揭膜對土壤溫濕度及棉花根系發(fā)育的影響

張占琴，魏建軍，楊相昆，李生秀

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物所， 新疆 石河子 832000； 2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花所， 新疆 石河子 832000)

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揭膜對土壤溫濕度及棉花根系發(fā)育的影響

張占琴1，魏建軍1，楊相昆1，李生秀2

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物所， 新疆 石河子 832000； 2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花所， 新疆 石河子 832000)

摘要：為緩解殘膜污染對棉田生態(tài)的影響，在新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物所1～2號試驗地進(jìn)行了棉田揭膜試驗，研究頭水后揭膜和2水后揭膜對土壤溫濕度和棉花根系發(fā)育的影響，以期為新疆滴灌棉田揭膜工作的開展提供理論依據(jù)。本研究設(shè)置頭水后(6月14日)和2水后(6月23日)揭膜兩個處理，以正常覆膜為對照，連續(xù)測定頭水后到灌溉結(jié)束棉田土壤溫濕度的變化，同時測定棉花根系發(fā)育及干物質(zhì)積累動態(tài)，成熟期進(jìn)行產(chǎn)量測定。結(jié)果表明：7月5日之前，揭膜會降低土壤溫度且幅度隨著深度增加逐漸減少；4水前揭膜會降低土壤濕度，降低幅度隨著澆水后天數(shù)增加逐漸變大。揭膜可促進(jìn)棉花根系提前建成，增加干物質(zhì)的積累量及側(cè)根數(shù)的發(fā)生。揭膜處理地上部干物質(zhì)積累線性增長期較CK縮短8.54～12.72 d，根系干物質(zhì)積累時間縮短9.91～11.68 d。揭膜處理干物質(zhì)積累量較CK增加12.34%和11.67%，產(chǎn)量較CK增加6.0%～8.3%。

關(guān)鍵詞：揭膜；土壤；溫濕度；根系；棉花

新疆從20世紀(jì)90年代推廣棉花膜下滴灌種植技術(shù)，推動了棉花產(chǎn)業(yè)的飛躍發(fā)展。但隨著地膜覆蓋技術(shù)的長期和大范圍應(yīng)用，以及地膜不易分解的特性，農(nóng)田“白色污染”正逐年加重，土壤結(jié)構(gòu)惡化，引發(fā)次生鹽漬化、棉花減產(chǎn)易早衰等問題[1-3]，地膜覆蓋技術(shù)的增產(chǎn)效應(yīng)正在遞減。目前新疆地膜栽培面積300萬hm2，殘膜污染面積超過60%，兵團(tuán)的殘膜殘留為261.1 kg·hm-2，地膜種植十五年以上的耕地，棉花減產(chǎn)10%～23%[4-5]。目前，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，致力于解決棉花發(fā)展中的瓶頸問題，回收地膜是殘膜治理工作的重要措施之一。目前國內(nèi)關(guān)于棉田揭膜的文獻(xiàn)較少，缺乏系統(tǒng)性研究，特別是揭膜后棉花根系方面的研究，羅磊等[6]闡明了做好棉田揭膜工作的必要性，肖晶榮[7]、孔星隆[8]和樓理銘[9]比較了棉花在溝灌條件下不同生育期揭膜的差異，提出頭水前揭膜對棉株損傷小，產(chǎn)量影響較小。張俊業(yè)[10]研究表明初花期揭膜有利于棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。買文選等[11]研究了膜下滴灌棉花早衰發(fā)生的可能機(jī)制。宿俊吉[12-13]、肖光順等[14]比較了揭膜棉花根際溫度和產(chǎn)量差異。李生秀等[15]報道了頭水前揭膜條件下棉田不同土層地溫、棉花生理參數(shù)的差異。

除了高強(qiáng)力地膜和卷膜機(jī)械的研制工作外，頭水或2水前后揭膜對棉花生長及產(chǎn)量的影響是該項工作能否順利開展的關(guān)鍵。本研究在揭膜條件下對土壤溫濕度進(jìn)行連續(xù)測定，比較揭膜條件下根系發(fā)育的異同，探討棉田揭膜的可行性，為揭膜工作的大面積開展應(yīng)用提供理論依據(jù)，對新疆棉花生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1材料與方法

1.1試驗田條件

新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物所1～2號試驗地位于北緯44°19′, 東經(jīng)86°03′。試驗地為壤土，有機(jī)質(zhì)含量28.0 g·kg-1，全氮1.78 g·kg-1，水解氮169 mg·kg-1，速效磷92.0 mg·kg-1，速效鉀669 mg·kg-1，pH 8.08。2011年5—8月≥10℃的有效積溫為1 693.1℃，降雨總量121.2 mm。

1.2供試品種及試驗設(shè)計

供試品種：新陸早42號；設(shè)三個處理：頭水后(6月12日，出苗天數(shù)42 d)揭膜、2水后(6月23日，出苗天數(shù)53 d)揭膜和正常鋪膜(CK)。試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，共9個小區(qū)。膜寬1.45 m，3膜六行種植模式，每條膜設(shè)為一個小區(qū)，小區(qū)行長20 m，每小區(qū)面積為34 m2。

1.3測定方法

棉田土壤溫度測定：U盤式溫度計(microlite,美國)自棉花播種起到收獲，每天連續(xù)監(jiān)測棉花寬行間5 cm、15 cm、20 cm深地溫，每日地溫均為0點到23點的24小時平均溫度。

土壤含水量測定：使用Mintrase水分測定系統(tǒng)，頭水前1天至停水后7天，每天上午10點連續(xù)測定0～15 cm、0～30 cm深度的水分含量，棉花寬行和窄行間各測一點，二者平均為該處理土壤含水量。

棉花根系測定：在棉花開花期和盛鈴期，選擇兩小行生長均勻、無缺苗、無大小苗棉花，取30×30×30 cm3范圍內(nèi)棉花根系，每10 cm一個深度挖取根樣，用流水沖洗干凈，檢出活根系，觀察并記錄表面根系的變化(生長方向的變化、形態(tài)的變化，)自然風(fēng)干，稱取根系干物質(zhì)重，數(shù)側(cè)根數(shù)，折算成每平方米的根系重量和側(cè)根數(shù)。

棉花干物質(zhì)及相關(guān)生理參數(shù)測定：棉花出苗后分別于20、45、60、75、90、105、120 d，取3株(占地面積0.2 m2)，用打孔法測量葉面積；將根、莖、葉、葉柄、花、蕾、鈴分開，風(fēng)干后稱重，計算各時期生物產(chǎn)量；計算葉面積指數(shù)。

Logistic方程模擬

用Logistic方程擬合棉花根系和地上部干物質(zhì)積累變化規(guī)律，Logistic方程和幾個特征值：Y=K/〔1+(Exp(a+bt)〕，Y為棉花干物質(zhì)積累量，t為棉花出苗后天數(shù)，a、b、K為待定系數(shù)都有一定生物學(xué)意義。通過求二階導(dǎo)得出t1與t2。在0～t1時間內(nèi)，干物質(zhì)積累呈緩慢上升的趨勢；在t1～t2時間內(nèi)干物質(zhì)的積累速度加快，幾乎呈直線增加趨勢；在過了t2時刻后，積累速度又減緩下來。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

利用DPS V 9.01、EXCEL2007等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪制圖表。

1.5栽培技術(shù)措施

采用3膜6行方式種植，播幅5.1 m，株距10 cm，667m2理論保苗株數(shù)1.57萬株。4月22日播種，5月1日出苗，5月3日放苗，7月4日打頂尖。全生育期共灌水8次，灌水量4 210.5 m3·hm-2。田間管理和大田一致。

2結(jié)果與分析

2.1揭膜對土壤溫度和含水量的影響

2.1.1揭膜對土壤溫度的影響表2是6月15日到8月5日每隔10天，土壤5 cm、10 cm和20 cm的溫度變化情況。6月15日頭水后揭膜5 cm、10 cm、20 cm的土壤溫度分別為28℃、26.8℃、25.86℃，比CK降低1.01℃、0.81℃、0.59℃。6月25日，頭水后揭膜和2水后揭膜5 cm的土壤溫度分別為25.47℃、25.39℃，比CK降低0.33℃、0.41℃；10 cm的土壤溫度分別為24.78℃、24.99℃，比CK降低0.42℃、0.41℃；20 cm的土壤溫度分別為24.15℃、24.31℃，比CK降低0.45℃、0.29℃；溫度降低的幅度沒有明顯差異。7月5日到8月5日，頭水后揭膜和2水后揭膜5 cm的土壤溫度和CK相比，有升有降，變化不大，差異不明顯。7月15日到8月5日，頭水后揭膜和2水后揭膜10 cm地溫均表現(xiàn)出輕微下降，下降幅度從0.08℃～0.21℃，20 cm則輕微上升，幅度為0.07℃～0.28℃。

土壤溫度的變化歸納起來主要表現(xiàn)為：7月5日以前，揭膜會降低土壤溫度，降幅隨土壤深度增加逐漸減少，降低最大值為6月15日5 cm深度的1.01℃，7月5日以后，揭膜對土壤溫度沒有明顯影響。

表1　2011年棉田灌水時間及灌水量

表2　土壤不同深度溫度變化/℃

注：日溫度為每小時測定一次，24小時的溫度平均值。

Note: Temperature was the average in 24 hours, which was determined every hour.

2.1.2揭膜對土壤含水量的影響圖1和圖2是不同處理頭水到8水土壤0～30 cm含水量的變化情況。除灌水當(dāng)日，4水前(7月11日)，頭水后揭膜的土壤含水量均比CK低，最大為6月21日，較CK降低3.73%。4水到7水，二者差異不明顯。8月1日—3日、7—9日頭水后揭膜比CK高，4日到6日較CK低。7水后，除了8月19日、8月20日外，其余天數(shù)都比CK高，最高為8月17日較CK增加2.35%。

2水后揭膜在6月24—7月11號(2～3水)期間土壤水分含量均比CK低，最低為7月3日較CK低3.12%，6月24日與CK差距最小為0.23%。7月12日—7月30日(4～5水)，土壤含水量有增有減，沒有明顯的變化規(guī)律。7月31日到8月24日，除了8月22日比CK降低0.85%，其余均增加，幅度在0.08%～4.08%。

土壤含水量的變化歸納起來主要表現(xiàn)為：4水前，揭膜會降低土壤含水量，降幅隨著澆水后天數(shù)推延逐漸變大，與CK最大差距為3.73%；4水后，揭膜處理對土壤含水量沒有明顯影響。

圖1　0～30 cm 1水～4水土壤含水量變化趨勢

圖20～30 cm 5水～7水土壤含水量變化趨勢

Fig.2Variation of soil moisture from the fifth irrigation to the seventh irrigation in 0～30 cm soil layer

2.2揭膜對棉花生長發(fā)育的影響

2.2.1揭膜對棉花根系發(fā)育的影響由表3可知：頭水后揭膜、二水后揭膜的棉花根重在出苗后45天、60天，分別為23.6、70.2、22.4 g·m-2和74.7 g·m-2，CK為23.3、71.6 g·m-2，揭膜處理和CK相比沒有顯著差異。出苗后75天，頭水后揭膜、二水后揭膜的棉花根重分別為115.6、119.2 g·m-2，顯著高于CK的93.7 g·m-2，這種趨勢一直保持到出苗后120天。

在出苗后65天和85天，測定了3個處理的側(cè)根數(shù)(表4)。出苗后65天，頭水后揭膜、二水后揭膜和CK的側(cè)根數(shù)分別為170、175 根·m-2和170 根·m-2，沒有顯著差異。出苗后85天，頭水后揭膜、二水后揭膜的側(cè)根數(shù)分別為265、270 根·m-2，顯著高于CK的215 根·m-2?？梢钥闯?，棉花頭水前后揭膜可以促進(jìn)棉花根系的生長。

表3　不同處理棉花根系干物質(zhì)積累的變化動態(tài)/(g·m-2)

注：同一欄內(nèi)不同字母所標(biāo)數(shù)值在0.05水平上差異顯著。

Note: Values followed by a different letter within a column were significantly different at the 0.05 probability level.

表4　不同處理棉花側(cè)根數(shù)/(根·m-2)

2.2.2根系積累速率和干物質(zhì)積累速率、冠根比的關(guān)系 棉花根系生物量積累與地上部干物質(zhì)積累均呈S型曲線。北疆棉花根系從4月中下旬開始生長至10月底拔稈期結(jié)束，其過程可分為指數(shù)增長期、線性增長期和平穩(wěn)減緩增長期三個階段。由表5可知，棉花出苗后75天，頭水后揭膜、2水后揭膜、CK根系生物量分別占最大生物量的60.97%、63.68%、55.09%，地上部干物質(zhì)積累量占最大生物量的58.65%、52.57%、48.12%。可以看出，根系干物質(zhì)積累早于地上部。比較不同處理之間的差異，頭水后揭膜和2水后揭膜出苗后75天之內(nèi)完成了60%以上的積累量，CK完成55.09%。相應(yīng)的揭膜處理地上部干物質(zhì)積累量在出苗后75天之內(nèi)完成52%～58%，而CK完成48.12%。由此說明，揭膜處理能夠促進(jìn)棉花地上部和根系的提前建成。

表5　不同處理棉花干物質(zhì)積累量與冠根比

由表5可知，成熟時頭水后揭膜、2水后揭膜、CK，棉花的干物質(zhì)積累量分別為：1 356.57、1 342.4、1 207.56 g·m-2。全生育期頭水后揭膜棉花莖葉和蕾鈴的干物質(zhì)積累量均高于CK。而二水后揭膜出苗60天之內(nèi)與CK接近，此時二水后棉花剛剛揭膜(揭膜后7天)，與CK長勢基本一致，隨著揭膜時間的延長，到出苗后75天，棉花莖葉和蕾鈴的干物質(zhì)積累量均高于CK。出苗后75天之內(nèi)頭水后揭膜棉花的冠根比較2水后揭膜和CK大，出苗后90天CK冠根比最高為5.91，出苗105天和120天，2水后揭膜的冠根比最高為6.19和7.17。

由表6可知，頭水后揭膜、2水后揭膜、CK根系干物質(zhì)的最快增長時期分別為出苗后68.9天、67.2天、71.7天，最大積累速率分別為3.92、4.04、2.81 g·d-1。頭水后揭膜、2水后揭膜、CK地上部干物質(zhì)最快增長時期72.2天、76.4天、81.1天，最大積累速率分別為21.43、21.87、17.68 g·d-1。揭膜處理根系干物質(zhì)積累和地上部干物質(zhì)積累均早于CK，最大積累速率也較CK大。揭膜條件下根系干物質(zhì)積累的線性增加期，頭水后揭膜為出苗后52.37～85.5天，二水后揭膜為51.49～82.85天，CK為50.17～93.20天，揭膜處理較CK縮短9.91～11.68天。揭膜條件下地上部干物質(zhì)積累的線性增加期，頭水后揭膜為出苗后51.30～93.17天，二水后揭膜為55.48～97.35天，CK為56.29～105.89天，揭膜處理的線性增長期較CK縮短8.54～12.72天。

表6　根系及地上部干物質(zhì)積累Logistic方程

2.2.3揭膜對棉花產(chǎn)量的影響表7為不同處理的產(chǎn)量及構(gòu)成。從表中可以看出，頭水后揭膜和2水后揭膜產(chǎn)量分別為5 593.42 kg·hm-2和5 715.36 kg·hm-2，顯著高于CK的5 277.79 kg·hm-2。從產(chǎn)量構(gòu)成因素中可以看出，頭水后揭膜和2水后揭膜單株成鈴數(shù)分別為6.81個和6.95個，顯著高于CK的6.95個。兩個處理的收獲株數(shù)及單鈴重和CK沒有顯著差異，說明產(chǎn)量差異主要來源于單株成鈴數(shù)的變化。

表7　不同處理棉花產(chǎn)量及構(gòu)成

注：同一欄內(nèi)不同字母所標(biāo)數(shù)值在0.05水平上差異顯著。

Note: Values followed by a different letter within a column were significantly different at the 0.05 probability level.

3討論

棉花生長發(fā)育及殘膜回收率與揭膜時間早晚密切相關(guān)，揭膜過早影響棉花發(fā)育，造成田間雜草較多，增加人工成本，揭膜過晚，給實際的田間操作造成困難，適時揭膜，尤為重要。吳振先[16]比較了頭水前一次性揭膜回收和頭水前揭去邊摸，棉花收獲揭行間膜，確定了最佳揭膜時間為6月30日，兩種揭膜方式棉花產(chǎn)量差別不大。張克禮[17]進(jìn)行了棉花澆頭水前揭膜試驗，比較了在阿拉爾墾區(qū)7月中旬到8月下旬揭膜與不揭膜溫度差異，6月30日揭膜棉花的生物性狀、經(jīng)濟(jì)性質(zhì)和產(chǎn)量均達(dá)到較好的水平。本試驗結(jié)果表明，在6月12日(頭水前)和6月23日(2水前)進(jìn)行揭膜對土壤的溫濕度和棉花生長發(fā)育沒有產(chǎn)生明顯的不利的影響，前后10天左右的時間跨度，更有利于大田生產(chǎn)的實際操作。

棉田揭膜后隨著土壤微環(huán)境的改變，棉花地上部生長與地下部根系發(fā)育產(chǎn)生相應(yīng)的效應(yīng)，據(jù)此可綜合分析評價新疆棉田揭膜可行性，宿俊吉等[12-13]的研究結(jié)果表明：適時揭膜的根層5、10、15 cm處根際溫度比全生育期覆膜平均低0.48℃。牛生和[18]的研究表明：在頭水前揭膜棉花單株鈴數(shù)、單鈴重和產(chǎn)量與不揭膜區(qū)差異不大。宿俊吉等[11]的試驗結(jié)果表明，揭膜促進(jìn)棉花后期發(fā)育，可延緩地膜棉花早衰。本試驗研究結(jié)果表明，7月5日以前，揭膜會降低土壤溫度, 7月5日以后，揭膜對土壤溫度沒有影響。棉花頭水后揭膜可以促進(jìn)棉花根系的生長，頭水后揭膜和2水后揭膜均可增產(chǎn)。為進(jìn)一步揭示揭膜后土壤微環(huán)境的改變及地上部效應(yīng)機(jī)制，我們將深入研究揭膜后根系、土壤酶活性及土壤鹽分、養(yǎng)分的變化規(guī)律。

通過揭膜后棉田產(chǎn)生的效應(yīng)機(jī)制，制定適合棉田揭膜的水肥運籌調(diào)控技術(shù)，對于棉田揭膜的大面積推廣應(yīng)用，具有實踐指導(dǎo)作用，此項技術(shù)可在本研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究。

4結(jié)論

棉花頭水前后揭膜，此時地膜對棉花的保溫保濕作用基本完成，不會對棉花生長發(fā)育造成明顯的影響。7月5日以前，揭膜可以降低土壤溫度，降低最大值為6月15日5 cm深度的1.01℃，7月5日以后，揭膜對土壤溫度沒有影響。4水前，揭膜可以降低土壤含水量，4水之后對土壤含水量沒有顯著影響。

揭膜可改變土壤的通透性，促進(jìn)棉花根系的生長，出苗后75天，頭水后揭膜、二水后揭膜的棉花根重分別比CK高18.94%和21.39%。揭膜處理地上部干物質(zhì)積累線性增加長期較CK縮短8.54～12.72天，根系干物質(zhì)積累縮短9.91～11.68天。

成熟時頭水后揭膜、2水后揭膜干物質(zhì)積累量分別為1 356.57、1 342.4 g·m-2，較CK分別增加12.34%和11.67%。揭膜處理產(chǎn)量較CK增加6.0%～8.3%，產(chǎn)量差異主要來源于單株成鈴數(shù)的變化。

參 考 文 獻(xiàn)：

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Effects of plastic film uncovering on soil temperature, moisture level, and cotton root growth

ZHANG Zhan-qin1, WEI Jian-jun1, YANG Xiang-kun1, LI Sheng-xiu2

(1.CropResearchInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationScience,Shihezi,Xinjiang832000,China;2.CottonResearchInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationScience,Shihezi,Xinjiang832000,China)

Abstract：To relieve the ecological influence by pollution of membrane residual in cotton fields and study the feasibility of uncovering plastic film at a suitable time in cotton with drip irrigation in Xinjiang, an experiment was carried out to investigate the effects of plastic film uncovering on soil temperature, moisture level , and cotton root growth .The results could provide a theoretical basis for plastic film uncovering in the mulched drip irrigation cotton field. Three treatments, including uncovering film after first irrigation (June 14), uncovering film after second irrigation (June 23), and normal film covering (CK), were implemented. Soil temperature and moisture level were determined continuously from first irrigation to last irrigation. At the same time, the dynamic accumulations of dry matter and root growth were monitored and the yield was examined at the mature stage. When plastic film was uncovered after first or second irrigation, soil temperature before July 5th was decreased, and amplitude was minimized with the increase in depth. Moisture level before fourth irrigation was also decreased, and the reduction amplitude became increased with time. Plastic film uncovering could promote cotton root growth, improve weight of dry matter and number of lateral roots. Compared with CK, uncovering plastic film resulted in the linear period of aboveground dry materials growth shortened by 8.54～12.72 d, linear period of root growth reduced by 9.91～11.68 d, dry materials improved by 12.34%～11.67% and yield increased by 6.0%～8.3%.

Keywords:uncovering plastic film; soil; temperature and moisture; root; cotton

中圖分類號：S562

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：張占琴(1983—)，女，碩士，副研究員，主要從事耕作與農(nóng)作物栽培研究工作。 E-mail: zzq3000qwe@163.com。通信作者：魏建軍(1966—)，男，博士，研究員，主要從事耕作與農(nóng)作物栽培研究工作。 E-mail: xjwjj807@163.com。

基金項目：兵團(tuán)科技攻關(guān)計劃“不同覆膜方式對棉田土壤理化性狀和棉花生長發(fā)育的影響”(2010GG05)；新疆農(nóng)墾科學(xué)院青年科學(xué)基金項目“揭膜對棉田土壤性狀、棉花生長及產(chǎn)量的影響”(YQJ201109)；谷物品質(zhì)與遺傳改良兵團(tuán)重點實驗室基金項目(CQG2012-XJ04)

收稿日期：2015-01-10

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.09

文章編號：1000-7601(2016)02-0055-07