黄土旱塬垄作覆膜栽培土壤水分及温度变化研究

朱伟，黎晓，李会杰，李明，蒋锐

（西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100）

黄土旱塬垄作覆膜栽培土壤水分及温度变化研究

朱伟，黎晓，李会杰，李明，蒋锐

（西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100）

黄土高原雨养农业区水分缺乏是制约农业生产的关键因子。本研究在黄土高原长武塬进行小区试验，通过垄作覆膜（RP）与平作不覆膜（FP）两种处理的对比研究，分析垄作覆膜下玉米生长时期土壤水分与温度的变化，以及降雨事件对于土壤水分的动态影响。结果表明，垄作覆膜在30～60 cm土层土壤水分显著高于平作不覆膜约8%，而平作不覆膜在深层（100～160 cm）土壤水分明显高于垄作覆膜，玉米生长季土体储水量变化垄作覆膜垄与沟在30～60 cm处均高出平作不覆膜20 mm，而在100～160 cm处垄作覆膜比平作不覆膜低25 mm。垄沟覆膜－垄（RPR）土壤表层10 cm处温度较垄沟覆膜－沟（RPF）与平作不覆膜分别高2.01℃和1.91℃。中雨情况下，垄作覆膜降雨土壤入渗深度可达30 cm，平作不覆膜下可以到10 cm，但强降雨事件中垄作覆膜土壤深层入渗受到抑制。降雨强度越大，土壤前期含水量越高，土壤水分峰值产生的时间越短；垄作覆膜由于土壤水分条件的改善使得土壤水分峰值出现时间较平作不覆膜早。垄作覆膜由于垄沟微地形改变使沟内具有集水效应，同时沟内集水对垄上水分存在侧向补充，但时间上存在滞后效应，滞后时间与降雨量和降雨前土壤含水量相关。垄作覆膜能够保水保墒，增加降雨入渗，抑制强降雨事件的深层入渗，抑制“自覆盖”现象的发生，从而对玉米生长具有重要的意义。

垄作覆膜；土壤水分；土壤温度；降雨；黄土旱塬

土壤水分是地表水文过程的一个综合指标，其动态变化是大气降水、植物耗水以及水分运动共同作用的结果，积累了地表水文过程的大量信息，是研究我国北方干旱化问题客观定量的综合指标之一［1］。土壤温度是表征土壤热量状况的关键指标。通过地膜覆盖的方式可以改变土壤地面特征，一方面有效地阻碍土壤与空气的热交换和水分蒸发，使得土壤中的水分凝结在膜的内壁保持土壤湿度；另一方面增强土壤表面和膜之间的温室效应［2－4］，从而影响土壤水分与温度变化，使其为作物的生长发育提供良好的条件［5］。由于覆膜技术保水保温的这一特点，可以弥补黄土高原缺水和春玉米苗期低温的局限性，因此在黄土高原粮食增产方面起到了举足轻重的作用。

目前，黄土高原覆膜栽培下土壤水分和热量变化的研究已经取得了一定进展，但是缺乏高频率的田间监测，尤其对于降雨事件下土壤水分热变化实时动态监测的研究相对较少，所以覆膜情况下土壤水热动态信息还不全面［6－7］。本文通过对黄土高原塬区玉米地垄作覆膜以及平作不覆膜的水分和温度变化的高频率监测，分析覆膜条件下玉米生长期间的土壤水分和温度变化过程，进一步认识黄土高原覆膜栽培对土壤水热的影响机理。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在中国科学院水土保持研究所长武黄土高原农业生态试验站进行，试验地位于陕西省咸阳市长武县洪家镇王东村（35°12′N，107°40′E），处于西北内陆腹地，属暖温带半湿润、大陆性季风气候区。年均降雨584 mm，降水季节性分布不均，主要集中在7—9月；最高气温36.9℃，最低气温－24.9℃，年均气温9.1℃。该地海拔940～1 220m，地下水深50～80m，属于典型的黄土高原旱作农业区，具有热量适中、光照充足、大气湿度较低，昼夜温差大等特点［8］。供试土壤类型为黑垆土，土壤质地为粉壤。试验区土壤的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soils

图1 玉米生长季气候情况Fig.1 Precipitation and average daily temperature during maize growing season

1.2 试验设计

试验开始于2013年4月底并于10月初结束，覆盖一个完整的玉米生长季。试验分为垄作覆膜和平作不覆膜两个处理。平作不覆膜采用宽窄行播种方式，宽行60 cm，窄行40 cm，株距30 cm；垄作覆膜实行垄上覆膜，垄宽70 cm、高15 cm，沟宽30 cm、垄上播种，玉米播种于膜侧15 cm处，行距分别为60 cm和40 cm，株距30 cm（图2）。每个小区均为10 m×9 m，采用推荐施肥（N：180 kg·hm－2，P：40 kg·hm－2，K：75 kg·hm－2），磷、钾肥按肥料设计用量于播种时一次性施入，氮肥基肥和追肥各占70%和30%。在玉米播前整地施肥完后起垄，供试玉米品种为“先玉335”，于4月底播种，9月下旬收获，玉米全生育期不进行灌溉，按照常规管理。玉米生长季期间的气候条件如图1所示，生长季内温度呈现先增加后减少的趋势。根据相关文献［9］，长武县1957—2006年50年间平均降雨量579.8 mm，主要集中于5—9月，期间降雨量总量为423.2mm。试验期内玉米生长初期（5、6月份）降雨稀少，7月份出现强降雨事件，9月降雨丰沛，生长期内总降雨量为437.0 mm，属于平水年。

1.3 测定项目与方法

在垄作覆膜的垄（RPR）、沟（RPF）以及平作不覆膜（FP）小区均安装EM50水热自动监测系统监测土壤水分和温度，监测频率为1 h。水分与温度监测土层深度如图2所示，分为垄上10～0 cm（垄＋10 cm）、垄下0～10、10～30、30～60 cm和60～100 cm（以沟面为水平面），沟0～10、10～30、30～60、60～100 cm和100～160 cm；平作则是0～10、10～30、30～60、60～100 cm和100～160 cm。

图2 试验设计及EM50水热自动监测系统探针安装位置Fig.2 Experimental design and EM50 hydrothermal automatic monitoring system probe mounting position

1.4 统计分析方法

数据用SPSS18.0软件（Statistical Product and Service Solutions 18.0）进行方差分析，采用Origin8.0进行作图，Excel2010绘制表格。所有的差异显著性分析均采用新复极差法（SSR）在P＜0.05水平上进行检验。

2 结果与讨论

2.1 垄作覆膜栽培对土壤水分的影响

RPR、RPF和FP处理玉米生长过程中不同深度土壤水分变化如图3所示。由于地表水分蒸发、作物生长耗水以及降雨事件的影响［10－11］，各个处理土壤表层0～30 cm处土壤含水量变化较大，深层土壤水分变化只在强降雨事件下发生。整个玉米生长季不同处理土壤水分变化特征表现为：（1）0～10 cm FP土壤水分较RPF水分低，但比RPR上10～0 cm（以沟为水平面，垄＋10 cm）和RPR下0～10 cm水分高，且差异性显著（P＜0.05，表2）。这是由于垄沟覆膜增加了沟间集雨面积使得其表层土壤有较好的蓄水保水效果，而RPR表层土壤水分主要依靠水分的横向运移补充，降雨及夜间露水的补给由于受覆膜的阻隔而受到限制，且这种补充作用也是导致RPR表层土壤水分上升滞后的因素之一；（2）在10～60 cm处FP土壤水分低于RPR和RPF，且差异性显著（P＜0.05，表2）。10～30 cm FP土壤水分相对RPR低15%，相对RPF低5%，在30～60 cm处RPR和RPF土壤水分变化基本一致，FP水分比RPR与RPF低15%（表2）。分析认为，10～60 cm深度土壤水分差异主要受覆膜影响，覆膜有效地限制了土壤表层水分的蒸发，具有保水保墒的作用［12－14］；FP水分蒸发大，且植物根部的主要部分集中在0～60 cm［15］，更加强这一层的耗水，可见在其它条件相同的情况下，覆膜在10～60 cm处土壤水分的提高对于满足作物生长意义重大［16］；（3）在60～100 cm与100～160 cm层，RPR和RPF水分之间的差异性变小；在60～100 cm处平作土壤水分受强降雨事件的影响很明显，在强降雨事件下土壤水分快速升高，随后下降也十分迅速；100～160 cm平作土壤水分比RPF高，且差异显著（P＜0.05，表2）。

图3 玉米生长季垄作覆膜下垄、沟和平作不覆膜不同深度下土壤水分变化Fig.3 Soil water content of different soil depths for mulching treatment ridge and furrow and flat treatment in maize growing season

表2 玉米生长季不同处理和深度之间土壤水分／%Table 2 Comparison of different management of soil water content during maize growing season

结果显示，垄作覆膜与平作不覆膜土壤水分变化差异显著。整个生长季内，垄作覆膜在30～60 cm土层土壤水分显著高于平作不覆膜约8%，而平作不覆膜在深层（100～160 cm）土壤水分明显高于垄作覆膜，尤其是在玉米生长季初的干旱时期。玉米生长季土体储水量变化垄作覆膜垄与沟在30～60 cm处均高出平作不覆膜20 mm，而在100～160 cm处垄作覆膜比平作不覆膜低25 mm（见表3）。究其原因，黄土旱塬蒸发强烈，但降雨少，且雨水渗透通常在表层0～30 cm以内土层中发生，试验区域黑垆土在30～60 cm土层存在厚度为10～30 cm不等的犁底层，此层土壤容重较大，饱和导水率较低（见表1），因此平作不覆膜下表层降雨入渗与蒸发容易在犁底层形成“自覆盖层”，笔者认为这是一种“自覆盖”现象（self－mulching）。“自覆盖”现象在此可描述为轻壤质土壤在大气蒸发力很强、土壤导水率不能满足大气蒸发力时，耕作层及其下层土壤由于干湿交替使犁底层逐渐形成暂时性缺水层，该层非饱和导水率极低，其与下层湿土之间龟裂，土体毛管破裂，从而对下层土壤具有保墒效果。作物生长季前期根系尚浅，暂时性缺水层（自覆盖层）的存在影响根系对深层水分的吸收，干旱时期这一缺水层的存在成为制约平作不覆膜下作物生长的重要因素。而覆膜则避免了此现象，一是浅层土壤水分得到明显提高，二是土壤水分因毛管作用不断上升，增加了作物对土壤深层水分的利用（表2，表3）。由于水热条件改善，覆膜的玉米生长状况显著好于平作不覆膜，植株在光合作用期间，有效光合作用叶片面积平均高于平作不覆膜254 cm2；在玉米收获期株高较平作不覆膜平均高6 cm；覆膜产量（14 t·hm－2）显著高于平作不覆膜（6.7 t·hm－2）。由此可见，覆膜这种干旱时期“自覆盖现象”的避免以及对深层水的充分利用很可能是旱地覆膜栽培作物增产的主要机制，这在旱地农业生产中作用巨大［17］。

表3 玉米生长季不同深度土壤蓄水量Table 3 Soil storage of different depths during maize growing season

2.2 垄作覆膜栽培对土壤温度变化的影响

由图4可见：RPR、RPF和FP之间温度的差异主要体现在土壤表层（10～0～10 cm），且差异显著。RPR 10～0 cm较RPR 0～10 cm、RPF 0～10 cm和FP 0～10 cm层分别高0.88℃、2.01℃和1.91℃；在0～10 cm土层RPR分别高出RPF和FP 1.13℃和1.03℃（表4）。这种差异是由于土壤表层裸地受辐射影响较大，水汽蒸发带走较多热量，而覆膜可以有效阻止这部分水汽向外扩散［18］，从而使得其温度相对高于裸地部分（沟和平作）。

已有研究表明，当土壤含水量高时土壤温度一般较低，二者呈极显著负相关关系［19］，这主要受降雨的影响。在降雨事件影响下土壤温度的降低和土壤水分的增高有一个明显的同步效应，由图4可见小降雨事件对于土壤水热变化的同步性主要表现在土壤表层，表层土壤在降雨和大气温度的相互作用下改变，而强降雨事件能影响到土壤深层温度，如7月强降雨过程使0～100 cm土层的温度均有所降低。但深层土壤温度对于降雨事件（除强降雨事件）的响应并不明显，从图4中可以看到深层土壤（60～160 cm）温度表现出的趋势主要受大气气温影响。温度的变化主要是热量的传导，当土壤表层的温度降低，土壤深层的热量向上传导，从而引起深层温度呈下降趋势。同时土壤是一个相对稳定的体系，这部分热量的散失会很快得到补充，包括更深层土壤热量的补充，以及土壤表层在之后接受太阳辐射时吸收热量向下传递［20］。同时该地区雨季主要集中在6—8月份，这一时期的土壤温度也相对其它月份较高，雨热同期，这对于作物的生长具有良好的促进作用［21－23］。水分管理措施对土壤结构、物理性状、地表遮盖度等都有一定影响，从而影响土壤热特性［24］。地膜覆盖可有效改变土壤温度状况，并将太阳能转化为热能汇集在土壤中，创造更有利的作物生长环境［25］，地膜覆盖同时隔断了土壤与大气之间的直接联系，阻挡了土壤水分的垂直蒸发，可大大降低土壤水分蒸发速度从而保持耕层较高水分含量，除此之外，地膜覆盖能促进作物根系生长，提高作物对光能以及土壤水分、养分利用率［26］。土壤温度也可以直接影响土壤水、气的保持和运动［27］，从而形成土壤水和温度相互影响的现象。

2.3 土壤水分变化对降雨事件的响应

图5～图7分别反映的是不同降雨事件下（表5）土壤水分含量变化情况。为阐明垄作覆膜下土壤水分运移特征，我们分析了发生于6、7月及9月降雨量分别为22 mm（中雨），133.8 mm（大暴雨）和46.8 mm（大雨）三次降雨下土壤水分变化情况。

降雨量影响水分入渗深度从表6统计中可以看出：在中雨事件（6月降雨）下RPR和RPF最大入渗深度为30 cm，FP为10 cm；在暴雨事件（7月降雨）下RPR和RPF最大入渗深度达到100 cm，FP降雨最大入渗深度达到160 cm（图6）；在大雨事件（9月降雨）下RPR最大入渗深度为30 cm，RPF和FP为60 cm。分析认为降雨量是影响入渗深度的决定因素，其次是由于不同处理下雨水的入渗方式存在差异，RPR由于覆膜影响，膜上雨水汇集到RPF内，从而造成RPF入渗深度较深。但强降雨事件中，垄作覆膜土壤水分的深层入渗却受到抑制，主要可能是由于沟内水分向垄的侧向补给。

图4 玉米生长季垄作覆膜下垄、沟和平作不覆膜不同深度下土壤温度变化Fig.4 Soil temperature of different soil Depths for mulching treatment ridge and furrow and flat treatment in maize growing season

表4 不同处理下表层10 cm处土壤温度变化差异比较Table 4 Comparison temperature of 10 cm soil depths on different treatments

表5 三次降雨事件特征比较Table 5 The Characteristic of these three times rainfall

降雨事件中各层土壤含水量到达峰值时间差异显著，深层土壤水分入渗过程是一个相对缓慢的过程（表6）。一方面受垄沟微地形的影响，如7月降雨事件RPF 10～30 cm处土壤水分峰值的出现较0～10 cm处早2 h，反映出沟内的侧向补给；另一方面受前期土壤含水量的影响，图6所示7月降雨开始后51 h FP在100～160 cm土壤水分出现上升趋势，而RPR和RPF在60～100 cm处在22、20 h后出现峰值，100～160 cm土壤含水量不变化，这是因为这个时期FP在10～60 cm土层水分含量在降雨前极低，相对于垄作覆膜需要更长的补给时间，而待上层土壤饱和之后才能补给深层，因此平作深层峰值出现需要更长的时间。同时，由于覆膜避免了土壤“自覆盖”现象，土壤水分因毛管作用不断上升，增加了作物对土壤深层（100～160 cm）水分的利用，另外垄沟微地形聚雨，加速了水分的下渗，加之蒸发受到抑制，10～60 cm土层水分含量高，饱和时间短，因而使深层水分变化快速。降雨强度对土壤含水量峰值影响显著，如在7月强降雨事件下垄作覆膜－垄10～0、0～10、10～30、30～60 cm与60～100 cm土壤最大含水量分别较降雨前上升了10.6%、8%、13.2%、11.2%和9.8%；而9月降雨事件下RPR仅在0～10和10～30 cm处土壤最大含水量分别较降雨前上升了4.7%、6.7%，土壤其它层含水量并无变化。

表6 降雨前后不同处理下不同深度土壤含水量变化差异比较Table 6 Change of soil water content under different treatments and depths

图5 中雨事件（6月）下土壤水分变化Fig5 Change of soil water content during moderate rain

降雨事件中，垄作覆膜－沟在土壤表层（0～30 cm）具有很好的蓄水效果。同时降雨事件下RPR表层土壤（0～30 cm）水分含量出现上升，但变化比RPF内0～30 cm处存在明显的滞后效应（表6），且10～0 cm处比0～10 cm土壤水分上升滞后更明显，这是由于RPR表层土壤水分主要受到RPF的横向补充，当强降雨事件时沟内蓄水，垄0～10 cm土层首先得到补充，然后随水分向上扩散，垄上10～0 cm处也随即得到补充。

图6 暴雨事件（7月）下土壤水分变化Fig.6 Change of soil water content during heavy rain

图7 大雨（9月）事件下土壤水分变化Fig.7 Change of soil water content during hard rain

由三次降雨可以看出，降雨事件对于土壤水分变化影响显著，其影响表现为降雨量影响降雨入渗深度，但垄作覆膜由于沟内水分侧向补充垄上，因而强降雨事件对土壤入渗深度有一定的抑制作用；土壤水分峰值产生的时间受降雨强度与土壤前期含水量的影响，而垄作覆膜由于水分条件的改善影响前期含水量，进而影响峰值产生的时间；垄作覆膜由于垄沟微地形改变使沟对降雨具有集水效应，同时沟内集水对垄上水分存在侧向补充，但时间上存在滞后效应。

3 结论

垄作覆膜在30～60 cm土层土壤水分显著高于平作不覆膜，而平作不覆膜在深层（100～160 cm）土壤水分明显高于垄作覆膜。平作不覆膜在玉米生长季初期由于干旱产生“自覆盖”现象，而垄作覆膜由于改善了土壤水分和温度条件，促使深层水分得到利用，从而避免了“自覆盖”现象对玉米生长的不利影响，因而对于维持作物生长具有重要的意义。

垄作覆膜与平作不覆膜之间温度差异主要体现在土壤表层，覆膜能够有效地保温、保墒。

降雨事件对于土壤水分动态变化影响显著，其影响表现为降雨量影响降雨入渗深度；降雨强度与土壤前期含水量影响土壤水分峰值产生的时间。垄作覆膜由于垄沟微地形改变使沟内具有集水效应，沟内集水对垄上水分存在侧向补充但滞后明显，同时强降雨事件使土壤水分深层入渗受到抑制。垄作覆膜由于改善土壤水分条件，从而影响土壤前期含水量，使土壤水分峰值产生的时间较平作不覆膜早。垄作覆膜能够保水保墒，增加降雨入渗，抑制强降雨事件的深层入渗，抑制“自覆盖”现象的发生，对玉米生长具有重要的意义。

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Soil moisture and temperature for plateau plastic mulching cultivation in drylands of Loess Plateau

ZHUWei，LIXiao，LIHui-jie，LIMing，JIANGRui
（College of Natural Resources and Environment，Northwest A＆F University，Yangling 712100，China）

Water deficit is the key restrictive factor for grain production in the rainfed agricultural region of Loess Plateau.The experiment was performed in Changwu tableland.The paper aims to analyze the changes of soil water content and temperature under plastic film mulching and the dynamic impact of rainfall events on soil water by comparison between ridge plastic film mulching cultivation（RP）and flat cultivation without plastic film mulching（FP）treatments.The results showed that the soil moisture in 30～60 cm soil layer significantly increased by approximate 8%between FP and RP treatments；Soil water storage in FP treatment in deep soil layer（100～160 cm）was significantly higher than that in RP treatment.Soil water storage of 30～60 cm in RP treatment and furrow were both higher about20 mm than that in FP treatment throughout growth season，but the soil water in 100～160 cm in RP treatment was lower25mm than soil water in FP treatment.Soil temperature above 10 cm soil surface in RP－Ridge（RPR）was 2.01℃and 1.91℃higher than RP－Furrow（RPF）and FP treatment，respectively.The deeper rainfall infiltration appeared in RP treatment when middle rainfall events occurred；the deep infiltration was limited in RP treatment when storm events occurred.The peak value of soil water content after rainfall was depended on the amount of rainfall and the antecedent soil moisture before rainfall.The peak time appeared earlier in RP treatment than that in FP treatment，due to the improved soil moisture conditions under plastic film mulching.RPF could well-catch the rain water from ridge and the water in furrow could supply the ridge by lateral movement with a certain delay.RP can enhance soil water content and soil temperature.It also could increase infiltration of rainfall，but limit the deep infiltration if storm events occurred，and avoid the“self-mulching”phenomenon.Therefore RP had positive effects on maize growth.

plastic film mulching；soil moisture；soil temperature；rainfall；Loess Plateau

S343.1

A

1000-7601（2016）06-0032-09

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.06

2016-01-24

国家自然科学基金（41201279）；中央高校业务经费（QN2013076）

朱伟（1992—），男，安徽滁州人，硕士生，主要研究方向为环境化学。E-mail：zhuwei631＠163.com。

蒋锐（1984—），女，四川安岳人，副教授，主要从事流域与农田氮素迁移研究。E-mail：jiangrui＠nwsuaf.edu.cn。