張 琴
(內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,呼和浩特 010018)
由于地膜覆蓋具有明顯的增溫、保墑、控鹽、增產、早熟和提高作物水分利用效率等多重優(yōu)點[1-7],在河套灌區(qū)玉米種植的農業(yè)生產中被廣泛采用。但是近些年來通過研究和生產實踐發(fā)現(xiàn),普通農用白色地膜同樣對農業(yè)生產產生了一定的負面影響,與當?shù)芈愕胤N植相比玉米出現(xiàn)了不同程度的早衰現(xiàn)象。國內外學者也針對該現(xiàn)象進行了大量的研究,張冬梅等[8]研究發(fā)現(xiàn),由于地膜覆蓋顯著提高了耕層土壤溫度,從而使得玉米生長進程加快,生育期提前,這也使玉米抽雄期前后遭受了嚴重的干旱脅迫,減產嚴重。李世清等[9]研究指出,普通農用地膜覆蓋一定程度上是以過度消耗土壤養(yǎng)分和有機質的代價來達到作物的高產,從而導致作物生長后期養(yǎng)分供給不足,造成減產。Zaongo等[10]研究認為,地膜覆蓋后作物生育前期生長旺盛,使得土壤養(yǎng)分和水分消耗嚴重,這也使生育后期土壤出現(xiàn)嚴重的脫肥、脫水現(xiàn)象,造成了作物的早衰和產量的降低。白色地膜覆蓋造成的玉米早衰現(xiàn)象已經(jīng)成為影響干旱半干旱地區(qū)玉米高產的主要因素,不少地區(qū)針對這一問題采取先覆膜、生育后期揭膜的措施來進行緩解[11],但由于工作量較大,難以大面積實施和推廣。
由于黑色地膜較白色地膜覆蓋同樣具有增溫、保墑等作用,同時其透光率低,在高溫季節(jié)相對白色地膜具有降低土壤溫度的效應,因此在番茄[12]、馬鈴薯[13]、棉花[14]等作物種植上得到了一定的應用,但是對于玉米種植的應用研究鮮有報道,同時在鹽漬化灌區(qū)玉米種植的應用更是未見報道。本研究針對灌區(qū)白色地膜覆蓋造成的玉米早衰現(xiàn)象,擬在灌區(qū)常規(guī)白色農業(yè)地膜覆蓋基礎上,引入黑色地膜覆蓋,并以不覆膜處理為對照展開研究,分析不同覆蓋條件下玉米根系區(qū)的土壤水熱狀況及對產量的影響機理,為黑色地膜覆蓋在灌區(qū)的推廣提供理論依據(jù)和技術支撐,對灌區(qū)玉米產業(yè)的發(fā)展具有深遠意義。
試驗區(qū)位于內蒙古河套灌區(qū)磴口縣補隆淖鎮(zhèn)夾道村,該地區(qū)多年干旱少雨,年平均降雨量139.8 mm,蒸發(fā)量2 374.6 mm;多年平均氣溫為7.6 ℃,平均日照時數(shù)3 183 h,年平均風速2.84 m/s,年平均無霜期在130 d左右。試驗區(qū)0~20 cm為粉砂壤土,20~100 cm為粉砂質黏壤土,土壤平均容重為1.47 g/cm3;耕作層凋萎系數(shù)9.3%,田間持水量21.2%,灌溉水源為黃河水,作物全生育期地下水位平均在1.5~2.5 m。
試驗用玉米品種選用當?shù)爻R?guī)品種西蒙6號,試驗所用普通白色、黑色地膜為內蒙古華豐商貿有限責任公司生產,膜寬70 cm。
試驗采用小區(qū)試驗,進行隨機區(qū)組設計,每個小區(qū)面積60 m2(6 m×10 m),試驗設置黑色地膜、白色地膜和不覆膜3個處理,3次重復。機械整地覆膜后,人工點播玉米,各處理每壟種2行玉米,行距50 cm,株距28 cm;按當?shù)赜衩追N植常規(guī)施肥量,玉米播種時施底肥450 kg/hm2(磷酸二銨),灌第一水時施尿素450 kg/hm2,灌第二水時施尿素300 kg/hm2,玉米全生育期共灌3次水,按當?shù)爻R?guī)灌溉制度進行灌溉。
準確記錄玉米不同生育期所對應的日期,包括苗期、拔節(jié)期、抽雄吐絲期、灌漿期和成熟期;每個生育期連續(xù)3天采用直角地溫計觀測各處理0~25 cm土壤溫度,于每日8∶00至20∶00每2h觀測一次;每隔7 d于玉米行間采用土鉆取土,烘干稱重法測定土壤含水率,每個處理取3次重復,取樣深度0~100 cm,每20 cm為一層;玉米成熟期,各處理選取具有代表性的15株測定其穗長、穗粗、穗粒數(shù)、百粒重并計算產量。
WUE=Ya/ETa
(1)
ETa=ΔW+P+I+G-D
(2)
式中:Ya為玉米產量,kg/hm2;ETa為玉米生育期耗水量,mm;ΔW為玉米生育期內0~100 cm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;G為地下水補給量,mm;D為深層滲漏量,mm。
本研究分別在各處理小區(qū)中間埋設80、100 cm兩根張力計,選定距地表為100 cm處為作物根系層下邊界,采用達西定律計算地下水補給量與滲漏量。
(3)
式中:ψm1和ψm2分別為土壤層深度為80和100 cm處的基質勢值,hPa;θ為80和100 cm處的平均體積含水率,%;Z1和Z2為兩處的埋深,cm。
利用Mircrosoft-Excel2003進行數(shù)據(jù)處理并繪制圖表,采用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS17.0進行試驗數(shù)據(jù)的方差檢驗。
圖1為不同覆蓋方式下表層0~25 cm土壤溫度日變化曲線,以拔節(jié)期(晴天)為例。由圖可知,3種覆膜條件下地溫日變化趨勢較為一致,受外界環(huán)境的影響,整體表現(xiàn)為表層變化幅度較大,而深層變幅較小。表層5 cm處土壤溫度自早8∶00開始隨氣溫升高及太陽輻射的增強,至下午14∶00達到全天內的峰值,而表層10、15 cm處地溫則具有明顯的滯后效應,在16∶00和18∶00出現(xiàn)峰值,之后隨時間的推移,在土壤與大氣溫度差的溫度梯度作用下開始進入散熱過程。太陽輻射增強后,土壤表層對熱量的吸熱程度逐漸大于散熱,這也使得20~25 cm土壤溫度在8∶00至10∶00呈現(xiàn)一定的下降趨勢,但之后在溫度梯度的作用下逐漸呈現(xiàn)增溫趨勢,同時由于該土層受外界環(huán)境影響較弱,因此整日內變化幅度較小,且沒有明顯的峰值出現(xiàn)[7]。
圖1 土壤溫度日變化
由上文可知,土壤表層0~15 cm各土層溫度變幅較大,而深層相對平緩。圖2為不同處理各生育期0~15 cm土壤平均溫度變化曲線,由圖可知,各處理不同生育期內均呈現(xiàn)開口向下的二次拋物線形變化規(guī)律,且極值點均出現(xiàn)在下午14∶00。對比各處理間差異發(fā)現(xiàn),黑色地膜和白色地膜覆膜條件下的平均地溫均顯著高于不覆膜處理(P<0.05),各生育期平均高0.94和1.72 ℃;而黑色地膜覆蓋條件下0~15 cm土壤平均溫度則顯著低于白色地膜(P<0.05),平均低0.77 ℃,且在氣溫相對較高的12∶00至16∶00之間差異更為明顯,各生育期3個時段平均低1.19、1.13和1.07 ℃,最高差值達到了2.13 ℃。由此可見,同不覆膜處理相比,黑色地膜和白色地膜覆蓋一樣實現(xiàn)了提高作物耕層土壤溫度和保溫的效果,但黑色地膜較白色地膜有效降低了0~15 cm土壤平均溫度,且在一日內氣溫最高時段更為顯著,這也使得玉米免遭高溫的危害,有利于玉米的正常生長發(fā)育,這一結論與路海東等[15]的研究結果相同。
通過對比玉米不同生育期內各處理土壤溫度的差異發(fā)現(xiàn),玉米苗期、拔節(jié)期以及成熟收獲期各處理土壤溫度差異性較大且日變幅更大,而生育中期的抽雄吐絲期和灌漿初期差異相對較小。這主要是由于玉米生育前期植株相對矮小,而成熟收獲期葉片逐漸枯黃凋萎,從而使得群體透光度增加,地面直接接收太陽輻射的強度增強,而不同顏色地膜對光照的吸收程度和透光率大小不同,且白色地膜透光能力更強[16],從而使得此時白色地膜覆蓋條件下的土壤溫度顯著高于黑色地膜。而玉米生育中期的抽雄吐絲期和灌漿初期,由于此時玉米枝葉茂盛,地面的透光度減弱,阻礙了地面直接接受陽光的輻射,從而使得地膜的增溫效應減弱,此階段各處理的土壤溫度差異較小[17]。
圖2 不同顏色地膜覆蓋下玉米各生育期0~15 cm土壤平均溫度變化
圖3為玉米各生育期不同處理條件下0~100 cm土壤平均含水率變化曲線,全生育期來看,兩種覆膜處理條件下土壤含水率無顯著性差異(P>0.05),但均明顯高于不覆膜處理,而由于試驗區(qū)作物全生育期內地下水位下位平均在1 m左右,使得下層土壤含水率受淺層地下水的補給作用,整個生育期內各處理80~100 cm含水率大小處于相近水平。玉米生育前期(苗期),作物植株較小,耗水強度低,但在蒸發(fā)作用下不覆膜處理0~60 cm平均土壤含水率分別較白色地膜和黑色地膜覆蓋低10.35%和10.76%,差異性顯著(P<0.05)。玉米生育中期(拔節(jié)期至灌漿初期)是生長的關鍵階段,植株生長旺盛,對于干旱少雨的河套灌區(qū)來說,此階段良好的土壤水分條件更有利于玉米的生長發(fā)育和產量的形成,研究發(fā)現(xiàn),此生育階段黑色地膜和白色地膜覆蓋條件下0~100 cm平均相差0.39%~1.01%,差異性不顯著(P>0.05),但均顯著高于不覆膜處理,且0~60 cm達到了顯著或極顯著性差異(P<0.05或P<0.01),黑色和白色地膜覆蓋平均較不覆膜處理高17.95%、13.72%、9.02%和16.47%、14.38%、13.83。玉米生育末期(成熟期),由于長時間不灌溉,以及在騰發(fā)的耗水作用下各土層含水率平均值達到了全生育期的最低水平,但此時同樣表現(xiàn)出兩種覆膜條件下0~60 cm土壤含水率顯著高于不覆膜處理(P<0.05),平均高7.59%和7.78%,而下層土壤差異性不顯著。綜上可知,與白色地膜覆蓋相比,黑色地膜同樣具有較好的土壤保墑效果且差異性不明顯。
圖3 不同顏色地膜覆蓋下玉米各生育期土壤平均含水率變化
由表1不同處理條件下玉米產量指標及水分利用效率可知,兩種顏色地膜覆蓋條件下玉米穗長、穗粗、穗粒數(shù)差異性不顯著(P>0.05),但均顯著高于不覆膜處理(P<0.05);而就玉米百粒重和總產量來說,黑色地膜覆蓋要顯著高于白色地膜和不覆膜處理(P<0.05),百粒重平均高6.46%、9.86%,產量平均高5.99%和25.60%,這主要是因為黑色地膜與白色地膜保墑效果相近,但較白色地膜相對降低了玉米耕層土壤溫度,從而延緩了玉米根系和植株的衰老,從而使得玉米百粒重和產量提高[10,18],但這一結論有待于進一步取樣驗證。不覆膜處理作物總耗水量顯著高于黑色地膜和白色地膜覆蓋處理(P<0.05),平均高6.92%和8.17%,而兩種覆膜條件下作物耗水量差異不顯著(P>0.05),這也進一步說明兩種地膜覆蓋下的土壤保墑效果相當,均較不覆膜處理減少了土壤水分的無效蒸發(fā)。就作物水分利用效率來看,黑色地膜覆蓋分別較白色地膜覆蓋和不覆蓋高4.76%和34.24%,且與不覆膜處理達到了顯著性差異(P<0.05),但這與路海東等[16]的研究結果略有不同,這主要與當?shù)刈匀粭l件不同有關。
表1 不同處理條件下玉米產量指標及水分利用效率
(1)玉米作為典型的喜溫性作物,生育前期過高的耕層土壤溫度會使得玉米植株生長進程加快,但這樣會造成玉米體內營養(yǎng)產生逆差,造成早衰現(xiàn)象的發(fā)生[15],從而影響產量的形成。本研究通過對比研究發(fā)現(xiàn),黑色地膜在各生育期內0~15 cm土壤溫度要顯著的低于白色地膜覆蓋(P<0.05),平均低0.77 ℃,且在一日內氣溫最高時段差異更為明顯,這也使得玉米免遭高溫的危害,有利于其正常生長發(fā)育,同時兩種覆膜條件下土壤平均溫度均顯著高于不覆膜處理(P<0.05),說明黑色地膜在起到保溫效果的同時也在高溫條件下起到了降溫的效果,這一結論與前人研究結果[12,13,15]較為一致。
(2)全生育期來看,黑色地膜0~100 cm土壤含水率與白色地膜覆蓋相比無顯著性差異(P>0.05),同樣具有較好的土壤保墑效果,但均顯著或極顯著高于不覆膜處理(P<0.05或P<0.01),而隨生育期的結束,差異性逐漸減小。
(3)通過對玉米產量指標對比發(fā)現(xiàn),兩種覆膜條件下玉米穗長、穗粗、穗粒數(shù)無明顯差異,但均顯著高于不覆膜處理(P<0.05),而黑色地膜覆蓋的玉米產量和百粒重均顯著高于白色地膜覆蓋和不覆膜處理(P<0.05),這主要是因為黑色地膜較其他處理延緩了根系的衰老,生育期延長,從而使得產量提高[15],但這一結論有待于進一步取樣驗證。黑色地膜覆蓋作物水分利用效率平均較白色地膜和不覆膜處理高4.76%和34.24%。因此綜合考慮,玉米黑色地膜覆蓋的農作措施較適宜在灌區(qū)推廣應用。
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