不同控光与灌水量对滴灌玉米田间土壤温度变化规律的影响

任作利,王振华,,李文昊,,张继峯,, 杨文杰,,贾哲诚,,丁怀军,李 宁

(1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000；3.新疆生产建设兵团灌溉中心试验站，乌鲁木齐 830000)

玉米作为中国主要粮食作物之一，2016年全国玉米种植面积达3678.6×104hm2，玉米总产量达2.20×108t，占总粮食产量的35.6%[1]，2015年新疆玉米总量达705.05×104t，在中国粮食产量中占举足轻重的作用。近几十来，受气候变化的影响，全球太阳总辐射量和光合有效辐射总体呈下降趋势[2]，平均每10a降低1.4%～2.7%。1960-2000年，国内的太阳总辐射量每10a下降4.5W/m2，有效的日照时数平均每10a减少1.28%[3]。土壤温度主要来自太阳辐射，土壤温度变化与太阳辐射的变化呈正相关[4]，因此，研究玉米大田土壤温度的变化对玉米的生长意义重大。

土壤温度是影响作物种子发芽、根系生长发育、微生物活性及土壤肥力的重要因素[5]，土壤中水分和气体的运动、无机盐的溶解和养分的转换等都受温度影响[6]。土壤温度的升降主要取决于土壤热容量和导热性，土壤热容量的大小主要取决于土壤中的水分和有机质含量；土壤含水率小，导热率小，土壤湿润时，导热率大[7]。因此，土壤水分对土壤温度的变化起决定作用。

目前，对土壤温度的研究主要集中在不同覆盖方式、耕作方式、灌溉方式以及土壤水分对土壤温度的影响上。已有研究表明，覆膜后减少了棵间蒸发，还具有增温保温作用[8-9]。覆膜后土壤温度升高，对作物种子的萌芽及根系生长发育具有重要作用[10-12]。张欢[13]、员学锋等[14]对免耕条件下秸秆覆盖对土壤水热效应的研究表明，免耕条件下秸秆覆盖处理土壤含水率明显高于对照。韩丙芳等[15]研究表明，灌水后土壤温度降低。孙贯芳等[16]研究用黄河水灌溉、井水灌溉、滴灌3种灌溉方式对土壤温度的影响。作物根区土壤温度变化1℃就会使作物生长发育发生显著变化[17]，王立华等[18]、王会肖[19]、康绍忠等[20]、赵锦[21]及尹海霞等[22]研究认为作物根区温度越大根系对土壤养分的吸收就越大。以上研究都表明土壤温度直接影响作物根系生长发育、根系对养分的吸收，从而影响作物生长发育。

太阳辐射是土壤热量的主要来源，而土壤含水率的大小影响土壤温度的变化，所以本试验通过对比不同控光与灌水量条件下膜下滴灌玉米大田土壤温度的变化规律，揭示光照强度与灌水量对玉米大田土壤温度变化规律的影响，为探究适宜作物生长的水温和膜下滴灌技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年5-9月在乌鲁木齐市头屯河区五一农场兵团灌溉中心试验站进行。五一农场位于准葛尔盆地南缘，天山北坡，地处东经87°19′52″～87°27′23″，北纬43°55′52″～44°03′10″。气温属于中温带大陆性半干旱气候区，一年内温度变化幅度大，年平均气温6.5 ℃，≥10 ℃积温 3 400 ℃。年平均降水228.8 mm，年蒸发量 2 647 mm，日照2 800 h，风向主要是西北风和东南风，无霜期150～160 d。供试土壤为壤土，玉米播种前用环刀测定土壤体积质量和田间持水率(表1)。2018年5-8月试验站气象要素见图1。

表1 试验地土壤体积质量和田间持水率Table 1 Soil bulk density and field water holding capacity

图1 2018年5-8月试验站气象要素Fig.1 Meteorological elements of test stations from May 2018 to August

1.2 试验区布置

本试验供试玉米品种为新疆主播品种‘新玉9号’，采用1膜2管2行种植方式，滴灌带选用新疆天业单翼迷宫式滴灌带，内径为16 mm，壁厚0.18 mm，滴孔间距300 mm，滴头流量2.8 L/h 滴灌工作压力水头5～10 m。在玉米株间每隔10 cm、20 cm、30 cm、45 cm、60 cm 深埋入水温传感器。控光小区采用钢管和设计规格的遮阳网搭设高2.5 m的遮阴棚，遮阴棚下方留1 m高的通风口，确保遮阴棚里小气候环境与外界有良好的气体交换。试验布置方式见图2。

1.3 试验设计

设置控光与灌水量2因素，控光设正常光照(0%的遮光率)、轻度控光(20%遮光率)、中度控光(50%遮光率)和重度控光(70%遮光率)4个处理(分别记为L1、L2、L3、L4)；灌水量设为 3 000、3 750、4 500和5 250 m3/hm24个处理(分别记为W1、W2、W3、W4)，共7个处理，重复3次(表2)。试验小区面积49 m×3.6 m=176.4 m2。施肥量按照当地经验及相关文献，采用N∶P∶K=1∶0.39∶0.2(质量比)的比例[22-24]，尿素270 kg/hm2、磷酸脲105 kg/hm2、硫酸钾60 kg/hm2，每个小区均单独安装施肥罐，每次滴灌1 h后将肥料完全溶解于施肥罐，肥随水入，全生育期灌水8次。玉米整个生育期划分为5个阶段，苗期(5月10日-6月11日)、拔节期(6月11日-7月15日)、抽雄吐丝期(7月15日-8月1日)、灌浆期(8月1日-8月22日)和完熟期(8月22-9月10日)。

1.4 测定项目与方法

试验区气象资料由试验站WatchDog小型气象站观测所得。土壤含水率和土壤温度采用邯郸市丛台益盟电子有限公司生产的YM-01 智能多点土壤温湿度记录仪观测，观测深度为10 cm、20 cm、30 cm、45 cm、60 cm，定时测定，每隔15 min记录1次。图3为处理W2L1、W2L2、W2L3和W2L4田间小气候环境的平均日气温变化规律。

图2 试验布置方式Fig.2 Layout of test

处理代码Treatment code光照处理Light treatment灌溉定额/(m3/hm2)Irrigation quota各生育期灌水量/(m3/hm2)Irrigation volume at different growth stages苗期Seedling stage拔节期Jointing stage抽雄期Male stage灌浆期Filling period完熟期Mature period灌水次数Irrigation timesW1L1遮光率0% Obscuration 0%3 0003757507501 1253758W2L1遮光率0% Obscuration 0%3 7504659309301 3954658W3L1遮光率0% Obscuration 0%4 5005551 1101 1101 6655558W4L1遮光率0% Obscuration 0%5 2506601 3201 3201 9806608W2L2遮光率20% Obscuration 20%3 7504659309301 3954658W2L3遮光率50% Obscuration 50%3 7504659309301 3954658W2L4遮光率70% Obscuration 70%3 7504659309301 3954658

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2013对数据进行处理；应用SPSS Statistics 18.0 统计软件进行分析，用Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 生育期内土壤温度变化

2.1.1 不同控光条件下土壤水温的变化 全生育期内控光处理较对照0～60 cm深平均土壤温度差异极显著(P<0.01)，处理W2L1与W2L2、W2L3和W2L4温差可达1.8 ℃、2.3 ℃和2.9 ℃左右。控光后不同程度的遮阴使田间小环境气温显著下降，由图3知，控光后W2L2、W2L3和W2L4处理田间小环境气温较W2L1处理日平均气温分别降低3%、8.3%和15.3%。由图4知，随着生育期的推进，W2L1与W2L2、W2L3和W2L4处理的温差呈递减趋势，差异性显著 (P<0.05)。处理W2L1全生育期呈斜率 -0.045线性变化，而控光处理以斜率为-0.014呈线性变化。

图3 不同控光处理田间小气候环境气温Fig.3 Different light treatments for field microclimate and ambient air temperature

图5为不同控光处理下玉米大田0～60 cm深土壤含水率的变化。从图中可以看出，控光条件下，处理W2L1、W2L2、W2L3和W2L4在0～40 cm深土壤含水率变化剧烈，各处理差异显著(P<0.05)，各处理变化幅度分别为5.5%、 5.2%、4.3%和3.8%；处理W2L2、W2L3和W2L4较处理W2L1土壤含水率分别增大了 5.1%、 11.2%和14.4%。控光处理主要影响 0～40 cm深的土壤含水率变化，对40～60 cm深土壤的影响较小，控光程度越大，对土壤含水率的影响越大，土壤含水率的波动性越小。

图4 不同控光条件下0～60 cm深土壤平均温度变化Fig.4 Variation of 0-60 cm deep soil mean temperature under different light control conditions

图柱上不同小写字母表示各处理间的相关性(P<0.05)，下同 Different lowercase letters indicate the correlation between different treatments(P<0.05),the same below

图5 不同光照条件下土壤含水率的变化
Fig.5 Changes of soil moisture content underdifferent illumination conditions

2.1.2 不同灌水量条件下土壤温度的变化 由图5知，控光处理主要影响0～40 cm深土壤含水率的变化，因此对玉米全生育期0～40 cm深土壤含水率和土壤温度的变化规律进行分析(图6)。从图6可以看出，土壤温度与土壤含水率呈负相关关系， 0～30 cm土壤温度受土壤含水率的影响较大，40 cm深的土壤温度变化幅度较小。

全生育期内不同灌水量下玉米大田0～60 cm深土壤平均温度变化如图7所示。由图7可知，随着灌水量的递增各处理平均温度W1L1>W2L1>W3L1>W4L1，处理W2L1、W3L1和W4L1较处理 W1L1分别降低2.4%、4.1%和 5.9%。在7月之前，由于气温的升高，以及玉米植株小、叶片较少、叶面积较小，地面受太阳辐射直接作用强，太阳能转换成热能积累于土壤，所以7月之前，0～60 cm深土壤平均温度有略微升高的现象，随着时间的推进，玉米植株生长茂盛，叶面积增大，削弱了太阳辐射对土壤的直接作用，平均温度总体以斜率为-0.39的趋势降低。

2.2 土壤温度的日变化

2.2.1 灌水前后10 cm深处土壤温度变化 由于10 cm深处土壤温度受外界因素影响最显著，所以选取W1L1处理7月1日灌水前1 d和后 1 d 10 cm深处土壤温度变化进行对比分析。从图8可以看出灌水前1 d和后1 d土壤温度差异极显著(P<0.01)。灌水前土壤温度日变幅可达 5.25 ℃，灌水后日变幅仅2.95 ℃，灌水前后土壤日平均温差为2.8 ℃。从图8可以看出，灌水前土壤温度的升高和降低幅度大，灌水后土壤温度的升降较平缓。可见，土壤温度日变幅的大小取决于土壤含水率的大小，土壤含水率越大，土壤导热率越大，土壤温度的变化较缓和；反之，当土壤含水率较小，其热容和导热率小，土壤温度升高和降低变化明显。

2.2.2 不同控光与灌水量条件下土壤温度的日变化 图9为7月8日不同灌水量条件下不同深度土壤温度日变化规律，由图可以看出，10、20和30 cm深的土壤温度日变化较大，45和60 cm深处土壤温度基本趋于稳定，变化不显著。 11:12′:35″-18:12′:35″土壤温度处于升温过程，随着灌水量的递增，土壤温度升高速率减小。W1L1、W2L1、W3L1和W4L1处理10 cm深处各处理之间最高温温差依次为1.25 ℃、0.7 ℃、0.5 ℃；20 cm深处各处理之间最高温温差依次为1 ℃、-0.3 ℃、 0.75 ℃；30 cm深处各处理之间最高温温差依次为0.2 ℃、0 ℃、0 ℃。可以看出，除了处理W1L1与W2L1最高温温差较大外，W2L1、W3L1和W4L1之间温差都较小，且随着灌水量的增大温差逐渐减小。W1L1处理10 cm和20 cm深处的土壤温度日变幅较大，30cm深处日变化趋势较平缓， W2L1、W3L1和 W4L1处理10 cm深处的土壤温度日变化幅度较大， 20 cm和30 cm深处日变化趋势较平缓。

图6 不同深度土壤温度与土壤含水率的变化关系Fig.6 The relationship between soil temperature and soil water content at different depths

图7 不同灌水量条件下0～60 cm深土壤平均温度变化Fig.7 Average temperature change of 0 to 60 cm deep soil under different irrigation conditions

图8 7月3日灌水前后10 cm深土壤温度日变化Fig.8 Daily variation of soil temperature in the depth of 10 cm before and after irrigation in July 3th

图9 7月8日不同灌水量不同深度土壤温度日变化Fig.9 Daily variation of soil temperature at different depths of irrigation in July 8th

图10为7月8日不同控光条件下不同深度的土壤温度日变化规律。由图知，同一灌水量不同控光条件下土壤温度按处理W2L1、W2L2、W2L3、W2L4依次递减，W2L1处理温度明显比W2L2、W2L3和W2L4处理高， 10 cm深处W2L1处理比W2L2、W2L3和W2L4处理的土壤日最高温分别升高6.75 ℃、5.7 ℃和4.57 ℃，说明遮阴处理对土壤温度影响明显，而W2L2、W2L3和W2L4处理之间土壤日最高温温差较小，分别为1.05 ℃和1.03 ℃。不同控光程度下10 cm深处土壤温度日变化幅度较大，且温度上升下降相比于W2L1处理都比较缓和，20 cm和30 cm深处土壤温度日变化趋势平缓且变幅不大，45 cm和60 cm深度土壤温度趋于稳定几乎不受太阳辐射的影响。

土壤温度随着灌水量和控光程度的增加出现较气温滞后的现象，不同灌水量和不同控光程度下土壤温度随着土壤深度的增加也出现明显滞后现象。控光处理后10 cm和20 cm深处土壤温度日变化受气温影响最大，30 cm 深处土壤温度日变化微弱，45～60 cm深处土壤温度基本趋于稳定，故以7月8日各处理10cm和20cm深处土壤日最高温的时刻进行分析(表3)，7月8日当天最高气温出现在16:00，W1L1、W2L1、W3L1和W4L1处理在10 cm深处最高温较当日最高气温分别滞后约1 h、2 h、3 h、4 h；在20 cm深最高温较当日最高气温分别滞后2 h、4 h、5 h、6 h左右，W2L2、W2L3和W2L4处理在10 cm深处最高温较当日最高气温分别滞后3 h、2 h、1 h、左右；在20 cm深处最高温较当日最高气温分别滞后 4 h、3 h、2 h左右。

图10 7月8日不同控光条件下不同深度土壤温度日变化Fig.10 Diurnal variation of soil temperature at different depths under different light control conditions on July 8th

用0:00-23:00整点温度拟合各处理10 cm、20 cm深处土壤温度日变化特征曲线，无论是不同灌水量条件还是不同控光条件下，不同深度土壤温度日变化按一元三次函数曲线变化(表3)。

用SPSS 20.0对不同处理不同深度土壤日平均温度进行相关性分析，从表4可以看出，同一光照条件下，各处理随着灌水量的递增，对土壤温度的影响程度也递增，但各处理之间温差梯度逐渐减小。不同程度的遮阴处理对土壤温度的影响都较大，但控光后各处理只有10 cm深处土壤温度日变幅较大。可见，控光处理对土壤温度响应影响较大。

表3 不同灌水量和控光条件下不同深度土壤温度变幅特征Table 3 Variation characteristics of soil temperature at different depths under different irrigation and light control conditions

表4 不同灌水量与控光条件下不同深度不同处理日平均温度变化Table 4 Variation of average daily temperature under different irrigation and light controlled conditions at different depths ℃

注：不同字母表示处理间差异显著，小写字母表示同一处理不同深度土壤温度相关性，大写字母为同一深度不同处理土壤温度相关性。

Note:Different letters indicate significant differences between treatments.Lowercase letters indicate the correlation of soil temperature at different depths of the same treatment,and uppercase letters indicate the correlation of soil temperature at different depths of the same treatment(P<0.05).

表5 不同处理0～60 cm深土壤日平均温度F检验Table 5 F test of daily average temperature of 0 to 60 cm deep soil in the same treatment

注：Note:*P<0.05，**P<0.01.

从表5可以看出，不同灌水量和光照条件对0～60 cm深的土壤温度都产生显著影响，同一灌水量下控光处理较正常光照处理0～60 cm深的土壤温度有极显著差异(P<0.01)。

3 讨 论

不同灌水量条件下玉米全生育期0～60 cm深土壤平均温度变化在7月之前有微升趋势，一方面是由于，7月之前玉米植株较小，叶片数量少，对土壤覆盖率小，受太阳辐射直射强度大，土壤积温多；另一方面是由于5-7月气温升高。7月以后土壤平均温度有所下降，一方面是随着时间的推进植株生长茂盛，叶片数量增多，对地面的覆盖率增大，阻碍了太阳辐射对土壤直射[25]；另一方面是由于玉米拔节期以后需水量大，灌水次数增加，导致土壤含水率增加，土壤温度降低。没有明显上升或下降趋势。玉米全生育期内遮阴处理显著影响田间小气候环境，使得控光各处理小气候环境温度明显降低，且遮阳网减小了太阳辐射对土壤的直射作用，导致土壤对气温的响应程度变小，所以控光后玉米全生育期土壤平均温度变化平缓。

正常光照下土壤温度日变幅较大，控光条件下土壤温度日变幅较平缓，控光后10 cm深处土壤温度日变化明显，但较正常光照下日变幅明显减弱；20 cm深处以下更是日变化微弱，控光使得田间土壤温度变化较缓和，日突变不明显。正常光照下土壤含水率越小土壤温度日变幅越大，这是由于土壤含水率小的土壤较干燥，土壤中含有大量气体，导致土壤热导率和土壤热容较小，这种土壤升温和降温都比较快，对气温的响应较明显；反之，土壤热容和热导率较大，对气温的响应较迟缓，土壤温度的升高和降低较缓慢，且土壤温度达到日最高温的时刻有所滞后。控光条件下，遮阳网隔断了太阳辐射对土壤的直接影响，田间小气候使温度比外界明显降低，减小了棵间蒸发，增大了土壤含水率，从而降低土壤温度。

膜下滴管玉米拔节期根系主要分布于0～20 cm 土层，抽穗灌浆期主要分布于0～40 cm 土层，成熟期主要分布于0～60 cm[26]。所以，研究0～60 cm土壤温度的变化有助于调节土壤温度，使玉米主根系生长的土层温度达到最适宜生长的水平。本试验研究结果表明，土壤含水率和光照强度的不同都对0～30 cm深的土壤温度有明显影响，土壤含水率与土壤温度呈负相关，这与前人研究结果一致[27]，这是因为土壤热导率和热容量直接影响土壤日变化，当相等的热量进入土壤后，热容量大的土壤，其温度升高幅度小，热容量小的土壤，其温度升高的幅度大[28-30]。

以上不同控光和灌水量条件下玉米大田土壤温度全生育期变化和日变化规律表明，灌水量和控光对土壤温度都有显著影响，特别是灌水前后和遮阴后土壤温差很大。孙贯芳等[16]研究表明膜下滴灌较地面灌溉(黄灌、井灌)对气温变化响应迅速，灌溉水源不同，水的温度也不同，滴灌后对土壤温度的影响也不同。通过滴灌玉米不同控光和灌水量处理试验，研究水光对玉米生长与水分利用效率的协同调控，为调节玉米大田土壤温度，使玉米根系生长在适宜温度有重要意义。前人对水源温度及灌水量对土壤温度的影响做过大量研究，但对光照强度对土壤温度的影响研究较少，所以对于灌水与光照对大田土壤温度变化规律的影响还需进一步研究，研究灌水量、水源温度、光照强度对大田土壤温度的相互作用，结合计算机数值模拟，分析土壤温度日变化及全生育期变化下作物生长发育的变化规律，从而调节土壤水、肥、热，优化膜下滴灌水肥一体化制度。本研究为以后指导生产实践和田间管理提供理论 依据。

4 结 论

正常光照条件下灌水量对土壤0～30 cm深处的温度影响较大，随着灌水量的增大，土壤温度对气温的响应程度降低，土壤含水率与土壤温度呈负相关。控光处理后，土壤温度平均降低了 2～4 ℃，与正常光照处理差异极显著 (P<0.01)，控光各处理土壤平均温差0.8 ℃左右，控光处理后只有10 cm深处的土壤温度日变幅较大，20～30 cm深处日变化平缓。控光后土壤含水率显著高于正常光照处理，控光程度越大，土壤温度日变化越小，土壤含水率越大，土壤日平均温度越低。灌水前后土壤温度变化剧烈，灌水前一天和后一天温差在4 ℃左右。