霍軼珍,郭彥芬,韓翠蓮， 李生勇

(河套學(xué)院 土木工程系,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

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不同覆膜處理對土壤水熱效應(yīng)及春玉米產(chǎn)量的影響

霍軼珍,郭彥芬,韓翠蓮， 李生勇

(河套學(xué)院 土木工程系,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

為探討生物地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的適用性，采用田間試驗的方法，設(shè)置了普通地膜覆蓋、生物地膜覆蓋及不覆蓋3個處理進行對比研究，對3種覆蓋方式下土壤溫度、土壤水分變化規(guī)律及玉米生產(chǎn)性狀指標(biāo)進行了對比研究。研究結(jié)果表明：玉米生育前期，生物地膜保溫、保墑效果顯著，且與普通地膜處理差異不顯著(p>0.05)，但均顯著高于不覆膜處理(p<0.05)；玉米進入生育中后期階段，生物地膜降解破損，保溫、保墑效果減弱，玉米生育中期3種覆蓋方式下各土層土壤平均溫度差異性顯著(p<0.05)，生育末期，生物地膜保溫保墑效果幾乎喪失，土壤水熱狀況與不覆膜處理無顯著性差異，且顯著低于普通地膜覆蓋(p<0.05)；生物地膜與普通地膜相比玉米產(chǎn)量及生產(chǎn)性狀指標(biāo)差異不顯著(p>0.05)，但均顯著優(yōu)于不覆膜處理(p<0.05)，平均較不覆膜增產(chǎn)19.48%和20.41%，水分利用效率高22.18%和22.56%。研究結(jié)果可為河套灌區(qū)可降解生物地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

生物地膜; 土壤溫度; 土壤水分; 玉米產(chǎn)量; 河套灌區(qū)

土壤的水熱狀況是影響作物生長和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素[1]，地膜覆蓋后很好地起到了增溫、保墑和控鹽的作用[2]，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。大量學(xué)者也針對地膜覆蓋對土壤水熱變化、水分利用效率、作物生理生化指標(biāo)、作物產(chǎn)量的影響等進行了廣泛的研究[3-6]。然而，普通農(nóng)用地膜主要成分為一種分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定的聚乙烯材料，自然條件下很難分解，且收獲期后難以回收利用，長此以往必然會在農(nóng)田大量殘留積累，形成白色污染，進而影響農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展；近些年來，隨著不同類型可降解生物地膜的出現(xiàn)及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不斷嘗試應(yīng)用，這一問題有待緩解，有研究表明，與普通地膜相比，生物地膜具有可降解、減小環(huán)境污染的優(yōu)點，同時在土壤增溫、保墑和作物增產(chǎn)方面具有很好的效果[7-9]。然而，由于生物地膜自身的一些缺點，即受到機械強度、受拉伸性能等的限制[10]，還主要是處在小范圍的試驗應(yīng)用階段。春玉米作為內(nèi)蒙古河套灌區(qū)主要的糧食作物，其種植面積占總糧食種植面積比例較大，而灌區(qū)多年種植模式主要為覆膜種植，少量采用不覆膜裸地種植，但經(jīng)過多年實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)對于寒冷干旱的鹽漬化灌區(qū)，不覆膜裸地種植玉米產(chǎn)量顯著低于覆膜種植。本文在灌區(qū)常規(guī)種植模式的基礎(chǔ)上，增加可降解生物地膜覆蓋種植，研究不同覆蓋條件對土壤保墑、增溫效應(yīng)及玉米產(chǎn)量的影響，旨在為灌區(qū)生物降解地膜的推廣提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，對綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1　試驗材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)，該地區(qū)多年平均降雨量為140 mm左右，年平均氣溫6.8℃，年平均日照時數(shù)3 229.9 h，無霜期130 d左右，較適宜農(nóng)作物的生長，屬于典型的中溫帶干旱大陸性氣候。試驗區(qū)以砂質(zhì)壤土為主，0—100 cm土壤平均容重1.45 g/cm3，土壤全氮、全磷、全鉀質(zhì)量比為0.093%，0.07%，1.60%，有機質(zhì)1.2%，平均pH值7.6。地下水埋深年內(nèi)變化為0～3 m，灌溉水源為黃河水，平均礦化度為0.6～0.8 g/L。

1.2研究方法

1.2.1試驗設(shè)計普通地膜采用巴彥淖爾市磴口縣華豐商貿(mào)有限責(zé)任公司生產(chǎn)0.008 mm聚乙烯吹塑農(nóng)用地膜，生物降解地膜采用山東意可曼科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的0.008 mm生物地膜，寬度均為70 cm，玉米品種為較適宜于該地區(qū)種植的豫奧6號。

試驗設(shè)置普通地膜、生物地膜、不覆膜3個處理，每個處理3次重復(fù)，隨機排列組合，各小區(qū)面積為48 m2(6 m×8 m)。平地耙地后機械覆膜播種玉米，壟上種2行玉米，行距45 cm，株距30 cm；按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量，玉米播種時施足底肥450 kg/hm2(磷酸二銨、尿素)，灌第三水時施肥450 kg/hm2(尿素)，灌第四水時施肥300 kg/hm2(尿素)，玉米全生育期灌3次水。

1.2.2測定項目與方法各生育期在玉米行間采用土鉆定點取土，烘干稱重法測定土壤含水率，每個處理取3個重復(fù)，取樣深度0—100 cm，每20 cm為一層；采用直角地溫計定點讀取玉米各生育期內(nèi)行間地溫，于每天8：00—20：00每隔2 h對5—25 cm土層進行定時定點監(jiān)測，每個處理讀取3個重復(fù)，各生育期連續(xù)讀3 d取平均值，時間為5月14—16日、6月13—15日、7月13—15日、8月14—16日、9月12—14日，讀取地溫和測定土壤含水率時間段一致。玉米成熟期，各處理選取具有代表性的25株測定其生產(chǎn)性狀指標(biāo)和產(chǎn)量。

玉米水分利用效率(WUE)的計算：

WUE=Ys/ETs

(1)

ET=ΔW+P+I+U-D-R

(2)

式中：Ys為玉米籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；ETs為玉米生育期總耗水量(mm)；ΔW為玉米生育期內(nèi)100 cm深度土體內(nèi)土壤貯水量變化(mm)；P為玉米生育期有效降雨量(mm)；I為灌溉量(mm)；U為地下水補給量(mm)；D為深層滲漏量(mm)；R為徑流量(mm)；由試驗區(qū)地勢平坦且未發(fā)生持續(xù)性降雨，地面徑流損失忽略不計。

1.2.3數(shù)據(jù)處理采用MS-Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理并繪制圖表，SPSS 17.0進行相關(guān)數(shù)據(jù)方差檢驗。

2　結(jié)果與分析

2.1不同覆蓋方式對土壤溫度的影響

太陽輻射及地表覆蓋物是影響土壤表層溫度的主導(dǎo)因素，由表1全生育期土壤溫度變化規(guī)律可知，各覆蓋方式下玉米苗期開始隨氣溫升高，太陽輻射增強，土壤溫度呈現(xiàn)出上升趨勢，而后隨時間推移，受氣溫下降及作物枝葉的遮蔭影響，整體呈現(xiàn)出下降趨勢；各土層土壤溫度由表層至深層(5—25 cm)呈現(xiàn)出遞減規(guī)律，全生育期普通地膜、生物地膜、不覆膜處理表層較深層土壤溫度平均高8.56～16.81℃，8.49～16.82℃，8.27～17.26℃，且在太陽輻射及溫度梯度作用下，表層土壤溫度變化幅度明顯大于深層土壤。

生物地膜隨生育期延長易于降解，有研究表明通常其降解誘導(dǎo)期為1～2個月[11]；玉米苗期至拔節(jié)期，生物地膜降解程度較小，有極少量裂紋，地膜比較完整；研究發(fā)現(xiàn)，此階段普通地膜和生物地膜覆蓋方式下各土層土壤溫度無顯著性差異(p>0.05)，說明保溫效果相近，但兩處理各土層土壤溫度均顯著高于不覆膜處理(p<0.05)，說明此時覆膜可顯著提高作物耕層土壤溫度，有利于種子萌發(fā)及作物生長。玉米生育中后期(7月中下旬)開始，在風(fēng)力、光照、田間雜草等綜合因素的影響下，生物地膜開始變脆、變薄，破損嚴(yán)重，保溫效果逐漸低于普通地膜，但此時氣溫較高，略低的地溫不會影響玉米的生長發(fā)育，且有利于降低高溫對玉米生長的危害；研究發(fā)現(xiàn)，玉米抽雄吐絲期，3種覆蓋方式下各土層土壤溫度差異性顯著(p<0.05)，普通地膜、生物地膜5—25 cm土壤平均溫度分別較不覆膜處理高8.53%和4.35%；玉米進入灌漿期(8月中下旬)至成熟期，生物地膜已全部破損，此時普通地膜土壤平均溫度顯著高于生物地膜和不覆膜處理(p<0.05)，但生物地膜與不覆膜處理之間差異性不顯著(p>0.05)，這也說明此時生物地膜保溫效果喪失。

表1　不同覆蓋方式下各生育期不同土層地溫平均值

注：小寫字母代表相同時期同一土層深度處理間地溫的5%顯著水平的差異性。

2.2不同覆蓋方式對土壤水分的影響

地膜覆蓋后，由于“隔膜效應(yīng)”，阻斷了土壤水分垂直蒸發(fā)的通徑，有效地保蓄了土壤水分。由圖1可知，在蒸騰作用、降雨及灌水影響下，生育期內(nèi)各土層含水率呈現(xiàn)出一定的動態(tài)變化，但總體來看，玉米苗期和拔節(jié)期在地膜覆蓋的保墑作用下，普通地膜和生物地膜0—20，20—40 cm土壤水分差異不顯著，但均顯著高于不覆膜處理(p<0.05)；抽雄吐絲期，玉米生長旺盛，需水強度大，同時此階段生物地膜開裂破損，土壤水分耗散較多，此時3種覆蓋方式下0—20 cm土壤水分達到顯著性水平，且普通地膜及生物地膜顯著大于不覆膜處理(p<0.05)，平均含水率較不覆膜處理分別大21.78%和11.88%；而20—40 cm土壤水分普通地膜要顯著大于生物地膜和不覆膜處理，而生物地膜與不覆膜處理間差異性未達到顯著性水平(p>0.05)，同時也說明此時生物地膜只對表層0—20 cm土壤水分的保蓄有一定作用。玉米生育后期，耗水量減弱，同時此時普通地膜比較完整，而生物地膜已完全破損，基本喪失保水效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，此時普通地膜0—20，20—40 cm土壤水分顯著大于生物地膜和不覆膜處理(p<0.05)。

2.3不同覆蓋方式對玉米產(chǎn)量的影響

通過對3種覆蓋方式下的玉米生產(chǎn)性狀進行對比分析，由表2可知，不同覆蓋方式下玉米各生產(chǎn)性狀指標(biāo)間差異大多達到顯著性水平(p<0.05)，穗長、穗粗、穗粒數(shù)、百粒重、產(chǎn)量均表現(xiàn)為普通地膜>生物地膜>不覆膜，但禿尖長不覆膜處理要顯著高于普通地膜和生物地膜(p<0.05)，產(chǎn)量方面普通地膜和生物地膜相當(dāng)，較不覆膜分別增產(chǎn)20.41%和19.48%，這主要是由于覆膜更好地改善了土壤水熱條件，有利于產(chǎn)量的形成。

2.4不同覆蓋方式對玉米水分利用效率的影響

在干旱半干旱地區(qū)，供水不足是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性因素，因此，在這種現(xiàn)狀下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中在保證糧食產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，必須以水分的高效利用為中心。表3為不同覆蓋方式下玉米水分利用效率變化。結(jié)果表明，不同覆蓋處理對玉米水分利用效率的影響依次為普通地膜>生物地膜>不覆膜，且兩種覆膜方式下水分利用效率差異不顯著，但分別較不覆膜處理高22.56%和22.18%，達到顯著性差異(p<0.05)，這主要是因為覆膜較大程度上抑制了玉米棵間蒸發(fā)量，使得這部分無效蒸發(fā)被作物有效利用，提高了水分利用效率。

圖1　不同覆蓋方式下各生育期0-40 cm土層水分變化

表2　不同覆蓋方式下玉米生產(chǎn)性狀對比

注：小寫字母代表各指標(biāo)不同處理間5%顯著水平的差異性，下表同。

表3　不同覆蓋方式下玉米水分利用效率對比

3　討論與結(jié)論

由于地膜覆蓋較好地改善了作物耕層土壤的水熱狀況，所以在北方干旱半干旱的寒冷地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，而玉米作為典型的喜溫性作物，由于覆膜后增溫保墑效果顯著，河套灌區(qū)廣泛采用壟上覆膜種植技術(shù)，但隨之而來的塑料薄膜廢棄物造成的“白色污染”問題日趨嚴(yán)重，這直接影響到了土壤中水肥運移，造成作物減產(chǎn)，進而影響到了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[12]，而近年來環(huán)保型可降解地膜的出現(xiàn)給綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來了生機[13]。本研究在灌區(qū)常采用的普通地膜覆蓋和不覆膜種植技術(shù)基礎(chǔ)上，增加了可降解生物地膜，研究了不同覆蓋條件下玉米全生育期土壤水熱狀況變化，同時對比研究分析了玉米生產(chǎn)性狀指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，在玉米生育前期，可降解生物地膜保溫、保墑效果顯著，與普通地膜無顯著差異，但均顯著高于不覆膜處理，這與王鑫等[14]的研究成果基本一致；玉米生育中后期，由于生物地膜出現(xiàn)裂紋和破損降解現(xiàn)象，保溫保墑效果逐漸減弱，生育中期3種覆蓋方式下各土層土壤平均溫度存在顯著性差異，而玉米進入灌漿成熟期的生育末期后，生物地膜保溫保墑效果幾近喪失，土壤水熱狀況與不覆膜處理無顯著性差異，且顯著低于普通地膜覆蓋(p<0.05)，這與喬海軍等[15]的研究成果一致。地膜覆蓋可顯著提高玉米產(chǎn)量，普通地膜與生物地膜覆蓋條件下玉米產(chǎn)量分別較不覆蓋處理高20.41%和19.48%，而普通地膜與生物地膜產(chǎn)量相當(dāng)，無顯著性差異(p>0.05)，這與李建奇[16]、李仙岳等[17]的研究結(jié)果具有一致性；通過對不同覆蓋條件下玉米生產(chǎn)性狀指標(biāo)的研究發(fā)現(xiàn)，普通地膜與生物地膜各指標(biāo)間無顯著性差異但與不覆膜處理間存在顯著性差異(p<0.05)，這與申麗霞等[11]的研究結(jié)果具有一定的一致性。

綜上所述，生物地膜與普通地膜相比，在土壤水分的保蓄及保溫效應(yīng)方面效果相當(dāng)，尤其在玉米生育前期顯著優(yōu)于不覆膜處理，同時在適宜的土壤水熱狀況下，較不覆膜玉米增產(chǎn)顯著，增產(chǎn)效應(yīng)與普通地膜相當(dāng)。然而生物地膜具有的降解性可有效減輕地膜的殘留污染，因此進一步研究可降解地膜在不同農(nóng)田生態(tài)環(huán)境下的降解過程和機理對生物地膜的大面積推廣及發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)具有重要意義。

本研究只針對一種生物降解地膜與普通地膜、不覆膜進行了對比研究，后續(xù)研究中應(yīng)增加不同種類生物地膜，同一材料不同規(guī)格、不同厚度地膜進行對比研究，以篩選出更適宜河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生物地膜種類和規(guī)格。

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Effects of Different Film Mulching Treatments on Soil Moisture， Heat and Spring Maize Yield

HUO Yizhen,GUO Yanfen,HAN Cuilian,LI Shengyong

(Department of Civil Engineering,Hetao University,Bayannur,Inner Mongolia 015000,China)

With the objective to figure out the availability of biodegradable film in agricultural production,three treatments including ordinary film,biodegradable film and non film were used to compare the effects of different film mulching treatments on soil moisture,heat and yield of maize based on field experiment.Results indicated that,during the initial growth stage of maize,the effects of heat and moisture preservation were significant when using the biodegradable film,there was no significant difference in comparison with those of ordinary film mulching(p>0.05),besides,considered parameters of non film were the significantly least (p<0.05).With in the mid-later stage of maize,the effects of heat and moisture preservation were weakened due to the degradation and damage of biodegradable film.Regarding all three mulching methods in the middle growth stage,significant differences were found in the mean soil temperature in all soil layers (p<0.05).At the end growth stage,the effects of heat and moisture preservation of biodegradable film almost lost,no significant variations were found in the soil moisture and heat conditions,when compared to those of non film,corresponding parameters were remarkably lower than those of ordinary film (p<0.05).Considering the yield and production of maize,no significant differences were observed between biodegradable film and ordinary film (p>0.05),however,related parameters of both former methods were considerably higher than those of non film (p<0.05),in this sense,associated mean yields were increased by 19.48% and 20.41%,respectively.The water use efficiencies were rose by 22.18% and 22.56%,respectively.The results are capable of providing theoretical basis for the application of biodegradable film in the agricultural production in Hetao Irrigation District.

biodegradable film; soil temperature; soil moisture; yield of maize; Hetao Irrigation District

2015-09-06

2015-11-15

內(nèi)蒙古教育廳自然科學(xué)資助項目(njzy263);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(NMGIRT-B1611)

霍軼珍(1966—),女,內(nèi)蒙古巴彥淖爾人,教授,主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)研究。E-mail:hyz6998@163.com

郭彥芬(1965—),女,內(nèi)蒙古巴彥淖爾人,副教授,主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)研究。E-mail:gyf36188@163.com

S152.8; S513

A

1005-3409(2016)05-0124-05