井 大 煒

（1.德州學院，山東 德州253023；2.山東省林業(yè)科學研究院，山東 濟南250014）

地膜覆蓋是農業(yè)生產中的一項有效增產措施，近些年來在我國北方旱區(qū)農業(yè)生產中被廣泛推廣和應用［1］。覆膜提供了特殊的土壤生態(tài)環(huán)境，使土壤物理、化學性質和生物學性狀發(fā)生了一定的變化，如土壤結構和空氣狀況［2］，土壤的水、熱狀況［3］，土壤的pH值以及有機質［4］等。許多學者關于地膜覆蓋對小麥［5］、玉米［6］等農作物的影響做了大量的研究，然而對林木覆膜方面的研究相對較少。楊樹是我國速生產林主栽樹種，具有生長快，成林早，產量高和易于更新的特點。我國楊樹人工林面積約6.67×106hm2，占全國人工林面積的20%［7］。但目前楊樹營造和經(jīng)營中由于管理措施不當，一定程度上造成了林地土壤生態(tài)環(huán)境退化，林地生產力下降的現(xiàn)象，所以急需科學有效的管理措施來改善林地生產力。關于楊樹林下覆膜下土壤物理性狀及呼吸特性方面的研究鮮有報道，尤其關于不同覆膜方式對楊樹林下土壤的影響研究還未見報道。為此，本試驗以歐美I-107楊為試驗材料，采用白膜覆蓋和黑膜覆蓋兩種方式，研究覆膜對楊樹林下土壤溫度、含水量、容重、孔隙度及呼吸速率的影響，探討不同覆膜方式對土壤微生態(tài)環(huán)境的作用效果，以期為楊樹高產、高效栽培提高理論依據(jù)和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

試驗地點設在山東省濟南市國有北郊林場，位于黃河公路大橋以西14km 處（北緯36°40′，東經(jīng)117°00′），屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，日照充分，年平均氣溫14℃，年平均降雨量650～700mm。供試土壤為潮土，土壤速效N 19.65mg／kg，速效P 14.32mg／kg，速效 K 45.79mg／kg，有機質含量為7.83g／kg。所用化肥為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀。地膜系聚乙烯薄膜，厚度0.014mm，寬度1.2 m，覆蓋面積達100m2／kg。楊樹為4年生I-107歐美楊人工林，株行距2.5m×5m，南北行向，林木生長均勻，平均樹高10.58m，平均胸徑9.26cm。

1.2 試驗設計

試驗共設3個處理：CK（對照，不覆膜），白膜覆蓋（WM）和黑膜覆蓋（BM）。采用隨機區(qū)組設計，重復3次，每個小區(qū)30株樹。化肥施用量相等，均為常規(guī)用 量，相 當于 N 205.28kg／hm2，P2O570.38 kg／hm2和 K2O 58.65kg／hm2的施肥水平。施肥后對每個小區(qū)進行充分灌溉，然后覆膜。覆膜的時間共分為4次，均在同一小區(qū)進行，第1次覆蓋在2011年3月20日，第2次覆蓋在2011年9月8日，第3次覆蓋在2012年3月12日，第4次覆蓋在2012年9月5日。覆膜期間的降雨量通過MM-950自動氣象站獲得，2011年3—11月的降雨量為619.4mm，2012年3—11月的降雨量為642.5mm，其中4月份的降水量為21.7mm。

1.3 測定項目與方法

為了解土壤溫度和含水量在不同覆膜方式下的變化規(guī)律，在2012年4月選擇了3個有代表性的日期（4月2日、4月16日和4月30日），將曲管溫度計埋入不同層次的土壤，測定不同覆膜處理在0—5 cm，5—10cm，10—15cm，15—20cm 和20—40cm土層的溫度變化，每個處理3次重復，分別取8：00，12：00和18：00的3次平均值［8］。同時，每個處理按S形布設5個采樣點，每個樣點分別用土鉆采取0—20cm和20—40cm兩個深度層次的樣品，然后將5個采樣點的同一層次土樣混合，得到不同土層混合土樣樣品；土樣除去動植物殘體和石礫等，將新鮮土樣研磨過1mm篩，混勻后迅速裝入無菌塑料袋中帶回實驗室，立即采用烘干法測定土壤含水量。于2012年11月8日，采用環(huán)刀法測定土壤容重和孔隙度［9］；采用CO2釋放量法測定土壤呼吸速率［10］，每處理3次重復。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同處理組數(shù)據(jù)的差異，顯著性水平設定為α＝0.05。

2 結果與分析

2.1 不同覆膜方式對土壤溫度的影響

地膜覆蓋對土壤溫度具有明顯的影響。由表1可見，在4月2日，0—5cm土層的地溫在不同覆膜方式下的大小次序為：白膜覆蓋＞黑膜覆蓋＞對照，其中白膜覆蓋的地溫比對照提高了4.3℃，黑膜覆蓋比對照提高了2.6℃，差異均達到顯著水平；隨著土層的加深，在5—10cm土層的地溫相比0—5cm土層均有下降的趨勢，各覆膜方式之間的變化規(guī)律也是白膜覆蓋最高，其次是黑膜覆蓋，均顯著高于對照。隨著土層的進一步加深，10—15cm和15—20cm土層的地溫變化很小，但處理之間的變化趨勢仍呈：白膜覆蓋＞黑膜覆蓋＞對照，處理間差異亦達到顯著水平；而在20—40cm土層時，地溫基本保持不變，并且各處理之間均無顯著性差異。同0—5cm土層相比，隨著土層的逐漸加深，不同覆膜方式之間的差異呈逐漸降低的趨勢，這說明地膜覆蓋對地溫的影響具有明顯的區(qū)域性。隨著時間的推移，在4月16日和4月30日，外界氣溫逐漸增大，各覆膜方式下的地溫也呈遞增的趨勢。不同覆膜方式之間的變化規(guī)律與4月2日的規(guī)律基本一致，但兩種覆膜方式與對照之間的差異在逐漸變小，這表明隨著外界氣溫的逐漸回升，覆膜的增溫效應在減弱；同時隨著土層的加深，覆膜與對照之間的差異亦呈遞減的趨勢。由此可見，不同覆膜方式在3個不同的測定時間均對地溫有明顯的提高作用，但隨著氣溫的回升和土層的加深，增溫效應逐漸降低。在兩種覆膜方式中，白膜覆蓋的增溫效果明顯優(yōu)于黑膜覆蓋。

表1 不同覆膜方式對楊樹林下地溫的影響 ℃

2.2 不同覆膜方式對土壤含水量的影響

不同覆膜方式對土壤含水量的影響如表2所示。由表2可以看出，在4月2日時，0—20cm土層的含水量變化規(guī)律為：白膜覆蓋和黑膜覆蓋差異不顯著，但均顯著高于對照；在20—40cm土層時，兩種覆膜方式下的含水量與對照差異不顯著。隨著時間的延長，在4月16日和4月30日，外界的氣溫逐漸增大，裸地土壤的蒸發(fā)量增大，導致對照在0—20cm土層的含水量明顯降低；而兩種覆膜方式下的含水量有逐漸增大的趨勢，這可能是由于隨著外界氣溫的回升，地膜內的溫度升高更快，迫使深層土壤水分上移，在表層聚積，形成提水上升的保墑效應，并使覆膜與對照之間的差異變大；隨著土層的加深，20—40cm土層的含水量在兩種覆膜方式下均明顯高于對照，但差異呈減小的趨勢。由此可見，在3個不同的測定時間，0—20cm表層的含水量在兩種覆膜方式下均顯著高于對照，并隨著時間的推移，覆膜與對照之間的差異逐漸增大；而隨著土層的加深，覆膜與對照之間的差異呈遞減的趨勢。在不同的測定時間和不同的土層中，白膜覆蓋與黑膜覆蓋對土壤含水量的影響均無顯著差異。

表2 不同覆膜方式對楊樹林下土壤含水量的影響 %

2.3 不同覆膜方式對土壤容重和孔隙度的影響

表3顯示了覆膜對土壤容重和孔隙度的影響。由表3可以看出，在0—20cm土層，同對照相比，不同覆膜方式均顯著提高了土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，而土壤容重卻明顯降低，白膜和黑膜覆蓋分別比對照降低15.44%和9.56%。在兩種覆膜方式中，白膜覆蓋的土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度明顯高于黑膜覆蓋，而土壤容重卻顯著低于黑膜覆蓋，說明兩種覆膜方式均能明顯降低0—20cm土層容重，增加土壤的疏松度，提高土壤通透性，這對促進楊樹根系呼吸，增強根系對養(yǎng)分的吸收能力具有重要意義。在20—40cm土層，白膜和黑膜覆蓋的土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度與對照均無顯著性差異。與0—20cm土層相比，20—40cm土層的容重升高了，但土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均降低，并且不同處理的各物理性狀之間的差異變小。表明隨著土層深度的增加，土壤疏松度和通透性變差，并且覆膜對楊樹林下深層次土壤物理性狀的影響不明顯。而在兩種不同的覆膜方式中，白膜覆蓋處理對土壤物理性狀的改善作用要明顯優(yōu)于黑膜覆蓋。

表3 不同覆膜方式對楊樹林下土壤容重和孔隙度的影響

2.4 不同覆膜方式對土壤呼吸速率的影響

土壤呼吸是土壤中出現(xiàn)生命活動的標志之一，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳素循環(huán)的主要環(huán)節(jié)，也是大氣二氧化碳濃度升高的關鍵。覆膜對楊樹林下土壤呼吸速率的影響如圖1所示。由圖1可見，在0—20cm土層，兩種覆膜方式均降低了土壤呼吸速率，其中白膜覆蓋與對照的差異未達到顯著水平，而黑膜覆蓋處理下的土地呼吸速率比對照降低了28.26%，差異達到顯著水平。這可能是由于對照處于裸地狀態(tài)，楊樹的落葉在土壤表層容易形成“小碳庫”，從而有利于土壤呼吸速率的提高；而地膜覆蓋處理在覆膜之前把楊樹落葉已經(jīng)清理干凈，因此阻止了這部分碳源。在20—40cm土層，各處理的土壤呼吸速率均呈下降趨勢，并且白膜覆蓋、黑膜覆蓋與對照之間均無顯著差異。這進一步說明無論白膜覆蓋還是黑膜覆蓋，對土壤的影響作用都是有限的。

圖1 不同覆膜方式對楊樹林下土壤呼吸速率的影響

3 結果討論

3.1 不同覆膜處理與土壤物理性質的關系

有研究表明，地膜覆蓋能增加早季土壤表層溫度2～3℃，特別是0—5cm土層增溫效應特別顯著。隨著土層的加深，增溫效果下降［8］。本試驗也得出了相似的結論。這主要是由于地膜有如下的增溫機制：（1）地膜隔絕了土壤與外界的水分交換，抑制了潛熱交換；（2）地膜減弱了土壤與外界的顯熱交換；（3）地膜及其表面附著的水層對長波反輻射有削弱作用，使夜間溫度下降減緩［11］。本試驗還發(fā)現(xiàn)，白膜覆蓋的增溫效應優(yōu)于黑膜覆蓋，這可能是因為白色地膜的熱輻射率能達到80%～90%，吸收的熱量較多；而黑色地膜的熱輻射率只有30%～40%，并且黑色地膜在陽光照射下，本身增溫快，但傳給土壤的熱量較少，故增溫作用不如白色地膜。

李世清等［12］在冬小麥幼苗期的研究表明，覆膜比不覆膜平均多儲水18.5mm，整個生育期耕層土壤含水量可提高1%～4%，并且冬小麥全生育期能減少蒸發(fā)量100mm以上。王俊等［13］在春小麥上的研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋對土壤水分時空的再分配具有調控作用，能有效地促進土壤與作物水分的良性循環(huán)。本試驗研究中也得出了類似的結論：無論白膜還是黑膜覆蓋均顯著提高了土壤含水量。這可能是由于地膜覆蓋在土壤表面設置了一層不透氣的物理屏障，使土壤水分垂直蒸發(fā)受阻，迫使水分橫向運移至無覆蓋處或放射性蒸發(fā)向開孔處，使蒸發(fā)速度相對減緩，總蒸發(fā)量大幅度下降，可以有效減少表層土壤水分的蒸發(fā)，調節(jié)土壤水分的空間與時間分布，增加土壤水分供應的有效性，提高土壤水分利用效率［14］。此外，本試驗還得出，在3個測定時間的前期，由于地溫低，覆膜與對照之間的溫差較大，而由于裸地的蒸發(fā)較小，所以覆膜與對照之間的土壤含水量差距較小；到了中后期，隨著外界氣溫的升高，覆膜與對照的溫差越來越小，而裸地的蒸發(fā)逐漸增強，從而使覆膜與對照之間的土壤含水量差距在逐漸增大。此外，作物生長發(fā)育需要松緊適宜的土壤環(huán)境［15］，土壤過松過緊都不利，而土壤環(huán)境受外界因素影響較大。本研究結果認為，與黑膜覆蓋相比，白膜覆蓋改善了土壤的物理性狀，增大了表層土壤的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度，減小了土壤容重，使得土壤疏松，通氣性加強，這為楊樹生長發(fā)育提供了良好的土壤物理環(huán)境。

3.2 不同覆膜處理與土壤呼吸速率的關系

微生物呼吸強度可看作是衡量土壤微生物總活性的指標［16］，反映了整個微生物群落（包括休眠狀態(tài)和活性狀態(tài)）的活性。前人關于地膜覆蓋對土壤呼吸的影響研究結果不盡相同。李世清等［12］在春小麥上的研究表明，地膜覆蓋能提高土壤的呼吸作用。而有學者［17］在玉米方面的研究發(fā)現(xiàn)，土壤空氣中CO2濃度隨植株生育階段呈規(guī)律性變化，其主要受到植物根系呼吸作用的影響，地表覆膜妨礙了土壤空氣與地表空氣的交換，增加了土壤CO2濃度，使土壤微生物的呼吸活性受到了更大的抑制，所以，玉米生育期地膜覆蓋處理的土壤呼吸強度一般低于裸地。本試驗研究認為，黑膜覆蓋處理使楊樹的表層土壤呼吸速率明顯低于對照。這一方面是由于黑膜覆蓋妨礙了土壤空氣與地表空氣的交換從而導致土壤呼吸降低，另一方面是由于不覆膜處理在楊樹生長后期下部落葉、植株殘體在土壤表層會形成“小碳庫”，使其更新速度快、流通量大，為表層土壤微生物呼吸提供了必要的碳源［18］，而覆膜處理阻止了這部分碳源。本試驗還發(fā)現(xiàn)，白膜覆蓋處理的表層土壤呼吸速率雖然低于對照，但并未達到顯著水平，這可能是因為白膜覆蓋的增溫效果較好，并且能更顯著地降低土壤容重，增大土壤孔隙度，這為土壤呼吸創(chuàng)造了一定的優(yōu)越環(huán)境，從而對土壤呼吸速率的降低起到了“補償”效應。

4 結論

在兩種覆膜方式中，白膜覆蓋的增溫效應優(yōu)于黑膜覆蓋，而對土壤含水量的影響無顯著差異。在0—20cm土層，白膜和黑膜覆蓋均顯著提高了土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，而土壤容重卻明顯降低，分別比對照降低15.44%和9.56%；此外，白膜覆蓋的土壤呼吸速率與對照差異不顯著，而黑膜覆蓋顯著低于對照。20—40cm土層與0—20cm土層表現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律，但兩種覆膜方式與對照之間的差異均變小，表明隨著土層的加深，覆膜對土壤物理性質和呼吸速率的影響越來越小。綜合分析認為，白膜覆蓋和黑膜覆蓋均能明顯改善表層土壤的物理性狀，但黑膜覆蓋明顯抑制了土壤呼吸。在兩種覆膜方式中，白膜覆蓋的作用效果明顯優(yōu)于黑膜覆蓋。

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