水位调控对土壤温度变化特征的影响

水位调控对土壤温度变化特征的影响

土壤的水和热是土壤的两个重要因素。它们相互联系，相互制约。在农业生产中，通过“按需热”等措施，可以改善作物的生长环境。土壤热状况影响着农业生产的各个方面,如种子萌发,水分蒸发,热量传递等。土壤温度是衡量土壤热量状况的尺度,其变化具有一定的规律性。当前,已有许多学者对不同环境下的土壤温度变化规律进行了研究。如谢夏玲等研究了玉米膜下滴灌土壤温度的变化规律;陈丽娟等分析了不同土壤水分处理对膜上灌春小麦土壤温度的影响,对膜上灌溉条件下土壤水分亏缺对土壤热状况及温度的影响进行了研究;王铁良等研究分析了日光温室内不同灌溉方式对土壤温度变化的影响。上述研究重在对灌溉方式和农艺措施对土壤温度影响的分析,而对稻田农田水位调控对土壤温度的影响很少有较深入的研究。农田水位调控是指通过灌溉排水措施保持田面适当水层深度或维持田间地下水位适当埋深的策略,将涝、渍、旱的判断指标统一到农田水位上,通过稻田水位调控来实现田间水分的调节。本文对农田水位调控下(不同控水深度和控水历时)稻田灌溉进行田间试验的基础上,对稻田土壤温度变化特征进行了研究,探讨了受旱、淹水和浅湿灌溉对土壤温度的影响,研究结果为水稻的栽种、管理提供参考。1材料和方法1.1蒸发量与年气象概况试验于2008年5-10月在河海大学节水园区内进行。该试验区位于北纬31°86′,东经118°60′,属亚热带湿润气候,冬冷夏热、四季分明,年平均降雨量1021.3mm,年平均蒸发量为900mm,年平均气温15.7℃,年无霜期237d,年均日照时数2212.8h。试验区0～40cm土壤剖面物理和化学性状见表1。1.2生育时期调控供试的水稻品种为镇稻99,属中熟中粳稻,全生育期分为苗期、返青期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、黄熟期7个生育阶段,约150d左右。水稻于2008年5月4日泡种,5月6日育秧,6月26日移栽,10月7日收获,栽插密度为22cm×15cm。每个生育阶段设有受旱(H)、淹水(L)和浅湿灌溉(CK)3个处理,每处理设2个重复,进行不同深度和历时的水位调控试验。试验布置在节水与农业生态试验场的固定式蒸渗测坑内,每个蒸渗测坑的规格为长×宽×深=2.5m×2m×2m,地上有长18.0m、宽7.0m、高3.0m的两节大型电动活动雨棚,其中对照处理(CK)布置在无底测坑内,其余处理均布置在有底测坑内。试验处理设计见表2。由于试验期较长,实验数据较多,本文选取水稻抽穗开花期的试验数据进行分析。1.3温度传感器ad290的收集每天定时观测农田水位深度,按要求控制各处理水位。土壤温度由埋设在蒸渗仪中的电流源型温度传感器AD590自动收集。传感器根据温度不同会输出恒定电流,通过率定的方法校正测量温度,每6min收集一次土壤温度数据。温度传感器AD590分别观测土壤地表以下5cm、20cm和40cm的温度。气温由自动气象站(型号为HL20)收集。2结果与分析2.1对土壤温度的影响水稻80%左右的根系分布在离土表0～10cm的土层中,因此,掌握表层土壤温度的日变化规律对于调节土壤温度,为水稻生长创造一个适宜的土壤温度环境是很有必要的。为此,本文选择了0～10cm土层中有代表性的位置——5cm处作为表层土的观测点。图1(a)、图1(b)分别为晴天8月28日(淹水控水第8天,受旱控水第3天,日均气温27.33℃)和雨天8月29日(淹水控水第9天,受旱控水第4天,日均气温23.45℃)不同天气状况下5cm处不同水位调控下土壤温度变化过程。图中L5、CK5、H5分别表示淹水、对照和受旱处理5cm处土壤温度,TP代表大气温度(以下相同符号的意义与此相同)。以8月28日数据为例,5cm处土壤温度随气温的变化而变化。一日内,对照处理5cm处土壤温度在6∶00时最低,受旱处理同步,淹水处理延迟到8∶00时,日出后开始吸热升温,8∶00～14∶00时处于明显的升温阶段,在14∶00时达到最大值,受旱处理同步,淹水处理延迟到18∶00,之后太阳辐射强度减弱,表土失热大于吸热,温度缓慢下降。同样,雨天时各处理5cm处土壤温度也有类似的变化规律。在外界气温条件相同时,土壤含水率的变化是影响土壤温度状况的主要因素,通常当土壤含水率较高时土壤温度相应较低,土壤含水率和土壤温度呈极显著的负相关关系。从图1(a)可以看出,晴天时不同水分梯度下土壤日平均温度按照处理L5、CK5、H5依次递减(L5日均土温19.62℃,比CK5、H5依次高出0.68℃和0.71℃);土温日变幅按照处理L5、CK5、H5依次递增(H5日最高土壤温度24.35℃,比CK5、L5依次高出1.85℃和3.85℃;日变幅8.48℃,比CK5、L5依次高出2.73℃和6.61℃),H5土温变化与气温变化趋势最为接近。H5正午土壤温度最高,日变幅最大是因为土壤含水率低,始终处于干燥状态,土壤热容量小,日间受气温影响升温速度快,土壤温度也较高。到了晚上和清晨随着气温的降低降温速度也比较快,在早晨6∶00时,H5土壤温度最低,较对照处理低0.78℃。可见受旱处理日均地温与对照相差不大,但日最高土温与昼夜温差均有较大幅度提高,有利于根系生长素的分泌和干物质的积累。因此水稻生长期进行适当受旱处理,不仅可以节约灌溉用水量,还可以通过调节土壤温度,增大温差,促进植株生长。在相同的水位调控条件下,天气情况对表层土壤温度的日变化也有影响。雨天时(以8月29日数据为例,与8月28日土温变化相连续,土壤水分状况基本一致)各处理最高土温出现时刻,L5比晴天延迟2h,CK5和H5各延迟3h;土温日变幅L5、CK5、H5依次比晴天减小1.33℃、3.38℃和5.6℃。可见5cm处土壤温度,受旱处理受天气的影响比淹水处理大。2.2土温日变化幅和日平均温度以晴天8月28日数据为例,各处理20cm和40cm处土壤温度日变化过程见图2。图中L20、CK20、H20分别表示淹水、对照和受旱处理20cm处土壤温度,L40、CK40、H40分别表示淹水、对照和受旱处理40cm处土壤温度。从图2可以看出,20cm处土壤温度日变化仍有较明显的起伏。一日内土壤温度从0∶00～7∶00时呈现降低趋势,H20土温在7∶00时最低,CK20在9∶00达到最低温度,L20则延迟到12∶00时左右。9∶00～17∶00时,H20和CK20处于升温阶段,H20在17∶00时温度达到最高,CK20延迟2h达到最高温度,之后温度开始降低。L20从12∶00时之后一直处于升温状态。不同水分梯度下,L20土壤日平均温度19.15℃,比CK20高0.29℃,H20与CK20相差不大;H20日最高土壤温度19.71℃,比CK20高0.2℃,L20则比CK20低0.15℃;土温日变幅按照处理L5、CK5、H5依次递增(H5日变幅1.46℃,比CK5、L5依次高出0.21℃和0.93℃)。40cm处土壤温度基本上都是先略有降低,再缓慢升高的变化趋势,温度曲线平缓,没有明显起伏。各处理土温日变幅都较小,并且按照处理L40、CK40、H40依次递增(H40、CK40、L40日变幅分别为0.41℃、0.28℃和0.23℃);土壤日平均温度按照处理L40、CK40、H40的顺序依次为18.95℃、18.79℃和18.55℃,L40、H40和CK40相比均相差很小。对于20cm和40cm土壤温度,均是淹水处理的日平均土温高于对照处理,日变幅低于对照处理,这是因为淹水处理田面保持一定深度的水层,土壤含水率达到饱和,水的比热较大,相同的太阳辐射强度下吸热较多,所以各层土壤日平均温度均较其他处理高。另外淹水处理土壤热容量大,吸收或散失相同的热量温度变化小,且田面水层也可以起到白天降温,夜间保温的作用,所以各层土温日变幅均较其他处理小。2.3最大土温的出现与土壤温度的关系随土层深度增加,土壤温度变化亦有一定规律性。以8月28日淹水和受旱处理为例,各深度土壤温度变化过程见图3。无论是淹水处理还是受旱处理,土壤温度的变化幅度均沿深度递减,5cm温度直接受辐射和气温变化的影响,其土壤温度日变幅最大,分别为1.87℃和8.48℃,40cm土壤温度日变幅最小,为0.23℃和0.41℃。随着土层的加深,土壤温度到达最高值的时间也相应延迟。5～40cm深度,受旱处理各深度土层最高温度分别出现在14∶00、17∶00和24∶00时,淹水处理最高温度分别出现在18∶00、24∶00和次日凌晨,说明随土层深度的增加,土壤热量向深层传导的过程有一定的滞后性,热量的传递需要一定的时间,而且土温达到最高值的时刻随土壤含水量的增加而延迟。不同处理土壤日平均温度均随土层深度的增加而降低,受旱处理各层土壤日平均温度分别为18.91℃、18.89℃和18.55℃,淹水处理分别为19.62℃、19.15℃和18.95℃。土壤温度垂向变化同样受天气状况的影响。以雨天8月29日数据为例,各处理5cm、20cm、40cm土层日平均土温如下:淹水处理为16.89℃、17.33℃和18.74℃,对照处理为16.67℃、17.50℃和18.02℃,受旱处理为16.42℃、17.36℃和17.68℃。不同处理在雨天土壤日平均温度均沿土壤深度递增,与晴天变化规律相反。雨天时气温较低,天空有云层,空气湿度大,太阳辐射强度弱,表层土受气温影响温度低,深层土受气温影响小,且散热相对表层土慢,最终导致表层土日平均温度最低,40cm土层日平均温度最高。2.4土温控水方案控水前以晴天8月19日(淹水控水前2天,日均气温28.1℃)、8月25日(受旱控水前1天,日均气温27.9℃)数据为例,控水最后2天8月29日和8月30日均为阴雨天气,与控水前气温相差较大,故仍以8月28日(淹水控水第8天,受旱控水第3天,日均气温27.33℃)数据为例,控水前后土壤温度变化见图4。图中L20前、L40前、H20前、H40前分别表示淹水和受旱处理控水前20cm和40cm处土壤温度,L20后、L40后、H20后、H40后分别表示淹水和受旱处理控水后20cm和40cm处土壤温度。相对表层土来说,深层土受气温影响小,且试验日日均气温相差不大,故只分析深层土控水前后土壤温度变化。由试验可知,淹水处理控水后,20cm和40cm处土温变化幅度分别为0.53℃和0.23℃,比控水前减小1.67℃和0.22℃;受旱处理控水后,20cm和40cm处土温变化幅度分别为1.46℃和0.41℃,比控水前增大0.82℃和0.04℃。20cm和40cm土层,淹水处理控水后日均土温分别为19.15℃和18.95℃,比控水前升高0.1℃和0.05℃;受旱处理控水后日均土温分别为18.89℃和18.55℃,比控水前降低0.02℃和0.31℃。20cm处最高土温出现时刻,淹水处理控水后比控水前滞后5h左右,受旱处理控水后比控水前提前约2h。淹水处理控水期间田面水层起到了保温作用,控水后深层土壤由于温度累计效果,土温有所提高。受旱处理控水期间土壤孔隙中水分减少,通气性较好,深层土壤散热较快,导致控水结束后深层土壤温度降低。3控制日变化,减少土温变化(1)农田水位调控对5cm处土壤温度日变化的影响较为显著。各试验处理中受旱处理日平均土温与对照处理相差不大,但日最高土温与昼夜温差均有较大幅度提高,比对照处理分别高1.85℃和2.73℃。淹水处理日平均土温比对照处理稍有提高,但日最高土温与昼夜温差均降低。因此水稻生长过程中适当受旱处理,可以调节土壤温度,增大温差,