不同灌水處理對干旱區滴灌核桃樹土壤溫度的影響

趙經華, 洪 明, 馬英杰, 陳凱麗

(新疆農業大學 水利與土木工程學院, 烏魯木齊 830052)

作物良好的生長需要適宜的土壤環境，而土壤水分和溫度的適宜范圍是土壤環境的重要參數。當土壤水分和溫度環境不在適宜范圍內時，作物的生長明顯下降。土壤溫度的高低對作物生長和土壤環境有著諸多的影響，其中包括作物的根系、土壤的物理和化學性質、微生物活動和營養元素的結構形態等等。當土壤溫度升高時，土壤明顯加快了化學反應，同時各種鹽類的溶解能力也會隨著溫度的提高而提高。隨著土壤中水分的運動以及土壤中二氧化碳與空氣中氧氣兩者之間的轉換加快，養分的有效釋放量也越來越多，這些改變使得微生物活動越來越活躍，從而加劇根系對水分以及養分的吸收利用；反之，當土壤溫度降低時，微生物活動將會受到明顯的抑制，有機質中的礦物元素分解速度也隨之降低，這非常不利于養分的釋放[1]。目前，國內外關于土壤溫度的研究很多，最為主要和常見的是對于各種有利于作物生長的水熱環境措施的研究。覆膜、覆蓋方式、耕作方式、灌水等都是對田間的土壤溫度有調控作用的主要措施[2-9]，其中對于灌水定額和灌水方式的研究相對較少。干旱地帶中的綠洲農業主要依賴于灌溉，它對農業生產的影響十分顯著。灌溉后，土壤的含水率會明顯增加，土壤溫度也隨著土壤含水率的改變而發生變化，兩者之間相互影響且形成了一定的特有規律[10]。在一定的土壤條件下，灌水方法及灌水制度(灌水量和灌水頻率)是土壤中水、熱分布情況的主要決定性因素[11]。通過大量的研究，Sharmasarkar等[12]認為灌水方法不僅是土壤中水分的分布狀況的決定性因素，還影響著土壤表面及以下的溫度和濕度，從而影響著土壤的微氣候環境。本文以新疆阿克蘇核桃為研究對象，探討不同灌水處理對土壤溫度的影響，以期對新疆南疆核桃最優灌溉制度的建立具有一定的指導意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于新疆阿克蘇地區紅旗坡新疆農業大學林果試驗基地內，距市區13 km，地理位置為東經80°14′，北緯41°16′，海拔1 133 m。該基地地處天山中段的托木爾峰南麓，塔里術盆地北緣，屬于典型的溫帶大陸性氣候，多年平均年日照時數2 855 ～2 967 h，無霜期達205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm，多年平均氣溫11.2℃，年有效積溫為3 950℃。試驗地面積為0.13 hm2，地下水埋深在6 m以下，土壤質地為含礫石砂土。

供試核桃樹栽植于2008年，果樹南北行向種植，品種為溫185，株行距2 m×3 m，種植密度1 667株/hm2，株高3.8～4.2 m，樹體矮小，樹冠緊湊。試驗時間為2015年4—10月。

1.2 試驗方法

試驗共設4個處理，分別為灌水定額15 mm滴灌(C1)、灌水定額30 mm滴灌(C2)、灌水定額45 mm滴灌(C3)和灌水定額30 mm涌泉灌(C4)。滴灌管直徑為16 mm，滴頭流量為3.75 L/h，滴頭間距為50 cm，每行樹下布設兩根滴灌管，分別距樹左右50 cm處；涌泉灌為直徑20 mm，灌水器流量為20 L/h，滴頭間距為100 cm，每行樹下布置一根涌泉灌管，涌泉灌處理下，每棵樹下有兩個灌水器。各處理分別有3組重復。各處理均采用當地實際的灌溉制度，灌溉次數相同，均在萌芽期春灌1次(75 mm)，開花期灌水1次，果實膨大期灌水2次，硬核期灌水3次，油脂轉換期2次，冬灌1次(120 mm)。各處理全生育期合計灌溉定額分別是：315 mm(C1)，435 mm(C2)，555 mm(C3)，435 mm(C4)。核桃生育期見表1。

表1 核桃生育期

1.3 參數測定

(1) 氣象因子的測定：利用美國SPECTRUM公司生產的watchdog 2000系列自動氣象站觀測太陽輻射、氣溫、相對濕度、風速及降雨量等氣象資料，每30 min記錄一次數據。

(2) 土壤溫度：在距樹50 cm處布置溫度傳感器，利用美國Fourtec公司生產的MicroLite U盤式溫度記錄儀分別記錄土壤深度為5，10，20，30，40 cm的地溫，每30 min記錄1次數據。

(3) 土壤含水率的測定：在樹行間分別距樹0.5，1.0，1.5 m布置3個測點，在棵間分別距樹0.5，1.0 m布置2個測點，每個測點深度都測到1.2 m(圖1)。每次灌水前后采用德國產的TRIME-IPH土壤水分測定儀測1次土壤含水率，降雨前后加測1次。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理對土壤日均溫度的影響

從表2可以看出，土壤溫度統計特征值的變化，各處理的各層地溫差異明顯。各處理的各層地溫平均溫度的最大值均在20℃左右。涌泉灌處理的土壤溫度規律與滴灌差異較明顯，滴灌處理各層日均土壤溫度隨著深度增大呈先增大而后減小的趨勢，而涌泉灌處理各層日均溫度隨著深度增大呈減小趨勢。這是因為滴灌由于滴頭流量較小，灌溉時間較長，以及太陽輻射熱傳遞等原因，使滴灌最高溫度出現在20—25 cm處。而涌泉灌是以小股水流方式出水，這使得水分在土壤中向下滲透的速度相對較快，水平方向滲透速度較慢。這使得近地表水分相對滴灌較少。含水量直接影響土壤的比熱容，水分含量低的土壤溫度會偏高，5 cm處日均土壤溫度達到最大。在5—10月期間，滴灌各處理的土壤日均溫度變化規律一致，各處理地溫都在6～27℃波動。各滴灌處理各層土壤溫度變化幅度隨著深度增加呈減小趨勢，這是因為隨著土層深度的增加，土壤環境因外界影響的強度減小而保持相對穩定的狀態，變異性小，變異指標相對較低。而涌泉灌處理的各層土壤溫度變化幅度隨深度呈先增大而后減小的趨勢，且涌泉灌相對滴灌處理日均土壤溫度較穩定。在滴灌處理中，20 cm處土壤特征值出現反常，C1處理除20 cm以外的各層日均溫度的方差、標準差、變異系數比其他處理都低。

圖1 trime及溫度傳感器布置

表2 土壤日均溫度統計特征值

注：C1—5表示C1處理土壤深度為5 cm處溫度，以此類推。

2.2 不同灌水處理對各層土壤溫度的影響

由圖2—3可知，各處理5 cm處土壤溫度呈單峰曲線，在油脂轉化期土壤溫度達到最大，平均達到23℃，且土壤溫度波動較其他土層幅度大，這是因為近地表土壤溫度受氣溫影響最大。各處理5 cm處土壤溫度在不同生育期差異較大，差幅可以達到10℃。在油脂轉化期時，C4—5處理比C1—5處理地溫高近3℃，其他時期各處理土壤溫度差異不大。各生育期的各處理土壤溫度隨著灌溉定額的增加而增加，呈現先增加而減小的趨勢且差幅約為1℃，在灌溉定額為30 mm處達到最大。

圖2 不同生育期的氣溫

各處理10—20 cm處土壤溫度隨時間呈單峰曲線，都在油脂轉化期土壤溫度達到最大，平均達到23℃。各處理的土壤溫度在果實膨大期、硬核期波動不大，在18～21℃波動。各處理在油脂轉化期、成熟期、落葉期地溫波動較大，在12～23℃波動。C3—10處理在成熟期、落葉期土壤溫度低于C4—10近0.3℃和3℃；C3—20在成熟期低于C4—20處理0.4℃。C3處理的10 cm，20 cm的地溫除上述的出現變動，剩下的在整個生育期內土壤溫度都比其他處理高3%～8%。各處理的各生育期在30 cm，40 cm處地溫差異不大，差幅在1℃左右。

各處理各土層土壤溫度在各生育期都呈單峰曲線，都在油脂轉化期(溫度達到全年最高)土壤溫度達到最大，且波動幅度隨著深度的增加而減小。這同時說明氣溫對于0—40 cm的土壤溫度都有影響，且隨著深度的增加影響程度減小。整個生育期C3處理的各層土壤溫度基本都大于其他處理，且C3處理與C2處理的各層土壤溫度差異不大。

2.3 各層灌前灌后土壤含水率與各層土壤溫度變化關系

由表3可知，無論灌前還是灌后，0—20 cm土壤溫度與20—40 cm土壤溫度顯著相關，這是因為太陽輻射的能量源源不斷地輸送到地球表面，通過大氣與土壤界面以熱量的形式交換來實現，這就形成大氣—上層土壤—下層土壤之間不斷能量傳遞過程[13]，所以呈顯著相關。灌前0—20 cm含水率與灌后0—20 cm含水率顯著相關。灌前0—20 cm含水率與0—40 cm的灌后土壤溫度達到顯著相關；灌前20—40 cm的含水率與灌前0—40 cm的土壤溫度顯著相關。灌后0—20 cm含水率與0—20 cm灌后地溫達到極顯著相關，與灌后20—40 cm的土壤溫度達到顯著相關。經上述研究研究表明，無論是灌前還是灌后，土壤0—20 cm的含水率對灌后0—20 cm的土壤溫度影響是巨大的，都呈顯著正相關。灌前20—40 cm含水率對灌前0—40 cm的土壤溫度顯著相關；灌后20—40 cm的土壤含水率對0—40 cm灌后土壤溫度存在低水平相關且并不顯著。

表3 各層灌前灌后土壤含水率與各層土壤溫度之間的person相關

注：*代表顯著相關，**代表極顯著相關。

注：Ⅰ為果實膨大期，Ⅱ為硬核期，Ⅲ為油脂轉化期，Ⅳ為成熟期，Ⅴ為落葉期，相同生育階段不同字母代表在0.05層級各處理差異性顯著。
圖3 不同灌水處理的各層土壤溫度

2.4 不同灌水處理對各層灌前灌后土壤溫度變化

如圖4所示，以7月25日灌前土壤溫度和7月27日灌后土壤溫度為例。各處理的灌前土壤溫度都比灌后土壤溫度高，且各層土壤溫度灌前灌后日變化規律一致。各層土壤溫度都隨著時間呈近似三角函數曲線在變化，且幅度隨著土層深度的增加而減小。在1日內土壤溫度變化存在最大值、最小值，可將土壤溫度變化過程分為上升與下降2個階段。且土壤溫度下降的速率明顯小于其上升的速率。土壤溫度變化隨著土層深度具有明顯的滯后現象。各處理5—10 cm的土壤最低溫度出現在10:30左右，20 cm土壤最低溫度出現在12:30左右，30 cm土壤最低溫度出現在14:30左右。40 cm土壤最低溫度出現在16:30左右。最高溫度同理。由此可得深度每增加10 cm土壤溫度滯后2 h[14]。各層土壤溫度灌前灌后具體變化特征及其變化過程如下：

(1) 各處理5 cm土壤溫度變化規律。各處理5 cm處土壤溫度日變化波動最劇烈。C1處理與C2，C3，C4處理的灌前土壤溫度在各時段有明顯差異，溫度低0.8～1.8℃。灌后，C1處理比灌前土壤溫度下降了8%～17%；C2，C3處理的土壤溫度差異不大，都下降了7%～14%。C4處理的土壤溫度在灌前灌后變化幅度最大，灌后的土壤溫度下降了10%～20%。各處理灌前灌后土壤溫度各時段變化幅度也有差異，幅度大小依次是：0:00—6:00>6:00—16:00>16:00—0:00。

(2) 各處理10 cm土壤溫度變化規律。C1處理灌前土壤溫度明顯比C2，C3，C4處理低0.6～2℃。C3處理的灌前土壤溫度在3:00—18:00比其他處理都高，在18:00—0:00期間C2處理的灌前土壤溫度比其他處理高。灌后C3土壤溫度最高，比C1處理高1.5～4℃，比C2處理高0.6～1.7℃，比C4處理高1.15～3.74℃。C1處理和C4處理灌后土壤溫度差異不大。C1，C2，C3，C4處理灌后土壤溫度分別下降了7%～16%，6%～12%，4%～7%，9%～18%。

(3) 各處理20—40 cm土壤溫度變化規律。各處理20—40 cm灌前灌后土壤溫度變化幅度都隨著深度逐漸減小。C1處理在20，30，40 cm處灌后土壤溫度分別下降了6.5%～12.78%，5%～9%，3.8%～5.5%，且相對其他處理溫度一直最低。C2，C3處理的20—40 cm灌后土壤溫度都比C1處理的土壤溫度高。C2，C3處理20—40 cm灌前灌后土壤溫度變化差幅比另外兩個處理要小很多。C2處理的20—40 cm灌前土壤溫度最高。在20，30，40 cm處灌后土壤溫度分別下降了5%～9%，4%～5%，3.1%～3.5%。C3處理的20—40 cm灌后土壤溫度最高。在20，30，40 cm處灌后土壤溫度分別下降了2%～5%，0.3%～3%，0～2%。C4處理灌前灌后土壤溫度變化幅度最大，在20，30，40 cm處灌后土壤溫度分別下降了8%～12%，6%～9%，2.2%～6%。

各處理灌前灌后的各層土壤溫度變化幅度都隨著深度逐漸減小，這是主要因為隨著土層深度的增加受太陽輻射的影響而減小。灌前C1處理各層土壤溫度都低于其他處理，且差異較大。C2，C3處理在20—40 cm的灌后土壤溫度都比C1的灌前處理略大。說明C1灌水處理不益于土壤溫度。C2處理與C3處理各層的灌前灌后土壤溫度差異不大。灌后各層的土壤溫度低于C2，C3處理的各層的灌后土壤溫度，且土壤溫度相差較大。C3處理的灌前灌后的各層土壤溫度變化幅度要略小于C2處理。C3處理在0—10 cm的灌前土壤溫度要比其他處理都大，C2處理在10—40 cm的灌前土壤溫度比其他處理都大。C4處理灌前土壤溫度和C2，C3處理的土壤溫度相近。C4處理的各層灌前灌后土壤溫度變化幅度最大，雖然C4處理和C2處理是相同的灌水定額，但由于灌水方式的不同，涌泉灌向下滲透速度要比滴灌快，造成在相同灌溉定額條件下，C4處理灌后的土壤含水率明顯小于C2處理(表4)，最終C4處理土壤溫度要小于C2處理。但隨著土壤蒸發、核桃樹的消耗，C4處理與C2處理的含水率相近，這使得C4，C2處理在灌后很長一段時間后土壤溫度又相近。上述研究表明灌水定額和灌溉方式對土壤溫度的影響是巨大的。

3.5 不同灌水處理對核桃產量及品質的影響

由表5可知，不同灌溉量與灌水方式均對產量有顯著影響。在相同灌水方式不同灌水定額下，C2處理的產量分別高于C1，C3處理39.43%，23.12%，單個核桃質量也呈現顯著差異，仍以C2處理為最大。在不同灌水方式相同灌水定額下，與C4處理相比，C2處理產量顯著高于C4處理48.14%。單個核桃質量也呈現顯著差異，以C2處理為最大。因此在不考慮果實品質的前提下，C2處理灌溉制度下的核桃產量最多。

研究表明核桃主要成分有脂肪、蛋白質、維生素、碳水化合物及微量元素等營養成分[15]，這些營養成分量決定了核桃果實的品質。C1處理各項品質指標顯著小于其他處理，表明灌水量較少時易造成果實品質顯著降低，影響經濟效益。灌水量較大時(C3處理)雖然促使蛋白質含量提升，但影響果實的脂肪含量與出仁率，與C2處理相比，分別下降了2.25%，3.52%。當改變灌水方式后，其變化結果，與C3處理相似。

因此，綜合對比，在考慮產量與各項品質指標的前提下，C2處理對核桃產量與品質最有益。

圖4 不同灌水處理對各層灌前灌后的土壤溫度日變化

表4 灌前灌后各處理土壤含水率 %

表5 不同灌水處理的核桃產量及品質

注：同列數據不同字母表示在p<0.05水平差異顯著。

3 結 論

(1) 涌泉灌處理的日均土壤溫度規律與滴灌差異較明顯，滴灌處理各層日均土壤溫度隨著深度增大呈先增大而后減小的趨勢，最高溫度出現在20—25 cm處；涌泉灌處理各層日均溫度隨著深度增大呈減小趨勢，5 cm處日均土壤溫度達到最大。

(2) 各處理各土層土壤溫度在各生育期都呈單峰曲線，都在油脂轉化期(溫度達到全年最高)土壤溫度達到最大。C3處理與C2處理的各層日均土壤溫度差異不大。C2處理的各層日均溫度的方差、標準差、變異系數比其他處理都低，而C1處理最高。

(3) 剛灌水結束后，灌后土壤含水率對土壤溫度影響是顯著的，灌后0—20 cm土壤含水率對0—40 cm的土壤溫度的影響要顯著大于20—40 cm的土壤含水率對其影響。在灌后的一段時間內，土壤水分經過土壤蒸發、核桃樹消耗以及深層滲漏，土壤含水量在各土層發生了變化，對各層土壤溫度的影響也發生了相應的變化。此時，0—20 cm的含水率對0—20 cm的土壤溫度有顯著影響，對20—40 cm的土壤溫度，有一定的影響但并沒有達到顯著水平。20—40 cm的含水率對0—40 cm的土壤溫度有很大影響，并呈顯著水平。

(4) 綜合考慮土壤溫度、產量及品質情況，灌溉定額為435 mm(C2)處理的土壤溫度最穩定，產量最高，品質最好，是最有益的處理。