西北地区是我国设施农业产业发展的优势地区，水资源缺乏已成为制约该地区农业可持续发展的关键问题^[1]。到2011年底，该地区设施农业总面积逾40万hm^2[2]，随着人民生活水平的提高，樱桃番茄越来越受到人们的喜爱，其栽培面积不断扩大^[3]。据统计，目前陕西省番茄(大果番茄和樱桃番茄)年种植面积约3.4万hm²(51万亩)。番茄在陕西省各地均有分布，其中以咸阳、渭南、西安和宝鸡为主的关中地区占总分布面积的70%，陕南占20%，陕北占10%^[4]。土壤水分是半干旱地区农业生态系统的主要限制因素^{[5, 6]}，是植被生长及分布的重要生态因子^[7]。它对土壤水-热-溶质耦合运移以及土壤-植被-大气传输体中的物质迁移过程具有重要影响^[8]。土壤水分管理是樱桃番茄高产栽培的关键技术，水分条件是影响其生理、产量与品质的主要因素。设施内传统的沟畦等地面灌水技术管理粗放，造成水资源和肥料的浪费，其有效水分利用率低^[9]，而滴灌方式可以明显的提高水分利用效率。现代节水农业的发展不仅要追求高产，而且要追求尽可能高的作物水分利用效率^{[10, 11]}。土壤温度随太阳辐射出现日内、月内和年内变化，虽然其变化受到土壤性质、土壤水分等多种因素影响，但表现出一定有规律的波动^[12]。林兴军^[13]等研究表明，土壤水分和肥料水平对土壤的日变化有重要影响。国内外专家对土壤中水分和温度的有关问题开展了大量研究，灌水后期上层土体水分含量的增加是下层土体水分在温度梯度驱动下向上层迁移造成的^[14]。土壤性质对土壤水分运移有很大的影响^[15]，了解不同土壤水分运移对于决定水文过程和农田水分管理有重要意义^[16]。在半干旱气候条件下的黄土高原，面临着水分缺乏和种植面积不断扩大的矛盾^[17]，黄绵土和塿土作为该地区主要分布的两种主要土壤，因此，研究作物生长条件下滴灌土壤水分运移和温度变化规律，对制定科学的灌溉制度和综合利用水、肥、气、热等资源具有重要的理论指导意义^[18]。本文通过研究黄绵土和塿土中水分运移和温度变化规律，为进一步提高农业干旱防御能力、有效制定节水灌溉计划、提高水分利用效率提供理论依据。

试验于2012年4月28日—9月19日，在陕西杨凌西北农林科技大学水土保持研究所有遮雨塑料薄膜的试验场的土柱(高100cm,内径32cm)中进行，土柱置于地下室水泥平台上。共4排土柱，每排12个，两排装黄绵土，两排装塿土，均按原状土容重分层装入。黄绵土质地轻，颜色浅，比热小，土温变幅大，属温性-中温性土壤；塿土主要分布于关中平原，母质为次生黄土，灰黄棕色，壤质粘土，粒状结构，疏松。部分理化性质如表 1所示。试验设土壤2类：塿土(C)和黄绵土(L)；土壤相对含水量设3个水平：90%—100%(Wh)、70%—80%(Wm)、50%—60%(Wl)，共6个处理(CWh、CWm、CWl、LWh、LWm、LWl)，每处理重复8次。

试验品种为千禧樱桃番茄。每个土柱施尿素(含N 46.4%)、磷酸二铵(含P₂O₅ 42%，N15%)、硫酸钾(K₂O有效含量为45%)各2g作为底肥，合75kg/hm²。结果期每月每土柱追施尿素、磷肥、钾肥各2g。2012年4月28日定植，每土柱移栽1株6叶期樱桃番茄。定植后10d开始进行水分处理，之前各处理灌水量保持一致。

土壤含水量的测定：定植后10d用滴灌开始控水。用时域反射仪TDR(Time Domain Reflectormeter)测定10、20、30、40cm土壤含水量，重复3次，取平均值。用各处理土壤含水量上限减去实测含水量得出需灌水量。土柱及测量水分图如图 1所示。

图 1 土壤水分测定图 Fig.1 Schematic view of soil moisture measurement

图选项

试验在整个生长周期共测定3次水分运移动态，滴灌开始时间分别为2012年7月5日8:00、7月26日8:00、8月25日8:00，灌水量以该时缺水量为准，测定时间分别为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，测定土壤水分垂直运移时，控制滴灌流速平均1.16L/h，各处理播种前和收获时土壤储水量及生长期内灌水量如表 2所示。

采用日产小型气象自动记录仪HOBO (HOBO Pro v2 Temperature/RH Data Logger，温度精度：±0.2℃; 相对湿度精度：±2.5%)对1.5m高度处大气温度和大气相对湿度进行动态监测。

用土壤温度测定仪(Thermo Recorder TR-52,accuracy ±0.1℃)测定10、20、30、40cm土层温度，每小时记录1次，从定植开始一直记录到植株生长期结束。

动态采摘生理成熟果实，记录每1株的产量及果实数。实验结束后，烘干法测量植株的生物量。水分利用效率=产量/灌水量。

选用土壤中水分垂直分布的动力学模型^[19]：

式中，y表示土壤含水量(cm³/cm³)，x表示时间(d)，a、b、c、d、f为待估参数。假设x=0时，y=0,则f=b-a，即模型变为：

模型显然具有以下性质：

(1) 具有水平渐近线 y_h= f

(2) 极大值处时间 x_m= (1/c)×ln[b(c+d)/ad]

(3) 极大值处土壤含水量 y_m= y(x_m)

(4) 拐点处时间 x^*= (1/c)×ln[b(c+d)²/ad²]

对于同一植株而言，极大值处时间x_m之前水分含量的增加主要是受重力作用的影响，在x_m之后，水分含量主要是由于光照强度、大气温度、大气湿度、土壤温度、地表处CO₂浓度等的影响。x_m的大小主要受降雨的强弱或灌溉方式的影响，如果降雨很强，类似大暴雨或者大水漫灌，x_m相对就小；如果降雨很弱，如绵绵细雨，或采用滴灌的方式，x_m相对就比较大。水平渐近线y_h的大小主要受土壤类型和土壤深度等决定，土壤含水量一直减少，水平渐近线接近萎蔫系数，直到有降雨或者灌溉使上述过程再次开始循环。拐点处时间x^*表示土壤含水量经过极大值后由迅速下降转为逐渐稳定的时间点。此模型可以适用于农田、森林、草地等生态系统中表层土壤水分的运移研究。

式中,T_A(z)为日或年平均温度，A(z)为温度变幅，Φ(z)为相位，ω为角频率，z为深度。

所测结果运用数学软件Mathematica和SPSS进行分析处理。

将7月26日—8月3日所测的土壤含水量观测值和拟合方程曲线显示在图 2中，可直观的看出土壤含水量观测值与拟合出的回归方程较一致，分别表示高水、中水和低水处理浅层各深度的土壤含水量观测值及观测值拟合出的回归方程曲线。

图 2 7月26日—8月3日塿土、黄绵土土壤水分运移规律 Fig.2 The regularity of water movement in the cumulic cinnamon soils and the loessial soils from July 26 to August 3 土壤相对含水量: Wh:高水90%—100%; Wm:高水70%—80%; Wl:高水50%—60%

图选项

将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次水分运移观测数据拟 合的回归方程及参数进行分析整理，如表 3所示。y_h表示方程的水平渐进线，也即对应土层的含水量随时间的稳定值；x_m表示对应的土壤深度当含水量达到最大值时所用的时间；y_m表示对应的深度所达到的土壤含水量最大值；x^*表示土壤含水量经过极大值后由迅速下降转为逐渐稳定的时间点。

在每个处理中，随着土壤深度的增加，各深度回归方程的拟合优度逐渐降低，说明此模型主要可以应用于浅层土壤含水量预测。各处理回归方程的水平渐近线y_h随着深度的增加而增加，说明浅层土壤中的含水量消耗较快，一方面是由于地表的蒸发，另一方面由于樱桃番茄的根系主要分布在浅层，根系吸水较多。各处理极大值处时间x_m随着深度的增加逐渐增加说明浅层土壤含水量首先达到饱和,往下依次达到饱和与近饱和。极大值处土壤含水量y_m随着土壤深度的增加逐渐减小，说明深层的土壤由于上层植物根系截流吸水等原因不能达到最大值含水量(饱和含水量)，只能达到极大值含水量。

CWh与LWh10cm、20cm，CWm与LWm10cm，CWl与LWl10cm的y_h、y_m、x_m和x^*可以得出，塿土比黄绵土更加保水；塿土比黄绵土的水分入渗率大，即入渗更快；塿土比黄绵土更早的进入稳定保水阶段。

每个处理的30、40cm土壤深度由于土壤中水分变化不明显，水分不能充分的到达该深度，因此在此深度不能得到合适的回归方程。

随机选取2012年7月29日0:00—7月29日23:00的空气温度、相对湿度和土壤温度进行研究，其日变化均呈现出类似正弦曲线波动。对原始数据进行回归方程拟合，将原始数据和拟合方程共同显示在图 3中。其中，分别表示塿土高水、中水和低水处理中土壤温度的变化规律及黄绵土高水、中水和低水处理中土壤温度的变化规律，空气温度和相对湿度的变化规律。空气温度在16:00左右达到最大值，在7:00达到最小值，相对湿度在16:00达到最小值，在7:00达到最大值，可见空气温度和相对湿度成反相关关系。10cm的土壤温度均在16:00左右达到最大值，20cm在18:00左右达到最大值，30cm在22:00左右达到最大值，40cm在2:00左右达到最大值。同一深度，塿土的温度除了在高水和中水10cm处小于黄绵土外，其余均高于黄绵土的温度。随着土壤深度的增加，土壤到达最大温度具有明显的滞后性，从拟合方程参数Φ(z)也可以看出，随着深度的增加，Φ(z)逐渐减小。

图 3 2012年7月29日0:00—23:00的空气温度、相对湿度和土壤温度日变化规律 Fig.3 BThe daily variation of air temperature,relative humidity and soil temperature within 24 hour on July 29,2012

图选项

空气温度和相对湿度的相关性为-0.908^{* *}，负相关且达到了极显著水平。

原始数据拟合的回归方程参数如表 4所示，TA(z)为日平均温度；A(z)为温度变幅；Φ(z)为相位；ω为角频率，ω=2π/T,这里T=24 h；z为土壤深度。

从表 5可以看出，单株总产量高水处理显著高于中水处理和低水处理，高水处理产量最多，中水处理次之，低水处理最少；单果均重高水和中水处理显著高于低水处理。黄绵土低水处理水分利用效率显著高于其他处理，黄绵土的水分利用效率均高于塿土，且越缺水的条件下，樱桃番茄的水分利用效用越高。

在土壤水分运移距离随时间变化规律的研究中，经典的方法是通过Richard方程建立滴灌条件下土壤水分运动模型^[12]。目前研究水温变化较多的是使用Hydrus-1D或Hydrus-2D，一个可用来模拟地下滴灌土壤水流及溶质二维运动的有限元计算机模型。S. Kanzari 等^[20]用Hydrus-1d模型来研究水份运移和溶质迁移，指出其对灌溉、土壤及植物有很大的影响，并且反过来可以控制灌溉和施肥。白艳梅等^[21]通过实验室测定和田间实际测定，用Richard进行拟合，得到了比较好的拟合效果。 本文中的水分运移模型在土壤浅层除了最大值点附近，其余观测值点均可以得到很好的拟合效果，随着深度的增加，回归方程的拟合优度逐渐降低，水分运移规律不明显，原因可能是深层的土壤水分活跃性差，或者受灌溉量的限制。由于土壤含水量受太阳辐射、大气温度、相对湿度、风速、植株生长大小、光合作用等的影响，此种方法虽不能彻底消除参数的不唯一性，但是它很自然的提供了一种方法，去接近真实的水分运移规律，可以相对容易的去估计土壤浅层的水分运移规律^[21]。

土壤温度随着深度的增加具有滞后性，这是由土壤本身的物理性质决定的，高中低3个处理中土壤温度的滞后性表现为高水最为明显，中水次之，低水最弱，这是因为水的比热比较大，会大量吸收向土壤下层传递的热量，说明水分对于不同深度土壤温度的滞后性有重要影响。林兴军^[13]等研究表明，土壤温度和土壤水分作为两个相互作用的物理量，对作物的生长有强烈的影响。本文中低水处理同一深度土壤温度波动幅度较高水处理大，低水处理土壤含水量随着时间减小的同时，也出现了在纵坐标方向上的小幅上下波动，说明土壤温度对土壤含水量的变化有一定影响，如果土壤含水量和温度同步每小时测定一次，这个规律会更加明显。温度的日变化图形在空气和土壤10cm处有一定的偏度，这是由于空气和土壤浅层的温度升温较快，而降温较慢，7：00到16：00升温，而后直至第2天7:00左右一直降温，升温的时间小于降温的时间。

黄绵土中樱桃番茄的水分利用效率大于塿土。黄绵土中的樱桃番茄生物量和果实产量均高于对应处理的塿土，说明黄绵土中的樱桃番茄将更多的水分用在了生物量和果实的产出上，地上部分耗水多于塿土，因此地下部分相对水分损耗较多，土壤剩余含水量较少，土壤中黄绵土的含水量低于塿土。

(1)塿土在不同深度的平均容积含水量均高于黄绵土，说明塿土更保水；塿土比黄绵土先达到极大值容积含水量，其入渗速率高于黄绵土。黄绵土种樱桃番茄水分利用效率更高。

(2)本文所得不同深度的水分运移方程对于春夏季黄土高原地区樱桃番茄灌水有一定的指导意义。在拟合方程的变量范围内，根据时间可以较准确的确定樱桃番茄盛果期土壤表层含水量。土壤水分对不同深度土壤温度的效应有显著滞后性。