3.2.2　耕作層土壤溫度

土壤耕作層是指利用犁、耙等農(nóng)具能夠改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤表面狀態(tài)的土層，本書指土壤0～20cm深度。

1.裸地

2004—2005年凍融期，裸地20cm深度內(nèi)土壤溫度變化見圖3.4。地表和地中5cm深度處土壤溫度在12月31日均達(dá)到最低，分別為－10.4℃和－8.7℃；地中10cm和15cm深度處土壤溫度在1月1日達(dá)到最低，分別為－5.7℃和－4.4℃；地中20cm深度處土壤溫度在1月15日達(dá)到最低－3.7℃。由圖3.4可見，不同深度地溫隨時(shí)間的變化趨勢具有一致性，但最低值出現(xiàn)的時(shí)間隨深度的增加而滯后；凍融期地表溫度變化幅度最大，隨著土壤深度的增加，外界環(huán)境對地溫的影響減弱，土壤能量損失減少，地溫的變化幅度逐漸減小。3月16日，0cm處的土壤溫度和凍融期最低溫度較差為16.6℃，5cm處的較差為12.7℃，10cm處的較差為9.3℃，20cm處較差僅6.8℃。

2.地表覆蓋條件下

中國北方大部分地區(qū)屬于干旱半干旱氣候區(qū)，冬春季節(jié)風(fēng)大少雨，出于儲水保墑的目的，常在地表覆蓋秸稈、地膜等，這些覆蓋物減弱了土壤與外界環(huán)境的能量與質(zhì)量交換，從而影響土壤對熱量的自然吸收和釋放。玉米秸稈和地膜覆蓋下的地溫變化曲線見圖3.5。

地膜覆蓋條件下，地面反射率減小，土壤能有效地吸收太陽輻射熱；另一方面，地膜覆蓋隔絕了土壤的長波輻射，同時(shí)地膜減弱了土壤與外界的水汽交換，從而地面獲得的凈輻射較高，所以地溫總體上較裸地高，溫度變幅較裸地小。最低地溫出現(xiàn)在1月16日，5cm、10cm、15cm和20cm處溫度分別為－5.1℃、－3.8℃、－2.8℃和－1.9℃，較裸地高1.6～2.6℃。3月16日，5cm處的土壤溫度與凍融期最低溫度較差為7.2℃，10cm處的較差為5.9℃，20cm處較差僅4.5℃。

與裸地地塊相比，因玉米秸稈熱導(dǎo)率較小、孔隙率相對較高，秸稈覆蓋阻隔了土壤對太陽輻射熱量及氣溫升高后產(chǎn)生的大氣輻射的吸收，同時(shí)也減弱了地面的長波輻射，從而減小了土壤能量的損失。因此，凍融期地溫曲線變化平緩，變幅較裸地和覆膜地為小。5cm和10cm地溫約在1月16日達(dá)到最低，分別為－3.2℃、－2.3℃，較裸地高2.8℃、2.5℃；15cm和20cm處地溫約在1月21日分別達(dá)到最低，為－1.9℃、－1.5℃，較裸地高1.0℃、1.3℃。3月16日，5cm、10cm、15cm和20cm處溫度分別為－0.2℃、－0.4℃、－0.2℃和0.0℃。

可見，凍結(jié)期耕作層土壤不同深度最低地溫出現(xiàn)的時(shí)間隨深度的增加而滯后，地溫隨土壤深度的增加而升高，地膜或玉米秸稈覆蓋可平抑地溫的變化，保溫效果顯著。消融解凍期，覆膜地地溫提前回升，秸稈覆蓋地土壤溫度回升較遲緩，也表現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象。

3.氣溫與地溫的關(guān)系

太陽輻射是土壤熱量的主要來源，地溫的高低取決于地面獲得的凈輻射，與地面反射率和有效輻射有關(guān)。地面因吸收太陽輻射而獲得能量，同時(shí)通過有效輻射的方式損失能量。當(dāng)大氣吸收太陽輻射增溫后，產(chǎn)生大氣輻射，其中一部分能量又投向地面，減少了地面的有效輻射，從而使土壤能量增加，溫度升高。由圖可以看出，季節(jié)性凍融期太陽輻射、地溫與日平均氣溫均表現(xiàn)出較一致的變化趨勢。日平均氣溫與地溫具有較好的相關(guān)關(guān)系，回歸曲線見圖3.6。

馮學(xué)民等［2］選用30個(gè)省（市）、150個(gè)觀測點(diǎn)的資料，用回歸分析法研究了50cm深度處的年均土壤溫度和年均氣溫之間的關(guān)系，認(rèn)為其關(guān)系可用線性方程y＝2.9001＋0.9513x表示。季節(jié)性凍融期日平均氣溫與地溫之間的變化關(guān)系可較好地用如下二次多項(xiàng)式來表示：

入冬后，隨著氣溫的下降，地表溫度逐漸降低，并在溫度梯度的作用下逐漸向下傳導(dǎo)，引起土壤溫度逐漸降低。土壤溫度并不是隨著氣溫的降低呈線性降低，而是表現(xiàn)出一定的滯后降低，式中α2x2項(xiàng)即為地溫的滯后變化值。土壤穩(wěn)定凍結(jié)階段，外界氣溫較低，日平均氣溫與地溫之間的變化關(guān)系可用線性方程表示，α2x2項(xiàng)忽略不計(jì)。氣溫回升階段，土壤吸熱較多，地溫回升較快，在隨氣溫線性增加的基礎(chǔ)上高α2x2。

凍融期不同深度處土壤溫度與日平均氣溫的回歸系數(shù)和相關(guān)系數(shù)見表3.3。由表可知，地表5cm內(nèi)地溫與日平均氣溫的二次相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)均在0.93以上。隨著土壤深度的增加，二者相關(guān)程度減弱，20cm處土壤溫度與日平均氣溫的相關(guān)系數(shù)僅為0.784。

將二次多項(xiàng)式模型化為二元線性模型Y＝AX1＋BX2＋C進(jìn)行方程回歸檢驗(yàn)。在給定顯著水平α（取5%）下，F(xiàn)0.05（p，n－p－1）＝F0.05（2，57）＝3.16，由方差分析結(jié)果可知，F(xiàn)＞F0.05（2，57），所以方程回歸顯著，即土壤溫度與日平均氣溫之間的關(guān)系可用二次多項(xiàng)式來表示。