全 文 ：新疆农田作物覆膜地温极值的时空变化 3
李　毅1 ,2 3 3 　邵明安1 ,2
(1 中国科学院地理科学与资源研究所 ,北京 100101 ;2 中国科学院2水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与
旱地农业国家重点实验室 ,杨凌 712100)
【摘要】　土壤温度的上限和下限值极大地影响农田作物的生长发育. 根据对新疆农田 2 年度不同观测时
刻、不同覆膜条件及不同作物的最高和最低地温的分析 ,可知 2 年度全生育期地温极值均发生在 0 cm 位
置. 地温极值依观测时刻的不同而变动. 覆膜最低温度始终高于裸地 ,说明覆膜对提高低温段土壤温度有
明显作用. 最低温度的日变化可用二次函数表达 ;14 :00 和 20 :00 时最高地温可分别用深度的椭圆曲线和
线性关系表达. 不同条件下的地温极值和气温具有线性关系 ,其中裸地最低温度与气温的相关性高于覆
膜 ;玉米最低温度与气温的相关性高于棉花 ;最高温度与气温的相关性比最低温度与气温的相关性差.
关键词 　地温极值 　覆膜 　裸地 　棉花 　玉米
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 11 - 2039 - 06 　中图分类号 　S15218 　文献标识码 　A
Spatial and temporal variation of soil temperature extremum under plastic mulch in Xinjiang. L I Yi1 ,2 ,SHAO
Ming’an1 ,2 (1 Institute of Geographical Science and N atural Resources Research , Chinese Academy of Sciences ,
Beijing 100101 , China ;2 S tate Key L aboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the L oess Plateau , In2
stitute of Soil and W ater Conservation , Chinese Academy of Sciences and Minist ry of W ater Resources , Yan2
gling 712100 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (11) :2039～2044.
The upper and lower limit values of soil temperature affect crop growth and development greatly. Observations on
the soil maximal and minimal temperatures under different mulching and cropping conditions in Xinjiang showed
that during crop growth period in 1998 and 1999 ,soil temperature extremums were both at 0 cm ,and varied
with different observation time. The soil minimal temperature under plastic mulch was higher than that without
mulch ,indicating that plastic mulch could remarkably increase soil temperature. The diurnal variation of soil mini2
mal temperature could be expressed by quadratic function ,while the maximal temperature at 14 :00 and 20 :00
could be expressed by ellipse function and linear function of soil depth ,respectively. Soil temperature extremums
correlated linearly with air temperature under different conditions. The correlation between soil minimal tempera2
ture and air temperature was higher for bare soil than for mulched soil ,and higher for maize field than for cotton
field ,while the correlation between soil maximal temperature and air temperature was lower than that between
soil minimal temperature and air temperature.
Key words 　Soil temperature extremum , Plastic mulch , Bare soil , Cotton , Maize.3 国家杰出青年科学基金项目 (40025106)和黄土高原土壤侵蚀与旱
地农业国家重点实验室基金资助项目 (105012107) .3 3 通讯联系人.
2003 - 07 - 21 收稿 ,2003 - 11 - 19 接受.
1 　引 　　言
土壤热量作为土壤系统中能量的一种表现形
式 ,通过与外部环境的交换而影响和改变土壤水的
能量状态 ,从而影响土壤内部物理、化学过程. 土壤
温度是表征土壤热量状况的指标之一 ,它的变化极
大地影响土壤性质和农作物生长状况[1～8 ] . 春季地
温过低则不利于播种 ,持续低温会降低出苗率 ;作物
生长期地温过高则会抑制根系吸水. 这些都直接或
间接影响作物产量 ,从而影响国民经济的发展. 因
此 ,研究地温变化规律 ,掌握作物生育期地温动态 ,
对作物播种出苗、生长发育以及地温过高时采用适
量灌溉水降温 (以水调温)等都有一定的积极意义.
地膜覆盖可用于调节农田土壤温度和其他物理
化学性质. 新疆地区光照强 ,年蒸发量大 ,降雨稀少 ,
地温受干旱气候影响有其特定的变化特征[9～15 ] . 随
着近年来覆膜种植技术在我国西北地区的推广 ,人
们对覆膜提高土壤温度的认识也逐渐加深. 国内外
学者在相关的内容上已做了研究 ,如王淼等[12 ]对不
同森林类型土壤温度在 0～35 ℃进行土壤呼吸测
定 ,分析了藏北高原 D110 点 1 年中不同深度土壤
温度的日最高值、日最低值及日温差特征. 有些研究
者观测麦套春棉共生期间土壤温度的动态变化后提
应 用 生 态 学 报 　2004 年 11 月 　第 15 卷 　第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Nov. 2004 ,15 (11)∶2039～2044
出 ,适当增大麦棉间距 ,选用株高较矮的小麦品种 ,
可减少小麦对棉苗的遮荫 ,提高麦套春棉行间的土
壤温度[16 ] .
虽然目前有不同覆盖条件下的地温特征和地温
极值特征方面的研究 ,但结合新疆地区特定气候条
件研究覆膜地温极值特征的还不多 ,而且目前也未
有种植作物不同时的覆膜地温极值特征的比较分
析. 本文在两年度连续观测生育期地温的基础上 ,分
析了地膜覆盖和裸地的最低和最高温度的变化特
征 ,对比研究了不同作物 (棉花和玉米) 和不同观测
时刻 (8 :00、14 :00及 20 :00)的生育期以及剖面深度
的地温极值 ,以便为新疆地区作物播种育苗及高温
季节灌水降温提供科学的指导.
2 　材料与方法
211 　供试材料
试验场选在新疆沙湾县乌兰乌苏乡 ,土质为粘土 ,种植
作物分别为棉花和玉米. 田间地膜覆盖率 90 % ,膜宽 115 m ,
厚 0108 mm. 采用曲管式温度计隔日观测地温 ,观测深度自
地表 0～25 cm ,深度间隔均为 5 cm.
212 　试验方法
于 1998 及 1999 作物生育期观测地温. 其中 1998 年观
测历时为 4 月 21 日至 9 月 24 日 ,共 156 日 ;1999 年观测历
时自 4 月 15 日至 9 月 10 日 ,共 148 日 ,每日观测 3 次 ,观测
时刻分别为8 :00、14 :00及 20 :00. 此外 ,还对这 3 个时刻的覆
膜和裸地 0～25 cm 地温及气温进行了同步对照观测.
研究表明 ,地温具有日内和年内变化规律 ,在深度剖面
上也具有特定规律且依特定观测时刻的不同而不同 ,因此地
温极值也与日、年、观测时刻等时间特征和深度有关. 除此之
外 ,有无地膜覆盖和种植作物不同对地温也有影响. 本文的
生育期地温极值是指某年度 (1998 年或 1999 年) 观测期内、
特定作物 (棉花或玉米) 、特定覆盖条件下、某个观测时刻
(8 :00、14 :00或20 :00) 、0～25 cm 剖面内 ,在不同深度上统
计的日地温极值 ,从而得到地温极值的日变化趋势. 而剖面
地温极值则是某年度 (1998 年或 1999 年) 、特定作物 (棉花
或玉米) 、特定覆盖条件下 (有无覆膜) 、某个观测时刻 (8 :00、
14 :00或20 :00) 、0～25 cm 剖面内 ,在某深度上统计的整个
生育期地温极值 ,从而得到地温极值的剖面变化趋势.
根据大田实验 ,可得出不同处理下共 96 组地温极值资
料 ,包括生育期最高、最低温度和剖面最高、最低温度各 24
组 ,每年 12 组资料. 由于不可能在有限的篇幅里将所有资料
列举出来 ,因此下文将按先最低温后最高温顺序分析 ,并且
遵循 1998 年为主、1999 年为对比 ,覆膜为主、裸地为对比 ,
14 :00 和 20 :00 地温为主、8 :00 为对比的思路. 同时 ,结合一
些定量关系 ,进一步探讨地温极值与气温之间的相互联系.
3 　结果与分析
311 　土壤温度的时间变化特征
关于土壤温度在不同时刻、不同深度及生育期
的时空变化特征已有另文分别述及[6 ,7 ,11 ] ,在此不
再赘述. 根据田间资料分析 ,由于 0 cm 地温变幅最
大 ,而且在 8 :00、14 :00 和 20 :00 时 3 个观测时刻
中 ,以 14 : 00 地温变化最剧烈 ,因此仅以 1998 及
1999 年 14 :00 时观测的玉米覆膜 0 cm 地温序列进
行对比 (图 1) .
图 1 　14 :00 玉米覆膜 0 cm 地温
Fig. 1 0 cm soil temperature for mulched maize field.
　　由图 1 可见 ,1998 年及 1999 年 4 月中下旬 , 玉米
覆膜地温随日期延长而快速升高 ,且波动较大. 5～6 月
地温持续较高 ;7 月后地温逐渐随日期延长而降低. 2
年度 4 月中下旬地温差异不大 ,但自 5 月起 ,1999 年地
温整体上比 1998 年低 ,最高日温差可达 1912 ℃.
根据棉花和玉米实测地温资料的比较 ,1999 年
0 cm 覆膜地温趋势中 ,8 :00 观测的棉花和玉米地温
整体上差异不大 ;自 4 月 15 日～5 月 20 日 ,14 :00
和 20 :00 观测的棉花和玉米地温均差异不大 ;自 5
月 21 日～8 月 1 日 ,14 :00 和 20 :00 的棉花地温大
多高于玉米 ;而 8 月 2 日以后 14 :00 和 20 :00 玉米
地温则高于棉花.
312 　土壤最低温度的时空变化
31211 全生育期土壤最低温度 　土壤低温影响作物
出苗和生长. 根据实测资料的统计分析 , 1998 和
1999 年全生育期最低温度在总体趋势上无显著差
异 ,但数值有所不同 ,棉花最低温度稍高于玉米. 全
生育期最低温度均发生在 8 : 00 观测的玉米裸地
0 cm位置 ,分别为 1998 年 4 月 23 日的 - 110 ℃和
1999 年 4 月 25 日的 012 ℃.
1998 年棉花和玉米在覆膜与裸地条件下 ,不同
时刻的生育期土壤最低温度的日变化趋势见图 2.
　　由图 2a 可见 ,3 个观测时刻中 ,不同时刻棉花
覆膜最低温总体变化趋势一致 ,即自 4 月 15 日开始
逐渐升高 ,在 6 月下旬达最高 ,至生育期结束逐渐降
低 . 同一日最低温基本按20 : 00 、14 : 00 、8 : 00的
0402 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
图 2 　1998 年最低温度的日变化趋势
Fig. 2 Daily variations of minimal soil temperature in 1998.
a)棉花覆膜 Cotton2mulched , b) 20 :00 观测值 Observed at 20 :00. 顺序降低. 图 2b 可见 ,4 月中旬至 6 月底的覆膜最低温始终高于裸地 ,且该特征对棉花和玉米都适用 ,说明覆膜对提高低温段地温有明显作用. 玉米最低温略高于棉花 , 株高明显大于棉花 ,说明作物植株高度越高越有利于提高农田低温. 由图 2b 可以看出 , 7 月 1 日以后最低温变化顺序依次为棉花覆膜> 棉花裸地 > 玉米覆膜 > 玉米裸地.　　将统计得出的 1998 和 1999 年土壤最低温度与日期采用最小二乘法拟合 ,得二次函数 :Tmin = a1 x 2 + a2 x + a3 (1)式中 , Tmin为最低土壤温度 , x 为日期 , a1 、a2 、a3 分别为拟合参数. 不同地表覆盖和作物组合下的参数值见表 1.　　表 1 中 ,对相同作物 ,裸地最低温与日期函数关系的相关性均大于覆膜 ;相同覆盖条件下玉米的相关系数均高于棉花 ; 二次曲线的相关系数大于
0183 ,表明式 (1)可用于描述大田最低温的变化.
表 1 　1998 年最低温度与日期的二次曲线拟合参数
Table 1 Fitted function parameters of 22order for the lowest soil temperature and date in 1998
拟合参数
Fitted
parameters
棉花覆膜
Cotton2mulched
20 :00 14 :00 8 :00
玉米覆膜
Maize2mulched
20 :00 14 :00 8 :00
棉花裸地
Cotton2bared
20 :00 14 :00 8 :00
玉米裸地
Maize2bared
20 :00 14 :00 8 :00
a1 - 010021 - 010019 - 010025 - 010023 - 010024 - 01003 - 010023 - 010021 - 010026 - 010027 - 010025 - 01003
a2 149161 138158 180134 167105 172173 217136 167176 153167 189124 19214 181196 216175
a3 - 3 E - 06 - 2 E - 06 - 3 E - 06 - 3 E - 06 - 3 E - 06 - 4 E - 06 - 3 E - 06 - 3 E - 06 - 3 E - 06 - 3 E - 06 - 3 E - 06 - 3 E - 06
R 2 017286 017245 017064 016899 017740 017910 017675 017722 017370 018442 018568 017679
31212 剖面土壤最低温度 　剖面土壤最低温度由特
定条件下 (不同作物、年度、深度等)观测期地温最低
值得到 ,因此根据实测资料的分析可得出不同年份、
不同作物的最低温度随深度变化的趋势. 图 3 显示
了 1998 年三个观测时刻的剖面土壤最低温度特征.
　　由图 3 可以看出 , 不同时刻的最低温变幅均很
小 ,其最大值小于 15 ℃. 剖面 8 :00 和 20 :00 最低温
均在表层最低. 前者随深度增加而增加 ,而后者在 5
～15 cm 范围内存在约 10 cm 的缓冲层 ,最低温变
幅很小 ,该层以上最低温随深度增加而升高 ,而该层
以厦则反之. 14 :00 最低温在表层最高 , 且基本沿
深度增加而递减. 无论玉米还是棉花 ,覆膜最低温均
明显高于裸地 ,其中 1998 年覆膜和裸地最低温分别
为 - 015 和 - 110 ℃,1999 年分别为 012 和 016 ℃,
图 3 　1998 年土壤最低温度的剖面变化趋势
Fig. 3 Profile variations of lowest soil temperature in 1998.
观测时刻不同 Times for observations are different . 下同 The some below.
140211 期 　　　　　　　　　　　　李 　毅等 :新疆农田作物覆膜地温极值的时空变化 　　　　　　　　　　　
这同样说明覆膜能提高低温. 同深度覆膜 14 :00 和
20 :00 的玉米最低温高于棉花 ,而不覆膜则反之 ;但
8 :00 时刻上差异不大.
31213 土壤最低温度与气温的相关性 　由于太阳辐
射同时使地层和近地面大气升温 ,因此气温和地温
的变化均受辐射影响. 为了分析最低温与气温的联
系 ,将 2 年度不同作物和不同覆盖条件下、同时刻地
温和气温点绘于直角坐标系中 ,并用最小二乘法做
回归分析. 结果表明 ,不同条件下最低温与气温均具
有显著的线性关系可表示为 :
Tmin = B 1 Ta + B 2 (2)
式中 , Ta 表示气温. 1998 年不同处理的参数 B 1 、B 2
及其相关系数见表 2.
由表 2 可见 ,参数 B 1 变化范围为 015168～
019104 ; B 2 在 118508～916841 范围内变动. 同一处
理中 B 1 依 8 :00、14 :00、20 :00 的顺序降低 ,8 :00 的
不同处理 B 1 值接近于 1 ,拟合的最低相关系数为
018601. 比较分析表明 ,裸地最低温度与气温的相关
性高于覆膜 , 玉米高于棉花 , 8 : 00 高于 20 : 00 和
14 :00. 由于 8 :00 地温变幅不大 ,而 14 :00 地温则变
幅稍大 ,因此上述相关性分析是合理的.
表 2 　1998 年最低温度与气温的线性关系拟合参数
Table 2 Linear function parameters for the lowest soil temperature and air temperature in 1998
处理
Treatment
棉花覆膜
Cotton2mulched
20 :00 14 :00 8 :00
玉米覆膜
Maize2mulched
20 :00 14 :00 8 :00
棉花裸地
Cotton2bared
20 :00 14 :00 8 :00
玉米裸地
Maize2bared
20 :00 14 :00 8 :00
B 1 015929 015585 017945 01531 015168 018916 017356 016453 01857 01667 016117 019104
B 2 912431 71891 519074 916841 817869 317834 310515 410694 215896 318752 419368 118508
R 2 018205 017728 018434 017397 017536 019209 017831 017737 018803 017964 017924 019466
313 　土壤最高温度的时空化
31311 全生育期的最高地温 　就 1998 和 1999 两年
度 ,针对棉花及玉米在裸地和覆膜两种地表条件下
的地温特征 ,进行不同观测时刻最高地温的统计分
析 , 得出最高地温的时间和剖面变化序列. 1998 和
1999 年全生育期最高地温均发生在 14 :00 观测的
棉花 0 cm 位置 ,但分别发生在覆膜和裸地 ,日期分
别为 6 月 25 日和 6 月 8 日 ,相应的最高地温分别为
6010 和 5210 ℃.
1998 年全生育期最高地温随日期的变化趋势
见图 4. 由图 4a 可见 , 不同观测时刻的棉花生育期
最高地温在全生育期变化趋势类似 ,但同日观测值
基本依 14 :00、20 :00、8 :00 的顺序而降低 ,这与最低
地温特征不同. 自 4 月 21 日～7 月 6 日 ,最高地温
处于波动较大且数值较高阶段 ,尤以 14 :00 和 20 :
00 更为明显 ;自 7 月 6 日以后不同时刻最高地温趋
于平缓且差距缩小. 此外 ,整个生育期 8 :00 最高地
温变动幅度不大 ,明显低于 14 :00 和 20 :00. 基于图
4a 的特点 ,图 4b 只给出不同作物和覆盖条件下 7
月 14 日前的最高温度变化. 由图 4b 可以看出 ,生育
期最高地温由高到低的顺序基本为棉花覆膜 > 玉米
覆膜 > 玉米裸地 > 棉花裸地 , 说明覆膜对棉花的增
加作用比对玉米的更显著.
31312 剖面最高地温 　1998 年不同观测时刻剖面
最高地温见图 5. 由图 5 可见 , 8 :00 时最高地温的
剖面变幅不大 ,除个别深度外 ,最高地温大体随深度
增加而升高 ,范围为 2410～3010 ℃,且裸地比覆膜
低. 0 cm 最高地温的变化顺序依次为棉花裸地 > 玉
米裸地 > 玉米覆膜 > 棉花覆膜. 不同作物 14 :00 最
高地温沿深度增加而递减. 表层温度最高 ,25 cm 最
低 ,两者最大差值达 3114 ℃,但覆膜和裸地无显著
差异 ,玉米裸地稍低于其他处理. 若以深度 25 cm 作
为椭圆曲线的短轴 ,而以 0 cm 最高地温作为椭圆曲
线的长轴 ,则 14 :00 最高地温可用椭圆曲线表示为 :
图 4 　1998 年全生育期最高地温的时间变化趋势
Fig. 4 Variations of the highest soil temperatures with time in whole
growth stage in 1998.
2402 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
图 5 　1998 年最高地温的剖面变化趋势
Fig. 5 Profile variations of highest soil temperature in 1998.
　　( Tmax ,14 - g) 2/ aa2 + ( z - h) 2/ bb2 = 1 (3)
式中 , Tmax ,14为 14 : 00 的最高地温 , z 为深度 , aa、
bb 分别为椭圆的长轴和短轴 , g、h 为常数. 20 : 00
时最高地温随深度增加而递减 ,但与 14 :00 的凹形
不同 ,为微凸形. 该时刻最高地温剖面特征由高到低
的顺序依次为 :棉花覆膜 > 棉花裸地 > 玉米覆膜 >
玉米裸地. 若对 20 :00 最高地温与相应深度采用最
小二乘法建立关系 ,则两者有线性关系 :
Tmax ,20 = C1 Ta + C2 (4)
式中 , Tmax ,20为 20 :00 时最高地温 ,C1 、C2 分别为相
应的拟合参数. 对 1998 和 1999 年 20 :00 最高地温
与深度线性关系的比较表明 ,1999 年的线性关系更
好 (表 3) .
表 3 　1999 年 20 :00 时最高地温线性关系拟合参数
Table 3 Linear function parameters of highest soil temperature ob2
served at 8 :00 P1M in 1999
处理
Treatment
棉花覆膜
Cotton2
mulched
玉米覆膜
Maize2
mulched
棉花裸地
Maize2
bared
玉米裸地
Maize2
bared
C1 - 11954 - 21095 - 31441 - 21698
C2 801416 851527 1211020 1011950
R 2 019616 019886 019911 018866
31313 最高地温与气温 　为了分析最高地温受气温
影响的程度 ,可将同日相同观测时刻的最高地温与
气温建立联系. 根据实测资料分析 ,最高地温和气温
在 8 :00 具有良好的线性关系 ;在 20 :00 两者也具有
线性关系但只对裸地适用 ;14 :00 的任何处理下两
者点据均呈宽带状分布 ,无明显相关性. 不同处理最
高地温与气温的线性关系可表示为 :
Tmax = D1 Ta + D2 (5)
式中 , Ta 为气温 ,拟合参数 D1 、D2 见表 4.
　　与前述最低地温特征分析对比 ,可知最高地温
与气温的相关性比最低地温与气温的差 ,其差异尤
以 14 :00 地温最为明显. 由于 14 :00 地温变幅大 ,最
高地温波动也大 ,因此 14 :00 最高地温的影响因素
不能仅由气温这一个要素来表征 ,而不同时刻最低
温度与气温的联系显然更紧密一些.
表 4 　1998 年最高地温与气温线性关系拟合参数
Table 4 Linear function parameters for highest soil temperature and air
temperature in 1998
处理
Treatment
棉花覆膜
Cotton2
mulched
玉米覆膜
Maize2
mulched
棉花裸地
Cotton2
bared
玉米裸地
Maize2
bared
棉花裸地
Cotton2
bared
玉米裸地
Maize2
bared
8 :00 8 :00 8 :00 8 :00 20 :00 20 :00
D1 016411 016042 017096 016901 017399 016363
D2 121229 121605 912376 914372 141987 151730
R 2 018110 018037 018056 018477 016828 016376
4 　结 　　论
411 　两年度全生育期最低土壤温度均发生在 8 :00
时玉米裸地 0 cm 位置 ,而最高地温均发生在 14 :00
时棉花地 0 cm 位置. 最低温度总体上依 20 : 00、
14 :00、8 :00顺序降低 ,而最高地温基本依 14 : 00、
20 :00 及 8 :00 的顺序降低. 覆膜地最低温度始终高
于裸地 ,说明覆膜对提高低温段土壤温度有明显作
用.最低温度随时间变化可用二次函数表达且相关
系数较高.
412 　在剖面上 ,覆膜 14 :00 和 20 :00 玉米最低温基
本高于棉花 ;而不覆膜则反之 ;8 :00 地温差异不大.
8 :00 最高地温的剖面变幅不大 ,14 :00 和 20 :00 最
高地温均随深度增加而递减 ,分别采用深度的椭圆
曲线和线性关系表达.
413 　不同条件下最低地温和气温均具有明显的线
性关系 ,其中裸地最低温与气温的相关性高于覆膜 ;
玉米的高于棉花. 8 :00 最高地温与气温也具有良好
的线性关系 ,但两者的 20 :00 线性关系只对裸地适
用 ,14 :00 的任何处理下两者点据呈宽带状分布 ,无
明显相关性. 气温和最高地温的相关性比和最低地
温的弱些 ,其差异尤其以 14 :00 地温最为明显.
340211 期 　　　　　　　　　　　　李 　毅等 :新疆农田作物覆膜地温极值的时空变化 　　　　　　　　　　　
414 　地温除与气温 ,地表覆盖条件有关外 ,还和作
物的田间管理情况特别是灌溉制度密切相关 ,本文
未涉及灌溉前后的地温变化情况 ,在今后的研究中
将进一步对此方面内容进行研究.
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作者简介 　李 　毅 ,女 ,1974 年生 ,副研员 ,主要从事土壤
水、盐、热耦合迁移及微观水土过程的研究 ,发表论文 20 余
篇. Email : liyimm @tom. com.
4402 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷