不同覆盖方式对土壤温度及玉米生长的影响

不同覆盖方式对土壤温度及玉米生长的影响

西南干热河谷是指横断山区河面以上300.800米的干燥和半干旱河谷。属于典型的亚热带干燥半干旱气候类型。它具有干燥、少降水、集中、高蒸发、雨季清晰、植被覆盖低、水土流失严重等环境特点。严重限制了该地区的作物生长。近年来,国内许多学者都对不同覆盖方式下玉米生长情况进行了研究。李倩等研究了不同地膜覆盖对垄体温度及玉米出苗的影响,认为地膜覆盖可以有效地增加土壤温度和出苗率1一般试验和研究方法1.1苏集沙地公园试验地位于元谋县新华乡平地村,属高原山区,海拔1617.00m,属亚热带干旱半干旱气候,光热充足,高温干燥,干旱少雨,干湿季节分明,年降雨量610～798mm,集中在5-9月份,其他月份少雨或无雨,年蒸发量2850～3910mm,为降水量的4～6倍,≥10℃积温7800～8800℃,年平均气温17.5～23.6℃,极端最高气温42℃,极端最低气温-2℃,太阳总辐射量550.8～650.9kJ.cm-2,平均年日照时数2380.4～2840.0h,日照率62%,干燥度4.4,无霜期320～362d。试验地土壤为燥红壤,容重1.38g·cm1.2玉米栽培方式试验共设置4个处理,处理Ⅰ(LY):裸地玉米栽培,株行距30cm×50cm,为当地雨季主要的玉米栽培方式;处理Ⅱ(JY):秸秆覆盖玉米栽培,秸秆覆盖量为4500kg·hm1.3地表及地下温度测定土壤温度采用曲管地温计对不同处理的土壤温度进行测定,测定层次为地表及地下5、10、15、20和25cm深处的温度,测定时间为0:00-23:00,每1h测1次;从播种后2d开始,连续观测7d,之后每周观测1次,后期2周观测1次,连续观测5个月。2结果与分析2.1两组24h内的温度数据比较从图1中可以看出,在玉米的整个生育周期内,三种覆盖方式对应的土壤日均温度变化的幅度及趋势存在差异:在播种期内,0～25cm土层的土壤日平均温度分布方差分别为3.49、2.59和1.68,处理Ⅱ和处理Ⅲ的温度波动程度分别比处理Ⅰ低25.79%和51.86%,其中处理Ⅲ的平均温度波动变化最小。覆盖方式下,对24h内的温度数据进行对比,午间时段(14:00)的平均温度最大相差2.49℃,而清晨时段(8:00)和晚间时段(20:00)分别为1.43℃和1.67℃。这是由于覆盖处理在气温过高或过低时能有效延缓土壤温度的吸收或流失,在对土壤的升、降温缓冲作用的影响下,地表覆盖处理既可以在高温期降低土壤温度,从而延长作物生长期,也可以在低温期对土壤起到一定的保温作用,从而提高作物冬季成活率覆盖处理对土壤日均变化影响的成因不同:在处理Ⅱ中,秸秆覆盖在土壤表面会形成一道物理隔离层,它能拦截和吸收太阳直接辐射与地面有效辐射,阻碍土壤与大气间的水热交换,增强了地面的逆辐射,这也使得处理Ⅱ土壤日均温度分布波动会低于常规数;而在处理Ⅲ中,地膜可以阻隔土壤与外界大气间的水气传输,在减少了土壤的显热支出的同时,也降低了水汽热耗热量的潜热支出,它的不透气性可以阻隔膜上下气体交换,也使得土壤以长波形式向外辐射的热量能被膜下的水汽及二氧化碳有效吸收降低土壤昼夜温差变化,因此相对于其他处理方式,其对于干旱半干旱地区作物具有更具有推广与应用价值。2.2覆盖方式对土壤温度的影响覆盖处理下不同深度土壤温度在夏玉米整个生长周期中的波动趋势如图2所示,对比5、15和25cm3种不同深度的土壤平均温度变化图可以看出,在夏玉米的生育期内,不同处理方式下的土壤温度变化趋势基本相似,在播种期和苗期阶段土壤温度均稳步上升,之后会随着试验地区降雨量变化呈现出高低起伏的变化状态,而到了夏玉米生育后期又会出现整体下降的趋势,这主要是由于玉米在生育后期生长茂盛,其浓密的叶层会阻隔太阳光向地面的直接辐射,因此不同覆盖处理之间的土壤温度差异会逐渐减小对比覆盖处理下不同土层温度变化曲线可知:土层5cm处,处理Ⅰ受气温变化影响最为明显,在夏玉米整个生长周期中变化最为剧烈,处理Ⅱ、Ⅲ在同期内温度变化波动则相对缓和,且处理Ⅲ更要优于处理Ⅱ,这种优势在夏玉米播种期、苗期与拔节期表现较为突出。当地降雨量自6月起逐渐增多,气温下降,此时处理Ⅲ的土壤温度明显高于前两种覆盖方式,7月气温明显上升后,处理Ⅱ、Ⅲ能有效降低土壤温度,避免了作物根系受到高温的损害,到生育后期又可以避免土壤温度随气温的下降而快速流失,表现出明显的控温效应,这种效应直到出现地膜破损和秸秆腐熟等情况出现时才会逐渐消失;土层15cm处温度的变化整体上与5cm处土壤温度变化趋势一致,变化相对缓和,且地膜在夏玉米播种期的温度优势消失,不同处理间温度差有所减小;到了土层25cm处,三种处理方式的差异进一步缩小,温度变化趋势几乎相同,但仍能看出覆盖处理相对于裸地种植具有一定的温度优势。由此可见,常规种植下的土壤温度随气温变化起伏波动较大,而覆盖处理则可以有效控制土壤热量的吸水和流失,具有明显的控温、缓温效应,温度变化更加缓和,特别是地膜覆盖,该方式受气温变化影响最小,可以有效增加耕作层的土壤温度,这种优势到25cm处仍能有所体现。由于覆盖物可以拦截和吸收太阳辐射,造成温度传递的迟缓性,从而将土壤温度的变化维持在相对较小的幅度内,同时降低根系受到极端温度危害的风险。因此得出,覆盖处理均能有效控制玉米整个生育期的土壤日均温度以及耕层土壤温度,地膜覆盖效果最为明显。2.3地表覆盖物对土壤温度的影响在整个生长期内,各处理不同土层温度与气温的相关关系(表1),裸地、秸秆覆盖、地膜覆盖土壤温度与气温相关函数均呈现正向相关关系,相关系数大,则说明相关性较强,反之较弱。同样,地表覆盖物和土壤深度对其相关性也会造成一定的影响:从水平方向上看,相同土壤层次中秸秆覆盖方式下土壤温度与气温的相关性最强,地膜覆盖居中,秸秆覆盖最低,且无论处于何种生育期,这种相关程度都随土壤深度增加而逐渐减弱;在垂直方向上,随着土壤深度的增加,相关系数逐渐变小,随着农田覆盖物的增加,相同层次深度土壤温度与气温的协同性降低2.4土壤温度对玉米产量的影响从表2可以看出,在0～25cm土层范围内,3种覆盖方式下的夏玉米各生长周期的平均温度分别为23.6℃、22.8℃和23.5℃,秸秆覆盖比常规种植温度降低0.8℃,地膜覆盖平均温度与裸地种植十分接近,但是从最终产量数据来看,裸地、秸秆覆盖和地膜覆盖3种覆盖处理下的每公顷产量分别为5101.45、5546.85和5921.15kg,秸秆覆盖和地膜覆盖分别比裸地种植下的玉米每公顷产量高出445.4和819.7kg。土壤温度对玉米萌发和出苗具有十分重要的作用,在干热河谷地区,若土壤温度过高会阻碍玉米种胚轴的发育进程,导致玉米出苗减少,植株密度低,诱发生长畸形等,而温度过低则会造成营养缺失,导致玉米单株发育缓慢,最终影响整株生物量和籽粒产量,使得产量降低。在覆盖处理条件下,地表覆盖物可以增加土壤温度对于接近土壤表面的玉米顶端分生组织发育速率的影响3覆盖方式对不同土壤温度日覆盖栽培技术是一种增产幅度大,经济效益高,适用范围广的农业生产措施,其主要作用是改善植物生长环境,弥补光、温、水资源的不足,可以有效增强植物对外界温度变化的适应性。大量研究表明,覆盖种植对旱作农业土壤温度具有调节作用,而且这种调节作用可以减轻极端温度对于作物生长的危害。许多学者认为,覆盖对土壤温度和水分的影响是偶联的,覆盖种植模式的缓温作用是否会有利于作物高产,要因时、因地、因作物而异西南干热河谷区夏玉米生长周期正处于该地区旱季向雨季过渡时期,具有保水控温效果的覆盖种植模式,正是促进夏玉米生长的最佳选择。本实验对比了3种覆盖方式下夏玉米农田土壤温度的变化情况,可以看出地膜覆盖处理方式对玉米农田土壤的缓温效果明显高于其他覆盖方式,尤其在夏玉米的生育前期,覆盖带来的升温效应有利于苗期的快速生长,而后期逐渐显现的降温效应则可以应对当地的高温气候给作物带来的伤害。水分是热量的载体,在覆盖种植模式下,地表覆盖物可以通过控制土壤水分的消耗,从而对土壤温度起到适度调节的作用,减轻极端温度对作物生长的危害。因此以地膜覆盖方式进行种植,最有利于西南干热河谷夏玉米的生长,具备推广价值。而针对不同地膜覆盖类型对该地区适宜情况,还有待进一步研究。在夏玉米不同生育期土层范围内,对比不同覆盖处理下0～25cm的土壤温度:24h内,中午(14:00)不同覆盖处理之间的土壤温度差异较大,早晨(8:00)较小,晚上(20:00)居中,从0～25cm土层日均温度变化情况来看,在不同覆盖方式处理下,土壤温度波动程度处理Ⅰ>处理Ⅱ>处理Ⅲ。因此,覆盖处理相对于裸地可以更有效的控制土壤温度,避免作物受到极端温度的伤害,且地膜覆盖效果最佳。夏玉米整个生长过程中,不同覆盖处理下0～15cm土层土壤温度受气温及玉米冠层结构影响,变化幅度较大,而15～25cm土壤温度变化幅度较小。覆盖方式下夏玉米生育前期土壤温度稳步上升,随后开始出现高低起伏变化,到收获期则逐渐下降,平均温度表现为处理Ⅱ<处理Ⅰ<处理Ⅲ,其中地膜覆盖土壤增温幅度最大,且不同覆盖处理土壤温度差异随土壤深度逐渐减小。其中地膜覆盖的增温缓温作用优于秸秆覆盖