張繼紅，康恩祥，何寶林

（1.甘肅省莊浪縣種子管理站，甘肅莊浪 744600；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州 730070；3.農(nóng)業(yè)部西北作物抗旱栽培與耕作重點開放實驗室，甘肅蘭州 730070）

砂礫粒徑對砂田西瓜根際溫度的效應(yīng)

張繼紅1，康恩祥2，3，何寶林2，3

（1.甘肅省莊浪縣種子管理站，甘肅莊浪 744600；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州 730070；3.農(nóng)業(yè)部西北作物抗旱栽培與耕作重點開放實驗室，甘肅蘭州 730070）

以不覆砂露地（CK）為對照，通過鋪設(shè)砂石粒徑為1～3 mm的毛砂、10～20 mm豆砂、80～120 mm扁平橢圓卵石和1～100 mm當?shù)厣疤锲胀ɑ焐埃芯坎煌缴暗[覆蓋對砂田西瓜根際溫度的效應(yīng)，監(jiān)測砂田0～25 cm不同深度土壤溫度變化。結(jié)果表明，砂田早春0～25 cm土壤日均溫度比對照高0.3～3.0℃，日最高溫度隨土層深度的增加而逐漸降低，各層土壤最高溫度出現(xiàn)時間比對照滯后0.5～2.5 h。毛砂、豆砂、卵石和混砂覆蓋下砂層5 cm處根際平均溫度分別比對照增加了20.03%、20.66%、0.47%、8.48%，除卵石外，早春其余粒徑砂礫覆蓋的砂田砂下5 cm處根際溫度顯著高于對照；砂層下5 cm處土壤溫度受外界環(huán)境的影響最大，其變化規(guī)律可用一元三次函數(shù)y=ax3+bx2+cx+d擬合，各處理擬合相關(guān)性系數(shù)均在0.87以上，其它土層曲線變化規(guī)律不明顯。不同粒徑的砂礫覆蓋0～25 cm土壤溫度增加效應(yīng)從高到低順序為豆砂、毛砂、混砂、卵石，其增加幅度隨土壤深度的增加而減緩，豆砂和毛砂增溫較慢，但增加幅度較大，卵石增溫散溫都快但增加量小。覆砂后0～25 cm根際最高溫度毛砂、豆砂、卵石和混砂分別比對照增加了2.52、2.00、0.64、1.04℃，但不同深度土壤溫度變化規(guī)律無明顯差異。

西瓜；砂覆蓋；砂石；粒徑；根際溫度

地表覆蓋是當前世界旱農(nóng)地區(qū)廣泛推廣的一項耕作技術(shù)。砂田是我國西北干旱半干旱地區(qū)獨特的、傳統(tǒng)的抗旱耕作形式，也屬土壤覆蓋和免耕制度范疇。土壤溫度是土壤熱量狀況的重要指標，根際溫度直接影響植物生長，也可通過對光合作用、水分代謝、礦質(zhì)營養(yǎng)和植物激素等的影響而間接影響生長發(fā)育［1］。早春砂田溫度過低則不利于播種，持續(xù)低溫會降低出苗率，無法形成壯苗，影響后期的營養(yǎng)生長和生殖生長，最終影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。甘肅省莊浪縣現(xiàn)有梯田6萬hm2，梯田化占耕地面積的96%，是第一個“中國梯田化模范縣”，現(xiàn)有梯田砂田面積0.67萬hm2，發(fā)展勢頭迅猛。國內(nèi)外學(xué)者對砂田的增溫效應(yīng)、水分變化等進行了大量研究［2～7］。不同粒徑砂礫覆蓋不但影響砂田鋪設(shè)的成本，而且影響砂田的特殊功效［5，8～9］。前人對砂田水溫效應(yīng)的研究主要集中在砂田與其他覆蓋方式的比較［3，6，10］，或不同粒徑砂礫覆蓋后水分、根系和微生物區(qū)系等的變化［5，8～9，11～14］。砂田土壤春季解凍后溫度變化劇烈，對作物的影響也比較明顯，但針對黃土高原梯田早春不同深度砂田溫度變化特征的研究尚未見報道。我們在莊浪縣通過研究不同粒徑的砂礫覆蓋后早春梯田砂田溫度變化的規(guī)律，以期為甘肅砂田的標準化管理和早春適時種植提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

指示西瓜品種為西農(nóng)8號，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

1.2 試驗地概況

試驗設(shè)在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊浪試驗站萬泉鎮(zhèn)15 a的梯田試驗地，平均海拔1 507 m，年平均氣溫8.4 ℃，無霜期150 d，年降水量486 mm。試驗田耕層土壤含有機質(zhì)8.0～11.0 g/kg、全氮0.6～0.9 g/kg、全鉀16.3～25.0 g/kg、速效磷8.0～12.0 mg/kg、速效鉀130～150 mg/kg，0～100 cm土壤容重1.35～1.39 g/cm3。

1.3 試驗方法

試驗于2010年2月至2011年8月進行，以西瓜田覆蓋砂礫粒徑大小作為設(shè)計因子，砂石由莊浪縣萬泉鎮(zhèn)砂石廠根據(jù)設(shè)計要求過相應(yīng)的篩網(wǎng)后提供，游標卡尺測定過篩砂礫的直徑。試驗共設(shè)4個砂石粒徑處理，分別是處理A粒徑1～3 mm毛砂，處理B粒徑10～20 mm豆砂，處理C粒徑80～120 mm扁平橢圓卵石，處理D粒徑1～100 mm當?shù)厣疤锲胀ɑ焐埃圆桓采奥愕兀–K）為對照。區(qū)組內(nèi)各處理隨機排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積120 m2（6 m×20 m）。鋪設(shè)厚度8 cm，西瓜種植密度6 000株/hm2，覆砂前基施農(nóng)家肥90～150 t kg/hm2、餅肥2 500 kg/hm2、過磷酸鈣600～750 kg/hm2、硫酸鉀250～350 kg/hm2，或施腐熟雞糞30～45 t/hm2、油渣2 300 kg/hm2、磷酸二銨3 000 kg/hm2。播前扒開砂礫層，打穴，干籽播種后復(fù)原，用寬1.0～1.2 m的聚乙烯地膜搭小拱棚以確保出苗整齊。采用雙蔓整枝，在17～30節(jié)留第2或第3雌花坐果。其它管理同當?shù)厣唐饭仙a(chǎn)。

1.4 測定指標及方法

氣溫用普通氣溫計距離地表20 cm測定。土壤溫度采用曲管地溫計（河北省武強縣熱工儀表廠）測定，按照土層深度在5、10、15、20、25 cm處安置地溫計，3月1日至5月20日8：00～21：00時，每隔30 min人工觀測記錄土壤溫度數(shù)據(jù)（4月11日至5月11日24小時測定）。為消除隨機天氣過程（如陰天、云等）的影響，對相同處理同時刻土壤溫度數(shù)據(jù)進行求平均值處理。

數(shù)據(jù)用Excel 2003和Spss13.0做圖表和顯著性方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 早春砂田土壤溫度日變化趨勢

由圖1～5可見，不同粒徑的砂礫覆蓋后早春地溫日變化過程具有相似的趨勢，8：00時溫度最低，隨后逐漸升高，晚上降低；最高溫度隨土壤深度的增加逐漸降低，且達到最高溫的時間也隨之滯后0.5～2.5 h。從土壤溫度觀測數(shù)據(jù)（表1）可知，砂下5 cm處，毛砂、豆砂、卵石、混砂處理的平均溫度為15.90、15.99、13.31、14.37 ℃，分別比對照增加了20.03%、20.66%、0.47%和8.48%，除卵石外，其余粒徑砂礫覆蓋的早春砂田砂下5 cm處根際溫度顯著高于對照。分析各土層地溫變化幅度后發(fā)現(xiàn)，砂下5 cm處土壤溫度變化幅度最大，說明表層土壤溫度受外界氣溫變化影響較大，其波動幅度隨土層深度的增加而逐漸降低，至土壤深度25 cm時，晝夜（24小時）中溫度變化已不明顯。

表1 溫度與三元函數(shù)擬合結(jié)果

圖1 不同粒徑砂礫石覆蓋砂田土壤5 cm處溫度

圖2 不同粒徑砂礫石覆蓋砂田土壤10 cm處溫度

2.2 不同粒徑的砂礫覆蓋后根際溫度變化規(guī)律

圖3 不同粒徑砂礫石覆蓋砂田土壤15 cm處溫度

圖4 不同粒徑砂礫石覆蓋砂田土壤20 cm處溫度

圖5 不同粒徑砂礫石覆蓋砂田土壤25 cm處溫度

由圖1～5可知，雖然是采用不同粒徑的砂礫覆蓋土壤，但不同深度土壤溫度變化規(guī)律幾乎一致，增溫效果從高到低依次為豆砂、毛砂、混砂、卵石、露地，其增加幅度隨土壤深度的增加而減緩。覆砂地溫均高于對照，可能原因首先是覆砂使地面凹凸不平，顏色較深，對太陽輻射能的吸收較強，反射較弱；其次，砂礫本身的熱容量比土粒?。?2］［（0.226＜0.575）ka/cm3·℃］，接受到太陽輻射能后能較快的升溫，并將熱量盡快傳遞到與之接觸的土壤中，同時砂礫的導(dǎo)熱率小于土粒［（0.004 4＜0.025 0）ka/cm3·s·℃］［12］，是熱的不良導(dǎo)體，升溫和降溫均緩慢于大田，經(jīng)過長期熱量的積累，使得砂礫下根際溫度大于露地；最后，由于砂礫覆蓋，切斷了毛細管運輸路徑，減少了水分的蒸發(fā)，水分蒸發(fā)帶走的熱量也相應(yīng)的減少，地溫相對較高。

2.3 砂田表層根際溫度的變化規(guī)律

西瓜苗期根系較淺，大都分布在5 cm土層范圍內(nèi)，表層5 cm土壤溫度的變化對西瓜的生長具有重要意義。表層5 cm溫度受外界環(huán)境的影響最大，隨外界氣溫的升高而升高，也隨外界氣溫的降低而降低。為了量化描述地溫的變化趨勢，采用一元三次曲線對實測值進行擬合。晝夜地溫變化趨勢描述見公式（1）［11］，利用該公式對5 cm土層地溫的變化過程進行擬合，其擬合結(jié)果見圖6和表1。

式中，T為5 cm土層地溫（℃）；Tx為不同時刻溫度（℃）；a，b，c，d為擬合系數(shù)。

由圖6可見，一元三次曲線函數(shù)y=ax3+ bx2+cx+d擬合砂田地溫變化過程效果較好。由表1中的相關(guān)性系數(shù)可見，不同粒徑的砂礫覆蓋后砂田溫度擬合相關(guān)性系數(shù)均在0.87以上，相關(guān)性很好，同時期氣溫的擬合性更好（R2=0.952 1）。說明利用一元三次曲線函數(shù)描述砂田表層5 cm 深度的地溫變化趨勢是適合的。表1中T0反映的是晝夜（24小時）當中地溫的平均值，從平均地溫來看，大粒徑（80～120 mm）的卵石覆蓋后保溫效果不如較小粒徑（1～20 mm）的砂礫。覆砂地溫高于對照，表層5 cm處毛砂、豆砂、卵石和混砂比對照增加了2.65、2.74、0.06、1.12 ℃，除卵石外，其余處理與對照達顯著差異，說明覆砂可以明顯提高土壤溫度。

圖6 5 cm表土層地溫擬合結(jié)果

2.4 不同深度土壤溫度變化

土壤表面覆砂以后阻隔了土壤蒸發(fā)，改變了土壤與大氣之間的熱交換形式，使土壤溫度在砂下與裸露地表的變化明顯不同。由表2可見，不同深度的砂田地溫明顯高出露地0.3～3.0 ℃。地表5 cm和10 cm處，毛砂、豆砂、卵石和混砂根際最高溫分別比露地增加了2.5、3.0、0.5、1.8 ℃和2.5、2.2、0.5、1.5 ℃，且最高溫度出現(xiàn)時間依次滯后于露地2.0、0.5、0.5、1.0 h和2.0、1.0、1.0、2.5 h。地溫變化幅度隨土層深度的增加趨于平緩，且各處理間的差值也逐漸減小。由圖1～5、表2可知，溫度增加幅度的變化先是隨時間的延長逐漸升高，隨后逐漸降低，達最大后不再增加，這種變化趨勢在表層5 cm最為明顯，且隨土層深度的加深變化越來越小。就不同粒徑的砂礫覆蓋后根際溫度變化而言，豆砂和毛砂增溫較慢，但增加幅度大，最高溫分別比對照增加2.00、2.52℃；卵石增溫快，但增加量較小，最高溫比對照增加0.64 ℃，同時散熱也快。0～25 cm根際最高溫毛砂、豆砂、卵石和混砂分別比露地增加了2.52、2.00、0.64、1.04 ℃，可能是卵石密度大，導(dǎo)熱率也大，熱量傳導(dǎo)較快的緣故。

表2 不同深度土壤溫度變化

3 小結(jié)與討論

1）根際溫度是作物生長的重要生態(tài)因子，對作物根系水分、營養(yǎng)的吸收及產(chǎn)量的形成具有重要影響。試驗結(jié)果表明，砂田早春0～25 cm土壤日均溫度比露地高0.3～3.0 ℃，日最高溫度隨土層深度的增加而逐漸降低，各層土壤最高溫度出現(xiàn)時間比裸地滯后0.5～2.5 h。砂層下5 cm處土壤溫度受外界環(huán)境的影響最大，隨外界氣溫的升降而相應(yīng)變化，其變化規(guī)律可用一元三次函數(shù)y=ax3+ bx2+cx+d擬合，各處理擬合相關(guān)性系數(shù)均在0.87以上，其它土層曲線變化規(guī)律不明顯。在早春西瓜苗期，砂層下5 cm處，毛砂、豆砂、卵石和混砂根際平均溫度為15.90、15.99、13.31、14.37 ℃，分別比對照增加了20.03%、20.66%、0.47%、8.48%，除卵石外，早春其余粒徑砂礫覆蓋的砂田砂下5 cm處根際溫度顯著高于裸地。不同粒徑的砂礫覆蓋0～25 cm土壤溫度的增加效應(yīng)從高到低依次為豆砂、毛砂、混砂、卵石、裸地，其增加幅度隨土壤深度的增加而減緩，豆砂和毛砂增溫較慢，但增加幅度較大，卵石增溫散溫都快但增加量小。0～25 cm根際最高溫毛砂、豆砂、卵石和混砂分別比裸地增加了2.52、2.00、0.64、1.04 ℃，但不同深度土壤溫度變化規(guī)律無明顯差異。這在早春和晚秋熱量不足時具有重要的補償效應(yīng)，但也可能加劇地表水分的無效蒸發(fā)。砂田以較小粒徑（1～20 mm）砂礫覆蓋后根際增溫保溫及綜合效應(yīng)較好。

2）覆砂對根際溫度的效應(yīng)，本試驗與前人的研究具有基本相同的結(jié)果。砂田和露地相比，具有良好的增溫效應(yīng)，其原因是砂田由砂礫層覆蓋，砂礫本身粗糙，加之地面凹凸不平，對太陽輻射的折射率減小，因而較多地吸收了熱量。砂礫層熱容量小，導(dǎo)熱率低，白天受到太陽照射后，增溫快，將熱量傳遞到土壤中；晚上砂田土壤比較濕潤，熱容量大，導(dǎo)熱率高，放熱緩慢［2～3，6，14］。同時，砂田蒸發(fā)量相對低于土田，因水分蒸發(fā)而消耗的熱量也較少，所以砂田較土田熱量資源豐富。許強等研究后發(fā)現(xiàn)，砂田保溫作用在早晨和夜晚效果明顯，中午增溫效果不明顯，甚至低于裸田（如5、10 cm地溫）［4］。這一結(jié)果與本研究不一致，可能與許強等采用100～150 mm的大到鵝卵石、小到粗沙的混合砂石作為材料，鋪設(shè)厚度不同，測定時期為高溫天氣，未進行持續(xù)觀測，忽視了中午砂田增溫的滯后性有關(guān)。

3）下墊面與大氣間的顯熱交換過程首先是以分子擴散的形式通過貼地靜止層后再以亂流的方式向外界傳遞，砂礫層的阻隔作用降低了空氣氣流對土壤空氣層的水平切應(yīng)，使覆蓋層下受熱空氣與大氣空氣的亂流交換受阻，因此砂礫覆蓋后土壤表面的顯熱交換會隨砂層粒徑的變小和鋪設(shè)厚度的增加而受到抑制。就不同粒徑的砂礫覆蓋后根際溫度變化而言，豆砂和毛砂增溫較慢，但增加幅度大，卵石增溫快，但增加量較小，同時散熱也快?？赡艿脑蚴锹咽芏却?，導(dǎo)熱率也大，熱量通過整片卵石快速和地面進行交換，所以增溫散熱都快；同時卵石間縫隙較大，表層土壤水分通過較大的縫隙蒸發(fā)，帶走了部分熱量，可能導(dǎo)致溫度的降低。毛砂和豆砂由于砂礫粒徑較小，地表的覆蓋嚴實，介質(zhì)相對緊實均勻，熱量傳遞所用時間長，阻力大，所以增溫降溫速度都慢。同時，砂顆粒縫隙肉眼幾乎無法觀察到，在很大程度上切斷了土壤水分通過毛細管蒸散的途徑，所以通過蒸散帶走的熱量微乎其微。不同粒徑的砂礫覆蓋后砂田溫度和水分的相互變化作用，以及夏季高溫季節(jié)砂田對作物的抑制效應(yīng)有待進一步研究。

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（本文責編：楊杰）

Temperature Effects of Rhizosphere in the Gravel-sand Mulching Soil with Different Grain Size on Watermelon Field

ZHANG Ji-hong1，KANG En-xiang2，3，HE Bao-lin2，3
（1. Zhuanglang Seed Management Station，Zhuanglang Gansu 744600，China；2. Institute of Dryland Agricultural，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou Gansu 730070，China；3. Key Laboratory of Northwest Drought Crop Cultivation and Farming of China，Lanzhou Gansu 730070，China）

We conducted trial to study the temperature effects of rhizosphere in the gravel-sand mulching soil with different grain size on watermelon field.The trial involved four levels of gravel and sand diameter：1～3 mm（A），10～20 mm（B），80～120 mm（C），1～100 mm（D）and no gravel and sand mulching（CK）.All of treatments were randomized with three replications.The results shows that there was a change of reduce firstly then increase and reduce lastly in the temperature effects of rhizosphere in the gravel-sand mulching soil with different grain size on watermelon field.All the treatments increased the temperature of rhizosphere 0.3 to 3℃compered with no gravel and sand mulching（CK）.The maximal temperatue of rhizosphere was higher 20.03%、20.66%、0.47%and 8.48%than control，and it reduced with increase of soil deepth，what is more，the time of occurrenc of it was late about 0.5 to 2.5 hours.The trents of temperature development of surface layer under 5 cm was same to the atmosphere，and developed regularity with three function（y=ax3+bx2+cx+d，R2＞0.87）.The average temperature of suface layer 5 cm of the treatment A，B，C，D was 15.90、15.99、13.31 and 14.37℃.The order of increased temperature in the gravel-sand mulching soil with different grain size on watermelon field was：B＞A＞D＞C.The rate of increase to temperature become slowly with the deepth of soil. Temperature of treatment A and B increased slowly but greadly，treatment C was quickly and less.There were no dfifference in dfifferent deepth of soil.

Watermelon；Gravel-sand mulching；Stand stone；Grain size；Temperature of rhizosphere

S651

A

1001-1463（2014）10-0041-05

10.3969/j.issn.1001-1463.2014.10.015

2014-09-10

甘肅省科技支撐項目“黃土丘陵溝壑區(qū)（莊浪）梯田沙覆蓋節(jié)水高效種植技術(shù)研究與示范”（1304ZKCA151）、蘭州市科技局項目“蘭州砂田退化和衰老機理與恢復(fù)改良對策研究”（2011-1-151）部分內(nèi)容

張繼紅（1974—），男，甘肅莊浪人，農(nóng)藝師，主要從事種子管理與作物栽培工作。聯(lián)系電話：（0）18693321758。E-mail:657155338@qq.com

康恩祥（1974—），男，甘肅隴西人，副研究員，博士，研究方向為作物生理生態(tài)。E-mail:xiaokang7722@163.com