黄土丘陵区小麦种植土壤温度日变化特征

黄土丘陵区小麦种植土壤温度日变化特征

1属性及接种量试验区域位于陕西省杨凌区土壤和生态研究中心（陕西省杨凌区）的试点区域。该区属于暖温带半湿润季风气候区,年均降雨量为637.6mm,干旱年为200mm左右,丰水年大于600mm,年内降雨分配不均,60%集中在7～10月份,年际变化大,丰枯比为3.0,变异系数为0.25。年平均温度为12.9℃,极端最高气温42℃,最低气温-19.4℃,该区温度可满足玉米、小麦一年二熟的需要。小区土壤为重壤土,质地粘重,物理性粘粒含量高达63.3%。耕层土壤容重为1.37g/cm3,土壤凋萎湿度及田间持水量分别为8.56%和24.6%,播种前1.5m土层内平均体积含水量为21.5%。0～20cm土壤的基本理化性质为:pH=7.6,土壤有机质含量18.3g/kg,碱解氮56.2mg/kg,速效磷12.4mg/kg,速效钾141.2mg/kg。试验小区面积为5m×6m,玉米行距50cm,株距50cm。前茬为早熟小麦,收获时模拟秸秆还田免耕技术,计算秸秆还田量为6000kg/hm2,秸秆粉碎至3～5cm,地表秸秆全部清除的小区作为对照。地膜采用80cm宽的薄膜起垄后覆盖,PAM浓度为1.0g/m2,在播种后将适宜剂量溶解于水中喷洒到土壤表面,灌溉处理PAM施用在灌溉前喷洒。2005年5月28日人工开穴播种,每穴播种3粒,同时浇水2kg以保证出苗。为了防止表土板结,次日覆土,玉米生长至三叶期时定苗,每穴1株。供试品种为沈单106,2005年9月20日收获。地表土壤温度采用红外测温仪和地面温度计测定,土壤剖面温度用曲管地温计测定。2土壤温度日变化的特征为了研究土壤温度日变化规律,在前期测定资料分析的基础上,查阅了相关文献,将土壤剖面温度划分为0、5、10、15、20和25cm共6个层次进行分析。初步分析表明,对于不同处理,根据其受大气温度影响的敏感程度,可以将其归结为0～5cm的表土温度易变层、10～20cm的土壤温度过渡层和20～25cm的土壤温度基本稳定层。在不同时期测定的土壤温度日变化基本呈现出相同的规律性,这里以2005年6月23日06:00开始连续24h测定的土壤温度为例,将其按照初步划分的温度层分别进行分析。同时,分析剖面地温的最大日变幅,进一步确定不同处理一日内土壤温度变化的最大影响深度。2.1不同覆盖物对土壤温度的影响土壤温度易变层主要分布近地面0～5cm,有研究表明,表土温度的日变化可拟合为时间的正弦函数。地表(或者近地面5cm)处温度,假设在z=0(或者z=5cm)处温度变化幅度是Ta,则正弦函数表示为:T=Ta+A0sin(ωt)Τ=Τa+A0sin(ωt)式中:T为表土0cm(或者5cm处)温度(℃);Ta为土壤日平均温度(℃);t为时间;ω等于2π/τ,这里τ为周期,为24h。表层及5cm处温度在6月23日随时间的关系进行拟合,见表1。一日内不同处理的表层和5cm处地温均可拟合为时间的正弦函数,相关系数均在0.60以上,有的高达0.890,不同处理拟合的相关系数大小分别为:CK>PAM处理>地膜覆盖>秸秆覆盖,这是因为不同处理的覆盖物种类不同,其温度效应各异。各处理土表地温具有明显的日变化规律,即一日内表层土壤温度在06:00～14:00处于升温阶段,其余时间处于降温阶段。正午以后,虽然太阳辐射的能量减少,但由于地表土壤吸收的热量大于散失的热量时土壤仍会升温,反之则降温。温度的日变化特征基本可用06:00、14:00以及20:00三个时刻来简要表征。其中06:00地温可代表一日内表土最低温度,14:00地温可代表一日内表土最高温度,20:00地温是表土温度开始降低后6h的温度,基本能够代表土壤降温阶段的中间值。地膜覆盖可以明显提高地表土壤温度,在连续测定时间里,地膜覆盖处理温度均高于对照,日温差和对照差别不大,二者日温差均在16.90～20.31℃。地膜覆盖处理地表和5cm处地温较对照提高1.13～10.24℃和3.00～9.54℃,全天平均提高4.05℃和4.49℃。秸秆覆盖可以显著调节地温,表现为土壤温度在夜间略高于对照,在白天低于对照。白天秸秆覆盖具有降低地温的作用,覆盖处理的最高温度低于对照,夜间秸秆覆盖温度稍高于对照。PAM处理由于在地表形成一个干层,因此白天地表和5cm处的地温较对照稍有提高,夜间稍低于对照,但幅度不大,仅为0.34～0.82℃。2.2地膜覆盖和秸秆覆盖对土壤温度的影响一日内不同处理的过渡层地温亦可近似拟合为时间的正弦函数,但其拟合系数比较低,均在0.6以下。各处理过渡层地温一日内在08:00～15:00处于升温阶段,其余时间处于降温阶段。其日变化的温度特征可用08:00、16:00以及21:00三个时刻来简要表征。地膜覆盖和秸秆覆盖对10cm和15cm土层的温度仍然具有较大的影响,PAM处理和对照差异较小。在连续测定时间里,地膜覆盖处理温度均高于对照,日温差为13.8℃和7.71℃,对照为9.62℃和6.94℃。地膜覆盖处理10cm和15cm处地温较对照提高1.51～6.72℃和1.84～5.40℃,全天平均提高3.89℃和3.62℃;秸秆覆盖处理在白天高温时可有效降低地温,18:00到次日08:00体现出较好的保温作用。秸秆覆盖日温差较小,监测时段里日温差为3.12～5.74℃。10cm和15cm处地温较对照提高-3.95～0.56℃和-3.46～0.1℃,平均温度较对照降低1.27℃和1.06℃。2.3对土壤温度的影响由于随着深度的增加土壤温度受气温的影响逐渐减小,土壤20cm和25cm处的温度受大气温度的直接影响甚微,因此其按照表层地温正弦函数关系式进行拟合时相关系数很低,各处理基本稳定层地温具有一定的日变化规律,即一日内表层土壤温度在10:00～18:00处于升温阶段,其余时间处于降温阶段。日变化的温度特征可用10:00、18:00以及00:00三个时刻来简要表征。地膜覆盖和秸秆覆盖对20cm和25cm土层的温度仍然具有较大的影响,PAM处理和对照地温略有差异。在连续测定时间里,地膜覆盖处理温度均高于对照,二者日温差差异不大,均在4℃和2℃左右,地膜覆盖处理20cm和25cm处地温较对照提高2.61～4.16℃和2.3～4.05℃,全天平均提高3.57℃和3.05℃;秸秆覆盖由于其遮阴效果和土壤水分含量较高,因此,20cm和25cm处土壤温度亦低于对照,处理在白天高温时可有效降低地温,18:00到次日08:00体现出较好的保温作用。秸秆覆盖日温差较小,监测时段里日温差为1.68～1.25℃。20cm和15cm处地温均低于对照,平均温度较对照降低1.15℃和0.86℃。PAM处理在20cm和25cm处和对照略有差异,在高温时温度较对照有所降低,降幅在0.5℃左右。2.4温度和土壤温度剖面地温随时间的最大日变幅为一日内不同时刻0～25cm地温的最大值与最小值之差,地温随剖面最大日变幅为每一层全天最高地温与最低地温之差值。分析地温的最大日变幅可得出不同处理一日内土壤中温度变化的剧烈程度以及最大影响深度。地温最大日变幅ΔTmax随深度的变化趋势见图1。一日内以08:00为分界,地温的升高随时间的延长而趋于明显,变幅在14:00升至峰值之后开始降低,在该时段内,地膜覆盖地温变幅略高于对照,秸秆覆盖略低于对照,PAM处理与对照差异较小;12:00～16:00各处理的温度随时间的变幅顺序发生了变化,其变幅大小顺序为:PAM处理>CK>地膜覆盖>秸秆覆盖,该时段四者的地温变幅分别为:17.96～18.92℃、17.16～18.35℃、15.66～17.45℃和9.89～12.13℃,说明在高温阶段,非覆盖处理的地温剖面温度随时间的变幅最大;16:00以后各处理土壤温度随时间的变幅大小依次为:地膜覆盖>CK>PAM处理>秸秆覆盖;但是随着时间的推移,各处理之间的地温变幅随时间的变化越来越小。整个监测时段,地膜覆盖处理地温平均变幅最大,为9.52℃,秸秆覆盖最小,为6.44℃,其次为PAM处理和对照,分别为8.19℃和7.74℃。不同处理土壤0～60cm的含水量大小顺序依次为:地膜覆盖>秸秆覆盖>PAM处理>CK,各保墒处理0～60cm土壤含水量平均较对照增加15.17%、11.17%和0.70%。结合土壤温度的变化规律发现,在相同天气条件下,不能笼统的认为土壤水分含量越高,土壤温度越低,如地膜覆盖处理土壤水分含量较高,但是其温度却高于其它处理。因此可以认为,在相同的土壤质地条件下,土壤温度大小变化是不同覆盖层和土壤水分共同作用的结果。当然对于同一种保墒措施而言,土壤温度随着土壤水分含量的增加而递减是毋庸置疑的,这和有关研究结论基本一致。3结论1覆盖、覆盖物覆盖确定一日内不同处理的0～15cm处地温均可拟合为时间的正弦函数,不同处理拟合的相关系数大小分别为:CK>PAM处理>地膜覆盖>秸秆覆盖。0～5cm土壤温度日变化的温度特征基本可用06:00、14:00以及20:00三个时刻来简要表征,10～15cm日变化的温度特征可用08:00、16:00以及