试验选取石河子垦区121团对常年膜下滴灌种植年限较长的棉田（11年）作为典型地块，从2011年11月至2012年3月进行土壤温度监测试验。垂直方向将地温计布置在0cm、10cm、30cm、70cm、90cm、120cm、150cm 7个土层（图7-1），从2011年11月21日开始监测，2012年3月25日监测完毕（每2h记录一次数据）。期间每个地温计收集数据2490个，共收集数据17430个。土壤温度采用Microlite U盘温度计（图7-2）自动收集，温度量程为-40～80℃，精度为0.3℃，每2h自动监测记录1次数据。

由温度监测数据可知，当年12月上旬至翌年3月下旬为土壤的整个冻融期，其中12月8—19日为初冻期，12月20日至3月14日为冻结期，3月15—25日为消融期，冻融期长达146天，冻融期间最大冻土深度在80cm，80cm以下处于非冻结区。

图7-1　温度计布置位置（单位：mm）

图7-2　Microlite U盘温度计

图7-3　冻融期气温与土壤温度变化关系曲线

通过气温与土层温度变化关系曲线（图7-3）可知，在整个冻融过程中，浅层土壤温度（30cm以上）受气温的影响变化剧烈，而深层土壤（30cm以下）受气温的影响变化平缓。10cm处的最低温度与最低气温相差20.05℃，时间滞后9天，随着土壤深度的增加，温差不断增大，滞后时间不断延长。通过分析可知，土壤10cm处冻结用时5天，而消融只用了2天，随着深度的增加，冻结和消融用时不断增加，用时之差不断扩大。这是由于消融期气温上升速率大于冻结期下降速率，表层土壤温度上升速率大于非冻结层上升速率。在冻结时，土壤水分放热，放出热量由表层的负温消耗，随着深度增加，负温消耗增加，冻结时间延长，而在消融时，土壤水分吸热，受表层土壤和非冻结层土壤温度上升的影响下，处于中间的冻结部分不断吸热融化，造成土壤的消融速度远远快于冻结速度，上层土壤消融速度快于下层，土壤的快速消融造成土壤水分快速上升，极易引起土壤返盐。

图7-4　土体剖面冻融特征(www.daowen.com)

（a）冻结初期（12月7日）；（b）冻结期（1月22日）；（c）融化期（4月1日）

从11月中下旬至来年3月上旬，土壤温度随土层的加深呈递增的趋势，土壤表层至下层出现了较大的温度梯度，且随时间的推移而缓慢下降。从图7-4中可以看出，冻结初期白天为0℃，夜间温度下降0℃以下导致土壤表层冻结，形成一个非稳定冻结阶段，如图7-4（a）所示。在冻结期间，大气温度较低，土壤温度也随土层深度缓慢降低，故该时期的内部结构如图7-4（b）所示。在消融期，大气温度回升较快，使得土壤从表层向下温度依次降低，而土壤的深层从底部向上土壤温度开始降低，并且土壤剖面形成2个似冻层，如图7-4（c）所示。

为进一步分析气温、地温间的相关关系，第二次试验所用温度数据来自于当地国家级气象站，此站与试验区相隔200m左右，所测温度为0.5cm、10cm、15cm、20cm、40cm、80cm、160cm、320cm，共计9个土层。温度计量间隔时间为1h，每天24h连续监测，最后取平均值作为当日平均温度。

图7-5为2012年11月1日至2013年3月31日试验区气温及地温随时间变化曲线图，由图7-5可知，当地气温随时间呈现先减小后增大的波动变化趋势，最低温度为-30℃，出现在当年12月下旬，其中1月上旬—2月中下旬，气温波动幅度较大。图中各土层地温整体变化幅度小于外界气温，同一时期各土层土壤温度呈现随深度的增加而增大趋势，这一规律在当年11月至翌年3月中旬间表现尤为明显；而在3月中旬以后，土壤温度呈现出上大下小的趋势，表层0～40cm土层温度升高较快，至3月末4月初，表层0～40cm土壤温度上升至20℃左右的较高温度，这一温度可为种子萌发提供可靠保障；相比之下，离地表越近的土层，其温度随时间变化越剧烈。图中0～40cm土体范围内，各土层温度表现出较高的同步性，由此可以初步推断这一土体范围内各层土壤温度间具有较高的相关性。

图7-5　气温与土壤温度随时间变化曲线

采用经典统计学中的Pearson相关系数法对其进行了统计分析，具体分析结果见表7-1。

由表7-1可知，日均气温与各土层地温间的相关关系呈现出随深度增加而减小的趋势，即气温对土壤温度的影响随土层深度的增大而减弱。在0.01的置信水平下，各土层（除160cm外）双尾检验结果表现出极显著水平，其中0～40cm土层的决定系数都保持在0.8以上。对比相邻两土层间的决定系数可以发现，冻融期相邻土层间土壤温度保持高度的相关性，其决定系数（表中与主对角线相邻的对角线的值）保持0.8以上较高水平，且随着深度增加，各土层间的决定系数值逐渐减小，即其相关性逐渐减弱，这一特征也可从图7-5中看出。

表7-1　日平均气温与土壤温度Pearson相关系数分析表

** 表示在0.01的置信度下，双尾检验结果达到极显著水平；* 表示在0.05的置信度下，双尾检验结果达到极显著水平；土层深度单位为cm。