黑色地膜覆蓋土壤水熱效應(yīng)及對玉米產(chǎn)量的影響

霍軼珍, 丁春蓮, 王文達, 韓翠蓮, 郭彥芬, 李生勇

(1.河套學(xué)院, 內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)灌溉排水工程技術(shù)研究中心, 內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000 )

河套灌區(qū)地處干旱半干旱地區(qū)，連年干旱少雨，蒸發(fā)強烈，另外由于引黃灌溉，地下水位較高，使得土壤鹽堿化日益加劇，嚴重威脅當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。大量研究表明，地膜覆蓋后對土壤的增溫、保墑、控制鹽分聚積及作物增產(chǎn)效果顯著，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用并取得較為理想的效果[1-4]。但近些年，隨著部分學(xué)者對地膜覆蓋的深入研究和生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，普通白色農(nóng)用地膜不僅造成了白色污染，而且在一定程度上使得玉米出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，限制了其增產(chǎn)上限。張冬梅等[5]研究指出，地膜覆蓋后使得玉米生育期提前，從而在抽雄期前后遭受干旱脅迫，減產(chǎn)較為嚴重。Zaongo等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋對作物的前期生長具有促進作用，但卻使得土壤水肥過早的大量消耗，生育后期土壤脫水、脫肥問題凸顯，導(dǎo)致作物早衰減產(chǎn)。白色地膜覆蓋帶來的作物早衰問題已經(jīng)嚴重影響了作物的生長和農(nóng)業(yè)的長足發(fā)展，針對此類問題，有學(xué)者采用先覆后揭的覆膜方式進行試驗研究，希望通過這種方式解決問題，但由于工作量的問題，很難推廣應(yīng)用[7]。玉米是目前河套灌區(qū)種植面積較大的農(nóng)作物，但傳統(tǒng)不覆蓋和白色地膜覆蓋均存在一定的問題，制約了灌區(qū)玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

有研究表明，與白色地膜相比，黑色地膜覆蓋的增溫、保墑效果顯著，且由于其具有透光率低的特征，高溫季節(jié)起到了一定的降溫效應(yīng)，使得作物免遭高溫危害[8]。并且在番茄和馬鈴薯等的種植過程中得到了較好的應(yīng)用效果[9-10]。但關(guān)于黑色地膜覆蓋在玉米種植過程中的應(yīng)用還鮮有報道，本研究通過對比研究黑、白色地膜及不覆膜條件對土壤水熱及玉米地上部生物量和產(chǎn)量的影響，探索黑色地膜覆蓋在河套灌區(qū)玉米種植過程中的適宜性，為其在灌區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，對灌區(qū)玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)城關(guān)鎮(zhèn)河套學(xué)院灌排試驗基地，該地區(qū)多年平均降雨量為140 mm，蒸發(fā)量為2 306.5 mm，平均氣溫為6.8℃，平均日照時數(shù)為3 229.9 h，無霜期為130 d左右，是典型的中溫帶干旱大陸性氣候。試驗區(qū)土質(zhì)以粉砂壤土為主，1 m深土壤平均容重為1.51 g/cm3，試驗區(qū)采用黃河水灌溉，平均礦化度為0.6～0.8 g/L。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)計白色地膜覆蓋、黑色地膜覆蓋和不覆膜共3個處理，采用小區(qū)試驗，小區(qū)面積75 m2(15 m×5 m)，3次重復(fù)。平耙地后采用機械覆膜施肥，人工點種玉米，玉米品種選用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種西蒙6號，玉米種植行距50 cm，株距28 cm，每壟2行；黑白地膜均選用內(nèi)蒙古華豐商貿(mào)有限責(zé)任公司生產(chǎn)聚乙烯普通農(nóng)用地膜，膜厚0.008 mm，膜寬70 cm。播種時施底肥尿素(46%N)300 kg/hm2，磷酸二銨(16%P2O5)150 kg/hm2。根據(jù)當(dāng)?shù)貋硭畷r間，玉米全生育期共灌3次水，采用傳統(tǒng)畦灌的灌水方式，三次灌水量分別為975 m3/hm2，975 m3/hm2，900 m3/hm2，施肥量分別為尿素(46%N)450 kg/hm2，300 kg/hm2和不施用。

1.3 測定指標(biāo)

記錄玉米各生育階段具體時間段，自播種后開始每隔7 d在玉米行間100 cm深土體內(nèi)每隔20 cm取土，采用烘干稱重法測定土壤含水率。玉米行間在深度為5，10，15，20，25 cm處埋設(shè)直角地溫計，各生育期連續(xù)3 d觀測土壤溫度變化，觀測時間為每日的8：00，14：00，20：00。玉米地上部生物量的測定方法為：不同生育期內(nèi)，各處理選取3株植物樣，自地面截取，分割后自然晾干，然后放入紙袋在80℃恒溫烘箱中烘干至恒重，利用度萬分之一精度的電子天平稱重；玉米成收獲后，每個處理選取15株植物樣測量穗粗、穗長、穗粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Mircrosoft-Excel 2003對數(shù)據(jù)進行處理并繪制圖表，利用SPSS 17.0進行試驗數(shù)據(jù)的方差檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地膜覆蓋對土壤含水率的影響

由圖1不同處理條件下土壤含水率變化情況可知，各土層含水率變化趨勢一致，自表層至深層呈現(xiàn)“S”型變化規(guī)律。玉米苗期，植株矮小，土壤水分的消耗以表層蒸發(fā)為主，研究發(fā)現(xiàn)，此階段白、黑色地膜覆蓋處理各土層含水率差異性不顯著(p>0.05)，但表層0—60 cm土壤含水率平均較不覆膜處理高7.98%和9.77%，差異性顯著(p<0.05)，而深層差異性較小，這主要是受作物生育期灌區(qū)地下水位較高的影響。玉米拔節(jié)期至灌漿期是關(guān)鍵生育期，此階段適宜的土壤水分條件是保證玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵期，研究發(fā)現(xiàn)，此時黑白地膜覆蓋條件下土壤含水率無顯著性差異(p>0.05)，高于不覆膜處理，且表層0—60 cm含水率差異達到了顯著性水平(p<0.05)。說明與白色地膜覆蓋相比，黑色地膜同樣具有較好的土壤保墑功能，為玉米的正常生長提供適宜的水分供應(yīng)。

圖1 玉米不同生育期土壤含水率變化

2.2 不同地膜覆蓋對土壤溫度的影響

不同覆蓋條件對土壤表層0—15 cm溫度變化影響較大。由圖2可知，不同生育期各處理土壤溫度隨時間推移均呈現(xiàn)開口向下的二次拋物線型變化規(guī)律，且極值點出現(xiàn)在14：00，為全天溫度最高時段。玉米生育前期(苗期至拔節(jié)期)，適宜的土壤溫度有利于植株的壯苗，過高或過低的溫度均會在不同程度抑制幼苗的生長。研究發(fā)現(xiàn)，此階段白色地膜和黑色地膜土壤溫度均明顯高于不覆膜處理，苗期和拔節(jié)期分別較不覆膜處理高3.69℃，1.68℃和3.16℃，1.51℃，差異性顯著(p<0.05)，說明黑色地膜同樣起到了較好的增溫保溫效應(yīng)。但兩生育期內(nèi)白色地膜平均較黑色地膜高2.01℃和1.65℃，且在氣溫最高時段14：00差值達到了2.44℃和1.98℃，差異性顯著(p<0.05)，這也說明黑色地膜較白色地膜在高溫條件下相對有一定的降溫效果，減輕高溫對幼苗的危害，促進壯苗和生長發(fā)育，此結(jié)論與張琴[8]和路海東[11]等的研究結(jié)論一致。

玉米生育中后期(抽雄吐絲至灌漿期)，植株枝葉茂盛，覆蓋度較高，使得透光度減弱，從而減少了地面直接接受太陽輻射，地膜增溫效應(yīng)較生育前期有所減弱，但由于地膜的保溫性能兩處理均不同程度高于不覆膜處理。由于白色地膜透光能力較強[12]，該生育階段各時段土壤溫度平均較黑色地膜高0.78℃和1.09℃，差異性不顯著(p>0.05)，但此時處于最高溫季節(jié)，一定的降溫作用，有利于玉米的生長。

2.3 不同顏色地膜覆蓋對玉米地上部生物量的影響

由圖3不同處理條件下玉米地上部生物量變化可知，玉米苗期至拔節(jié)期，由于兩種顏色地膜覆蓋提供的適宜水熱條件促進了玉米的前期生長，兩個生育階段兩處理生物量平均較不覆膜處理高68.75%，46.94%和59.38%，40.82%，差異性顯著(p<0.05)。而白色地膜長勢略優(yōu)于黑色地膜覆蓋，生物量平均高5.88%和4.35%。玉米抽雄吐絲期至灌漿期，由于玉米的植株遮陰效應(yīng)影響，覆膜效應(yīng)及近喪失[13]，此外植株開始由營養(yǎng)生長逐漸轉(zhuǎn)向生殖生長，各處理間玉米生物量達到相近水平。

2.4 不同顏色地膜覆蓋對玉米產(chǎn)量指標(biāo)的影響

由表1所示，兩種顏色地膜覆蓋條件下玉米穗長、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)。各處理間玉米百粒重和產(chǎn)量差異性顯著(p<0.05)，且以黑色地膜覆蓋最高，百粒重平均較白色地膜和不覆膜高6.37%和11.95%，產(chǎn)量高5.12%和22.90%。這主要是因為黑白地膜覆蓋處理土壤的保墑效果相當(dāng)，但黑色地膜覆蓋條件對根系層的降溫效應(yīng)，提高了根系活性和對土壤養(yǎng)分的吸收，從而提高了玉米百粒重和產(chǎn)量。

圖2 玉米不同生育期土壤溫度變化

圖3 玉米不同生育期地上部生物量累積量變化

表1 不同處理條件下玉米產(chǎn)量指標(biāo)對比

3 討 論

春玉米是河套灌區(qū)主要的經(jīng)濟作物，土壤水熱條件的適宜性是促進作物生長的主要因素[4,14]。玉米屬于典型的喜溫性作物，適宜的土壤溫度是保證其正常生長的基礎(chǔ)性條件，過高或過低的溫度均會對玉米的生長產(chǎn)生抑制[15]。與白色地膜覆蓋相比，黑色地膜覆蓋同樣形成了有效的“隔膜效應(yīng)”，改變了土壤水熱與外界的交換條件，改善了土壤水熱條件[11]。春玉米全生育期內(nèi)，兩種顏色地膜覆蓋0～60 cm含水率均要顯著高于不覆膜處理，起到了良好的保墑效果，為玉米的生長提供了更充足的水分供應(yīng)，研究結(jié)果與張琴[8]等的研究結(jié)論具有一定的一致性。玉米苗期至拔節(jié)期氣溫較低，此時較高的土壤溫度有利于玉米的壯苗和生長，兩種顏色地膜覆蓋各時段表層0—15 cm土壤溫度均顯著高于不覆膜處理，起到了較好的增溫保溫效應(yīng)，但白色地膜覆蓋在氣溫最高時段14：00土壤溫度顯著高于黑色地膜覆蓋，說明黑色地膜起到了一定了降溫效應(yīng)，這也減小了高溫對幼苗的傷害，有利于壯苗和生長發(fā)育。玉米進入抽雄吐絲和灌漿期的生育中后期后，由于植株生長茂盛，群體透光度降低，地膜的增溫保溫效應(yīng)減弱，各處理間土壤溫度無顯著性差異。且黑色地膜覆蓋明顯低于白色地膜覆蓋，該生育階段是全生育期的氣溫最高期，一定的降溫效應(yīng)避免了玉米遭受高溫危害，有利于玉米產(chǎn)量的生成[8,11]。由于地膜覆蓋顯著改善了土壤水熱環(huán)境，促進了玉米植株的生長發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，玉米苗期至拔節(jié)期，兩地膜覆蓋處理地上部生物量累積量差異性不顯著，但均顯著高于不覆膜處理，而生育中后期，覆膜效應(yīng)逐漸消失，且隨植株逐漸轉(zhuǎn)向生殖生長，各處理間差異性減弱[13]。地膜覆蓋顯著提高了玉米產(chǎn)量，且以黑色地膜增幅最為顯著，主要是由于黑色地膜的降溫效應(yīng)提高了根系活性和對土壤養(yǎng)分的吸收，有效促進了玉米產(chǎn)量的形成[11]。

4 結(jié) 論

(1) 玉米各生育期內(nèi)兩種顏色地膜覆蓋處理間土壤含水率無顯著性差異(p<0.05)，起到了良好的保墑效果，但兩處理均明顯高于不覆膜處理，且0—60 cm土壤含水率差異達到顯著性水平(p>0.05)。

(2) 黑色地膜在低溫季節(jié)的增溫保溫效果顯著，且在高溫季節(jié)和時段具有一定的降溫效應(yīng)，使得作物免遭高溫危害。

(3) 地膜覆蓋條件有效促進了玉米植株的生長發(fā)育，生育前期覆膜處理地上部生物量均顯著高于不覆膜處理(p<0.05)，玉米進入抽雄吐絲期以后，覆膜效應(yīng)及近喪失，各處理間差異減弱。

(4) 兩種顏色地膜覆蓋處理間穗長、穗粗和穗粒數(shù)產(chǎn)異性不顯著(p>0.05)，但均顯著高于不覆膜處理(p<0.05)。且黑色地膜覆蓋百粒重和產(chǎn)量最高，百粒重平均較白色地膜和不覆膜高6.37%和11.95%，產(chǎn)量高5.12%和22.90%。