邢述彦，刘 虎，郑秀清，刘美萍

（太原理工大学 水利科学与工程学院，太原030024）

土壤温度是表征土壤特性的重要指标之一，它对土壤养分、土壤质地、土壤水分、土壤中微生物的生长、农作物产量起着重要的作用，并影响着近地表小气候，具有环境效应。冻融期土壤温度是影响土表蒸发、土壤水分相变及迁移转化、土壤入渗规律、土壤结构、土壤养分、土壤中微生物种群及其生长和越冬期农作物生长的主要因素［1－9］。冻融期土壤温度与大气条件、土壤质地、土壤水分、耕作措施、地表覆盖等多种因素有关。秸秆覆盖是影响土壤温度的重要因素之一，其效果与秸秆覆盖量有重要的关系。近年来，不少学者对秸秆覆盖产生的各种影响效应进行了大量研究［10－13］，得出了许多有益的成果，但关于冻融期秸秆覆盖量对土壤温度的影响尚未见报道。本文在前人研究的基础上，通过对冻融期休闲地覆盖厚度为5，10，15，20，30cm的玉米秸秆和裸地共6种地表处理条件下地表下100cm范围内不同地层土壤温度的测定，探讨了季节性冻土区冻融期秸秆覆盖量对土壤剖面温度的分布与变化特征及覆盖量与土壤温度变化之间的关系，以期为季节性冻土区农田管理提供参考依据，对优化秸秆覆盖措施具有积极意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2005年11月至2006年3月在山西省水文水资源勘测局太谷均衡实验站进行。试验区地处山西晋中盆地，海拔777m，属暖温带大陆性半干旱季风气候。试验期间太阳总辐射为123kJ／cm2，日最高辐射值1.604kJ／cm2，日最低辐射值0.244 kJ／cm2。试验期间日最高气温为19.9℃，日最低气温为－21℃。2005年11月，日最低气温出现负值，但日平均气温仍在0℃以上，月平均气温为3.9℃；2005年12月至2006年2月的日平均气温均在0℃以下（见图1），12月、1月、2月的月平均气温分别为－5.9、－4.9、－1.1℃；2006年3月，月平均气温为4.1℃。试验田为休闲深耕地，土壤类型为壤土。该地区从11月底进入冻结期，次年2月中旬冻土层开始融化，3月中旬融通。

1.2 试验设计

试验设置玉米覆盖层厚度分别为5，10，15，20，30cm （即140，287，433，574，866kg／hm2）5种处理情况，并设不覆盖处理作为对照。玉米秸秆切成3～5cm长，于2005年11月1日均匀碾压覆盖于秋耕休闲地。每一种处理分别设3个重复，计有试验小区18个，每个小区规格为3m×3m。无覆盖记为BP，秸秆覆盖用SPN 表示，N 表示覆盖厚度（cm），5种覆盖处理分别记为 SP5、SP10、SP15、SP20和SP30。土壤温度采用预埋热敏电阻监测，每个试验小区沿土壤剖面设置6个监测点（地表下5，10，20，40，60，100cm 处）。自覆盖之日起（2005年11月1日）至2006年3月27日，对6种处理田块的土壤温度进行监测，施测时间为每天上午8点，施测时间间隔为5～10d。

2 结果与分析

2.1 冻融期不同覆盖条件的土壤温度动态

冻融期太阳辐射量变化及气温变化是土壤温度变化之根本原因。图1给出了试验期间试验区太阳辐射量和日平均气温。

图1 冻融期试验区日平均气温及太阳辐射量

图2 为冻融期（2005年11月—2006年3月）6种地表处理（BP、SP5、SP10、SP15、SP20和SP30）在地表以下5，10，20，40，60，100cm 深处土壤温度的变化。

图2 冻融期不同地表处理条件下各土层土壤温度动态

土壤的热量主要来自太阳的辐射能，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。土壤温度的变化取决于土壤本身热量收支差额，即以辐射方式进行的热量交换、与相邻土层间的热量交换、地面与近地层之间的热量交换和通过水分凝结和蒸发进行的热量交换。由图2可以看出，不同地表处理的田块具有大致相同的初始土壤温度。进入冻融期后，土壤温度开始逐渐降低，说明该阶段土壤吸收的热量小于散失的热量，到2006年1月上旬，6种处理田块的土壤温度先后降到其最低值；随后的一段时间里，土壤热量收支基本平衡，土壤温度维持在低温状态；之后，随着太阳辐射增强，气温升高，土壤吸收的热量大于支出的热量，土壤温度开始逐渐回升。冻融期内，受气候变化的影响，各种处理田块各土层温度经历了温度降低、低温下持续一段时间、温度升高的变化过程。在此过程中，各种田块的土壤温度表现出相似的变化趋势，但由于秸秆覆盖厚度不同，各田块的土壤温度又具有各自的变化特征，形成了不同的土壤温度分布规律。

2.2 冻融期土壤温度变化与秸秆覆盖厚度的关系

2.2.1 冻融期土壤温度变化幅度

由图2各图可见，冻融期内不同处理田块的各土层土壤温度虽然具有相近的变化趋势，但在土壤温度变化过程中，不同深度土层的土壤温度都有各自的最大变化幅值；同一土层内，不同处理的土壤温度变化幅度不同。地表下5cm处（图2-a），BP、SP5、SP10、SP15、SP20和SP30的土壤温度最大变幅依次为18.4，10.7，9.2，8.3，7.3，6.7℃，可见随着覆盖厚度的加大，变幅减小。其它各层土壤温度的变幅，亦为不覆盖田块的变幅最大，随着覆盖厚度的增加，土壤温度变幅按线性规律减小。

由图2还可看出，同一种处理，在不同土壤深度温度变化情况各异，浅层土壤热状况受气候条件影响较为强烈。无覆盖田块在温度降低和升高的过程中，随着气温的骤然变化，出现多次较大的起伏，其变化量随着土壤深度的增加呈减小趋势。覆盖田块土壤温度变化过程中的起伏波动现象随着覆盖厚度的增加逐渐减弱。根据不同土层冻融期内土壤温度的波动情况，可将监测范围内土壤沿剖面划分为土壤温度剧变层、活跃层和渐变层3个区域。秸秆覆盖厚度不同时，分层情况及区域范围各异。BP田块在地表下20cm范围内，土壤温度随气温的突然升降有较大波动，属剧变层；40～60cm处土壤温度波动幅度减小，属于活跃层；100cm处为渐变层。SP5、SP10和SP15在地表下20cm范围内，土壤温度在降低和升高的过程中有小波动，可视为活跃层，SP20和SP30cm田块未出现剧变层和活跃层，在整个冻融期内土壤温度均处于渐变状态。

2.2.2 冻融期土壤温度变化速率

在冻融期土壤温度变化过程中，各种处理土壤温度的变化具有不同的降温和升温速率。为便于比较，将各种处理田块在冻融期温度降低和温度升高过程中土壤剖面温度最大平均变化速率列于表1。

表1 不同处理田块的土壤温度变化最大平均速率 ℃／d

由表1可知，无覆盖田块土壤温度变化率远大于秸秆覆盖田块。SP5、SP10、SP15、SP20和SP30的最大平均温降速率随着秸秆覆盖厚度增加依y＝－0.0092x＋0.467规律线性减小；最大平均温升速率亦随秸秆覆盖厚度增加而线性减小（y＝－0.169x＋0.7327）；相同覆盖厚度的土壤其温度回升时最大变化速率大于温度降低最大速率。

2.2.3 秸秆覆盖的保温效应

冻融期休闲地土壤温度动态变化是气候变化的结果，覆盖于地表的秸杆在土壤和空气之间形成了一个相对疏松的隔离层，切断了土壤与大气的直接联系。秸秆覆盖一方面减小了地表对太阳辐射的吸收，另一方面减少了地表向大气的长波辐射，减小了土壤热量的散失。图2各图显示，覆盖田块土壤温度明显高于裸地，说明冻融期内秸秆覆盖对土壤热量散失的减小作用强于对太阳辐射的阻隔作用，秸秆覆盖田块有较多的热量被保存在土壤中，具有保温效应，且随着秸秆覆盖厚度的增加，保温效应逐渐增强。秸秆覆盖处理的土壤剖面最低温度随覆盖厚度增加而增大，BP最低温度为－10.0℃，SP5、SP10、SP15、SP20和SP30的土壤剖面最低温度依次为－1.2，－0.7，0.3，1.2，2.0℃，分别比 BP 高8.8，9.3，10.3，11.2，12℃，5种处理剖面最低温度升高值与覆盖厚度之间符合y＝0.166x＋8.66关系式。

2.2.4 秸秆覆盖引起的温度变化滞后效应

自然状态下，土壤温度的变化主要受气温的影响，且滞后于气温的变化，秸秆覆盖则进一步增强了这种滞后效应。在土壤温度降低的过程中，不同处理的土壤降到同一温度的时间随覆盖厚度的增加而滞后。以10cm土层为例（图2-b），BP土壤于2005年11月26日降低到2℃，SP5、SP10、SP15、SP20和SP30处理的土壤则先后于2005年12月4日、12月13日、12月20日、12月28日和2006年1月21日降低到2℃，分别比BP滞后10，19，26，34，58d。土壤温度降低过程中达到相同温度所需要的时间随秸秆覆盖厚度的增加而增加。

2.2.5 冻融期秸秆覆盖的影响深度

对比图2中不同深度土壤温度在冻融期的动态可知，随着土壤深度的增加，外界环境对土壤温度的影响减弱，各种处理之间的差别减小。

图2-f显示，在60cm深处，5种覆盖厚度不同田块的土壤温度已非常接近。SP5和SP30两种处理土壤的最大变幅之差、温度变化速率之差和最低温度 值 之 差 由 5cm 处 的 4.0℃、0.22℃／d 和4.2℃，分别减小为0.6℃、0.08℃／d和0.7℃。这表明秸秆覆盖对土壤温度的影响以浅层最为显著，随着土壤深度的增加而逐渐减弱；秸秆覆盖厚度在5～30cm变化时，对地表下60cm深处的土壤温度的影响已无明显区别。

3 结论

冻融期秸秆覆盖改变了自然条件下土壤与大气间的热量交换模式，增加了地气之间热量交换的阻滞作用，导致冻融期土壤温度分布及变化与裸地有较大区别。秸秆覆盖厚度为5～30cm时，对冻融期农田土壤温度的影响主要表现在以下几方面。

1）冻融期内土壤温度的变化幅度随覆盖厚度的增加线性减小，地表下5cm处，BP、SP5、SP10、SP15、SP20和SP30的土壤温度最大变幅依次为18.4，10.7，9.2，8.3，7.3，6.7℃，其它土层变化规律与之相同。

2）秸秆覆盖显著抑制土壤温度波动，抑制作用随覆盖厚度的增加而增大。5，10，15cm覆盖厚度下的土壤不存在土壤温度剧变层；秸秆覆盖厚度大于20cm时，整个土壤剖面温度均为渐变状态，不出现剧变层和活跃层。

3）冻融期秸秆覆盖的保温效应随着覆盖厚度的增加而增强，显著提高了土壤温度。SP5、SP10、SP15、SP20和SP30处理在5cm深处的最低土壤温度分别比BP高8.8，9.3，10.3，11.2，12℃。土壤剖面最低温度升高值随覆盖厚度的增加而线性增大。

4）冻融期土壤温度变化速率随秸秆覆盖厚度的增加而线性降低。

5）土壤温度对气温响应的滞后效应随覆盖厚度的增加而增强。

6）秸秆覆盖量对土壤温度的影响随着土壤深度的增加而逐渐减弱，地表下60cm处，秸秆覆盖厚度从5cm增加到30cm，土壤温度的变化无明显区别。

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