龐明亮　李波　姚名澤

摘要：為了研究秸稈深埋條件下東北地區(qū)日光溫室內(nèi)土壤溫度的變化規(guī)律，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了秸稈深埋處理和無(wú)秸稈深埋處理，分析在灌水條件下和非灌水條件下，隨日光溫室溫度變化過程土壤剖面溫度分布的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在無(wú)灌水條件下，與無(wú)秸稈處理相比，秸稈深埋處理在0～50 cm范圍內(nèi)土壤平均溫度提高了043 ℃；與無(wú)秸稈處理相比，秸稈深埋處理各層土壤溫度變化更加平穩(wěn)，當(dāng)溫室內(nèi)溫度升高時(shí)，秸稈深埋處理積蓄土壤溫度，當(dāng)溫室溫度下降時(shí)，秸稈深埋處理減緩?fù)寥罍囟认陆?。在灌溉條件下，與無(wú)秸稈處理相比，秸稈深埋處理在0～50 cm范圍內(nèi)土壤平均溫度提高了1 ℃；秸稈深埋處理加劇了秸稈層上部土壤溫度的變化，與無(wú)秸稈處理相比，在灌水過程前期的0～10 h內(nèi)，秸稈深埋處理土壤0～10 cm范圍溫度升高的最大值為5 ℃，平均值為2 ℃。

關(guān)鍵詞：日光溫室；玉米秸稈深埋；滴灌；土壤溫度

中圖分類號(hào)： S1528文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2017）16-0231-07

[HJ14mm]

收稿日期：2017-01-26

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（編號(hào)：201303125）；遼寧省自然科學(xué)基金（編號(hào)：2015020770）。

作者簡(jiǎn)介：龐明亮（1990—），男，山西大同人，碩士，助理工程師，主要從事日光溫室生態(tài)環(huán)境及節(jié)水灌溉理論和技術(shù)研究。E-mail：792516752@qqcom。

通信作者：李波，博士，教授，主要從事日光溫室生態(tài)環(huán)境及節(jié)水灌溉理論和技術(shù)研究。E-mail：250077704@qqcom。[HJ]

土壤溫度是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境變量，土壤溫度影響根系的生長(zhǎng)，影響生物過程如氮循環(huán)和農(nóng)藥轉(zhuǎn)化[3]，影響土壤微生物呼吸作用[4]和有機(jī)物的利用效率[5]。對(duì)于北方的日光溫室，土壤溫度對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育影響顯著。在改善土壤溫度的多種渠道中，秸稈深埋作為一種綠色環(huán)保的手段，有著廣闊應(yīng)用前景。秸稈還田在改變地溫、改善土壤、提高二氧化碳濃度等方面都有不同程度的影響。同時(shí)，隨著時(shí)間的增加，土壤中微生物與秸稈相互作用形成的秸稈反應(yīng)堆對(duì)周圍的微環(huán)境有持續(xù)影響，這種生化反應(yīng)的一個(gè)綜合表征是溫度變化。由于研究方法、地域特點(diǎn)、作物原料、還田方式、有無(wú)微生物菌種的不同，秸稈對(duì)溫度的具體效應(yīng)各不相同，但較為普遍認(rèn)為在添加菌種的情況下能提高土壤溫度[7-12]。對(duì)于土壤溫度變化的相關(guān)研究比較廣泛，Dahiya等對(duì)秸稈覆蓋狀態(tài)下土壤水熱傳輸過程進(jìn)行了研究，Wang等對(duì)季節(jié)性凍土的水分狀況和熱狀況進(jìn)行了試驗(yàn)研究[14]，Timlin在氣溫、輻射、降雨等條件下對(duì)土壤溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究[15]。然而，針對(duì)秸稈深埋改變土壤溫度的研究仍然較少，現(xiàn)有研究大都停留在一維線性的角度上，缺少對(duì)秸稈周圍溫度場(chǎng)的微觀分布及變化規(guī)律的研究，也缺少在灌溉過程中對(duì)秸稈深埋影響溫度場(chǎng)分布的研究。本研究通過連續(xù)、多部位觀測(cè)秸稈深埋后土壤溫度的變化，利用柯瑞金插值法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從二維角度探究秸稈深埋對(duì)土壤溫度的作用規(guī)律。

1材料與方法

11試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地43號(hào)日光溫室，位于4182°N、12357°E。日光溫室為單面采光拋物面式結(jié)構(gòu)。棚膜采用PVC防老化塑料無(wú)滴膜，以防雨棉被作為保溫措施。供試土壤為黏壤土，土壤沙粒、粉粒、黏粒比例分別369%、409%、222%。土壤有機(jī)質(zhì)含量為1273 g/kg，全氮含量為047 g/kg，全磷含量為108 g/kg，全鉀含量為2078 g/kg，速效氮含量為2020 mg/kg，速效磷含量為 294 mg/kg，速效鉀含量為7855 mg/kg。供試秸稈為沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米基地2014、2015年收割風(fēng)干后的玉米秸稈，玉米品種為美津599。供試秸稈有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量分別為4290%、086%、038%和135%。將整株秸稈首尾平鋪于開挖好的溝內(nèi)，鋪設(shè)厚度10 cm，將開挖好的土壤回填至溝中；秸稈容重為011 g/cm3。測(cè)試期間室內(nèi)最高溫度為 358 ℃，最低溫度為164 ℃。

12試驗(yàn)設(shè)計(jì)

121試驗(yàn)布置

試驗(yàn)溫室內(nèi)土壤布置形式為大壟。壟內(nèi)挖長(zhǎng)度為1 900 mm的土溝，土溝內(nèi)鋪入秸稈并壓實(shí)，秸稈均勻成束鋪設(shè)，不做特殊處理，鋪設(shè)時(shí)保證秸稈厚度約為 100 mm，最后用原土壓實(shí)，具體截面尺寸見圖1。覆土后將地溫計(jì)插入試驗(yàn)田，地溫計(jì)的底部端點(diǎn)深度分別為100、200、300、350、400、500 mm。試驗(yàn)秸稈埋置于2014年10月份完成，在溫室內(nèi)靜置至2015年5月份進(jìn)行溫度測(cè)量模擬，埋置周期為半年，模擬自然秸稈回填過程，期間無(wú)雨水及其他水源入滲。

本試驗(yàn)假設(shè)沿垂直于秸稈埋設(shè)方向的截面上，秸稈的溫度效應(yīng)等效；假設(shè)壟中對(duì)稱位置的溫度相等。秸稈深埋A、B、C這3個(gè)處理溫度計(jì)的插入深度分別為100（#1-#5）、200（#6-#10）、300（#11-#15）、350（#16-#20）、400（#21-#25）、500 mm（#26-#30），每個(gè)處理共計(jì)30支地溫計(jì)，溫度探頭垂直分布位置剖面見圖1，地溫計(jì)水平位置布置見圖2。

122試驗(yàn)對(duì)照設(shè)置

試驗(yàn)同時(shí)設(shè)置D、E、F 3個(gè)無(wú)秸稈深埋處理，無(wú)秸稈深埋處理壟臺(tái)的設(shè)置及地溫計(jì)的布置與秸稈處理相同。

試驗(yàn)同時(shí)研究了灌水條件和無(wú)灌水條件下，秸稈深埋處理和無(wú)秸稈深埋處理土壤溫度的變化規(guī)律，灌水方式為滴灌。

14試驗(yàn)方法

141試驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇及監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)在5月3日開始，8月2日結(jié)束，每日早中晚對(duì)土壤溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，期間進(jìn)行3次灌溉，模擬溫室內(nèi)灌溉過程，灌溉時(shí)間為早上08：00，灌溉首日同時(shí)進(jìn)行土壤含水率的監(jiān)測(cè)，含水率每05 h監(jiān)測(cè)1次，溫度每2 h監(jiān)測(cè)1次，含水率在28 h后基本穩(wěn)定，以28 h確定為監(jiān)測(cè)周期。試驗(yàn)過程對(duì)室內(nèi)氣溫及濕度每1 h進(jìn)行1次監(jiān)測(cè)。

142試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

將秸稈深埋處理和無(wú)秸稈深埋處理各部位的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，所有數(shù)據(jù)均采用Surfer 13軟件進(jìn)行二維差值化處理，繪制溫度等值線圖進(jìn)行研究。

2結(jié)果與分析

由于試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)眾多，部分?jǐn)?shù)據(jù)受天氣影響不具有典型性，針對(duì)無(wú)灌水日，選擇5、6月中不同時(shí)間段具有代表性的一天早中晚的溫度等值線圖進(jìn)行分析說(shuō)明。

對(duì)于灌水日，選擇有代表性的1次灌水過程連續(xù)28 h的溫度等值線圖進(jìn)行分析說(shuō)明。

21秸稈深埋無(wú)灌水條件下不同時(shí)期土壤溫度分布規(guī)律

分別選取5月5日、6月3日、6月19日3個(gè)時(shí)期，通過地溫計(jì)對(duì)土壤溫度進(jìn)行測(cè)定，獲取秸稈深埋處理和無(wú)秸稈深埋處理不同位置土壤溫度數(shù)據(jù)，利用克瑞金插值法將數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，由Surfer 13生成土壤和秸稈的溫度等值線圖。在無(wú)灌水條件下，秸稈深埋處理一天中不同時(shí)刻的土壤溫度分別如圖3-a、3-c、3-e、4-a、4-c、4-e、5-a、5-c、5-e所示，無(wú)秸稈深埋處理一天中不同時(shí)刻的土壤溫度分別如圖3-b、3-d、3-f、4-b、4-d、4-f、5-b、5-d、5-f所示，溫度單位為 ℃。

[FK（W25][TPPML3tif][FK）]

由圖3可見，在無(wú)灌水條件下，與無(wú)秸稈處理相比，秸稈深埋處理土壤溫度無(wú)明顯差異，可能的原因是溫室內(nèi)土壤未進(jìn)行灌水，土壤整體含水率較低，秸稈內(nèi)部微生物活性較低，相關(guān)生化反應(yīng)尚未開始。但整體來(lái)講，與無(wú)秸稈處理相比，秸稈深埋處理土壤各層溫度分布較為均勻，無(wú)溫度集中點(diǎn)。

由圖4可見，無(wú)灌水條件下，與無(wú)秸稈處理相比，從不同時(shí)刻的土壤溫度分布來(lái)看，08：00溫室空氣溫度較低時(shí)，秸稈深埋處理整體土壤溫度分布自上而下呈遞增趨勢(shì)，秸稈層溫度明顯較高；中午12：00溫室空氣溫度升高時(shí)，深埋秸稈處理整體土壤溫度分布自上而下呈遞減趨勢(shì)，相同深度秸稈深埋處理土壤溫度較高；傍晚18：00時(shí)溫室空氣溫度降低時(shí)，秸稈深埋處理土壤溫度分布自上而下呈遞減趨勢(shì)，相同深度秸稈深埋處理土壤溫度較高。從土壤各層的溫度分布來(lái)看，秸稈深埋處理土壤溫度分布各層更加均勻，無(wú)溫度集中點(diǎn)。

由圖5可見，無(wú)灌水條件下，與無(wú)秸稈處理相比，從不同時(shí)刻的土壤溫度分布來(lái)看，早上08：00溫室空氣溫度較低時(shí)，秸稈深埋處理整體土壤溫度分布自上而下先增高后降低，秸稈處理土壤溫度總體較高；中午12：00溫室空氣溫度升高時(shí)，深埋秸稈處理整體土壤溫度分布自上而下呈遞減趨勢(shì)，相同深度秸稈深埋處理土壤溫度較高；傍晚18：00時(shí)溫室空氣溫度降低時(shí)，秸稈深埋處理整體土壤溫度分布自上而下呈遞減趨勢(shì)，相同深度秸稈深埋處理土壤溫度較高。從土壤各層的溫度分布來(lái)看，秸稈深埋處理土壤溫度分布各層更加均勻，無(wú)溫度集中點(diǎn)。

整體來(lái)看，秸稈深埋處理對(duì)土壤溫度分布起到了一定的調(diào)節(jié)作用。

22秸稈深埋灌水過程中土壤溫度的變化規(guī)律

7月24日上午08：00對(duì)土壤進(jìn)行滴灌灌溉，灌溉中每隔 2 h 進(jìn)行1次土壤溫度測(cè)溫，每05 h進(jìn)行1次土壤水分測(cè)試， 水分測(cè)試時(shí)間為 28 h。 將秸稈深埋處理與無(wú)秸稈深埋處

理的溫度數(shù)據(jù)，利用克瑞金插值法將數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，由Surfer 13生成土壤和秸稈的溫度等值線圖，灌水條件下，秸稈深埋處理灌溉0、8、16、32 h的土壤溫度分別如圖6-a、6-b、6-c、6-d所示，無(wú)秸稈深埋處理灌溉0、8、16、32 h的土壤溫度分別如圖7-a、7-b、7-c、7-d所示。

由圖6、圖7可見，在土壤水分入滲時(shí)，與無(wú)秸稈處理相比，秸稈深埋處理土壤溫度較高，相對(duì)高出約2 ℃，同時(shí)土壤溫度呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢(shì)。灌水結(jié)束土壤水分達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，與無(wú)秸稈處理相比，秸稈深埋處理不同位置土壤溫差迅速回落至平衡狀態(tài)。

將秸稈深埋處理與無(wú)秸稈深埋處理28 h內(nèi)10、20、30、35、40、50 cm的平均溫度數(shù)據(jù)隨室內(nèi)空氣溫度的變化進(jìn)行對(duì)比分析（圖8）。

由圖8可見，從秸稈深埋作用的時(shí)間可以看出，在灌水條件下，相對(duì)于無(wú)秸稈深埋處理，秸稈深埋處理對(duì)土壤溫度改變的主要時(shí)間段為灌溉開始后的0～10 h內(nèi)， 而在10～28 h后

作用的效果較小。從秸稈深埋改善溫度的幅度來(lái)看，在灌水條件下，0～10 cm范圍內(nèi)土壤溫度變化最大，變化的最大值接近 5 ℃，其次是位于秸稈層的30～35 cm，變化值為1～2 ℃。

總體來(lái)說(shuō)，灌溉過程引發(fā)的相關(guān)反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)加強(qiáng)了秸稈深埋處理提升土壤溫度的作用。將秸稈深埋處理與無(wú)秸稈深埋處理28 h內(nèi)土壤0～50 cm范圍內(nèi)的平均溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析（圖9）。

[FK（W10][TPPML9tif][FK）]

由圖9可見，從土壤整體的溫度變化趨勢(shì)來(lái)看，在灌水作用下，秸稈深埋處理與無(wú)秸稈深埋處理土壤溫度的變化趨勢(shì)基本相同，在0～10 h內(nèi)秸稈深埋處理與無(wú)秸稈深埋處理的土壤溫度差值相對(duì)于10～28 h較大。從土壤溫度變化的幅度來(lái)看，在灌水作用下，秸稈深埋處理比無(wú)秸稈深埋處理土壤的平均溫度始終高出1 ℃，而在非灌溉日期，這一溫度差的平均值為043 ℃。

23秸稈深埋溫差大小及位置分布

231無(wú)灌水期溫差的分布情況

為明確無(wú)灌水期間有無(wú)秸稈深埋處理溫差分布的具體位置及溫差值，將秸稈深埋處理與無(wú)秸稈深埋處理土壤溫度平均值的差值進(jìn)行了二維差值化對(duì)稱處理（圖10）。

由圖10可見，從秸稈溫差的分布范圍來(lái)看，相對(duì)于無(wú)秸稈深埋處理，正溫差主要分布在深度為0～15 cm的表層土壤、深度為25～45 cm的秸稈層及秸稈層周圍，總體分布范圍較為均勻，45 cm以下土壤溫差不明顯。負(fù)溫差出現(xiàn)在深度為20 cm的土壤中部。從溫差的大小來(lái)看，溫差的差值在 -153～107 ℃之間。

232灌水期溫差的分布情況

為明確無(wú)灌水期間有無(wú)秸稈深埋處理溫差分布的具體位置及溫差值，將秸稈深埋處理與無(wú)秸稈深埋處理28 h內(nèi)土壤溫度平均值的差值進(jìn)行了二維差值化對(duì)稱處理（圖11）。

由圖11可見，從秸稈溫差的分布范圍來(lái)看，相對(duì)于無(wú)秸稈深埋處理，正溫差主要分布在深度0～15 cm的表層土壤、秸稈層35 cm深度處的秸稈水平側(cè)邊緣以及30 cm深度處的遠(yuǎn)秸稈端，總體由上至下溫差逐步減小，45 cm以下土壤溫差不明顯。負(fù)溫差出現(xiàn)在深度為20 cm的土壤中部。從溫差的

大小來(lái)看，溫差的差值在-08～276 ℃之間。

與非灌水期間相比，灌水改變了溫差的主要分布范圍，使土壤溫度的整體分布更加不均勻，并主要提升了深度為0～15 cm的表層土壤的溫度。

3結(jié)論

秸稈深埋能夠改善土壤溫度分布狀態(tài)，提高土壤溫度。在無(wú)灌水條件下，與無(wú)秸稈深埋處理相比，秸稈深埋處理提升土壤0～50 cm范圍的平均溫度為043 ℃，在無(wú)灌水條件下，與無(wú)秸稈深埋處理相比，秸稈深埋處理提升土壤0～50 cm 范圍的平均溫度為1 ℃。對(duì)于50 cm以下部位，秸稈深埋處理對(duì)土壤溫度分布的影響較小。無(wú)灌水作用時(shí)，秸稈深埋有高溫時(shí)蓄熱、低溫時(shí)放熱的作用，這種規(guī)律與舒占濤等的研究結(jié)果[16]相一致。在無(wú)灌水條件下，與無(wú)秸稈深埋處理相比，秸稈深埋處理各層土壤溫度更加均勻穩(wěn)定，溫度集中點(diǎn)較少。

在灌水過程中，秸稈深埋灌水前期能夠顯著提升土壤表層溫度，加劇秸稈層上層土壤溫度的不穩(wěn)定，與無(wú)秸稈相比，在灌水后 0～10 h內(nèi)，土壤0～10 cm范圍溫度升高的最大值為5 ℃，平均值為2 ℃，0～28 h內(nèi)土壤0～50 cm范圍溫度升高的平均值為1 ℃。灌水過程激發(fā)秸稈深埋的土壤產(chǎn)生了更多的熱量，并重新分配了土壤的溫度。在這種秸稈深埋方式下，相對(duì)無(wú)秸稈深埋處理，灌水在短時(shí)間內(nèi)能夠有效提高土壤表層溫度。

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