耕作对八一镇农田土壤温度的影响

徐唱唱，杨 红，魏 来，刘合满

(西藏大学农牧学院，西藏 林芝 860000)

土壤温度是表征土壤热特性的重要指标之一，显著影响着植物根系发育、微生物种群和活性、土壤养分转化及有效性等。一般地，土壤温度升高有利于提高土壤微生物活性[1,2]，促进土壤养分的转化[3,4]，提供养分有效性。同时不同层次土壤温度的变化影响和决定了不同层次土壤的物质过程，进而影响植物根系生长。故基于不同区域、不同土地利用方式及不同层次土壤温度日变化、年变化及热传导等问题得到广大学者的广泛重视[5]。

耕作是农业生产过程的基本管理过程，首先扰动了土壤基本物理结构和性质[6]，并对土壤水、热传导产生显著影响，从而影响了土壤碳、氮、磷等主要物质的循环过程[7]。一般地，耕作扰动了表层土壤结构，增加表层土壤大孔隙数量，从而改变土体热容量属性，减小土壤热容量。这将促进土壤碳、氮等物质的循环，加剧土壤碳[8]、氮的排放。故关于不同耕作模式下土壤温度变化特征及不同层次土壤温度变化的研究将为科学阐明土壤物质转化、植物生长提供科学依据。于爱忠[9]等研究表明0～25 cm的土层温度，免耕较传统耕作具有相对较低的温度，即免耕降低了表层0～25 cm土壤温度。但也有研究表明，免耕有利于提高表层土壤温度，对土壤温度具良好的调节作用[10]。但目前关于西藏高原高寒气候条件下，耕作和免耕条件下不同层次土壤温度变化特征的研究还少见报道，这将不利于我们对不同耕作方式下不同土层温度变化的预测。

本文选择西藏大学农牧学院实习农场为研究区，分别选择西藏耕翻地和未耕翻农田为研究对象，采用在线水、温测定系统进行不同层次土壤温度的测定，旨在为不同耕翻和免耕条件下土壤热状况及热传导提供科学依据。

1 材料与方法

(1)研究区概况。研究区位于西藏大学农牧学院植物科学技术学院实习农场，地理位置N29°46′29″，E93°22′26″，海拔2 800～2 900 m，年平均气温8.7 ℃，最热月(7月)平均气温为18 ℃；≥10 ℃的年有效积温1 800～2 200 ℃，年平均降雨量650～700 mm，年日照时数2 000 h左右，年总辐射量为6.1×109～7.0×109J/m2，光合有效辐射为2.5×109～3.0×109J/m2，无霜期160～180 d。

(2)研究方法。从2015年11月15日开始，将土壤水分温度测定系统分层次埋入土壤中，共设置2、10、20、30和40 cm 5个土壤层次，所用数采仪为EM50，土壤水分、温度探头为ECH2O (美国Decagon公司)土壤含水量监测系统。分别选择相邻的已耕翻和未耕翻的2块农田进行测定，测定时间间隔为20 min，即每20 min采集一个数据，仪器自动记录，共采集24 h。

(3)数据处理。数据处理和作图采用Excel 2007进行。

2 结果与分析

2.1 未耕翻土壤温度的日变化特征

图1(a)为未耕翻土壤各层次温度的日变化特征。由图1(a)可知，在测定的24 h内，土壤温度呈单峰型日变化特征，其中根据温度变化情况，可分为升温和降温2个阶段，从08∶00开始，土壤温度开始增加，2 cm土壤温度到14∶00达到最大值。然后开始呈现下降趋势，到08∶00达到最小值。

在升温和降温阶段，各层次土壤温度的变化速率均表现为2>10>20>30>40 cm，即随着土壤层次的加深，土壤温度变化趋势逐渐变缓。2 cm土壤温度在升温阶段表现为快速的增温，自08∶00的3.7℃快速增加到14∶00的25.2 ℃，以平均3.58 ℃/h的速率增加。而在降温阶段也表现出较其他各层次均快的速率。随着土壤层次的加深，土壤最高温出现的时间均显著延迟于2 cm。

变异系数可表示不同层次土壤温度的日变化幅度强弱。由表1可知，耕翻土壤各层次温度日变化特征也表现为随着土壤层次的加深而呈降低趋势，2、10、20、30和40 cm层次土壤温度日变化的变异系数分别为58.53%、38.46%、20.39%、9.63%和5.78%。

2.2 耕翻土壤温度的日变化特征

土壤耕作扰动主要影响土壤孔隙度，增加了土壤大孔隙数量，从而降低了表层土壤的热容量和土壤导热性，从而可使表层土壤具有较高的温度，而下层土壤温度较低。由图1(b)可知，耕翻土壤温度日变化特征也表现为单峰型，但表层2、10和20 cm具有较明显的峰值，而30和40 cm则无明显的峰值，其日变化幅度较小。

图1 不同层次土壤温度日变化特征Fig 1 Different levels of soil temperature daily variation characteristics

项目耕翻土壤2cm10cm20cm30cm40cm未耕翻土壤2cm10cm20cm30cm40cm95%置信区间/℃9．7～13．010．3～12．110．5～11．710．8～11．311．1～11．49．9～13．09．7～11．610．5～11．510．7～11．210．8～11．1日均值/℃11．3411．1911．1011．0611．2511．5010．6311．0210．9810．98标准差/℃7．184．002．401．050．626．734．092．251．060．63变异系数63．3735．7821．599．535．5358．5338．4620．399．635．78

在升温阶段，表层2 cm土壤温度由08∶00的4.7 ℃增加到15∶00的24.87 ℃，温度增加了4.29倍。而在降温阶段也同样表现出较快的降温速率。供试各土壤层次土壤温度变化范围也表现为随着土壤层次的加深，变化范围呈减小趋势，95%置信区间分别为9.9～13.0、9.7～11.6、10.5～11.5、10.7～11.2和10.8～11.1 ℃。

表1为供试2类土壤各层次温度的日变化特征的统计性描述。由表1可知，在0～30 cm层次上，随着土壤层次的加深，日均温呈降低趋势。2、10、20和30 cm层次土壤平均温度分别为11.34±7.18、11.19±4.00、11.10±2.40和11.06±0.62 ℃，但差异并未达到显著水平。土壤温度日变化特征表现为随着土壤层次的加深，土壤温度随着时间的变化而变化的变异性逐渐缩小，2、10、20、30和40 cm层次土壤温度日变异系数分别为63.37%，35.78%，21.59%，9.53%和5.53%。

2.3 耕翻和未耕翻土壤温度的日变化特征比较

由图2和表1可知，耕翻和未耕翻土壤不同层次温度差异在2 cm层次上表现为耕翻>未耕翻土壤。这主要是因为耕翻农田土壤具有疏松的表层结构，增加了大孔隙数量，使土壤热容量变小，更易升温；而对于未耕翻土壤来说，土壤结构相对紧实，热容量大，升温较慢，同时热传导性好于耕翻土壤，故有利于热量向下层的传导。

图2 耕作和未耕作土壤温度变化Fig 2 ploughing and ploughing-free soil temperature changes

在表层10 cm层次上 ，土壤日均温表现为未耕翻>耕翻土壤，即未耕翻土壤具有更好的导热性，从而促进表层热量向下层的传导，促进10 cm土壤温度的升高。20 cm土层温度，耕翻和未耕翻土壤从日温度变幅和平均温度上都无明显差异。30 cm和40 cm层次上，均表现为未耕翻土壤日均温度高于耕翻土壤，这也表明了未耕翻土壤没有受到结构的扰动，有利于表层热量向下层的传输。

从不同层次耕翻和未耕翻土壤日变化变异系数看，耕翻土壤2 cm温度具有相对较高的变异性，变异系数达到63.37%，高于未耕翻土壤(其变异系数为58.53%)。这表明，耕翻土壤表层2 cm温度具有更强的日变异性，即升温和降温均较未耕翻土壤快。随着土壤层次的加深，耕翻和未耕翻土壤温度日变化幅度差异逐渐缩小，即耕作对土壤温度的影响主要表现在表层，这与王福军等[11]的研究结果一致，他研究了耕作措施对华北夏玉米田土壤温度的影响，发现免耕有利于稳定土壤温度，实现土壤温度的平稳变化。

3 主要结论

通过对本实验区耕翻和未耕翻不同层次土壤温度变化特征研究，主要可得到以下结论。

(1)随着土壤层次的加深，土壤温度日变化幅度呈降低趋势，即表层2和10 cm土壤温度具有明显的升温和降温阶段，而在30 cm和40 cm土壤温度则日变化较小。

(2)耕作对土壤温度的影响主要表现在表层(0～10 cm)，而对下层土壤温度的影响随着层次的加深，影响效应逐渐减小。

(3)未耕翻土壤有利于表层土壤热量向下层的传导，促进下层土壤温度的升高，故10 cm及以下各层土壤日均温表现为未耕翻>耕翻。

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