地膜覆蓋對(duì)大興安嶺南麓丘陵旱作區(qū)土壤溫度、水分與玉米產(chǎn)量的影響

李秀萍，連海飛，白春華，陶夢(mèng)慧，李煥春，慕宗杰，梁俊梅，盧旭東，康文欽，景宇鵬

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010031；2.興安盟農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古烏蘭浩特137400）

地膜覆蓋具有增溫、保水、保肥、抑制雜草生長(zhǎng)以及控制土壤鹽返等作用[1-2]，是提高水資源緊缺地區(qū)農(nóng)田水分利用效率和防止土壤發(fā)生次鹽漬化的重要措施，是干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收最為關(guān)鍵的技術(shù)措施[3]，地膜已經(jīng)成為第三大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料[4]。我國(guó)地膜覆蓋栽培面積從1979年的44 hm2增加至2017年的1.87×107hm2，使用量從1982年的6.00×103t提高至2017年的1.40×106t，地膜覆蓋栽培面積約占全國(guó)耕地面積的13%，占世界地膜覆蓋栽培面積的90%[5]，地膜用量持續(xù)增加，覆膜面積逐漸擴(kuò)大，使用強(qiáng)度逐年提高。然而，地膜是一種在自然環(huán)境條件下難降解、難回收、利用率低的農(nóng)業(yè)投入品[6]，殘留量占總地膜使用量的1/4～1/3[7]，地膜的使用必然對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，長(zhǎng)期大量的地膜殘留影響土壤水分運(yùn)移、作物根系生長(zhǎng)以及作物產(chǎn)量，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，地膜污染已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中迫切需要解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，液體地膜、可降解生物地膜的出現(xiàn)給農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)、提質(zhì)增效帶來(lái)無(wú)限生機(jī)，增厚地膜的大量使用更便于回收利用，也可減少環(huán)境污染，取得了較好的應(yīng)用效果。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)降解地膜[8-10]、不同類型地膜[11-14]、不同厚度地膜[15-18]對(duì)土壤水熱環(huán)境及作物產(chǎn)量影響的研究較多，卻缺乏關(guān)于降解地膜、增厚地膜、國(guó)標(biāo)地膜三者之間的對(duì)比研究。同時(shí)，針對(duì)內(nèi)蒙古大興安嶺南麓丘陵旱作區(qū)春玉米種植過(guò)程中地膜的應(yīng)用鮮有報(bào)道。玉米是大興安嶺南麓地區(qū)的主要作物，覆膜量已高達(dá)120 kg/hm2，地膜殘留問(wèn)題比較嚴(yán)重。本試驗(yàn)針對(duì)大興安嶺南麓丘陵旱作區(qū)開(kāi)展了不同類型地膜覆蓋對(duì)土壤保溫、保水效應(yīng)以及對(duì)玉米生長(zhǎng)特性和產(chǎn)量影響的研究，旨在篩選適合當(dāng)?shù)赜衩追N植的地膜類型，為緩解殘膜污染提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年在內(nèi)蒙古興安盟農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)示范基地進(jìn)行，位于興安盟科爾沁右翼前旗巴日嘎斯臺(tái)鄉(xiāng)良種場(chǎng)村，北緯121°42′37.1″，東經(jīng)46°4′18.3″，屬典型大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3.0～5.8℃，無(wú)霜期120～145 d，年降水量380～420 mm，年蒸發(fā)量1 800 mm，≥10℃積溫2 600～2 900℃。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為典型的栗鈣土，0～20 cm土層土壤容重為1.41 g/cm3、pH值為6.20、有機(jī)質(zhì)含量37.42 g/kg、全氮含量1.75 g/kg、堿解氮含量46.98 mg/kg、有效磷含量5.51 mg/kg、速效鉀含量98.8 mg/kg。

1.2 材料及設(shè)計(jì)

供試玉米品種為興農(nóng)519，采用大小行種植，大行距70 cm，小行距40 cm，株距27 cm，種植密度6.73萬(wàn)株/hm2。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：國(guó)標(biāo)地膜（0.010 mm聚乙烯農(nóng)用地膜）、降解地膜（0.010 mm可降解生物地膜）、增厚地膜（0.012 mm聚乙烯農(nóng)用地膜），膜寬均為70 cm，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積150 m2（5 m×30 m），隨機(jī)排列。所有處理施用復(fù)合調(diào)控肥（N：225 kg/hm2，P2O5：117 kg/hm2，K2O：49 kg/hm2）。播前旋耕施肥，之后溝播覆膜放苗，2019年5月10日播種，10月8日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤溫度采用曲管地溫計(jì)監(jiān)測(cè)，埋設(shè)深度為5、10、15、20 cm，每日6：00—18：00，每隔2 h監(jiān)測(cè)1次地溫，按照玉米生育時(shí)期分別監(jiān)測(cè)，每個(gè)生育時(shí)期內(nèi)連續(xù)3 d監(jiān)測(cè)，取平均值。土壤含水量采用烘干稱重法測(cè)定，于玉米出苗后每隔7 d在各處理地塊采集1次土樣，取樣深度為0～60 cm，按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm分層取樣，共采集6層，每個(gè)小區(qū)3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Mircrosoft-Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、制圖，利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型地膜覆蓋對(duì)土壤溫度的影響

土壤溫度主要與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和地表覆蓋程度有關(guān)，是影響種子出苗、作物生長(zhǎng)發(fā)育最為重要的因素，對(duì)北方寒冷地區(qū)的影響最為顯著。由于春播時(shí)土壤溫度較低，不利于種子發(fā)芽，通過(guò)覆膜種植可以顯著提高土壤溫度，有利于作物的出苗和生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物產(chǎn)量。由圖1～圖4可知，不同類型地膜處理對(duì)5、10 cm土層土壤溫度影響較大，尤其是在玉米三葉期和苗期日間溫差較大，最高達(dá)17.7℃；而對(duì)15、20 cm土層土壤溫度的影響較?。煌瑫r(shí)，隨著土層深度增加土壤溫度逐漸降低；且隨時(shí)間推移5 cm和10 cm土層土壤溫度從三葉期到成熟期呈先升高后降低再升高的變化趨勢(shì)。方差分析結(jié)果表明，三葉期和苗期土壤溫度與其他生育時(shí)期土壤溫度差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）；15 cm和20 cm土層土壤溫度從三葉期到成熟期呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，且不同生育時(shí)期差異不顯著（P＞0.05），這主要是由于玉米三葉期和苗期地表覆蓋度低，土壤表層受輻射影響較強(qiáng)烈，造成土壤溫度地表層明顯大于下層。隨著玉米植株的生長(zhǎng)，尤其是從拔節(jié)期開(kāi)始玉米地上部分快速生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)地表覆蓋度逐漸增大，造成不同處理土壤溫度變化差異較小。從玉米整個(gè)生育期來(lái)看，三葉期和苗期降解地膜與國(guó)標(biāo)地膜處理土壤溫度變化差異較小，且3種地膜處理土壤溫度在不同土壤深度均無(wú)顯著差異（P＞0.05），故在玉米生長(zhǎng)前期特別是從播種到出苗期降解地膜與國(guó)標(biāo)地膜處理土壤溫度差異不顯著（P＞0.05），說(shuō)明降解地膜覆蓋也能起到較好的保溫效果，而在玉米生長(zhǎng)后期特別是從吐絲期開(kāi)始，由于降解地膜逐漸破損，對(duì)土壤的保溫效果逐漸降低，同時(shí)在玉米生長(zhǎng)后期雖然土壤溫度較高，但地膜處理導(dǎo)致的土壤溫度變化對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響較??；在玉米灌漿期之前5 cm土層增厚地膜土壤溫度顯著（P＜0.05）低于國(guó)標(biāo)地膜，在灌漿期之后增厚地膜土壤溫度高于國(guó)標(biāo)地膜處理，可見(jiàn)增厚地膜處理在玉米生長(zhǎng)前期保溫效果較差，不利于玉米的正常生長(zhǎng)。整體來(lái)看，不同地膜處理對(duì)玉米各生育時(shí)期不同土層土壤溫度的影響各不相同，降解地膜處理在玉米生長(zhǎng)初期保溫效果與國(guó)標(biāo)地膜處理一致，而在玉米生長(zhǎng)后期保溫效果低于國(guó)標(biāo)地膜；增厚地膜處理與國(guó)標(biāo)地膜處理相比土壤溫度差異較大，灌漿期之前5 cm土層增厚地膜處理土壤溫度顯著低于國(guó)標(biāo)地膜處理；灌漿期后增厚地膜與國(guó)標(biāo)地膜處理土壤溫度基本一致。不同地膜處理0～15 cm土層土壤溫度表現(xiàn)為：國(guó)標(biāo)地膜＞降解地膜＞增厚地膜；20 cm土層土壤溫度表現(xiàn)為：增厚地膜＞國(guó)標(biāo)地膜＞降解地膜。

圖1 5 cm土層不同類型地膜處理玉米各生育時(shí)期土壤溫度變化

圖2 10 cm土層不同類型地膜處理玉米各生育時(shí)期土壤溫度變化

圖3 15 cm土層不同類型地膜處理玉米各生育時(shí)期土壤溫度變化

圖4 20 cm土層不同類型地膜處理玉米各生育時(shí)期土壤溫度變化

2.2 不同類型地膜覆蓋對(duì)土壤含水量的影響

由圖5～圖10可知，玉米苗期至拔節(jié)期，國(guó)標(biāo)地膜與降解地膜、增厚地膜處理0～60 cm土層土壤水分含量差異不顯著（P＞0.05）。從抽雄吐絲期開(kāi)始玉米生長(zhǎng)對(duì)土壤水分需求逐漸增大，同時(shí)降解地膜開(kāi)始逐漸破裂，對(duì)土壤保水能力逐漸減弱，土壤含水量逐漸降低；從抽雄吐絲期至灌漿期國(guó)標(biāo)地膜處理土壤含水量高于降解地膜，尤其在0～30 cm土層這兩個(gè)處理土壤含水量差異顯著（P＜0.05），30 cm以下土層差異不顯著（P＞0.05）；成熟期玉米生長(zhǎng)即將結(jié)束，對(duì)土壤水分的需求減少，降解地膜與國(guó)標(biāo)地膜處理土壤含水量基本相近。在玉米整個(gè)生育期內(nèi)增厚地膜處理土壤含水量高于國(guó)標(biāo)地膜和降解地膜處理，尤其是從抽雄吐絲期至灌漿期0～30 cm土層增厚地膜處理土壤含水量顯著（P＜0.05）高于降解地膜處理，不同處理其他生育時(shí)期土壤含水量均未達(dá)到差異顯著水平（P＞0.05）。

圖5 不同處理0～10 cm土層土壤含水量變化

圖6 不同處理10～20 cm土層土壤含水量變化

圖7 不同處理20～30 cm土層土壤含水量變化

圖8 不同處理30～40 cm土層土壤含水量變化

圖9 不同處理40～50 cm土層土壤含水量變化

圖10 不同處理50～60 cm土層土壤含水量變化

由表1可知，在玉米整個(gè)生育期不同處理土壤含水量變化趨勢(shì)基本一致，總體上表現(xiàn)為增厚地膜＞國(guó)標(biāo)地膜＞降解地膜，且隨時(shí)間推移不同類型地膜0～60 cm土層土壤含水量從拔節(jié)期之后逐漸表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05）。

表1 不同類型地膜不同月份0～60 cm土層土壤平均含水量

2.3 不同類型地膜覆蓋對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

由表2可知，不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響各不相同，3種類型地膜覆蓋玉米穗粗、百粒重均未達(dá)到顯著差異（P＞0.05），穗行數(shù)、禿尖程度達(dá)到顯著差異（P＜0.05）；同時(shí)，增厚地膜和降解地膜處理玉米穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)均顯著高于國(guó)標(biāo)地膜（P＜0.05）。

表2 不同地膜處理玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素

2.4 不同類型地膜覆蓋對(duì)玉米生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量的影響

由圖11可知，不同處理玉米生物產(chǎn)量隨生育進(jìn)程不斷增加。不同處理玉米各生育時(shí)期生物產(chǎn)量變化各不相同，從苗期到拔節(jié)期不同處理玉米生物產(chǎn)量差異不顯著（P＞0.05），從吐絲期開(kāi)始逐漸表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05）。這是由于在生育前期（苗期到拔節(jié)期）不同處理玉米所處的水肥條件、土壤微環(huán)境基本一致，生物產(chǎn)量差異不顯著（P＞0.05）；而從吐絲期后降解地膜處理玉米生物產(chǎn)量顯著（P＜0.05）高于國(guó)標(biāo)地膜和增厚地膜處理，這是由于當(dāng)玉米進(jìn)入吐絲期降解地膜逐漸破裂，增加了土壤的透氣性，有利于植株的生長(zhǎng)，生物產(chǎn)量表現(xiàn)出明顯差異。整體來(lái)看，不同處理玉米生物產(chǎn)量表現(xiàn)為增厚地膜＞降解地膜＞國(guó)標(biāo)地膜。

圖11 不同類型地膜處理玉米生物產(chǎn)量

由圖12可知，不同處理玉米產(chǎn)量大小順序?yàn)榻到獾啬ぃ驹龊竦啬ぃ緡?guó)標(biāo)地膜，且降解地膜處理玉米產(chǎn)量與國(guó)標(biāo)地膜處理差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），降解地膜處理較國(guó)標(biāo)地膜處理增產(chǎn)12.37%，與國(guó)標(biāo)地膜處理相比，降解地膜處理具有較好的增產(chǎn)增收效果；增厚地膜處理與國(guó)標(biāo)地膜處理相比玉米增產(chǎn)6.89%，差異不顯著（P＞0.05）。

圖12 不同類型地膜處理玉米籽粒產(chǎn)量

3 討論與結(jié)論

地膜覆蓋通過(guò)改變土壤微環(huán)境，使土壤水分、溫度在微區(qū)域呈現(xiàn)特殊的變化[19]。從地膜覆蓋對(duì)土壤溫度變化影響來(lái)看，不同處理對(duì)玉米整個(gè)生育時(shí)期土壤溫度的影響程度各不相同，形成了土壤溫度隨玉米生育時(shí)期的變化而發(fā)生明顯變化的規(guī)律，這與陳志君等[20]、白雪等[21]研究結(jié)果一致。地膜覆蓋的保溫作用主要是在玉米生育前期，三葉期和苗期土壤溫度最高，地膜覆蓋能夠較好地保證玉米的出苗率，拔節(jié)期之后玉米生長(zhǎng)旺盛，地表覆蓋度逐漸增大，葉片阻止了太陽(yáng)直接輻射，同時(shí)，在吐絲期降雨集中，土壤水分的增加也可以降低土壤溫度，使得玉米生長(zhǎng)后期地膜的增溫效應(yīng)逐漸減弱。從不同土層土壤含水量的變化來(lái)看，地膜覆蓋的增溫效應(yīng)隨土層深度的增加而減少，5 cm和10 cm土層土壤溫度明顯高于15 cm和20 cm土層；從土壤溫度日變化來(lái)看，三葉期和苗期土壤溫度日間溫差最大，最高達(dá)17.7℃。同時(shí)，3種類型地膜處理在玉米全生育期內(nèi)0～15 cm土層土壤溫度表現(xiàn)為國(guó)標(biāo)地膜＞降解地膜＞增厚地膜；20 cm土層土壤溫度表現(xiàn)為增厚地膜＞國(guó)標(biāo)地膜＞降解地膜。

從地膜覆蓋對(duì)土壤含水量的影響來(lái)看，不同處理在玉米整個(gè)生育時(shí)期對(duì)土壤含水量影響各不相同。增厚地膜的拉伸性高，封閉也比較好，不易被風(fēng)吹損，在玉米的整個(gè)生育期內(nèi)能夠很好地抑制土壤水分的蒸發(fā)，表現(xiàn)出較高的土壤含水量。降解地膜在玉米生長(zhǎng)初期（三葉期和苗期）0～10、10～20 cm土層土壤含水量與國(guó)標(biāo)地膜土壤含水量相當(dāng)，但從吐絲期后地膜開(kāi)始破裂降解，降解地膜處理土壤含水量較國(guó)標(biāo)地膜處理有所下降，尤其對(duì)0～30 cm土層土壤含水量的影響較大，二者差異顯著；對(duì)30 cm以下土層土壤含水量影響差異不顯著，這與李仙岳等[22]對(duì)不同類型地膜向日葵土壤水熱特性研究結(jié)果一致。

從對(duì)玉米的增產(chǎn)作用來(lái)看，不同處理均具有較好的增產(chǎn)效果，玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為降解地膜＞增厚地膜＞國(guó)標(biāo)地膜。與國(guó)標(biāo)地膜處理相比，增厚地膜、降解地膜處理分別增產(chǎn)6.89%、12.37%，降解地膜處理與國(guó)標(biāo)地膜處理相比，玉米增產(chǎn)差異顯著，增厚地膜處理與國(guó)標(biāo)地膜處理相比玉米產(chǎn)量差異不顯著。

在玉米生育前期增厚地膜、降解地膜與國(guó)標(biāo)地膜處理對(duì)土壤溫度的影響差異不顯著（P＞0.05），在玉米生長(zhǎng)初期降解地膜處理的保溫效果與國(guó)標(biāo)地膜處理一致，而在玉米生長(zhǎng)后期降解地膜處理保溫效果低于國(guó)標(biāo)地膜處理；增厚地膜與國(guó)標(biāo)地膜處理土壤溫度差異較大，玉米生長(zhǎng)灌漿之前5 cm土層增厚地膜處理土壤溫度顯著低于國(guó)標(biāo)地膜處理，灌漿后增厚地膜處理土壤溫度高于國(guó)標(biāo)地膜處理；不同地膜處理0～15 cm土層土壤溫度表現(xiàn)為國(guó)標(biāo)地膜＞降解地膜＞增厚地膜；20 cm土層土壤溫度表現(xiàn)為增厚地膜＞國(guó)標(biāo)地膜＞降解地膜。在玉米苗期至拔節(jié)期，國(guó)標(biāo)地膜與降解地膜、增厚地膜處理不同土層土壤水分含量差異不顯著（P＞0.05）；從吐絲期至灌漿期國(guó)標(biāo)地膜與降解地膜處理0～30 cm土層土壤含水量差異顯著（P＜0.05），不同處理土壤含水量變化趨勢(shì)基本表現(xiàn)為增厚地膜＞國(guó)標(biāo)地膜＞降解地膜。與國(guó)標(biāo)地膜相比，降解地膜、增厚地膜處理均能提高玉米產(chǎn)量，分別較國(guó)標(biāo)地膜處理增產(chǎn)12.37%、6.89%。綜合考慮，在大興安嶺南麓旱作區(qū)玉米種植過(guò)程中采用降解地膜具有較好的效果。