全 文 ：第 35 卷第 2 期
2015年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.2
Jan.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(51109105, 51349003); 国家科技支撑(2011BAD29B03); 内蒙古高等学校“青年科技英才支持计划冶; 博士后基
金(2011M500547, 2012T50250)
收稿日期:2013鄄03鄄24; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄25
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: lixianyue80@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201303240506
龚雪文,李仙岳,史海滨,田德龙,李祯,彭遵原.番茄、玉米套种膜下滴灌条件下农田地温变化特征.生态学报,2015,35(2):489鄄496.
Gong X W, Li X Y, Shi H B, Tian D L, Li Z, Peng Z Y. The interplanting between tomato and maize of soil temperature dynamics under mulched drip
irrigation.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):489鄄496.
番茄、玉米套种膜下滴灌条件下农田地温变化特征
龚雪文1,李仙岳1,*,史海滨1,田德龙2,李摇 祯1,彭遵原1
1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特摇 010018
2. 水利部牧区水利科学研究所, 呼和浩特摇 010020
摘要:土壤水热状况是影响作物生长的重要因素,以膜下滴灌及套种双重效应为背景,针对番茄、玉米套种农田设置了高(番
茄:180 mm,玉米:270 mm)、中(番茄:132 mm,玉米:202.5 mm)、低(番茄:84 mm,135 mm)3种不同的灌溉定额,采用定位监测
法测定番茄带膜间裸地(A)、覆膜番茄行间(B)、番茄带与玉米带膜间裸地(C)、覆膜玉米行间(D)共 4个位置的不同深度主根
区含水率和地温动态变化,研究了地膜覆盖、土壤水分以及作物遮阴对套种农田不同行间,不同深度土壤温度的影响特征。 结
果表明:全生育期内,4个水平位置的地温大小顺序与土壤深度有关,10 cm以上的地温大小顺序为 C>D>A>B,10 cm以下的地
温大小顺序为 D>B>A>C;从土壤温度场的分布情况来看,地温的最大变幅出现在 C 处,为 8.10 益;最小变幅出现在 B 处,为
4郾 71 益;含水率与地温的关系表现为:5 cm以上地温与含水率呈反比关系,20 cm以下地温与含水率呈正比关系。 可见,套种覆
膜滴灌农田合适的土壤水分状况将有利于根区良好水热的形成,从而更有利于作物的生长。 研究结果将对西北地区滴灌农田
管理有一定的参考价值。
关键词:套种; 膜下滴灌; 地温; 含水率
The interplanting between tomato and maize of soil temperature dynamics under
mulched drip irrigation
GONG Xuewen1, LI Xianyue1,*, SHI Haibin1, TIAN Delong2, LI Zhen1, PENG Zunyuan1
1 Water Conservancy and Civil Engineering College of Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China
2 Institute of Water Resources for Pastoral Area, Ministry of Water Resources, Huhhot 010020, China
Abstract: It is very significant for maintaining the optimal soil moisture and soil temperature in the crop field, because that
is the important foundation of developing an optimal irrigation system. The environment of reasonable soil moisture and
temperature in the field will not only enhance the water use efficiency but also benefit crop growth and increase crop yield,
especially for interplanting field with complex crop environments. In the experiments, the interplanting of tomato and corn
under mulched drip irrigation were tested in Hetao Irrigation District in 2012. We set up three treatments which are the high
irrigation quota ( tomato: 180 mm, corn: 270 mm), medium irrigation quota ( tomato: 132 mm, corn: 202.5 mm) and low
irrigation quota ( tomato: 84 mm, corn: 135 mm). The moisture content and soil temperature of different depths of root zone
were measured in the middle of bare soil between tomatoes belt (A), the middle of mulched tomato lines (B), the middle
of bare soil between tomatoes and corn belt (C), the middle of mulched corn lines (D) and crop growth and yield were
observed in different growing seasons. The effects of plastic film, soil moisture and crop shade on soil temperature at
different rows and depths of inter鄄planting were studied by the experiment. The results showed that it had apparent effect of
mulch on heat preservation under 15 cm soil depths, but the soil temperatures of whole root zone were influenced by crop
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shade and soil moisture; The soil temperatures of four horizontal positions were significant variation for different the soil
depths (5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm), and the proper sequence of average soil temperature above 10 cm soil depth
in different positions was: C>D>A>B, the one under 10 cm soil depth was: D>B>A>C; The study on distribution of the
soil temperature in the interplanting field showed that the maximum variational amplitude of soil temperature appeared at the
C position, and it would reach 8.10 益; the minimum variational amplitude of soil temperature appeared in the B position,
and it was only 4.71 益 . There was definitely some inverse correlation between the soil temperature and soil moisture above 5
cm soil depth, however direct proportion was observed below 20 cm soil depth. The study also found that there was strong
temperature effect in the middle of lines between high and low crops ( such as C position) during daytime, and the
temperature can influence the crop of two sides, so mulched cultivation has obvious effects for restraining the loss of heat. It
is thus clear that the optimal soil water and soil temperature are beneficial to form better soil moisture and temperature
environment and high crop yield in the intercropping field under mulched drip irrigation. The study will be very meaningful
for drip irrigation farm management in the Northwest Region.
Key Words: intercropping; mulched drip irrigation; soil temperature; soil water
套种不仅能提高单位面积的产量,而且能极大提高光、水、热等资源的利用效率[1鄄2],据报道,在内蒙古河
套灌区套种已超过总种植面积的 70%,然而由于套种农田对太阳辐射的有效拦截和利用不同[3],导致套种农
田不同行间位置的地温分布特征不同,而且覆膜后,塑料薄膜能够有效将太阳能转化为热能,有效调节作物根
区环境[4鄄6]。 因此将膜下滴灌技术与套种农田结合起来探讨作物耕层温度变化规律,对提高套种农田水热利
用效率具有重要的现实意义。 近些年针对套种农田采用膜下滴灌技术的研究主要集中在作物系数、水分利用
效率、水分迁移过程以及产量品质的影响[7鄄10]等方面,而针对水、热特性的研究主要以套种效应、覆膜效应、覆
盖效应、土壤水分效应等单项研究为主,如套种可有效利用太阳辐射提高产量[3];覆膜可有效提高土壤耕层
温度,促进作物生长[11];覆盖可抑制地温的大幅度波动[12];土壤含水量与土壤温度呈显著负相关[13]。 另外,
国内外学者还对覆膜条件或套种条件下的土壤热效应及地温的极值变化理论和模拟等方面做了研究[14鄄19]。
显然,这些研究主要是针对或覆膜或套种或滴灌等单项技术开展的,而对套种农田的不同行间位置地温分布
特征尚未做深入研究。 故本文主要针对套种及膜下滴灌耦合条件下多作物农田不同行间位置的地温变化规
律展开研究,并分析了套种模式下覆膜效应及土壤水分效应对地温影响的综合效应,本研究对于套种农田和
膜下滴灌耦合作用下水热理论发展具有一定的意义,并为该技术的进一步推广奠定了基础。
1摇 材料与方法
1.1摇 区域概况
2012年在内蒙古河套灌区磴口试验站(40.20 E,107.1 N)开展了番茄套种玉米的试验,该试验田地处干
旱半荒漠草原地带,夏季多风干旱,冬季少雨寒冷,属中温带大陆性季风气候,海拔 2004 m,年均气温 7.2 益,
年均日照时数 2190 h,年均降水量 198.3 mm,年均蒸发量 2460.3 mm,年均风速 2.74 m / s,多年平均无霜 132
d。 试验田土壤质地为夹砂粘土,1 m内土壤平均容重为 1.50 g / cm3,凋萎系数为 8%,田持为 24.1%。
1.2摇 试验设计
供试作物为玉米(品种为中地 77)和番茄(品种为屯河 48),采用“一膜一管两行冶的滴灌布设方式,采用
4行番茄套 2 行玉米的种植模式。 在当地灌水经验的基础上,试验设置了高、中、低 3 种不同的灌水处理,本
试验考虑了番茄与玉米需水量不同的特点,在每个小区中分别对番茄和玉米设定了不同的灌水定额(表 1),
采用精度为 0.001 m3的水表(NSD6)控制灌水量,每个处理均设置了 3个重复。
每个处理均布设了 4组精度为 0.1 益的水银直角地温计(RM鄄004),作物种植方式及地温计的布设方式
如图 1所示。
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表 1摇 全生育期番茄套种玉米的灌溉制度
Table 1摇 Irrigation scheduling for intercropping between tomato and maize during the whole growing season
处理号
Treatment
小区面积 / m2
Plot area
番茄 Tomato 玉米 Corn
灌水次数
Irrigation frequency
番茄 Tomato 玉米 Corn
灌水定额 / mm
Irrigation quota
番茄 Tomato 玉米 Corn
灌溉定额 / mm
Irrigation quota
番茄 Tomato 玉米 Corn
T1 142.5 47.5 8 9 22.5 30 180 270
T2 142.5 47.5 8 9 16.5 22.5 132 202.5
T3 142.5 47.5 8 9 10.5 15 84 135
图 1摇 番茄、玉米套种方式及地温计与滴灌带布置图
Fig.1摇 Latout of intercropping between tomato and maize and geothermometer and drip irrigation system
1.3摇 试验方法
1.3.1摇 气象资料测量
离试验区 300 m的空旷地中设有自动气象站(HOBO),用于观测降水、气温、湿度、太阳辐射、大气压等。
1.3.2摇 土壤含水率测量
采用 TRIME鄄PICO TDR和土钻相结合的方法,以 TRIME为主,每隔 3 d测量 1次,定期用土钻取土烘干的
方法加以校正,TDR与地温计位置相同(见图 1),采用定位监测法测量含水率,测量深度为 0—100 cm。
1.3.3摇 地温观测时间与方法
在 6—9月,利用直角地温计(RM鄄004)对 5、10、15、20、25 cm处的土壤温度进行定点观测,测量时间与土
壤含水率一致,每隔 3 d测量 1次,每天的观测时间为 8:00—20:00,2 h测 1次。
1.3.4摇 作物生长指标测量
用直尺测量玉米和番茄的株高;叶面积的测量:玉米叶面积 =叶长伊叶宽伊0.75,番茄采用折算系数法计
算[20],以上指标均在每个生育期内测 3次,取平均值。
1.3.5摇 试验观测日期
玉米 4月 20日播种,9月 10日收获,番茄 5 月 5 日移苗,8 月 10 日采摘第 1 茬,8 月 25 日采摘结束。 试
验观测时间从 6月开始到 9月结束,试验观测期内气温变化见图 2。
1.4摇 数据分析
本试验数据采用 Spss 18.0和 Excel 2003进行统计分析,采用 Excel 2003和 Surfer 8.0 软件绘制图形。
2摇 结果与分析
2.1摇 套种农田不同位置及不同深度地温日变化规律
在套种农田不同行间的不同位置土壤温度日变化亦有所不同。 通过对比分析 6—9月份地温数据可以看
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出,高水分处理 T1各行间位置的地温变化过程(图 3)均是随着土层深度的增加地温日波动呈减小趋势,其中
距地表 5 cm处地温日波动最剧烈,距地表 25 cm 处地温日波动最平缓,距地表 5、10、15、20、25 cm 的日最高
与最低地温差值分别为:12.72、8.78、6.09、4.44、2.96 益,存在极显著性差异(F= 12郾 74005,P= 0.007301)。
图 2摇 试验观测期内的气温变化
Fig.2摇 The temperature change during the experimental period
图 3摇 整个观测期内 T1的日平均地温变化图
Fig.3摇 The daily variation law of soil temperature during the whole observation period of T1
套种农田不同行间位置的地温受地膜覆盖和作物遮阴的影响较大。 透明塑料薄膜对土壤的保温效应主
要体现在土层 15 cm以下,从表 2中可以看出,B、D位置的地温明显高于 A、C位置,随着土层的加深,膜内与
膜外平均地温的差值变化呈抛物线形,且均差在 20 cm处达到最大值,可见在套种农田中,地膜可隔绝土壤与
外界的水分交换和显热交换,使土壤的热通量在 20 cm处达到最大。 地面增温的唯一来源是太阳辐射,套种
农田不同行间位置地温受作物遮阴的影响程度也不相同,这在 5 cm以上土层表现的较为明显,从图 3中可以
看出,距地表 5 cm 处的地温大小关系表现为 C>D>A>B。 这是由于 C 处位于高矮作物的行间,遮阴面积最
小,日照时间最长,因此表层(5 cm处)的地温也最高;而 B 位于低矮作物行间,遮阴面积较大,地表所受太阳
直射时间最短,因而地温也最低。 可见,在立体种植农田中,高杆作物遮阴区的地温要远远高于矮杆作物遮阴
区的地温;在 15 cm以下,膜内的日平均地温要高于膜外。
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表 2摇 15 cm以下膜内与膜外的日平均地温
Table 2摇 Average day soil temperature of covered and uncovered treatments below 15 cm
层深 / cm
Layer depth
膜内平均地温 / 益
Average temperature in film mulching
B D
膜外平均地温 / 益
Average temperature in no mulching
A C
膜内与膜外地温的均差 / 益
Mean temperature difference of
film mulching and no mulching
15 24.76 25.01 24.23 23.63 0.96
20 23.93 24.26 22.72 22.26 1.61
25 22.10 22.04 21.49 21.58 0.53
2.2摇 套种农田不同处理及不同位置地温显著性分析
6—9月份是番茄、玉米进行营养生长的重要阶段,地温的变化直接影响其根系竞争水分和养分的能力。
本文通过该时期地温数据进行平均,分析不同位置、不同深度的地温变化规律。 结果显示:套种农田不同位置
地温的差异性受到地膜覆盖、作物遮阴及土壤水分的综合影响,从不同位置地温平均值变化来看,T1、T2 的番
茄一侧(A、B)平均地温无差异,而玉米一侧(C、D)的平均地温存在极显著差异(表 3),T3 的 4 个位置平均地
温均在 0.05水平上显著。 说明作物遮阴和土壤水分是导致套种农田不同位置地温出现差异的主要原因。 从
番茄一侧的不同深度地温变化来看,T1在 25 cm范围内均无差异,而 T2和 T3分别在 15 cm处和 15 cm以下
出现了显著差异性;从玉米一侧的不同深度地温变化来看,T1、T2、T3的地温均在 15 cm处出现了差异性。 这
是因为在覆膜滴灌条件下,不同土壤水分所形成的独特湿润体不同,导致土壤水分在 10—15 cm 之间出现了
差异性,从而改变了土壤的热容量,加之套种农田不同行间位置的遮阴率不同,热量在土层中分配时,其量值
有所改变,因而出现了以上差异[21]。 综上可知,套种农田在营养生长的共生期,作物遮阴和水分差异是影响
地温的主要因素,而地膜覆盖的影响变小。
表 3摇 不同处理及不同位置地温显著性分析 / 益
Table 3摇 Analyze the significance of soil temperature at different processing and positions
处理号
Treatment
位置
Position 5 cm 10 cm 15 cm 20 cm 25 cm
平均值
Average value
T1 A1 27.10bB 24.98cB 24.51bB 23.78bB 22.48aA 24.57bB
B1 27.57bB 25.05cB 24.11bB 23.89bB 22.52aA 24.63bB
C1 29.69aA 27.41bA 24.63bB 22.78cB 22.61aA 25.42bAB
D1 29.84aA 28.41aA 26.34aA 25.59aA 22.93aA 26.62aA
T2 A2 27.55bB 26.42cC 24.42bAB 24.22aA 23.85aA 25.29bB
B2 27.62bB 26.15cC 24.19bB 23.84aA 22.47aA 24.85bB
C2 30.17aA 27.59bB 25.14aA 23.72aA 23.44aA 26.01aAB
D2 30.23aA 28.53aA 26.37bAB 25.14aA 23.49aA 26.75aA
T3 A3 28.02bB 26.97cB 24.97bBC 24.62aA 24.19aA 25.75bB
B3 27.84bB 26.87cB 24.32cC 23.80bB 22.31cB 25.03cB
C3 30.29aA 27.88bA 25.30bB 24.10abAB 22.38cB 25.99bAB
D3 30.40aA 28.61aA 26.45aA 24.49aAB 23.58bA 26.71aA
摇 摇 同列数值后不同大小写字母表示差异达 1%和 5%显著水平
2.3摇 套种农田不同土壤水分对地温变化的影响
由于 7月份套种农田两种作物生长发育趋于稳定,本文为了分析不同高低作物套种不同位置地温的差
异,以及不同土壤水分对地温的影响,在 7月份对土壤水分、不同位置地温进行了连续监测。 结果显示:
距地表 5 cm处,土壤受外界环境的影响较大,高水分 T1的平均体积含水率明显高于 T2 和 T3,其中 T1、
T2相差 3. 8%,T1、T3 相差 7. 2%(图 4),T1、T2、T3 之间的体积含水率呈显著性差异(F = 6郾 223587,P =
0郾 020088)。 而地温则相反,高水分 T1 各位置的平均地温明显低于 T2 和 T3,其中 T1、T2 的平均地温相差
0郾 81 益,T1、T3相差 1郾 65 益(图 5),T1、T2、T3 之间的地温无显著性差异(F = 1郾 44877,P= 0郾 282652)。 3 个
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处理的不同位置含水率均表现为 B>A>D>C,地温则为 D>C>B>A的规律。 不同处理的膜内位置 B(或 D),含
水率从 T1减小到 T2 和 T3 依次降低 2郾 73%、6郾 04%(或 2郾 71%、6郾 63%),地温则依次上升 0郾 95 益、2郾 02 益
(或 0郾 47 益、0郾 97 益);不同处理的膜外位置 A(或 C),含水率从 T1减小到 T2和 T3依次降低 3郾 16%、6郾 44%
(或 6郾 59%、9郾 71%),地温则依次上升 1郾 16 益、1郾 97 益(或 0郾 64 益、1郾 65 益)。 说明在距地表 5 cm处,地温随
含水率的降低而上升,其中膜外的上升比率是膜内的 1郾 2倍,表明在土壤表层膜内与膜外的温度差较小。
图 4摇 不同灌溉定额水平下土壤的平均含水率
Fig.4摇 Comparison of average soil moisture content for different irrigation quota
20 cm处,土壤受外界环境的影响变小,而受水分的影响变大,高水分 T1 的平均含水率仍高于 T2 和 T3,
其中 T1、T2相差 3.61%,T1、T3相差 6.9%(图 4),无显著性差异(F = 3.338497,P = 0.082302)。 地温亦为 T1
高于 T2和 T3,其中 T1、T2的平均地温相差 0.87 益,T1、T3相差 1.48 益(图 5),T1、T2、T3之间的地温无显著
性差异(F= 1.981115,P= 0郾 193657)。 3个处理的不同位置体积含水率均表现为 B>A>D>C,地温则为 D>B>C
>A的规律。 不同处理的膜内位置 B(或 D),含水率从T1减小到T2和 T3 依次降低 2.91%、6.58%(或 2.47%、
5郾 77%),地温则依次降低 1.04 益、1.63 益(或 1.03 益、1.52 益);不同处理的膜外位置 A(或 C),含水率从 T1
减小到 T2 和 T3 依次降低 3. 6%、6. 82% (或 5. 47%、8郾 4%),地温则依次降低 1 益、0. 9 益 (或 0. 43 益、
1郾 52 益)。 说明在 20 cm处,地温随含水率的降低而降低,其中膜外的降低比率是膜内的 2.1 倍,表明较深层
(20 cm以下)膜内地膜波动幅度小于膜外地温波动幅度。
2.4摇 套种农田不同处理及不同位置土壤温度场的分布特征
为进一步研究套种农田不同行间位置之间地温的传递效应,本文对作物生长旺期,两种作物都发育充分
条件下选择 7、8月份观测数据进行平均后绘成套种农田地温二维分布图(图 6)。 由于监测的是农田日地温
的平均值,从图中可以看出,A、C膜外位置在土体内温度变化幅度大,B、D 膜内位置在土体内温度变化幅度
小,3个处理在 C位置处在土壤上层地温明显高于其它位置,这主要是 C 位置两侧遮阴小,吸热多的原故,而
B、D位置尽管覆膜,但白天这两个位置受两侧作物的遮阴影响,地温反而没有 C位置大。 在土壤下层,C位置
的地温明显低于其他位置地温,这是由于 C 位置无覆膜,保温效果差,到了夜间,上层热量难以向下传递。 可
见,在 15 cm处 C位置地温低于 B、D位置地温,无覆膜情况下白天太阳辐射增温效应仅对土壤上层有效,而
覆膜情况下则 0—25 cm都能升温。 另外对于不同水分处理温度场的分布主要是土体内含水量不同,对于高
水分处理的 T1土体内平均含水量较大,因而比热大,所以最高地温与最低地温的差值变小,3 个处理的最高
地温与最低地温的差值分别为 6.02、7.26、8郾 04 益。
3摇 结论
3.1摇 番茄套种玉米能有效利用太阳辐射提高作物根区温度,其不同行间位置的地温变化主要受地膜覆盖、作
物遮阴和土壤水分含量的影响。 在套种农田中,地膜的保温作用主要体现在 15 cm 以下,而作物遮阴和土壤
水分含量则对整个耕层都有影响。 可见,合理的套种模式和适宜的土壤水分含量有利于作物根区形成良好的
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图 5摇 不同处理在 5cm和 20cm处的平均温度日变化
Fig.5摇 The average temperature of the diurnal variation (soil depth 5cm and 20cm)
图 6摇 不同处理土壤剖面的温度分布特征
Fig.6摇 Comparison of soil profile characteristics of temperature distribution
生长环境,从而促进作物的生长。
3.2摇 套种农田不同深度土层土壤含水率与地温的关系不同。 本试验通过分析番茄套种玉米表层(5 cm)及深
层(20 cm)的地温与含水率的关系得出:5 cm以上的地温与含水率呈反比关系,20 cm以下地温与含水率呈正
比关系,可见,在套种农田中,地温与含水率在不同土层呈现的关系也不相同,而并不像単种农田一样,两者呈
负相关关系。
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3.3摇 从套种农田不同行间位置地温的传递规律可以看出,高矮作物行间位置(C 处)在白天有明显的增温效
应,且温度可有效传递到作物两侧,而覆膜可有效防止土壤温度的散失,因此高矮作物套种应选择恰当的行
距,从而有效提高作物根区的温度。
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