微硅粉懸浮液體地膜對(duì)青藏高原土壤溫度、水分和小麥產(chǎn)量的影響

王順新，鐵生年，2

（1.青海大學(xué) 新能源光伏產(chǎn)業(yè)研究中心，西寧 810016；2.青海省先進(jìn)材料與應(yīng)用技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810016）

地膜覆蓋是通過(guò)一層高分子膜阻止土壤中的水、熱、氣等與外界交換，有效抑制了土壤中水分揮發(fā)，提高土壤中水分的高效利用，達(dá)到農(nóng)業(yè)增產(chǎn)目的，中國(guó)北方干旱與半干旱地區(qū)地膜覆蓋已經(jīng)成為提高作物產(chǎn)量的手段之一。且農(nóng)用地膜在作物的生長(zhǎng)階段，能夠提高地溫、增強(qiáng)光照，保持土壤疏松、抑草滅草［1-3］。目前，地膜覆蓋材料普遍是一種聚乙烯的高分子化合物［4］，雖然能夠大幅度的改善土壤的保溫和保墑性能，并能提高作物的產(chǎn)量。但由于聚乙烯膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定難降解，農(nóng)田中大量的地膜殘留物碎片長(zhǎng)期存留會(huì)破壞土壤的理化性狀，影響農(nóng)作物對(duì)土壤中水分和養(yǎng)分的有效利用，影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，造成作物的減產(chǎn)［5］。且殘留物回收成本較高造成了耕地環(huán)境嚴(yán)重的白色污染，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也給農(nóng)業(yè)環(huán)境帶來(lái)了很大的負(fù)面影響。

液體地膜是一種多功能可降解地膜，它的主要成分是有機(jī)高分子化合物，易降解。液體地膜常溫下是一種乳狀懸浮液，噴施于土壤表面，與土壤表面的顆粒形成一種理想的土壤團(tuán)聚體［6］，能夠提高土壤的溫度，阻止土壤水分的蒸發(fā)。液體地膜成膜后形成的微小孔道有利于雨水、農(nóng)藥、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滲入土壤，液體地膜隨外界光照、溫度及土壤微生物的作用，覆膜40～60d自然降解［7］。李云光等［8］研究認(rèn)為，液體地膜能夠提高土壤的溫度和含水率，促進(jìn)棉苗的出苗率和生長(zhǎng)發(fā)育。楊青華等［9］研究表明，液體地膜能夠改善棉田土壤物理性狀，促進(jìn)根系的吸收和棉花生長(zhǎng)發(fā)育，提高棉花的產(chǎn)量。梁美英等［10］研究認(rèn)為，液體地膜覆蓋能夠提高玉米的產(chǎn)量，且玉米的穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量均高于空白處理。以往大量的研究都是針對(duì)液體地膜對(duì)土壤環(huán)境和植被生長(zhǎng)的影響，然而將工業(yè)廢棄物微硅粉添加到液體地膜討論膜對(duì)土壤特性及作物生長(zhǎng)影響尚未系統(tǒng)性研究。由于微硅粉為冶煉硅鐵合金時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)尾氣產(chǎn)物，主要成分為SiO2，還含有Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、游離碳等［11-12］，隨著煙道排出后在空氣中凝結(jié)形成SiO2粉體，一部分SiO2氣體直接排放到大氣環(huán)境中，給當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境造成了巨大的壓力［13］。然而Si元素及微量元素Fe和Mn等對(duì)吸硅類植物的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，還可以充當(dāng)硅肥使用［14］。因此本試驗(yàn)通過(guò)利用冶煉硅鐵合金過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物微硅粉，將其添加到液體地膜基料中，制備出一種新型環(huán)保的液體地膜材料。研究微硅粉懸浮液體地膜覆蓋對(duì)土壤環(huán)境和液體地膜中硅元素對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響，為微硅粉懸浮液體地膜推廣農(nóng)業(yè)覆蓋領(lǐng)域提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年3月至7月在青海大學(xué)試驗(yàn)基地露地盆栽試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)位于北緯36°34′3″，東經(jīng)101°49′17″，海拔2 275m。屬高原大陸性氣候，年平均氣溫7.6 ℃，年平均日照數(shù)1 939.7h，年降雨量380mm，年均蒸發(fā)量1 363.6mm。供試土壤為高原黑鈣土，質(zhì)地為壤土，取自青?；ブh五峰鎮(zhèn)農(nóng)作物耕地，土壤有效硅含量為52.35 mg／kg，土壤田間持水率（質(zhì)量含水率）為14%，土樣養(yǎng)分分析如下表1。

表1 土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分Table 1 Basic nutrients in soil

1.2 試驗(yàn)材料

液體地膜選用青海大學(xué)新材料高值化科研團(tuán)隊(duì)課題組制備的穩(wěn)定微硅粉懸浮液體地膜［15］和不含微硅粉的液體地膜（不添加微硅粉，其他原料配比不變）。液體地膜常溫下是灰色乳狀懸浮液，粘度為17 804 MPa·s，pH 為7。微硅粉懸浮液體的原料配比質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：0.6%淀粉，0.75%CMC、1%PVA、0.5% 甘油、0.15% 黃原膠、0.5% 微硅粉、0.5% 六偏磷酸鈉、0.4% 氯化銨、95.6% H2O。普通地膜厚度為0.008mm，產(chǎn)自青海西寧金城塑料有限公司。試驗(yàn)采用高16 cm，內(nèi)徑23cm 的圓形花盆12個(gè)，每個(gè)盆裝風(fēng)干土樣6kg，土壤的表面積為437.2cm2。為模擬當(dāng)?shù)佧溙锾镩g持水率14%，每個(gè)盆加水600mL。供試作物為高原春小麥，品種為‘青麥7號(hào)’。于2019-03-05在盆中播種，每個(gè)盆均勻播種小麥種子16粒，小麥?zhǔn)斋@后進(jìn)行考種，測(cè)定小麥籽粒質(zhì)量和生物產(chǎn)量，并采集小麥植株樣品留樣，備用。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用小麥盆栽試驗(yàn)，將小麥均勻播種。液體地膜選用青海大學(xué)新材料高值化科研團(tuán)隊(duì)課題組自制的微硅粉懸浮液體地膜和不含微硅粉的懸浮液體地膜，試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為：①微硅粉懸浮液體地膜（LS），②不含微硅粉的懸浮液體地膜（LP），③普通地膜（PF），④裸地對(duì)照（CK），每個(gè)處理重復(fù)3次（每個(gè)重復(fù)3個(gè)盆）。（其中液體地膜最佳用量通過(guò)3 組不同用量：0.112 g／cm2、0.158g／cm2、0.204g／cm2液體地膜平行實(shí)驗(yàn)，最終以0.158g／cm2用量作為本試驗(yàn)液體地膜的最佳施用量）。根據(jù)每個(gè)盆所噴施液體地膜的用量相等，小麥播種后用小型噴壺分別均勻噴灑于每個(gè)盆中。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤溫度：采用江蘇精創(chuàng)電氣公司生產(chǎn)的RC-4數(shù)顯溫度計(jì)觀測(cè)5cm、10cm 土層的溫度。播種第4天開(kāi)始觀測(cè)，每4d測(cè)一次數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)定1個(gè)月。

土壤水分：采用土壤水分傳感器RS485測(cè)定不同土層的含水率，測(cè)定土層深度為5cm、10cm的含水率，播種后第3天開(kāi)始觀測(cè)，直到小麥成熟期截至。

小麥出苗率：從小麥出苗第1天算起，連續(xù)觀察10d，數(shù)出出苗數(shù)后除以應(yīng)出苗數(shù)，最后計(jì)算出小麥的出苗率。

小麥生長(zhǎng)指標(biāo)：以80%小麥進(jìn)入生育期階段為依據(jù)，每個(gè)盆選取3株有代表性的植株，用直尺測(cè)定植株的株高。在小麥各生育期，將選取的小麥植株葉片和莖稈分開(kāi)，將葉片和莖在105 ℃的烘箱中放置1h，在烘箱中65 ℃烘干至恒質(zhì)量后分別稱取小麥莖和葉的質(zhì)量，來(lái)確定小麥地上部干物質(zhì)積累量。

小麥莖葉的硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)及小麥產(chǎn)量：在小麥抽穗期分別選取兩株代表性的植株，將小麥莖和葉分開(kāi)，莖和葉的硅含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）采用戴偉民等［16］測(cè)定方法。在小麥?zhǔn)斋@前選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，測(cè)定其穗粒數(shù)，收獲后將籽粒風(fēng)干測(cè)量千粒質(zhì)量。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采 用Origin pro 2016 和Microsoft Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析及作圖，采用SPSS 20.0軟件和最小顯著性差數(shù)法LSD 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 液膜覆蓋對(duì)土壤溫度的影響

小麥播種后不同地膜處理對(duì)土層5cm 和10 cm 溫度的影響如圖1-a和1-b所示，各處理均不同程度提高了不同土層的溫度，且隨著覆蓋時(shí)間的延長(zhǎng)而變小，隨著土層深度的加深而減弱，同時(shí)各處理之間土壤溫度差異顯著（P＜0.05）。圖1為土層深度5cm、10cm 處LS和LP與普通地膜覆蓋后土壤溫度的變化情況：PF＞LS＞LP＞CK。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，普通地膜與LS、LP、CK 溫度間差異顯著（P＜0.05）。由圖1可以看出，普通地膜覆蓋土壤溫度均高于液體地膜和空白處理，普通塑料地膜處理土壤5cm、10cm 溫度比空白對(duì)照平均高1.6～2.7 ℃和1.1～2.9 ℃（P＜0.05）。LS覆蓋土壤5cm、10cm 溫度較空白組平均高0.7～1.4 ℃、0.4～1.3 ℃（P ＜0.05）。LP覆蓋5cm、10cm 土壤溫度較空白組平均高0.3～0.6℃、0.4～0.9℃，LS覆蓋5cm、10cm 土壤溫度較LP 高0.4～0.8 ℃、0～0.6 ℃。由于微硅粉常溫下物理狀態(tài)為灰黑色圓球微納米顆粒，添加到液體地膜基料中形成一種穩(wěn)定的灰黑色乳狀懸浮液，噴施于土壤表面后。在外界太陽(yáng)光的照射下可吸收較多自然光，進(jìn)一步提高了土壤的熱通量［17］。此外微硅粉的主要成分是SiO2，添加在液體地膜基料中，液體地膜成膜過(guò)程中填充在聚乙烯醇（PVA）的骨架結(jié)構(gòu)中，從而提高了地膜的機(jī)械強(qiáng)度，阻止土壤中水分在液膜表面毛細(xì)孔道和微孔向外界擴(kuò)散。所以添加微硅粉的液體地膜覆蓋土層溫度明顯高于不添加微硅粉的液體地膜。土壤微生物的活動(dòng)、有機(jī)質(zhì)礦化分解等過(guò)程不僅需要保持恒定的土壤溫度，而且土壤溫度直接影響土壤含水率和養(yǎng)分含量等［18］。因此LS覆蓋不僅提高了土壤溫度，而且改善了土壤的養(yǎng)分狀況。

圖1 不同地膜覆蓋下土壤溫度變化曲線Fig.1 Soil temperature change curves under different film covering

2.2 液膜覆蓋對(duì)土壤含水率的影響

表2為不同地膜處理小麥各生育期土壤質(zhì)量含水率變化，從表2可知，在小麥生育期，不同地膜覆蓋土壤深度在5cm、10cm 含水率均高于空白對(duì)照，不同處理差異均達(dá)到顯著水平。其中，普通塑料地膜覆蓋后土壤深度5cm 和10cm 處平均含水率最高為15.08%和15.76%，分別比空白對(duì)照高1.98%和2.28%（P＜0.05）。在小麥整個(gè)生育期，LS覆蓋土壤含水率與PF 基本相近。LS地膜覆蓋土壤深度5cm、10cm 含水率較CK分別高1.94%和2.2%（P＜0.05）。在小麥出苗期PF地膜處理土壤含水率均大于液體地膜處理，而在小麥三葉期和拔節(jié)期，LS處理土壤含水率較PF高1.4%和0.2%（P＜0.05），分析其原因可能是微硅粉液體地膜在成膜過(guò)程中由于土壤中水蒸汽與外界大氣環(huán)境的交換，在液體地膜表層形成了一些微小的孔道，相比PF 更有利于雨水滲透。在小麥孕穗期，PF 與LS、LP 處理土壤含水率無(wú)明顯差異。主要原因可能是，液體地膜是一種有機(jī)高分子化合物，噴施于土壤表面與土壤顆粒形成一種團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，抑制了土壤水分的蒸發(fā)。后期隨著覆膜時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤含水率逐漸呈下降趨勢(shì)，液體地膜處理對(duì)土層含水率的影響越來(lái)越弱，這是由于液體地膜隨著光照及外界大氣環(huán)境的影響，由于覆膜時(shí)間、植株和雜草破土膜面受損等原因地膜自然降解，各土層含水率逐漸降低。

表2 不同地膜處理小麥各生育期土壤質(zhì)量含水率Table 2 Soil quality and water content in different growing stages of wheat treated with film %

2.3 液體地膜覆蓋對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響

2.3.1 液體地膜覆蓋對(duì)小麥出苗率影響 不同地膜處理小麥出苗率見(jiàn)表3，從表3可以看出，各處理小麥出苗率均高于露地對(duì)照，小麥出苗率表現(xiàn)為PF＞LS＞LP＞CK。在小麥播種后4d，LP和LS覆蓋出苗率比PF低5.9%和4.6%，較CK高21.8%和23.1%。小麥播種后6d，LS處理小麥出苗率均高于其他處理。小麥播種后8d，普通塑料地膜和液體地膜覆蓋小麥出苗率達(dá)到顯著性差異水平，液體地膜覆蓋差異并不顯著。這是因?yàn)橐后w地膜在成膜過(guò)程中，由于土壤中水分的蒸發(fā)，膜表面形成一定的毛細(xì)孔道，使得液體地膜的機(jī)械強(qiáng)度降低，麥苗在出土過(guò)程中易穿過(guò)液膜表面，由于普通塑料地膜的機(jī)械強(qiáng)度較高，小麥出苗期間抑制了麥苗的生長(zhǎng)，從而液體地膜覆蓋小麥的發(fā)芽率高于普通塑料地膜。

表3 不同地膜處理小麥出苗率變化Table 3 Changes of wheat emergence rate under different film treatments

2.3.2 液體地膜覆蓋對(duì)小麥株高和地上部干物質(zhì)積累量的影響 圖2為各生育期不同地膜處理小麥株高和地上部干物質(zhì)積累量變化，從圖2可知，在小麥生育期LP 和LS處理，相比CK 小麥株高和地上部干物質(zhì)積累均達(dá)到顯著性水平。表現(xiàn)為PF＞LS＞LP＞CK。各處理小麥生育期株高變化差異顯著，在小麥的苗期和拔節(jié)期株高變化不明顯，拔節(jié)期之后小麥生長(zhǎng)速度較快，株高變化較明顯，灌漿期后小麥株高趨于穩(wěn)定。PF處理在小麥苗期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期分別比CK 提 高 了8.9%、12.1%、17.2%、17.0%。而LS處理在小麥苗期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期株高分別比CK 高8.0%、14.1%、11.9%、12.0%，可見(jiàn)液體地膜處理能明顯提高小麥的生長(zhǎng)發(fā)育，其株高變化均明顯高于空白組。原因是液體地膜覆蓋提高了土壤的溫度和含水率，為小麥的生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。

在小麥拔節(jié)期之前小麥生長(zhǎng)較為緩慢，植株莖葉干物質(zhì)積累量較少，抽穗期小麥生長(zhǎng)速度加快，在灌漿期干物質(zhì)積累量趨于穩(wěn)定。微硅粉液體地膜處理在小麥生育期對(duì)小麥生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，在抽穗期，LS 處理小麥干物質(zhì)積累量與PF基本一致，較CK 提高20.5%。主要是因?yàn)槲⒐璺垡后w地膜中的硅元素為小麥的生長(zhǎng)提供了必須的硅肥，且微硅粉液體地膜具有良好的保溫、保水、保墑效果，在小麥生育期前期與PF具有等同的作用。表明微硅粉液體地膜處理在小麥生育期能提高小麥地上部干物質(zhì)積。

圖2 不同地膜處理小麥生長(zhǎng)期株高和地上部干物質(zhì)積累量變化Fig.2 Changes of plant height and dry matter accumulation in wheat shoots with different plastic mulchings

2.3.3 液體地膜中硅元素對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響 土壤中硅含量（SiO2）占50%～70%，但被植物吸收利用的是易溶解的單硅酸（H4SiO4）。對(duì)大部分高等植物，硅雖然不是植物生長(zhǎng)所必須的元素，但對(duì)少部分富硅禾本科植物是生長(zhǎng)必須的元素。Si在植物體內(nèi)以硅膠的形態(tài)存在于植物細(xì)胞壁微團(tuán)結(jié)構(gòu)中，減少了細(xì)菌和病蟲的侵害。同時(shí)在植物細(xì)胞壁Si能夠增加細(xì)胞壁厚度，提高了禾本科植物的抗倒伏能力。Si在莖葉表皮細(xì)胞與角質(zhì)之間形成了角質(zhì)與硅的二層結(jié)構(gòu)，抑制了葉片的蒸騰速率，降低了植株體內(nèi)水分的蒸發(fā)，提高了植物的抗旱能力［19］。因此液體地膜中硅能被禾本科植物吸收利用，不僅提高了作物的抗倒伏和病蟲害等能力，而且進(jìn)一步提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量。

表4為不同地膜處理小麥莖葉硅含量與產(chǎn)量關(guān)系，從表4可知，LS地膜處理小麥莖和葉的硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)較LP、PF和CK 達(dá)到差異性顯著，其中LS處理莖和葉硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別為25.43 mg／kg和24.83mg／kg，較CK 提高了19.3%和16.8%，LP較CK 提 高 了8.9%和5.2%，PF 較CK 提高了5.7%和1.5%。主要是因?yàn)槲⒐璺垡后w地膜中的硅與土壤溶液形成小麥能夠吸收的有效硅，通過(guò)植物體內(nèi)水分的傳輸將硅元素傳輸?shù)街参锏母鱾€(gè)器官，而PF 和CK 處理小麥中莖葉硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部分是土壤溶液中所吸收的硅。土壤含有一定有效硅的基礎(chǔ)上，微硅粉液體處理在一定程度上增加了土壤中能夠被小麥吸收的有效硅，所以PF 和CK 處理小麥莖葉硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于LS處理。小麥莖和葉硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有差別，是因?yàn)樾←溕跒榱颂岣咝←湹目沟狗芰Γ←溓o干細(xì)胞壁上沉積的硅較葉片多。其中LP 和CK 處理莖和葉的硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)與LS達(dá)到了差異顯著性水平，抗倒伏能力低于LS處理。各處理小麥的千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)均高于空白對(duì)照，其中LS 處理千粒質(zhì)量較CK 平均提高了5.8%，穗粒數(shù)較CK 平均提高了23%。LS處理小麥產(chǎn)量較LP、PF 和CK 平均增產(chǎn)8%、11.4%和16.2%。表明微硅粉液體地膜不僅在小麥生育期階段起到保溫、保濕、改善土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分的效果，還能為小麥提供生長(zhǎng)所必需的硅元素，促進(jìn)了小麥的生長(zhǎng)狀況，提高了小麥的產(chǎn)量。

表4 不同地膜處理小麥莖葉硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)與產(chǎn)量Table 4 Silicon mass fraction in stems and leaves and yield of wheat treated with different film treatments

CK 21.32±0.42d 21.25±0.35c 32.6±0.36c 26.4±0.8d 22.7±0.4d

3 結(jié)論與討論

微硅粉懸浮液體地膜覆蓋對(duì)土壤保溫、保水及作物生長(zhǎng)影響與相關(guān)研究結(jié)果類似，但將工業(yè)廢棄物微硅粉添加到液體地膜中，提高了小麥的發(fā)芽率和產(chǎn)量的研究較少。本文不僅分析了微硅粉懸浮液體地膜覆蓋土壤溫度、含水率及小麥產(chǎn)量的影響，也研究了微硅粉懸浮液體地膜中硅元素對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，LS和LP 處理均提高了土壤深度5cm、10cm 溫度和含水率，從而促進(jìn)了小麥根系對(duì)土壤養(yǎng)分吸收狀況，進(jìn)一步改善了地上部小麥植株的生長(zhǎng)發(fā)育。主要表現(xiàn)為麥苗早發(fā)，株高和地上部干物質(zhì)積累量高，增產(chǎn)效果明顯。PF處理土壤溫度高于液體地膜處理，但小麥生長(zhǎng)期的含水率低于LS處理，LS處理有助于雨水滲透，改善土壤的通透性，有利于小麥生長(zhǎng)發(fā)育。LS處理小麥千粒質(zhì)量較CK 平均提高了5.8%，穗粒數(shù)較CK 平均提高了23%。另外本研究還未考慮到的問(wèn)題，如液膜噴施的厚度、配套的噴施設(shè)備和膜的降解周期，后期還需在這些方面加強(qiáng)研究。綜合分析得出，微硅粉懸浮液體地膜在農(nóng)業(yè)覆蓋領(lǐng)域具有可應(yīng)用性的價(jià)值，但將其應(yīng)用還需不斷驗(yàn)證微硅粉懸浮液體地膜的具體性能指標(biāo)。

中國(guó)農(nóng)業(yè)覆蓋領(lǐng)域中地膜覆蓋能夠提高地溫、促進(jìn)種子的萌發(fā)、根系呼吸作用和提高作物產(chǎn)量等［20-21］，同時(shí)也產(chǎn)生了殘膜難降解、污染環(huán)境等負(fù)面影響［22-23］。液體地膜覆蓋能夠影響土壤養(yǎng)分吸收與轉(zhuǎn)化，從而改善了土壤的肥力。液體地膜是一種新型環(huán)保的水土保持材料，在覆蓋有效期能提高作物的發(fā)芽率和防風(fēng)固沙等作用，降解后對(duì)土壤無(wú)二次污染。但受雨水沖刷、外界光照等方面的影響，液體地膜的耐候性還需進(jìn)一步優(yōu)化工藝路線。液體地膜價(jià)格廉價(jià)、易噴施、使用方便，可顯著提高農(nóng)田的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。因此，將液體地膜推廣于農(nóng)業(yè)覆蓋領(lǐng)域是一條可行性的技術(shù)。