河西綠洲灌區(qū)玉米產(chǎn)量對生物可降解地膜保水增溫作用的響應(yīng)

李強(qiáng)，王琦，張恩和，劉青林

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州730070）

河西綠洲灌區(qū)玉米產(chǎn)量對生物可降解地膜保水增溫作用的響應(yīng)

李強(qiáng)1，王琦1，張恩和2，劉青林2

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州730070）

通過連續(xù)2 a田間定位試驗，研究不同覆蓋處理（普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋、秸稈覆蓋和無覆蓋）對玉米種植增溫、保濕作用和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：不同覆蓋處理增溫次序為普通地膜覆蓋＞生物可降解地膜覆蓋＞無覆蓋＞秸稈覆蓋；普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的2 a玉米各生育時期土壤貯水量平均比無覆蓋高24.7mm、19.9mm和13.1mm；與無覆蓋相比，普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的2 a平均玉米籽粒產(chǎn)量分別提高11.55%、9.53%和4.70%，WUE分別提高17.35%、14.11%和8.22%，經(jīng)濟(jì)效益分別提高11.81%、8.60%和5.05%。綜合考慮產(chǎn)量和水分利用，生物可降解地膜的增溫保濕和增產(chǎn)效果低于普通地膜，但是生物可降解地膜有利于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，從長遠(yuǎn)生態(tài)效益考慮，今后應(yīng)推廣使用。

生物可降解地膜；玉米；增溫保水；產(chǎn)量；經(jīng)濟(jì)效益；生態(tài)效益；河西綠洲灌區(qū)

河西綠洲灌區(qū)位于我國西北部，是全國重要玉米制種區(qū)，屬于典型的大陸干旱型季風(fēng)氣候，年降雨量稀少，潛在年蒸發(fā)量大，主要依靠石羊河流域的地下水灌溉。近年來，隨著自然因素的變遷和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，區(qū)域的地下水位下降，使灌溉水資源成為限制該區(qū)域經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因子之一［1］。

覆蓋是保護(hù)性耕作的重要措施，即將作物殘茬、秸稈、木屑、普通地膜、生物可降解地膜、液膜等覆蓋于土壤表面的一種栽培技術(shù)，可以起到蓄水、保水、保土、培肥、抑草和調(diào)溫等多種功效，改善作物生長微環(huán)境，從而提高作物產(chǎn)量和WUE，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項重要措施［2－5］。前人研究［6－12］表明，地膜和秸稈覆蓋在平作和壟覆膜溝播種等種植方式均能明顯地改善農(nóng)田土壤水溫生態(tài)條件，促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量和抗旱能力。但覆蓋材料普遍使用普通地膜，普通地膜覆蓋造成大量地膜殘留，不易降解，破壞土壤結(jié)構(gòu)，阻礙土壤水分和養(yǎng)分轉(zhuǎn)送，從而破壞農(nóng)業(yè)環(huán)境，引起作物減產(chǎn)［13］。

國內(nèi)外對覆蓋材料的研究主要集中在普通地膜和秸稈［7，13］，同時主要針對旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)［14］，而對生物可降解地膜在旱作灌溉區(qū)的研究相對較少。研究不同覆蓋處理（普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋、秸稈覆蓋和無覆蓋）對玉米種植增溫保濕作用和產(chǎn)量的影響，旨在確定不同覆蓋材料的調(diào)溫保濕效應(yīng)，為區(qū)域農(nóng)業(yè)覆蓋材料的選擇提供基本理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2013和2014年3—10月在甘肅省武威市黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站（37°96′N，102°64′E）進(jìn)行，海拔1 531m，依賴石羊河水和地下水灌溉，降水少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干燥。多年平均降水量160 mm，年潛在蒸發(fā)量2 400mm，干燥度5.85，年平均氣溫7.7℃，≥0℃年積溫3 513.4℃，≥10℃年積溫2 985.4℃。全年無霜期156 d，絕對無霜期118 d，年日照時數(shù)2 945 h。土壤以荒漠灌淤土為主，粉沙壤質(zhì)，土層深厚，田間持水量為21.5%。試驗區(qū)0～20 cm土層土壤全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)平均含量為0.95、0.48、7.70 g·kg－1和14.29 g·kg－1，速效磷和速效鉀平均含量為33.80 mg·kg－1和253.95 mg·kg－1，pH為8.76。2013和2014年玉米生育期降雨量分別為188.6mm和261.3mm。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，4個覆蓋處理分別為普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋、秸稈覆蓋和無覆蓋，其中無覆蓋為對照，重復(fù)3次，共有12個小區(qū)。小區(qū)面積為40 m2（8 m×5 m）。以玉米（先玉335）為供試作物，株距30 cm，行距40 cm。

1.3 種植管理

玉米播種時間分別為2013年4月17日和2014年4月16日，穴播，播種密度為82 500株·hm－2，在播種前劃分小區(qū)，播種前磷肥和鉀肥作為基肥1次性施入，基肥用量分別為純P 150 kg·hm－2（過磷酸鈣，含P2O516%）和純K 40 kg·hm－2（硫酸鉀，含K2O 30%）。玉米整個生育期氮肥用量為純N 430 kg· hm－2（普通尿素，含純氮46.4%），其中基肥、玉米拔節(jié)期、大喇叭口期和抽雄～吐絲期追肥用量分別占總施氮量的30%、21%、42%和7%，每小區(qū)灌水時間和灌水量相同，在灌溉前進(jìn)行追肥。利用滴灌灌溉系統(tǒng)于2013和2014年玉米苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期和灌漿期對玉米種植帶進(jìn)行等時和等量灌溉，灌水量分別為80、110、110、110 mm和110 mm；分別于2013年9月29日和2014年10月1日測產(chǎn)收獲。

1.4 樣品采集及測定

土壤溫度的測定：用曲管地溫表測定土壤5、10、15、20 cm和25 cm深度處溫度，觀測時間分別為8∶00、14∶00和18∶00，每隔5 d測定一次，同時，標(biāo)注天氣狀況。

玉米產(chǎn)量的測定：在玉米收獲期，按小區(qū)單收測定玉米產(chǎn)量。

土壤含水量的測定：在玉米播前1 d、每次灌水前、灌水后和玉米收后1 d，采用烘干法測定0～120 cm土層含水量，分6層，每層20 cm。每個小區(qū)取3鉆土樣，將3鉆土按層次混合均勻，測定土壤質(zhì)量含水量。玉米生育期耗水量和水分利用效率根據(jù)以下公式計算。

式中，ET為作物生育期耗水量（mm）；I為作物灌水量（mm）；P為作物生育期降水量（mm）；W1和W2是播種前和收獲后0～120 cm土壤貯水量（mm）；R和Dw分別指地表徑流和入滲量（mm），本試驗中忽略不計［15］。

式中，WUE為玉米生育期水分利用效率（kg／mm· hm－2），Y為玉米籽粒產(chǎn)量（kg·hm－2），ET為玉米生育期耗水量（mm）。

1.5 統(tǒng)計分析

將3次重復(fù)收集的參數(shù)采用SPSS17.0與Excel軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆蓋對土壤溫度的影響

表層土壤溫度隨覆蓋處理的不同而變化，將5、10、15、20 cm和25 cm處土壤溫度求平均值，見圖1。在玉米生長前期（4—6月）不同覆蓋處理的表層土壤溫度差異顯著，玉米生長后期（7—9月）不同覆蓋處理的表層土壤溫度差異不顯著，這是由于隨著生育期的推移，玉米地上部分的生長削弱了太陽輻射，使覆蓋對表層士壤溫度影響效果逐漸減弱。在同一時期，普通地膜覆蓋和生物可降解地膜覆蓋的表層土壤溫度顯著高于無覆蓋，秸稈覆蓋的表層土壤溫度微低于無覆蓋。就玉米全生育期表層土壤溫度平均值而言，2013年普通地膜覆蓋和生物可降解地膜覆蓋的表層土壤溫度與無覆蓋相比分別提高1.5℃、0.9℃，秸稈覆蓋的表層土壤溫度降低0.2℃；2014年普通地膜覆蓋和生物可降解地膜覆蓋的表層土壤溫度與無覆蓋相比分別提高1.5℃、0.7℃，秸稈覆蓋的表層土壤溫度降低0.4℃。

2.2 覆蓋對土壤貯水量的影響

土壤貯水量是衡量土壤水分收支平衡的重要指標(biāo)。在玉米每個生育時期灌溉前（1～2 d），將同一處理3個重復(fù)的土壤貯水量求平均值。由圖2可以得出，2013—2014年4—6月，玉米前期生長緩慢，根系分布較淺，各處理的土壤貯水量處于全生育期最高。7—9月，隨著玉米迅速的營養(yǎng)生長和生殖生長，根系迅速下扎，這時玉米對水分的需求迅速增大，同時，較高的氣溫加快了土壤無效蒸發(fā)，使得不同覆蓋處理土壤貯水量逐漸降低。除玉米播種期（4月），不同覆蓋處理土壤貯水量的排列次序為普通地膜覆蓋＞生物可降解地膜覆蓋＞秸稈覆蓋＞無覆蓋，由于覆蓋能有效減少土壤水分蒸發(fā)，從而使普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的土壤貯水量顯著高于無覆蓋。就玉米不同生育時期的平均值而言，2013年普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的土壤貯水量與無覆蓋相比分別高22.5mm、18.7 mm和12.3 mm；2014年普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的土壤貯水量與無覆蓋相比分別高27.0 mm、21.0 mm和14.0 mm。

圖1 2013—2014年玉米生育期土壤溫度的變化Fig.1 The soil temperature variations during maize growing seasons in 2013 and 2014

圖2 2013—2014年玉米不同生育時期土壤貯水量的變化Fig.2 The changes soil water storage capacity during maize growing seasons in 2013 and 2014

2.3 覆蓋對玉米籽粒產(chǎn)量的影響

不同覆蓋處理能夠充分利用當(dāng)季降雨和灌溉，減少土壤無效蒸發(fā)，提高作物產(chǎn)量（表1）。2 a玉米籽粒產(chǎn)量均表現(xiàn)為普通地膜覆蓋和生物可降解地膜覆蓋處理產(chǎn)量最高，秸稈覆蓋次之，無覆蓋最低。在2013年，普通地膜覆蓋和生物可降解地膜覆蓋的玉米籽粒產(chǎn)量顯著高于秸稈覆蓋和無覆蓋，普通地膜覆蓋與生物可降解地膜覆蓋、秸稈覆蓋與無覆蓋之間相差不顯著，與無覆蓋相比，普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的玉米籽粒產(chǎn)量分別增加8.25%、5.36%和1.06%；在2014年，普通地膜覆蓋和生物可降解地膜覆蓋的玉米籽粒產(chǎn)量顯著高于秸稈覆蓋，秸稈覆蓋的玉米籽粒產(chǎn)量顯著高于無覆蓋，普通地膜覆蓋與生物可降解地膜覆蓋之間相差不顯著，與無覆蓋相比，普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的玉米籽粒產(chǎn)量分別增加14.84%、13.70%和8.35%。作物產(chǎn)量形成是光合產(chǎn)物積累和分配的過程，該過程受作物本身遺傳特性和環(huán)境條件共同制約，普通地膜覆蓋和生物可降解地膜覆蓋在增加土壤含水量、土壤溫度和土壤礦化速率等方面顯著高于秸稈覆蓋和無覆蓋，從而加快了植株生長，提高玉米籽粒產(chǎn)量。

表1 覆蓋對玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的影響Table 1 Effects of mulching on grain yield and water use efficiency（WUE）of maize

2.4 覆蓋對玉米水分利用效率的影響

由表1可知，在2013年，普通地膜覆蓋和生物可降解地膜覆蓋的玉米WUE顯著高于秸稈覆蓋和無覆蓋，普通地膜覆蓋與生物可降解地膜覆蓋、秸稈覆蓋與無覆蓋之間差異不顯著。與無覆蓋相比，普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的玉米WUE分別增加13.30%、9.77%和4.62%；在2014年，普通地膜覆蓋的玉米WUE顯著高于秸稈覆蓋，秸稈覆蓋的玉米WUE顯著高于無覆蓋，普通地膜覆蓋與生物可降解地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋與秸稈覆蓋之間相差不顯著，與無覆蓋相比，普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋玉米的WUE分別增加21.41%、18.44%和11.82%。地膜覆蓋和秸稈覆蓋不同程度的減少了土壤水分蒸發(fā)，調(diào)節(jié)土壤溫度，改善玉米生長的微環(huán)境，促進(jìn)玉米快速生長，提高了玉米籽粒產(chǎn)量，同時減少了玉米生育期耗水量，兩者共同提高了玉米WUE。

2.5 覆蓋對玉米經(jīng)濟(jì)效益的影響

經(jīng)濟(jì)效益指去除農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的凈產(chǎn)出。成本即種子、地膜、肥料和灌溉等材料投入，除草和收獲等人工投入。產(chǎn)出為收獲玉米籽粒和秸稈。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場價格，玉米種子、尿素、過磷酸鈣、普通地膜、生物可降解地膜、小麥秸稈、玉米籽粒、玉米秸稈價格分別為5.00、2.15、0.67、12.00、20.00、0.15、2.40、0.15元·kg－1，灌溉為30元·hm－2·次－1。在不考慮人工投入情況下，各處理經(jīng)濟(jì)投入、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和經(jīng)濟(jì)效益如表2數(shù)據(jù)。2013年普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋玉米經(jīng)濟(jì)收入分別為24 216、22 675元·hm－2和21 818元·hm－2，與無覆蓋（21 353元·hm－2）相比，普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋玉米的經(jīng)濟(jì)效益分別提高13.41%、6.19%和2.18%；2014年普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋玉米經(jīng)濟(jì)收入分別為23 718、23 038元·hm－2和22 283元·hm－2，與無覆蓋（21 213元·hm－2）相比，普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋玉米的經(jīng)濟(jì)效益分別提高11.81%、8.60%和5.05%。

3 討論

水分虧缺是限制干旱地區(qū)作物增產(chǎn)的主要因子［16］。覆蓋能減少土壤水分蒸發(fā)，調(diào)節(jié)土壤溫度，從而改善了作物生長環(huán)境。李榮［17］研究表明，普通地膜和生物降解膜覆蓋5～25 cm耕層2 a平均溫度較無覆蓋分別提高2.51℃～3.77℃和1.30℃～2.19℃，秸稈覆蓋較無覆蓋降低1.25℃～2.19℃。本研究發(fā)現(xiàn)，在河西綠洲灌區(qū)，普通地膜覆蓋和生物可降解地膜覆蓋2 a平均表層土壤溫度比無覆蓋提高1.5℃和0.8℃，秸稈覆蓋降低0.3℃，這與賀歡等［18］研究結(jié)論類似。覆蓋使大氣與地表形成隔離層，不同的是地膜覆蓋能使太陽輻射直接到達(dá)地表，而秸稈覆蓋阻礙太陽輻射直接到達(dá)地面，因此，地膜覆蓋表層土壤溫度升高，秸稈覆蓋則不明顯［19］。同時本研究表明，普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的2 a玉米各生育時期土壤貯水量平均比無覆蓋高24.7mm、19.9mm和13.1mm；由于普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋均不同程度地阻礙了土壤水分的無效蒸發(fā)，而秸稈覆蓋的保水能力弱于地膜覆蓋，使地膜覆蓋土壤貯水量最高，秸稈覆蓋土壤貯水量次之，無覆蓋土壤貯水量最低。

表2 覆蓋對玉米經(jīng)濟(jì)效益的影響Table 2 Effects of mulching on economic benefit of maize

覆蓋通過改善土壤水熱、促進(jìn)作物生長、增加作物產(chǎn)量來提高農(nóng)田水肥利用效率［20］。張惠等［14］研究發(fā)現(xiàn)，與無覆蓋相比，普通地膜和生物降解膜覆蓋的玉米籽粒產(chǎn)量分別提高19.23%和17.82%，WUE分別提高21.49%和20.25%；本研究結(jié)果表明，與無覆蓋相比，普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的2a玉米平均籽粒產(chǎn)量分別提高11.55%、9.53%和4.70%，WUE分別提高17.35%、14.11%和8.22%，經(jīng)濟(jì)效益分別提高12.61%、7.40%和3.61%，與李建奇等［21］經(jīng)過2 a定位試驗表明，地膜覆蓋能改善玉米生長的微生態(tài)環(huán)境，提高玉米的產(chǎn)量和WUE的結(jié)論一致。因此，地膜覆蓋是該區(qū)域農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要措施。但是普通地膜不易降解，造成環(huán)境污染，而生物可降解地膜綠色環(huán)保，有利于區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，所以在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)推廣生物可降解地膜。本文僅針對生物可降解地膜覆蓋后土壤水溫和玉米產(chǎn)量的變化進(jìn)行研究，對生物可降解地膜降解速率和覆蓋后土壤理化性質(zhì)的變化有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

研究表明，普通地膜覆蓋和生物可降解地膜覆蓋較無覆蓋均顯著提高了2 a表層土壤溫度，秸稈覆蓋微降低了表層土壤溫度；不同覆蓋處理的土壤貯水量均高于無覆蓋，地膜覆蓋最為顯著；普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋2 a平均玉米籽粒產(chǎn)量較無覆蓋分別提高11.55%、9.53%和4.70%，WUE分別提高17.35%、14.11%和8.22；普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋、秸稈覆蓋和無覆蓋的2 a平均經(jīng)濟(jì)效益分別為23 967、22 448、22 051元·hm－2和21 283元·hm－2。綜上所述，普通地膜對河西綠洲灌區(qū)玉米增產(chǎn)和增溫保濕最優(yōu)，生物可降解地膜次之，但從生態(tài)和環(huán)保等方面考慮，由于生物可降解地膜綠色無污染，在今后應(yīng)推廣生物可降解地膜，有利于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

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Response of biodegradable film water retention and warm ing to the maize grain yields in Hexi irrigation area

LIQiang1，WANGQi1，ZHANG En-he2，LIUQing-lin2
（1.College of Grassland Science，Gansu Agricultural University，Lanzhou，Gansu 730070，China；2.Agronomy College，Gansu Agricultural University，Lanzhou，Gansu 730070，China）

Through 2 years of field experiment，aimed at studying the effects of mulching materials（common plastic film mulching，biodegradable film mulching，straw film mulching and no mulching）on adjusting temperature moisture and maize grain yields.The results showed that the order of increasing soil temperature was common plastic film mulching＞biodegradable film mulching＞no mulching＞straw film mulching.Compared to no mulching，the hight of 2 years water storage for common plastic film mulching，biodegradable film mulching and straw film mulching were 24.7mm，19.9 mm and 13.1mm respectively.Compared with no mulching，the increases of2 years maize grain yield for common plastic film mulching，biodegradable film mulching and straw film mulching were 11.55%，9.53%and 4.70%，respectively，while increases of WUE were 17.35%，14.11%and 8.22%，respectively，while increases of economic benefit were 11.81%，8.60%and 5.05%.In conclusions，combining yields and water use，common plastic film was better than biodegradable film at increasing soil temperature and saving water.The biodegradable film was good for agro-ecosystems sustainable development and it should be extend in the future.

biodegradable plastic film；maize；water retention and warming；yield；economic sbenifits；ecologicai benefits；Hexi irrigation area

S318；S152.7

A

1000-7601（2016）06-0027-05

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.05

2016-01-11

國家科技支撐計劃項目（2014BAD14B10）；國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目（CARS－35）

李強(qiáng)（1990—），男，碩士研究生，研究方向為干旱區(qū)農(nóng)作物耕作與栽培。E-mail：992956250＠qq.com。

劉青林（1979—），女，講師，主要從事旱地與綠洲農(nóng)作制、作物生理生態(tài)研究。