冬小麦生长期土壤耕层温湿度和地表、冠层温度变化特征及其相互关系

陈晓萍， 曹雪仙， 陈文伟， 唐旭

(1.天台县农业技术推广总站，浙江 台州 317200； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

温度是影响植物生长的主要生态因子，气温对植物的生理效应早已受到普遍重视[1-2]，但由于植物生长在土壤中，因此，植物的生长发育可能对土壤温度更加敏感，而且土温控制着土壤中的生物化学过程，直接影响作物光合作用、营养物质的转移和二氧化碳吸收等许多生理过程[3-7]。但是土壤温度受到实际气象条件、地形、土壤质地、地表植被类型及冠幅、土壤水分等诸多因素的共同影响，是大气与陆地表面水热循环共同作用的结果。相对于气温，土壤温度的观测和资料的获取更加复杂和繁琐。目前由于当地气象台站和试验地地理位置不同，所获得的观测数据通常难以满足生产和研究工作的需求。虽然利用曲管地温表[8-10]能原位监测土壤温度变化，但缺乏连续性和系统性。Liu等[11]利用带温度探头的数据采集器(CR1000)原位连续监测2012年7月1日—10月31日4个月每月20日8：00、14：00和22：00时间点稻田不同土壤深度的温度来研究施用生物炭对冷浸田土壤温度的影响。陈继康等[12]采用铜-康铜热电偶分别测定气温及土壤埋深2.5、5、10、20、40和80 cm处土壤温度，每10 min测定1次，30 min进行平均，利用CR10X型数据采集仪自动记录检测数据来研究华北平原不同耕作方式冬小麦田土壤温度日变化及其对气温的响应特征。上述的研究表明，随着科技的发展，利用现代的土壤温度数据采集器能够实现原位、连续监测的目的，但还缺少更多佐证。

冬小麦是我国主要的农作物之一，2020年中国小麦播种面积2 338万hm2[13]。了解冬小麦生长期土壤温度和湿度时空特征对冬小麦养分管理非常重要。但目前国内缺乏对冬小麦生长期环境温湿度进行实时连续监测和系统化、定量化研究，因此，本研究在浙江省天台县利用温湿度仪原位实时同步监测麦田冠层、地表和土壤耕层温度及其土壤耕层湿度，研究作物整个生长期土壤温湿度与冠层温度和地表温度的关系及其变化规律，为冠层和地表温度应用于麦田墒情监测以及为冬小麦生产和管理提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 监测地点

研究区设在浙江省台州市天台县街头镇湖酋村(29°5′53″N，120°47′20″E)。试验地区以低山、丘陵地貌为主。气候属于中亚热带季风气候区，又因四周山体环绕，中间低平，而小区域气候特征显著，带有一定的盆地气候特征。年平均气温16.8 ℃，年降水量1 300～1 600 mm，年无霜期238 d，年日照时数1 875.3 h。试验地块农田排灌便利，土壤质地为砂质壤土，粒径≤0.002 mm的土壤占4.32%，耕层土壤(0～20 cm)pH 4.77、有机质含量为18.4 g·kg-1、全氮含量为1.23 g·kg-1、碱解氮含量为115.7 mg·kg-1、有效磷含量为15.0 mg·kg-1、速效钾含量为111.9 mg·kg-1。

监测点前茬作物为水稻，冬小麦于2019年11月23日播种，莅年5月13日收获，生育期172 d，供试冬小麦品种为苏麦188号。冬小麦氮(N)、磷(P2O5)和钾(K2O)肥施用量分别为150、65和102 kg·hm-2，磷钾肥作基肥一次性施入。氮肥分3次施用，基肥、分蘖肥和孕穗肥各占40%、40%和20%。氮肥用尿素(46%)、磷肥用钙镁磷肥(12%)、钾肥用氯化钾(60%)。田间管理按当地常规栽培措施进行。

1.2 数据采集

将数据采集器(捷克Tomst TMS-4)插到土壤中每隔15 min采集一次冠层(6 cm)、地表(0 cm)温度和地表下6 cm耕层温度和湿度(体积含水率)数据。

1.3 统计分析

监测数据采用Excel软件进行整理，并采用SAS统计软件对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 时空变化

在冬小麦播种后，收获前(2019年11月23日—2020年5月13日)土壤耕层温度在6.56～22.6 ℃，172 d平均温度为12.8 ℃(图1)。每日温差在0～4.50 ℃，平均日温差为2.18 ℃。整个生长期最低温度出现在2020年2月1日8：00(6.56 ℃)，而最高温度出现在2020年5月4日15：00(22.6 ℃)，温差为16.0 ℃。整个生育期土壤耕层温度均在0 ℃以上。

图1 土壤耕层温度的时空变化

在小麦生长期地表土壤温度在0.06～32.5 ℃，平均温度为12.5 ℃(图2)。比耕层平均温度低0.3 ℃(图1)。日温差在0.69～15.9 ℃，平均日温差7.15 ℃，比土壤耕层高4.97 ℃。整个生长期最低地表温度出现在2019年12月8日7：00(0.06 ℃)，最高地表温度出现在2020年5月4日13：00(32.5 ℃)，温差32.4 ℃，比耕层相应温差值(16.0 ℃)高16.4 ℃。与土壤耕层温度相比，地表温度易受到气温等外界环境因素的影响，而耕层温度变化比较平缓，温差相对较小。图3数据表明，土壤耕层温度与地表温度呈极显著正相关(R2=0.932 4**)，土壤耕层温度随地表温度变化而上下波动。整个生育期土壤地表温度也均在0 ℃以上。

图2 土壤地表温度的时空变化

小麦冠层温度在-5.31～40.9 ℃，平均冠层温度为11.7 ℃(图4)，比土壤耕层和地表相应温度分别低1.1 ℃和0.8 ℃。日温差在1.38～24.6 ℃，平均日温差为12.4 ℃，比土壤耕层和地表相应温度平均值高10.2和5.25 ℃。整个生长期最低温度出现在2020年2月1日6：00(-5.31 ℃)，最高温度出现在2020年5月4日13：00(40.9 ℃)，温差46.2 ℃，比土壤耕层和地表相应温差分别高29.4和13.0 ℃。与土壤耕层和地表温度相比，冠层温度更易受到外界因素的影响，温差变化大。在整个生长期有26 d最低温度低于0 ℃。图3数据表明，土壤耕层温度与冠层温度也呈极显著正相关(R2=0.965 6**)，而且从相关系数上看，土壤耕层温度与冠层温度关系更为紧密。

图3 小麦生长期土壤耕层温度与地表、冠层温度间的关系

图4 冠层温度的时空变化

整个生育期土壤耕层湿度在26.9%～55.1%，平均湿度44.5%。日湿度差在0.10%～20.7%，平均湿度差1.79%(图5)。整个生长期最低湿度出现在2020年4月20日19：00，而最高湿度出现在2020年2月15日19：00，湿度差为28.2%。土壤耕层湿度与土壤耕层、地表和冠层温度均呈极显著负相关(图6)，随着温度的提高，湿度显著降低。从相关系数上看，土壤耕层湿度与冠层温度(R2=0.204 4**)，关系更为密切，其次是土壤耕层温度(R2=0.191 7**)和地表温度(R2=0.184 6**)。

图5 土壤耕层湿度的变化

图6 土壤耕层湿度与土壤耕层、地表和冠层温度间的关系

2.2 月变化

在小麦播种的11月，土壤耕层温度月平均值为14.8 ℃，出苗后温度慢慢下降，到了莅年1月份降到最低点10.4 ℃，然后温度开始升高，小麦也开始进入孕穗抽穗期，到了5月小麦进入成熟期，温度达到最高值，平均20.8 ℃(图7)。每月温差在4.25～10.1 ℃，平均8.18 ℃。最大温差出现在12月份(10.1 ℃)，5月份温差最小(4.25 ℃)。土壤地表温度月变化趋势与耕层的相似，在小麦进入成熟期的5月份平均值最高，为21.9 ℃，而1月份温度最低，平均温度只有9.23 ℃。但月温差在13.6～25.3 ℃，平均19.3 ℃，远高于土壤耕层月温差值。与耕层温度月变化相似，最高月温差也出现在12月份(25.3 ℃)，而在3月份温差最小(13.6 ℃)。冠层月平均温度也是在5月份最高，为22.5 ℃，而1月份温度最低，平均为7.86 ℃。月温差在26.1～35.6 ℃，平均30.4 ℃。温差最大是在2月份(35.6 ℃)，而在5月份温差最小(26.1 ℃)。与温度的变化趋势相反，在11月份耕层土壤湿度月平均值为39.1%，然后慢慢上升，2月份达到最高值，为49.7%，而后开始下降，到4月份又降低到39.1%，然后再上升。每月湿度差在9.62%～25.4%，整个生长期平均月湿度差为16.7%。湿度差最大是在4月份(25.4%)，而在11月份最小为9.62%。

图7 土壤耕层温度、地表温度、冠层温度和土壤耕层湿度月平均值、最高最低及其温度差

2.3 日变化

在一天(24 h)中土壤耕层温度在早上8：00左右最低(平均温度为12.3 ℃)，随后上升，到下午16：00达到最高值(平均12.3 ℃)，而后慢慢下降(图8)，日温差为1.68 ℃。地表温度在6：00左右最低(平均10.2 ℃)，比耕层最低温度值提前2 h出现，随后温度上升，到13：00达到最高值(平均16.3 ℃)，比耕层温度最高值提前3 h出现，然后温度慢慢下降(图8)。一天中土壤地表平均温差6.1 ℃，比土壤耕层温度相应差值高4.42 ℃。冠层温度在早上5：00左右最低(平均7.85 ℃)，比耕层最低温度值提前1 h出现，随后温度上升，与地表温度规律相同，整个生育期冠层温度日最高值出现在13：00，平均温度高达18.0 ℃，然后慢慢下降(图8)。冠层温度日最高与最低平均差值为10.2 ℃，比土壤耕层和地表温度相应差值分别高8.52和4.1 ℃。但是与温度变化规律相反，耕层湿度在早上6：00左右最高(平均44.8%)，随后下降，到17：00达到最低(平均44.3%)，再慢慢上升。但一天中土壤耕层湿度差值很小，仅为0.45%(图8)。

图8 一天中每小时耕层、地表、冠层温度和耕层土壤湿度变化

3 小结与讨论

在冬小麦生长期，土壤耕层平均温度高于地表和冠层温度，但日温差低于地表和冠层的温差，冠层温度受气温影响更大，而耕层温度更稳定。在5月，土壤耕层、地表和冠层温度均最高，而12月份土壤耕层和地表温度最低(冠层温度1月份最低)。在一天中冠层温度在早上5：00温度最低，地表温度最低值出现时间推迟了1 h，而耕层温度的日最低值在8：00，推迟了3 h。随后温度慢慢上升，到13：00冠层和地表温度达到最高值，而耕层温度最高值出现时间推迟到16：00。同样延迟了3 h。土壤湿度变化规律正好与温度变化趋势相反，2月份土壤湿度最高，而4月份湿度最低。在一天中耕层湿度在6：00左右最高，到17：00达到最低值。土壤耕层温度与冠层和地表温度呈极显著正相关关系，且与冠层温度变化更为紧密。土壤耕层湿度与土壤耕层、地表和冠层温度呈极显著负相关关系。