覆膜條件下作物需水率及土壤溫度差異研究

李鶴

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱 150000;2.中海監(jiān)理有限公司,廣東深圳 518000)

覆膜條件下作物需水率及土壤溫度差異研究

李鶴1,2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱 150000;2.中海監(jiān)理有限公司,廣東深圳 518000)

本文針對(duì)缺水區(qū)的生態(tài)條件,以前人研究為基礎(chǔ),以大田試驗(yàn)為支撐,系統(tǒng)研究了覆膜條件下玉米發(fā)育過(guò)程和形成規(guī)律及水分對(duì)其影響,并探討其生理原因,進(jìn)一步挖掘節(jié)水玉米的產(chǎn)量潛力,實(shí)現(xiàn)節(jié)水高效并提供理論依據(jù);探索覆膜條件下玉米產(chǎn)量與不同階段土壤水分和灌水量之間的定量關(guān)系,尋求出了以提高水分利用率為目標(biāo)的節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的作物較佳灌溉模式,為較優(yōu)調(diào)控水-土-作物-環(huán)境關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)。因此,本文在試驗(yàn)區(qū)的試驗(yàn)對(duì)尋找一套合理灌溉方式和灌水量指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)

玉米生長(zhǎng) 土壤溫度 覆膜 節(jié)水農(nóng)業(yè)

覆膜種植是一種現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)。塑膜覆蓋是農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)的重大進(jìn)步，它能大大改善農(nóng)田小氣候、降低作物棵間蒸發(fā)，從而有效控制作物耗水量。它在各國(guó)都得到了廣泛的應(yīng)用。作物需水量研究對(duì)水的生產(chǎn)力和節(jié)水灌溉意義重大，加強(qiáng)作物需水研究是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫的任務(wù)。作物需水量又稱(chēng)作物蒸發(fā)蒸騰量，是農(nóng)業(yè)方面最主要的水分消耗部分，是制定流域規(guī)劃、地區(qū)水利規(guī)劃、以及灌排工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和農(nóng)田灌排實(shí)施的基本依據(jù)。因此，準(zhǔn)確地估算作物蒸發(fā)蒸騰量顯得尤為重要，特別是干旱半干旱地區(qū)，對(duì)于減小作物生育期的水分消耗，提高水分利用率，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)有著十分重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)

20世紀(jì)30年代，人們開(kāi)始關(guān)注農(nóng)業(yè)水熱資源利用效率問(wèn)題。近幾十年來(lái)，水資源危機(jī)不斷加劇和水環(huán)境質(zhì)量不斷惡化，加之糧食產(chǎn)量需求的不斷增加，提高農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率已演變?yōu)槭澜鐐涫荜P(guān)注的問(wèn)題之一。覆膜技術(shù)作為一種提高農(nóng)業(yè)水熱資源利用效率的方法，其保水機(jī)理、保溫效果及其對(duì)作物生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量的影響研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)自20世紀(jì)70年代由日本引進(jìn)地膜覆蓋栽培技術(shù)后，由于其具有增加地溫，節(jié)水保墑的效應(yīng)，且有顯著的增產(chǎn)作用，因而在全國(guó)范圍得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在西北干旱區(qū)更是得到大面積的推廣。王景寬等(1997)研究表明，覆膜對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶等主要酶活性有所影響。同時(shí)地膜覆蓋有效地保護(hù)了土壤耕層不受破壞，能減輕大雨或暴雨對(duì)地面的沖刷，減少了水土流失等災(zāi)害;王樹(shù)森等(1991)研究證實(shí)了地膜覆蓋能抑制鹽堿地的返鹽作用，在膜下形成一個(gè)特殊的低鹽耕作層，降低了鹽堿危害;楊天育(1999)調(diào)查地膜覆蓋田耕層土壤容重較露地減少0.08g/m3，土壤孔隙度比露地增加3.98個(gè)百分點(diǎn)，另外，地膜覆蓋對(duì)雜草生長(zhǎng)和病害發(fā)生也有抑制作用。鄧振鏞等(1996)研究得出，旱作壟種(小麥)溝蓋(玉米)地膜帶田優(yōu)于目前的溝種(小麥)壟蓋(玉米)帶田種植形式，前者比后者增產(chǎn)9.0%～12.5%。糧食的增產(chǎn)不僅解決了旱區(qū)農(nóng)民的吃飯問(wèn)題，也提高了農(nóng)民的收入。孟憲杰等(2005)在黑龍江省饒河、八五二等農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了大豆行間覆膜栽培試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，大豆行間覆膜具有保墑、提墑、增墑，提高積溫、促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)，抑制雜草生長(zhǎng)，改善土壤物理性狀等功能;杜維廣等(2005)大豆行間覆膜栽培能有效地保護(hù)土壤水分，提高土壤溫度，提高了養(yǎng)分利用率，使覆膜栽培比對(duì)照速效氮、速效磷、速效鉀有所提高。這些因素綜合作用導(dǎo)致地上部分大豆覆膜栽培群體生理、光合生理和固氮營(yíng)養(yǎng)生理的改善，拉動(dòng)了光合產(chǎn)物的積累和分配，促進(jìn)了大豆產(chǎn)量的提高，這是覆膜栽培增產(chǎn)的生理基礎(chǔ);周寶庫(kù)等(2004)研究了在嚴(yán)重春旱及后期地溫多雨的情況下，行間覆膜顯著地提高了大豆產(chǎn)量。在相同種植條件下，覆膜與不覆膜相比，增產(chǎn)22.1%;大豆覆膜能有效地提高地溫，從出苗到開(kāi)花期，苗帶內(nèi)10cm地溫增加1.38℃，15cm 地溫增加0.59℃;大豆覆膜增加土壤水分與速效養(yǎng)含量;吳從林等(2001)研究結(jié)果表明，地膜覆蓋可使麥田前期增溫，但作物生育后期增溫效果不明顯或則降低溫度，在冬小麥整個(gè)越冬期，覆膜處理能使表土層產(chǎn)生明顯的增溫，最高可達(dá)2.83℃;當(dāng)進(jìn)入返青期后，膜外氣溫開(kāi)始回升，覆膜處理產(chǎn)生了一定的增溫，達(dá)1.5℃，直到拔節(jié)前期;但拔節(jié)后期～乳熟期地膜覆蓋基本上不增溫;門(mén)旗等(2000)研究得出，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)合公式估算得出，地膜覆蓋作物覆蓋度由35%提高到90%，其棵間蒸發(fā)量減少51.8%，與露地相比土壤棵間蒸發(fā)減少74.6%，所以別接膜以減少作物田間有效蒸騰，但較高的田間覆蓋度不利于雨水的蓄集和下滲。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

日本是世界上利用塑料薄膜覆蓋栽培技術(shù)最早的國(guó)家之一。日本在普遍采用蓋草的基礎(chǔ)上也有了新的發(fā)展，先是利用廢舊塑料薄膜進(jìn)行地面覆蓋，1943年日本開(kāi)始用塑料薄膜覆蓋進(jìn)行水稻育秧。美國(guó)于20世紀(jì)50年代初期在夏威夷首先應(yīng)用地膜覆蓋，1963年開(kāi)始在亞利桑那州用覆膜機(jī)進(jìn)行棉花黑膜地面覆蓋栽培，覆膜機(jī)能同時(shí)進(jìn)行鋪膜和播種兩項(xiàng)作業(yè)，提前兩周播種，棉花增產(chǎn)顯著。歐洲常采用稻草、干枯苔蘚和落葉等覆蓋地面以保持土壤濕度，保護(hù)作物免受污染和霜凍。自1838年法國(guó)人萊達(dá)諾發(fā)明聚氯乙烯后，又經(jīng)過(guò)德國(guó)人研究，直到1928年才在美國(guó)開(kāi)始進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。法國(guó)于1961年開(kāi)始在南部進(jìn)行瓜類(lèi)作物的塑料薄膜地面覆蓋栽培試驗(yàn)。

Mahrer(1979)首先將熱擴(kuò)散方程引入到覆蓋問(wèn)題中。他從物理的角度描述了大氣一覆蓋層一土壤的熱交換過(guò)程，建立了透明塑膜覆蓋下的熱平衡方程，并用數(shù)值方法模擬了一維情況下的土壤溫度分布;隨后，Mahrer和Kata(1981)用二維數(shù)值模型分析了覆蓋條件下土壤溫度的空間分布;Mahrer(1984)還對(duì)塑膜覆蓋下不同土壤濕度對(duì)溫度的影響以及不同溫度對(duì)濕度的影響進(jìn)行了研究，試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果比較吻合，且都顯示溫度的最大值隨土壤濕度的增加而增加;Cooper等(1996)研究認(rèn)為，由于近地表空氣相對(duì)穩(wěn)定且傳導(dǎo)性低，地膜捕獲的太陽(yáng)輻射更容易使土壤表層增溫，前期地溫高則會(huì)促進(jìn)根系的生長(zhǎng)，且有利于安全越冬。據(jù)甘肅對(duì)地膜冬、春小麥測(cè)定，覆膜后不同生育階段和不同土層地溫均有不同程度提高;Shmidt等(1998)發(fā)現(xiàn)，覆蓋白色地膜后地表的熱累積量顯著高于黑色地膜;Farias(1997)發(fā)現(xiàn)透明地膜對(duì)土壤的增溫效果比白色地膜和黑色地膜顯著;DougWaterer(2007)調(diào)查了地膜覆蓋蔬菜發(fā)現(xiàn)，在4月中詢(xún)和休閑期的土壤溫度要比露地高出10℃;Dahiya等(2007)進(jìn)行了覆膜對(duì)土壤溫度水分影響的大田試驗(yàn)研究，他們8至9月份的試驗(yàn)結(jié)果表明覆蓋能有效減小土壤水分喪失，降低土壤溫度;為了研究不同覆蓋的效果及其經(jīng)濟(jì)可行性和生態(tài)友好性，Ramakrishna等(2006)在越南北部對(duì)聚乙烯塑料、稻草和化學(xué)處理三種措施對(duì)土溫、水分和作物產(chǎn)量的效果進(jìn)行了大田試驗(yàn);發(fā)現(xiàn)聚乙烯塑料薄膜能有效提升地溫，阻止蒸發(fā)、保持土壤濕度，而聚乙烯塑料和稻草覆蓋都能促進(jìn)作物生長(zhǎng);H.Y.Hanna，E.P等(1996)通過(guò)地膜覆蓋西紅柿發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)生育期地膜覆蓋15cm處的土壤溫度比7.5cm的明顯低。Kato，Y.等人(2009)還研究發(fā)現(xiàn)，旱稻比水稻更能有效利用土壤水分，進(jìn)而提高其水分利用效率。

2 實(shí)驗(yàn)研究的主要內(nèi)容和方法

2.1 本論文研究?jī)?nèi)容包括以下幾點(diǎn)

(1)通過(guò)對(duì)夏玉米覆膜種植的大田試驗(yàn)，研究夏玉米覆膜種植的需水規(guī)律及水分利用效率，從而進(jìn)一步的確定夏玉米覆膜種植的灌水指標(biāo)、適宜的灌水量。最終達(dá)到提高夏玉米的水分生產(chǎn)效率。

(2)研究夏玉米在覆膜種植條件下各生育期的生理生態(tài)特性(包括光合、莖粗、株高、葉片數(shù)、葉面積等)。

(3)研究在覆膜條件下，夏玉米在整個(gè)生育期，根層土壤溫度的變化，進(jìn)一步確定覆膜對(duì)地溫的調(diào)節(jié)作用。從而研究分析覆膜種植對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，提高作物生物量累積，進(jìn)而提高作物水分利用效率。

2.2 本文的研究方法

本試驗(yàn)擬采用試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的研究方法，以黑龍江省松嫩平原腹地哈爾濱市香坊農(nóng)場(chǎng)作為研究基點(diǎn)，于2011年全面系統(tǒng)的展開(kāi)試驗(yàn)工作。

(1)采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定、實(shí)地考察、收集相關(guān)資料及數(shù)據(jù)采集方法，合理的安排試驗(yàn)步驟，嚴(yán)密的布置試驗(yàn)計(jì)劃。

(2)土壤含水量測(cè)定：采用人工打鉆取土，烘干法測(cè)定0～160cm土層的土壤含水量。以20cm(分10層)為單位，每10天測(cè)一次，播種前、采收后、下雨、灌水前后加測(cè)。

(3)作物生態(tài)指標(biāo)測(cè)定：株高、葉面積用卷尺測(cè)量，地徑用游標(biāo)卡尺測(cè)量。株高測(cè)定是從植株根部到植株的生長(zhǎng)點(diǎn)和從根部到植株的所有器官中的最長(zhǎng)點(diǎn);葉面積的測(cè)定是從葉尖到葉基的長(zhǎng)度與離葉基1/3處的葉寬計(jì)算得到;地徑測(cè)定是從正交不同的兩個(gè)方向測(cè)定其直徑取其平均值。干物質(zhì)測(cè)定：玉米收產(chǎn)時(shí)從所取樣方中分別任取一株測(cè)定其最終干物質(zhì)重(包括根、莖、葉、玉米秸稈、芯及籽粒干重)。

(4)農(nóng)田小氣候測(cè)定：本研究以自動(dòng)氣象站的常規(guī)觀測(cè)項(xiàng)目為依據(jù)，觀測(cè)項(xiàng)目包括：氣溫、空氣相對(duì)濕度、2m高處的風(fēng)速、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和降水量。觀測(cè)時(shí)間間隔為30分鐘一次。

(5)地溫測(cè)定：利用“五支組地溫計(jì)”在試驗(yàn)區(qū)的覆膜中央、未覆膜行中央觀測(cè)地下3cm、5cm、10cm、15cm、20cm、30cm處的土壤溫度，每隔3天觀測(cè)一次，每次觀測(cè)以2天為單位。每天觀測(cè)時(shí)間為：8：00、12：00、14：00、16：00、20：00、0：00、次日臨晨4：00、次日8：00為一整天。

3 實(shí)驗(yàn)研究實(shí)施方案和進(jìn)度

本研究采用田間試驗(yàn)測(cè)定，供試作物為夏玉米。2011年5月24日播種，9月23日收獲。種植密度為9株/m2。具體實(shí)施方案如下：

生理指標(biāo)的測(cè)定包括作物的株高、葉片數(shù)、葉面積以及地徑和作物最終干物質(zhì)量。

(1)生物指標(biāo)測(cè)定是在玉米的不同生育期進(jìn)行定點(diǎn)、定株連續(xù)測(cè)定。每一重復(fù)測(cè)定連續(xù)3株，每一處理將各重復(fù)測(cè)定計(jì)算平均值所得。其中，單葉面積用下式計(jì)算：

式中：S為葉面積;a為葉長(zhǎng);b為葉寬。單葉面積累加得全株面積。

(2)作物光合特性測(cè)定。利用便攜式光合儀測(cè)定作物的光合特性。隨機(jī)選取生長(zhǎng)正常、旺盛的植株12銖，選取生長(zhǎng)健壯，發(fā)育成年尚未衰老的葉片測(cè)定，葉片被測(cè)部位均在葉片的中上部，并且避開(kāi)中脈。拔節(jié)期由于葉片正在生長(zhǎng)發(fā)育，上部葉片還未發(fā)育完全，因此取其生長(zhǎng)成年的倒三片葉子測(cè)定，分別在 8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00和20：00測(cè)定其光合。

(3)干物質(zhì)累計(jì)測(cè)定。由于試驗(yàn)要進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，因此在試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行干物質(zhì)測(cè)定，只在收產(chǎn)時(shí)進(jìn)行干物質(zhì)測(cè)定，在測(cè)產(chǎn)的四個(gè)樣方(3m×3m)中隨即各取一株，將其根、莖、葉，穗等烘干(80℃，烘24h)稱(chēng)重，籽粒加13%水分計(jì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

土壤含水量通過(guò)人工分層取土樣，測(cè)定區(qū)域?yàn)?-160cm(每個(gè)20cm為一層)取土?xí)r間間隔為10天，采用烘干法進(jìn)行測(cè)定。

土壤溫度采用低溫計(jì)按照試驗(yàn)方案，每隔3天，測(cè)定3cm、5cm、10cm、15cm、20cm、30cm處的土壤溫度。并及時(shí)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入于表格之中。

本研究通過(guò)大田夏玉米覆膜種植試驗(yàn)，主要擬解決以下問(wèn)題：(1)準(zhǔn)確獲得夏玉米覆膜種植各生育期的需水量;初步確定適合本試驗(yàn)條件下的作物系數(shù)Kc值以及作物水分利用效率。(2)研究在覆膜條件下土壤水分與土壤溫度的關(guān)系，分析土壤水分變化在覆膜種植和露地種植條件下的差異。

4 實(shí)驗(yàn)研究預(yù)期效果

本文通過(guò)整個(gè)生育期間玉米的生長(zhǎng)性狀、最終干物質(zhì)量、土壤含水率及土壤溫度的變化規(guī)律的觀測(cè)和記錄，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)附近氣象站觀測(cè)的數(shù)據(jù)，分析松嫩平原黑土地區(qū)，覆膜技術(shù)對(duì)于農(nóng)作物(夏玉米)生物量全生育期內(nèi)變化趨勢(shì)，掌握覆蓋條件下，土壤水分的利用效率，嘗試提出水熱時(shí)空分異分析指標(biāo)，揭示覆膜對(duì)于玉米生長(zhǎng)規(guī)律的影響及土壤水熱動(dòng)態(tài)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，為合理的利用土壤水熱資源，提高水資源利用效率，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

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