土壤水熱交互作用對作物的影響綜述

喬鑫陽 褚麗麗

(黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

土壤水分是土壤的重要構成成分之一，也是影響土壤中肥力大小的一個重要因素，土壤中包含的所有物質的運輸、轉換，包括植物想要從土壤中吸收、汲取養分，都少不了土壤中水分的作用。水分太多或者太少都會影響作物生長。在足夠的水分條件下，種子才能解除休眠狀態發芽；土壤濕潤時，根系生長緩慢，分布范圍窄，適度土壤干旱能促進根系生長，根系發達，擴大根系范圍；缺水時，植物的莖和葉生長會特別緩慢，土壤中的水分太過充足時，莖和稈的生長效果會變得細長，易倒伏。土壤的溫度變化不僅會直接影響到土壤的含水與土壤中空氣的流動，而且還會對土壤中養分的轉化、作物的生長發育和最終產量的多少造成影響，是影響土壤肥力的重要變量之一。一個合適的溫度區間內，隨著溫度的升高，作物新陳代謝就會變快，作物生長也就越快。土壤的溫度能夠直接影響到土壤中水分變化的大小和態勢,土壤水分也能通過一定作用對土壤的溫度的變化大小和幅度造成影響。二者在不受外界環境其它因素影響的條件下對作物的發育成長有著明顯的互作關系。但是至今還未有文獻系統化地把二者的交互作用對作物的影響進行詳細的分析評價。

1 國內外文獻綜述

國內外學者對土壤水熱交互作用對作物影響的研究由來已久,世界上對土壤水熱交互作用對作物影響的研究也已逐步成型。目前我國主要以土壤水熱交互作用對作物產量、作物生長發育的研究為主。現有文獻主要從3個方面展開。

1.1 土壤水熱交互作用對作物生長及產量的影響規律

國內外學者已有大量研究從水熱各方面對作物產量的影響作出證明，土壤溫度的變化是通過太陽輻射和空氣中溫度變化的波動進而導致土壤溫度增加或者降低的過程,適宜的土壤溫度對作物生長發育及產量的形成具有明顯的促進關系。土壤水分是土壤中的養分得以運輸流動的重要載體，只有水分的流動分布適宜，土壤中的水、氣才能運作協調，養分才會流動起來被作物吸收利用。土壤中水分的流動狀態對作物的生長發育有著極其關鍵的作用，只有當作物不同階段的不同生長需求與此時的土壤水分條件達到適應，生長狀態才能表現良好。國內外大量學者還發現，土壤溫度和水分存在著明顯的互作效應[1],土壤中水分的流動和溫度的變化是一個復雜的耦合過程。水分調控對土壤溫度產生了影響。合適的灌溉有利于通過增加土壤日溫度差異來達到促進水稻根系所需要的發育基礎,增加作物內所需干物質的積累,勢必也會大幅提高產量。賽音朝格圖[2]等通過Gaussian函數模型多峰擬合和線性擬合的辦法對土壤水熱互作關系進行分析得出,土壤水分隨土壤熱狀況的變化均呈現出線性相關的變化趨勢,且距土壤表層越近,這種相關的趨勢越明顯，說明土壤溫度和水分之間存在顯著的正交互作用。但是在大田生產中，外界因素如氣溫、覆膜、作物葉面積遮光率等成為影響土壤溫度變化的主要因素，土壤溫度也不再與土壤含水率呈正交互作用。而在秸稈的覆蓋下的土壤水分與土壤溫度又呈負相關。秸稈覆蓋下土壤表層小氣候溫度隨著作物呼吸而升高，土壤含水量反而下降。雪被覆蓋一定程度上也通過同樣的機制作用著土壤的水熱耦合效應,進而使“冬小麥”在該階段有著穩定的表面環境,表現出與秸稈覆蓋同樣的水熱互作效果。WANG等[3]研究發現，地膜和秸稈覆蓋可以提升土壤水分有效性,提高冬小麥產量。秸稈覆蓋同樣也通過提高馬鈴薯莖和葉發育條件，使馬鈴薯產量得到顯著增加。而進一步采用壟覆二元覆蓋技術能優化旱作土壤水熱環境,提高馬鈴薯水分利用效率和產量。溝壟覆蓋能通過集蓄降水對土壤保溫、增溫，改善土壤水熱，進而顯著提高馬鈴薯生育期的株高和莖粗,最后達到增產效果。而在溫棚隔絕了外界環境條件下,水熱條件變成了作物生長的最主要因素,可以通過控制溫棚溫度進行觀察得出溫度過低會延緩蔬菜的生長,甚至凍傷蔬菜苗；溫度過高會增加大棚內的水分蒸發量,使得蔬菜出現萎蔫干枯現象,還會影響蔬菜的品質。因此,要協調好大棚內溫度與濕度的關系,改善土壤的水熱條件,才能提高作物產量,這也是目前研究的主要方向。

1.2 土壤水熱交互作用對作物的性狀及特征影響

土壤水熱交互作用對作物的影響一般都可以通過作物的性狀及特征來直觀觀察到。以2種常見作物水稻、玉米為例。水稻有效分蘗的數量通常是水稻壯秧的考核條件。土壤增溫可以明顯促進高寒地區水稻的早發和有效分蘗。水稻分蘗會受到水稻遺傳因子的影響,又會受到環境和種植方法的影響,外部環境中影響最大的影響因子是大氣溫度、土溫和水溫,在合適的溫度范圍,隨著溫度升高、分蘗增快,而超過溫度閾值,就會影響分蘗甚至導致分蘗停止。玉米的生長發育水平可以通過株高、莖粗和葉面積觀察到。胡亞瑾[4]發現，夏種玉米在早期壟覆地膜、溝覆秸稈、全覆膜平作、覆秸稈平作條件下,夏玉米的株高均會出現線性增長變化，進行各種覆蓋處理的植株生長高度會明顯較無任何處理的對照組有增高效果,夏玉米整體葉面積所占的指數從小到大依次是壟覆地膜溝覆秸稈>全覆膜平作>覆秸稈平作>不覆蓋。以在礫石覆蓋的條件下種植夏玉米為例,土壤日蒸發水分明顯減少,降低了土壤最高溫度、溫度變化幅度和平均溫度,顯著提高了貯水量,進而提高了穗長、穗粗、單穗穗粒數以及百粒重。秸稈覆蓋條件下,土壤水熱生態條件改善,不再受到外界氣溫、天氣的影響,玉米的株高提高顯著,同時,在同一個處理條件下株高與灌水量多少呈正相關趨勢。不僅如此,玉米的葉面積也是對照組的多倍，且隨著灌水量增加而增加,玉米的莖粗也較對照組有所增加,隨灌水量的增加莖粗的上升趨勢會達到一個峰值后下降。

1.3 土壤水熱交互作用對土壤有機質分解的影響規律

土壤的水熱交互作用除了對作物的生長發育起著重要作用，還對土壤有機質的分解和土壤有機質的礦化有著極大的促進作用。湯水榮[5]認為，休閑期的土壤溫度和土壤含水量對土壤中有機質的分解有著很大影響，并采取實驗培育并研究土壤有機質分解對土壤熱狀況和土壤含水量的響應特征，最終發現，添加秸稈后的土壤熱狀況和含水量會對田間土壤中有機碳的分解有極大促進作用。銨態氮的濃度在一定的溫度范圍內會隨著土壤溫度的增加和實驗培育時間的增加而有明顯的降低和降低趨勢，而硝態氮的濃度卻相反，表現出會隨著溫度的增加和實驗培育時間的延長而帶有明顯的升高和升高趨勢，結果表明，土壤溫度對土壤有機氮的礦化有著明顯的促進作用。在土壤有機質的礦化過程中，酶擔任著重要一職。土壤水熱交互作用也是通過對酶的活性產生影響進而影響有機質的礦質化過程。酶是土壤眾多構成成分中最突出的有機成分之一,土壤需要酶和各種微生物發生作用來共同促進土壤各種代謝。一般來講,土壤氮、磷、鉀的含量與其它各種有機質含量是互成比例的,所以土壤氮、磷、鉀的含量也會和土壤中酶的活性相互影響。土壤中廣泛存在著的各種酶類，大多是氧化還原酶類和水解酶類,這兩者對土壤各種分解作用和肥力有著至關重要的作用。土壤中各種酶的活性同時也會反映出土壤中種種生物反應和化學反應的強弱和趨勢。土壤含水量和熱狀況對土壤中酶的活性的影響是顯而易見的,土壤中水熱環境與土壤中的各種微生物的活性和類型有著明顯的關聯,因此,對土壤中各種酶的活性有著極大作用。不同含水量和溫度也會直接作用到土壤中各種酶存在的形式與酶活性的大小，進而對土壤有機質的分解速率和有機質礦化能力有重大影響。一般來講,土壤含水量較大時,酶的活性也會提高,有機質的礦化能力變強，但當土壤太過潮濕時,酶的活性反而減弱；土壤含水量減少時,酶的活性也相應變弱，土壤有機質的礦化速率也會減慢，因此土壤中有機質的礦化能力有一個相應的區間水量。土壤熱狀況也是影響能夠生成酶類的微生物種類及多少的直接因素,因此,土壤熱狀況是會影響酶類活性，也就是土壤有機質礦化能力的重要因素之一。而改變土壤含水量，土壤中的各種氮素化合物的運輸流動也會發生變化，加大含水量可以達到土壤中氮流動變快，進而加大作物對氮素的吸收、轉化和利用；但是如果含水量超過了一定的范圍，就會起到完全對立的作用，會使作物對氮素的吸收、轉化和利用減少。因此，土壤中含水量過高過低均不利于作物對氮的吸收和利用，這需要一個合適的灌水量。

1.4 土壤水熱交互作用對棚內小氣候及作物的影響

我國是一個農業大國,近年來我國農業經濟不斷創新與進步，農業產業結構持續改進,設施農業生產模式,特別是通過溫室提高作物生產效率的方法飛速發展。應用溫室技術來生產作物可以合理運用氣候資源,還能通過合理調控溫室水熱來明顯提升作物品質,并給我國農業生產方面帶來經濟效益[6]。目前，國內溫室大棚多為日光溫室,室內溫度依賴于外界的氣候。但在東北等寒冷地區則需要加溫系統才能維持大棚作物生長所需的溫度。采用具有加溫技術的溫室時,外界的大氣溫度造成的室內外溫差、日光輻射作用于大地的晝夜交替與不穩定性會對作物生長產生重大影響,經過多年的實驗嘗試與驗證，證明了增溫系統完全能夠提供陰天時植物對地溫的需要；通過試驗分析不同灌水模式對溫室作物的影響,研究發現降低土壤水分有助于促進作物根區土壤溫度的升高。溫室大棚內溫度是對作物生長極為重要的影響因素,水熱條件的變化是作物生長主要影響因子,隨著溫度的增高,溫室內土壤水分的蒸騰速率隨之增大,溫室空氣中的濕度也會相應增大,光合速率增高,這種情況極易造成植株徒長,且不利于干物質的形成。作物不同生長期生長階段受溫室內溫度、濕度和土壤水分的影響，生長情況不同。每個生長階段的溫度過高或者過低都會影響土壤表面的水熱狀況,進而影響作物的生長,所以調節大棚內適宜的水熱因子，為大棚作物提供合適的水熱環境至關重要。

2 評述

對于土壤水熱交互作用對作物生長及產量的影響,土壤的溫度和水分都是影響作物生長發育及產量的重要因素。目前研究者已發現，土壤中水分和土壤熱量二者之間有著極其復雜的相互作用關系,二者相互影響，進而影響著作物的生長,但是,對作物的影響除了二者的互作效應外,還與外界的各種環境直接相關。在復雜的外界環境下對作物的生長表現出復雜的影響,而隨著通過覆膜、大棚等技術的應用，使作物與外界復雜環境隔離,使得作物生長環境穩定,水熱因子對作物的生長就顯得愈發關鍵。這表明了一個穩定的環境對于作物水熱交互作用的穩定性有著至關重要的作用。關于土壤水熱交互作用對土壤有機質分解影響研究表明，土壤水熱條件對土壤有機質分解速率、礦化能力有著至關重要的作用。但目前研究主要還是集中在水熱單個因素對土壤有機質分解速率、礦化能力的影響，只有找到各個作物適宜的水熱條件才能起到促進作用。對于水熱的交互作用對作物有機質礦化的影響機制還有待進一步實驗論證。而研究中的溫室大棚多采用太陽能集熱升溫,還是會受到外界各種因素的影響,不能具體了解土壤水熱因子對棚內氣候最直接的影響。在我國東北部黑龍江省，由于冬季的低溫環境，水熱資源無法滿足作物的生長，大量優質的黑土地資源不能在冬季發揮作用，只能通過溫室大棚來改善現狀。而對一些有加溫系統的大棚研究還只停留在提高溫度來觀察農田小氣候的各種變化,而沒有在加入不同的灌溉模式下,研究土壤水熱耦合效應下棚內小氣候的變化規律對作物造成的影響。所以,未來對土壤水熱對作物的影響研究應通過創建一個有著可控溫度梯度的室外大棚并結合灌溉技術來進一步實驗驗證。