王科鋒，梁銀麗,,*，張朝文，穆 蘭，石國華

1 西北農(nóng)林科技大學林學院, 楊凌 712100 2 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

栽培番茄的塿土和黃綿土水分和溫度變化規(guī)律

王科鋒1，梁銀麗1,2,*，張朝文1，穆 蘭2，石國華1

1 西北農(nóng)林科技大學林學院, 楊凌 712100 2 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

用土柱試驗，研究了栽培櫻桃番茄(Lycopersiconesculentumvar.cerasiformeAlef.)的塿土和黃綿土水分運移和溫度變化規(guī)律，水分運移模型選用土壤中水分分布的動力學模型，土壤溫度、空氣溫濕度變化選用正弦曲線模型。結果表明：塿土在各個不同深度的平均含水量均高于黃綿土，塿土的入滲速率高于黃綿土，同一深度塿土溫度高于黃綿土，土壤溫度隨著深度的增加具有明顯的滯后性；黃綿土中櫻桃番茄的水分利用效率大于塿土，空氣溫濕度、土壤溫度和土壤含水量相互影響。水分運移模型在土壤淺層處可以得到很好的擬合效果，在擬合方程的變量范圍內，根據(jù)時間可以較準確的確定櫻桃番茄盛果期土壤淺層含水量，對于進一步提高農(nóng)業(yè)干旱防御能力、有效制定節(jié)水灌溉計劃、提高水分利用效率提供了理論依據(jù)。

土壤水分運移; 塿土; 黃綿土; 溫度; 櫻桃番茄

西北地區(qū)是我國設施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢地區(qū)，水資源缺乏已成為制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵問題[1]。到2011年底，該地區(qū)設施農(nóng)業(yè)總面積逾40萬hm2[2]，隨著人民生活水平的提高，櫻桃番茄越來越受到人們的喜愛，其栽培面積不斷擴大[3]。據(jù)統(tǒng)計，目前陜西省番茄(大果番茄和櫻桃番茄)年種植面積約3.4萬hm2(51萬畝)。番茄在陜西省各地均有分布，其中以咸陽、渭南、西安和寶雞為主的關中地區(qū)占總分布面積的70%，陜南占20%，陜北占10%[4]。土壤水分是半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主要限制因素[5- 6]，是植被生長及分布的重要生態(tài)因子[7]。它對土壤水-熱-溶質耦合運移以及土壤-植被-大氣傳輸體中的物質遷移過程具有重要影響[8]。土壤水分管理是櫻桃番茄高產(chǎn)栽培的關鍵技術，水分條件是影響其生理、產(chǎn)量與品質的主要因素。設施內傳統(tǒng)的溝畦等地面灌水技術管理粗放，造成水資源和肥料的浪費，其有效水分利用率低[9]，而滴灌方式可以明顯的提高水分利用效率?，F(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展不僅要追求高產(chǎn)，而且要追求盡可能高的作物水分利用效率[10- 11]。土壤溫度隨太陽輻射出現(xiàn)日內、月內和年內變化，雖然其變化受到土壤性質、土壤水分等多種因素影響，但表現(xiàn)出一定有規(guī)律的波動[12]。林興軍[13]等研究表明，土壤水分和肥料水平對土壤的日變化有重要影響。國內外專家對土壤中水分和溫度的有關問題開展了大量研究，灌水后期上層土體水分含量的增加是下層土體水分在溫度梯度驅動下向上層遷移造成的[14]。土壤性質對土壤水分運移有很大的影響[15]，了解不同土壤水分運移對于決定水文過程和農(nóng)田水分管理有重要意義[16]。在半干旱氣候條件下的黃土高原，面臨著水分缺乏和種植面積不斷擴大的矛盾[17]，黃綿土和塿土作為該地區(qū)主要分布的兩種主要土壤，因此，研究作物生長條件下滴灌土壤水分運移和溫度變化規(guī)律，對制定科學的灌溉制度和綜合利用水、肥、氣、熱等資源具有重要的理論指導意義[18]。本文通過研究黃綿土和塿土中水分運移和溫度變化規(guī)律，為進一步提高農(nóng)業(yè)干旱防御能力、有效制定節(jié)水灌溉計劃、提高水分利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2012年4月28日—9月19日，在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所有遮雨塑料薄膜的試驗場的土柱(高100cm,內徑32cm)中進行，土柱置于地下室水泥平臺上。共4排土柱，每排12個，兩排裝黃綿土，兩排裝塿土，均按原狀土容重分層裝入。黃綿土質地輕，顏色淺，比熱小，土溫變幅大，屬溫性-中溫性土壤；塿土主要分布于關中平原，母質為次生黃土，灰黃棕色，壤質粘土，粒狀結構，疏松。部分理化性質如表1所示。試驗設土壤2類：塿土(C)和黃綿土(L)；土壤相對含水量設3個水平：90%—100%(Wh)、70%—80%(Wm)、50%—60%(Wl)，共6個處理(CWh、CWm、CWl、LWh、LWm、LWl)，每處理重復8次。

表1 塿土和黃綿土的部分理化性質Table 1 The partial physical and chemical properties of cumulic cinnamon soils and loessial soils

1.2 試驗材料

試驗品種為千禧櫻桃番茄。每個土柱施尿素(含N 46.4%)、磷酸二銨(含P2O542%，N15%)、硫酸鉀(K2O有效含量為45%)各2g作為底肥，合75kg/hm2。結果期每月每土柱追施尿素、磷肥、鉀肥各2g。2012年4月28日定植，每土柱移栽1株6葉期櫻桃番茄。定植后10d開始進行水分處理，之前各處理灌水量保持一致。

1.3 土壤含水量測定方法與灌水量

圖1 土壤水分測定圖Fig.1 Schematic view of soil moisture measurement

土壤含水量的測定：定植后10d用滴灌開始控水。用時域反射儀TDR(Time Domain Reflectormeter)測定10、20、30、40cm土壤含水量，重復3次，取平均值。用各處理土壤含水量上限減去實測含水量得出需灌水量。土柱及測量水分圖如圖1所示。

試驗在整個生長周期共測定3次水分運移動態(tài)，滴灌開始時間分別為2012年7月5日8:00、7月26日8:00、8月25日8:00，灌水量以該時缺水量為準，測定時間分別為2012年7月5日9:00—7月13日8:00、7月26日9:00—8月3日8:00、8月25日9:00—8月31日9:00，測定土壤水分垂直運移時，控制滴灌流速平均1.16L/h，各處理播種前和收獲時土壤儲水量及生長期內灌水量如表2所示。

表2 各處理生長期內灌水量Table 2 The amount of irrigation under different treatment in the growth period

CWh: 塿土高水處理cumulic cinnamon soils with high water;CWm: 塿土中水處理cumulic cinnamon soils with moderate water;CWl: 塿土低水處理cumulic cinnamon soils with little water; LWh: 黃綿土高水處理loessial soils with high water;LWm: 黃綿土中水處理loessial soils with moderate water;LWl: 黃綿土低水處理loessial soils with little water

1.4 空氣溫度、相對濕度、土壤溫度測定

采用日產(chǎn)小型氣象自動記錄儀HOBO (HOBO Pro v2 Temperature/RH Data Logger，溫度精度：±0.2℃; 相對濕度精度：±2.5%)對1.5m高度處大氣溫度和大氣相對濕度進行動態(tài)監(jiān)測。

用土壤溫度測定儀(Thermo Recorder TR- 52, accuracy ±0.1℃)測定10、20、30、40cm土層溫度，每小時記錄1次，從定植開始一直記錄到植株生長期結束。

1.5 產(chǎn)量測定及水分利用效率

動態(tài)采摘生理成熟果實，記錄每1株的產(chǎn)量及果實數(shù)。實驗結束后，烘干法測量植株的生物量。水分利用效率=產(chǎn)量/灌水量。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

1.6.1 水分運移模型

選用土壤中水分垂直分布的動力學模型[19]：

y=(a-be-cx)e-dx+f(a,b,c,f>0)

式中，y表示土壤含水量(cm3/cm3)，x表示時間(d)，a、b、c、d、f為待估參數(shù)。假設x=0時，y=0,則f=b-a，即模型變?yōu)椋?/p>

模型顯然具有以下性質：

(1) 具有水平漸近線

yh=f

(2) 極大值處時間

xm= (1/c)×ln[b(c+d)/ad]

(3) 極大值處土壤含水量

ym=y(xm)

(4) 拐點處時間

x*= (1/c)×ln[b(c+d)2/ad2]

對于同一植株而言，極大值處時間xm之前水分含量的增加主要是受重力作用的影響，在xm之后，水分含量主要是由于光照強度、大氣溫度、大氣濕度、土壤溫度、地表處CO2濃度等的影響。xm的大小主要受降雨的強弱或灌溉方式的影響，如果降雨很強，類似大暴雨或者大水漫灌，xm相對就?。蝗绻涤旰苋?，如綿綿細雨，或采用滴灌的方式，xm相對就比較大。水平漸近線yh的大小主要受土壤類型和土壤深度等決定，土壤含水量一直減少，水平漸近線接近萎蔫系數(shù)，直到有降雨或者灌溉使上述過程再次開始循環(huán)。拐點處時間x*表示土壤含水量經(jīng)過極大值后由迅速下降轉為逐漸穩(wěn)定的時間點。此模型可以適用于農(nóng)田、森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)中表層土壤水分的運移研究。

1.6.2 溫度變化模型[12]

T(z,t)=TA(z)+A(z)sin[ωt+Φ(z)]

式中,TA(z)為日或年平均溫度，A(z)為溫度變幅，Φ(z)為相位，ω為角頻率，z為深度。

所測結果運用數(shù)學軟件Mathematica和SPSS進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 塿土、黃綿土土壤水分運移規(guī)律

圖2 7月26日—8月3日塿土、黃綿土土壤水分運移規(guī)律Fig.2 The regularity of water movement in the cumulic cinnamon soils and the loessial soils from July 26 to August 3土壤相對含水量: Wh:高水90%—100%;Wm:高水70%—80%;Wl:高水50%—60%

將7月26日—8月3日所測的土壤含水量觀測值和擬合方程曲線顯示在圖2中，可直觀的看出土壤含水量觀測值與擬合出的回歸方程較一致，分別表示高水、中水和低水處理淺層各深度的土壤含水量觀測值及觀測值擬合出的回歸方程曲線。

將2012年7月5日—7月13日、7月26日—8月3日、8月25日—8月31日3次水分運移觀測數(shù)據(jù)擬合的回歸方程及參數(shù)進行分析整理，如表3所示。yh表示方程的水平漸進線，也即對應土層的含水量隨時間的穩(wěn)定值；xm表示對應的土壤深度當含水量達到最大值時所用的時間；ym表示對應的深度所達到的土壤含水量最大值；x*表示土壤含水量經(jīng)過極大值后由迅速下降轉為逐漸穩(wěn)定的時間點。

表3 2012年7月5日、7月26日和8月25日3次水分運移擬合回歸方程參數(shù)分析Table 3 Variance analyses of fitting equation parameters from the observation data on July 5、July 26 and August 25,2012

所有數(shù)值表示均值±標準誤，*P<0.05水平顯著，**P<0.01水平極顯著，***P<0.001水平極顯著; ns不顯著

在每個處理中，隨著土壤深度的增加，各深度回歸方程的擬合優(yōu)度逐漸降低，說明此模型主要可以應用于淺層土壤含水量預測。各處理回歸方程的水平漸近線yh隨著深度的增加而增加，說明淺層土壤中的含水量消耗較快，一方面是由于地表的蒸發(fā)，另一方面由于櫻桃番茄的根系主要分布在淺層，根系吸水較多。各處理極大值處時間xm隨著深度的增加逐漸增加說明淺層土壤含水量首先達到飽和,往下依次達到飽和與近飽和。極大值處土壤含水量ym隨著土壤深度的增加逐漸減小，說明深層的土壤由于上層植物根系截流吸水等原因不能達到最大值含水量(飽和含水量)，只能達到極大值含水量。

CWh與LWh10cm、20cm，CWm與LWm10cm，CWl與LWl10cm的yh、ym、xm和x*可以得出，塿土比黃綿土更加保水；塿土比黃綿土的水分入滲率大，即入滲更快；塿土比黃綿土更早的進入穩(wěn)定保水階段。

每個處理的30、40cm土壤深度由于土壤中水分變化不明顯，水分不能充分的到達該深度，因此在此深度不能得到合適的回歸方程。

2.2 空氣溫度、相對濕度及土壤溫度變化

隨機選取2012年7月29日0:00—7月29日23:00的空氣溫度、相對濕度和土壤溫度進行研究，其日變化均呈現(xiàn)出類似正弦曲線波動。對原始數(shù)據(jù)進行回歸方程擬合，將原始數(shù)據(jù)和擬合方程共同顯示在圖3中。其中，分別表示塿土高水、中水和低水處理中土壤溫度的變化規(guī)律及黃綿土高水、中水和低水處理中土壤溫度的變化規(guī)律，空氣溫度和相對濕度的變化規(guī)律?？諝鉁囟仍?6:00左右達到最大值，在7:00達到最小值，相對濕度在16:00達到最小值，在7:00達到最大值，可見空氣溫度和相對濕度成反相關關系。10cm的土壤溫度均在16:00左右達到最大值，20cm在18:00左右達到最大值，30cm在22:00左右達到最大值，40cm在2:00左右達到最大值。同一深度，塿土的溫度除了在高水和中水10cm處小于黃綿土外，其余均高于黃綿土的溫度。隨著土壤深度的增加，土壤到達最大溫度具有明顯的滯后性，從擬合方程參數(shù)Φ(z)也可以看出，隨著深度的增加，Φ(z)逐漸減小。

空氣溫度和相對濕度的相關性為-0.908**，負相關且達到了極顯著水平。

原始數(shù)據(jù)擬合的回歸方程參數(shù)如表4所示，TA(z)為日平均溫度；A(z)為溫度變幅；Φ(z)為相位；ω為角頻率，ω=2π/T,這里T=24 h；z為土壤深度。

2.3 櫻桃番茄產(chǎn)量及水分利用效率

從表5可以看出，單株總產(chǎn)量高水處理顯著高于中水處理和低水處理，高水處理產(chǎn)量最多，中水處理次之，低水處理最少；單果均重高水和中水處理顯著高于低水處理。黃綿土低水處理水分利用效率顯著高于其他處理，黃綿土的水分利用效率均高于塿土，且越缺水的條件下，櫻桃番茄的水分利用效用越高。

3 討論

在土壤水分運移距離隨時間變化規(guī)律的研究中，經(jīng)典的方法是通過Richard方程建立滴灌條件下土壤水分運動模型[12]。目前研究水溫變化較多的是使用Hydrus- 1D或Hydrus- 2D，一個可用來模擬地下滴灌土壤水流及溶質二維運動的有限元計算機模型。S. Kanzari 等[20]用Hydrus- 1d模型來研究水份運移和溶質遷移，指出其對灌溉、土壤及植物有很大的影響，并且反過來可以控制灌溉和施肥。白艷梅等[21]通過實驗室測定和田間實際測定，用Richard進行擬合，得到了比較好的擬合效果。本文中的水分運移模型在土壤淺層除了最大值點附近，其余觀測值點均可以得到很好的擬合效果，隨著深度的增加，回歸方程的擬合優(yōu)度逐漸降低，水分運移規(guī)律不明顯，原因可能是深層的土壤水分活躍性差，或者受灌溉量的限制。由于土壤含水量受太陽輻射、大氣溫度、相對濕度、風速、植株生長大小、光合作用等的影響，此種方法雖不能徹底消除參數(shù)的不唯一性，但是它很自然的提供了一種方法，去接近真實的水分運移規(guī)律，可以相對容易的去估計土壤淺層的水分運移規(guī)律[21]。

圖3 2012年7月29日0:00—23:00的空氣溫度、相對濕度和土壤溫度日變化規(guī)律Fig.3 The daily variation of air temperature,relative humidity and soil temperature within 24 hour on July 29,2012

土壤溫度隨著深度的增加具有滯后性，這是由土壤本身的物理性質決定的，高中低3個處理中土壤溫度的滯后性表現(xiàn)為高水最為明顯，中水次之，低水最弱，這是因為水的比熱比較大，會大量吸收向土壤下層傳遞的熱量，說明水分對于不同深度土壤溫度的滯后性有重要影響。林興軍[13]等研究表明，土壤溫度和土壤水分作為兩個相互作用的物理量，對作物的生長有強烈的影響。本文中低水處理同一深度土壤溫度波動幅度較高水處理大，低水處理土壤含水量隨著時間減小的同時，也出現(xiàn)了在縱坐標方向上的小幅上下波動，說明土壤溫度對土壤含水量的變化有一定影響，如果土壤含水量和溫度同步每小時測定一次，這個規(guī)律會更加明顯。溫度的日變化圖形在空氣和土壤10cm處有一定的偏度，這是由于空氣和土壤淺層的溫度升溫較快，而降溫較慢，7：00到16：00升溫，而后直至第2天7:00左右一直降溫，升溫的時間小于降溫的時間。

表4 2012年7月29日空氣溫度、相對濕度及土壤溫度日變化擬合方程參數(shù)

Table 4 The daily variation fitting equation parameters of air temperature,relative humidity and soil temperature within 24 hour on July 29,2012

處理Treatment土壤深度zSoildepth/cm土壤平均溫度TA(z)Meansoiltemperature/℃振幅A(z)Amplitude/℃角頻率ωAngularfrequency初始相位Φ(z)InitialphaseCWh1030.3682.550.263.40342030.481.900.262.87983029.91.250.262.35624029.2960.700.261.8326CWm1030.5083.000.263.27252030.2842.100.263.01073029.7961.300.262.48714029.0680.700.261.8326CWl1031.8884.250.263.27252031.0042.800.262.879830301.550.262.35624029.2680.750.261.8326LWh1029.93.800.263.14162029.4242.350.262.74893028.8521.500.262.22534027.70.550.261.5708LWm1030.2443.950.263.14162029.5282.250.262.87983028.8841.250.262.22534027.9560.600.261.5708LWl1029.7323.050.263.14162029.2482.350.263.14163028.4321.150.262.35624027.6760.550.261.8326空氣溫度AirTemp32.407137.4783330.263.6652空氣相對濕度AirRH65.214824.5980.266.8068

表5 櫻桃番茄生長期內產(chǎn)量及水分利用效率Table 5 The furit yield and water use efficiency in the Cherry tomatoes growth period

所有數(shù)值表示均值±標準誤，對每個處理，同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母分別表示鄧肯多重比較法在5%水平上差異顯著， *P<0.05水平顯著，***P<0.001水平極顯著

黃綿土中櫻桃番茄的水分利用效率大于塿土。黃綿土中的櫻桃番茄生物量和果實產(chǎn)量均高于對應處理的塿土，說明黃綿土中的櫻桃番茄將更多的水分用在了生物量和果實的產(chǎn)出上，地上部分耗水多于塿土，因此地下部分相對水分損耗較多，土壤剩余含水量較少，土壤中黃綿土的含水量低于塿土。

4 結論

(1)塿土在不同深度的平均容積含水量均高于黃綿土，說明塿土更保水；塿土比黃綿土先達到極大值容積含水量，其入滲速率高于黃綿土。黃綿土種櫻桃番茄水分利用效率更高。

(2)本文所得不同深度的水分運移方程對于春夏季黃土高原地區(qū)櫻桃番茄灌水有一定的指導意義。在擬合方程的變量范圍內，根據(jù)時間可以較準確的確定櫻桃番茄盛果期土壤表層含水量。土壤水分對不同深度土壤溫度的效應有顯著滯后性。

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The periodicities of water content and temperature variation for tomatoes in the cumulic cinnamon soils and the loessial soils

WANG Kefeng1, LIANG Yinli1,2,*, ZHANG Chaowen1, MU Lan2, SHI Guohua1

1NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China

In this paper we report the findings from experiments using soil columns to investigate changes in water content and temperature in cumulic cinnamon soils and loessial soils which were used to grow cherry tomatoes (Lycopersiconesculentumvar.cerasiformeAlef.). A mathematical model for soil water distributions was used to simulate the vertical changes in soils water, and a sinusoid model was selected to analyse soil and air temperature as well as the changes in air humidity. The results show that the average soil water content and the infiltration rate in the cumulic cinnamon soils are higher than those in the loessial soils. The temperature in the cumulic cinnamon soils is higher than that in the loessial soils at the same depth. The soil temperature has obvious hysteresis as the depth increases. The water use efficiency of tomatoes in the loessial soils is higher than in the cumulic cinnamon soils. The air temperature, relative humidity, soil temperature and soil water content influence one another. The mathematical model in this study effectively simulates the water movement in the soil above 20 cm. Within the variable range of the variables in the mathematical equation, the water content in the small depths can be accurately determined using the elapsed time in the cherry tomatoes at the full fruit period, which provides a theoretical basis for improving the drought resistance, scheduling water-saving irrigation plans and improving water use efficiency.

soil water movement; cumulic cinnamon soils; loessial soils; temperature; cherry tomatoes

國家科技支撐課題(2014B AD14B006)

2013- 05- 31;

日期:2014- 05- 08

10.5846/stxb201305311256

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liangyl@ms.iswc.ac.cn

王科鋒，梁銀麗，張朝文，穆蘭，石國華.栽培番茄的塿土和黃綿土水分和溫度變化規(guī)律.生態(tài)學報,2015,35(7):2161- 2169.

Wang K F, Liang Y L, Zhang C W, Mu L, Shi G H.The periodicities of water content and temperature variation for tomatoes in the cumulic cinnamon soils and the loessial soils.Acta Ecologica Sinica,2015,35(7):2161- 2169.