陳曉萍， 曹雪仙， 陳文偉， 唐旭

(1.天臺(tái)縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 臺(tái)州 317200； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

溫度是影響植物生長(zhǎng)的主要生態(tài)因子，氣溫對(duì)植物的生理效應(yīng)早已受到普遍重視[1-2]，但由于植物生長(zhǎng)在土壤中，因此，植物的生長(zhǎng)發(fā)育可能對(duì)土壤溫度更加敏感，而且土溫控制著土壤中的生物化學(xué)過(guò)程，直接影響作物光合作用、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和二氧化碳吸收等許多生理過(guò)程[3-7]。但是土壤溫度受到實(shí)際氣象條件、地形、土壤質(zhì)地、地表植被類型及冠幅、土壤水分等諸多因素的共同影響，是大氣與陸地表面水熱循環(huán)共同作用的結(jié)果。相對(duì)于氣溫，土壤溫度的觀測(cè)和資料的獲取更加復(fù)雜和繁瑣。目前由于當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站和試驗(yàn)地地理位置不同，所獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)通常難以滿足生產(chǎn)和研究工作的需求。雖然利用曲管地溫表[8-10]能原位監(jiān)測(cè)土壤溫度變化，但缺乏連續(xù)性和系統(tǒng)性。Liu等[11]利用帶溫度探頭的數(shù)據(jù)采集器(CR1000)原位連續(xù)監(jiān)測(cè)2012年7月1日—10月31日4個(gè)月每月20日8：00、14：00和22：00時(shí)間點(diǎn)稻田不同土壤深度的溫度來(lái)研究施用生物炭對(duì)冷浸田土壤溫度的影響。陳繼康等[12]采用銅-康銅熱電偶分別測(cè)定氣溫及土壤埋深2.5、5、10、20、40和80 cm處土壤溫度，每10 min測(cè)定1次，30 min進(jìn)行平均，利用CR10X型數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)研究華北平原不同耕作方式冬小麥田土壤溫度日變化及其對(duì)氣溫的響應(yīng)特征。上述的研究表明，隨著科技的發(fā)展，利用現(xiàn)代的土壤溫度數(shù)據(jù)采集器能夠?qū)崿F(xiàn)原位、連續(xù)監(jiān)測(cè)的目的，但還缺少更多佐證。

冬小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要的農(nóng)作物之一，2020年中國(guó)小麥播種面積2 338萬(wàn)hm2[13]。了解冬小麥生長(zhǎng)期土壤溫度和濕度時(shí)空特征對(duì)冬小麥養(yǎng)分管理非常重要。但目前國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)冬小麥生長(zhǎng)期環(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)化、定量化研究，因此，本研究在浙江省天臺(tái)縣利用溫濕度儀原位實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)麥田冠層、地表和土壤耕層溫度及其土壤耕層濕度，研究作物整個(gè)生長(zhǎng)期土壤溫濕度與冠層溫度和地表溫度的關(guān)系及其變化規(guī)律，為冠層和地表溫度應(yīng)用于麥田墑情監(jiān)測(cè)以及為冬小麥生產(chǎn)和管理提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)地點(diǎn)

研究區(qū)設(shè)在浙江省臺(tái)州市天臺(tái)縣街頭鎮(zhèn)湖酋村(29°5′53″N，120°47′20″E)。試驗(yàn)地區(qū)以低山、丘陵地貌為主。氣候?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，又因四周山體環(huán)繞，中間低平，而小區(qū)域氣候特征顯著，帶有一定的盆地氣候特征。年平均氣溫16.8 ℃，年降水量1 300～1 600 mm，年無(wú)霜期238 d，年日照時(shí)數(shù)1 875.3 h。試驗(yàn)地塊農(nóng)田排灌便利，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，粒徑≤0.002 mm的土壤占4.32%，耕層土壤(0～20 cm)pH 4.77、有機(jī)質(zhì)含量為18.4 g·kg-1、全氮含量為1.23 g·kg-1、堿解氮含量為115.7 mg·kg-1、有效磷含量為15.0 mg·kg-1、速效鉀含量為111.9 mg·kg-1。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)前茬作物為水稻，冬小麥于2019年11月23日播種，蒞年5月13日收獲，生育期172 d，供試冬小麥品種為蘇麥188號(hào)。冬小麥氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)肥施用量分別為150、65和102 kg·hm-2，磷鉀肥作基肥一次性施入。氮肥分3次施用，基肥、分蘗肥和孕穗肥各占40%、40%和20%。氮肥用尿素(46%)、磷肥用鈣鎂磷肥(12%)、鉀肥用氯化鉀(60%)。田間管理按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培措施進(jìn)行。

1.2 數(shù)據(jù)采集

將數(shù)據(jù)采集器(捷克Tomst TMS-4)插到土壤中每隔15 min采集一次冠層(6 cm)、地表(0 cm)溫度和地表下6 cm耕層溫度和濕度(體積含水率)數(shù)據(jù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行整理，并采用SAS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)空變化

在冬小麥播種后，收獲前(2019年11月23日—2020年5月13日)土壤耕層溫度在6.56～22.6 ℃，172 d平均溫度為12.8 ℃(圖1)。每日溫差在0～4.50 ℃，平均日溫差為2.18 ℃。整個(gè)生長(zhǎng)期最低溫度出現(xiàn)在2020年2月1日8：00(6.56 ℃)，而最高溫度出現(xiàn)在2020年5月4日15：00(22.6 ℃)，溫差為16.0 ℃。整個(gè)生育期土壤耕層溫度均在0 ℃以上。

圖1 土壤耕層溫度的時(shí)空變化

在小麥生長(zhǎng)期地表土壤溫度在0.06～32.5 ℃，平均溫度為12.5 ℃(圖2)。比耕層平均溫度低0.3 ℃(圖1)。日溫差在0.69～15.9 ℃，平均日溫差7.15 ℃，比土壤耕層高4.97 ℃。整個(gè)生長(zhǎng)期最低地表溫度出現(xiàn)在2019年12月8日7：00(0.06 ℃)，最高地表溫度出現(xiàn)在2020年5月4日13：00(32.5 ℃)，溫差32.4 ℃，比耕層相應(yīng)溫差值(16.0 ℃)高16.4 ℃。與土壤耕層溫度相比，地表溫度易受到氣溫等外界環(huán)境因素的影響，而耕層溫度變化比較平緩，溫差相對(duì)較小。圖3數(shù)據(jù)表明，土壤耕層溫度與地表溫度呈極顯著正相關(guān)(R2=0.932 4**)，土壤耕層溫度隨地表溫度變化而上下波動(dòng)。整個(gè)生育期土壤地表溫度也均在0 ℃以上。

圖2 土壤地表溫度的時(shí)空變化

小麥冠層溫度在-5.31～40.9 ℃，平均冠層溫度為11.7 ℃(圖4)，比土壤耕層和地表相應(yīng)溫度分別低1.1 ℃和0.8 ℃。日溫差在1.38～24.6 ℃，平均日溫差為12.4 ℃，比土壤耕層和地表相應(yīng)溫度平均值高10.2和5.25 ℃。整個(gè)生長(zhǎng)期最低溫度出現(xiàn)在2020年2月1日6：00(-5.31 ℃)，最高溫度出現(xiàn)在2020年5月4日13：00(40.9 ℃)，溫差46.2 ℃，比土壤耕層和地表相應(yīng)溫差分別高29.4和13.0 ℃。與土壤耕層和地表溫度相比，冠層溫度更易受到外界因素的影響，溫差變化大。在整個(gè)生長(zhǎng)期有26 d最低溫度低于0 ℃。圖3數(shù)據(jù)表明，土壤耕層溫度與冠層溫度也呈極顯著正相關(guān)(R2=0.965 6**)，而且從相關(guān)系數(shù)上看，土壤耕層溫度與冠層溫度關(guān)系更為緊密。

圖3 小麥生長(zhǎng)期土壤耕層溫度與地表、冠層溫度間的關(guān)系

圖4 冠層溫度的時(shí)空變化

整個(gè)生育期土壤耕層濕度在26.9%～55.1%，平均濕度44.5%。日濕度差在0.10%～20.7%，平均濕度差1.79%(圖5)。整個(gè)生長(zhǎng)期最低濕度出現(xiàn)在2020年4月20日19：00，而最高濕度出現(xiàn)在2020年2月15日19：00，濕度差為28.2%。土壤耕層濕度與土壤耕層、地表和冠層溫度均呈極顯著負(fù)相關(guān)(圖6)，隨著溫度的提高，濕度顯著降低。從相關(guān)系數(shù)上看，土壤耕層濕度與冠層溫度(R2=0.204 4**)，關(guān)系更為密切，其次是土壤耕層溫度(R2=0.191 7**)和地表溫度(R2=0.184 6**)。

圖5 土壤耕層濕度的變化

圖6 土壤耕層濕度與土壤耕層、地表和冠層溫度間的關(guān)系

2.2 月變化

在小麥播種的11月，土壤耕層溫度月平均值為14.8 ℃，出苗后溫度慢慢下降，到了蒞年1月份降到最低點(diǎn)10.4 ℃，然后溫度開始升高，小麥也開始進(jìn)入孕穗抽穗期，到了5月小麥進(jìn)入成熟期，溫度達(dá)到最高值，平均20.8 ℃(圖7)。每月溫差在4.25～10.1 ℃，平均8.18 ℃。最大溫差出現(xiàn)在12月份(10.1 ℃)，5月份溫差最小(4.25 ℃)。土壤地表溫度月變化趨勢(shì)與耕層的相似，在小麥進(jìn)入成熟期的5月份平均值最高，為21.9 ℃，而1月份溫度最低，平均溫度只有9.23 ℃。但月溫差在13.6～25.3 ℃，平均19.3 ℃，遠(yuǎn)高于土壤耕層月溫差值。與耕層溫度月變化相似，最高月溫差也出現(xiàn)在12月份(25.3 ℃)，而在3月份溫差最小(13.6 ℃)。冠層月平均溫度也是在5月份最高，為22.5 ℃，而1月份溫度最低，平均為7.86 ℃。月溫差在26.1～35.6 ℃，平均30.4 ℃。溫差最大是在2月份(35.6 ℃)，而在5月份溫差最小(26.1 ℃)。與溫度的變化趨勢(shì)相反，在11月份耕層土壤濕度月平均值為39.1%，然后慢慢上升，2月份達(dá)到最高值，為49.7%，而后開始下降，到4月份又降低到39.1%，然后再上升。每月濕度差在9.62%～25.4%，整個(gè)生長(zhǎng)期平均月濕度差為16.7%。濕度差最大是在4月份(25.4%)，而在11月份最小為9.62%。

圖7 土壤耕層溫度、地表溫度、冠層溫度和土壤耕層濕度月平均值、最高最低及其溫度差

2.3 日變化

在一天(24 h)中土壤耕層溫度在早上8：00左右最低(平均溫度為12.3 ℃)，隨后上升，到下午16：00達(dá)到最高值(平均12.3 ℃)，而后慢慢下降(圖8)，日溫差為1.68 ℃。地表溫度在6：00左右最低(平均10.2 ℃)，比耕層最低溫度值提前2 h出現(xiàn)，隨后溫度上升，到13：00達(dá)到最高值(平均16.3 ℃)，比耕層溫度最高值提前3 h出現(xiàn)，然后溫度慢慢下降(圖8)。一天中土壤地表平均溫差6.1 ℃，比土壤耕層溫度相應(yīng)差值高4.42 ℃。冠層溫度在早上5：00左右最低(平均7.85 ℃)，比耕層最低溫度值提前1 h出現(xiàn)，隨后溫度上升，與地表溫度規(guī)律相同，整個(gè)生育期冠層溫度日最高值出現(xiàn)在13：00，平均溫度高達(dá)18.0 ℃，然后慢慢下降(圖8)。冠層溫度日最高與最低平均差值為10.2 ℃，比土壤耕層和地表溫度相應(yīng)差值分別高8.52和4.1 ℃。但是與溫度變化規(guī)律相反，耕層濕度在早上6：00左右最高(平均44.8%)，隨后下降，到17：00達(dá)到最低(平均44.3%)，再慢慢上升。但一天中土壤耕層濕度差值很小，僅為0.45%(圖8)。

圖8 一天中每小時(shí)耕層、地表、冠層溫度和耕層土壤濕度變化

3 小結(jié)與討論

在冬小麥生長(zhǎng)期，土壤耕層平均溫度高于地表和冠層溫度，但日溫差低于地表和冠層的溫差，冠層溫度受氣溫影響更大，而耕層溫度更穩(wěn)定。在5月，土壤耕層、地表和冠層溫度均最高，而12月份土壤耕層和地表溫度最低(冠層溫度1月份最低)。在一天中冠層溫度在早上5：00溫度最低，地表溫度最低值出現(xiàn)時(shí)間推遲了1 h，而耕層溫度的日最低值在8：00，推遲了3 h。隨后溫度慢慢上升，到13：00冠層和地表溫度達(dá)到最高值，而耕層溫度最高值出現(xiàn)時(shí)間推遲到16：00。同樣延遲了3 h。土壤濕度變化規(guī)律正好與溫度變化趨勢(shì)相反，2月份土壤濕度最高，而4月份濕度最低。在一天中耕層濕度在6：00左右最高，到17：00達(dá)到最低值。土壤耕層溫度與冠層和地表溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，且與冠層溫度變化更為緊密。土壤耕層濕度與土壤耕層、地表和冠層溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。