3.2.2 耕作层土壤温度
土壤耕作层是指利用犁、耙等农具能够改善土壤结构和土壤表面状态的土层，本书指土壤0～20cm深度。
1.裸地
2004—2005年冻融期，裸地20cm深度内土壤温度变化见图3.4。地表和地中5cm深度处土壤温度在12月31日均达到最低，分别为－10.4℃和－8.7℃；地中10cm和15cm深度处土壤温度在1月1日达到最低，分别为－5.7℃和－4.4℃；地中20cm深度处土壤温度在1月15日达到最低－3.7℃。由图3.4可见，不同深度地温随时间的变化趋势具有一致性，但最低值出现的时间随深度的增加而滞后；冻融期地表温度变化幅度最大，随着土壤深度的增加，外界环境对地温的影响减弱，土壤能量损失减少，地温的变化幅度逐渐减小。3月16日，0cm处的土壤温度和冻融期最低温度较差为16.6℃，5cm处的较差为12.7℃，10cm处的较差为9.3℃，20cm处较差仅6.8℃。
图3.4 2004—2005年冻融期裸地土壤温度变化曲线
2.地表覆盖条件下
中国北方大部分地区属于干旱半干旱气候区，冬春季节风大少雨，出于储水保墒的目的，常在地表覆盖秸秆、地膜等，这些覆盖物减弱了土壤与外界环境的能量与质量交换，从而影响土壤对热量的自然吸收和释放。玉米秸秆和地膜覆盖下的地温变化曲线见图3.5。
地膜覆盖条件下，地面反射率减小，土壤能有效地吸收太阳辐射热；另一方面，地膜覆盖隔绝了土壤的长波辐射，同时地膜减弱了土壤与外界的水汽交换，从而地面获得的净辐射较高，所以地温总体上较裸地高，温度变幅较裸地小。最低地温出现在1月16日，5cm、10cm、15cm和20cm处温度分别为－5.1℃、－3.8℃、－2.8℃和－1.9℃，较裸地高1.6～2.6℃。3月16日，5cm处的土壤温度与冻融期最低温度较差为7.2℃，10cm处的较差为5.9℃，20cm处较差仅4.5℃。
与裸地地块相比，因玉米秸秆热导率较小、孔隙率相对较高，秸秆覆盖阻隔了土壤对太阳辐射热量及气温升高后产生的大气辐射的吸收，同时也减弱了地面的长波辐射，从而减小了土壤能量的损失。因此，冻融期地温曲线变化平缓，变幅较裸地和覆膜地为小。5cm和10cm地温约在1月16日达到最低，分别为－3.2℃、－2.3℃，较裸地高2.8℃、2.5℃；15cm和20cm处地温约在1月21日分别达到最低，为－1.9℃、－1.5℃，较裸地高1.0℃、1.3℃。3月16日，5cm、10cm、15cm和20cm处温度分别为－0.2℃、－0.4℃、－0.2℃和0.0℃。
图3.5 地表覆盖条件下耕作层土壤温度变化特征
可见，冻结期耕作层土壤不同深度最低地温出现的时间随深度的增加而滞后，地温随土壤深度的增加而升高，地膜或玉米秸秆覆盖可平抑地温的变化，保温效果显著。消融解冻期，覆膜地地温提前回升，秸秆覆盖地土壤温度回升较迟缓，也表现出明显的滞后现象。
3.气温与地温的关系
太阳辐射是土壤热量的主要来源，地温的高低取决于地面获得的净辐射，与地面反射率和有效辐射有关。地面因吸收太阳辐射而获得能量，同时通过有效辐射的方式损失能量。当大气吸收太阳辐射增温后，产生大气辐射，其中一部分能量又投向地面，减少了地面的有效辐射，从而使土壤能量增加，温度升高。由图可以看出，季节性冻融期太阳辐射、地温与日平均气温均表现出较一致的变化趋势。日平均气温与地温具有较好的相关关系，回归曲线见图3.6。
图3.6 日平均气温与地温的回归曲线
冯学民等［2］选用30个省（市）、150个观测点的资料，用回归分析法研究了50cm深度处的年均土壤温度和年均气温之间的关系，认为其关系可用线性方程y＝2.9001＋0.9513x表示。季节性冻融期日平均气温与地温之间的变化关系可较好地用如下二次多项式来表示：
入冬后，随着气温的下降，地表温度逐渐降低，并在温度梯度的作用下逐渐向下传导，引起土壤温度逐渐降低。土壤温度并不是随着气温的降低呈线性降低，而是表现出一定的滞后降低，式中α2x2项即为地温的滞后变化值。土壤稳定冻结阶段，外界气温较低，日平均气温与地温之间的变化关系可用线性方程表示，α2x2项忽略不计。气温回升阶段，土壤吸热较多，地温回升较快，在随气温线性增加的基础上高α2x2。
冻融期不同深度处土壤温度与日平均气温的回归系数和相关系数见表3.3。由表可知，地表5cm内地温与日平均气温的二次相关性较强，相关系数均在0.93以上。随着土壤深度的增加，二者相关程度减弱，20cm处土壤温度与日平均气温的相关系数仅为0.784。
表3.3 二次多项式回归系数及回归显著性检验方差分析结果表
将二次多项式模型化为二元线性模型Y＝AX1＋BX2＋C进行方程回归检验。在给定显著水平α（取5%）下，F0.05（p，n－p－1）＝F0.05（2，57）＝3.16，由方差分析结果可知，F＞F0.05（2，57），所以方程回归显著，即土壤温度与日平均气温之间的关系可用二次多项式来表示。