不同顏色地膜覆蓋對(duì)玉米土壤水熱狀況及產(chǎn)量的影響

張 琴

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

由于地膜覆蓋具有明顯的增溫、保墑、控鹽、增產(chǎn)、早熟和提高作物水分利用效率等多重優(yōu)點(diǎn)[1-7]，在河套灌區(qū)玉米種植的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛采用。但是近些年來(lái)通過(guò)研究和生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，普通農(nóng)用白色地膜同樣對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響，與當(dāng)?shù)芈愕胤N植相比玉米出現(xiàn)了不同程度的早衰現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也針對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究，張冬梅等[8]研究發(fā)現(xiàn)，由于地膜覆蓋顯著提高了耕層土壤溫度，從而使得玉米生長(zhǎng)進(jìn)程加快，生育期提前，這也使玉米抽雄期前后遭受了嚴(yán)重的干旱脅迫，減產(chǎn)嚴(yán)重。李世清等[9]研究指出，普通農(nóng)用地膜覆蓋一定程度上是以過(guò)度消耗土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的代價(jià)來(lái)達(dá)到作物的高產(chǎn)，從而導(dǎo)致作物生長(zhǎng)后期養(yǎng)分供給不足，造成減產(chǎn)。Zaongo等[10]研究認(rèn)為，地膜覆蓋后作物生育前期生長(zhǎng)旺盛，使得土壤養(yǎng)分和水分消耗嚴(yán)重，這也使生育后期土壤出現(xiàn)嚴(yán)重的脫肥、脫水現(xiàn)象，造成了作物的早衰和產(chǎn)量的降低。白色地膜覆蓋造成的玉米早衰現(xiàn)象已經(jīng)成為影響干旱半干旱地區(qū)玉米高產(chǎn)的主要因素，不少地區(qū)針對(duì)這一問(wèn)題采取先覆膜、生育后期揭膜的措施來(lái)進(jìn)行緩解[11]，但由于工作量較大，難以大面積實(shí)施和推廣。

由于黑色地膜較白色地膜覆蓋同樣具有增溫、保墑等作用，同時(shí)其透光率低，在高溫季節(jié)相對(duì)白色地膜具有降低土壤溫度的效應(yīng)，因此在番茄[12]、馬鈴薯[13]、棉花[14]等作物種植上得到了一定的應(yīng)用，但是對(duì)于玉米種植的應(yīng)用研究鮮有報(bào)道，同時(shí)在鹽漬化灌區(qū)玉米種植的應(yīng)用更是未見(jiàn)報(bào)道。本研究針對(duì)灌區(qū)白色地膜覆蓋造成的玉米早衰現(xiàn)象，擬在灌區(qū)常規(guī)白色農(nóng)業(yè)地膜覆蓋基礎(chǔ)上，引入黑色地膜覆蓋，并以不覆膜處理為對(duì)照展開(kāi)研究，分析不同覆蓋條件下玉米根系區(qū)的土壤水熱狀況及對(duì)產(chǎn)量的影響機(jī)理，為黑色地膜覆蓋在灌區(qū)的推廣提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，對(duì)灌區(qū)玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)磴口縣補(bǔ)隆淖鎮(zhèn)夾道村，該地區(qū)多年干旱少雨，年平均降雨量139.8 mm，蒸發(fā)量2 374.6 mm；多年平均氣溫為7.6 ℃，平均日照時(shí)數(shù)3 183 h，年平均風(fēng)速2.84 m/s，年平均無(wú)霜期在130 d左右。試驗(yàn)區(qū)0～20 cm為粉砂壤土，20～100 cm為粉砂質(zhì)黏壤土，土壤平均容重為1.47 g/cm3；耕作層凋萎系數(shù)9.3%，田間持水量21.2%，灌溉水源為黃河水，作物全生育期地下水位平均在1.5～2.5 m。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用玉米品種選用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種西蒙6號(hào)，試驗(yàn)所用普通白色、黑色地膜為內(nèi)蒙古華豐商貿(mào)有限責(zé)任公司生產(chǎn)，膜寬70 cm。

試驗(yàn)采用小區(qū)試驗(yàn)，進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)面積60 m2(6 m×10 m)，試驗(yàn)設(shè)置黑色地膜、白色地膜和不覆膜3個(gè)處理，3次重復(fù)。機(jī)械整地覆膜后，人工點(diǎn)播玉米，各處理每壟種2行玉米，行距50 cm，株距28 cm；按當(dāng)?shù)赜衩追N植常規(guī)施肥量，玉米播種時(shí)施底肥450 kg/hm2(磷酸二銨)，灌第一水時(shí)施尿素450 kg/hm2，灌第二水時(shí)施尿素300 kg/hm2，玉米全生育期共灌3次水，按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌溉制度進(jìn)行灌溉。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

準(zhǔn)確記錄玉米不同生育期所對(duì)應(yīng)的日期，包括苗期、拔節(jié)期、抽雄吐絲期、灌漿期和成熟期；每個(gè)生育期連續(xù)3天采用直角地溫計(jì)觀測(cè)各處理0～25 cm土壤溫度，于每日8∶00至20∶00每2h觀測(cè)一次；每隔7 d于玉米行間采用土鉆取土，烘干稱(chēng)重法測(cè)定土壤含水率，每個(gè)處理取3次重復(fù)，取樣深度0～100 cm，每20 cm為一層；玉米成熟期，各處理選取具有代表性的15株測(cè)定其穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)、百粒重并計(jì)算產(chǎn)量。

1.4 水分利用效率計(jì)算

WUE=Ya/ETa

(1)

ETa=ΔW+P+I+G-D

(2)

式中：Ya為玉米產(chǎn)量，kg/hm2；ETa為玉米生育期耗水量，mm；ΔW為玉米生育期內(nèi)0～100 cm土壤貯水量變化，mm；P為玉米生育期有效降雨量，mm；I為灌溉量，mm；G為地下水補(bǔ)給量，mm；D為深層滲漏量，mm。

1.5 水分通量的確定

本研究分別在各處理小區(qū)中間埋設(shè)80、100 cm兩根張力計(jì)，選定距地表為100 cm處為作物根系層下邊界，采用達(dá)西定律計(jì)算地下水補(bǔ)給量與滲漏量。

(3)

式中：ψm1和ψm2分別為土壤層深度為80和100 cm處的基質(zhì)勢(shì)值，hPa；θ為80和100 cm處的平均體積含水率，%；Z1和Z2為兩處的埋深，cm。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用Mircrosoft-Excel2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制圖表，采用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS17.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同顏色地膜覆蓋對(duì)土壤溫度日變化的影響

圖1為不同覆蓋方式下表層0～25 cm土壤溫度日變化曲線，以拔節(jié)期(晴天)為例。由圖可知，3種覆膜條件下地溫日變化趨勢(shì)較為一致，受外界環(huán)境的影響，整體表現(xiàn)為表層變化幅度較大，而深層變幅較小。表層5 cm處土壤溫度自早8∶00開(kāi)始隨氣溫升高及太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，至下午14∶00達(dá)到全天內(nèi)的峰值，而表層10、15 cm處地溫則具有明顯的滯后效應(yīng)，在16∶00和18∶00出現(xiàn)峰值，之后隨時(shí)間的推移，在土壤與大氣溫度差的溫度梯度作用下開(kāi)始進(jìn)入散熱過(guò)程。太陽(yáng)輻射增強(qiáng)后，土壤表層對(duì)熱量的吸熱程度逐漸大于散熱，這也使得20～25 cm土壤溫度在8∶00至10∶00呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)，但之后在溫度梯度的作用下逐漸呈現(xiàn)增溫趨勢(shì)，同時(shí)由于該土層受外界環(huán)境影響較弱，因此整日內(nèi)變化幅度較小，且沒(méi)有明顯的峰值出現(xiàn)[7]。

圖1 土壤溫度日變化

2.2 不同顏色地膜覆蓋對(duì)各生育期土壤溫度變化的影響

由上文可知，土壤表層0～15 cm各土層溫度變幅較大，而深層相對(duì)平緩。圖2為不同處理各生育期0～15 cm土壤平均溫度變化曲線，由圖可知，各處理不同生育期內(nèi)均呈現(xiàn)開(kāi)口向下的二次拋物線形變化規(guī)律，且極值點(diǎn)均出現(xiàn)在下午14∶00。對(duì)比各處理間差異發(fā)現(xiàn)，黑色地膜和白色地膜覆膜條件下的平均地溫均顯著高于不覆膜處理(P<0.05)，各生育期平均高0.94和1.72 ℃；而黑色地膜覆蓋條件下0～15 cm土壤平均溫度則顯著低于白色地膜(P<0.05)，平均低0.77 ℃，且在氣溫相對(duì)較高的12∶00至16∶00之間差異更為明顯，各生育期3個(gè)時(shí)段平均低1.19、1.13和1.07 ℃，最高差值達(dá)到了2.13 ℃。由此可見(jiàn)，同不覆膜處理相比，黑色地膜和白色地膜覆蓋一樣實(shí)現(xiàn)了提高作物耕層土壤溫度和保溫的效果，但黑色地膜較白色地膜有效降低了0～15 cm土壤平均溫度，且在一日內(nèi)氣溫最高時(shí)段更為顯著，這也使得玉米免遭高溫的危害，有利于玉米的正常生長(zhǎng)發(fā)育，這一結(jié)論與路海東等[15]的研究結(jié)果相同。

通過(guò)對(duì)比玉米不同生育期內(nèi)各處理土壤溫度的差異發(fā)現(xiàn)，玉米苗期、拔節(jié)期以及成熟收獲期各處理土壤溫度差異性較大且日變幅更大，而生育中期的抽雄吐絲期和灌漿初期差異相對(duì)較小。這主要是由于玉米生育前期植株相對(duì)矮小，而成熟收獲期葉片逐漸枯黃凋萎，從而使得群體透光度增加，地面直接接收太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度增強(qiáng)，而不同顏色地膜對(duì)光照的吸收程度和透光率大小不同，且白色地膜透光能力更強(qiáng)[16]，從而使得此時(shí)白色地膜覆蓋條件下的土壤溫度顯著高于黑色地膜。而玉米生育中期的抽雄吐絲期和灌漿初期，由于此時(shí)玉米枝葉茂盛，地面的透光度減弱，阻礙了地面直接接受陽(yáng)光的輻射，從而使得地膜的增溫效應(yīng)減弱，此階段各處理的土壤溫度差異較小[17]。

圖2 不同顏色地膜覆蓋下玉米各生育期0～15 cm土壤平均溫度變化

2.3 不同顏色地膜覆蓋對(duì)各生育期土壤含水率變化的影響

圖3為玉米各生育期不同處理?xiàng)l件下0～100 cm土壤平均含水率變化曲線，全生育期來(lái)看，兩種覆膜處理?xiàng)l件下土壤含水率無(wú)顯著性差異(P>0.05)，但均明顯高于不覆膜處理，而由于試驗(yàn)區(qū)作物全生育期內(nèi)地下水位下位平均在1 m左右，使得下層土壤含水率受淺層地下水的補(bǔ)給作用，整個(gè)生育期內(nèi)各處理80～100 cm含水率大小處于相近水平。玉米生育前期(苗期)，作物植株較小，耗水強(qiáng)度低，但在蒸發(fā)作用下不覆膜處理0～60 cm平均土壤含水率分別較白色地膜和黑色地膜覆蓋低10.35%和10.76%，差異性顯著(P<0.05)。玉米生育中期(拔節(jié)期至灌漿初期)是生長(zhǎng)的關(guān)鍵階段，植株生長(zhǎng)旺盛，對(duì)于干旱少雨的河套灌區(qū)來(lái)說(shuō)，此階段良好的土壤水分條件更有利于玉米的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成，研究發(fā)現(xiàn)，此生育階段黑色地膜和白色地膜覆蓋條件下0～100 cm平均相差0.39%～1.01%，差異性不顯著(P>0.05)，但均顯著高于不覆膜處理，且0～60 cm達(dá)到了顯著或極顯著性差異(P<0.05或P<0.01)，黑色和白色地膜覆蓋平均較不覆膜處理高17.95%、13.72%、9.02%和16.47%、14.38%、13.83。玉米生育末期(成熟期)，由于長(zhǎng)時(shí)間不灌溉，以及在騰發(fā)的耗水作用下各土層含水率平均值達(dá)到了全生育期的最低水平，但此時(shí)同樣表現(xiàn)出兩種覆膜條件下0～60 cm土壤含水率顯著高于不覆膜處理(P<0.05)，平均高7.59%和7.78%，而下層土壤差異性不顯著。綜上可知，與白色地膜覆蓋相比，黑色地膜同樣具有較好的土壤保墑效果且差異性不明顯。

圖3 不同顏色地膜覆蓋下玉米各生育期土壤平均含水率變化

2.4 不同顏色地膜覆蓋對(duì)玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由表1不同處理?xiàng)l件下玉米產(chǎn)量指標(biāo)及水分利用效率可知，兩種顏色地膜覆蓋條件下玉米穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)差異性不顯著(P>0.05)，但均顯著高于不覆膜處理(P<0.05)；而就玉米百粒重和總產(chǎn)量來(lái)說(shuō)，黑色地膜覆蓋要顯著高于白色地膜和不覆膜處理(P<0.05)，百粒重平均高6.46%、9.86%，產(chǎn)量平均高5.99%和25.60%，這主要是因?yàn)楹谏啬づc白色地膜保墑效果相近，但較白色地膜相對(duì)降低了玉米耕層土壤溫度，從而延緩了玉米根系和植株的衰老，從而使得玉米百粒重和產(chǎn)量提高[10,18]，但這一結(jié)論有待于進(jìn)一步取樣驗(yàn)證。不覆膜處理作物總耗水量顯著高于黑色地膜和白色地膜覆蓋處理(P<0.05)，平均高6.92%和8.17%，而兩種覆膜條件下作物耗水量差異不顯著(P>0.05)，這也進(jìn)一步說(shuō)明兩種地膜覆蓋下的土壤保墑效果相當(dāng)，均較不覆膜處理減少了土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)。就作物水分利用效率來(lái)看，黑色地膜覆蓋分別較白色地膜覆蓋和不覆蓋高4.76%和34.24%，且與不覆膜處理達(dá)到了顯著性差異(P<0.05)，但這與路海東等[16]的研究結(jié)果略有不同，這主要與當(dāng)?shù)刈匀粭l件不同有關(guān)。

表1 不同處理?xiàng)l件下玉米產(chǎn)量指標(biāo)及水分利用效率

3 討論與結(jié)論

(1)玉米作為典型的喜溫性作物，生育前期過(guò)高的耕層土壤溫度會(huì)使得玉米植株生長(zhǎng)進(jìn)程加快，但這樣會(huì)造成玉米體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)生逆差，造成早衰現(xiàn)象的發(fā)生[15]，從而影響產(chǎn)量的形成。本研究通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，黑色地膜在各生育期內(nèi)0～15 cm土壤溫度要顯著的低于白色地膜覆蓋(P<0.05)，平均低0.77 ℃，且在一日內(nèi)氣溫最高時(shí)段差異更為明顯，這也使得玉米免遭高溫的危害，有利于其正常生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)兩種覆膜條件下土壤平均溫度均顯著高于不覆膜處理(P<0.05)，說(shuō)明黑色地膜在起到保溫效果的同時(shí)也在高溫條件下起到了降溫的效果，這一結(jié)論與前人研究結(jié)果[12,13,15]較為一致。

(2)全生育期來(lái)看，黑色地膜0～100 cm土壤含水率與白色地膜覆蓋相比無(wú)顯著性差異(P>0.05)，同樣具有較好的土壤保墑效果，但均顯著或極顯著高于不覆膜處理(P<0.05或P<0.01)，而隨生育期的結(jié)束，差異性逐漸減小。

(3)通過(guò)對(duì)玉米產(chǎn)量指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種覆膜條件下玉米穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)無(wú)明顯差異，但均顯著高于不覆膜處理(P<0.05)，而黑色地膜覆蓋的玉米產(chǎn)量和百粒重均顯著高于白色地膜覆蓋和不覆膜處理(P<0.05)，這主要是因?yàn)楹谏啬ぽ^其他處理延緩了根系的衰老，生育期延長(zhǎng)，從而使得產(chǎn)量提高[15]，但這一結(jié)論有待于進(jìn)一步取樣驗(yàn)證。黑色地膜覆蓋作物水分利用效率平均較白色地膜和不覆膜處理高4.76%和34.24%。因此綜合考慮，玉米黑色地膜覆蓋的農(nóng)作措施較適宜在灌區(qū)推廣應(yīng)用。

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