套种不仅能提高单位面积的产量，而且能极大提高光、水、热等资源的利用效率^{[1, 2]}，据报道，在内蒙古河套灌区套种已超过总种植面积的70%，然而由于套种农田对太阳辐射的有效拦截和利用不同^[3]，导致套种农田不同行间位置的地温分布特征不同，而且覆膜后，塑料薄膜能够有效将太阳能转化为热能，有效调节作物根区环境^{[4, 5, 6]}。因此将膜下滴灌技术与套种农田结合起来探讨作物耕层温度变化规律，对提高套种农田水热利用效率具有重要的现实意义。近些年针对套种农田采用膜下滴灌技术的研究主要集中在作物系数、水分利用效率、水分迁移过程以及产量品质的影响^{[7, 8, 9, 10]}等方面，而针对水、热特性的研究主要以套种效应、覆膜效应、覆盖效应、土壤水分效应等单项研究为主，如套种可有效利用太阳辐射提高产量^[3]；覆膜可有效提高土壤耕层温度，促进作物生长^[11]；覆盖可抑制地温的大幅度波动^[12]；土壤含水量与土壤温度呈显著负相关^[13]。另外，国内外学者还对覆膜条件或套种条件下的土壤热效应及地温的极值变化理论和模拟等方面做了研究^{[14, 15, 16, 17, 18, 19]}。显然，这些研究主要是针对或覆膜或套种或滴灌等单项技术开展的，而对套种农田的不同行间位置地温分布特征尚未做深入研究。故本文主要针对套种及膜下滴灌耦合条件下多作物农田不同行间位置的地温变化规律展开研究，并分析了套种模式下覆膜效应及土壤水分效应对地温影响的综合效应，本研究对于套种农田和膜下滴灌耦合作用下水热理论发展具有一定的意义，并为该技术的进一步推广奠定了基础。

2012年在内蒙古河套灌区磴口试验站(40.20 E，107.1 N)开展了番茄套种玉米的试验，该试验田地处干旱半荒漠草原地带，夏季多风干旱，冬季少雨寒冷，属中温带大陆性季风气候，海拔2004 m，年均气温7.2 ℃，年均日照时数2190 h，年均降水量198.3 mm，年均蒸发量2460.3 mm，年均风速2.74 m/s，多年平均无霜132 d。试验田土壤质地为夹砂粘土，1 m内土壤平均容重为1.50 g/cm³，凋萎系数为8%，田持为24.1%。

供试作物为玉米(品种为中地77)和番茄(品种为屯河48)，采用“一膜一管两行”的滴灌布设方式，采用4行番茄套2行玉米的种植模式。在当地灌水经验的基础上，试验设置了高、中、低3种不同的灌水处理，本试验考虑了番茄与玉米需水量不同的特点，在每个小区中分别对番茄和玉米设定了不同的灌水定额(表 1)，采用精度为0.001 m³的水表(NSD6)控制灌水量，每个处理均设置了3个重复。

每个处理均布设了4组精度为0.1 ℃的水银直角地温计(RM-004)，作物种植方式及地温计的布设方式如图 1所示。

图 1 番茄、玉米套种方式及地温计与滴灌带布置图 Fig. 1 Latout of intercropping between tomato and maize and geothermometer and drip irrigation system

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离试验区300 m的空旷地中设有自动气象站(HOBO)，用于观测降水、气温、湿度、太阳辐射、大气压等。

采用TRIME-PICO TDR和土钻相结合的方法，以TRIME为主，每隔3 d测量1次，定期用土钻取土烘干的方法加以校正，TDR与地温计位置相同(见图 1)，采用定位监测法测量含水率，测量深度为0—100 cm。

在6—9月，利用直角地温计(RM-004)对5、10、15、20、25 cm处的土壤温度进行定点观测，测量时间与土壤含水率一致，每隔3 d测量1次，每天的观测时间为8:00—20:00，2 h测1次。

用直尺测量玉米和番茄的株高；叶面积的测量：玉米叶面积=叶长×叶宽×0.75，番茄采用折算系数法计算^[20]，以上指标均在每个生育期内测3次，取平均值。

玉米4月20日播种，9月10日收获，番茄5月5日移苗，8月10日采摘第1茬，8月25日采摘结束。试验观测时间从6月开始到9月结束，试验观测期内气温变化见图 2。

图 2 试验观测期内的气温变化 Fig. 2 The temperature change during the experimental period

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本试验数据采用Spss 18.0和Excel 2003进行统计分析，采用Excel 2003和Surfer 8.0 软件绘制图形。

在套种农田不同行间的不同位置土壤温度日变化亦有所不同。通过对比分析6—9月份地温数据可以看出，高水分处理T1各行间位置的地温变化过程(图 3)均是随着土层深度的增加地温日波动呈减小趋势，其中距地表5 cm处地温日波动最剧烈，距地表25 cm处地温日波动最平缓，距地表5、10、15、20、25 cm的日最高与最低地温差值分别为：12.72、8.78、6.09、4.44、2.96 ℃，存在极显著性差异(F=12.74005，P=0.007301)。

图 3 整个观测期内T1的日平均地温变化图 Fig. 3 The daily variation law of soil temperature during the whole observation period of T1

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套种农田不同行间位置的地温受地膜覆盖和作物遮阴的影响较大。透明塑料薄膜对土壤的保温效应主要体现在土层15 cm以下，从表 2中可以看出，B、D位置的地温明显高于A、C位置，随着土层的加深，膜内与膜外平均地温的差值变化呈抛物线形，且均差在20 cm处达到最大值，可见在套种农田中，地膜可隔绝土壤与外界的水分交换和显热交换，使土壤的热通量在20 cm处达到最大。地面增温的唯一来源是太阳辐射，套种农田不同行间位置地温受作物遮阴的影响程度也不相同，这在5 cm以上土层表现的较为明显，从图 3中可以看出，距地表5 cm处的地温大小关系表现为C>D>A>B。这是由于C处位于高矮作物的行间，遮阴面积最小，日照时间最长，因此表层(5 cm处)的地温也最高；而B位于低矮作物行间，遮阴面积较大，地表所受太阳直射时间最短，因而地温也最低。可见，在立体种植农田中，高杆作物遮阴区的地温要远远高于矮杆作物遮阴区的地温；在15 cm以下，膜内的日平均地温要高于膜外。

6—9月份是番茄、玉米进行营养生长的重要阶段，地温的变化直接影响其根系竞争水分和养分的能力。本文通过该时期地温数据进行平均，分析不同位置、不同深度的地温变化规律。结果显示：套种农田不同位置地温的差异性受到地膜覆盖、作物遮阴及土壤水分的综合影响，从不同位置地温平均值变化来看，T1、T2的番茄一侧(A、B)平均地温无差异，而玉米一侧(C、D)的平均地温存在极显著差异(表 3)，T3的4个位置平均地温均在0.05水平上显著。说明作物遮阴和土壤水分是导致套种农田不同位置地温出现差异的主要原因。从番茄一侧的不同深度地温变化来看，T1在25 cm范围内均无差异，而T2和T3分别在15 cm处和15 cm以下出现了显著差异性；从玉米一侧的不同深度地温变化来看，T1、T2、T3的地温均在15 cm处出现了差异性。这是因为在覆膜滴灌条件下，不同土壤水分所形成的独特湿润体不同，导致土壤水分在10—15 cm之间出现了差异性，从而改变了土壤的热容量，加之套种农田不同行间位置的遮阴率不同，热量在土层中分配时，其量值有所改变，因而出现了以上差异^[21]。综上可知，套种农田在营养生长的共生期，作物遮阴和水分差异是影响地温的主要因素，而地膜覆盖的影响变小。

由于7月份套种农田两种作物生长发育趋于稳定，本文为了分析不同高低作物套种不同位置地温的差异，以及不同土壤水分对地温的影响，在7月份对土壤水分、不同位置地温进行了连续监测。结果显示：

距地表5 cm处，土壤受外界环境的影响较大，高水分T1的平均体积含水率明显高于T2和T3，其中T1、T2相差3.8%，T1、T3相差7.2%(图 4)，T1、T2、T3之间的体积含水率呈显著性差异(F=6.223587，P=0.020088)。而地温则相反，高水分T1各位置的平均地温明显低于T2和T3，其中T1、T2的平均地温相差0.81 ℃，T1、T3相差1.65 ℃(图 5)，T1、T2、T3之间的地温无显著性差异(F=1.44877，P=0.282652)。3个处理的不同位置含水率均表现为B>A>D>C，地温则为D>C>B>A的规律。不同处理的膜内位置B(或D)，含水率从T1减小到T2和T3依次降低2.73%、6.04%(或2.71%、6.63%)，地温则依次上升0.95 ℃、2.02 ℃(或0.47 ℃、0.97 ℃)；不同处理的膜外位置A(或C)，含水率从T1减小到T2和T3依次降低3.16%、6.44%(或6.59%、9.71%)，地温则依次上升1.16 ℃、1.97 ℃(或0.64 ℃、1.65 ℃)。说明在距地表5 cm处，地温随含水率的降低而上升，其中膜外的上升比率是膜内的1.2倍，表明在土壤表层膜内与膜外的温度差较小。

图 4 不同灌溉定额水平下土壤的平均含水率 Fig. 4 Comparison of average soil moisture content for different irrigation quota

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图 5 不同处理在5cm和20cm处的平均温度日变化 Fig. 5 The average temperature of the diurnal variation (soil depth 5cm and 20cm)

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2 0 cm处，土壤受外界环境的影响变小，而受水分的影响变大，高水分T1的平均含水率仍高于T2和T3，其中T1、T2相差3.61%，T1、T3相差6.9%(图 4)，无显著性差异(F=3.338497，P=0.082302)。地温亦为T1高于T2和T3，其中T1、T2的平均地温相差0.87 ℃，T1、T3相差1.48 ℃(图 5)，T1、T2、T3之间的地温无显著性差异(F=1.981115，P=0.193657)。3个处理的不同位置体积含水率均表现为B>A>D>C，地温则为D>B>C>A的规律。不同处理的膜内位置B(或D)，含水率从T1减小到T2和T3依次降低2.91%、6.58%(或2.47%、5.77%)，地温则依次降低1.04 ℃、1.63 ℃(或1.03 ℃、1.52 ℃)；不同处理的膜外位置A(或C)，含水率从T1减小到T2和T3依次降低3.6%、6.82%(或5.47%、8.4%)，地温则依次降低1 ℃、0.9 ℃(或0.43 ℃、1.52 ℃)。说明在20 cm处，地温随含水率的降低而降低，其中膜外的降低比率是膜内的2.1倍，表明较深层(20 cm以下)膜内地膜波动幅度小于膜外地温波动幅度。

为进一步研究套种农田不同行间位置之间地温的传递效应，本文对作物生长旺期，两种作物都发育充分条件下选择7、8月份观测数据进行平均后绘成套种农田地温二维分布图(图 6)。由于监测的是农田日地温的平均值，从图中可以看出，A、C膜外位置在土体内温度变化幅度大，B、D膜内位置在土体内温度变化幅度小，3个处理在C位置处在土壤上层地温明显高于其它位置，这主要是C位置两侧遮阴小，吸热多的原故，而B、D位置尽管覆膜，但白天这两个位置受两侧作物的遮阴影响，地温反而没有C位置大。在土壤下层，C位置的地温明显低于其他位置地温，这是由于C位置无覆膜，保温效果差，到了夜间，上层热量难以向下传递。可见，在15 cm处C位置地温低于B、D位置地温，无覆膜情况下白天太阳辐射增温效应仅对土壤上层有效，而覆膜情况下则0—25 cm都能升温。另外对于不同水分处理温度场的分布主要是土体内含水量不同，对于高水分处理的T1土体内平均含水量较大，因而比热大，所以最高地温与最低地温的差值变小，3个处理的最高地温与最低地温的差值分别为6.02、7.26、8.04 ℃。

图 6 不同处理土壤剖面的温度分布特征 Fig. 6 Comparison of soil profile characteristics of temperature distribution

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3.1     番茄套种玉米能有效利用太阳辐射提高作物根区温度，其不同行间位置的地温变化主要受地膜覆盖、作物遮阴和土壤水分含量的影响。在套种农田中，地膜的保温作用主要体现在15 cm以下，而作物遮阴和土壤水分含量则对整个耕层都有影响。可见，合理的套种模式和适宜的土壤水分含量有利于作物根区形成良好的生长环境，从而促进作物的生长。

3.2      套种农田不同深度土层土壤含水率与地温的关系不同。本试验通过分析番茄套种玉米表层(5 cm)及深层(20 cm)的地温与含水率的关系得出：5 cm以上的地温与含水率呈反比关系，20 cm以下地温与含水率呈正比关系，可见，在套种农田中，地温与含水率在不同土层呈现的关系也不相同，而并不像単种农田一样，两者呈负相关关系。

3.3      从套种农田不同行间位置地温的传递规律可以看出，高矮作物行间位置(C处)在白天有明显的增温效应，且温度可有效传递到作物两侧，而覆膜可有效防止土壤温度的散失，因此高矮作物套种应选择恰当的行距，从而有效提高作物根区的温度。