耕作及覆膜对越冬期土壤温度的影响 冻融土壤入渗试验

在冬春季节，土壤的温度影响着土壤的冻融过程和土壤中水分的运动，不同的田间处理方法对土壤的增温效果随冻融的不同阶段而有所不同，通过对整个冬季到初春土壤在三种处理条件下地温变化的观测，对照免耕裸地的地温变化，分析三种处理条件对地温影响的差异，总结出三种处理方法在不同冻融阶段对地温的影响规律及对解冻过程影响的程度，为农作物的提前播种与提前春灌提供依据。

试验在山西省平遥县西北部农田进行，试验区气候属温带大陆性半干旱季风气候，全年太阳总辐射（130～135）×4186.8 J/cm³；年平均气温10.2～10.4℃，极端最高温39.1℃，极端最低温-21.4℃；试验区土壤11月中旬开始冻结，次年3月解冻，最大冻土深度77 cm，无霜期171天。

试验区位于山西省汾河中游冲积平原区，地势平坦，地下水埋深为1～3 m，土壤耕作层深度15～22 cm，有明显的犁底层。0～20 cm为壤土，20～34 cm为壤质砂土，34～54 cm为砂质壤土，54～100 cm为壤质沙土。

采用大田试验。共分四个田块：裸露茬地（N1）、覆膜茬地（N2）、裸露耕地（F0）、（覆膜耕地（F2），四个田块除处理方法不同以外，在试验开始之前，土壤质地、结构等均相同。研究土壤深度为0～100 cm。试验结果表明，在不同的冻融阶段三种处理方法对地温的影响不同。11月到1月下旬，土壤处于从初冻到冻层稳定发展阶段。这段时间地表所接受的太阳辐射小于其放射的长波辐射，地表因持续降温而低于深层地温，地温自上向下逐渐增高（如图3-12所示），因此在土壤中存在着向上的温度梯度，dt/dz＜0，土壤中深层储存的能量自下向上传递，流向地表。而地表温度高于气温，所以地表土壤与大气进行热交换而散失一部分热量。这是本阶段影响地温的主要因素。

覆膜茬地由于薄膜的绝热作用而减弱了与外界空气的热交换，减少了地表热量向大气的散失，从而减少了各层土壤的热量散失，因此地温降低幅度较小，表现为覆膜茬地的地温高于裸露茬地的地温。

图3-12 冻结阶段不同处理条件下土壤剖面变化曲线

耕地由于耕层土壤疏松，颗粒间孔隙变大而导热率降低，深层土壤向浅层土壤的热量传递由于耕层土壤导热率的降低而减弱，因此深层土壤的温度降低缓慢，高于覆膜茬地和裸露茬地的地温；对于深层土壤的增温作用，耕地稍好于裸露茬地；而表层土壤则受气温影响较大。

对于耕地覆膜田块，由于其耕层和覆膜的双重作用，其绝热效果均好于前两者，无论在深层还是浅层土壤中，其地温均高于其他三种处理的地温。如图3-12所示，地温高低顺序，在浅层土壤中为：覆膜耕地＞覆膜茬地＞裸露耕地和裸露茬地；在深层土壤中：覆膜耕地＞裸露耕地＞覆膜茬地＞裸露茬地。进入2月份，太阳辐射能开始增强，气温回升，地表温度也开始回升，进入初融阶段，此时，虽在深层土壤中仍存在着向上的温度梯度，而在浅层土壤中则是向下的温度梯度（如图3-13所示）。由于白天气温高于地表温度，大气与地表土壤间存在着由大气向地表传递的热量交换，是这一时期影响不同处理田块间浅层地温差异的主要因素。

对于裸露茬地，由于其浅层土壤与大气进行充分的热交换，而使得浅层土壤温度回升较其他田块快，其浅层冻土首先达到融化点而开始融化，由于发生相变需要吸收大量的热量而使周围土壤温度降低，这也正是其浅层土壤间温差较大的原因；而在夜间，因温度仍低于0℃，融化的土壤再次冻结而释放出凝结潜热，使周围土壤温度升高，这种双向的作用使裸露茬地的浅层土壤温度高于其他田块。如图3-13（测于2000年2月14日）所示。

裸露耕地地表土壤虽也能与大气进行良好的热交换，但因其导热性较差，地表土壤吸收的热量不能快速传导下去，而在夜间又散失掉，因此其浅层土壤温度低于免耕裸地。

覆膜茬地和覆膜耕地因薄膜隔绝了与大气的热交换而吸收的来自大气的热量较裸露茬地的少，因此表层土壤温度较免耕裸地低。四种处理条件下，浅层地温高低顺序依次为：裸露茬地＞覆膜耕地＞裸露耕地＞裸露茬地；深层地温高低顺序依次为：覆膜耕地＞裸露耕地＞覆膜茬地＞裸露茬地。表现为耕地、茬地覆膜处理方法对浅层土壤的温度回升有一定的阻碍作用。

图3-13 初融阶段不同处理条件下土壤剖面变化曲线

进入3月份，太阳辐射能进一步增强，气温继续升高，地表接受的太阳辐射能大于其长波辐射，白天土壤与大气的热交换与土壤接受的净辐射能相比微不足道，能否把这部分能量积蓄下来，减少热量散失，是冻土快速解冻和土壤温度迅速回升的关键。

耕地覆膜田块和茬地覆膜田块由于有着较好的绝热作用，在夜间散失的热量少，因此表现为解冻过程缓慢，完全解冻时间相对滞后，温度回升较慢。如图3-14（测于2000年3月18日）所示。四个田块浅层（25 cm范围内）地温高低顺序依次为：覆膜耕地＞覆膜茬地＞裸露耕地和裸露茬地；地表下25～60 cm范围内地温高低顺序依次为：覆膜耕地＞覆膜茬地＞裸露耕地＞裸露茬地。该段时期表现为绝热效果越好，地温升高越快，耕地覆膜田块的地温比免耕裸地高出约2～5℃。

图3-14 融化中、后期不同处理条件下土壤剖面变化曲线

耕地与覆膜对地温的增温作用都有一定的影响，耕地在深层土壤中的增温效果好，而覆膜则在融解中、后期增温作用显著。耕地与覆膜两种处理方法相结合，使得增温效果在整个冬春季节特别显著，明显高于单纯的耕地或覆膜处理。耕地覆膜田块的最低地温比免耕裸地高1.5℃左右，最高地温比免耕裸地高5.707℃。耕地覆膜田块在增温、使冻土提前解冻、迅速提高地温方面在三种处理中具有明显优势，对土壤的增温效果随冻融的不同阶段而有所不同。

（一）试验方案
冻融土壤入渗试验旨在通过系统的大田试验，全面揭示冻融土壤的基本特性、了解影响冻融土壤入渗的主导因素，建立冻融土壤入渗模型，为指导越冬期的灌溉提供土壤水分入渗模型及其模型参数的确定和预测方法。试验方案主要根据影响非冻结土壤水分入渗特性的影响因素和冻结土壤特有的影响因素进行设计。主要包括土壤质地影响试验、土壤结构影响试验、土壤含水率影响试验、地温影响试验、冻融过程影响试验、灌溉水温影响试验、地下水位埋深影响试验、地气温度的日变化影响试验等。
土壤质地按三种土壤进行，中心试验站土壤、平遥宁固土壤和平遥北长寿土壤。
土壤结构根据越冬期季节性冻融区大田所处状态确定，安排冬小麦田、秋耕地和未耕地三种耕作条件。三个越冬期共安排八种耕作条件下的入渗试验，中心试验站的冬小麦田、秋耕地和未耕地；平遥北长寿的冬小麦田、秋耕地和未耕地；平遥宁固的秋耕地和未耕地。
土壤含水率影响试验按三种条件下进行试验，其一是在具有不同地下水埋深的测坑内进行，地下水位0.5～2.5m，级差0.5m，在无灌溉条件下构成通体剖面含水率差异；其二是通过不同时间等水量灌溉（各种处理灌水时间相差10～15天，灌水定额90 mm），构造一定深度范围内土壤含水率差异；其三是模拟降雪快速融化的地表土层含水率提高的情况，通过夜间冻结前喷洒不同水量构成含水率差异。一般按5种含水率分别在不同土壤质地、结构和地温下进行试验。
地温影响试验结合冻融过程影响试验进行。对上述8种耕作条件土壤，跟踪进行整个冻融期入渗试验，每个越冬期进行9～11次。每次试验进行地温测定，以揭示地温对入渗特性的影响。地温影响试验，一方面根据天气预报在不同气温日进行，另一方面所有跟踪试验都在上午8～9时进行，以消除白天气温对地表温度的快速影响。
灌溉水温影响试验仅对个别土壤结构进行，以了解灌溉水温对冻融土壤入渗的影响。通过灌溉水中掺热水的方法，构造不同水温灌溉水入渗条件。水温按三个级差考虑，对平遥宁固未耕地在两种冻融条件下进行。
冻融期间土壤入渗试验的日变化，针对三种土壤的7种结构、选择具有代表性的气温日进行试验。每个试验日进行6～8次试验，每3～4小时进行一次。
为了了解地表覆膜对冻融土壤入渗特性的影响，进行了79组地膜覆盖下的田间入渗试验。
为了对冻结、非冻结土壤入渗能力进行比较，对上述各类试验安排了一定数量的非冻结土壤入渗试验。
根据上述总体方案设计，拟定的分年度实施方案见表2-11。
表2-11 土壤入渗试验分年度实施方案


（二）试验方法
冻融土壤入渗试验采用积水入渗方法，即试验时形成地表含水率接近饱和含水率θs的一维垂直入渗条件，其入渗界面边界条件属灌溉入渗模型。为消除积水水头对势梯度的影响，将积水水深控制在2～3 cm。入渗过程中分时段记录时段入渗水量，根据土壤入渗的一般过程，入渗开始后的8 min内，每分钟观测一次，10～15 min内，2～3 min观测一次，15～60 min内，5 min观测一次，60 min以后，10 min观测一次。入渗时间由相对稳定入渗条件控制，即入渗率达到相对稳定时结束试验。试验结果表明：耕种条件下非冻结土壤一般在60 min内可达到稳定入渗状态，冻结土壤达到稳定入渗的时间相对更短，考虑到资料的一致性和可靠性，试验中的入渗试验时间取90 min，个别具有特殊目的的试验延长到160 min。
在进行入渗试验时，除了测定入渗水量随时间的变化过程外，同时测定入渗土壤的剖面含水率、土壤容重、地温剖面分布、气温、灌溉水温。

受热传导的影响，表层土壤温度随着外界温度的变化而变化，深层土壤温度基本恒定。



地温（ground temprature）是指地表面和以下不同深度处土壤温度的统称。指一定口径的蒸发器中的水因蒸发而降低的深度。单位为摄氏度(℃)。地温为掌握下曲和入窑的温度，参考酿酒车间通风干燥处接触地面设置的温度计的温度。地温是气象观测项目之一，更是十分有用的气候资源。

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