膜下滴灌自动化棉田地温探究与预测

潘俊杰，阿不都卡依木,2，付秋萍，马英杰

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.北京联创思源测控技术有限公司，北京 100085)

0 引 言

地温指土壤温度，能直接影响土壤微生物的活动和作物的生长发育[1]。棉花覆膜技术的引进有效的阻隔了土壤与大气间水汽交换，由此地温得到了显著的提高，促进棉花出苗和产量提高[2]；同时减少土壤蒸发，提高水分利用效率[3-5]。且土壤中的温度梯度与水势梯度同时存在，并共同作用于热量与水分的时空分布[6]。由于农户受传统的沟灌技术的影响，滴灌系统中常出现灌水量增加、增长滴灌周期等问题，导致棉田土壤高地温低含水率或低地温高含水率的矛盾。而随着自动化墒情监测技术发展，基于土壤水分平衡方程式的灌溉预测系统的引入，为更好的协调滴灌棉田的水热环境，需要对影响棉田的因素研究并预测地温变化情况。

前人对地温进行研究并取得了一定成果，适宜棉花根系生长的地温为28～30 ℃[7]。棉田覆膜能有效提高地温，并减少地温变化幅度[8]。膜下滴灌棉花各生育期地温变化特点是在苗期膜间地温要低于膜下地温，并在蕾期和花铃期超过膜下，在吐絮期趋于一致[9]，表层地温变幅要大于深层地温，且深层地温的变化存在滞后性[10,11]。前人对影响地温的因素也进行了分析，李毅等人发现气温与地温具有较好的相关性，并用二次函数和椭圆曲线对地温极值的日变化进行了模拟[12]。张建兵等人发现土壤水分与地温之间存在负相关性，且发现除表层地温外，相邻土层间地温呈极显著性相关，并建立土壤水分与地温间的回归方程[13]。王建东等人发现灌水频率能够延迟气温对地温的影响[13]。朱宝文等人发现日光室内日地温呈正弦曲线变化，且地温明显受天气类型的影响，并建立了日光温室预报模型[14]。在模型模拟方面也有一定研究，何芬等人用有限差分法对日光室地温进行了定量分析[15]。吴从林等建立了地膜覆盖的SPAC系统热平衡方程式[16]。杨林等人应用地积温对AquaCrop模型进行了改进[17]。

综述所述，前人的研究对膜下滴灌棉花田的变化规律进行了探究，但是对影响地温的因素研究较少，且存在观测数据不连续和引入模型参数不全等问题，代表性不足。本文拟结合呼图壁地区的土壤、水资源和农艺措施，研究一膜两管六行棉花土壤水热状况，探究影响地温变化各项因素，为改善土壤热状况提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验区概况

本试验于2017年在昌吉州呼图壁县大丰镇现代化灌溉示范地进行。试验地位于天山中段北麓(东经86.63°，北纬44.18°)，属于中温带大陆半荒漠干旱性气候，平均年降雨量为167 mm，年平均气温5～6 ℃，日照时数2 750～3 090 h。试验地土壤类型为砂壤土，土壤容重1.54 g/cm3，地下水埋深15 m。供试棉花品种为新陆棉早57号，2017年4月22号播种，9月26日收获。试验采用1膜6行的机采棉种植模式，作物行距(10+66+10+66+10) cm，株距10 cm。滴灌带铺设模式为一膜三带，分别布置在距第一行棉花垂直距离20、96和142 cm的位置。滴灌带管径16 mm，滴头流量1.8 L/h，滴头间距0.2 m。灌溉水为井水，水温为15～17 ℃。

1.2 实验设计

本试验设定3个灌水水平，①重度胁迫灌水W1：限定土壤含水率在田间持水率的40%～50%；②轻度胁迫灌水W2：限定土壤含水率在田间持水率的50%～65%；③常规灌水W3：限定土壤含水率在田间持水率的65%～80%。每个处理3次重复，共9个小区。

1.3 测定项目

(1)土壤温度和土壤水分。在实验小区距中间行棉花10 cm处，且距中间滴灌带30 cm处布设传感器，分别在土层10、25和40 cm剖面插入插针式传感器，记录时间间隔为60 min。

(2)气象数据采集。采用北京联创气象站自动检测气象状况，记录时间间隔为60 min，等，监测降水、气温(日平均、最高和最低)、空气湿度、辐射、2 m高处风速、大气压等数据。

(3)冠层覆盖度。采用打孔法进行测定单株叶面积。

叶面积指数=单株叶面积×单位土地面积株数/单位土地面积[18]。

根据叶面积指数来计算冠层覆盖率，其计算公式为：

CC=1.005×[1-EXP(-1.2×LAI)]1.7

(1)

式中：CC为冠层覆盖率，%；LAI为叶面积指数[19]。

2 结果与分析

2.1 自动化膜下滴灌棉田地温的时空变化

2.1.1 重度胁迫棉花日均地温的月变化特征

如图1所示，受太阳辐射年际变化的影响， W1处理7-8月日均地温随时间的推移日均地温呈先上升后下降的趋势。而7月和8月中，受气象因子、灌溉水、覆盖度等的影响，10 cm土层随着时间推移出现局部上下波动的现象，7-8月份最大温差为8.24 ℃；相对10 cm土层，25 cm和40 cm土层日均地温波动幅度较小， 7-8月份最大温差分别降低了1.43 ℃和2.08 ℃。

图1 W1处理日均地温的月变化特征

2.1.2 气象因子对重度胁迫棉花地温要素的影响

太阳辐射年际变化会带动气象因子的变化，而太阳辐射、大气压强和温度是影响棉田地温的主要气象因子。由表1可知，大气压强和大气温度与各土层的温度要素呈极显著性正相关，风速和相对湿度与各土层地温要素的相关性不明显。在10 cm土层地温的最高温和最低温与太阳辐射呈极显著性相关，而最低温与辐射的相关性不大；在25 cm土层地温的日最低温和日最均温与太阳辐射呈极显著性相关，与日最高温呈显著性相关；在40 cm土层地温的日最高温、日最低温和日均温与太阳辐射呈显著性相关。

表1 不同深度土层地温与气象的相关系数

分析各因子对各土层地温的影响可知，大气温度是对地温的影响最大因子，且大气温度对10 cm土层的日最高温和日均温的相关性大于其与日最低温的相关性，随着土层深度的增加单位土层深度上平面与下底面的温差变小，温度变化逐渐下降。自动化棉田大气压强升高，空气比热容增大，阻碍了大气温度和地温的升高，且随着土层深度的增加大气压强与地温要素的相关系数变小。太阳辐射对10 cm土层的日最高温、日均温的影响较大，而对10 cm土层的日最低温影响较小。空气相对湿度对棉田土壤表层水分蒸发影响较大，进而会对土壤表层温度的变化产生影响。由于棉田植株冠层覆盖，降低了风速对棉田地表空气流动的影响，因此对地温要素的影响不大。

选取7月1日至8月30日(61 d)的太阳辐射、大气压强、相对湿度、大气温度和各土层日均地温建立偏最小二乘回归方程：

Tmean=a+bx1+cx2+dx3+ex4

(2)

式中：a、b、c、d、e为经验系数；x1代表日太阳辐射；x2代表大气压强；x3代表相对湿度；x4代表各土层日均地温。如表2所示，各土层模拟出的方程R2均大于0.81，模拟效果较好。

表2 气象因子与各土层日均地温的拟合参数

2.1.3 重度胁迫棉花日均地温的空间变化特征

如图2所示，W1处理7月19日单日内变化情况。不同土层地温变化幅度表现出10 cm土层>25 cm土层>40 cm土层，越靠近地表土层温度的变化幅度就越大。10 cm土层的最低温出现在10∶00-12∶00，最高温出现在20∶00-22∶00；相比10 cm土层，25 cm和40 cm土层有2～6 h的滞后。随土层深度的增加，地温波动幅度越小。膜下滴灌棉田不同土层地温受气象因子、灌水等影响，单日内会出现一定程度的波动幅度。

图2 W1处理7月19日不同土层地温随时间变化情况

不同土层的日均地温呈正弦曲线变化规律，于是将7月19日的地温与时间进行拟合得正弦函数：

T=Tmean+A+Bcos(Cx+D)

(3)

式中：A、B、C和D为经验系数；T为实时地温的值；Tmean为日平均地温。

如表3所示，将不同土层的参数与时间进行拟合，对模拟值与实测值的RMSE进行比较，模型对25 cm土层地温和40 cm土层地温的模拟结果为优，对10 cm土层地温的模拟结果较差；用R2比较时，发现模拟10 cm和25 cm土层地温的可靠性较强，模拟的40 cm土层地温结果一般。

表3 W1处理不同土层地温与时间拟合参数

2.2 不同覆盖度情况下地温分布情况

如图3所示，覆盖度的大小为W3>W2>W1。故在2017年7月1-7日对不同处理的剖面的日均地温增量进行研究。如图4所示，相比W1处理，W2处理和W3处理10 cm土层日均地温增量的增减幅度明显减少，差值分别在-0.02～0.52 ℃和-0.07～0.86 ℃;而随着土层加深覆盖度对土层地温变化的抑制效果减少，相比W1处理，W2处理和W3处理25 m土层日均地温增量减少-0.21～0.13 ℃和-0.34～0.19 ℃。

图4 各处理不同土层地温日增量变化情况

2.3 土壤含水率对地温的影响

选取棉花花铃期覆盖度一致，无降雨和灌水影响，且不同处理存在水分梯度的土壤剖面地温变化进行研究。如图5所示，与W1处理相比较，随着土壤含水率的上升，10 cm土层地温的变化更快，W2和W3处理10 cm土层地温8月20日当日最大温差分别降低了1.56 ℃和1.57 ℃；土壤含水率的增加能有效抑制地温波动。由于气象因素等对深层土壤地温的影响较小，在25 cm土层和40 cm土层，不同土壤含水率处理间的地温波动幅度基本一致。

图5 各处理不同土层地温日增量变化情况

2.4 降雨、灌溉对地温的影响

如图6所示，受降雨天气影响地温变幅不大，但降雨当天不同土层地温整体呈下降趋势。10 cm土层地温在次日9点达到谷底，再出现较大幅度提升，且降雨后3天10 cm土层日最高地温相近，且变化趋势与气温一致，而25 cm和40 cm土层地温有一定的滞后性。如图7所示，试验地灌溉水为地下水，温度低于地表温度。对比气温的波动幅度，土层温度的波动幅度在灌水之后有一定程度的降低。

图6 7月11日降雨后连续3天地温变化情况

图7 8月16日灌水后连续3天地温变化情况

3 结 语

棉田不同剖面地温在灌溉期大体上呈现先增大后减小的趋势，这与太阳辐射的年际变化有关。当地表接收的太阳短波辐射大于地表放射的长波辐射时，地温开始上升，反之地温下降[20]。因此，新疆地区地温在7月中旬达到峰值[14]，这与本实验结论一致。而太阳辐射首先影响到地表温度，接着能量向下传输。由此，下层土壤地温的变化存在一定的滞后性，且变化幅度随土层加深而变缓[21]，这与本实验结论一致。受单日内气象因子的变化，单日内地温变化呈正弦曲线变化规律，且10 cm土层地温最低温出现时间为10∶00-12∶00，最高温出现在20∶00-22∶00，而25 cm土层和40 cm土层有2～6 h的滞后。当不同处理的覆盖度不同时，土壤接收太阳辐射的面积变小，地温的改变量会出现差异，覆盖度越小地温的增减幅度越大。本文结合地温日变化情况，建立了一天之内实时地温与日均地温的正弦函数。

气象因子首先影响表层土壤温度，然后能量向下传递。日净辐射和大气温度与地温呈正相关，风速、大气压强和相对湿度与地温呈负相关。气温和大气压强能极显著影响土壤地温要素，日净辐射与10 cm土层日最高地温极显著相关，并与10 cm土层日均地温显著相关。相对湿度直接影响地温和地温极值的变化，可是相对湿度同时会影响地温导致相关系数较小，但是相对湿度对10 cm土层的日最高地温具有显著影响。由于植株覆盖，风速对地温的影响程度较小。

膜下滴灌棉田土壤水分与地温存在耦合作用，随着土壤中含水率的增加，土壤热容量加大，由此地温随其他因素的影响变幅随着含水率的上升加大而减小。降雨和灌溉能直接增加土壤含水率，且能使地温有一定程度的下降，并在灌水和降雨之后地温的变幅有一定程度减缓。