耕作對八一鎮農田土壤溫度的影響

徐唱唱，楊 紅，魏 來，劉合滿

(西藏大學農牧學院，西藏 林芝 860000)

土壤溫度是表征土壤熱特性的重要指標之一，顯著影響著植物根系發育、微生物種群和活性、土壤養分轉化及有效性等。一般地，土壤溫度升高有利于提高土壤微生物活性[1,2]，促進土壤養分的轉化[3,4]，提供養分有效性。同時不同層次土壤溫度的變化影響和決定了不同層次土壤的物質過程，進而影響植物根系生長。故基于不同區域、不同土地利用方式及不同層次土壤溫度日變化、年變化及熱傳導等問題得到廣大學者的廣泛重視[5]。

耕作是農業生產過程的基本管理過程，首先擾動了土壤基本物理結構和性質[6]，并對土壤水、熱傳導產生顯著影響，從而影響了土壤碳、氮、磷等主要物質的循環過程[7]。一般地，耕作擾動了表層土壤結構，增加表層土壤大孔隙數量，從而改變土體熱容量屬性，減小土壤熱容量。這將促進土壤碳、氮等物質的循環，加劇土壤碳[8]、氮的排放。故關于不同耕作模式下土壤溫度變化特征及不同層次土壤溫度變化的研究將為科學闡明土壤物質轉化、植物生長提供科學依據。于愛忠[9]等研究表明0～25 cm的土層溫度，免耕較傳統耕作具有相對較低的溫度，即免耕降低了表層0～25 cm土壤溫度。但也有研究表明，免耕有利于提高表層土壤溫度，對土壤溫度具良好的調節作用[10]。但目前關于西藏高原高寒氣候條件下，耕作和免耕條件下不同層次土壤溫度變化特征的研究還少見報道，這將不利于我們對不同耕作方式下不同土層溫度變化的預測。

本文選擇西藏大學農牧學院實習農場為研究區，分別選擇西藏耕翻地和未耕翻農田為研究對象，采用在線水、溫測定系統進行不同層次土壤溫度的測定，旨在為不同耕翻和免耕條件下土壤熱狀況及熱傳導提供科學依據。

1 材料與方法

(1)研究區概況。研究區位于西藏大學農牧學院植物科學技術學院實習農場，地理位置N29°46′29″，E93°22′26″，海拔2 800～2 900 m，年平均氣溫8.7 ℃，最熱月(7月)平均氣溫為18 ℃；≥10 ℃的年有效積溫1 800～2 200 ℃，年平均降雨量650～700 mm，年日照時數2 000 h左右，年總輻射量為6.1×109～7.0×109J/m2，光合有效輻射為2.5×109～3.0×109J/m2，無霜期160～180 d。

(2)研究方法。從2015年11月15日開始，將土壤水分溫度測定系統分層次埋入土壤中，共設置2、10、20、30和40 cm 5個土壤層次，所用數采儀為EM50，土壤水分、溫度探頭為ECH2O (美國Decagon公司)土壤含水量監測系統。分別選擇相鄰的已耕翻和未耕翻的2塊農田進行測定，測定時間間隔為20 min，即每20 min采集一個數據，儀器自動記錄，共采集24 h。

(3)數據處理。數據處理和作圖采用Excel 2007進行。

2 結果與分析

2.1 未耕翻土壤溫度的日變化特征

圖1(a)為未耕翻土壤各層次溫度的日變化特征。由圖1(a)可知，在測定的24 h內，土壤溫度呈單峰型日變化特征，其中根據溫度變化情況，可分為升溫和降溫2個階段，從08∶00開始，土壤溫度開始增加，2 cm土壤溫度到14∶00達到最大值。然后開始呈現下降趨勢，到08∶00達到最小值。

在升溫和降溫階段，各層次土壤溫度的變化速率均表現為2>10>20>30>40 cm，即隨著土壤層次的加深，土壤溫度變化趨勢逐漸變緩。2 cm土壤溫度在升溫階段表現為快速的增溫，自08∶00的3.7℃快速增加到14∶00的25.2 ℃，以平均3.58 ℃/h的速率增加。而在降溫階段也表現出較其他各層次均快的速率。隨著土壤層次的加深，土壤最高溫出現的時間均顯著延遲于2 cm。

變異系數可表示不同層次土壤溫度的日變化幅度強弱。由表1可知，耕翻土壤各層次溫度日變化特征也表現為隨著土壤層次的加深而呈降低趨勢，2、10、20、30和40 cm層次土壤溫度日變化的變異系數分別為58.53%、38.46%、20.39%、9.63%和5.78%。

2.2 耕翻土壤溫度的日變化特征

土壤耕作擾動主要影響土壤孔隙度，增加了土壤大孔隙數量，從而降低了表層土壤的熱容量和土壤導熱性，從而可使表層土壤具有較高的溫度，而下層土壤溫度較低。由圖1(b)可知，耕翻土壤溫度日變化特征也表現為單峰型，但表層2、10和20 cm具有較明顯的峰值，而30和40 cm則無明顯的峰值，其日變化幅度較小。

圖1 不同層次土壤溫度日變化特征Fig 1 Different levels of soil temperature daily variation characteristics

項目耕翻土壤2cm10cm20cm30cm40cm未耕翻土壤2cm10cm20cm30cm40cm95%置信區間/℃9．7～13．010．3～12．110．5～11．710．8～11．311．1～11．49．9～13．09．7～11．610．5～11．510．7～11．210．8～11．1日均值/℃11．3411．1911．1011．0611．2511．5010．6311．0210．9810．98標準差/℃7．184．002．401．050．626．734．092．251．060．63變異系數63．3735．7821．599．535．5358．5338．4620．399．635．78

在升溫階段，表層2 cm土壤溫度由08∶00的4.7 ℃增加到15∶00的24.87 ℃，溫度增加了4.29倍。而在降溫階段也同樣表現出較快的降溫速率。供試各土壤層次土壤溫度變化范圍也表現為隨著土壤層次的加深，變化范圍呈減小趨勢，95%置信區間分別為9.9～13.0、9.7～11.6、10.5～11.5、10.7～11.2和10.8～11.1 ℃。

表1為供試2類土壤各層次溫度的日變化特征的統計性描述。由表1可知，在0～30 cm層次上，隨著土壤層次的加深，日均溫呈降低趨勢。2、10、20和30 cm層次土壤平均溫度分別為11.34±7.18、11.19±4.00、11.10±2.40和11.06±0.62 ℃，但差異并未達到顯著水平。土壤溫度日變化特征表現為隨著土壤層次的加深，土壤溫度隨著時間的變化而變化的變異性逐漸縮小，2、10、20、30和40 cm層次土壤溫度日變異系數分別為63.37%，35.78%，21.59%，9.53%和5.53%。

2.3 耕翻和未耕翻土壤溫度的日變化特征比較

由圖2和表1可知，耕翻和未耕翻土壤不同層次溫度差異在2 cm層次上表現為耕翻>未耕翻土壤。這主要是因為耕翻農田土壤具有疏松的表層結構，增加了大孔隙數量，使土壤熱容量變小，更易升溫；而對于未耕翻土壤來說，土壤結構相對緊實，熱容量大，升溫較慢，同時熱傳導性好于耕翻土壤，故有利于熱量向下層的傳導。

圖2 耕作和未耕作土壤溫度變化Fig 2 ploughing and ploughing-free soil temperature changes

在表層10 cm層次上 ，土壤日均溫表現為未耕翻>耕翻土壤，即未耕翻土壤具有更好的導熱性，從而促進表層熱量向下層的傳導，促進10 cm土壤溫度的升高。20 cm土層溫度，耕翻和未耕翻土壤從日溫度變幅和平均溫度上都無明顯差異。30 cm和40 cm層次上，均表現為未耕翻土壤日均溫度高于耕翻土壤，這也表明了未耕翻土壤沒有受到結構的擾動，有利于表層熱量向下層的傳輸。

從不同層次耕翻和未耕翻土壤日變化變異系數看，耕翻土壤2 cm溫度具有相對較高的變異性，變異系數達到63.37%，高于未耕翻土壤(其變異系數為58.53%)。這表明，耕翻土壤表層2 cm溫度具有更強的日變異性，即升溫和降溫均較未耕翻土壤快。隨著土壤層次的加深，耕翻和未耕翻土壤溫度日變化幅度差異逐漸縮小，即耕作對土壤溫度的影響主要表現在表層，這與王福軍等[11]的研究結果一致，他研究了耕作措施對華北夏玉米田土壤溫度的影響，發現免耕有利于穩定土壤溫度，實現土壤溫度的平穩變化。

3 主要結論

通過對本實驗區耕翻和未耕翻不同層次土壤溫度變化特征研究，主要可得到以下結論。

(1)隨著土壤層次的加深，土壤溫度日變化幅度呈降低趨勢，即表層2和10 cm土壤溫度具有明顯的升溫和降溫階段，而在30 cm和40 cm土壤溫度則日變化較小。

(2)耕作對土壤溫度的影響主要表現在表層(0～10 cm)，而對下層土壤溫度的影響隨著層次的加深，影響效應逐漸減小。

(3)未耕翻土壤有利于表層土壤熱量向下層的傳導，促進下層土壤溫度的升高，故10 cm及以下各層土壤日均溫表現為未耕翻>耕翻。

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