李雪玲,郭俊先,陳 莉,宋鶴嶺,張 眾

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;2. 沙灣市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,新疆沙灣 832100;3. 沙灣鄉(xiāng)村振興大數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)有限公司,新疆沙灣 832100)

0 引 言

【研究意義】新疆屬溫帶大陸性干旱荒漠氣候,為棉花的生長(zhǎng)提供了有利環(huán)境[1]。新疆棉花生產(chǎn)中,多采用膜下滴灌模式。膜下滴灌條件下水分是控制作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素[2-4]。土壤含水量影響棉花植株光合作用與產(chǎn)量,隨著土壤含水率的增大,棉花植株地上部分光和物質(zhì)積累量也會(huì)增大,以及棉花單株鈴數(shù)隨著土壤水分的增加也顯著增長(zhǎng)[5]。覆膜寬度、地溫與土壤中的水分含量之間存在相互影響與相互制約的關(guān)系[6]。地膜覆蓋在地面上形成一層保護(hù)膜,阻隔水分在土壤和大氣之間的流動(dòng),減少水分直接蒸發(fā),并通過(guò)聚集降水增加土壤含水量,滿足作物生長(zhǎng)對(duì)水分的需求[7-9]。地膜覆蓋可提高植株的水分利用效率,可以大幅增加不同土層間土壤溫度,土壤溫度轉(zhuǎn)變進(jìn)而會(huì)影響氣態(tài)水的運(yùn)移;還可以顯著攔阻土壤水分向大氣蒸騰散發(fā),降低土壤表層水分的無(wú)效散失[10]。地膜覆蓋吸收太陽(yáng)輻射,提高了土壤溫度,減少了土壤能量散失,使土壤熱量處于收支平衡的狀態(tài),適宜的土壤溫度能促使種子萌芽,提高農(nóng)作物的出苗率,縮短作物的生育進(jìn)程,促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育從而達(dá)到提高作物產(chǎn)量的目的[11-14]。有研究從不同覆膜寬度對(duì)棉花土壤水分及地溫的影響做了分析[15]。當(dāng)大氣中的溫度與地膜內(nèi)溫度相差較大時(shí),土壤溫度下降幅度就越大[16]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前通常在1.25 m窄膜或2.05 m寬膜覆蓋的情況下有研究,而對(duì)于4.4 m超寬地膜覆蓋下的研究還比較少。需研究以2.05 m寬膜與4.4 m超寬膜2種膜寬覆蓋下對(duì)棉田土壤水分及溫度影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用土壤墑情監(jiān)測(cè)儀,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中水分、溫度實(shí)時(shí)狀況,分析4.4 m超寬膜對(duì)土壤水分及地溫等農(nóng)田環(huán)境產(chǎn)生影響,為4.4 m超寬膜的推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 材 料

試驗(yàn)于2021年的4～11月在新疆沙灣縣農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地(85°42' 39″E,44°18' 41″N,海拔 490 m) 進(jìn)行。新疆沙灣地區(qū)的年降雨量少且年蒸發(fā)量大,年降雨量在140～350 mm,年蒸發(fā)量 1 500～2 000 mm,無(wú)霜期在170～190 d,地下水埋深度在5 m 以下,沙灣地區(qū)日照時(shí)數(shù)充足,年日照時(shí)數(shù)為2 800～2 870 h,土壤為砂壤土,土壤肥力中等,屬于溫帶大陸性干旱荒漠氣候。選擇棉花品種為源棉11號(hào)。表1

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理狀況

1．2 方 法

1．2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)2個(gè)處理,處理1采用(膜寬為4.4 m)1膜12行的種植模式;處理2采用(膜寬為2.05 m)1膜6行的種植模式。4.4 m超寬膜與2.05 m寬膜均選用行距配置為(66+10) cm。采用五點(diǎn)取樣法,每個(gè)處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)。在棉花的整個(gè)生育期共灌水12次,灌溉定額4 200 m3/hm2,均采用膜下滴灌方式,苗期滴水3次 ,蕾期滴水2次,花鈴期需水量較大,共滴水5次,吐絮期需水量較小,滴水2次,在滴水時(shí),同時(shí)滴入肥料。

1．2.2 測(cè)定指標(biāo)

1．2.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)

棉花三葉期開(kāi)始到花鈴期測(cè)定株高,株高用鋼直尺測(cè)量,精度為0.01 mm。測(cè)量從子葉節(jié)到主莖頂端的高度,在10個(gè)小區(qū)內(nèi)選取15株長(zhǎng)勢(shì)均勻的棉花并做好標(biāo)記,每3～5 d測(cè)1次。在棉花吐絮期記錄棉株主莖果枝數(shù)量以及果枝始節(jié)的位置和高度。在地面以上5 cm的棉花莖稈處打上標(biāo)記,在標(biāo)記處對(duì)15株棉花莖粗進(jìn)行測(cè)量。苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期從2種覆膜寬度處理中所設(shè)置的破壞性小區(qū)中選取連續(xù)且長(zhǎng)勢(shì)均勻的棉株6株,按莖、葉、蕾、花、鈴、根等器官分開(kāi),利用葉面積儀測(cè)量葉面積,用Image J軟件計(jì)算其葉面積。將棉花根系泥土沖干凈晾干,將分解后的棉花樣本分別稱重裝信封袋記錄棉花各器官的鮮重,最后放入烘箱105°殺青30 min后,轉(zhuǎn)換為80C°烘干至恒重,冷卻后測(cè)定植株各器官干物質(zhì)重。

1．2.2.2 土壤水分及地溫測(cè)量

采用土壤墑情監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中水分、溫度實(shí)時(shí)狀況。同位監(jiān)測(cè)連續(xù)6個(gè)土層深度(每10 cm一層)的土壤體積含水量以及連續(xù)6個(gè)土層深度(每10 cm一層)的土壤溫度。土壤含水量的測(cè)量精度為±2%,測(cè)量范圍為干土-飽和土。土壤溫度測(cè)量精度為±5℃,測(cè)量范圍為-25～80℃。墑情監(jiān)測(cè)儀長(zhǎng)度為1 000 mm,頂部寬度92 mm,傳感器外徑63 mm。設(shè)備安裝在地下80 cm處,距地面距離20 cm處。觀測(cè)地表及地表下10、20、30、40、50和 60 cm 處的地溫及土壤水分情況。觀測(cè)時(shí)間選擇每日16:00,分別讀取棉花從苗期到吐絮期各生育期內(nèi) 08:00～20:00時(shí)間段的地溫變化數(shù)據(jù)、每隔2 h測(cè)量記錄0～60 cm水分的數(shù)據(jù),分析每日水分變化。儀器采用中國(guó)東方智感公司的智墑ET60。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)利用 Excel 2010統(tǒng)計(jì)整理,數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0,繪制圖表采用Origin2021繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同覆膜寬度下棉花各時(shí)期的地溫日動(dòng)態(tài)變化

研究表明,4.4 m超寬膜和2.05 m寬膜覆蓋期間,棉花苗期同一土壤深度下,土壤溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相同。超寬膜覆蓋下的表層土壤溫度始終高于寬膜覆蓋下的溫度,苗期10 cm處每日溫度變化的拐點(diǎn)為18:00,在16:00前土壤溫度都處于升溫狀態(tài),16:00～18:00區(qū)間溫度為一天當(dāng)中最高,此時(shí)超寬膜的溫度高于寬膜平均1.38℃。而在18:00后0～10 cm處土壤溫度下降,20～60 cm處土壤還處于升溫階段。進(jìn)入蕾期以后,隨著大氣溫度的增高,土壤溫度也提高;超寬膜與寬膜覆蓋下的地溫最高點(diǎn)都為下午的16:00,上午08:00～16:00溫度處于急速上升的狀態(tài),16:00達(dá)到峰值。此時(shí)超寬膜覆蓋下的地表溫度為33.53℃,土層10 cm處溫度為29.93℃,超寬膜土層10 cm處平均溫度較寬膜高出1.45℃。蕾期土壤溫度為整個(gè)生育期最高的,此時(shí)4.4 m超寬膜相較2.05 m寬膜而言,棉花上部耕層增溫效果明顯。在08:00～16:00溫度增長(zhǎng)迅速,超寬膜土層10 cm平均每小時(shí)溫度上升0.71℃,寬膜土層10 cm平均每小時(shí)溫度上升0.76℃,在20～60 cm土層深度下2.05 m寬膜溫度高于4.4 m超寬膜溫度。在棉花進(jìn)入吐絮期后,沙灣地區(qū)9月溫度仍然較高;超寬膜與寬膜一天中溫度最高的時(shí)間仍然是16:00,超寬膜地表溫度高出寬膜1.15℃,在地下10 cm處溫度較2.05 m寬膜高出1.02℃。2種處理下在08:00～16:00,都處于升溫階段,在16:00～20:00都處于降溫階段。在土層深度10 cm處,2.05 m寬膜土壤溫度與4.4m超寬膜相比,下降幅度更大。較好的土壤溫度條件會(huì)促進(jìn)棉花的生長(zhǎng),各土層溫度在整個(gè)生育中前期較高,生育后期土壤溫度逐漸下降。隨著覆膜寬度的增加,土壤增溫效果顯著。圖1

圖1 不同覆膜寬度下棉花各生育期地溫變化

2．2 不同覆膜寬度下棉花各時(shí)期不同深度土壤含水率變化

研究表明,在相同灌水量下,4.4 m超寬膜與2.05 m寬膜2種處理下變化趨勢(shì)相同,均是隨著土層深度的增加土壤中的含水率也越高。隨著覆膜寬度的增加,在苗期時(shí),土壤各層的含水量也隨之增大,是由于在棉花生長(zhǎng)的前期,植株生長(zhǎng)量小,太陽(yáng)光照及輻射較弱,土壤中的水分散失主要是靠土壤的蒸發(fā)且在棉花生育前期表層土壤蒸發(fā)量小,故表層土壤的水分變化最大,其次就是中間層土壤,變化最小的為深層土壤。相較2.05 m地膜覆蓋寬度,4.4 m超寬膜由于覆膜寬度寬土壤中各土層深度的水分就保持的越好。在棉花蕾期表現(xiàn)尤其明顯,在蕾期,超寬膜各土層深度的含水量明顯高于寬膜,土層深度50 cm處水分含量達(dá)到最大值,超寬膜為29.44%,相較寬膜高出1.24%,2種處理的變化均呈“M型”,土壤水分的分布情況較一致。進(jìn)入花鈴期以后,棉花植株生長(zhǎng)的更快,土壤中的水分消耗較快,不同深度土壤的含水率變化波動(dòng)較大,此時(shí)寬膜的水分含量高于超寬膜,進(jìn)入7月以后,土壤水分含量隨著覆膜寬度的增加而降低,在土層20～60 cm表現(xiàn)明顯,同時(shí)根系分布主要集中在這一區(qū)域,棉花的根系吸水成為了土壤水分較低的主要原因,且此時(shí)超寬膜植株生長(zhǎng)較寬膜更快。棉花進(jìn)入吐絮期后,4.4 m超寬膜與2.05 m寬膜2種覆膜寬度處理下,不同深度土壤的含水量變化趨勢(shì)一致,土壤的水分分布也一致,2種覆膜寬度在10～50 cm土層深度的土壤含水率均呈上升狀態(tài),在60 cm處有所降低。4.4 m超寬膜覆蓋下的土壤含水率高于2.05 m寬膜,超寬膜的土壤水分分布更利于棉花整體吸收和利用水分,保墑能力更強(qiáng)。圖2

圖2 不同覆膜寬度下棉花各生育期內(nèi)0～60 cm土壤含水率變化規(guī)律

2．3 不同覆膜寬度下棉花各時(shí)期不同土層溫度與土壤含水率關(guān)系

研究表明,不同土壤深度的平均土壤含水率與地溫之間存在交互關(guān)系。在10 cm的土層深度下,2.05 m寬膜的土壤平均含水率相較4.4 m超寬膜要低,在此深度下,4.4 m超寬膜的土壤含水率變化范圍為5.37%～15.45%,寬膜變化范圍為3.33%～10.37%。在30 cm土層深度處土壤平均含水率從棉花的苗期到花鈴期這個(gè)期間差異越來(lái)越小,在蕾期差異較大,超寬膜為22.85%,高出寬膜1.29%。在吐絮期,寬膜的土壤平均含水率略高于超寬膜。在棉花各生育期內(nèi),土壤溫度也不同,在棉花生長(zhǎng)的前期,植株生長(zhǎng)量小,土壤溫度主要受太陽(yáng)光輻射的影響,此時(shí),超寬膜相較寬膜增溫效果好,在棉花生長(zhǎng)后期,植株生長(zhǎng)量加快,超寬膜的長(zhǎng)勢(shì)要明顯強(qiáng)于寬膜,受覆膜寬度影響減弱。超寬膜在土層10 cm處地溫略高于寬膜,在土層深度30、60 cm處,4.4 m覆膜寬度下的地溫變化范圍為17.26～23.24℃,寬膜地溫變化范圍為17.24～23.97℃,寬膜地溫高于超寬膜,這種現(xiàn)象在蕾期和花鈴期表現(xiàn)明顯,同時(shí),在此階段超寬膜30、60 cm處水分含量要高于寬膜。隨著土層深度的增加,土壤溫度受太陽(yáng)光輻射等因素影響減小。棉花各生育期內(nèi),在土層深度30 cm處,4.4 m超寬膜的土壤平均含水率較寬膜高出1.02%、1.29%、0.50%、0.13%,在相同深度處,4.4 m超寬膜土壤平均地溫較2.05 m寬膜低0.41%、0.53%、0.95%、0.63%,土壤中的平均含水率與平均溫度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。圖3

圖3 不同覆膜寬度下棉花各生育期內(nèi)10、30、60cm處土壤平均含水率及土壤平均地溫變化

3 討 論

3.1 不同覆膜寬度對(duì)棉田土壤水分的影響

生育期水量的變化反映的是不同覆膜寬度處理下的貯水能力。棉花的生長(zhǎng)受土壤中含水率的影響,土壤水分越充足,對(duì)棉花的生理生長(zhǎng)越有利[17]。在作物生長(zhǎng)期,覆膜處理的植株株型較大,對(duì)水分的消耗也大,覆膜能夠降低田間土壤水分的蒸發(fā)量,但會(huì)使農(nóng)田耗水量增加[18-19]。通過(guò)對(duì)地膜覆蓋下土壤蒸發(fā)的研究,地膜覆蓋能有效減少土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)[20-21]。與研究的思路相同,在覆膜的基礎(chǔ)上增加4.4 m超寬膜,發(fā)現(xiàn)超寬膜能降低土壤表層的水分蒸發(fā)。邵春琴[22]通過(guò)對(duì)3種覆膜寬度中土壤含水率的研究發(fā)現(xiàn),5、6月時(shí),覆膜寬度越寬,土壤的含水量就越大,在7月后,土壤水分含量受覆膜寬度影響減弱,在土層0～20 cm內(nèi)土壤含水量變化最明顯,且覆膜寬度越寬這種變化的幅度就越大,20～60 cm土壤含水率在整個(gè)生育期變化較大,60～100 cm變化最小。與研究結(jié)果一致,在相同灌水量下,在棉花苗期至蕾期,即7月前,隨著覆膜寬度的增加,從土層深度0～60 cm水分含量也增大,上層土壤變化最明顯;7月之后,受田間管理等因素影響,覆膜寬度不再是影響土壤水分含量的主要因素,4.4 m超寬膜相較2.05 m寬膜保水能力更強(qiáng)。

3.2 不同覆膜寬度對(duì)棉田土壤溫度的影響

地膜能夠?qū)⑼寥辣砻媾c大氣之間的熱交換隔斷,有效的攔截太陽(yáng)的輻射,減少土壤水分的蒸發(fā),調(diào)節(jié)土壤的溫度[23]。研究中采用4.4 m超寬膜,能有效提高土壤表層溫度,在棉花生育前期作用尤其顯著。土壤的熱量來(lái)源于地面表層,太陽(yáng)輻射所轉(zhuǎn)變的最大熱能即為地表的最高溫度,直接決定能向下傳遞多少能量,影響各個(gè)土層深度的溫度,其與各土層溫度的相關(guān)性水平呈極顯著的關(guān)系[24]。研究中,也是表層地溫最高,10～60 cm土層溫度逐漸下降。對(duì)土壤水分與地溫關(guān)系研究發(fā)現(xiàn),土壤含水量的變化會(huì)直接影響到土壤的比熱容,從而影響地溫的變化,土壤各土層深度含水量與各層地溫基本呈負(fù)相關(guān)。含水量高時(shí),地溫升溫慢,隨著土層深度的增加,兩者間相關(guān)性降低[25-26]。與研究結(jié)果一致,在土壤中部至下部,土壤的平均含水率與平均溫度呈負(fù)相關(guān),土壤溫度越高則含水量越低。

4 結(jié) 論

4.4 m超寬膜在提升地溫方面效果顯著,各土層溫度在整個(gè)生育中前期較高,因?yàn)榍捌诿藁ㄖθ~相對(duì)較小,對(duì)膜上的郁閉程度較小;生育后期土壤溫度逐漸下降,此時(shí)棉花枝葉繁茂,受田間管理的影響,覆膜寬度對(duì)土壤溫度影響逐漸減弱。整個(gè)生育期內(nèi),0～60 cm土層深度下,4.4 m超寬膜的土壤平均含水率都高于2.05 m寬膜。超寬膜增溫保水并改善了土壤水熱條件,可用于新疆北疆地區(qū)推廣應(yīng)用。