农田覆膜对冬小麦土壤水热的影响

马雪琴, 吴淑芳, 郭妮妮

(1.杨凌职业技术学院 水利工程分院, 陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院, 陕西 杨凌 712100)

土壤水分是植物生存的基础，土壤水分受到耕作方式、农田形式、降雨分布等因素的影响。土壤温度在作物生长发育[1]、土壤中水盐运移[2]、农田温室气体排放[3]、土壤碳平衡[4]等方面有很重要的意义。农田地膜覆盖具有保水提墒，减少蒸发，提升地温的效果。刘匣等[5]通过AquCrop模型加之实测数据表明，覆膜均提高了水分利用效率和产量。Chen等[6]研究表明，在冬小麦生长季，垄沟覆膜栽培可以提供更好的土壤温度状况，进而显著地提升作物产量。而宽窄行种植有利于优化群体结构[7]、根系分布[8]等优点而被广泛应用。陈光杰[9]通过HYDRUS-2D模型模拟不同的覆膜垄沟比的农田水分消耗表明覆膜减少蒸发，可提高土壤的贮水量，提升农田可持续性。王庆杰等[10]的研究表明宽窄行种植能够改善玉米的群体结构，促进个体生长发育，提高玉米产量。在冬小麦生育期内，土壤温度变化经历“降温—持续低温—升温—持续高温”的过程，土壤温度变化相对比较复杂[11]。因此，结合冬小麦生育期，系统研究不同覆膜方式麦田土壤水分效应和温度变化，探索覆膜方式下农田土壤水热变化规律，为完善覆膜集雨栽培技术提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在陕西省杨凌西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站进行，试验站位于黄土高原南部旱作区(34°20′N，108°24′E)，海拔521 m，位于暖湿带季风半湿润气候区，年平均气温13℃，年平均降雨量为635.1～635.9 mm，年均蒸发量1 440 mm，降水量季节分配不均，主要集中在7月、8月、9月，气候干旱，年昼夜温差平均为11.5℃，无霜期169～200 d。土壤为中壤土，1 m土层的平均田间持水率为23%～25%，凋萎含水率为8.5%，平均干体积质量为1.44 g/cm3。该站地下水埋深50 m以下，其向上补给量可忽略不计。

冬小麦生育期内(2014年10月—2015年6月)总的降雨量为232.8 mm，降雨分布很不均匀，在12月份(越冬期)降雨量为0.2 mm；在3—4月份(拔节期)降雨量达146.6 mm。冬小麦生育期内的气温平均值为9.32℃，但不同月份之间温度变化差异明显。12月份平均温度低到0.8℃，5月份平均温度则升高到19.8℃(图1)。

图12014-2015年杨陵地区冬小麦生长季每日气象数据

1.2 试验设计

试验所用地膜为普通聚乙烯塑料薄膜，膜厚为0.01 mm。试验共设6个处理，具体见表1。图2为不同覆膜试验试验处理示意图，其中图2A为对照处理，行距均为30 cm；图2B为宽窄行平作栽培种植，宽行40 cm，窄行20 cm，宽窄行交替排列；图2C为宽行垄作处理，宽行起垄，垄高为15 cm，垄宽40 cm，窄行为20 cm，宽窄行交替排列。每个处理3重复次，小区面积18 m2。供试冬小麦品种为“小偃22号”，播种量为167.5 kg/hm2，南北行种植，人工穴播，小麦种于膜两侧，生育期内无灌水，根据实际情况进行除草杀虫等农田管理，播种前施加氮肥210 kg/hm2，磷肥160 kg/hm2，钾肥90 kg/hm2；生育期内不追肥。小麦于2014年10月16日播种，2015年06月08日收获，全生育期为235 d。

表1 试验处理设置

1.3 测定指标与方法

该试验中土壤水分的观测采用TRIME-TDR和ECH2O水分传感器进行动态监测，其中，TRIME-TDR的测量深度为200 cm，0—100 cm是每10 cm为一个测量深度间隔，100—200 cm以20 cm为间隔。用曲管地温计从播种到收获测定0—25 cm处的土壤温度，每次的观测时间为8：00到18：00，每3 h观测记录1次，每次间隔7 d。四次读数的平均值作为日均土壤温度。冬小麦的种植时间为2014年10月16日，收获日期为2015年6月8日。冬小麦生育期包括出苗、越冬、返青、拔节、开花、灌浆及成熟期。

图2不同覆膜处理下冬小麦试验图

对于0—25 cm土壤表层的时间温度变化，呈现“锥形”分布[12]。采用指数去拟合能够更好地刻画不同深度土壤温度的大小和变化幅度。公式为：y=AeBx，其中：A，B为拟合的经验参数；x为土层深度；y为土壤温度。

1.4 数据处理与分析

试验中所有数据均为各重复测定的平均值，采用Excel 2007和SPSS 17.0软件对试验数据进行处理，并用LSD法进行多重比较(p<0.05)，采用Sigmaplot12.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜种植下表层土壤水分的动态变化

图3A为平作覆膜处理与对照处理0—20 cm土壤水分的动态变化，在整个生育期内，平作覆膜处理下的土壤水分较不覆膜处理不显著。在冬小麦苗期，地面裸露面积大，各覆膜处理的蓄墒效果显著。在越冬期(2014年10月30日—1月20日)，其中PM，DPR，WPR 处理显著高于对照CK，平均表层土壤含水率分别较对照提高4.95%、2.47%和3.68%。在冬小麦生长阶段的4月和5月降雨充沛，覆膜处理土壤含水率较对照处理分别减少2%～12%。在平作覆膜条件下，降雨量充足时期内，覆膜处理土壤含水率小于裸地处理，这可能与平作覆膜后，部分雨水被地膜拦截，使得有效降雨入渗量减少。

图3冬小麦不同覆膜处理0-20cm土壤水分动态变化

起垄覆膜处理与CK处理0—20 cm土壤水分变化如图3B所示，宽垄覆膜表层水分大于裸地处理及等行垄作。在冬小麦返青期(2015年3月)，降雨量较少，宽行起垄处理土壤含水率较对照处理增加2.3%。在雨量充沛的4月份，CK表层水分高于其余处理，覆膜处理较对照处理降低2.2%，可见，对于宽行起垄覆膜处理，在干旱少雨时期，可以增加土壤表层贮水量。

2.2 不同覆膜种植下土壤贮水量的动态变化

不同覆盖处理在冬小麦不同的生育期内，土壤贮水量与对照CK相比都存在差异，其中PM全膜处理的土壤贮水量最高(图4)。冬小麦生长前期(播种期到越冬前)，该时期植株较小，对水分的消耗主要以土壤蒸发为主，同时外界温度较低减少了土壤水分的蒸发，各处理土壤贮水量变化减小，PM和WLR覆盖处理的土壤贮水量高于对照CK，分别增加4.49%和3.54%，说明覆盖处理为小麦的生长发育提供了良好的水分环境。冬小麦拔节期到成熟期，0—200 cm 土层，以PM，WLR处理的平均土壤贮水量最高，分别比CK增加6.06%，4.07%；DPR和WPR次之，分别比CK增加1.38%，0.98%。冬小麦生长发育后期(灌浆期到成熟期)，DPR，DLR，WPR 覆盖处理贮水量无明显差异。冬小麦全生育期内，0—200 cm土层，PM，WLR处理的平均土壤贮水量分别比CK增加8.52%，6.81%，其他处理差异不显著。可得出，宽行起垄较窄行起垄更能蓄水保墒。

注：T1，T2，T3，T4，T5，T6分别代表CK，DPR，DLR，WPR，WLR，PM。

图4冬小麦不同生育期内0-200cm土壤贮水量的变化

2.3 土壤温度随气温变化的一般特征

由于不同覆膜方式土壤温度对气温的响应趋势一致，本研究仅以全膜处理为例说明土壤温度随气温变化的一般特征。冬小麦各生育时期的土壤昼夜温差均随土层深度的增加而逐渐减小，并呈“倒锥形”状态，但各个时期地温随深度的变化幅度不一致(图5)。各个时期5，10，15，20，25 cm土层土壤温度变幅依次为2.26～11.18℃，0.11～6.58℃，0.06～8.29℃和1.25～13.72℃，其中以灌浆期最大,而返青期最小。土壤温度变化是太阳辐射和大气温度的影响下而进行吸收或释放能量的动态过程。随着土壤土层深度的增加，土壤温度受太阳辐射的影响逐渐减小。而在灌浆期气温较高，导致地表温度增长较大；在返青期，气温较低，对地温的影响也较小，因而在该生育期地温变化趋于稳定。

图5土壤温度剖面对气温变化的响应(以全膜为例)

气象条件、土壤水分、地膜覆盖等因素都影响冬小麦生育期的地温分布。如图6可知各处理不同土层深度的土壤温度均在降雨后出现下降趋势。5 cm表层土壤温度受降雨影响最大，降雨后温度下降明显。地表以下深度25 cm土壤温度变化相对较为缓慢。以最大降雨日4月1日为例，由于降雨量较大的原因(降雨量为42.4 mm)，覆膜与裸地处理在降雨1周后均有所下降。其中，4月9日覆膜条件下5 cm处地温较4月1日同处下降约8 ℃，15 cm和25 cm处较同处下降相对缓慢，2～4 ℃。常规裸地5 cm处地温较4月1日下降约11 ℃左右，15 cm，25 cm处较同处下降约2 ℃。经过土壤热量的传输，降雨入渗对浅层土壤温度影响较为明显，而对于覆膜处理，由于雨水无法全部入渗，使得温度变化不是很明显。

图6不同条件下不同土层深度土壤温度变化

2.4 覆膜栽培方式下土壤温度变幅特征

不同处理、不同土层深度和不同时刻温度变幅特征如表2所示。从表2中可以看出，对于不同土深而言，最大的温度变幅发生在土壤表层5 cm处，其次是深度10 cm，15 cm，20 cm，25 cm处；对于不同时间而言，最大变幅发生在11：00，将各时刻不同深度与对应深度处温度拟合成指数函数形式，发现在14：00，17：00 时的相关系数最高，其次是11：00，8：00，无论覆膜与否，8：00的拟合回归公式与其他时段(递减曲线)不同，呈现出递增曲线，表明早晨温度随深度变化规律性不强，不符合指数关系，从整体上看覆膜处理的判定系数均较裸地处理高。

表2 不同处理不同土层深度温度拟合特征

注：x表示土层深度；y表示土壤温度。

在地膜覆盖的条件下，小麦获得了较多的太阳辐射能量，膜下土壤温度升高，各个时段内各个不同深度间的温度变化率也变大，从表3中可以看出覆膜与裸地处理的温度变化率情况，裸地土壤表层的土壤温度变化率大于覆膜处理，主要是在土壤表层裸土地表土壤水分含量变化很大。由于水汽在土壤孔隙中的移动取决于水汽密度差，土壤温度在影响水汽密度差中占主导地位。而覆膜却能阻止水汽扩散到大气中，从而使温度变化率减少。在5 cm 以下，覆膜处理的温度变化率都高于裸地，说明覆膜处理的水汽密度高于裸地处理，并且随着深度的增加温度变化率减少。这说明地膜覆盖有增温效应，使地表与地中之间温度变化率提高，增加了由土壤深处向地表移动的水汽数量，这些水汽由于受到地膜的阻隔，除小部分沿水平方向散失外，大部分都聚集在膜下和靠近地表附近的土壤孔隙中，从而加大了膜下的相对湿度，使得地膜覆盖有好的保墒作用。

表3 覆膜与对照处理土壤温度变化率

3 结 论

(1) 整个冬小麦生育期内覆膜处理提高了耕层土壤表层的含水量，尤其在出苗期蓄水保墒作用明显；在干旱少雨时期，起垄覆膜对增加土壤表层贮水量显著高于其他处理，其中宽行起垄较窄行起垄更能蓄水保墒。

(2) 以往研究中得出深层土壤温度对气温的相关系数大于浅层土壤。本研究得出，土壤温度日变化的变幅随土层深度的增加而缩小，呈“锥形”。土壤温度响应气温变化随土层深度增加具有时间滞后效应，5—25 cm 土层深度每增加5 cm，土壤温度随气温的变化滞后0.8 h 左右。

(3) 降雨对浅层土壤温度的影响较为明显，雨后5 cm浅层土壤温度急剧下降，25 cm深层土壤温度下降稍显缓慢。本试验在大田进行地膜覆盖，天气等客观因素以及试验处理相对较少导致试验产生一定的误差。温度梯度是引起水分运动的原因之一，结合土壤含水率分析水分与温度的相关性有待进一步研究。