全 文 ： * ?教育部 2003 年科学技术研究重点项目“红壤旱地农业生态系统的结构创新与模式优化研究”(03067)资助
收稿日期 : 2004-10-26 改回日期 : 2004-11-29
秸秆覆盖对红壤旱地间作生态系统小气候的影响 *
黄国勤 张明林 刘隆旺 钱海燕
(江西农业大学生态科学研究中心 南昌 330045)
摘 要 田间试验研究秸秆覆盖对红壤旱地间作生态系统小气候的影响结果表明 ,红壤旱地实施秸秆覆盖后湍流
交换热通量增大、潜热交换热通量和土壤热通量变小 , 且使秸秆全覆盖和半覆盖处理近地面温度和土壤湿度增高、
土壤温度和近地面湿度降低 ,秸秆覆盖具有蓄水保墒和低温效应。
关键词 红壤旱地 秸秆覆盖 间作生态系统 小气候
Impact of stalk mulching on the microclimate of intercropping ecosystems in upland red soil . HUANG Guo-Qin,
ZHANG Ming-Lin, L IU Long-Wang, QIAN Hai-Y an( The Research Center of Ecological Science, J iangxi Agricultural
University, Nanchang 330045,China) , CJ EA ,2006,14(1) :76～78
Abstract The impact of stalk mulching on the microclimate of intercropping ecosystems in upland red soil was studied
through field experiments . Stalk mulchingcan increase theflow caloric flux, decreasethesoil caloric flux and laent caloric
flux in upland red soil . Asa result, air temperaturenear theground and soil humidity areenchanced, soil temperatureand
humidity near theground aredeclined . Stalk mulching has theeffects of keepingthesoil moistureand lowering theground
temperature .
Key words Upland red soil , Stalk mulching, Intercropping ecosystems, Microclimate
(Received Oct . 26, 2004; revised Nov . 29, 2004)
目前有关红壤旱地秸秆覆盖小气候效应及红壤旱地间作生态系统水分平衡和水分蒸发的研究报道较
少[ 1 ,2] , 本试验研究了秸秆覆盖对红壤旱地间作生态系统小气候的影响 ,为该区农业增产增效提供理论依据。
1 试验材料与方法
试验自 2002年 7月 20日至 10月 8日在江西农业大学农学试验站红壤旱地进行 , 该地位于北纬28°16′,
东经 115°50′,其成土母质为第四纪红色粘土 , 低岗地 , 无灌溉条件 , 土壤基础肥力一致 , 小区面积 33.3m2。
试验设晚玉米、大豆间作常规耕作 (对照 , CK ) 、秸秆半覆盖 (?) 和秸秆全覆盖 (?) 3个处理 4 个重复 , 随机排
列 ,其中处理?和处理?覆盖物均为玉米秸秆 , 处理?覆盖秸秆量约 16t/ hm2 , 地面全遮盖 , 处理?覆盖秸秆
量约 8t/ hm2 ,均于玉米出苗时覆盖。2002年 7月 20日播种玉米和大豆 , 玉米间作大豆行比为 2∶3, 玉米行
距 60cm、株距 33cm,每穴 3粒 ,定苗保留 1株。大豆行距 40cm、株距 25cm、间距 40cm、带宽 220cm。施钙镁
磷肥 325kg/ hm2 (基肥 ) ,氯化钾 200kg/ hm2 (基肥∶苗肥∶孕穗肥 = 3∶3∶4) , 尿素 320kg/ hm2 (基肥∶苗肥∶孕穗
图1 玉米生育期秸秆覆盖对地面温度的影响
Fig.1 Theinfluenceof stalk mulchingonthe
temperatureof groundin themaizegrowthperiods
肥 = 2∶3∶5)。10月 4 日收获大豆 , 10月 8 日收获玉米。试验期间
每处理取一定点 , 分别于不同时段对 0cm、5cm、10cm、15cm和 20cm
地温进行逐日连续观测 , 并测定每一定点地面以上 10cm、20cm、50cm
和 100cm处空气温度、空气湿度、风速及不同高度的光照强度。
2 结果与分析
2 .1 秸秆覆盖对地面温度、土壤温度及近地气温变化的影响
由图 1可知秸秆全覆盖和秸秆半覆盖处理除玉米吐丝期地面
温度高于对照 0. 1℃、0.2℃外 , 其他各生育期地面温度均低于对
照。小喇叭口期以前秸秆覆盖处理降温较大 , 之后各期差异越来越
小。秸秆全覆盖和秸秆半覆盖处理地面温度较对照苗期低 1.4℃、
第 14 ?卷第 1期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14 No .1
2 0 0 6 ?年 1 月 Chinese Journal of Eco-Agriculture Jan ., 2006
0. 7℃ ,拔节期低 2.6℃、1.4℃ ,小喇叭口期低 2.4℃、1.6℃ , 大喇叭口期低 0.6℃、0. 4℃ , 成熟期低 0.3℃、
0. 1℃。故秸秆覆盖具有一定减温效应 , 有利于减轻旱地作物遭受伏秋旱灾的影响。热量平衡各分量变化
亦引起近地面水热状况有所改变 ,由表 1可知秸秆全覆盖和半覆盖处理土壤温度从 8: 00至 20: 00普遍低于
对照 ,全覆盖处理平均低 2. 4℃ , 半覆盖处理平均低 1.1℃ ,且该差异随土壤深度的加深而减小。近地气温的
变化则与土壤温度变化相反 ,因覆盖物热学性质与裸露土壤不同 , 大部分辐射用于覆盖物的表面增温 , 从而
使近地气层温度增高。秸秆全覆盖和半覆盖处理近地温度日平均值比未覆盖处理高 0. 35℃和 0.14℃。
表 1 秸秆覆盖对 0cm 地温及 50cm 高度气温日变化的影响
Tab.1 Effectsof stalkmulchingonthedailyvariationof groundtemperatureat0cmheightandtemperatureat 50cmheight
项 目
I tems
处 理
Treatments
时间 T imes
6 2: 00 8 ?: 00 10: 00 12: 00 14 s: 00 16 >: 00 18 ?: 00 20: 00
0 ?cm 地 温 / ℃ CK 26 [. 6 28 &. 1 32 .6 40. 5 41 . 2 36 R. 5 33 ?.5 31 . 5
? 26 [. 5 28 &. 2 30 ?.8 38. 9 39 . 5 35 R. 2 33 ?.2 29 . 9
? 26 [. 8 27 &. 8 30 ?.1 35. 3 35 . 1 34 R. 0 32 ?.8 31 . 9
50cm高度气温/ ℃ CK 26 [. 5 27 &. 7 30 ?.6 32. 9 33 . 2 32 R. 1 31 ?.3 31 . 1
? 26 [. 3 27 &. 9 30 ?.9 33. 1 33 . 5 32 R. 0 31 ?.6 31 . 2
? 26 [. 5 27 &. 6 31 ?.2 33. 5 33 . 7 32 R. 9 31 ?.8 31 . 0
图 2 秸秆覆盖对 20cm 高度相对
湿度日变化的影响
Fig.2 The influenceof stalk mulching
on the daily variation of relative
humidity at 20cm height
2 . 2 秸秆覆盖对空气湿度日变化及热量平衡各分量的影响
由图 2可知秸秆全覆盖、秸秆半覆盖和对照 3种处理 20cm高度相
对湿度均呈“v”型 ,早晚相对湿度大 ,中午相对湿度小 , 但处理间差异较
大 ,秸秆全覆盖和半覆盖处理相对湿度比对照低 3.1%、1.8% , 这是由
于覆盖物的隔离和对水汽输送的阻滞作用 ,使近地面空气湿度减小。下
垫面接收的太阳辐射能量主要用于空气增温、地面蒸发和增温土壤 , 即 :
R = H + LE + G (1)
式中 , R 为辐射平衡 , H 为湍流热通量 , LE 为潜热通量 , G 为土壤热通
量。覆盖物导热率和反射率与裸露地不同 , 加之粗糙度亦发生变化 , 从
而改变玉米地表的热力学性质 , 使近地层空气温度、湿度和风速发生明
显变化 , 进而影响湍流交换作用 , 使水热分配发生变化。在非中性稳定
条件下 ,湍流交换系数的计算采用我国热量平衡台站广泛使用的 M .* .
布德柯法 :
K =
k2 (μ2 - μ1 )
ln( Z2/ Z1 ) 1+
T1 - T2
(μ2 - μ1 ) 2ln( Z2/ Z1 ) Z (2)
式中 , K 为 Z 高度处湍流交换系数 ( m2/ s) ; k 为卡曼常数 ,通常取 0.38; T1、T2 和 μ1、μ2 分别为高度 Z1、Z2
处的气温 (℃ ) 和风速 ( m/ s) , Z为 Z1 和 Z2 之间某一高度 ( m)。1m高处 Z= 1, 即 :
K ( 1) =
k2 (μ2 - μ1 )
ln( Z2/ Z1 ) 1+
T1 - T2
(μ2 - μ1 )2 ln( Z2/ Z1 ) (3)
图3 秸秆覆盖对50cm高度 K值日变化的影响
Fig.3 The influence of stalk mulching on
thedailyvariationof K valueat 50cmheight
根据 2002年 8月 2～4 日小气候测定结果 , 50m高处湍流交换系
数日变化 (3日平均 )曲线见图 3。秸秆全覆盖和秸秆半覆盖处理 50cm
高度处 K 值平均值为 0. 214m2/ s、0. 179m2/ s, 明显大于未覆盖处理
0.119 m2/ s, 其原因是秸秆覆盖切断了空气与土壤的直接接触 , 造成地
表明显增温 ,加强了热力湍流。湍流交换系数的这种差异必然导致湍
流热通量发生变化 ,湍流热通量表达式为 :
H = - ρCP K?T/ ?Z (4)
式中 , H 为湍流热流量 ( W/ m2 ) ,ρ为空气密度 ( g/ m3 ) , CP 为定压比热
[ J/ ( g·℃ ) ] ,?T/?Z为温度垂直梯度 ( ℃·m)。因 K = K ( 1) × Z,当 Z=
0.5时 K ( 1) = 2 K ( 0 . 5) ,经转换式 (4)可变为 :
第 1 ?期 黄国勤等 :秸秆覆盖对红壤旱地间作生态系统小气候的影响 77
图4 秸秆覆盖对湍流热通量日变化的影响
Fig. 4 The influence of stalk mulching on
the daily variation of onflowaloric flux
H =
2ρCP K ( 0 . 5) ( T1 - T2 )
ln( Z2/ Z1 ) (5)
式中 , K ( 0 . 5) 为 5cm高处的湍流交换系数 ,ρ为土壤容重 ( g/ m3 ) , T1、
T2 分别为高度 Z1、Z2 处的温度。根据 2002 年 8 月 2～4 日观察结
果 ,湍流热通量日变化 ( 3 日平均 ) 见图 4。用于增温空气的热量秸秆
覆盖处理远远大于未覆盖处理 , 且秸秆全覆盖处理大于秸秆半覆盖处
理。秸秆全覆盖处理、秸秆半覆盖处理及对照湍流热通量分别为
112.7 W/ m2、102.5W/ m2 和 46. 2W/ m2。土壤热通量是用于增温土
壤的热量 , 其表达式为 :
G = GP ( S1 - KS S2/ 0.1)/ τ (6)
其中 :
S1 = 20(0.082ΔT0 + 0. 333ΔT5 + 0.175ΔT10 + 0. 156ΔT15 + 0. 004ΔT20 ) (7)
S2 = τ/ 2[ T( 20 , t
1
) - T ( 10 , t
1
) + T( 20 , t
2
) - T ( 10 , t
2
) ] (8)
式中 , C 为土壤比热 [ J/ ( g·℃ ) ] ;τ为 2次观测时间差 , 为 t2 - t1 , 以秒为单位 ; KS 为土壤导热系数 (cm2/ s) ;
对于红壤土而言 , KS = 0.007; ΔT0、ΔT5、ΔT10、ΔT15、ΔT20分为 0cm、5cm、10cm、15cm和 20cm处相邻 2次
观测的地温差值 (后次减前次 ) ; T ( 20 , t
1
) 、T ( 10 , t
1
) 、T ( 20 , t
2
) 、T ( 10 , t
2
) 分别为 20cm和 10cm处在 t1 和 t2 时间观
图5 秸秆覆盖对土壤热通量日变化的影响
Fig.5 The influenceof stalk mulchingon
thedailyvariationof hot flux in soil
测到的地温。由图 5 可知由于覆盖物对太阳辐射的阻挡 , 秸秆覆盖处
理土壤热通量明显低于对照处理。秸秆全覆盖、秸秆半覆盖及对照处
理土壤热通量分别为 97.0W/ m2、106. 9W/ m2 和 123. 2 W/ m2。湍流热
通量和土壤热通量的变化势必影响潜热通量的变化 , 据 2002 年 8月
2～4日观测结果平均值 ,计算不同覆盖条件下的潜热通量:
LE = - ρLK?q/ ?Z (9)
经转换得 :
LE =
2ρLK ( 0 . 5) ( q1 - q2 )
ln( Z2/ Z1 ) ( 10)
式中 , E 为蒸发水量 ( g) , L 为蒸发潜热 ( J/ g) , q为空气比湿 ( g/ kg)。
图6 秸秆覆盖对潜热通量日变化的影响
Fig.6 Theinfluenceof stalk mulchingon
thedailyvariationof onflowaloric latency
由图 6 可知秸秆覆盖处理蒸发耗热远小于对照处理 , 故其蒸发散失水
分亦小于对照处理。秸秆全覆盖、秸秆半覆盖及对照处理土壤热通量
分别为 85.3W/ m2、103.7W/ m2 和 127. 9W/ m2。从热平衡分析可知覆
盖减少了蒸发耗热 ,故有较多水分被保存土壤中 ,从而增大了土壤湿度。
3 小结与讨论
红壤旱地秸秆全覆盖和半覆盖后因地表热学性质的变化 , 导致地
面热量平衡发生改变。秸秆全覆盖处理湍流交换热通量最大 , 秸秆半
覆盖处理次之 ,而对照最小。秸秆全覆盖处理潜热交换热通量和土壤
热通量最小 ,秸秆半覆盖处理次之 , 对照最大。这导致秸秆全覆盖和半
覆盖处理近地面温度和土壤湿度偏高 , 土壤温度与近地面湿度偏低。秸秆覆盖具有良好的蓄水保墒、培育
地力、保持水土、提高水分利用率功能 ,其中增产效果秸秆全覆盖 > 秸秆半覆盖 > 对照处理。但秸秆全覆盖
物要求达足量 ,故秸秆半覆盖处理更简便易行和省工。
参 考 文 献 h
1 李成尧 .不同种植方式和行向的棉田小气候对生育状况的影响 .农业气象 , 1986 ( 2) : 40～43
2 王仕新 .辽西半干旱地区农田水分循环特征的研究? .农田供水状况研究 .应用生态学报 , 1998, 9( 2) : 603～607
78 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷