热运动规律的研究

热运动规律的研究_责任与使命——宁夏博士研究成果集萃

玉米膜上灌溉条件下土壤水、热运动规律的研究⁽¹⁾

韩丙芳^{1， 2}　田军仓²　杨金忠1

1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室

2.宁夏大学土木与水利工程学院

摘　要:研究土壤水热运动规律对膜上灌技术的实际应用具有重要指导意义。通过玉米膜上灌与普通露地灌田间对比试验，分析了玉米生育期内土壤含水率与温度的动态变化。结果表明:两处理下土壤水热运动规律整体一致，均随土层加深，含水率增大、温度降低、相邻土层温差变小、温度峰值滞后、日变幅减小，日变幅随深度的变化可用指数函数拟合。相比而言，膜上灌有利于保墒调温，土壤含水率和温度均显著高于露地灌，温度变幅总体小于露地灌；随土层加深，两处理间温差和含水率差异均变小，试验证实膜上灌玉米的生产性状、产量及灌溉水利用率均优于露地灌。可见，膜上灌有利于保证玉米对土壤水热的需求，能促进玉米生长和增产。

关键词:膜上灌　玉米　土壤水　温度

0　引言

膜上灌水技术是在地膜栽培基础上创造和发展起来的一种可控局部灌溉技术。由于膜上灌具有节水增产、保墒增温、成本较低等特点，故得到许多地区，尤其是干旱半干旱地区的重视，与喷、滴灌相比，更容易被人接受。近年来，膜上灌技术得到了大力发展，在棉花、玉米及小麦等作物上均有应用，不少学者也从灌水技术、环境效应^[1]、水肥耦合^[2,3]等方面开展了研究。

农田经覆膜后会对土壤水热状况产生显著影响^[4,5]。地膜覆盖减少了土壤与外界的水分和潜热交换，膜内表面水滴凝结导致长波透射率大大减少，使土壤温度下降减缓^[6]。与不覆膜相比，地膜覆盖具有明显的增温保墒效应^[7,8]，膜上灌条件下的棉花和玉米在苗期增温效应尤为显著^[9]。地膜覆盖的保墒和增温效果与土壤含水状况密切相关，0～10cm土层日平均热能增量与土壤含水率呈良好的线性关系^[10]。覆膜条件下地温的提高和水分状况的改善增加了作物的生长量，提高了水分利用率。研究表明水稻旱作覆膜具有显著的增产效果^[11]，玉米覆膜后产量明显增加^[12],棉花覆膜滴灌可使土壤水利用率明显提高^[13]。但是，也有人发现地膜覆盖在土壤耕层产生提水上升的保墒效应时，也使深层（100～150cm）土壤水分较不覆膜有所降低^[7]。覆膜后土壤水分的蒸散损失远比不覆膜严重，在作物生长后期降水少或没有补充灌溉时,会产生严重的水分胁迫现象^[6]。同时，覆膜虽使土壤温度上升，但也使代表土壤肥力水平的有机质明显下降^[14]。因此，研究膜上灌条件下土壤水热变化情况对作物的田间管理具有重要意义。本文通过膜上灌与普通露地灌水方式的对比分析，揭示膜上灌溉条件下玉米田间的水热分布和变化规律、膜上灌对玉米产量及主要生产性状的影响，旨在为下一步的模型模拟奠定基础，为膜上灌技术的进一步发展和完善提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验区概况

试验区设在宁夏引黄灌区石嘴山市惠农区燕子墩乡西永固村，位于东经106°37′54″，北纬39°04′32″，海拔1088m。本区属中温带干旱大陆性气候，干旱少雨，多年平均降水量206mm，蒸发量1574mm。地下潜水埋深随季节和灌溉周期在0.5～2.0m范围内变动，地下水矿化度的变化范围为2.0g/L～5.0g/L。供试土壤为灌淤土，玉米种植前用环刀法测定了土壤容重和田间持水量，见表1。

表1　试验地土壤容重和田间持水量

1.2　试验设计

试验设置膜上灌水方式和普通露地灌水方式两种处理，每个处理重复3次，为隔绝地下水的影响，试验在长2m、宽2m、深1.7m、四周和底部全部衬砌塑料膜的有底测坑内进行，测坑内土壤的机械组成见表2。试验玉米于2005年4月25日播种，10月3日收获，分别于6月21日、7月18日和8月15日按照900m³/hm²的灌水定额进行了3次灌溉。

表2　试验地土壤机械组成及土壤质地

1.3　测定项目和方法

试验期间，土壤含水率（0～160cm）采用管式TDR测定，测定期为2005年4月25日到10月2日，每旬测定一次，降雨和灌水前后加测，测定的纵向距离为20cm一段，土壤含水率均用体积比表示。地表温度采用气象专用水银温度计测定，农田小环境温度和地表下10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm及80cm处的温度采用温度传感器（热电阻Pt100型）测定。其中，膜上灌处理中的地表温度分别测定膜上和膜下两处的温度，农田小环境温度用距地面10cm高处的作物行间温度表示。温度的测定日期为2005年5月4日到9月28日，每个生育期连续测定7d。灌水量用水表测定，玉米主要性状和产量采用常规方法测定，其中株高和叶面积指数（LAI）为大喇叭口期（7月1日）、吐丝（8月8日）期和成熟期（9月20日)三次测定数据的平均值，干物质积累量为大喇叭口期（7月1日）、抽雄期（7月27日）、吐丝期（8月10日和8月20日）、成熟期（9月20日）和收获期（带穗）六次测定数据的平均值。

2　结果与分析

2.1　土壤含水率的变化规律

膜上灌玉米田中，由于覆膜作用抑止了土壤水分的蒸发，加之生育前期气温相对较低，玉米苗小，蒸腾作用不强，各层之间的土壤含水率很接近。到生育后期玉米的蒸腾作用逐渐加强，耗用上层土壤水分较多，上层土壤含水率降幅增大，故土层之间的含水率差异也增大。露地灌处理地表裸露在大气中，蒸发作用强于膜上灌，故在玉米整个生育期内，土层间的含水率差值都比膜上灌大，且此差值在玉米生育中后期，表现得更为明显。

从整个生育期来看，膜上灌玉米田0～160cm土壤平均含水率整体较高（图1），两处理间土壤含水率差异极显著（p=0.0012<0.01，F＝17.12），这与膜上灌地表始终覆膜，相对减缓了土壤水分的垂直蒸发速度，总蒸发量下降有关。在玉米生长前期，两处理间的含水率差异较小，膜上灌土壤平均含水率比露地灌高0.46个百分点。随着生育期的延长，气温升高，露地灌土壤蒸发加剧，处理间的差异逐渐加大，到玉米生长中后期膜上灌土壤平均含水率比露地灌高1.66个百分点。试验同时发现，在降雨和灌水几天后，两处理间的含水率差异增大，尤其在第一次和第三次灌水后表现得更为明显，这两次灌水后膜上灌土壤平均含水率比露地灌分别高1.86和3.24个百分点。这种现象的发生，主要是由于灌水后土壤含水率增大，腾发作用加强，而膜上灌的地表覆膜抑止了土壤水分的蒸发，故两处理的土壤含水率差值增大。但抽雄期灌水后效果不明显，可能是由于7月份雨水较多，土壤含水率本身较高有关。

从土壤垂直剖面来看，两种灌溉方式下，整体呈现出表层含水率较小，深层含水率增大的趋势（图2，图中数据点为20cm深度内的平均值）。膜上灌0～160cm各层土壤含水率均高于露地灌相应土层，且0～40cm土层两处理差异较大，120cm以下土层差异较小。这是因为膜上灌膜内温度较高，加大了土壤各层的温差，使土壤深层水分向上运移，并聚积在上层土壤，故使得两处理间上层土壤的水分含率差异比深层大。

图1　生育期内0～160cm土层平均含水率的变化

图2　土壤剖面平均含水率的变化

2.2　温度的变化规律

2.2.1　生育期内温度变化

从整个生育期来看，膜上灌玉米田间的平均温度为20.8℃，露地灌为19.9℃，膜上灌玉米田间温度比露地灌高0.8℃（图3），两处理间的温度差异极显著（p= 0.0001<0.01，F＝82.01），这是因为地膜的阻隔减少了土壤热量向膜外的对流消耗。生育前期，玉米苗小对地面遮荫作用弱，处理之间的温差较大，膜上灌玉米田间平均温度比露地灌高1.4℃；到中后期，随着玉米植株和叶片对地面的遮荫作用越来越强，两处理间的温差逐渐变小，膜上灌玉米田间平均温度较露地灌高0.6℃。

图3　生育期内田间温度的变化

2.2.2　温度的日变化

1）两种灌溉方式下温度日变化的整体规律。

试验于8月13日8:00到8月15日24:00 （无灌溉和降雨），每隔2小时对环境温度和土壤温度进行测定，从此结果来看，两处理的环境温度和0～80cm各层土壤温度的日变化规律基本一致（图4）。地表温度与环境温度均在6:00出现最低值，然后随着太阳辐射的增强而逐渐升高，环境温度的升幅大于地表温度的升幅。在7:00左右，各处理的环境温度均超过地表温度。到14:00，环境温度和地表温度均达到最高值。高峰值过后，随着太阳辐射的减弱，环境温度和地表温度也随之下降。同样，环境温度的降幅大于地表温度降幅，到19:00左右，环境温度已低于地表温度。通过试验可知，地表下10cm处的温度高峰值出现在20:00左右，最低值出现在10:00左右；20cm处的峰值出现在22:00左右，最低值出现在12:00到14:00；30cm处的温度日变化不大，在4:00至10:00的温度较高，在12:00到16:00温度较低。这说明环境温度受外界的影响大于地表温度，更大于各土层内的温度。故两处理下环境温度和地表温度日变化剧烈，且随着土层加深土壤温度日变化减缓，峰值出现的时间逐渐延迟，到40cm及其以下深度处的温度日变化已不再明显（表3）。同时发现，在越接近温度高峰值处，温度的变化速率越大，即随着温度低—高—低的变化，其升降速率呈小—大—小的变化。

图4　环境温度和土壤温度的日变化

图5　环境温度和不同深度土壤温度的变化

表3　环境和土壤温度的统计特征值

试验还发现，两种灌溉方式下环境温度和土壤0～20cm温度的日变化呈周期性的升降交替过程，尤其以环境温度和地表温度最为明显。8月14日0:00到24:00一昼夜的环境温度和0～20cm土壤温度随时间的变化关系可拟合成形如的函数形式，式中的T为t时刻的温度值；T0为平均温度；t0为时间相位。虽然拟合公式的相关性较高（表4），但这些公式并不能很好地拟合8月13日的数据。这说明尽管环境温度和土壤温度的变化可用此函数近似表示，但由于不同昼夜气温的不稳定性，其拟合参数不尽相同。

分析整个生育期内每日8:00、14:00和20:00三个典型时刻土壤温度的平均值（图5）发现，从8:00到20:00，随着太阳辐射强度的变化，环境温度、地表温度和土壤各层温度与8月13日8:00到8月15日0:00测定的温度日变化规律相同。仍表现为随着深度的增加，三个时间测点的温差越来越小，相邻土层间的温差也越来越小。说明土壤浅层受外界气温影响大，深层受其影响小，且土壤温度变化具有明显的滞后性。生育期内各灌溉方式下0～80cm不同土层日温差与深度的关系可拟合成指数函数形式，膜上灌为△T（x） = 4.8428e^-0.0928x（r＝0.9542，p= 0.0006<0.01），露地灌为△T （x）= 5.173e^-0.0905x（r＝0.9007，p= 0.0034<0.01）。式中，△T表示深度x cm处一日内三个典型时刻的温差。

表4　温度日变化拟合参数

2）两种灌溉方式下温度日变化的差异。

两种灌溉方式下，除8月13日和8月14日12:00至14:00膜上灌的环境温度与8月14日12:00至16:00膜上灌的地表温度低于露地灌的相应温度外，其余温度均为膜上灌高于露地灌。取环境温度、地表温度及各层土壤温度的日平均值进行比较，膜上灌的平均温度比露地灌的高4.1%，二者差异极显著（p=0.0001<0.01，F=87.67）。从整个生育期内每日三个典型时刻测定的土壤温度的均值（图5）也可看出，除14:00时露地灌玉米田中的环境温度和地表温度高于膜上灌外，其余的环境和土壤温度均低于膜上灌。

从表3和图5还可发现，由于膜上灌覆膜的调温效应，膜上灌环境和土壤温度的变化总体小于露地灌。随着土壤深度的增加，两种灌溉方式下的温度逐渐降低，两处理间的温差也逐渐变小，说明膜上灌处理有利于调节土壤温度，抑止极端高温和极端低温的出现，可防止地温的极端变化对作物的伤害。

2.3　两种灌溉方式下的水热特性对玉米的影响

膜上灌改善了耕层土壤的水分和温度条件，有利于保证作物对水热的需求。试验发现在生育期内平均含水率为20.2%，田间平均温度为20.4℃的情况下，膜上灌田间的玉米出苗时间比露地灌提前了4天，且一次性出全苗，而露地灌玉米出苗率仅为80%，又经移栽才保全苗。同时膜上灌玉米的主要生产性状均优于露地灌（表5），其产量和灌溉水利用效率均提高3.7%。经方差检验（表5），两处理下株高、叶面积指数（LAI）和百粒重呈极显著水平，干物质积累量、产量和灌溉水利用效率呈显著水平，而果穗重不显著。

表5　两种灌溉方式下的玉米生产性状与灌溉水利用效率

2.4　其他观测结果分析

除此之外，试验还发现:

1）灌水后，土壤含水率增大，蒸发和蒸腾作用加强，地表温度有所下降，此时膜上灌玉米田间的地表温度与露地灌的地表温度差值会减小。

2）玉米田间的温度还与天空云系的分布情况有关。当天空云系的分布影响到太阳辐射到地面的热量时（如较长时间阴天），膜上灌玉米田中的温度与露地灌的差异会减少，尤其以环境温度和地表温度表现最为明显。

3）膜上灌玉米与露地灌玉米相比，会出现早衰现象，这可能与膜上灌玉米生长后期的土壤增温加快了根系早衰和土壤有机质的矿化及养分损失有关^[6]，但还有待于进一步研究。此问题也可采取其他措施加以解决，如采用缓释长效肥料、在灌完最后一次水时将地膜揭去等。

4）膜上灌处理存在不易除草、易产生“飘膜”等现象，应采取相应措施加以解决。如用土覆严放苗孔和灌水孔，避免空气进入膜下而助长杂草的生长。试验发现，如果苗孔严实，没有空气进入膜下，杂草生长很少，生长的杂草还会因薄膜炙晒而干枯。

3　结论

1）膜上灌有利于保墒调温，膜上灌处理的土壤含水率显著高于露地灌，尤其是土壤浅层含水率表现的更为明显，而且膜上灌处理各土层间的土壤含水率差异比露地灌小；膜上灌处理的田间温度整体高于露地灌，地表温度在高温时段低于露地灌，在其他时段高于露地灌，其余各层温度始终高于露地灌，且随着土层加深，两处理间的温差逐渐缩小。

2）膜上灌与露地灌中环境温度和土壤各层温度的日变化规律基本一致；随着土层加深，土壤温度日变幅减缓，峰值出现的时间滞后，温度日变幅随土层深度的变化规律可用指数函数形式拟合；环境温度和0～20cm土壤温度的日变化呈低—高—低的周期性交替过程。

3）膜上灌可保证玉米对土壤水分和温度的需求。故产量、干物质积累量等主要生产性状均显著优于露地灌，其产量和灌溉水利用率也比露地灌高3.7%。

参考文献

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【注释】

(1)基金项目:国家“863”计划项目（2002AA2Z4041） ；宁夏自然科学基金资助项目（NZ0704） 。