祖米來提·吐爾干，林 濤，嚴(yán)昌榮，迪麗拜爾·迪力買買提，鄧方寧，吳鳳全，孔 松，湯秋香※

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；3. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，烏魯木齊 830091）

0 引 言

地膜覆蓋具有增溫[1-3]、保墑[4]、抑鹽[5]和防雜草[6-7]等作用，是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要支撐。近40 a來，地膜覆蓋技術(shù)在新疆棉花栽培上廣泛應(yīng)用，目前新疆已成為中國最重要的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，截止2016年，新疆生產(chǎn)了占全國60%的棉花[8]。常年高強(qiáng)度的連續(xù)覆膜種植下，難以回收的殘膜對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[9-12]，影響了耕地質(zhì)量和棉花可持續(xù)生產(chǎn)[13]。尋求既能保持地膜覆蓋優(yōu)勢又能減少環(huán)境污染的途徑已成為保證新疆棉田可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵。

前人對殘膜問題進(jìn)行了深入的研究，試圖從 2個方面解決殘膜問題。一方面是開發(fā)了降解地膜，降解地膜具有分解徹底，不產(chǎn)生二次污染的顯著優(yōu)勢，目前研究主要集中于原材料組成、降解性能及不同種類可降解地膜的對比研究等方面[14]。但是，在新疆棉田實際應(yīng)用中，降解地膜存在降解時間與作物生長不匹配[15]等諸多問題。另一個解決方法是地膜回收。殘膜機(jī)械回收按照時間可以分為苗期回收、收獲期回收和播前回收[16]。受到紫外線和機(jī)械碾壓以及與土壤黏合等因素的影響，地膜抗拉能力會不斷下降，因此苗期回收效率最高，而播前回收效率最低[17-18]，但苗期回收又常加劇土壤蒸發(fā)，造成干旱脅迫，不利于生長。可見探求適宜地膜覆蓋時間，以最大限度的滿足產(chǎn)量形成過程中對增溫、保墑、防草等方面需求為依據(jù)，是確定適宜降解周期和回收時期的關(guān)鍵。針對上述地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用存在的不足和亟需解決問題，嚴(yán)昌榮等[19]提出了“作物地膜覆蓋安全期”，該概念的提出對探尋地膜增溫、保墑、抑鹽、防草的環(huán)境效益與作物高產(chǎn)需求的平衡點奠定了基礎(chǔ)，也為增強(qiáng)生物降解地膜的可控性，更好地滿足作物生長的環(huán)境需求提供了思路。Hou等[20-21]研究表明地膜覆蓋60～65 d之間有利于提高水分利用效率（water use efficiency，WUE）和產(chǎn)量。劉國順等[22]試驗結(jié)果表明，及時揭膜能促進(jìn)煙株光、熱及水分利用，使其快速生長。通過揭示這一環(huán)境效益，有望為今后按照作物種類、生態(tài)布局、環(huán)境需求、農(nóng)事操作等特點，實現(xiàn)降解地膜可控產(chǎn)品的多元化、訂單化、標(biāo)準(zhǔn)化提供理論依據(jù)，不僅能夠更好地滿足作物高產(chǎn)的需求，而且也利于降低降解地膜的成本。另一方面，合理的覆蓋時間可以協(xié)調(diào)殘膜機(jī)械回收時期與作物生長對增溫、保墑等方面的基本需求，達(dá)到提高作物產(chǎn)量，增加回收效率的目的。目前關(guān)于地膜覆蓋時間的研究主要集中于煙草、馬鈴薯、洋蔥等作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量、地溫等方面[23-25]，然而關(guān)于地膜覆蓋時間對棉花耗水、WUE和棉田地溫系統(tǒng)研究鮮見報道。本文以南疆覆膜滴灌棉田為研究對象，設(shè)置不同地膜覆蓋時間，分析棉田土壤水分時空變異和地溫的差異，明確不同地膜覆蓋時間對棉田耗水和WUE的影響，揭示棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素對不同地膜覆蓋時間下土壤環(huán)境因子變化的響應(yīng)關(guān)系，為新疆棉田生物降解地膜安全評價、產(chǎn)品改進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，以及合理的機(jī)械回收提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年和2017年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院阿克蘇阿瓦提棉花綜合試驗基地進(jìn)行。試區(qū)位于塔里木盆地西北沿（40°06′ N，80°44′ E，海拔 1 025 m），所處地理位置屬于溫帶大陸性干旱氣候。年均降水量46.4 mm，蒸發(fā)量2 900 mm，日照時數(shù)2 679 h，≥10℃年積溫3 987.7 ℃，無霜期115 d，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全依賴于灌溉。試驗田地下水位40～50 m，地下水不能補(bǔ)給到作物根系分布層，向上補(bǔ)給量忽略不計。試驗區(qū)土壤質(zhì)地為砂壤土，田間持水率質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.92%，土壤肥力屬于中等，播前0～40 cm土壤理化性狀指標(biāo)見表1。

表1 2016年和2017年供試0～40 cm土層土壤肥力狀況Table 1 Fertility of tested soil at depth 0-40 cm in 2016 and 2017

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用單因子隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置地膜覆蓋 40、55、70、85、100 d和常規(guī)全生育期覆蓋140 d共 6個處理，分別記為J1、J2、J3、J4、J5和CK。采用無色普通PE地膜（新疆獨山子天利高新技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)），1膜2管6行種植方式，地膜寬2.05 m，株行配置為窄行10 cm，寬行66 cm，株距11 cm，理論密度23.7萬株/hm2。每小區(qū)長6.9 m，寬6.7 m，面積46.23 m2，每處理重復(fù)3次。為減小邊際效益，小區(qū)第1、3幅膜為保護(hù)行，第2幅膜為調(diào)查取樣小區(qū)。每個小區(qū)安裝水表和電磁閥，滴灌帶（新疆天業(yè)集團(tuán)有限公司，石河子）位于寬行間距76 cm，每個滴灌帶28個滴頭，滴頭間距25 cm，滴頭流量 2.1 L/h。2016年和2017年棉花灌溉制度如表2所示，每7 d滴灌1次，全生育期共11次滴灌。基肥共施入尿素（含N≥46%）300 kg/hm2，過磷酸鈣（P2O5≥12%）300 kg/hm2，農(nóng)用硫酸鉀（K2O≥50%）150 kg/hm2。降水量及氣溫等常規(guī)氣象參數(shù)均由田間氣象站測定（WatchDog 2900ET Weather Station, Spectrum, Inc,USA），2016—2017年棉花生育期內(nèi)降雨量分別為45.2、132 mm。2016年于4月8日播種，9月21日收獲，總計163 d，生育時期137 d（苗期～吐絮期），2017年于4月15日播種，9月25日收獲，總計160 d，生育時期131 d（苗期～吐絮期），2 a棉花各生育時期的具體劃分如表3所示。

表2 棉花生育期灌溉制度Table 2 Irrigation scheduling for cotton growth stages

表3 2016和2017年棉花全生育期Table 3 Division of growth period for cotton in 2016 and 2017

1.3 調(diào)查項目與方法

1.3.1 土壤溫度、含水率和農(nóng)田耗水量測定及計算

土壤溫度，采用以色列，F(xiàn)ourtec-Fourier公司生產(chǎn)的MicroLite 5032P U盤式自動地溫計（溫度范圍：?30～80 ℃、誤差±0.3 ℃，溫度分辨率：0.1 ℃）進(jìn)行測定。采集時間為播種至收獲期，采樣間隔每隔2 h，采集位點位于小區(qū)棉花寬行中間膜下10 cm土壤深度。

采用烘干法測定土壤含水率。土鉆內(nèi)徑15 cm，采用深度0～80 cm，每20 cm分為1層。考慮到各處理差異從揭膜開始，故從第1次揭膜后開始按照7 d間隔進(jìn)行土壤取樣，采樣位點位于各處理第 2膜的窄行、寬行、裸行，取平均值作為該處理的土壤含水率。

采用水量平衡法計算作物耗水量ETc[26-28]式（1）

式中i為土壤層次號數(shù)；n為土壤層次總數(shù)，本研究為4；ri為第i層土壤干容重，g/cm3；Hi為第i層土壤厚度，本研究為80 cm；θi1為第i層土壤初時段的含水率，以占干土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)計；θi2為第i層土壤末時段的含水率，以占干土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)計；I為時段內(nèi)的灌水量，mm；Pr為時段內(nèi)的有效降水量，mm；V為時段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，mm；D為深層土壤水分滲漏量，mm；R為地表徑流量，mm。本試驗區(qū)降雨量很小，地塊平整，單次滴灌后土壤水分小于田間持水量，地下水埋深在5 m以下，無地下水補(bǔ)給，當(dāng)?shù)叵滤裆睿?.5 m時可以不計，因此V、D、R項可忽略不計[27]，水量平衡方程可簡化為式（2）。

1.3.2 產(chǎn)量和水分利用效率的測定

收獲期各小區(qū)進(jìn)行實收計產(chǎn)。主要測量指標(biāo)有籽棉產(chǎn)量、單鈴質(zhì)量、單株結(jié)鈴數(shù)。WUE的計算公式如式（3）[29]。

式中 WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為籽棉產(chǎn)量，kg/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用DPS 7.05和Sigmaplot 12.5（Systat Software, Inc.USA）統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜覆蓋時間對土壤溫度的影響

不同處理氣溫和土壤溫度變化如圖 1所示。前期隨著氣溫的不斷上升，土壤溫度不斷的升高，后期棉花生育期的推進(jìn)郁閉度增加，土壤溫度開始逐漸降低。苗期至蕾期（約 40～60 d）土壤溫度主要受大氣溫度和太陽輻射等影響，此時揭膜熱量迅速失散，導(dǎo)致J1、J2處理的土壤溫度大幅度下降。在花鈴期（約80～100 d）為水分臨界期，J1～J5處理已完成揭膜，2 a CK處理的平均土壤溫度比其他處理高 3.6、2.8、2.0、1.3、0.1 ℃（P＜0.05）。這是因為地膜在土壤表面形成一道物理阻隔層，減緩?fù)寥琅c大氣層之間的水分交換，使土壤中的水、熱狀況得到改善，而不同的揭膜時間改變了上述環(huán)境，加之花鈴期為水分臨界期，因此揭膜處理間表現(xiàn)出較為明顯的差異。進(jìn)入吐絮期后，氣溫降低、灌水停止，葉片逐漸開始脫落、J1～J4處理的土壤溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CK，J5處理的變化趨勢相近CK，由此可見，地膜覆蓋可有效增加土壤溫度。

圖1 2 a氣溫和10 cm土層平均溫度變化Fig.1 Change in mean air temperature and soil temperature at 10 cm depths in 2 years

2.2 地膜覆蓋下0～80 cm土層含水率時空變化

棉花根系對水分的吸收主要是以0～40cm土層為主，40 cm以下根系對水分的吸收量較小，故研究0～80 cm土層平均含水率變化（圖2）。剖面含水率變化見圖3。

圖2 地膜覆蓋時間對0～80 cm土層平均土壤含水率的影響Fig.2 Effect of film mulching duration on average soil water content in 0-80 cm soil layer

由圖2可知，2 a苗期和蕾期（約40～60 d）J1和J2處理的含水率最低。從花期開始（約 70～105 d），氣溫逐漸升高，蒸發(fā)強(qiáng)烈，各處理的土壤含水率開始明顯變化。從花期開始灌溉量增加并且此階段降雨量也比較多，因此土壤含水率比蕾期開始升高。J3、J4處理的土壤質(zhì)量含水率逐漸相近于J1和J2處理，CK和J5處理保持比較高的土壤質(zhì)量含水率。2 a數(shù)據(jù)均表明，出苗100 d以后 CK較其他處理土壤質(zhì)量含水率高 14.5%、10.7%、8.7%、7.5%（P＜0.05），而 J5處理與 CK 差異不顯著（P＞0.05）。此外，2016年棉花生育期降水45.2 mm，2017年度降水132 mm。2 a剖面含水率變化趨勢一致，以2016年為例，見圖3，不同處理的土壤含水率均隨著土層深度的增加而增加。0～20 cm土層土壤含水率差異表明，J1、J2、J3和J4處理在揭除膜后，由于失去地膜對水汽擴(kuò)散的阻隔作用，0～20 cm土層土壤含水率迅速降低。中后期在灌溉的補(bǔ)給作用下雖然土壤40～80 cm水得到一定程度的恢復(fù)。進(jìn)入鈴期后0～80 cm土層的含水率各處理差異較大，J1、J2、J3、J4處理0～20 cm土層土壤含水率比 CK分別下降了 24.5%、23.3%、27.3%、5.7%（P＜0.05），20～40 cm 的分別下降了 25.3%、24.5%、21.9%、11.1%（P＜0.05）；J5處理0～20 cm含水率接近CK處理，隨土層深度增加差異增大。2 a結(jié)果表明，吐絮期J1、J2、J3、J4處理的土壤質(zhì)量含水率相比CK在0～20 cm下降了15.7%、12.1%、10.4%、9.8%（P＜0.05），其他土層差異變小，而J5與CK差異不顯著（P＞0.05）。這說明覆膜處理雖然抑制土壤水分的蒸發(fā)，但達(dá)到了最佳覆膜時間后，地膜的保水功能不再明顯。

2.3 地膜覆蓋期對棉花耗水、產(chǎn)量及WUE的影響

耗水特征（表4）表明，覆蓋時間對ETc有顯著影響。2 a CK與J1～J4均具有顯著性差異（P＜0.05），而與J5差異不顯著（P＜0.05）。地膜覆蓋期對籽棉產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素和WUE的影響如表4所示。2 a數(shù)據(jù)表明，單株成鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量受覆蓋時間的影響顯著，適時地膜覆蓋時間改變了棉田水熱平衡，促進(jìn)棉花單株成鈴數(shù)，提高單鈴質(zhì)量。由于早期揭膜降低土壤溫度和0～80 cm土層水分含量，阻礙單株結(jié)鈴，因此J1～J4處理2 a產(chǎn)量均較CK顯著降低（P＜0.05）。J5處理產(chǎn)量明顯高于J1～J4處理，覆蓋100 d能改良土壤水熱條件，降低耗水量，因此對棉花產(chǎn)量形成具有很大影響。各處理WUE與棉花產(chǎn)量規(guī)律類似，隨著覆蓋時間的延長呈增加趨勢，但超過100 d后，產(chǎn)量和WUE不再顯著增加。綜上，J1～J5覆蓋時間中，J5處理產(chǎn)量（2 a 平均為6 800 kg/hm2）和WUE（2 a 平均為 11.5 kg/(hm2· mm)）最高，在阿克蘇棉區(qū)，推薦最佳的地膜覆蓋期為100 d。

圖3 2016年0～80 cm土層水分時空變化Fig.3 Spatial and temporal distribution of soil water content in 0-80 cm soil layer in 2016

表4 2016和2017年不同處理棉花產(chǎn)量、耗水和水分利用效率（WUE）Table 4 Cotton yield, ETc and water use efficiency (WUE) for different treatments in 2016 and 2017

2.4 不同地膜覆蓋時間與土壤含水率、耗水量、產(chǎn)量及WUE的關(guān)系

不同地膜覆蓋時間與土壤含水率、耗水量、產(chǎn)量及WUE的關(guān)系如圖4所示。土壤含水率、耗水量、產(chǎn)量及WUE隨地膜覆蓋時間呈二次曲線關(guān)系，回歸擬合決定系數(shù)高于0.85。土壤含水率、產(chǎn)量及WUE隨覆蓋時間的延長而增加，在覆蓋100 d時達(dá)到峰值，之后降低。耗水量隨覆蓋時間的延長而降低，覆蓋100 d時耗水量最低，之后略有增加?？梢姡?00 d的覆蓋時間能增加土壤含水率、降低非生產(chǎn)棵間蒸發(fā)耗水，提高作物產(chǎn)量和WUE。

3 討 論

3.1 地膜覆蓋時間對土壤水熱微環(huán)境的影響

本試驗結(jié)果表明，地膜覆蓋可以增加土壤溫度，與CK相比，早期揭膜（J1和J2）處理土壤平均溫度降低了3.6和2.8 ℃。孔猛[30]進(jìn)行全生育時期覆膜與不覆膜對比試驗，結(jié)果表明地膜覆蓋處理0～50 cm深土壤平均溫度分別提高1.07～2.14 ℃，該變化趨勢與本試驗結(jié)果一致。土壤水分是影響植物生長和產(chǎn)量的主要環(huán)境因素之一[31-32]。J1和J2處理全生育時期0～80 cm平均土壤含水率最低，CK和J5（覆蓋100 d）最高，可見，100 d揭膜對土壤水分影響不大。張占琴等[33]研究發(fā)現(xiàn)，播種70 d后揭除膜對土壤含水率沒有顯著影響，該結(jié)果與本研究的100 d不一致。這可能是試驗區(qū)氣候、品種、土壤質(zhì)地、農(nóng)藝措施等因素的差異造成的，在今后的研究中仍需要進(jìn)一步驗證。Xu等[34]研究發(fā)現(xiàn)：在相對干旱的年份，全生育期覆蓋處理較不膜覆蓋處理顯著提高了玉米表層土壤含水率。覆蓋時間與土壤含水率關(guān)系分析表明，過早揭膜降低土壤含水率，而J5不僅不影響棉花的生長，還能高效發(fā)揮地膜的保水保墑作用，為降解地膜的安全覆蓋周期以及機(jī)械揭膜提供了理論依據(jù)。

3.2 地膜覆蓋時間對耗水、產(chǎn)量和WUE的影響

地膜覆蓋時間可以增加土壤溫度，減少棵間蒸發(fā)，提高生產(chǎn)性耗水比例[35]。李君等[36]研究表明，不同的地膜覆蓋時間對棉花產(chǎn)量與ETc有明顯影響，石河子地區(qū)8月10日揭除膜可以降低ETc，提高WUE和產(chǎn)量。本文在阿克蘇地區(qū)的研究表明，不同地膜覆蓋時間影響ETc。例如，與CK相比J1、J2、J3和J4處理總ETc有具有顯著差異，但較J5無顯著性差異。地膜覆蓋時間與ETc回歸擬合后決定系數(shù)2016年為0.93（P＜0.05），2017年為0.97（P＜0.01）。ETc隨覆蓋時間的延長降低趨勢。該結(jié)果表明地膜覆蓋時間越短，土壤表層水分蒸發(fā)越多，最終可能導(dǎo)致作物生長過程中水分虧缺。此外ETc還可能受到溫度、降雨量、土壤質(zhì)地等因子的制約，因此這種綜合因子對棉田ETc及WCM的影響還需要進(jìn)一步研究。

分析地膜覆蓋時間與產(chǎn)量和WUE的關(guān)系表明，隨地膜覆蓋時間的延長，覆蓋100 d后產(chǎn)量和WUE均呈降低趨勢，然而CK棉花產(chǎn)量及WUE與覆蓋100 d無顯著差異。宿俊吉等[32]試驗結(jié)果表明，適時揭膜處理的產(chǎn)量、單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量均高于全生育期覆膜處理。地膜覆蓋時間對棉花主要土壤環(huán)境指標(biāo)和生長發(fā)育的影響是修訂降解地膜生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、滿足棉田生態(tài)環(huán)境需求、通過準(zhǔn)確配方降低生成成本的重要手段和基礎(chǔ)工作，是解決好上述問題的關(guān)鍵之一。Hou等[20]研究結(jié)果表明，馬鈴薯最適合的覆蓋時間為60 d。嚴(yán)昌榮等[19]研究發(fā)現(xiàn)石河子地區(qū)棉花地膜覆蓋的溫度安全期為 70 d。本試驗結(jié)果表明，適時地膜覆蓋（即100 d）能滿足棉花所需的有效積溫，土壤含水率，從而保證棉花產(chǎn)量和WUE。通過設(shè)置揭膜處理研究了地膜覆蓋時間對土壤溫度和水分的影響，這結(jié)果為不同區(qū)試降解地膜安全的覆蓋時間和適宜揭膜時期的確立提供一種方法和依據(jù)。在南疆地區(qū)保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和棉花產(chǎn)量，確定農(nóng)田地膜覆蓋時間為100 d。這結(jié)果的提出，一方面，不僅能夠更好地滿足作物高產(chǎn)的需求，又能降低可降解地膜的成本，這對于未來可生物降解地膜的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用都具有十分重要的意義。另一方面有利于農(nóng)民根據(jù)南疆地區(qū)棉花生產(chǎn)條件選擇合適的地膜，避免在可生物降解地膜銷售和應(yīng)用中的盲目性。本研究僅在1個試驗地點進(jìn)行了2 a試驗對不同地膜覆蓋時間下棉花溫度和水分之間的關(guān)系進(jìn)行初步探究，得到了阿克蘇地區(qū)地膜覆蓋時間100 d的結(jié)果，但棉花生長還受水、肥、密度和播期等栽培措施的影響，以及土壤鹽分和養(yǎng)分、光合和輻射等生態(tài)因子的制約，這種綜合因子對棉花生長發(fā)育的影響機(jī)理還不清楚，仍需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

本研究設(shè)置 6種地膜覆蓋時間處理，研究了對棉田水熱、耗水量及產(chǎn)量的影響，結(jié)論如下：

1）地膜覆蓋時間改變了棉花不同生育期內(nèi)土壤水熱狀況，地膜覆蓋有效提高了土壤溫度，J5與CK處理的土壤溫度、土壤水分變化趨勢相近。覆蓋時間對ETc有顯著影響：CK與J1～J4均差異顯著（P＜0.05），而與J5差異不顯著（P＜0.05）。

2）不同地膜覆蓋時間對籽棉產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素有顯著影響（P＜0.05），播種后第100天揭除膜可以促進(jìn)單株的結(jié)鈴，降低蕾鈴脫落，從而提高籽棉產(chǎn)量和WUE。J1～J5種覆蓋時間中，J5處理產(chǎn)量（2 a 平均 6 800 kg/hm2）和 WUE（2 a 平均 11.5 kg/(hm2· mm)）最高（P＜0.05），與CK均無顯著差異（P＞0.05）。為了提高地膜回收率，減少殘膜污染，同時保持高的產(chǎn)量和WUE，在南疆地區(qū)適宜的地膜覆蓋時間為100 d左右。

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