新疆奎屯地區(qū)寬地膜覆蓋對土壤溫度的影響

新疆奎屯地區(qū)寬地膜覆蓋對土壤溫度的影響

根據1997年的數據，中國的膜覆蓋種植區(qū)超過533萬h2m，占世界第一，新疆的情況超過66.70萬h2m。地膜覆蓋具有保溫、保墑、提高作物產量等優(yōu)點,采用該技術不僅能解決干旱-半干旱地區(qū)早春農作物缺水和地溫低等不利因素,而且增加了作物的抗旱能力,同時能抑制干旱地區(qū)鹽堿漬害的發(fā)生,確保農業(yè)生產產量的持續(xù)穩(wěn)定增長。由于新疆地區(qū)特定的水熱與光照條件,近年來在地膜栽培的基礎上,根據當地的實踐經驗發(fā)展了新的灌水技術——膜孔灌溉。膜孔灌溉的覆膜寬度已由最初70cm的窄膜發(fā)展到現在的180cm寬膜,田間地膜覆蓋率由起初的60%增加到90%,目前膜孔灌溉面積已發(fā)展到20萬hm2,并已在我國北方干旱和半干旱地區(qū)研究推廣使用。在寬膜覆蓋條件下,地膜成為土壤與大氣間水汽交換的物理阻隔,從而改變了入滲與蒸發(fā)的上邊界條件,明顯提高了地溫。因而溫度場對土壤水分運動與溶質運移的影響也就成為一個不可忽略的重要研究課題。因此,分析覆寬膜后地溫在土壤剖面上的日變化規(guī)律,包括最高地溫在剖面上的變化,剖面地溫的最大日變幅,地表及各深度土壤層溫度的日變化規(guī)律等都是進一步研究溫度場對土壤水分運動影響的重要前提。此外,在水分運動與溶質運移研究中,灌溉、降雨以及種植季節(jié)的各種外部條件對地溫的調節(jié)與影響也是其重要內容,這些研究成果對于指導寬地膜覆蓋種植的生產實踐具有重要的理論價值。本文通過對新疆某灌區(qū)地溫的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測,分析了寬地膜覆蓋條件下的土壤溫度的動態(tài)變化規(guī)律,從而可對覆寬膜后的土壤溫度效應有進一步的了解與認識。1地溫觀測深度試驗地塊位于新疆農七師128團三連,土質為夾砂粘土,種植作物為棉花,田間地膜覆蓋率為90%,觀測地塊分10個小區(qū),每小區(qū)面積為32m×40m。采用曲管地溫表進行土壤層25cm以上地溫觀測,觀測深度為自土表5cm每間隔5cm至耕作層25cm。在實驗中共進行了1998年(4月13日～9月2日)和1999年(4月12日～9月4日)兩年度種植季節(jié)覆寬膜后的地溫觀測。兩次重復,觀測點分別布置在膜中、膜邊、膜間和揭膜處。此外在1998年7月17日、1998年8月27日、1999年4月16日及1999年5月18日每隔2h進行了膜中、膜邊、膜間和揭膜地塊的24h連續(xù)地溫觀測,并進行露地的24h對比觀測。在上述實驗布置中,膜中指處于寬膜的正中;膜邊指距覆膜邊緣2cm處位置;膜間指兩寬膜之間未覆膜地塊;揭膜指先覆膜并于出苗后將部分棉苗去膜,去膜面積為0.2m2的矩形區(qū)。2射與地面增溫地膜覆蓋能把太陽能轉化的熱能匯集在土壤中,太陽輻射是地面增溫的唯一熱源。雖然野外條件下地溫的影響因素很多,而且田間自然條件的變化具有不確定性,但地溫在垂直土壤剖面上的日變化仍有一定的規(guī)律可循。2.1隨著時間的推移，地溫也會發(fā)生變化2.1.1表土溫特征掌握地溫的日變化規(guī)律對于調節(jié)地溫、精確確定適時灌溉時間、為作物創(chuàng)造一個適當的土壤溫度環(huán)境是很有必要的;同時在水熱遷移研究中,表層土溫條件作為決定溫度場的上邊界條件,也是一個必不可少的重要條件。經分析,表層土溫變化可擬合為正弦函數。本實驗中觀測的是土表5cm溫度,假設在z=5cm處溫度日變幅是A0,則正弦函數表示為T=Ta+A0sin(ωt)式中T——t時刻表層土溫;Ta——表層土壤平均溫度;t——時間;ω等于2π/τ,這里τ為周期,為24h。本實驗中表層土溫與時間關系可擬合為T=26.4+25.1sin(πt/12)R=0.8726不同覆膜條件下的表層土溫,其變化特征不盡相同。圖1為1999年5月18日表層土溫變化,由圖1可見,表土溫度變化有如下規(guī)律。1)一日內膜中地溫在各時刻均高于膜邊,但膜間、膜邊、膜中和揭膜4種處理下的表層土溫都符合正弦規(guī)律,且均可擬合為時間的正弦函數。4種處理中,一日內最高地溫出現在膜中,最低地溫出現在膜間。2)土表5cm地溫有明顯的日變化,一日內表層土溫在10:00～16:00處于升溫階段,其余時間處于降溫階段。土壤溫度與輻射能收支密切相關,當地表土壤吸收的熱量大于散失的熱量時土壤升溫,反之土壤降溫。10:00～22:00膜中表層土溫最高,膜邊和揭膜次之,膜間最低,而0:00～10:00各處的表層土溫則相差不大。3)日變化的溫度特征可以用8:00,16:00,20:003個時刻來簡要表征。其中,8:00地溫可代表一日內表土最低溫度,16:00地溫可代表一日內表土最高溫度,而20:00地溫可代表一日內表層土溫開始降低后4h的溫度,可表示土壤處于迅速降溫階段的特征。2.1.2季節(jié)內表土溫度日變化的谷點表土溫日變化的谷點按照上述3個表征日變化溫度的特征時間來分析1999年種植季節(jié)內(4月12日～9月4日)不同位置的表層土溫變化規(guī)律,結果見表1。由表1可見:1)在一種植季節(jié)內,表土最高溫度、最大變幅及表土平均溫度的最高值均發(fā)生在膜中,其后依次為膜邊、膜間、揭膜。2)種植季節(jié)內表土最高溫度與最大變幅均發(fā)生在16:00,即表層土溫日變化的頂點,二者膜中值均高于揭膜處理,分別高出9.5℃與9.8℃。3)3個觀測時刻的表土平均地溫最高值基本上都均發(fā)生在膜中,高出其他處理0.1～2.5℃。4)表土最低溫度均發(fā)生在8:00,即表層土溫日變化的谷點。由表1,除揭膜后的表土最低溫度略高外,其余三者差異不大,為4.5～5.0℃。2.2隨深度的變化2.2.1實際地溫觀測間隔與時間的關系土壤層不同深度地溫的日變化和年變化不同。日間地表接受輻射吸收了熱量,而其散熱則較吸熱小,因而表層土溫升高;夜間土壤散失的熱量大于吸收的熱量,因而表層土溫降低。地溫的年變化在各深度也是不同的,表層土溫比各深度地溫變化幅度更大一些。而且沿土壤層深度方向,深度增加則地溫變化趨于平緩。膜中的不同深度地溫在一日內有一個變化過程。本實驗野外資料表明,自0:00～8:00膜中各深度地溫幾乎呈同一趨勢降低,至8:00降至最低;10:00～22:00土壤層處于升溫過程,但各深度升溫不同步;地溫變化幅度大致沿深度遞減,表層土溫日變幅最大,為9℃;至25cm時地溫日變幅為1.3℃。取1998年7月17日24h連續(xù)觀測的膜中地溫作圖,見圖2。由圖2可見,在一天之內,8:00地溫自土表至25cm始終遞增,16:00地溫自土表至25cm始終遞減,0土壤層溫度變化幅度不大(小于1.3℃),其余時刻土壤層溫度處于升降交替過程。圖3為1999年種植季節(jié)土壤層各深度(5～25cm)膜中地溫變化趨勢。由圖3可見,種植季節(jié)膜中平均地溫、溫度變幅和最高地溫沿深度均呈遞減趨勢,尤以20cm以上的溫差較大,一般上下溫差均在20℃左右;而20cm以下溫度梯度顯著減小。因此在實際地溫觀測過程中20cm以下深度觀測間隔可適當大一些。此外由圖3可見,最低溫度沿深度無太大變化。2.2.2地溫依深度變化為便于比較,將1998年7月17日各處理12:00地溫作圖(見圖4)。12:00時地溫處于一日內地溫顯著升高的時刻,此時各處理地溫依膜中、露地、膜邊順序遞減,但各處理地溫在深度上的變化則以15cm為界,其上地溫隨深度增加而遞減;其下反之。另外將16:00地溫與12:00作對比分析,16:00時地溫達到一日內最高值,在這一時刻地溫始終沿深度遞減,無覆膜地塊溫度隨深度遞減明顯,膜中5cm溫度比其他處理高11℃;各處理地溫依膜中、露地、膜邊順序遞減,表明覆蓋后的地溫比無覆蓋地溫變化快得多。2.3不同覆膜下土壤溫度變化特征土壤剖面地溫的最大日變幅為一日內不同時刻觀測的土壤剖面0～25cm深度內,地溫的最大值與最小值之差。分析一日內地溫的最大變幅可得出土壤溫度日變化的影響深度。一日內覆膜地溫的最大變幅比不覆膜的高。一日內以10:00為分界,土壤升溫隨日照時間的延長而趨于明顯;至16:00開始降溫,地溫最大變幅隨深度遞減。以1999年5月18日的觀測結果為例分析,可知20:00～10:00地溫最大變幅較小,這一時段膜邊地溫變幅最大,變化范圍也僅在2.2～3.1℃之間;而在10:00～20:00地溫變幅較大,最大變幅發(fā)生在膜中,范圍在3.0～18.5℃之間;膜間和揭膜地塊變幅相對較小;一日內地溫最大變幅峰值出現在16:00。一日內地溫最大變幅與地溫的日變化規(guī)律大致相同,此處不再重復敘述。根據實測資料,可將一日內地溫變幅與深度關系擬合成指數函數形式,其擬合的相關系數很高。不同覆膜條件下一日內地溫最大變幅ΔTmax隨深度變化的擬合結果見表2。由表2可見,5～25cm深度的溫度變幅從2.1～23.4℃不等,溫度變幅隨深度明顯減小,膜中變幅最大,膜邊次之,膜間和揭膜地塊相對較小。此外可推知一日內地溫最大變幅的影響深度為土壤耕作層20～25cm,也即在這一影響深度內地溫場的變化較顯著且有其特定的規(guī)律。2.4覆膜前后最高地溫的日變化土壤層垂直剖面最高地溫在10:00～16:00處于上升過程,其余時間剖面上最高地溫均處于下降過程。各處理最高地溫明顯不同,大致沿膜中、膜邊、膜間、揭膜依次遞減,表明覆蓋地膜后的膜下各位置地溫均比揭膜后地溫高,地膜覆蓋有明顯的增溫效應。對于北方地區(qū)來說,春季覆膜后地溫升高有利于作物種子破土出苗,因而地溫升高對出苗率的提高有正面影響,覆膜寬度增加有利于土壤層升溫。此外,一日內剖面最高地溫所處的土壤層深度也在變化:日間最高地溫均位于土表;夜間最高地溫所處深度下移。以1999年4月16日地溫變化為例,剖面最高地溫的日變化趨勢見圖5。由圖5可見,10:00～20:00最高地溫均位于土表5cm,其它時間段內,隨時間增加最高地溫逐漸下移。各處理的最高地溫依膜中、膜邊、揭膜和膜間順序遞減,膜中和膜邊最高地溫分別高于揭膜3.7℃和1.8℃。3:200地溫變化本實驗中種植季節(jié)的地溫觀測分為3個時刻,即8:00、16:00和20:00。由上述分析可知,地溫有其特定的日變化規(guī)律,8:00為日變化的最低點,16:00為日變化的最高點,20:00地溫處于迅速下降過程。由于最高地溫和最低地溫只能反映土壤熱流運移的特殊時刻,因此將20:00地溫變化為代表作等值線圖,將1998年6月4日16:00自土表5～25cm的膜下不同位置的地溫整理后做出等值線圖見圖6,圖中距離為0處是膜間,50cm處是膜中。由圖6可見,20:00土壤剖面5～25cm地溫變化平緩,膜中(水平軸25cm處)地溫比兩側波動大且均高于膜邊和膜間,沿膜中至膜間地溫開始降低。最高地溫在近地表處,自土表5cm往下溫度逐漸降低,有從表面向深層逐漸降低的趨勢。4膜的日變化的溫度特征通過對新疆奎屯地區(qū)某實驗區(qū)1998～1999兩年度種植季節(jié)連續(xù)觀測的棉田地溫場的分析,發(fā)現寬地膜覆蓋對土壤溫度有明顯的正效應。由上述分析可得出以下結論。1)一日內膜中地溫在各時刻均大于膜邊;膜間,膜邊,膜中和揭膜的表層土溫都可擬合為時間的正弦函數。4種處理中,一日內最高地溫出現在膜中,最低地溫出現在膜間;日變化的溫度特征可以用8:00,16:00,20:003個時刻來簡要表征。2)在一個種植季節(jié)內,表土最高溫度、最大變幅及表土平均溫度的最大值均在膜中,其后依次為膜邊、膜間與揭膜;表土最高溫度與最大變幅均發(fā)生在16:00,表土平均地溫的最大值發(fā)生在膜中;表土最低溫度均發(fā)生在8:00。3)膜中、露地和膜間的不同深度地溫在一日內和種植季節(jié)內均有一個變化過程。在一天之內,膜中8:00地溫自土表至25cm始終遞增,1