開溝覆膜滴灌條件下 葡萄生育期土壤溫度變化研究

陸華天，劉洪光

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引 言

膜下滴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用大大加快了新疆節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水增產(chǎn)高效的目的[1]。但是，膜下滴灌灌溉用水量小，且部分灌溉用水礦化度高，土壤鹽分在外界強(qiáng)烈蒸發(fā)條件下較容易在表層聚集，致使產(chǎn)生更加嚴(yán)重的土壤次生鹽化危害[2]。針對(duì)膜下滴灌技術(shù)的鹽分表聚、累積以及在重鹽堿地上的使用問題，劉洪光等[3, 4]提出了一種調(diào)控田間鹽堿的新技術(shù)——開溝覆膜滴灌技術(shù)(示意圖如圖1)。開溝覆膜滴灌技術(shù)是在覆膜滴灌技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加開溝技術(shù)，將作物種植在膜下的壟溝里，由于覆膜抑制蒸發(fā)，而裸地蒸發(fā)強(qiáng)烈，鹽分隨著土壤水分蒸發(fā)不斷向裸地表層土壤聚集，通過調(diào)控使鹽堿與作物根區(qū)土壤局部分離，為作物根區(qū)創(chuàng)造一個(gè)適宜的鹽分環(huán)境，滿足作物生長(zhǎng)的需要[2,3,5]。

土壤溫度是土壤環(huán)境的重要參數(shù)之一，作為影響作物生長(zhǎng)的重要因素，其對(duì)作物的影響機(jī)制一直是研究的重點(diǎn)[6-11]。土壤熱量主要源自太陽輻射,土壤熱量收支和熱性質(zhì)的不同導(dǎo)致了溫度的變化[12]。膜下滴灌條件下，土壤中的熱量分布規(guī)律與傳統(tǒng)的大水漫灌相比，呈現(xiàn)出不同的時(shí)間和空間規(guī)律[10]，膜下滴灌土壤溫度受氣溫、玉米葉面積指數(shù)、灌水及土壤含水率共同作用[13]。陳麗娟等[11]研究了不同水分虧缺水平對(duì)土壤溫度變化特征的影響，結(jié)果表明不同水分處理對(duì)土壤溫度的影響差異較大。袁晶晶等[14]通過研究膜下滴灌棉田地溫時(shí)空變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在棉花不同生育期導(dǎo)致地溫變化的主要影響因子不同，在棉花苗期，地溫主要影響因子為覆膜，在蕾、花鈴期為植株覆蓋及土壤含水量，而在吐絮期則為植株覆蓋。此外，很多學(xué)者針對(duì)小麥、玉米、棉花等經(jīng)濟(jì)作物，圍繞不同覆蓋[15-18]、不同土壤管理方式和耕作措施[19-22]、不同節(jié)水灌溉條件[23-25]等對(duì)土壤溫度的影響展開研究,取得了一系列的研究成果。土壤溫度影響著植物的生育、土壤的形成和性狀,土壤空氣和土壤水的運(yùn)動(dòng)也與土壤溫度有密切關(guān)系[12]，國內(nèi)外學(xué)者在研究中得到了一些結(jié)論：李明思等[12]研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增加土壤溫度有利于促進(jìn)種子發(fā)芽，保證作物出苗率。張德奇等[26]對(duì)干旱區(qū)覆膜技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了論述，大部分研究結(jié)果均表明覆膜對(duì)土壤溫度有提升作用，作物最終達(dá)到增產(chǎn)目的。同時(shí)，已有研究表明，土壤中水分與溫度相互影響，不同的土壤含水率下地溫變化存在差異[10]，土壤鹽分運(yùn)移受制于土壤水分和溫度[27]。

目前，針對(duì)新疆膜下滴灌葡萄田塊土壤熱量狀況的田間觀測(cè)資料和數(shù)值模擬研究較為缺乏；同時(shí)，以往的觀測(cè)手段多為人工觀測(cè)，研究也多是基于典型日進(jìn)行,數(shù)據(jù)資料不連續(xù)，代表性不足。本文以新疆兵團(tuán)第八師田間試驗(yàn)的連續(xù)性觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，對(duì)開溝覆膜滴灌葡田塊的土壤熱狀況進(jìn)行研究，著重分析不同灌水處理、不同開溝模式條件下的土壤溫度變化規(guī)律，以期在土壤熱量變化規(guī)律的基礎(chǔ)上更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域自然地理概況

試驗(yàn)區(qū)域位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師147團(tuán)6連，該團(tuán)位于瑪納斯河下游，天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，面積約224.58 km2，地理位置東經(jīng)86°10′～86°15′，北緯44°22′～44°50′，整體地形東南高西北低，南北海拔387.3～350 m，年降水量為106.1～178.3 mm，年平均蒸發(fā)量為1 722.5～2 260.5 mm。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深15 m以下，土壤在80 cm深度以內(nèi)主要為沙壤土，80 cm內(nèi)土壤平均容重為1.5 g/cm3，田間持水率為22%(質(zhì)量含水率)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)種植葡萄品種為弗雷早熟無核葡萄，樹齡為12 a，行株距為3 m×1.5 m。葡萄種植為一行兩管模式，采用開溝覆膜滴灌技術(shù)栽培，通常采用滴頭流量為3.2 L/h。整個(gè)葡萄生育期共灌水7次，灌水定額450～675 m3/hm2。

圖1 開溝覆膜滴灌技術(shù)示意圖

試驗(yàn)區(qū)葡萄生育期包括6個(gè)階段：萌芽期(5月上旬開始)、開花期(6月上旬開始)、坐果期(6月中旬開始)、果粒膨大期(6月下旬開始)、果粒成熟期(7月下旬～8月上旬)和枝條成熟期(8月中下旬開始)。由于地膜在作物生育后期的增溫保墑作用減弱，故在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中可采取揭膜的措施增大土壤透氣性，加強(qiáng)根系的呼吸作用，防止根系早衰。在兵團(tuán)第八師葡萄的種植過程中，農(nóng)戶采用這種生育后期揭膜(7月下旬)的做法，所以葡萄生育期最后一次灌水方式為滴灌。為了探究不同的灌水處理和開溝模式對(duì)土壤溫度的影響，該試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用了在葡萄種植中兩種常用的開溝模式，設(shè)置3個(gè)灌水處理(見表1)，具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表2。試驗(yàn)觀測(cè)的時(shí)間為2016年5月9日-2016年7月19日，該時(shí)段屬于葡萄的生育期，因葡萄生育后期(果粒成熟期和枝條成熟期)灌水次數(shù)少且為無膜滴灌，7月下旬停止觀測(cè)。

表1 試驗(yàn)采用灌水處理 m3/hm2

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀測(cè)與方法

采用自動(dòng)氣象站自動(dòng)檢測(cè)大氣溫度，采用EM50自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤溫度。數(shù)據(jù)的采集時(shí)間間隔為8 h。葡萄種植前，對(duì)儀器進(jìn)行埋設(shè)安裝。每行葡萄樹埋設(shè)2套EM50數(shù)據(jù)采集器。EM50安裝在兩棵葡萄樹間距中點(diǎn)位置，另一套安裝在開溝覆膜邊(圖2所示)。EM50共有5個(gè)探頭，5個(gè)探頭分別位于垂直地表0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm處。

圖2 儀器埋設(shè)示意圖(單位：cm)

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

對(duì)同一土層，EM50數(shù)據(jù)采集器在每天內(nèi)采集的3個(gè)數(shù)據(jù)，求其平均值作為該土層土壤日平均溫度。數(shù)據(jù)用軟件SPSS 20.0和Origin 8.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)和繪圖。采用方差分析比較不同灌水量和不同開溝模式下膜內(nèi)外各土層溫度的差異顯著性。顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理下葡萄生育期內(nèi)土壤溫度逐日變化分析

從圖3可以看出，在各處理下，無論是膜內(nèi)還是膜外，0～100 cm深度各層土壤溫度在5月上旬處于低溫水平，從5月下旬開始在波動(dòng)中上升，大約在6月中旬達(dá)到峰值，之后基本維持在較高的水平，盡管有所波動(dòng)但波動(dòng)幅度逐漸減小，形狀趨于平緩。土壤溫度整體上升主要是受太陽輻射和大氣溫度的影響。各土層溫度變化波動(dòng)趨勢(shì)與大氣溫度逐日變化趨勢(shì)基本保持一致，且大氣溫度的影響隨土壤深度的增加而減弱。土壤溫度呈現(xiàn)上述變化規(guī)律是地表吸收和散失熱量的結(jié)果，土壤表層熱量變化向下傳遞需要一定的時(shí)間，因此地表的土壤溫度變化較劇烈，深層土壤溫度趨于平緩[18]。

根據(jù)葡萄根系生理特性研究表明葡萄屬于喜溫植物，土壤溫度維持在13～35 ℃之間，有利于葡萄根系的生長(zhǎng)、土壤養(yǎng)分的吸收以及糖分的積累[28]。從圖3中可以看到，在各處理下，無論膜內(nèi)土壤溫度還是膜外土壤溫度均在14～33 ℃之間波動(dòng)，膜內(nèi)土溫均值與膜外均值相差不大，但是灌水(晚上)后，表層土壤溫度會(huì)急劇下降，膜內(nèi)和膜外土壤溫度均下降，這可能是土壤含水率增加、夜晚降溫、水汽凝結(jié)吸收熱量等因素影響。待灌水48 h后，土壤內(nèi)水分重分布結(jié)束，在太陽輻射的作用下，溫度逐漸上升，膜內(nèi)土壤溫度與膜外波動(dòng)趨勢(shì)一致，灌水的影響基本消除，這是由于滴灌是局部灌溉，灌水后膜內(nèi)土壤溫度降低，在太陽輻射熱量和膜內(nèi)外溫度勢(shì)作用下，膜內(nèi)外土壤溫度很快達(dá)到平衡。孫貫芳等[13]研究發(fā)現(xiàn)膜內(nèi)土壤溫度受灌溉影響較大，灌水后越接近地表土壤溫度下降幅度越大，地表5 cm土壤溫度2～3 d恢復(fù)至灌前水平，而膜外基本不受灌溉影響。本研究發(fā)現(xiàn)膜外表層土壤溫度受灌溉影響，與孫貫芳等研究有所不同，可能是由灌水量和觀測(cè)點(diǎn)位置等因素引起。

圖3 不同處理下葡萄生育期內(nèi)土壤溫度時(shí)空變化分布圖

處 理0～20 cm20～40 cm40～60 cm60～80 cm80～100 cm開溝模式膜內(nèi)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灌水量膜內(nèi)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：**顯著性水平為0.05。

2.2 不同灌水處理對(duì)土壤溫度的影響

由表3的方差分析結(jié)果可知，不同灌水處理對(duì)膜內(nèi)0～60 cm土層土壤溫度影響差異顯著，對(duì)膜內(nèi)60～100 cm土層土壤溫度影響差異不顯著，對(duì)膜外0～40 cm土層土壤溫度影響差異顯著，對(duì)膜外其余各土層土溫影響差異不顯著。陳麗娟等[11]通過研究覆膜和水分雙重因子對(duì)土壤溫度的影響，發(fā)現(xiàn)15 cm土層以下水分因子對(duì)土壤溫度的變化起主導(dǎo)作用。本文研究結(jié)果與陳麗娟等人研究結(jié)果相似。

從表4可知膜內(nèi)0～20、20～40 cm土層土溫隨著灌水量的增加而降低，在0～20 cm土層，灌水量為4 575 m3/hm2時(shí)土溫顯著高于5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2處理下的土溫，比灌水量為5 100 m3/hm2時(shí)高2.5 ℃，比灌水量為5 625 m3/hm2時(shí)高2.9 ℃；在20～40 cm土層，灌水量為4 575 m3/hm2時(shí)土溫顯著高于5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2處理下的土溫，比灌水量為5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2時(shí)均高約1.8 ℃；而在40～60 cm土層，土溫與灌水量之間的變化關(guān)系則與0～20 cm、20～40 cm土層呈現(xiàn)的規(guī)律不同，土溫隨灌水量的增加而增加，灌水量為5 625 m3/hm2時(shí)土溫顯著高于4 575 m3/hm2和5 100 m3/hm2處理下的土溫，高約0.36 ℃。膜外0～20 cm、20～40 cm土溫隨灌水量的增加而增加；在0～20 cm土層，灌水量為5 100 m3/hm2處理下，土溫比4 575 m3/hm2處理時(shí)高0.95 ℃，5 625 m3/hm2處理下，土溫比4 575 m3/hm2處理時(shí)高1.26 ℃；在20～40 cm土層，灌水量為5 100 m3/hm2和5 625 m3/hm2時(shí)，土溫比4 575 m3/hm2處理時(shí)高約1 ℃。這是由于灌水量較小時(shí)，膜內(nèi)淺層土壤水分含量低，在膜內(nèi)外水汽交換作用下，膜內(nèi)淺層土壤溫度能保持在較高水平，土壤水分在垂向運(yùn)移速率快，能夠很快地將表層土壤熱量傳遞到深層土壤，使深層土壤溫度增加。而灌水量較大時(shí)，表層土壤含水量較高，由于水的比熱容值較大，在太陽輻射和膜內(nèi)外水汽交換作用下，表層土溫比灌水量較小時(shí)波動(dòng)幅度小升溫緩，而深層土壤由于含水量高，土壤熱量不易散失；同時(shí)水分沿水平方向擴(kuò)散快，能夠使膜外土壤含水量大，而由于水分的比熱容較大，故能夠使膜邊主根區(qū)范圍(0～60 cm)土壤溫度維持在較高水平。

表4 不同灌水處理下土壤溫度的統(tǒng)計(jì)特征

2.3 不同開溝模式對(duì)土壤溫度的影響

由表3的方差分析結(jié)果可知，無論膜中還是膜外，采用不同開溝模式對(duì)其0～100 cm深度各土層土壤溫度影響差異并不顯著，但是從表5分析可知，隨著開溝寬度的增加，膜內(nèi)各土層溫度均增加約0.04～0.21 ℃，膜外各土層溫度均增加約0.04～0.28 ℃，說明適當(dāng)增大開溝寬度可以提高膜內(nèi)土壤溫度，使覆膜的保溫保墑作用更明顯，同時(shí)可以增加膜邊土壤溫度，有利于水分、養(yǎng)分向膜邊運(yùn)移，有利于根系在水平方向的生長(zhǎng)。

表5 不同開溝模式處理下土壤溫度的統(tǒng)計(jì)特征

3 結(jié) 論

(1)不同處理下，各土層溫度變化波動(dòng)趨勢(shì)與大氣溫度變化趨勢(shì)基本保持一致，且大氣溫度的影響隨土壤深度的增加而減弱。

(2)在試驗(yàn)期內(nèi)通過土壤溫度連續(xù)監(jiān)測(cè)顯示，在各處理下，無論膜內(nèi)土壤溫度還是膜外土壤溫度均在14～33 ℃之間波動(dòng)，給葡萄根系生長(zhǎng)提供了良好的溫度環(huán)境，有利于根系對(duì)水分養(yǎng)分的吸收以及產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。

(3)不同灌水處理對(duì)膜內(nèi)0～60 cm土層溫度影響差異顯著，對(duì)膜外0～40 cm土層溫度影響差異顯著；采用不同開溝模式對(duì)膜內(nèi)和膜外土溫影響差異不顯著，適當(dāng)增大開溝寬度，可以使膜內(nèi)外土壤溫度略有提高。