覆膜种植方式对东祁连山区苜蓿草地土壤温度和水分的影响*

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(甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心， 甘肃省草业工程实验室， 甘肃 兰州 730070)

全球草地资源受超载过牧等不合理的利用方式及全球气候变化的影响，出现不同程度的退化[1-2]。祁连山生态系统作为我国“一带一路”系统中的重要生态支撑，在维护我国西部生态安全方面有着举足轻重和不可替代的地位，是西北地区重要的生态安全屏障[3]。近年来，祁连山高寒草地生态系统遭到破坏，导致草地植被覆盖率下降，种类减少，群落丰富度降低，饲用价值变差，产草量和载畜量极低[4-5]。目前，祁连山面临着畜牧业继续增产与保护草场的双重压力。冬春季节天然草地提供的饲草已不能满足放牧牦牛和藏羊正常生长发育和繁殖所需的营养，使得牛羊出现“冬瘦、春死”的现象，严重影响了高寒区家畜的生长发育[6]。为此，急需建立稳定高产的多年生人工草地，提高饲草供给能力，实现草畜平衡，使退化草地得休养生息，恢复草地自然调节功能，从而达到草地生态保护与畜牧业发展的双赢目的[7]。

覆膜种植技术已广泛应用于我国北方干旱和半干旱地区的玉米、马铃薯、小麦等农作物生产。大量实践表明，覆膜可减少土壤水分蒸发，有效地利用太阳能，达到抗旱、增墒和保温的作用，有利于建立稳定的节水型农业[8-16]。覆膜种植技术可以改变小麦、玉米、胡麻和马铃薯等作物生长的外部微环境[17-20]，可增加土壤有效积温，提高水分利用效率，进而提高作物产量[21-22]。有研究表明，覆膜能促进天祝和甘南高寒区苜蓿的生长，但关于不同覆膜种植方式对祁连山区土壤温度和水分的影响未见报道。因此，我们于祁连山东段甘肃天祝高寒地区布设试验，研究了平膜全覆、垄沟覆膜、垄沟覆膜+覆土和垄沟种植不同方式下土壤温度和水分含量的变化，旨在为高寒区苜蓿的建植提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为甘农1号杂花苜蓿(MedicagosativaL. ×M.falcataL.)cv ‘Gannong No.1’，由甘肃农业大学提供。

1.2 试验地概况

研究地设在甘肃省武威市天祝藏族自治县抓喜秀龙乡甘肃农业大学天祝高山草原试验站(37°40′ N，102°32′ E)，试验区海拔2 960 m，气候潮湿空气稀薄、太阳辐射强。天然植被为寒温潮湿类高寒草甸，该地区水热同期，无绝对无霜期，仅分冷、热两季，年均气温-0.1℃，最热月7月均温12.7℃，最冷月1月均温-18.3℃，≥0℃的年积温为1 380℃；年均降水量416 mm，多集中于7、8、9月；年蒸发量为1 592 mm，水热同期，年蒸发约是降水量的3.8倍。土壤以亚高山草甸土为主，土层厚度40～80 cm，土壤pH为7.0～8.2[23]。

图1 试验区2013年温度和降雨情况Fig.1 The temperature and rainfall in the experimental site in 2013

1.3 试验设计

本试验采用平膜全覆、垄沟覆膜、垄沟覆膜+覆土和垄沟(不覆膜)4种种植方式。垄沟覆膜、垄沟覆膜+覆土和垄沟处理中，垄为集雨区，沟为种植区，垄宽为30 cm，高为15 cm，垄坡约为45°(图2)[24]。所用地膜为厚度0.008 mm的白色塑料薄膜[25]。试验小区面积为2 m × 5 m，重复3次，小区随机区组排列。于2013年5月6日-7日进行播种，所有处理均为穴播，每穴播种5～10粒，播种深度2～3 cm，株距5 cm，行距30 cm；出苗后酌情补苗和间苗，确保每穴有3～5株苜蓿成活。在冬季来临之前，将垄沟和垄沟覆膜+覆土处理进行抹平处理，覆土厚度为7.5 cm。在6月20日至7月15日，分别进行了人工拔除杂草。

1.4 测定方法

1.4.1土壤温度 使用地温计测定地表、地下深5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm的土壤温度；由于该地区天气变化较大，因此，选择在天气晴朗时测定，并对数据进行汇总，测定时，从8:00-18:00，每隔2个小时记录1次；每种植方式重复3次。

1.4.2土壤水分 水分测定采用烘干法测定：5月中旬进行整地覆膜，次日播种，在播种前测1次土壤水分；以后每月中旬对每种处理采样测定水分含量，重复3次。测定时用土钻取样，分别采取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm的土样，称取5 g放到已知重量的铝盒当中，105℃烘干恒重，称重，计算土壤含水量。

图2 苜蓿种植示意图Fig.2 Schematic diagram of alfalfa planting注：图中蓝色线条表示覆膜，褐色线条表示起垄Note: The blue line indicates the film mulching, and the brown line indicates the ridge forming in the figure

1.5 数据分析

用Excel 2007软件整理数据，用SPSS 17.0统计软件对试验数据进行单因素方差分析，差异显著性用LSR法进行多重比较。

温度统计处理时，对不同处理间的地温以两种方式进行统计：(1)不同处理间的地温在垂直方向上进行比较(即不同土层深度地温的差异)，以不同深度上(0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm)从早到晚(8:00-18:00)的日平均地温统计数据，进行比较。(2)不同处理间的地温随时间的变化：即在1天中不同时间点不同处理下地温的变化，对0～25 cm的平均温度，在不同时间点(8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00)上进行比较。温度统计处理时，对不同月份晴天下的温度以这两种方法进行统计处理。

2 结果与分析

2.1 不同种植方式对天祝区苜蓿草地土壤温度的影响

天祝高寒区苜蓿草地地表温度表现为：5月份，垄沟覆膜>垄沟覆膜+覆土>垄沟>平膜全覆；平膜全覆的地表温度显著低于其余处理(P<0.05)，比垄沟覆膜降低1.3℃。6月份，平膜全覆>垄沟覆膜>垄沟>垄沟覆膜+覆土。7、8、9月，平膜全覆>垄沟覆膜>垄沟>垄沟覆膜+覆土；7月份，平膜全覆(36.63℃)和垄沟覆膜(31.33℃)显著高于垄沟覆膜+覆土(26.57℃)和垄沟处理(26.63℃)(P<0.05)，平膜全覆比垄沟覆膜+覆土和垄沟处理下的地表温度增高10.00℃；8月份，4种处理下的地表温度(16.38～17.64℃)间无显著性差异。

5～25 cm地温的表现趋势为：5月份，平膜全覆>垄沟覆膜>垄沟>垄沟覆膜+覆土(表1)；平膜全覆在5 cm深度下的地温显著最高，为19.5℃(P<0.05)，比垄沟覆膜、垄沟覆膜+覆土和垄沟处理分别高1.64℃，4.22℃，3.09℃；10 cm深度时，平膜全覆的地温(15.13℃)显著最高(P<0.05)，比垄沟覆膜、垄沟覆膜+覆土和垄沟处理分别高0.69℃，1.92℃，1.67℃；20～25 cm地温4种处理间差异不显著。5月晴天时，平膜全覆在浅土层的地温增温最快，较其他3种处理可增温9.3%、27.7%和19.0%。6月份，平膜全覆在5～25 cm的地温皆显著高于其他3种处理(P<0.05)，且平膜全覆>垄沟覆膜>垄沟覆膜+覆土>垄沟；在10～15 cm处，平膜全覆处理下的最高地温可达26.31℃，26.48℃。6月晴天平膜全覆地表温度较比其他3种处理可增温5.99℃、10.39℃和10.36℃；5～10 cm土层地温在各处理下均达到最大。7、8、9月份，5～25cm地温为：平膜全覆>垄沟覆膜>垄沟>垄沟覆膜+覆土。7月和8月在5～25cm深度的地温皆是平膜全覆显著高于其他处理(P<0.05)，其余3种处理间无显著性差异。9月份0～25cm土层地温，4种处理间无显著性差异。

2.2 不同种植方式对天祝区苜蓿草地土壤温度日变化的影响

5月从早晨8:00到14:00的地温都表现为：平膜全覆>垄沟覆膜>垄沟>垄沟覆膜+覆土(表2)。从8:00至16:00一直处于增温状态, 18:00地温下降。其中,平膜全覆处理最高地温为18.32℃；垄沟覆膜18.38℃；垄沟覆膜+覆土16.52℃；垄沟16.67℃。5月晴天最高地温在14:00-16:00。

6月地温变化为：除早晨8:00垄沟覆膜+覆土处理下的地温最低外，其他时间都是平膜全覆>垄沟覆膜>垄沟覆膜+覆土>垄沟。从10:00到18:00，平膜全覆的地温都显著高于其他3种处理；平膜全覆最高温度在16:00，达32.27℃，较垄沟覆膜、垄沟覆膜+覆土和垄沟处理下的地温分别增加5.24、7.73与8.89℃，分别提高19.4%、31.5%和38%。

7月、8月晴天地温均为平膜全覆最高，7月晴天在16:00时，地温最高，平膜全覆可达32.97℃，较其他3种处理增加了5.24℃、6.04℃和7.2℃；18：00地温下降。

8月最高地温出现在12:00，14:00地温下降。平膜全覆、垄沟覆膜、垄沟覆膜+覆土和垄沟处理的最高地温分别为：22.31℃,17.79℃,17.88℃和18.58℃，8月份的最高地温较7月份低。

9月的8:00增温至14:00时，16:00地温下降平膜全覆、垄沟覆膜、垄沟覆膜+覆土和垄沟处理的最高地温分别为21.32℃,19.93℃,17.98℃和20.82℃。

表1 种植方式对各月晴天不同土层地温的影响Table 1 Effects of planting patterns on soil temperature in different soil layers in a sunny day /℃

续表1

注：不同小写字母表示各月不同处理间差异性显著(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters indicated significant differences among different treatments in each month (P<0.05). The same as below

表2 种植方式对晴天地温日变化规律的影响Table 2 Effects of planting patterns on daily changes of soil temperature in a sunny day/℃

续表2

2.3 不同种植方式对天祝区苜蓿草地土壤水分的影响

5月土壤含水量，垄沟覆膜最高为26.38%，垄沟处理最低为21.13%；平膜全覆在较深土层(20～40 cm)为24.82%，高于垄沟覆膜+覆土(23.22%)，较低土层(0～20 cm)则低于垄沟覆膜+覆土(25.28%)(表3)。0～10 cm土层土壤含水量垄沟覆膜最高为26.92%，与垄沟覆膜+覆土处理(25.95%)间差异不显著，但显著高于平膜全覆(24.28%)和垄沟处理(18.68%)，垄沟处理显著低于其他处理(P<0.05)；10～30 cm土层垄沟覆膜显著高于其他处理(P<0.05)，平膜全覆与垄沟覆膜+覆土间差异不显著，在10～20 cm，垄沟处理显著低于其他处理(21.63%)(P<0.05)，20～30 cm，后三者间差异不显著；30～40 cm土层的土壤含水量略有升高，垄沟覆膜处理26.14%，与平膜全覆(26.14%)间差异不显著，但显著高于垄沟覆膜+覆土处理(24.16%)和垄沟处理(23.12%)(P<0.05)，后二者间差异显著，垄沟处理显著低于其他处理(P<0.05)。5月垄沟覆膜处理0～40 cm土壤含水量为26.38%，较平膜全覆(24.56%)提高了7.4%，较垄沟覆膜+覆土(24.25%)提高了8.8%，较垄沟处理提高了24.8%。

6月土壤含水量表现为：垄沟覆膜>平膜全覆>垄沟覆膜+覆土>垄沟。其中，垄沟覆膜种植方式下0～10 cm(25.77%)、20～40 cm(26.22%)土层的土壤含水量皆显著高于其他3种处理(P<0.05)，其它3种处理间无显著性差异；10～20cm土层的土壤含水量垄沟覆膜(27.68%)与平膜全覆处理(27.47%)显著高于垄沟覆膜+覆土处理(23.94%)与垄沟处理(24.97%)(P<0.05)，前二者间无显著差异，后二者间无显著差异。6月土壤含水量垄沟覆膜处理(26.92%)较其他3种处理分别提高了7.8%、13.8%和15.8%。

7月土壤含水量0～30 cm与6月的趋势相同，30～40 cm表现为：垄沟覆膜>平膜全覆>垄沟>垄沟覆膜+覆土。0～10 cm土层，平膜全覆(24.65%)、垄沟覆膜(25.45%)与垄沟覆膜+覆土(23.90%)3种处理均显著高于垄沟处理的土壤水分(20.77%)(P<0.05)；10～20 cm土层，平膜全覆(22.98%)与垄沟覆膜(23.63%)显著高于垄沟覆膜+覆土(21.63%)与垄沟处理(19.55%)(P<0.05)；20～30 cm土层，垄沟覆膜与平膜全覆、垄沟覆膜+覆土处理间的差异不显著，垄沟处理显著最低(P<0.05)，但与平膜全覆、垄沟覆膜+覆土差异不显著；30～40 cm土层，4处理间差异皆为显著差异(P<0.05)。7月垄沟覆膜0～40 cm土壤含水量为23.86%，高于平膜全覆(22.87%)、垄沟覆膜+覆土(22.90%)和垄沟处理(20.88%)，土壤含水量分别提高了4.3%、4.2%和14.3%。

8月土壤含水量表现为：垄沟覆膜>垄沟覆膜+覆土>平膜全覆>垄沟。0～10 cm土层，平膜全覆(24.05%)、垄沟覆膜(26.82%)和垄沟覆膜+覆土(25.27%)3种处理均显著高于垄沟处理(21.20%)(P<0.05)；10～20 cm土层，垄沟处理最低为17.82%，与平膜全覆、垄沟覆膜+覆土间差异不显著，与垄沟覆膜(23.82%)间差异显著(P<0.05)；20～30 cm土层，垄沟覆膜为24.87%，显著高于平膜全覆和垄沟处理(P<0.05)，但与垄沟覆膜+覆土间差异不显著，垄沟处理最低；30～40 cm土层，4种处理间差异性不显著。8月0～40 cm土壤含水量垄沟覆膜为24.64%，高于平膜全覆(20.54%)、垄沟覆膜+覆土(23.14%)和垄沟处理(19.02%)，土壤含水量分别提高了20.0%、6.5%和29.5%。

9月土壤含水量与8月份土壤含水量的表现趋势一致，为：垄沟覆膜>垄沟覆膜+覆土>平膜全覆>垄沟。在0～10 cm土层，垄沟覆膜(25.98%)与垄沟覆膜+覆土处理(23.33%)的土壤含水量显著高于垄沟处理下的土壤含水量(20.02%)(P<0.05)；10～20 cm、30～40 cm土层，垄沟覆膜与垄沟覆膜+覆土间差异不显著，但高于平膜全覆与垄沟处理(P<0.05)，垄沟处理与平膜全覆、垄沟覆膜+覆土间差异性不显著；20～30 cm土层，垄沟处理土壤含水量最低为18.43%，其他处理4显著高于垄沟处理(P<0.05)，3者间无显著性差异。9月0～40 cm土壤含水量垄沟覆膜最高为24.54%，较垄沟覆膜+覆土、平膜全覆和垄沟处理分别提高5.5%、14.5%和22.8%。

表3 种植方式对各月份不同土层土壤含水量的影响Table 3 Effects of planting patterns on the monthly changes of soil water content in different soil layers

3 讨论

3.1 不同处理下对地温的变化规律

地面覆盖对土壤温度进行调节的作用机制是通过其覆盖层及覆盖层与地面之间空气层的存在来对土壤与大气间的热量交换施以影响[26]。本试验通过对各月份天气晴朗时，0～25 cm土层的地温进行记录，研究表明5-9月份上午8:00土壤地温较低，10:00后地温逐渐增加，其峰值出现在14:00和16:00，且土壤温度变化最敏感的土层深度为0～15 cm。此结果与王炳英[27]在陕西杨凌地区对覆膜玉米研究的结论相似。李成华等[26]认为，透明聚乙烯薄膜可使来自日光的短波热辐射几乎不受阻挡地穿越覆盖层到达地表面，而土壤反射的长波热辐射则不能穿过覆盖层。所以与裸地相比，在覆盖层下面的热量聚集导致了土壤温度的提高；地面覆盖可有效减小土壤水分丧失，降低土壤温度。垄沟覆膜+覆土处理是在覆膜之后，再对塑料薄膜覆盖一层土，土层减弱了太阳辐射从而降低覆膜对土壤的提温作用。地温的变化也随着气温变化，温度传递过程受到膜下水循环的影响而有其滞后性[26]；因此不同深度地温的变化在传递过程中会逐层递减，呈现不同的规律。

5月晴天平膜全覆处理下的表层土壤温度最低，这是由于天祝高寒区5月气温依然较低，且风大，地表温度很容易受气候的影响；垄沟覆膜、垄沟覆膜+覆土和垄沟三种种植方式属于起垄种植，测定地温时，地表温度计被置于沟内，由于垄的挡风等作用，地表平均温度高于平膜全覆。

在晴天天气中，早晨8:00地温较低，从10:00开始地温开始渐增，在14:00和16:00时达到最高，随后又开始降低。5、6、7月白天最高地温在16:00时，8月和9月在14:00时，王炳英[27]关于作物在覆膜条件下土温的变化规律得出相似结论。本研究中土壤温度变化最敏感的深度为0～15 cm，因此晴天白天地温随时间变化增温也主要在0～15 cm。

本研究表明，覆膜对5、6、7月份土壤的提温作用影响较大，即对苜蓿生长初期(5月、6月)和生长期(7月)的地温影响较大。受气候影响，苜蓿生长后期(8月、9月)地温整体降低，不同覆膜处理下6月和7月各层地温出现峰值；8月份平膜全覆的提温作用依然明显，9月份各处理的地温无显著差异。苜蓿生长初期，土地覆膜能增加日光照射面积，加速覆膜处理下地温提升速率；而7月为天祝高寒草甸温度最高月份[23]，土壤温度随之增高，苜蓿迅速生长。随着苜蓿及杂草的生长，在苜蓿生长的后期，杂草和苜蓿对地膜的遮盖作用越来越明显，地膜接受的日光辐射也随之减少，对地温的提升作用下降。李兴等[28]在黄土高原研究覆膜玉米的土壤温度时也指出，地膜可提高地温，其作用主要在作物生长前期，中期和后期效果减弱；李富春等[29]的研究也表明地膜可提高苗期的地温；吴序卉和蒲小朋[30]使用地膜在天祝种植燕麦和豌豆时也发现地膜覆盖在前期对太阳辐射的作用反应最明显、效果最好。

3.2 不同处理下土壤水分的变化规律

覆膜可有效减小水分损失，保持土壤湿度，阻止蒸发，从而促进作物生长[33]。周丽敏[11]对玉米进行不同方式的覆膜种植，发现双垄全膜覆盖比全膜平铺可以更有效地提高表层土壤水分含量，提高玉米的产量和水分利用效率。本试验中，5-9月份垄沟覆膜种植方式下各土层的土壤含水量均高于其他各处理，各月份各土层的土壤含水量高于平膜全覆和其他两种处理，集雨效果达最佳，与周丽敏[11]的研究结果相一致。各月份中，三种覆膜种植方式下的土壤水分含量均高于不覆膜的垄沟处理，且在0～20 cm的浅层土壤水分差异较大，20～40 cm的深层土壤变化趋势减弱。平膜全覆在6-7月份的集雨效果仅次于垄沟覆膜，8月和9月的效果减弱，垄沟覆膜+覆土的集雨效果在8月和9月提高。在天祝高寒区，降雨主要集中在7、8、9月，该段时间刚好是苜蓿生长需水量最大的时间，采用覆膜，尤其是垄沟覆膜种植方式可以极大的提高水分利用效率，为苜蓿高产奠定基础。垄沟覆膜对高寒区苜蓿生长提供最大的水分利用效率，其次是平膜全覆和垄沟覆膜+覆土，垄沟处理集雨效果最差。5月至9月间，垄沟覆膜土壤含水量比平膜全覆增加了4.3%～14.5%，比垄沟覆膜+覆土增加了4.2%～13.8%，比垄沟处理增加了14.3%～24.8%，可见垄沟覆膜处理的集雨效果在4种处理间效果最佳。

本研究结果显示，天祝高寒区平膜全覆种植方式土壤表层的温度最高，在中午12:00-14:00时，瞬间温度达40℃以上，这会对苜蓿造成伤害；而垄沟覆膜下的表层土壤在该时的温度在40℃以下，不会造成伤害。且垄沟覆膜处理的集雨效果在4种处理间效果最佳，土壤含水量最大。因此，垄沟覆膜处理显著提高了高寒区苜蓿的生长，促进了苜蓿根颈、根颈芽和根系的生长[25]。

4 结论

平膜全覆对天祝高寒区苜蓿生长在温度上的贡献最大，且覆膜对苜蓿生长地温的提升作用主要集中在苜蓿生长前期和中期，生长季末期的作用有限。垄沟覆膜在水分上的贡献最大，相比垄沟处理可增加土壤含水量14.3%～24.8%，集雨效果最佳。平膜全覆和垄沟覆膜2种处理能够更大效率的增温和保墒，在实际生产应用中，能够为天祝高寒区苜蓿的生长提供最有利的环境。