白膜和黑膜覆蓋對(duì)黃綿土保水調(diào)溫的效應(yīng)

楊兵麗，李文平，王建軍，白 鐸

(1.武山縣蔬菜研究所，甘肅 武山 741300；2.武山縣蔬菜產(chǎn)業(yè)科技示范園，甘肅 武山 741300；3.武山縣氣象局，甘肅 武山 741300)

0 引 言

在我國西北半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，地膜覆蓋因具有增溫、節(jié)水、早熟及增產(chǎn)等作用被廣為應(yīng)用[1]。土壤溫度影響土壤的理化性質(zhì)，而土壤溫度主要受太陽輻射和大氣溫度的影響，地膜覆蓋對(duì)土壤有著良好的保溫作用[2]。黃綿土是西北半旱區(qū)主要分布的土壤類型，早春和秋季覆膜栽培是該地區(qū)的主要栽培方式[3]。地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用以來，覆膜方式和地膜覆蓋材料對(duì)土壤水熱效應(yīng)和作物生長(zhǎng)發(fā)育的研究已有大量報(bào)道[4-5]，并定性證實(shí)白膜選用主要側(cè)重增溫保墑，而黑膜透光率低，高溫季節(jié)具有降溫和防除雜草效應(yīng)。地膜覆蓋技術(shù)可以有效改善土壤地表熱量，短波輻射可有效穿透地膜覆蓋層到達(dá)地面，對(duì)土壤表現(xiàn)出很好的保溫作用，而部分熱能以熱傳導(dǎo)方式輸送到土壤深處，表現(xiàn)出不同深度土壤溫度的差異[6]。地膜覆蓋能夠顯著降低土壤的水分蒸發(fā)，截留并顯著提高土壤有效水分含量，張琴[7]研究認(rèn)為覆膜顯著提高了土壤(0～60 cm)含水率，但白膜和黑膜對(duì)土壤水分影響差異不明顯，Gan等[8]研究證實(shí)覆膜條件下土壤水分對(duì)土壤熱容量影響呈線性相關(guān)關(guān)系。

地膜覆蓋層下土壤溫度的變化是太陽輻射平衡、土壤熱量平衡和土壤熱學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果[3]。胡明芳等[9]研究認(rèn)為，地膜覆蓋最大的保溫結(jié)果出現(xiàn)在土壤表層5～20 cm，也有研究認(rèn)為，黑膜覆蓋在高溫時(shí)段對(duì)0～15 cm土壤存在一定降溫效果，較白膜覆蓋平均降低0.77 ℃[7]。邵明安等[2]通過研究土壤理化性質(zhì)影響因素，提出了土壤溫度變化采用數(shù)學(xué)方程模型擬合的適用性。吳賢忠等[10]研究認(rèn)為土壤凍結(jié)期覆膜保溫深度可達(dá)15 cm，且黑膜覆蓋保溫效果優(yōu)于白膜，但并未在夏秋季節(jié)就覆膜的水熱效應(yīng)進(jìn)行定量研究。同時(shí)，不同顏色地膜對(duì)波段輻射吸收存在明顯差異，一些研究者通過選取白天3個(gè)時(shí)段監(jiān)測(cè)土壤溫度，認(rèn)為白膜覆蓋處理土壤的平均溫度相對(duì)較高，灰黑雙色地膜效果最差，但并未就全天土壤溫度日變化深入研究[11]。相關(guān)地膜覆蓋對(duì)土壤水分和土壤溫度的研究報(bào)道眾多，然而，對(duì)比白膜和黑膜覆蓋對(duì)土壤水分、土壤溫度及熱容量研究較少，地膜覆蓋對(duì)土壤保水調(diào)溫效應(yīng)鮮量化研究報(bào)道較少。鑒于此，選擇在黃綿土覆蓋黑白膜條件下，量化研究不同土層深度土壤溫度的變化規(guī)律，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地膜覆蓋對(duì)栽培土壤溫度和熱量的影響，為該地區(qū)進(jìn)一步科學(xué)選用地膜及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年7月6日-2019年8月6日在甘肅省武山縣蔬菜科技示范園區(qū)進(jìn)行(34°44′48″N，104°59′59″E)。試驗(yàn)區(qū)海拔1 495.6 m，年平均氣溫10.3 ℃，無霜期195 d，年均日照2 331 h，降水量550 mm，試驗(yàn)土壤為黃綿土，0～40 cm土壤基本物理性質(zhì)如表1。

表1 黃綿土不同深度基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physic-chemical property under different soil depths of loess soil

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用黑膜和白膜，材料成分均為聚乙烯(蘭州金輝塑化有限公司)，厚度0.008 mm。

1.3 設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)設(shè)置為覆蓋地膜(對(duì)照)、白膜覆蓋及黑膜覆蓋3個(gè)處理，分別測(cè)定不同覆蓋處理下10 cm、20 cm、30 cm、40 cm深度處土壤含水量和土壤溫度。試驗(yàn)在露天試驗(yàn)地塊上進(jìn)行，試驗(yàn)地塊旋耕后耙平，起壟覆膜，壟長(zhǎng)12 m，壟高0.25 m，壟寬0.5 m，預(yù)埋設(shè)土壤溫度測(cè)定探頭(Thermo Recorder TR-52,accuracy±0.1 ℃)，土壤水分測(cè)定探針(托普云農(nóng)TZS-1K-G)。監(jiān)測(cè)探頭插入覆蓋處理的不同深度處，每處埋分別設(shè)3個(gè)測(cè)定探頭作為重復(fù)(每處間隔10 cm)。土壤溫度數(shù)據(jù)記錄設(shè)定每小時(shí)記載1次(24 h為監(jiān)測(cè)日周期)，連續(xù)觀測(cè)30 d，每天上午10:00用測(cè)定土壤0～40 cm土壤水分含量，取其平均值。試驗(yàn)前期蛇形取點(diǎn)采樣測(cè)定試驗(yàn)土壤的物理參數(shù)，以便分析覆蓋處理后土壤熱容量。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，重鉻酸鉀法測(cè)定有機(jī)質(zhì)，并測(cè)定土壤總孔隙度[12]，每個(gè)土層取3個(gè)樣品，共計(jì)36個(gè)樣品。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤溫度變化選用土壤中溫度垂直分布的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合分析：

T(z,t)=TA(z)+A(z)sin[ωt+Φ(z)][2]

模型中：TA(z)為日平均溫度；A(z)為土壤溫度變化幅度；Φ(z)，ω，z依次為模擬方程相位，角頻率，測(cè)定深度，土壤熱容量計(jì)算公式如下：

Cs(θ)=θ+0.46(1-Φ-m0)+0.6m0[13]

式中：Cs(θ)為土壤熱容量(cal·cm-3·℃-1)；θ為土壤含水量(cm3·cm-3)；Φ為總孔隙度；m0為有機(jī)質(zhì)組分；礦物質(zhì)和土壤有機(jī)質(zhì)的體積熱容量分別為0.46 cal·cm-3·℃-1和0.60 cal·cm-3·℃-1。Φ和m0是方程中的常量。

所測(cè)結(jié)果運(yùn)用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 17.0和Excel 2007進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜覆蓋處理對(duì)土壤水分和熱容量的影響

表2擬合反映了地膜覆蓋下不同土壤深度水分含量和土壤熱量傳導(dǎo)的量化指標(biāo)。結(jié)果表明，不同深度處的土壤水分和土壤熱容量變化較大，且均隨土壤深度增加而增大，其中，40 cm深度處值最大，10 cm深度處值最小。相比于對(duì)照，地膜覆蓋能夠顯著增加土壤含水量和土壤熱容量，但白膜和黑膜覆蓋處理間差異不顯著。同一覆蓋處理下，黑膜覆蓋處理的土壤熱容量在10 cm和20 cm處差異不顯著，白膜處理和未覆蓋處理在20 cm和30 cm處差異不顯著。

表2 地膜覆蓋對(duì)不同深度土壤含水量和熱容量的影響Table 2 Soil water contents and heat capacities under different film mulching treatments

2.2 地膜覆蓋不同土層溫度變化

試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同地膜覆蓋下，各土層溫度的日變化均呈現(xiàn)出類似正弦曲線的波動(dòng)曲線，但正弦曲線變化趨勢(shì)不一致。8:00～20:00各土層溫度均整體呈升高趨勢(shì)，19:00～7:00各土層溫度整體呈降低趨勢(shì)，各土層溫度動(dòng)態(tài)變化不完全一致(圖1)。淺層土壤溫度變化幅度最大，當(dāng)天下午16:00達(dá)“峰值”，深度20 cm處、30 cm處、40 cm處土壤溫度分別在17:00、20:00、1:00左右達(dá)“峰值”。隨著土壤深度的增加，土壤溫度的“峰值”出現(xiàn)時(shí)間的滯后。黑膜覆蓋下，土層溫度在白晝的變化總體趨勢(shì)類似與白膜覆蓋處理，只是溫度“峰值”“谷值”出現(xiàn)的時(shí)間和數(shù)值有所不同。白天時(shí)段，黑膜覆蓋出現(xiàn)的溫度“峰值”普遍高于白膜處理，整體高出2 ℃左右，時(shí)間延遲1.5 h左右；夜間時(shí)段，白膜覆蓋處理溫度降低至溫度“谷值”，整體低于黑膜處理。

注：□ 代表 10 cm; △ 代表 20 cm；○ 代表 30 cm；◇ 代表 40 cm。Note:□ means 10 cm; △ means 20 cm；○ means 30 cm；◇ means 40 cm.圖1 地膜覆蓋處理下不同土層溫度日變化Fig.1 Diurnal variation of soil temperature under different film mulching treatments

2.3 土壤溫度日變化擬合方程回歸分析

擬合方程參數(shù)可以看出，不同覆蓋處理下土壤平均溫度不同，整體表現(xiàn)為白膜最高，黑膜次之，未覆蓋最低。10 cm處白膜覆蓋土壤溫度最高，為30.3 ℃，顯著高于黑膜和對(duì)照處理，40 cm處未覆蓋處理的土壤溫度最低，為25.8 ℃。同一覆蓋處理下，隨著土壤深度的增加，土壤溫度依次降低，均表現(xiàn)為淺層土壤(0～20 cm)平均溫度顯著高于深層土壤的溫度。振幅是該擬合模型中最能說明覆蓋處理下土壤溫差變異幅度的核心變量[2]。振幅的數(shù)據(jù)反映出，白膜處理的溫差變異幅度最大，黑膜次之，未覆蓋處理下溫差變幅最小。10 cm土壤深度處白膜覆蓋土壤溫差最大(振幅3.78)，顯著高于黑膜(振幅3.03)和未覆蓋處理(振幅2.89)，土壤深度在20 cm 、30 cm、40 cm處覆蓋處理間的振幅數(shù)據(jù)差異不顯著，說明覆蓋處理對(duì)深層土壤的溫度的變化影響不大。

表3 不同地膜覆蓋處理下土壤溫度日變化擬合方程參數(shù)Table 3 Diurnal variation within 24 hours of soil temperature fitted equation parameters

3 討論

研究表明，覆蓋白膜或黑膜均能顯著提高土壤溫度。地膜覆蓋對(duì)土壤形成了一個(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng)，對(duì)土壤的熱量交換形成了有效的調(diào)控。土壤溫度是太陽輻射平衡、土壤熱量平衡和土壤熱學(xué)性質(zhì)共同作用的結(jié)果[3]，土壤的物理性質(zhì)決定著土壤熱學(xué)性質(zhì)[2]。劉凱等[3]研究認(rèn)為，地膜選用的顏色越深，對(duì)土壤保溫效果越差，這與不同顏色地膜對(duì)光的波段吸收有關(guān)。本研究認(rèn)為，覆膜處理顯著增加了的土壤水分和土壤熱容量，這與張琴[7]關(guān)于不同覆膜處理對(duì)土壤水分的影響差異不明顯結(jié)果一致。不同之處為雖然白膜和黑膜覆蓋處理的土壤熱容量差異不明顯，但是白膜覆蓋對(duì)土壤的增溫效應(yīng)要高于黑膜，這是因?yàn)橄啾扔诤谀?，白膜能更多地截留長(zhǎng)波輻射，有效減弱覆蓋土壤的地面輻射，從而減少其覆蓋下土壤熱量的散失。研究同時(shí)表明，覆蓋地膜后深層土壤溫度“峰值”表現(xiàn)出時(shí)間上的滯后性，主要原因可能是受到土層深度影響，部分熱能以熱傳導(dǎo)方式輸送到土壤深處，土壤熱量達(dá)到平衡需要一定時(shí)間[6]。

擬合模型量化分析認(rèn)為，淺層土壤(0～20 cm)溫度振幅值均大于2.23，深層土壤溫度振幅值(20～40 cm)均小于1.18，不同深度土壤溫差變幅差異明顯，說明地膜覆蓋對(duì)土壤的增溫效果主要集中在淺層土壤(0～20 cm)，這和王紅麗等[14]研究認(rèn)為覆膜增溫效果主要集中在淺層土壤(0～25 cm)研究結(jié)果基本一致。土壤熱容量量化分析認(rèn)為，40 cm處土壤熱容量均顯著高于10 cm處，20 cm和30 cm處土壤熱容量差異不明顯，其變化趨勢(shì)和土壤水分含量變化基本呈現(xiàn)線性正相關(guān)，說明土壤水分是影響土壤熱容量的主要因素，這和甘磊等[15]研究結(jié)果基本一致。淺層土壤是主要耕作土層，更容易受到田間小氣候的影響，諸如覆蓋物、作物及水肥等農(nóng)田因素影響，因此下一步應(yīng)著重這方面的研究。

白地膜和黑地膜是當(dāng)前農(nóng)用地膜最普遍的類型[3]。研究認(rèn)為，在0:00～8:00，黑膜覆蓋下土壤溫度普遍高于白膜覆蓋，黑膜覆蓋夜間保溫性更好。8:00～16:00，白膜覆蓋下土壤溫度增加速率更快，對(duì)地溫提升優(yōu)于黑膜覆蓋，白膜覆蓋下土壤溫度“峰值”的出現(xiàn)比黑膜早1 h左右，且溫度“峰值”高出2 ℃左右。鑒于冬春季茬生產(chǎn)對(duì)溫度的要求較高，建議選用白膜增加田間透光性來增加土壤溫度，此外，白膜覆蓋下土壤較大溫差變化也有利于植株積累碳水化合物，這將有助于進(jìn)一步改善作物品質(zhì)[16]。黑膜覆蓋的土壤不透光，白天地溫回升相對(duì)較慢，因此建議使用時(shí)避開冬茬作物，在夏秋茬口選用，同時(shí)由于其夜間對(duì)土壤保溫性較好，同時(shí)又具有防雜草功能[10]，建議在某些根莖類或者不耐雜草的作物栽培上使用。

4 結(jié)論

擬合模型量化分析了白膜、黑膜覆蓋具有的“保水調(diào)溫”效應(yīng)。在0～40 c m土層均不同程度提高了土壤水分和土壤溫度，增加土壤熱容量。白膜覆蓋對(duì)土壤的增溫效應(yīng)要高于黑膜，白膜覆蓋下土壤溫度溫差大于黑膜覆蓋下土壤溫度溫差。從不同土壤深度看，地膜覆蓋下淺層土壤(0～20 c m)升溫快，降溫也快，其土壤溫差的變化顯著大于深層土壤(20～40 cm)，且隨著土壤深度的增加，覆蓋地膜對(duì)土壤的增溫效應(yīng)逐漸減弱，溫差變化逐漸減小，但土壤熱容量顯著增加，這將有助于進(jìn)一步從量化過程認(rèn)識(shí)地膜覆蓋對(duì)栽培土壤溫度和熱量的影響。