黃土塬區(qū)不同地膜覆蓋度下土壤水熱狀況研究

劉春芬, 劉文兆,, 林 文, 韓曉陽, 李 超

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土塬區(qū)不同地膜覆蓋度下土壤水熱狀況研究

劉春芬1, 劉文兆1,2, 林 文2, 韓曉陽2, 李 超3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

為進(jìn)一步優(yōu)化覆膜種植模式、了解作物增產(chǎn)機(jī)制，比較了黃土塬區(qū)無作物種植的旱作農(nóng)田壟溝條件下土壤水熱狀況對不同地膜覆蓋度(30%，50%，70%，85%，100%，CK即0%)的響應(yīng)特征。結(jié)果表明：(1) 地膜覆蓋保水效果(Y，4—9月土壤貯水增量)與覆蓋度(X)呈正相關(guān)關(guān)系，擬合方程為Y=1.65X+42.60，相關(guān)系數(shù)R=0.98；地膜覆蓋度越大，5 m土層內(nèi)有效蓄積降水量越多；覆膜條件下降水入滲土壤的深度已到3 m以下。(2) 土壤表層溫度隨覆蓋度的增大而升高，有助于低溫季節(jié)作物出苗；85%膜地溫與全膜基本相近。地膜覆蓋度從30%增加到85%過程中，白天地溫達(dá)到峰值的速度加快，峰值加大。(3) 綜合考慮農(nóng)田覆膜栽培的土壤水熱狀況及經(jīng)濟(jì)效益，以85%地膜覆蓋為最佳選擇。

黃土塬區(qū); 地膜; 不同覆蓋度; 土壤水分; 土壤溫度

在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，地膜覆蓋種植玉米已得到大面積推廣，在土壤蓄水量、葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率、水分利用效率以及產(chǎn)量性狀等指標(biāo)上均較傳統(tǒng)種植表現(xiàn)優(yōu)越[1-2]。但由于氣候和管理方式的差異，采用的地膜覆蓋度參差不齊。地膜覆蓋寬度把握不當(dāng)易影響作物生產(chǎn)力；而合適的薄膜寬度一方面能最大限度地增溫保水，另一方面還可以節(jié)約成本，提高覆膜的經(jīng)濟(jì)性，因此不同地膜覆蓋度的研究對于該區(qū)域糧食生產(chǎn)尤為必要[3-7]。實際生產(chǎn)中人們在玉米地膜覆蓋方面不斷創(chuàng)新，將地膜與壟溝有效結(jié)合，由最初的半膜平鋪逐漸發(fā)展為壟溝半膜、壟溝全膜等，同時研究者們也進(jìn)行了覆膜結(jié)合壟溝的多種嘗試。李小雁等[8]的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玉米在株高、產(chǎn)量、穗粒重、水分利用效率和耗水量方面，均呈現(xiàn)壟溝全膜>壟溝半膜>單純壟溝>平地裸種的趨勢。針對壟溝覆膜集雨系統(tǒng)，王曉凌等[9]指出，60 cm壟寬的壟溝覆膜集雨種植的玉米產(chǎn)量和水分利用效率高于30 cm壟寬。另有研究表明，并非覆膜壟寬越大，溝中所集降雨越多、作物產(chǎn)量越高，例如，王俊鵬等[10]在寧南的研究發(fā)現(xiàn)，壟溝寬均為60 cm的覆膜集雨明顯比壟溝寬均為75 cm的效果好，在春小麥和玉米作物上，60 cm壟寬比75 cm壟寬分別增產(chǎn)24%，18%。Li等[11]發(fā)現(xiàn)，在溝寬為60 cm，壟寬分別為60 cm和120 cm的模式下種植玉米時，120 cm壟寬的產(chǎn)量顯著低于60 cm壟寬。

以往的研究大多側(cè)重于薄膜平鋪、壟溝半膜、壟溝全膜等某一固定模式的研究，不同地膜覆蓋度間的效應(yīng)對比涉及不多，作物種植方式也有所區(qū)別。為了更明確地比較旱作農(nóng)田地膜覆蓋度間的土壤水熱效應(yīng)差異，本研究在相同壟溝的基礎(chǔ)上設(shè)置了不同地膜覆蓋度，對玉米生長季內(nèi)的土壤水分和土壤溫度變化特征進(jìn)行了分析，以期為優(yōu)化覆膜種植作物提供指導(dǎo)，也可為水熱運移模型提供相關(guān)的數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于中國科學(xué)院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站進(jìn)行，該站地處黃土高原南部的陜甘交界處，北緯35°14′，東經(jīng)107°41′，海拔1 200 m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。1月平均氣溫5.1℃，7月平均氣溫22.4℃，年均氣溫9.1℃，≥10℃年積溫2 994℃，年日照時數(shù)2 218 h，無霜期171 d。年均降水量584 mm，多分布在7—9月份，地下水埋深50～80 m，農(nóng)田生產(chǎn)全部依靠自然降水，屬典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤屬黑壚土，pH值為8.4，土質(zhì)均勻疏松。試驗期間降水量及月均氣溫見圖1。

1.2 試驗材料與設(shè)計

試驗在2015年4月至9月進(jìn)行，未種植作物，小區(qū)面積4 m×6 m，各小區(qū)壟、溝寬均為50 cm，壟高15 cm。壟上覆膜，共設(shè)置了6個薄膜覆蓋度，分別為0%(CK)，30%(T1)，50%(T2)，70%(T3)，85%(T4)，100%(T5)，重復(fù)3次，18個小區(qū)完全隨機(jī)排列，其他管理措施一致。為減少雜草蒸騰耗水對試驗帶來的影響，試驗期間定期除草。試驗采用無色透明的聚乙烯塑料薄膜，厚度0.015 mm，增溫、保濕性能好。

圖12015年4-9月長武氣溫及降雨量

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分 2015年4月至9月期間，采用土鉆法測定各小區(qū)溝中的土壤含水量，試驗開始和結(jié)束兩次的取樣深度為0—500 cm，試驗期間每10 d一次，深度為0—500 cm，試驗期間為0—200 cm；1 m以上取樣間隔10 cm，1 m以下間隔20 cm，每個處理相同測定指標(biāo)3次重復(fù)。所取土壤樣品放在105℃的烘箱中烘至恒重，測定土壤的含水量并按公式(1)計算土壤貯水量：

E=C×ρ×H

(1)

式中：E表示貯水量(mm)；C表示土壤質(zhì)量含水量(%)；ρ表示土壤容重(g/cm3)；H表示土層深度(mm)。

土壤貯水增量，為相應(yīng)土層厚度內(nèi)試驗后與試驗前土壤貯水量的差值。

1.3.2 土壤溫度 采用JM624地溫計測定土壤溫度，主要包括：(1) 15 cm地溫連續(xù)觀測：在春玉米生長季(4—9月)內(nèi)測定壟、溝15 cm土層的溫度，測定時間為每天的8：00，14：00，20：00。

(2) 15 cm地溫日變化：每10 d左右進(jìn)行一次，測定時間為每天的8：00，10：00，12：00，14：00，16：00，18：00，20：00；(3) 5 cm，10 cm地溫：分別測定壟、溝各土層的溫度，每10 d左右進(jìn)行一次，測定時間為每天的8：00，14：00，20：00。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Microsoft Excel 2010，IBM SPSS Statistics 20和SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤水分的影響

2.1.1 薄膜覆蓋度與土壤保水效果的關(guān)系 本研究中，土壤的保水效果用4月和9月(當(dāng)?shù)赜衩撞シN前和收獲后)的0～5 m土層貯水量的差值表示。覆蓋度與貯水增量的關(guān)系見圖2，以薄膜覆蓋度(X，%)為橫坐標(biāo)，以貯水增量(Y，mm)為縱坐標(biāo)，擬合覆蓋度與貯水增量的關(guān)系式為Y=1.65X+42.60，相關(guān)系數(shù)R=0.98，達(dá)到極顯著水平。從該關(guān)系式可以看出，試驗后貯水增量隨覆蓋度的增大呈增加趨勢，以全膜覆蓋的貯水增量最大，為213.94 mm，顯著高于CK和T1(p<0.05)。T2，T3，T4和T5的貯水增量均無顯著差異。

從圖3可看出，試驗前各處理溝中土壤含水量的垂直變化規(guī)律基本一致，0—60 cm，100—280 cm土層水分逐漸減少；60—100 cm，300—500 cm土層水分逐漸增加，且300 cm以下土壤含水量增加不明顯。經(jīng)過4個多月的不同覆膜處理，土壤含水量呈現(xiàn)明顯的差異，其中不覆膜處理(CK)在整個0—500 cm土層的含水量均低于其他覆膜處理。與覆膜前相比，在0—100 cm土層，CK減小，T2，T3，T4，T5增大，T1先減小后增大；所有覆膜處理在100 cm以下土層的水分含量較覆膜前均有所增加，且300 cm以下土層差異明顯，以T4和T5的保水效果最好。分析整個土層可知保水效果依次為T5>T4>T3>T2>T1>CK，T5與T4，T3與T2的含水量變化基本相近。

圖2覆蓋度與5m土層內(nèi)貯水增量的關(guān)系

圖3試驗前、后各處理5m土層內(nèi)土壤含水量

2.1.2 試驗前后溝中5 m土層貯水增量占降水量的比重 表1為試驗前后溝中5 m土層貯水增量占當(dāng)?shù)亟邓康陌俜致?，試驗期總降水量?84.2 mm?？煽闯觯囼灪? m土層內(nèi)無膜處理(CK)只吸收了降水量的11%，T1，T2，T3，T4，T5覆膜處理利用降水量的比值依次為23%，37%，36%，48%，56%。薄膜覆蓋度越大，試驗期間5 m土層對降水的利用率越高。若以地膜覆蓋度(X，%)為橫坐標(biāo)，以貯水增量占降水量的百分率(Y，%)為縱坐標(biāo)，擬合關(guān)系式為Y=0.43X+11.09，相關(guān)系數(shù)R=0.98。

因此可推出，土壤蒸發(fā)量隨覆蓋度的增大呈減小趨勢，說明薄膜覆蓋度的增大有利于提高土壤貯水量，抑制土壤水分的無效蒸發(fā)，起到良好的保水保墑效果。

2.1.3 各覆膜條件下的土壤含水量剖面分析 圖4為各覆膜處理2 m土層含水量的動態(tài)變化，受降雨和田間表土層強(qiáng)烈蒸發(fā)的影響，各覆膜處理溝中0—20 cm土層含水量隨時間的推移變化劇烈；60—100 cm土層含水量變化相對小；100—200 cm土層含水量變化又趨于明顯。

表1 試驗前后5 m土層貯水增量占降水量的百分率

進(jìn)一步分析圖中數(shù)據(jù)可得，從5月23日到10月1日，T1，T2，T3，T4和T5覆蓋處理溝中0—20 cm土層平均含水量分別較對照CK增加了0.01%，1.56%，1.64%，2.27%和3.02%，可見在0—20 cm土層，隨覆蓋度的增大，土壤含水量增大。20—60 cm土層各覆膜處理的平均含水量較CK依次增加0.19%，0.90%，1.16%，1.37%，1.97%，與0—20 cm土層相比，增加值大體呈降低趨勢。說明在20—60 cm土層，含水量隨覆蓋度的增大依然增大，但增幅變小。與此類似，60—100 cm和100—200 cm各覆膜處理含水量較CK的增幅隨土層加深呈逐漸減小的趨勢。因此增大地膜覆蓋度所產(chǎn)生的保水效果隨土層加深而減小。

圖4各覆膜處理2m土層含水量的動態(tài)變化

2.2 土壤溫度變化

2.2.1 覆膜初期土壤溫度 地溫是影響玉米種子出苗的重要因素，為解決春季低溫導(dǎo)致出苗率低和苗弱的現(xiàn)象，提高苗期土壤溫度顯得尤為關(guān)鍵。圖5為播種后1個月溝中不同土層地溫隨時間的變化，可看出隨著土層的加深，地溫總體呈下降趨勢，且各覆膜處理差異逐漸變小。T5在5 cm，10 cm和15 cm土層的日均地溫較CK分別升高1.9～3.7℃，1.6～4.1℃，0.1～2.6℃。各覆膜處理較CK均有明顯的增溫效應(yīng)，且增溫效果隨覆蓋度增加基本呈增大趨勢，T5與T4相比差別不大。在當(dāng)?shù)赜衩壮雒缙?4月27日至5月8日)，增大覆蓋度明顯提高了表層土壤溫度。

圖5不同土層地溫的動態(tài)變化

2.2.2 覆蓋度與地溫增量的關(guān)系 表2給出了薄膜覆蓋度與各處理壟、溝15 cm土層地溫增量的關(guān)系，以薄膜覆蓋度(X，%)為橫坐標(biāo)，以地溫增量(Y，℃)為縱坐標(biāo)，擬合方程。所有關(guān)系均構(gòu)成直線方程，表明地溫增量均隨覆蓋度的增大而增大。

試驗期間壟上增溫幅度為1.5～7.7℃，最小值出現(xiàn)在5月的30%覆膜處理，最大值出現(xiàn)在8月的全膜處理。整體而言，不同覆膜處理的增溫效果為T5>T4>T3>T2>T1(表3)。比較各月份壟溝差異(表2)可知，壟上地溫增量隨月份的推移斜率逐漸增大；溝中地溫在5月，6月，7月的斜率依次增大，8月有略降低的趨勢；壟上各月增量大于溝中。

表2 覆蓋度與地溫增量的關(guān)系

注：**表示p<0.01水平顯著相關(guān)。

2.2.3 不同月份各處理壟上15 cm地溫日變化特征 5—8月間，壟上15 cm土層地溫的日變化(圖6)表明，覆蓋度越大，白天地溫達(dá)到最大值的速度越快，且峰值越高；而全膜白天地溫與85%膜基本相近。另外，在較低覆蓋度范圍，各覆膜處理地溫差異較大，T3相對T2的地溫增量小于T2相對T1的地溫增量。6月，7月的溫度相對較高，覆蓋處理與CK相比的增溫幅度也較大。且氣溫越高，各覆膜水平地溫差異越大。6月，7月的地溫最大值分別為40.3℃(出現(xiàn)在T4的16：00)和41.3℃(出現(xiàn)在T5的18：00)。在8月氣溫降低時，最大值為39.3℃，出現(xiàn)在T4的16：00。說明在5月—8月，月均氣溫先升后降的情況下，15 cm土層白天溫度最大值也先增大后減小，且最大值出現(xiàn)的時間在一天中先延后再推前。

表3 各月份壟上日平均增溫效果比較

圖6不同覆蓋度下5-8月15cm平均地溫日變化

3 討論與結(jié)論

(1) 已有研究[12-14]證明在土壤貯水量方面，全膜壟溝﹥半膜壟溝﹥單純壟溝，且全膜壟溝能夠顯著增加土壤貯水量，有效蓄積有限的降水。在此基礎(chǔ)上，本研究給出了地膜保水效果與覆蓋度的擬合方程式，為Y=1.65X+42.60，相關(guān)系數(shù)R=0.98，即增大地膜覆蓋度有利于提高土壤貯水量。從土層貯水量、土壤剖面含水量以及有效蓄積降水量等方面對比得出保水效果以85%膜和全膜為最佳，定量化地完善了農(nóng)田覆膜機(jī)制。試驗期間全膜覆蓋5 m土層蓄積降水量達(dá)56%，比對照CK高出45個百分點，起到了良好的保水作用。6個覆膜處理的含水量差異主要出現(xiàn)在300 cm以下土層，說明覆膜條件下降水入滲土壤的深度已到3 m以下，土壤水庫得到充分補(bǔ)充。

(2) 在5 cm，10 cm和15 cm土層，地膜的增溫效果隨覆蓋度的增加而增大，85%膜和全膜增溫明顯。據(jù)王敏[14]，李興[15]等研究報道，覆膜處理與不覆膜處理相比，增溫最明顯的時期是在玉米出苗至拔節(jié)，且在黃土高原旱作區(qū)，地膜覆蓋使玉米生育前期0—25 cm土層的日平均溫度比露地提高2.2～3.0℃。還有研究[16-18]指出，耕層溫度在24～31℃范圍，玉米的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)明顯上升，溫度越高越利于出苗；而低于20℃高于35℃時，出苗率低。當(dāng)?shù)赜衩壮雒缙诟鞲材に? cm土層增溫明顯，由CK的19.3～25.0℃增大到T5的21.2～28.8℃，增大薄膜覆蓋度可通過提高表層土壤溫度顯著改善玉米出苗狀況。從整體看，不同覆膜處理的增溫效果為全膜>85%膜>70%膜>50%膜>30%膜，85%膜與全膜的增溫效果相近。

2015年的氣溫月均值在5月，6月，7月逐漸增大，8月有減小的趨勢。在分析覆蓋度與地溫增量的關(guān)系時，壟上增幅隨月份增大；而溝中為先增大后減小，與氣溫月均值變化一致。說明與壟上相比，溝中地溫與氣溫關(guān)系緊密。壟上增幅在8月氣溫降低的情況下略有增大，可能與積溫或水熱耦合效應(yīng)[19-20]有關(guān)。已有研究認(rèn)為，溫度升高會導(dǎo)致玉米生育期縮短，減少干物質(zhì)積累時間，從而導(dǎo)致其產(chǎn)量下降[21-24]；劉小蘭等[25]也指出，土壤增溫會加快作物根系早衰和土壤有機(jī)質(zhì)的礦化及養(yǎng)分損失。據(jù)李興[15]等研究報道，覆膜處理與不覆膜處理相比，增溫最明顯的時期是在玉米出苗至拔節(jié)，后期增溫減慢。因此如果覆膜種植玉米，土壤適當(dāng)?shù)卦鰷夭粫τ衩咨L后期造成太大的危害，但全膜增溫最劇烈，容易產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。另外全膜的經(jīng)濟(jì)成本最高，不應(yīng)成為最佳選擇。

(3) 綜合考慮實際應(yīng)用生產(chǎn)中覆膜初期的提溫效果、高溫季節(jié)的負(fù)效應(yīng)、整個階段的保水作用及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)成本，試驗得出85%為最佳地膜覆蓋度?；?個覆膜處理的田間試驗數(shù)據(jù)建立的覆蓋度對土壤水分和土壤溫度的差異化影響模式，為旱作農(nóng)田覆膜保水提供重要依據(jù)。

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SoilHydrothermalStatusUnderDifferentDegreesofFilmMulchingCoverageontheLoessTableland

LIU Chunfen1, LIU Wenzhao1,2, LIN Wen2, HAN Xiaoyang2, LI Chao3

(1.CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

In order to further optimize film planting patterns and understand crop production mechanisms, responsive characteristics of soil hydrothermal status to different degrees of film mulching coverage (30%, 50%, 70%, 85%, 100%, and CK or 0%) were studied under the condition of dry farmland furrows with no crops on the loess tableland. The results showed that: (1) the water conservation effects (Y, the increment of soil water storage from April to September) were correlated with film coverage (X), the fitted equation was expressed asY=1.65X+42.60, with a correlation coefficient ofR= 0.98; the greater film coverage was, the more validness of precipitation accumulation in 5 m soil profile was, the depth of rainfall infiltration under the film mulching condition was 3 m below the soil surface; (2) soil temperature increased with the increment of film coverage, which was good for crop emergence in low temperature season; soil temperature for the 85% mulching was almost the same as the whole-film mulching, ground temperature reached a maximum faster, with a higher peak value from the 30% of film mulching to 85%; (3) the 85% of film-covering was best pattern in terms of soil hydrothermal status under film mulching cultivation and economic benefits in farmland.

loess tableland; film; different degrees of coverage; soil moisture; soil temperature

S316

A

1005-3409(2017)06-0062-06

2016-05-03

2016-05-17

863計劃課題(2013AA102904);公益性行業(yè)(氣象)科研重大專項(GYHY(QX)201506001)

劉春芬(1990—),女,山西晉城人,在讀碩士,研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail:lcfzx6@163.com

劉文兆(1960—),男,陜西乾縣人,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事水文生態(tài)與流域管理研究。E-mail:wzliu@ms.iswc.ac.cn