基于典范對應(yīng)分析PPC生物降解膜覆蓋條件下土壤溫度、相對含水量的綜合分析

丁 彬，焦慶清,2，謝吉先*，陳志德,2，馮夢詩

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院泰州農(nóng)科所，江蘇 泰州 225300； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江蘇 南京 210014)

地膜覆蓋能起到增溫保墑、保持土壤疏松，改善根系環(huán)境，促進(jìn)作物根系生長，使作物顯著增產(chǎn)的作用，因而在生產(chǎn)上得到了大面積的推廣[1-3]。國內(nèi)外研究表明，地膜覆蓋最直接作用是改善了土壤的溫度和水分[4-6]。

土壤微環(huán)境之間變化受很多因素共同影響，典范對應(yīng)分析(canonical correspondence analysis，CCA)方法多應(yīng)用于物種組成與環(huán)境的關(guān)系及土壤理化性質(zhì)與環(huán)境因子的數(shù)量關(guān)系研究，研究植物種群分布與環(huán)境氣候因子之間的對應(yīng)分析[7-9]，本文探索性地應(yīng)用CCA方法，分析生物降解膜與普通地膜覆蓋對旱地花生不同土層土壤相對含水量和溫度的變化，旨在為花生地膜覆蓋技術(shù)的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

PPC白色、黑色生物降解膜均由江蘇中科金龍環(huán)保新材料有限公司提供；普通黑地膜、普通白地膜均由青州市魯源塑料有限公司提供，規(guī)格均為寬度90 cm，厚度0.008 mm?；ㄉ贩N為泰花4號，其他農(nóng)資產(chǎn)品均為國家合格產(chǎn)品。

1.2 試驗方法

試驗設(shè)在泰州光譜家庭農(nóng)場，土質(zhì)沙質(zhì)壤土，地勢平坦，排灌良好，肥力中等均勻。前茬小麥，6月中旬耕翻整地，施商品有機肥15000kg/hm2、復(fù)合肥600 kg/hm2，機械起壟，壟寬75 cm，壟面寬45 cm，壟高15 cm，每壟播2行，穴距18～20cm，每穴2苗，采用隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次，每小區(qū)4壟，寬3.2 m，長4.5 m，間隔50 cm，四周設(shè)保護(hù)行。在進(jìn)行地膜覆蓋前用96%異丙甲草胺乳油1.5 L/hm2+水50 L/hm2噴霧化除，再按方案處理要求覆蓋相應(yīng)地膜。

1.3 試驗設(shè)計

設(shè)置PPC黑色生物降解膜覆蓋(M1)、PPC白色生物降解膜覆蓋(M2)、普通黑膜覆蓋(M3)、普通白膜覆蓋(M4)和露地栽培(CK)5個處理。

1.4 測定項目

采用土壤溫度水分儀(南京能兆儀器儀表有限公司，NZ99)對不同地膜覆蓋小區(qū)的土壤溫度、相對含水量進(jìn)行測量，測量深度分別為地面下0 cm、5 cm、15 cm，測定時間為每天2:00、8:00、14:00，20:00，監(jiān)測日期從7月20日開始，持續(xù)到9月20日為止。表中不同覆膜下不同土層的土壤溫度和土壤相對含水量為全監(jiān)測期內(nèi)觀測時刻的平均值，圖中不同處理每天的土壤溫度和土壤相對含水量為當(dāng)天四個觀測時刻的平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后，方差分析采用SPSS 16.0 軟件進(jìn)行分析。用Canoco 5.0軟件進(jìn)行典范性分析，具體的計算過程見參考文獻(xiàn)[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 全監(jiān)測期內(nèi)不同時段土壤平均溫度的差異

表1顯示，四個時間段中，最低溫度在2:00，最高溫度在14:00(表中溫度為全監(jiān)測期內(nèi)此時間點的平均值)。表層(0 cm土層)地溫日內(nèi)變幅較大，平均最高溫差達(dá)7℃，15 cm土層地溫變幅相對較小，平均最低溫差為1.19℃。表層(0 cm處)和5 cm土層地溫日內(nèi)變幅較大，說明地膜覆蓋能明顯提高上層土壤溫度，而在下層土壤15 cm處，不同地膜覆蓋地溫差異減小。

夜間2:00時，隨土壤深度的增加，溫度呈增加的趨勢。表層(0 cm土層)最高溫度為普通白膜覆蓋(M4)26.47℃，且與其他處理相比均達(dá)到顯著水平，表明白膜覆蓋增溫效果優(yōu)于其他處理；5 cm土層最高溫度為普通黑膜覆蓋(M3)26.5℃，略高于普通白膜覆蓋(M4)(26.48℃)，差異不顯著，但兩者與其他處理達(dá)到顯著水平，表明普通地膜覆蓋增溫效果優(yōu)于PPC全降解膜覆蓋；15 cm土層最高溫度為普通白膜覆蓋(M4)(27.07℃)，除與PPC白色全降解膜覆蓋(M2)達(dá)到顯著水平以外，與其他處理差異均不顯著，表明所有覆膜處理對15 cm土層增溫效果進(jìn)一步減弱。

早上8:00時，不同處理對土壤溫度的影響與2:00時有顯著的提高，且土壤表層(0 cm處)溫度最高，隨著土層加深，溫度呈現(xiàn)降低的趨勢，說明隨著太陽的升起，受外界環(huán)境溫度和太陽輻射影響，不同土層升溫波動較大，上層升溫速度更快。

下午14:00隨著光照的逐步增強，各處理的土壤溫度均有不同幅度升高，土層溫度梯度分布與8:00時相似。且與上午8:00時相比，各處理的溫度均有1℃以上的升高，以PPC黑色全降解膜覆蓋(M1)5 cm土層溫度升幅最大，為4.05℃，以普通黑膜覆蓋(M3)15 cm土層溫度升幅最小，為1.32℃。

晚上20:00時，隨著太陽的降落，各處理溫度均有不同程度的下降，且下層土壤溫度高于上層。表層(0 cm土層)和5 cm土層最高溫度均為普通白膜覆蓋(M4)，除PPC白色全降解膜覆蓋(M2)外與其他處理相比均達(dá)到顯著水平；15 cm最高溫度為PPC黑色全降解膜覆蓋(M1)(27.98℃)，除普通黑膜覆蓋(M3)外與其他處理相比均達(dá)到顯著水平。

表1 不同類型地膜及土層深度下在全監(jiān)測期內(nèi)土壤溫度的差異

注：同列不同小寫字母表示差異達(dá)0.05 顯著水平。下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicatep≤0.05. The same as below.

2.2 全監(jiān)測期內(nèi)不同覆膜方式下不同土層土壤平均溫度的變化

圖1(A～C)表明，表層(0cm土層)、5cm土層、15cm土層平均溫度在全監(jiān)測期內(nèi)平均溫度(監(jiān)測期內(nèi)每天四個時間點的平均值)變化趨勢一致，最高均為普通白膜覆蓋(M4)，后面依次為PPC白色全降解膜覆蓋(M2)、普通黑膜覆蓋(M3)、PPC黑色全降解膜覆蓋(M1)，露地栽培(CK)溫度最低。

圖1 全監(jiān)測期內(nèi)不同類型地膜覆蓋及土層深度下平均溫度的變化

隨土壤深度的增加，與露地栽培(CK)溫差減小，表層(0 cm土層)比對照最高增溫1.68℃，5cm土層比對照增溫0.97℃，15 cm土層平均地溫比對照增溫不明顯，均低于0.2℃。

2.3 全監(jiān)測期內(nèi)不同覆膜方式下土壤平均溫度變幅的差異

不同地膜覆蓋下的土壤溫度差異見表2。凌晨2:00～8:00點各處理表層(0 cm土層)溫度變化程度均大于5cm土層。普通黑膜覆蓋(M3)15cm處溫差為0.01℃，其他覆蓋地膜溫差均為負(fù)值，而露地栽培(CK)15 cm處溫差為0.43℃。這主要是熱量只能從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，而不能由低溫物體自動向高溫物體轉(zhuǎn)移。白天氣溫高，此階段熱量運動主要以外界熱量進(jìn)入土壤為主，使各處理土壤溫度上升，而地下15 cm處溫度傳遞有一定的滯后性，說明地膜覆蓋對于外界熱量進(jìn)入土壤有阻礙作用。在夜間氣溫下降，該階段熱量運動主要以土壤中熱量散失至空氣中為主，各處理土壤溫度下降。在14:00～20:00間時刻溫差變化趨勢與20:00～8:00間時刻相反，說明地膜覆蓋能夠阻礙土壤中熱量的散失，有效抑制土壤溫度的波動幅度。

2.4 全監(jiān)測期內(nèi)不同時段平均相對含水量的差異

表3為不同處理對土壤0～15 cm土壤相對含水量變化，可以看出不同覆膜處理與露地栽培(CK)相比，相同土層相對含水量都有所增加，普通白膜覆蓋(M4)在所有時刻相同土層含水量均為最高，相同處理不同土層的相對含水量呈現(xiàn)遞增趨勢，即在0～15 cm土層范圍內(nèi)，土層越深，相對含水量越高；2:00～20:00期間土層相對含水量呈現(xiàn)先增高再降低的趨勢，這是由于隨著太陽升起，光照增強，溫度升高進(jìn)一步增強深層土壤水分上升，覆蓋地膜處理在14:00相對含水量達(dá)到最大值，之后隨著光照、溫度的降低而減??；露地栽培(CK)在14:00相對含水量卻是最低，說明地膜覆蓋能有效阻止水分蒸發(fā)，增加土壤蓄水保墑能力。

普通白膜覆蓋(M4)在所有時刻相同土層含水量均為最高，且與其他處理均有顯著差異，2:00時刻表層(0 cm土層)PPC黑色全降解膜覆蓋(M1)、PPC白色全降解膜覆蓋(M2)、普通黑膜覆蓋(M3)與露地栽培(CK)差異不顯著，說明此時刻地膜覆蓋對表層含水量影響較?。? cm土層PPC白色全降解膜覆蓋(M2)、普通黑膜覆蓋(M3)與露地栽培(CK)差異顯著，說明此時刻地膜覆蓋對5 cm土層影響增大；15 cm處與對照差異均達(dá)到顯著水平。8:00時、14:00時、20:00時在0～15 cm土層內(nèi)，與2:00時對土壤相對含水量影響趨勢一致，均隨土層深度的加大，地膜覆蓋對土壤相對含水量的影響越來越大。其中8:00時刻，四種地膜覆蓋處理之間對5 cm土層差異顯著，表明不同材質(zhì)覆蓋對5 cm土層相對含水量影響有差異；15 cm土層普通黑膜覆蓋(M3)與普通白膜覆蓋(M4)差異不顯著。14:00時5 cm土層和15 cm土層處理之間均達(dá)到顯著差異。

表3 不同類型地膜及土層深度下在全監(jiān)測期內(nèi)土壤相對含水量的差異

2.5 全監(jiān)測期內(nèi)不同覆膜方式下不同土層土壤相對含水量的變化

圖2(A～C)表明，表層(0 cm土層)和5 cm土層受到雨水天氣的影響，尤其是露地栽培(CK)影響最大。在監(jiān)測前中期，整體趨勢中CK土壤相對含水量在多個時間段中表現(xiàn)最高，主要原因是在八月份天氣以多雨為主，因地膜覆蓋使表層土層在雨水天氣阻擋了雨水進(jìn)入花生田壟面表層。監(jiān)測后期天氣以多云為主，此時相對含水量普通白膜覆蓋(M4)最高，PPC黑色全降解膜覆蓋(M1)、PPC白色全降解膜覆蓋(M2)、露地栽培(CK)之間表現(xiàn)比較接近，是因為在花生成熟期時M1和M2開始降解，大面積出現(xiàn)裂口，保水能力降低。5 cm土層的相對含水量變化趨勢和表層(0 cm土層)的相對含水量變化趨勢相似，監(jiān)測后期降解膜M1、M2低于普通地膜M3、M4處理，但高于對照組CK，此時降解膜M1、M2和對照CK與表層相比，差別比較明顯。15 cm土層的相對含水量變化在整個生育周期除在八月份極個別大雨天氣以外高于覆蓋地膜試驗組，其余時間均低于覆蓋地膜處理，說明地膜覆蓋并不影響雨水從壟溝滲透到深層。

圖2 不同覆蓋方式在不同土層對不同生育期相對含水量的影響 Fig.2 Variation of mean relative moisture content of different soil layers under different mulch methods during the whole monitoring period

2.6 不同覆蓋方式對0～15cm不同時刻土壤樣方的CCA排序

從圖3(A～C)為典范對應(yīng)分析(CCA)的結(jié)果，其中Mx-y中x表示覆蓋地膜的類型、y表示測量結(jié)果的時刻，如M1-2表示M1處理在監(jiān)測期內(nèi)2點時刻的平均值。從A、B、C三圖可以看出，在0～15 cm 全剖面上，土壤相對含水量與M4-8的箭頭連線靠近，說明土壤相對含水量受M4-8的影響較大；土壤溫度與M4-20的箭頭連線距離相對較近，說明溫度受M4-20的影響較大。所有土層M4-14的箭頭連線最長，說明M4在14:00點時刻對土壤溫度和相對含水量的影響較大，值得關(guān)注的是，CK-14雖然與土壤相對含水量的距離較遠(yuǎn)，但其箭頭連線較長，說明裸地在14:00點時刻對土壤相對含水量影響較大，其原因在14:00點時刻太陽較強，蒸發(fā)強度增大，覆蓋地膜與對照相比能有效阻止水分蒸發(fā)，露地栽培對土壤相對含水量的影響更大。就15 cm土層而言，M1-14、M2-14、M3-14、M4-14、CK-14的箭頭連線均較長，說明不同覆膜處理在14:00點時刻對土壤溫度和相對含水量的影響均較大。

圖3 不同土層及不同覆蓋方式CCA 二維排序圖 Fig.3 Two-dimensional ordination diagram of canonical correspondence analysis of different mulch modes

3 討 論

關(guān)于充分利用土壤有效積溫和水分方面的研究報道較多，結(jié)果表明，地膜覆蓋對作物不同生育時期、不同土層深度和日地溫的變化有顯著影響[11]，地膜覆蓋能夠提高土壤溫度和土壤含水量[12-13]，提高水分利用率和光合效率[13-14]，增強土壤深層水分上升和利用，加快水分在土壤、植物與大氣間的循環(huán)，進(jìn)而使作物顯著增產(chǎn)[15]。地膜覆蓋通過抑制土壤蒸發(fā)、影響降水的蓄納入滲和植株蒸騰耗水3個主要途徑共同影響土壤水分狀況。

本文研究表明，地膜覆蓋能明顯提高上層土壤溫度，由于白色地膜透光率大于黑色地膜，故普通白膜與其他處理相比相同土層溫度高于其他膜溫度，花生生長期內(nèi)普通白色、黑色地膜土壤表層平均溫度比露地栽培分別提高1.68℃和0.81℃，PPC白色和黑色全降解膜平均溫度分別提高1.24℃和0.57℃。5 cm土層普通白色、黑色地膜比對照平均溫度分別提高0.97℃和0.54℃，PPC白色全降解膜平均溫度分別提高0.62℃和0.21℃。而采用不同類型地膜覆蓋，15 cm土層地溫差異較小。從土壤保墑效果比較，可看出不同覆膜處理與對照相比，相同土層相對含水量都有所增加，且同一種膜型不同土層的相對含水量呈現(xiàn)遞增趨勢，即在0～15 cm土層范圍內(nèi)，土層越深，相對含水量越高。從凌晨2:00到20:00，土壤相對含水量呈先增加后降低的趨勢，這是由于隨著太陽升起，光照增強，溫度升高進(jìn)一步增強深層土壤水分上升，覆蓋地膜處理在14:00相對含水量達(dá)到最大值，之后隨著光照、溫度的降低而減?。粚φ仗幚碓?4:00相對含水量卻是最低，說明地膜覆蓋能有效阻止水分蒸發(fā)，增加土壤蓄水保墑能力。

花生生長前期，PPC全降解膜與普通地膜都主要通過提高日最高溫度來影響土壤溫度的變化。而在花生生育后期，由于植株旺盛生長和發(fā)育，地溫受覆蓋方式的影響較小，這與戴良香等人[16]研究結(jié)果一致。 PPC全降解膜的應(yīng)用對環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要，因此在大面積生產(chǎn)上PPC全降解膜可以替代普通地膜。