这是因为天气由阴转晴的原因。上升到13:00时达到最高值为1134.4 W/m2，随后降低，至20:00时太阳辐射为0 W/m2。三种土壤温度的变化规律均符合正弦曲线规律。在上午降雨时间段内，5 cm地温小于15 cm和25 cm地温，转晴后才出现大于15 cm和25 cm地温的情况，说明5 cm土壤温度受气象因素影响要比15 cm、25 cm土壤温度要大，且5 cm的变化幅度比15 cm、25 cm的变化幅度大，说明5 cm土壤温度的稳定性较差。由表1拔节期部分可以看出，极差和标准差随着土层深度的增加而降低，也说明随着土层深度的增加，土壤温度的稳定性也在增加。

图3 玉米拔节期(6月22日)不同土层温度变化动态

在玉米大喇叭口期不同土层温度变化动态如图4所示，可以看出，太阳辐射呈双峰分布，在12:00时达到最高值903.1 W/m2，1小时后太阳辐射骤降，至15:00时达到最低值56.9 W/m2，随后又突然升高，至17:00达到第二个峰值514.4 W/m2，随后再次骤降，直至为0 W/m2。出现这个状况的原因是12:00左右和15:00 左右发生阴晴变化，引起太阳辐射的起落。5 cm地温在降雨前的变化规律与晴天时相同，呈正弦曲线变化，但在降雨时，5 cm地温出现陡降，随后随着天气转晴，其又恢复正弦曲线的变化规律，但15 cm、25 cm地温依旧呈正弦曲线分布，并未受太大影响，说明5 cm受天气因素影响较大，随着土层深度加深，土壤温度稳定性越高。由表1大喇叭口部分可以看出极差和标准差随着土层深度的增加而降低，也说明随着土层深度的增加，土壤温度的稳定性也在增加。

图4 玉米大喇叭口期(7月7日)不同土层温度变化动态

在玉米吐丝期不同土层温度变化动态如图5所示，可以看出，太阳辐射在12:00与14:00时出现两个峰值，其值分别为199.4 W/m2和230.6 W/m2。都低于晴朗天的太阳辐射，这与试验田的云层厚度与降雨强度有关。近地气温与土壤温度的变化规律均不符合正弦曲线的变化规律，气温波动规律与太阳辐射无直接关联，因为太阳辐射不管是升还是降，气温均呈下降趋势。气温在阴雨天下均低于地温，说明土地具有保温效果。土壤温度的变化规律总体表现为土层由浅向深逐渐稳定。5 cm地温均低于15 cm、25 cm地温，说明土壤越深，保温效果越好，稳定性越高。从15 cm 和25 cm的土壤温度变化规律来看，二者自00:00开始一直降低，可见阴雨天气土壤温度随着降雨持续降低，并不随着太阳辐射增强而增大。从表1中的吐丝期部分可以看到，地温的极差和标准差随着土层深度增加而减小，说明土层越深，土壤温度稳定性越好，受大气因子影响越小。

图5 玉米吐丝期(8月7日)不同土层温度变化动态

在玉米灌浆期不同土层温度变化动态如图6所示，可以看出，其变化规律与苗期晴朗天变化规律相同，说明虽然在不同时期，气温和太阳辐射不同，但由于都是晴天，地温的变化规律相同，得出的结论也相同，即在稳定性中，气温<5 cm地温<15 cm地温<25 cm地温，且地温均呈正弦曲线分布，存在保温和滞后现象。

图6 玉米灌浆期(8月31日)不同土层温度变化动态

图7 玉米成熟期(9月15日)不同土层温度变化动态

在玉米成熟期不同土层温度变化动态如图7所示，可以看出，在06:00降雨时，气温骤降。原因是此时太阳辐射还为0 W/m2，气温受降雨的影响比较大。但5 cm地温、15 cm地温、25 cm地温均呈现正弦曲线分布，受降雨和气温的影响较小，说明随气温的稳定性小于地温的稳定性。随后的变化规律与苗期晴朗天的变化规律相同，得出的结论也相同，即在稳定性中，气温<5 cm地温<15 cm地温<25 cm地温，且地温均呈正弦曲线分布，存在保温和滞后现象。

2.3 土壤冻融规律研究

土壤冻融本质上是土壤水冻结和融化的物理变化过程。当某个土层的土壤温度低于土壤水的冰点时，这个土层的土壤开始冻结，随着时间推移，土壤温度梯度增大，土壤逐渐向下冻结。1月中旬之后，随着太阳辐射的增强，各个土层的土壤开始融化，当各个土层土壤全部融化时，土壤的融化过程结束[17]。

试验选取2020年10月1日至2021年4月30日为研究范围，日平均气温、5 cm地温、15 cm地温、25 cm地温为研究对象绘制了点线图，如图8所示。

图8 各土层冻融变化

由图8可以看出，11月19日，气温开始变为零下，值为-0.62 ℃，但各个土层地温仍为零上。11月26日，5 cm土层开始变为零下，11月27日，15 cm土层开始变为零下，12月3日，25 cm土层开始变为零下，所用时间为8 d。至此所有土层温度均达到零下，直至2月22日全部土层变为零上，持续日数为82 d。其中，12月30日至1月10日，无论是日平均气温，还是日平均各个土层的地温均达到最小值，且稳定在一个区间内，气温最小值为-19.15 ℃，稳定在-19～-9 ℃，5 cm地温最低温度为-11.74 ℃，稳定在-11～-7 ℃，15 cm地温最低温度为-10.03 ℃，稳定在-10～-6 ℃，25 cm地温最低温度为-8.36 ℃，稳定在-8～-6 ℃。各土层温度变化趋势一致，且随着土层的加深，变化幅度减小。1月18日为分水岭，即在1月18日以前25 cm地温>15 cm地温>5 cm地温>气温，但从1月18日之后，逐渐呈现出气温>5 cm地温>15 cm地温>25 cm地温的趋势。2月11日—2月21日，5 cm土层出现冻融交错的现象，持续时间为11 d，15 cm土层温度和25 cm土层温度均在2月21号之后变为零上。气温于2月18日变为零上。至此土壤冻融阶段完成，持续时间为89 d。2月28日和3月1日出现极端天气，致使土层温度再次达到零下，但3月 2日之后气温回升，土层温度均达到零上，产生了冻融过程，说明即便冻融阶段过去，但由于受极端天气的影响，也有可能出现土壤冻融变化。具体冻融期划分请见表2。

王洪预等[18]研究结果表明，玉米出苗速率与土壤温度显著正相关，且播种时土壤温度对玉米生长发育和产量的影响十分显著。随田间土壤温度升高，其出苗速率显著增加。土壤平均温度在13.1～13.6 ℃播种时最佳。且用10 cm地温稳定通过11 ℃初日作为玉米适宜播种期，玉米出苗后霜冻概率分别下降到15%和17%[19]。根据采集到的数据可以看出，该地区在4月中下旬时土壤温度稳定在11～14 ℃之间，所以确定本地区的播种日期为4月中下旬。

表2 0～25 cm土层冻融阶段划分

3 讨 论

3.1 玉米全生育期土壤温度变化规律

高凌智等[20]研究结果表明，玉米全生育期的土壤温度随气温的增加而增加，在阴雨天土壤温度会出现显著降低的现象，这与本研究结果相符，但在晴天时的研究结果不同，高凌智等[20]研究结果为每日平均温度都低于5 cm、15 cm、25 cm的土壤温度，但本研究结果是在大喇叭口期之前，每日平均气温大多数高于5 cm、15 cm、25 cm的土壤温度，而在大喇叭口期之后，每日平均气温大多数低于5 cm、15 cm、25 cm的土壤温度。还有研究结果表明[21]，土层越深土壤温度的变化幅度越小，可以说明土层越深越趋于稳定，保温效果越好，受气象因素影响较小，这与本研究结果相符。车少辉等[22]研究结果表明，土壤温度随土层深度的增加而降低，但本研究结果表明，在苗期呈现的规律与之相符，即土壤温度随土层深度的增加而降低，但在拔节期以后，逐渐出现15 cm地温>5 cm地温>25 cm地温的变化规律，此规律一直延续到成熟期，成熟期之后出现25 cm地温>15 cm 地温>5 cm地温的变化规律。

3.2 玉米各个生育期土壤温度变化规律

土壤热状况通过一天内土壤温度的日变化来反映[23]。魏育国等[21]研究结果表明，平均地温均呈现先降低再增高的趋势，日变化均呈现先下降后上升的趋势，一天中有一个峰值和一个谷值，呈现正弦变化，与太阳辐射的日变化一致，愈靠近表层这个变化趋势愈明显。本研究的试验结果与之不同，各个生育期中，在晴天和多云天时，5 cm 地温、15 cm地温、25 cm地温皆呈正弦曲线分布，且随着太阳辐射、气温的增加而增加，但存在滞后现象，只有一个峰值和一个谷值。但在在阴雨天时，土壤温度的变化规律均不符合正弦曲线的变化规律，气温在阴雨天下均低于地温，阴雨天气土壤温度随着降雨持续降低，并不随着太阳辐射增强而增大，且不止一个峰值和谷值。这与阴雨天云彩对太阳的遮挡有关。

3.3 冻融期土壤温度变化规律

郑秀清等[12]研究结果表明，不同深度地温随时间的变化而变化，趋势相同，且冻融期地表温度稳定性最低，受天气影响显著，温度变化幅度最大，随着土层深度的加深，稳定性提高，外界环境对土层的影响随土层的加深而减弱，地温随土壤深度的增加而升高，本研究结果与之一致。本研究存在不足之处是，由于设备的功能有限，只研究了0～25 cm土层的冻融期划分，对25 cm土层以下的冻融情况尚未研究。但本研究冻融规律的目的是确定玉米播种日期，0～25 cm土层温度的数据足以用来确定玉米的播种日期，即为4月中下旬。

4 结 论

(1)本研究中，土壤温度随气温的增加而增加，且整体温度呈现出先增加后降低的趋势。在晴天时，在大喇叭口期之前，每日平均气温大多数高于5 cm、15 cm、25 cm的土壤温度，而在大喇叭口期之后，每日平均气温大多数低于5 cm、15 cm、25 cm的土壤温度，各层土壤温度呈正弦曲线分布。而在阴雨天时，气温会出现显著降低的现象且低于各个土层的温度，土层越深土壤温度的变化幅度越小。可以说明土层越深越趋于稳定，保温效果越好，受气象因素影响较小。

(2)不同深度地温随时间的变化而变化，趋势相同，且冻融期地表温度稳定性最低，受天气影响显著，温度变化幅度最大，随着土层深度的加深，稳定性提高，外界环境对土层的影响随土层的加深而减弱，地温随土壤深度的增加而升高。并根据试验采集到的数据确定该地区播种日期为4月中下旬。