杨兵丽，李文平，王建军，白 铎

(1.武山县蔬菜研究所，甘肃 武山 741300；2.武山县蔬菜产业科技示范园，甘肃 武山 741300；3.武山县气象局，甘肃 武山 741300)

0 引 言

在我国西北半干旱区农业生产区，地膜覆盖因具有增温、节水、早熟及增产等作用被广为应用[1]。土壤温度影响土壤的理化性质，而土壤温度主要受太阳辐射和大气温度的影响，地膜覆盖对土壤有着良好的保温作用[2]。黄绵土是西北半旱区主要分布的土壤类型，早春和秋季覆膜栽培是该地区的主要栽培方式[3]。地膜覆盖技术应用以来，覆膜方式和地膜覆盖材料对土壤水热效应和作物生长发育的研究已有大量报道[4-5]，并定性证实白膜选用主要侧重增温保墒，而黑膜透光率低，高温季节具有降温和防除杂草效应。地膜覆盖技术可以有效改善土壤地表热量，短波辐射可有效穿透地膜覆盖层到达地面，对土壤表现出很好的保温作用，而部分热能以热传导方式输送到土壤深处，表现出不同深度土壤温度的差异[6]。地膜覆盖能够显著降低土壤的水分蒸发，截留并显著提高土壤有效水分含量，张琴[7]研究认为覆膜显著提高了土壤(0～60 cm)含水率，但白膜和黑膜对土壤水分影响差异不明显，Gan等[8]研究证实覆膜条件下土壤水分对土壤热容量影响呈线性相关关系。

地膜覆盖层下土壤温度的变化是太阳辐射平衡、土壤热量平衡和土壤热学性质综合作用的结果[3]。胡明芳等[9]研究认为，地膜覆盖最大的保温结果出现在土壤表层5～20 cm，也有研究认为，黑膜覆盖在高温时段对0～15 cm土壤存在一定降温效果，较白膜覆盖平均降低0.77 ℃[7]。邵明安等[2]通过研究土壤理化性质影响因素，提出了土壤温度变化采用数学方程模型拟合的适用性。吴贤忠等[10]研究认为土壤冻结期覆膜保温深度可达15 cm，且黑膜覆盖保温效果优于白膜，但并未在夏秋季节就覆膜的水热效应进行定量研究。同时，不同颜色地膜对波段辐射吸收存在明显差异，一些研究者通过选取白天3个时段监测土壤温度，认为白膜覆盖处理土壤的平均温度相对较高，灰黑双色地膜效果最差，但并未就全天土壤温度日变化深入研究[11]。相关地膜覆盖对土壤水分和土壤温度的研究报道众多，然而，对比白膜和黑膜覆盖对土壤水分、土壤温度及热容量研究较少，地膜覆盖对土壤保水调温效应鲜量化研究报道较少。鉴于此，选择在黄绵土覆盖黑白膜条件下，量化研究不同土层深度土壤温度的变化规律，有助于进一步认识地膜覆盖对栽培土壤温度和热量的影响，为该地区进一步科学选用地膜及农业生产提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年7月6日-2019年8月6日在甘肃省武山县蔬菜科技示范园区进行(34°44′48″N，104°59′59″E)。试验区海拔1 495.6 m，年平均气温10.3 ℃，无霜期195 d，年均日照2 331 h，降水量550 mm，试验土壤为黄绵土，0～40 cm土壤基本物理性质如表1。

表1 黄绵土不同深度基本物理性质Table 1 Basic physic-chemical property under different soil depths of loess soil

1.2 试验材料

试验材料采用黑膜和白膜，材料成分均为聚乙烯(兰州金辉塑化有限公司)，厚度0.008 mm。

1.3 设计与方法

试验设置为覆盖地膜(对照)、白膜覆盖及黑膜覆盖3个处理，分别测定不同覆盖处理下10 cm、20 cm、30 cm、40 cm深度处土壤含水量和土壤温度。试验在露天试验地块上进行，试验地块旋耕后耙平，起垄覆膜，垄长12 m，垄高0.25 m，垄宽0.5 m，预埋设土壤温度测定探头(Thermo Recorder TR-52,accuracy±0.1 ℃)，土壤水分测定探针(托普云农TZS-1K-G)。监测探头插入覆盖处理的不同深度处，每处埋分别设3个测定探头作为重复(每处间隔10 cm)。土壤温度数据记录设定每小时记载1次(24 h为监测日周期)，连续观测30 d，每天上午10:00用测定土壤0～40 cm土壤水分含量，取其平均值。试验前期蛇形取点采样测定试验土壤的物理参数，以便分析覆盖处理后土壤热容量。采用环刀法测定土壤容重，重铬酸钾法测定有机质，并测定土壤总孔隙度[12]，每个土层取3个样品，共计36个样品。

1.4 数据处理与分析

土壤温度变化选用土壤中温度垂直分布的动力学模型进行拟合分析：

T(z,t)=TA(z)+A(z)sin[ωt+Φ(z)][2]

模型中：TA(z)为日平均温度；A(z)为土壤温度变化幅度；Φ(z)，ω，z依次为模拟方程相位，角频率，测定深度，土壤热容量计算公式如下：

Cs(θ)=θ+0.46(1-Φ-m0)+0.6m0[13]

式中：Cs(θ)为土壤热容量(cal·cm-3·℃-1)；θ为土壤含水量(cm3·cm-3)；Φ为总孔隙度；m0为有机质组分；矿物质和土壤有机质的体积热容量分别为0.46 cal·cm-3·℃-1和0.60 cal·cm-3·℃-1。Φ和m0是方程中的常量。

所测结果运用统计软件SPSS 17.0和Excel 2007进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 地膜覆盖处理对土壤水分和热容量的影响

表2拟合反映了地膜覆盖下不同土壤深度水分含量和土壤热量传导的量化指标。结果表明，不同深度处的土壤水分和土壤热容量变化较大，且均随土壤深度增加而增大，其中，40 cm深度处值最大，10 cm深度处值最小。相比于对照，地膜覆盖能够显著增加土壤含水量和土壤热容量，但白膜和黑膜覆盖处理间差异不显著。同一覆盖处理下，黑膜覆盖处理的土壤热容量在10 cm和20 cm处差异不显著，白膜处理和未覆盖处理在20 cm和30 cm处差异不显著。

表2 地膜覆盖对不同深度土壤含水量和热容量的影响Table 2 Soil water contents and heat capacities under different film mulching treatments

2.2 地膜覆盖不同土层温度变化

试验结果显示，不同地膜覆盖下，各土层温度的日变化均呈现出类似正弦曲线的波动曲线，但正弦曲线变化趋势不一致。8:00～20:00各土层温度均整体呈升高趋势，19:00～7:00各土层温度整体呈降低趋势，各土层温度动态变化不完全一致(图1)。浅层土壤温度变化幅度最大，当天下午16:00达“峰值”，深度20 cm处、30 cm处、40 cm处土壤温度分别在17:00、20:00、1:00左右达“峰值”。随着土壤深度的增加，土壤温度的“峰值”出现时间的滞后。黑膜覆盖下，土层温度在白昼的变化总体趋势类似与白膜覆盖处理，只是温度“峰值”“谷值”出现的时间和数值有所不同。白天时段，黑膜覆盖出现的温度“峰值”普遍高于白膜处理，整体高出2 ℃左右，时间延迟1.5 h左右；夜间时段，白膜覆盖处理温度降低至温度“谷值”，整体低于黑膜处理。

注：□ 代表 10 cm; △ 代表 20 cm；○ 代表 30 cm；◇ 代表 40 cm。Note:□ means 10 cm; △ means 20 cm；○ means 30 cm；◇ means 40 cm.图1 地膜覆盖处理下不同土层温度日变化Fig.1 Diurnal variation of soil temperature under different film mulching treatments

2.3 土壤温度日变化拟合方程回归分析

拟合方程参数可以看出，不同覆盖处理下土壤平均温度不同，整体表现为白膜最高，黑膜次之，未覆盖最低。10 cm处白膜覆盖土壤温度最高，为30.3 ℃，显著高于黑膜和对照处理，40 cm处未覆盖处理的土壤温度最低，为25.8 ℃。同一覆盖处理下，随着土壤深度的增加，土壤温度依次降低，均表现为浅层土壤(0～20 cm)平均温度显著高于深层土壤的温度。振幅是该拟合模型中最能说明覆盖处理下土壤温差变异幅度的核心变量[2]。振幅的数据反映出，白膜处理的温差变异幅度最大，黑膜次之，未覆盖处理下温差变幅最小。10 cm土壤深度处白膜覆盖土壤温差最大(振幅3.78)，显著高于黑膜(振幅3.03)和未覆盖处理(振幅2.89)，土壤深度在20 cm 、30 cm、40 cm处覆盖处理间的振幅数据差异不显著，说明覆盖处理对深层土壤的温度的变化影响不大。

表3 不同地膜覆盖处理下土壤温度日变化拟合方程参数Table 3 Diurnal variation within 24 hours of soil temperature fitted equation parameters

3 讨论

研究表明，覆盖白膜或黑膜均能显著提高土壤温度。地膜覆盖对土壤形成了一个相对封闭的系统，对土壤的热量交换形成了有效的调控。土壤温度是太阳辐射平衡、土壤热量平衡和土壤热学性质共同作用的结果[3]，土壤的物理性质决定着土壤热学性质[2]。刘凯等[3]研究认为，地膜选用的颜色越深，对土壤保温效果越差，这与不同颜色地膜对光的波段吸收有关。本研究认为，覆膜处理显著增加了的土壤水分和土壤热容量，这与张琴[7]关于不同覆膜处理对土壤水分的影响差异不明显结果一致。不同之处为虽然白膜和黑膜覆盖处理的土壤热容量差异不明显，但是白膜覆盖对土壤的增温效应要高于黑膜，这是因为相比于黑膜，白膜能更多地截留长波辐射，有效减弱覆盖土壤的地面辐射，从而减少其覆盖下土壤热量的散失。研究同时表明，覆盖地膜后深层土壤温度“峰值”表现出时间上的滞后性，主要原因可能是受到土层深度影响，部分热能以热传导方式输送到土壤深处，土壤热量达到平衡需要一定时间[6]。

拟合模型量化分析认为，浅层土壤(0～20 cm)温度振幅值均大于2.23，深层土壤温度振幅值(20～40 cm)均小于1.18，不同深度土壤温差变幅差异明显，说明地膜覆盖对土壤的增温效果主要集中在浅层土壤(0～20 cm)，这和王红丽等[14]研究认为覆膜增温效果主要集中在浅层土壤(0～25 cm)研究结果基本一致。土壤热容量量化分析认为，40 cm处土壤热容量均显著高于10 cm处，20 cm和30 cm处土壤热容量差异不明显，其变化趋势和土壤水分含量变化基本呈现线性正相关，说明土壤水分是影响土壤热容量的主要因素，这和甘磊等[15]研究结果基本一致。浅层土壤是主要耕作土层，更容易受到田间小气候的影响，诸如覆盖物、作物及水肥等农田因素影响，因此下一步应着重这方面的研究。

白地膜和黑地膜是当前农用地膜最普遍的类型[3]。研究认为，在0:00～8:00，黑膜覆盖下土壤温度普遍高于白膜覆盖，黑膜覆盖夜间保温性更好。8:00～16:00，白膜覆盖下土壤温度增加速率更快，对地温提升优于黑膜覆盖，白膜覆盖下土壤温度“峰值”的出现比黑膜早1 h左右，且温度“峰值”高出2 ℃左右。鉴于冬春季茬生产对温度的要求较高，建议选用白膜增加田间透光性来增加土壤温度，此外，白膜覆盖下土壤较大温差变化也有利于植株积累碳水化合物，这将有助于进一步改善作物品质[16]。黑膜覆盖的土壤不透光，白天地温回升相对较慢，因此建议使用时避开冬茬作物，在夏秋茬口选用，同时由于其夜间对土壤保温性较好，同时又具有防杂草功能[10]，建议在某些根茎类或者不耐杂草的作物栽培上使用。

4 结论

拟合模型量化分析了白膜、黑膜覆盖具有的“保水调温”效应。在0～40 c m土层均不同程度提高了土壤水分和土壤温度，增加土壤热容量。白膜覆盖对土壤的增温效应要高于黑膜，白膜覆盖下土壤温度温差大于黑膜覆盖下土壤温度温差。从不同土壤深度看，地膜覆盖下浅层土壤(0～20 c m)升温快，降温也快，其土壤温差的变化显著大于深层土壤(20～40 cm)，且随着土壤深度的增加，覆盖地膜对土壤的增温效应逐渐减弱，温差变化逐渐减小，但土壤热容量显著增加，这将有助于进一步从量化过程认识地膜覆盖对栽培土壤温度和热量的影响。