开沟覆膜滴灌条件下葡萄生育期土壤温度变化研究

2018-12-26陆华天刘洪光

节水灌溉 2018年12期

陆华天，刘洪光

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000)

0 引言

膜下滴灌技术的推广应用大大加快了新疆节水农业的发展，实现了节水增产高效的目的[1]。但是，膜下滴灌灌溉用水量小，且部分灌溉用水矿化度高，土壤盐分在外界强烈蒸发条件下较容易在表层聚集，致使产生更加严重的土壤次生盐化危害[2]。针对膜下滴灌技术的盐分表聚、累积以及在重盐碱地上的使用问题，刘洪光等[3, 4]提出了一种调控田间盐碱的新技术——开沟覆膜滴灌技术(示意图如图1)。开沟覆膜滴灌技术是在覆膜滴灌技术的基础上，增加开沟技术，将作物种植在膜下的垄沟里，由于覆膜抑制蒸发，而裸地蒸发强烈，盐分随着土壤水分蒸发不断向裸地表层土壤聚集，通过调控使盐碱与作物根区土壤局部分离，为作物根区创造一个适宜的盐分环境，满足作物生长的需要[2,3,5]。

土壤温度是土壤环境的重要参数之一，作为影响作物生长的重要因素，其对作物的影响机制一直是研究的重点[6-11]。土壤热量主要源自太阳辐射,土壤热量收支和热性质的不同导致了温度的变化[12]。膜下滴灌条件下，土壤中的热量分布规律与传统的大水漫灌相比，呈现出不同的时间和空间规律[10]，膜下滴灌土壤温度受气温、玉米叶面积指数、灌水及土壤含水率共同作用[13]。陈丽娟等[11]研究了不同水分亏缺水平对土壤温度变化特征的影响，结果表明不同水分处理对土壤温度的影响差异较大。袁晶晶等[14]通过研究膜下滴灌棉田地温时空变化规律，发现在棉花不同生育期导致地温变化的主要影响因子不同，在棉花苗期，地温主要影响因子为覆膜，在蕾、花铃期为植株覆盖及土壤含水量，而在吐絮期则为植株覆盖。此外，很多学者针对小麦、玉米、棉花等经济作物，围绕不同覆盖[15-18]、不同土壤管理方式和耕作措施[19-22]、不同节水灌溉条件[23-25]等对土壤温度的影响展开研究,取得了一系列的研究成果。土壤温度影响着植物的生育、土壤的形成和性状,土壤空气和土壤水的运动也与土壤温度有密切关系[12]，国内外学者在研究中得到了一些结论：李明思等[12]研究发现，适当增加土壤温度有利于促进种子发芽，保证作物出苗率。张德奇等[26]对干旱区覆膜技术研究进展进行了论述，大部分研究结果均表明覆膜对土壤温度有提升作用，作物最终达到增产目的。同时，已有研究表明，土壤中水分与温度相互影响，不同的土壤含水率下地温变化存在差异[10]，土壤盐分运移受制于土壤水分和温度[27]。

目前，针对新疆膜下滴灌葡萄田块土壤热量状况的田间观测资料和数值模拟研究较为缺乏；同时，以往的观测手段多为人工观测，研究也多是基于典型日进行,数据资料不连续，代表性不足。本文以新疆兵团第八师田间试验的连续性观测资料为基础，对开沟覆膜滴灌葡田块的土壤热状况进行研究，着重分析不同灌水处理、不同开沟模式条件下的土壤温度变化规律，以期在土壤热量变化规律的基础上更好地指导农业生产实践。

1 材料与方法

1.1 研究区域自然地理概况

试验区域位于新疆生产建设兵团第八师147团6连，该团位于玛纳斯河下游，天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，面积约224.58 km2，地理位置东经86°10′～86°15′，北纬44°22′～44°50′，整体地形东南高西北低，南北海拔387.3～350 m，年降水量为106.1～178.3 mm，年平均蒸发量为1 722.5～2 260.5 mm。试验区地下水埋深15 m以下，土壤在80 cm深度以内主要为沙壤土，80 cm内土壤平均容重为1.5 g/cm3，田间持水率为22%(质量含水率)。

1.2 试验设计

试验区种植葡萄品种为弗雷早熟无核葡萄，树龄为12 a，行株距为3 m×1.5 m。葡萄种植为一行两管模式，采用开沟覆膜滴灌技术栽培，通常采用滴头流量为3.2 L/h。整个葡萄生育期共灌水7次，灌水定额450～675 m3/hm2。

图1 开沟覆膜滴灌技术示意图

试验区葡萄生育期包括6个阶段：萌芽期(5月上旬开始)、开花期(6月上旬开始)、坐果期(6月中旬开始)、果粒膨大期(6月下旬开始)、果粒成熟期(7月下旬～8月上旬)和枝条成熟期(8月中下旬开始)。由于地膜在作物生育后期的增温保墒作用减弱，故在农业生产实践中可采取揭膜的措施增大土壤透气性，加强根系的呼吸作用，防止根系早衰。在兵团第八师葡萄的种植过程中，农户采用这种生育后期揭膜(7月下旬)的做法，所以葡萄生育期最后一次灌水方式为滴灌。为了探究不同的灌水处理和开沟模式对土壤温度的影响，该试验设计采用了在葡萄种植中两种常用的开沟模式，设置3个灌水处理(见表1)，具体试验方案设计见表2。试验观测的时间为2016年5月9日-2016年7月19日，该时段属于葡萄的生育期，因葡萄生育后期(果粒成熟期和枝条成熟期)灌水次数少且为无膜滴灌，7月下旬停止观测。

表1 试验采用灌水处理 m3/hm2

表2 试验方案设计

1.3 试验数据观测与方法

采用自动气象站自动检测大气温度，采用EM50自动监测土壤温度。数据的采集时间间隔为8 h。葡萄种植前，对仪器进行埋设安装。每行葡萄树埋设2套EM50数据采集器。EM50安装在两棵葡萄树间距中点位置，另一套安装在开沟覆膜边(图2所示)。EM50共有5个探头，5个探头分别位于垂直地表0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm处。

图2 仪器埋设示意图(单位：cm)

1.4 试验数据处理与分析

对同一土层，EM50数据采集器在每天内采集的3个数据，求其平均值作为该土层土壤日平均温度。数据用软件SPSS 20.0和Origin 8.5进行数据处理统计和绘图。采用方差分析比较不同灌水量和不同开沟模式下膜内外各土层温度的差异显著性。显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 各处理下葡萄生育期内土壤温度逐日变化分析

从图3可以看出，在各处理下，无论是膜内还是膜外，0～100 cm深度各层土壤温度在5月上旬处于低温水平，从5月下旬开始在波动中上升，大约在6月中旬达到峰值，之后基本维持在较高的水平，尽管有所波动但波动幅度逐渐减小，形状趋于平缓。土壤温度整体上升主要是受太阳辐射和大气温度的影响。各土层温度变化波动趋势与大气温度逐日变化趋势基本保持一致，且大气温度的影响随土壤深度的增加而减弱。土壤温度呈现上述变化规律是地表吸收和散失热量的结果，土壤表层热量变化向下传递需要一定的时间，因此地表的土壤温度变化较剧烈，深层土壤温度趋于平缓[18]。

根据葡萄根系生理特性研究表明葡萄属于喜温植物，土壤温度维持在13～35 ℃之间，有利于葡萄根系的生长、土壤养分的吸收以及糖分的积累[28]。从图3中可以看到，在各处理下，无论膜内土壤温度还是膜外土壤温度均在14～33 ℃之间波动，膜内土温均值与膜外均值相差不大，但是灌水(晚上)后，表层土壤温度会急剧下降，膜内和膜外土壤温度均下降，这可能是土壤含水率增加、夜晚降温、水汽凝结吸收热量等因素影响。待灌水48 h后，土壤内水分重分布结束，在太阳辐射的作用下，温度逐渐上升，膜内土壤温度与膜外波动趋势一致，灌水的影响基本消除，这是由于滴灌是局部灌溉，灌水后膜内土壤温度降低，在太阳辐射热量和膜内外温度势作用下，膜内外土壤温度很快达到平衡。孙贯芳等[13]研究发现膜内土壤温度受灌溉影响较大，灌水后越接近地表土壤温度下降幅度越大，地表5 cm土壤温度2～3 d恢复至灌前水平，而膜外基本不受灌溉影响。本研究发现膜外表层土壤温度受灌溉影响，与孙贯芳等研究有所不同，可能是由灌水量和观测点位置等因素引起。

图3 不同处理下葡萄生育期内土壤温度时空变化分布图

处理0～20 cm20～40 cm40～60 cm60～80 cm80～100 cm开沟模式膜内F0.2480.1260.1230.4220.017Sig.0.5940.7230.7260.4930.898膜外F3.3230.0730.5510.1640.011Sig.0.0690.4490.4580.6860.916灌水量膜内F21.70010.1003.0462.6861.862Sig.0.0000.0000.0000.0490.157膜外F4.1023.1220.6680.0790.346Sig.0.0170.0450.5130.8240.708

注：**显著性水平为0.05。

2.2 不同灌水处理对土壤温度的影响

由表3的方差分析结果可知，不同灌水处理对膜内0～60 cm土层土壤温度影响差异显著，对膜内60～100 cm土层土壤温度影响差异不显著，对膜外0～40 cm土层土壤温度影响差异显著，对膜外其余各土层土温影响差异不显著。陈丽娟等[11]通过研究覆膜和水分双重因子对土壤温度的影响，发现15 cm土层以下水分因子对土壤温度的变化起主导作用。本文研究结果与陈丽娟等人研究结果相似。

从表4可知膜内0～20、20～40 cm土层土温随着灌水量的增加而降低，在0～20 cm土层，灌水量为4 575 m3/hm2时土温显著高于5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2处理下的土温，比灌水量为5 100 m3/hm2时高2.5 ℃，比灌水量为5 625 m3/hm2时高2.9 ℃；在20～40 cm土层，灌水量为4 575 m3/hm2时土温显著高于5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2处理下的土温，比灌水量为5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2时均高约1.8 ℃；而在40～60 cm土层，土温与灌水量之间的变化关系则与0～20 cm、20～40 cm土层呈现的规律不同，土温随灌水量的增加而增加，灌水量为5 625 m3/hm2时土温显著高于4 575 m3/hm2和5 100 m3/hm2处理下的土温，高约0.36 ℃。膜外0～20 cm、20～40 cm土温随灌水量的增加而增加；在0～20 cm土层，灌水量为5 100 m3/hm2处理下，土温比4 575 m3/hm2处理时高0.95 ℃，5 625 m3/hm2处理下，土温比4 575 m3/hm2处理时高1.26 ℃；在20～40 cm土层，灌水量为5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2时，土温比4 575 m3/hm2处理时高约1 ℃。这是由于灌水量较小时，膜内浅层土壤水分含量低，在膜内外水汽交换作用下，膜内浅层土壤温度能保持在较高水平，土壤水分在垂向运移速率快，能够很快地将表层土壤热量传递到深层土壤，使深层土壤温度增加。而灌水量较大时，表层土壤含水量较高，由于水的比热容值较大，在太阳辐射和膜内外水汽交换作用下，表层土温比灌水量较小时波动幅度小升温缓，而深层土壤由于含水量高，土壤热量不易散失；同时水分沿水平方向扩散快，能够使膜外土壤含水量大，而由于水分的比热容较大，故能够使膜边主根区范围(0～60 cm)土壤温度维持在较高水平。

表4 不同灌水处理下土壤温度的统计特征

2.3 不同开沟模式对土壤温度的影响

由表3的方差分析结果可知，无论膜中还是膜外，采用不同开沟模式对其0～100 cm深度各土层土壤温度影响差异并不显著，但是从表5分析可知，随着开沟宽度的增加，膜内各土层温度均增加约0.04～0.21 ℃，膜外各土层温度均增加约0.04～0.28 ℃，说明适当增大开沟宽度可以提高膜内土壤温度，使覆膜的保温保墒作用更明显，同时可以增加膜边土壤温度，有利于水分、养分向膜边运移，有利于根系在水平方向的生长。