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不同保墒条件下土壤温度日变化效应研究

来源: 本站  类别:技术文章  更新时间:2010-4-23 11:42:06  阅读

1  试验区概况及研究方法
试验小区位于水土保持与生态研究中心的试验场(陕西省杨凌区) 。该区属于暖温带半湿润季风气候区,年均降雨量为637. 6 mm ,干旱年为200 mm 左右,丰水年大于600 mm ,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. 37 g/ 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. 5 m 土层内平均体积含水量为21. 5 %。0~20 cm 土壤的基本理化性质为:p H = 7. 6 ,土壤有机质含量18. 3 g/ kg ,碱解氮56. 2 mg/ kg ,速效磷12. 4 mg/ kg ,速效钾141. 2 mg/ kg。试验小区面积为5 m ×6 m ,玉米行距50 cm ,株距50 cm。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6000 kg/ hm2 ,秸秆粉碎至3~5 cm ,地表秸秆全部清除的小区作为对照。地膜采用80 cm宽的薄膜起垄后覆盖,PAM 浓度为1. 0 g/ 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2 kg 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  结果与分析
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25 cm 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0~5 cm 的表土温度易变层、10~20 cm 的土壤温度过渡层和20~25 cm 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24 h 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  表土温度易变层
土壤温度易变层主要分布近地面0~5 cm ,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5 cm) 处温度,假设在z = 0 (或者z = 5 cm) 处温度变化幅度是Ta ,则正弦函数表示为:
T = Ta + A0 sin (ωt)
式中: T 为表土0 cm(或者5 cm 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24 h 。表层及5 cm 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5 cm 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6 h 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5 cm 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5 cm 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  土壤温度过渡层
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10 cm 和15 cm 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10 cm 和15 cm 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 ℃。10 cm 和15 cm 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  土壤温度基本稳定层
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20 cm 和25 cm 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20 cm 和25 cm 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20 cm 和25 cm 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,20 cm 和25 cm 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 ℃。20 cm 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20 cm 和25 cm 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  地温最大日变幅
剖面地温随时间的最大日变幅为一日内不同时刻0~25 cm 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0~60 cm 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0~60 cm 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。

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