賈浩南，李 彬,3,，降亞楠，王凱航，高凌智

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 資源環(huán)境與檢測技術(shù)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；3.高效節(jié)水技術(shù)裝備與水土環(huán)境效應(yīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

土壤溫度的變化對土壤化學(xué)性質(zhì)和農(nóng)作物后期生長狀況影響很大[1-2]。高進(jìn)等[3]研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫度影響植物根部的生長發(fā)育和幼苗的成長。土壤溫度還影響著土壤中化學(xué)反應(yīng)的類型和速率，并對生物過程有強(qiáng)烈影響，如種子發(fā)芽、幼苗出土及生長、根系發(fā)育以及微生物的活動等[4-6]。農(nóng)作物的播種時間也受土壤溫度的影響[7]。ARAI-SANOH等[8]研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫度升高會加快作物的生長發(fā)育和土壤中微生物的活性以及數(shù)量，同時還會加快作物對地下養(yǎng)分的吸收和利用。WAN等[9]研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫度通過影響作物根部吸收養(yǎng)分與代謝的功能，從而對作物生長發(fā)育產(chǎn)生影響。土壤溫度不管是對土壤本身的生物活性還是作物的生長發(fā)育都起決定性作用[10]。

凍土的凍融作用對作物的播種、出苗有顯著影響，并間接影響作物物質(zhì)積累和幼苗發(fā)育，對作物生長起到了承上啟下的作用[11]。Zhang DF等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱半干旱的寒冷地區(qū)，季節(jié)性凍融期土壤水鹽運移容易造成土壤鹽分再分配、土壤鹽漬化。凍融期土壤溫度是影響土壤中微生物生長、地面蒸發(fā)、土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)、土壤含有的養(yǎng)分含量以及土壤水分和熱量的傳輸及鹽分的積累過程的主要因素[13-16]。

因此，研究作物的土壤溫度變化規(guī)律意義重大，并且以往對玉米作物無處理情況下的土壤溫度變化規(guī)律研究較少。本試驗采用了美國Onset公司生產(chǎn)的HOBO U30小型氣象站在鄂爾多斯高原典型代表區(qū)鄂托克旗監(jiān)測玉米的田間氣候，系統(tǒng)地研究了玉米在太陽輻射，近地氣溫，降雨量的影響下土壤溫度的變化規(guī)律，并創(chuàng)新性地加入了土壤凍融變化方面的研究，為鄂爾多斯高原種植玉米提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于鄂爾多斯的腹地鄂托克旗，是鄂爾多斯高原的典型代表區(qū)。鄂托克旗是典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。該區(qū)冬季漫長且寒冷，夏季短促且炎熱， 寒暑變化大，風(fēng)多雨少，氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)烈，日照時數(shù)長，晝夜溫差大。年日照時數(shù) 3000 h，平均海拔1800 m，年平均氣溫 6.4 ℃，年降水量為 250 mm，年蒸發(fā)量 3000 mm，降水主要集中在 7—9 月份，無霜期 122 d，災(zāi)害性天氣為干旱和風(fēng)沙危害。大風(fēng)多集中在冬春兩季，尤其是春季，多年平均風(fēng)速 3.1 m/s。該旗一年四季均有干旱出現(xiàn)的概率，但以春旱為最多，大旱概率以秋、冬為最多。鄂托克旗常年氣候干燥，植被屬于草原化荒漠類型。土層較薄，基本為砂質(zhì)壤土，土壤類型主要為棕鈣土和灰漠土。

1.2 試驗研究對象

玉米品種為TK601。出生期：出苗至成熟128 d，屬晚熟品種。種子性狀：楔形，馬齒，橙黃色。幼苗性狀：葉片綠色，葉緣紫色，葉鞘深紫色，第一葉圓形。植株性狀：成株株型半緊湊型，護(hù)穎綠色，花藥深紫色，花絲紫色；株高290 cm左右，穗位116 cm左右，總?cè)~片數(shù)21片，雄穗一級分枝1～3個。果穗性狀：果穗短簡型，穗軸紅色，穗長18.7 cm，穗粗4.9 cm，穗行數(shù)15.7行，行粒數(shù)39.2粒，出籽率85.0%。

1.3 試驗設(shè)計

采用美國Onset公司生產(chǎn)的HOBO U30小型氣象站監(jiān)測位于鄂托克旗草籽場的玉米2020年5月1日—2021年4月30日的田間氣候，包括太陽輻射、近地氣溫、5 cm地溫、15 cm地溫、25 cm地溫，每1 h測定1次，匯總成表并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米在全生育期的土壤溫度變化規(guī)律研究

試驗對玉米全生育期(2020年5月1日—9月30日)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集了近地氣溫、降雨量、5 cm地溫、15 cm地溫、25 cm地溫5項指標(biāo)，每天每隔1 h進(jìn)行自動監(jiān)測?，F(xiàn)將每天監(jiān)測的5 cm、15 cm、25 cm土壤溫度和大氣溫度數(shù)據(jù)取平均值后按各個生育期繪制點線圖，將降雨量求和后按各個生育期繪制柱狀圖，如圖1所示。

圖1 玉米全生育期的不同土層土壤溫度的動態(tài)變化

從圖1中可以看出，土壤溫度隨氣溫的增加而增加，且整體溫度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。在晴天時，氣溫高于各個土層的溫度，而在陰雨天時，氣溫會出現(xiàn)顯著降低的現(xiàn)象且低于各個土層的溫度，土層越深土壤溫度的變化幅度越小?？梢哉f明土層越深土溫越趨于穩(wěn)定，保溫效果越好，受氣象因素影響較小。

2.2 玉米在各個生育期的土壤溫度變化規(guī)律研究

在玉米的苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期和成熟期6個生育期內(nèi)分別選取一個典型代表日作為研究對象。選取原則是典型代表日應(yīng)包含晴朗天，多云天和陰雨天3種情況。其中苗期選取5月20日(晴朗日)為研究對象；拔節(jié)期選取6月22日(陰雨日，只在02:00，05:00，08:00，09:00間斷降雨，降雨量合計1.8 mm)為研究對象；大喇叭口期選取7月17日(多云日，僅16:00降雨，降雨量合計為0.8 mm)為研究對象；吐絲期選取8月17日(陰雨天，10:00—19:00連續(xù)降雨，降雨量合計7.6 mm)為研究對象；灌漿期選取8月31日(晴天)為研究對象；成熟期選取9月15日(晴天，僅06:00降雨，降雨量合計為0.2 mm)為研究對象。

用6個典型代表日的太陽輻射、近地氣溫、5 cm地溫、15 cm地溫、25 cm地溫5項指標(biāo)繪制各個生育期土壤溫度的動態(tài)變化圖，以便研究各個土層受氣象因素影響的變化規(guī)律，并且列出各個生育期的各個土層的地溫變異性表格(見表1)，以便研究各個土層的穩(wěn)定性。

表1 玉米各個生育期地溫變異性分析

在玉米苗期不同土層溫度變化動態(tài)如圖2所示，可以看出，太陽輻射呈單峰分布，且從05:00開始出現(xiàn)，至13:00達(dá)到最高值，其值為963.1 W/m2，隨后逐漸降低，至20:00其值為0 W/m2。近地氣溫、5 cm地溫、15 cm地溫、25 cm 地溫皆呈正弦曲線分布。對比5 cm處地溫與氣溫的關(guān)系可以看出，土壤有保溫效果。在00:00—06:00時，5 cm地溫均高于氣溫，并與氣溫一致降低，從06:00氣溫開始上升，但地溫仍然有下降趨勢，從08:00開始5 cm地溫開始隨著氣溫上升。是因為土壤溫度增長滯后于氣溫。08:00—23:00，氣溫與5 cm地溫變化趨勢相同，但5 cm地溫的上升和下降的曲線斜率均小于氣溫，這說明土壤具有保溫性，5 cm地溫比氣溫更穩(wěn)定。對比不同土層溫度，得出土層越深，土壤溫度越穩(wěn)定，即穩(wěn)定性中，氣溫<5 cm地溫<15 cm地溫<25 cm地溫。曲線越來越平緩，正弦曲線其振幅越來越小。且由表1苗期部分可以看出，該代表日地溫的極差越小，地溫的標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)隨土層的變深越來越小，說明穩(wěn)定性也在增加。

圖2 玉米苗期(5月20日)不同土層溫度變化動態(tài)

在玉米拔節(jié)期不同土層溫度變化動態(tài)如圖3所示，可以看出，太陽輻射呈單峰分布，且從08:00開始逐漸上升，其中在11:00有一小段減小現(xiàn)象，隨后又快速上升，斜率增大，這是因為天氣由陰轉(zhuǎn)晴的原因。上升到13:00時達(dá)到最高值為1134.4 W/m2，隨后降低，至20:00時太陽輻射為0 W/m2。三種土壤溫度的變化規(guī)律均符合正弦曲線規(guī)律。在上午降雨時間段內(nèi)，5 cm地溫小于15 cm和25 cm地溫，轉(zhuǎn)晴后才出現(xiàn)大于15 cm和25 cm地溫的情況，說明5 cm土壤溫度受氣象因素影響要比15 cm、25 cm土壤溫度要大，且5 cm的變化幅度比15 cm、25 cm的變化幅度大，說明5 cm土壤溫度的穩(wěn)定性較差。由表1拔節(jié)期部分可以看出，極差和標(biāo)準(zhǔn)差隨著土層深度的增加而降低，也說明隨著土層深度的增加，土壤溫度的穩(wěn)定性也在增加。

圖3 玉米拔節(jié)期(6月22日)不同土層溫度變化動態(tài)

在玉米大喇叭口期不同土層溫度變化動態(tài)如圖4所示，可以看出，太陽輻射呈雙峰分布，在12:00時達(dá)到最高值903.1 W/m2，1小時后太陽輻射驟降，至15:00時達(dá)到最低值56.9 W/m2，隨后又突然升高，至17:00達(dá)到第二個峰值514.4 W/m2，隨后再次驟降，直至為0 W/m2。出現(xiàn)這個狀況的原因是12:00左右和15:00 左右發(fā)生陰晴變化，引起太陽輻射的起落。5 cm地溫在降雨前的變化規(guī)律與晴天時相同，呈正弦曲線變化，但在降雨時，5 cm地溫出現(xiàn)陡降，隨后隨著天氣轉(zhuǎn)晴，其又恢復(fù)正弦曲線的變化規(guī)律，但15 cm、25 cm地溫依舊呈正弦曲線分布，并未受太大影響，說明5 cm受天氣因素影響較大，隨著土層深度加深，土壤溫度穩(wěn)定性越高。由表1大喇叭口部分可以看出極差和標(biāo)準(zhǔn)差隨著土層深度的增加而降低，也說明隨著土層深度的增加，土壤溫度的穩(wěn)定性也在增加。

圖4 玉米大喇叭口期(7月7日)不同土層溫度變化動態(tài)

在玉米吐絲期不同土層溫度變化動態(tài)如圖5所示，可以看出，太陽輻射在12:00與14:00時出現(xiàn)兩個峰值，其值分別為199.4 W/m2和230.6 W/m2。都低于晴朗天的太陽輻射，這與試驗田的云層厚度與降雨強(qiáng)度有關(guān)。近地氣溫與土壤溫度的變化規(guī)律均不符合正弦曲線的變化規(guī)律，氣溫波動規(guī)律與太陽輻射無直接關(guān)聯(lián)，因為太陽輻射不管是升還是降，氣溫均呈下降趨勢。氣溫在陰雨天下均低于地溫，說明土地具有保溫效果。土壤溫度的變化規(guī)律總體表現(xiàn)為土層由淺向深逐漸穩(wěn)定。5 cm地溫均低于15 cm、25 cm地溫，說明土壤越深，保溫效果越好，穩(wěn)定性越高。從15 cm 和25 cm的土壤溫度變化規(guī)律來看，二者自00:00開始一直降低，可見陰雨天氣土壤溫度隨著降雨持續(xù)降低，并不隨著太陽輻射增強(qiáng)而增大。從表1中的吐絲期部分可以看到，地溫的極差和標(biāo)準(zhǔn)差隨著土層深度增加而減小，說明土層越深，土壤溫度穩(wěn)定性越好，受大氣因子影響越小。

圖5 玉米吐絲期(8月7日)不同土層溫度變化動態(tài)

在玉米灌漿期不同土層溫度變化動態(tài)如圖6所示，可以看出，其變化規(guī)律與苗期晴朗天變化規(guī)律相同，說明雖然在不同時期，氣溫和太陽輻射不同，但由于都是晴天，地溫的變化規(guī)律相同，得出的結(jié)論也相同，即在穩(wěn)定性中，氣溫<5 cm地溫<15 cm地溫<25 cm地溫，且地溫均呈正弦曲線分布，存在保溫和滯后現(xiàn)象。

圖6 玉米灌漿期(8月31日)不同土層溫度變化動態(tài)

圖7 玉米成熟期(9月15日)不同土層溫度變化動態(tài)

在玉米成熟期不同土層溫度變化動態(tài)如圖7所示，可以看出，在06:00降雨時，氣溫驟降。原因是此時太陽輻射還為0 W/m2，氣溫受降雨的影響比較大。但5 cm地溫、15 cm地溫、25 cm地溫均呈現(xiàn)正弦曲線分布，受降雨和氣溫的影響較小，說明隨氣溫的穩(wěn)定性小于地溫的穩(wěn)定性。隨后的變化規(guī)律與苗期晴朗天的變化規(guī)律相同，得出的結(jié)論也相同，即在穩(wěn)定性中，氣溫<5 cm地溫<15 cm地溫<25 cm地溫，且地溫均呈正弦曲線分布，存在保溫和滯后現(xiàn)象。

2.3 土壤凍融規(guī)律研究

土壤凍融本質(zhì)上是土壤水凍結(jié)和融化的物理變化過程。當(dāng)某個土層的土壤溫度低于土壤水的冰點時，這個土層的土壤開始凍結(jié)，隨著時間推移，土壤溫度梯度增大，土壤逐漸向下凍結(jié)。1月中旬之后，隨著太陽輻射的增強(qiáng)，各個土層的土壤開始融化，當(dāng)各個土層土壤全部融化時，土壤的融化過程結(jié)束[17]。

試驗選取2020年10月1日至2021年4月30日為研究范圍，日平均氣溫、5 cm地溫、15 cm地溫、25 cm地溫為研究對象繪制了點線圖，如圖8所示。

圖8 各土層凍融變化

由圖8可以看出，11月19日，氣溫開始變?yōu)榱阆拢禐?0.62 ℃，但各個土層地溫仍為零上。11月26日，5 cm土層開始變?yōu)榱阆拢?1月27日，15 cm土層開始變?yōu)榱阆拢?2月3日，25 cm土層開始變?yōu)榱阆拢脮r間為8 d。至此所有土層溫度均達(dá)到零下，直至2月22日全部土層變?yōu)榱闵?，持續(xù)日數(shù)為82 d。其中，12月30日至1月10日，無論是日平均氣溫，還是日平均各個土層的地溫均達(dá)到最小值，且穩(wěn)定在一個區(qū)間內(nèi)，氣溫最小值為-19.15 ℃，穩(wěn)定在-19～-9 ℃，5 cm地溫最低溫度為-11.74 ℃，穩(wěn)定在-11～-7 ℃，15 cm地溫最低溫度為-10.03 ℃，穩(wěn)定在-10～-6 ℃，25 cm地溫最低溫度為-8.36 ℃，穩(wěn)定在-8～-6 ℃。各土層溫度變化趨勢一致，且隨著土層的加深，變化幅度減小。1月18日為分水嶺，即在1月18日以前25 cm地溫>15 cm地溫>5 cm地溫>氣溫，但從1月18日之后，逐漸呈現(xiàn)出氣溫>5 cm地溫>15 cm地溫>25 cm地溫的趨勢。2月11日—2月21日，5 cm土層出現(xiàn)凍融交錯的現(xiàn)象，持續(xù)時間為11 d，15 cm土層溫度和25 cm土層溫度均在2月21號之后變?yōu)榱闵?。氣溫?月18日變?yōu)榱闵?。至此土壤凍融階段完成，持續(xù)時間為89 d。2月28日和3月1日出現(xiàn)極端天氣，致使土層溫度再次達(dá)到零下，但3月 2日之后氣溫回升，土層溫度均達(dá)到零上，產(chǎn)生了凍融過程，說明即便凍融階段過去，但由于受極端天氣的影響，也有可能出現(xiàn)土壤凍融變化。具體凍融期劃分請見表2。

王洪預(yù)等[18]研究結(jié)果表明，玉米出苗速率與土壤溫度顯著正相關(guān)，且播種時土壤溫度對玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響十分顯著。隨田間土壤溫度升高，其出苗速率顯著增加。土壤平均溫度在13.1～13.6 ℃播種時最佳。且用10 cm地溫穩(wěn)定通過11 ℃初日作為玉米適宜播種期，玉米出苗后霜凍概率分別下降到15%和17%[19]。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)可以看出，該地區(qū)在4月中下旬時土壤溫度穩(wěn)定在11～14 ℃之間，所以確定本地區(qū)的播種日期為4月中下旬。

表2 0～25 cm土層凍融階段劃分

3 討 論

3.1 玉米全生育期土壤溫度變化規(guī)律

高凌智等[20]研究結(jié)果表明，玉米全生育期的土壤溫度隨氣溫的增加而增加，在陰雨天土壤溫度會出現(xiàn)顯著降低的現(xiàn)象，這與本研究結(jié)果相符，但在晴天時的研究結(jié)果不同，高凌智等[20]研究結(jié)果為每日平均溫度都低于5 cm、15 cm、25 cm的土壤溫度，但本研究結(jié)果是在大喇叭口期之前，每日平均氣溫大多數(shù)高于5 cm、15 cm、25 cm的土壤溫度，而在大喇叭口期之后，每日平均氣溫大多數(shù)低于5 cm、15 cm、25 cm的土壤溫度。還有研究結(jié)果表明[21]，土層越深土壤溫度的變化幅度越小，可以說明土層越深越趨于穩(wěn)定，保溫效果越好，受氣象因素影響較小，這與本研究結(jié)果相符。車少輝等[22]研究結(jié)果表明，土壤溫度隨土層深度的增加而降低，但本研究結(jié)果表明，在苗期呈現(xiàn)的規(guī)律與之相符，即土壤溫度隨土層深度的增加而降低，但在拔節(jié)期以后，逐漸出現(xiàn)15 cm地溫>5 cm地溫>25 cm地溫的變化規(guī)律，此規(guī)律一直延續(xù)到成熟期，成熟期之后出現(xiàn)25 cm地溫>15 cm 地溫>5 cm地溫的變化規(guī)律。

3.2 玉米各個生育期土壤溫度變化規(guī)律

土壤熱狀況通過一天內(nèi)土壤溫度的日變化來反映[23]。魏育國等[21]研究結(jié)果表明，平均地溫均呈現(xiàn)先降低再增高的趨勢，日變化均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，一天中有一個峰值和一個谷值，呈現(xiàn)正弦變化，與太陽輻射的日變化一致，愈靠近表層這個變化趨勢愈明顯。本研究的試驗結(jié)果與之不同，各個生育期中，在晴天和多云天時，5 cm 地溫、15 cm地溫、25 cm地溫皆呈正弦曲線分布，且隨著太陽輻射、氣溫的增加而增加，但存在滯后現(xiàn)象，只有一個峰值和一個谷值。但在在陰雨天時，土壤溫度的變化規(guī)律均不符合正弦曲線的變化規(guī)律，氣溫在陰雨天下均低于地溫，陰雨天氣土壤溫度隨著降雨持續(xù)降低，并不隨著太陽輻射增強(qiáng)而增大，且不止一個峰值和谷值。這與陰雨天云彩對太陽的遮擋有關(guān)。

3.3 凍融期土壤溫度變化規(guī)律

鄭秀清等[12]研究結(jié)果表明，不同深度地溫隨時間的變化而變化，趨勢相同，且凍融期地表溫度穩(wěn)定性最低，受天氣影響顯著，溫度變化幅度最大，隨著土層深度的加深，穩(wěn)定性提高，外界環(huán)境對土層的影響隨土層的加深而減弱，地溫隨土壤深度的增加而升高，本研究結(jié)果與之一致。本研究存在不足之處是，由于設(shè)備的功能有限，只研究了0～25 cm土層的凍融期劃分，對25 cm土層以下的凍融情況尚未研究。但本研究凍融規(guī)律的目的是確定玉米播種日期，0～25 cm土層溫度的數(shù)據(jù)足以用來確定玉米的播種日期，即為4月中下旬。

4 結(jié) 論

(1)本研究中，土壤溫度隨氣溫的增加而增加，且整體溫度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。在晴天時，在大喇叭口期之前，每日平均氣溫大多數(shù)高于5 cm、15 cm、25 cm的土壤溫度，而在大喇叭口期之后，每日平均氣溫大多數(shù)低于5 cm、15 cm、25 cm的土壤溫度，各層土壤溫度呈正弦曲線分布。而在陰雨天時，氣溫會出現(xiàn)顯著降低的現(xiàn)象且低于各個土層的溫度，土層越深土壤溫度的變化幅度越小?？梢哉f明土層越深越趨于穩(wěn)定，保溫效果越好，受氣象因素影響較小。

(2)不同深度地溫隨時間的變化而變化，趨勢相同，且凍融期地表溫度穩(wěn)定性最低，受天氣影響顯著，溫度變化幅度最大，隨著土層深度的加深，穩(wěn)定性提高，外界環(huán)境對土層的影響隨土層的加深而減弱，地溫隨土壤深度的增加而升高。并根據(jù)試驗采集到的數(shù)據(jù)確定該地區(qū)播種日期為4月中下旬。