解文艷,周懷平*,楊振興,劉志平,白 雪,程 曼
(1.山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院,山西 太原 030031;2.吉利學院,四川 成都 641417;3.山西大學黃土高原研究所,山西 太原 030006)
我國52.5%的總土地面積位于干旱半干旱地區(qū),且70%左右的旱作農田在我國東北、華北和西北等“三北”地區(qū)[1],這些地區(qū)是我國主要的商品糧基地,主要種植的糧食作物有小麥、玉米和雜糧等,對確保國家糧食安全有著重要作用[2]。目前,我國形成了地膜覆蓋、秸稈覆蓋、平衡施肥、有機培肥、保護性耕作等一系列行之有效的旱作栽培技術。地膜覆蓋因為有效地解決了限制旱區(qū)農田生產力的首要限制因素“旱寒”問題,被認為是提升旱區(qū)耕地生產力的主要驅動力[3-4]。目前,中國已成為世界上地膜消耗量最多、覆蓋面積最大、覆蓋作物種類最廣的國家[5]。然而,普通聚乙烯地膜(PE 地膜)不溶于水又難降解[6],引起了土壤殘膜污染的一系列問題[5,7-8]?!笆濉逼陂g,我國農業(yè)部明確了“一控兩減三基本”的目標,打響了地膜污染防治攻堅戰(zhàn)。為了充分發(fā)揮地膜應用的生產潛力,同時又能避免殘膜帶來的白色污染,保護農田環(huán)境,可降解地膜的研究應運而生[9-11],主要以生物降解地膜、光降解地膜、光-生物降解地膜和液體地膜的研發(fā)與應用示范為主。另外,滲水地膜是山西省自主研發(fā)的地膜產品,以單向滲水原理為理論基礎,采用微孔通透的材料,可以有效接納小型天然降雨,在山西省應用面積較廣。
如今關于不同類型地膜對作物生長發(fā)育以及對土壤水分、溫度等的影響研究較多,得出了利用地膜覆蓋具有增產、促進作物生長、提高水分利用效率等結論[12-17]。但是系統(tǒng)比較不同類型地膜覆蓋對農田土壤環(huán)境的綜合響應機制及作物對養(yǎng)分吸收利用等方面的研究較少。由于地膜生產工藝、制膜材料、農藝性能、地域差異、土壤條件及作物生長發(fā)育的不同,不同類型地膜的應用效果在不同地區(qū)差異很大。因此,應根據當地自然條件、作物種類、栽培習慣等合理選用地膜類型。為此,本研究選擇了生產中應用較廣、具有代表性的4 種地膜,于2015 ~2017 年在北方半干旱半濕潤區(qū)進行定位試驗,從土壤水分、土壤溫度、土壤養(yǎng)分、作物養(yǎng)分吸收、產量以及水肥利用效率等方面分析比較不同類型地膜的異同,探索適宜當地生產和生態(tài)的最佳地膜覆蓋材料,以期為該區(qū)充分利用降水資源、合理應用各類地膜覆蓋栽培技術提供理論依據。
于2015 ~2017 年在山西省壽陽縣宗艾鎮(zhèn)宗艾村的國家農業(yè)環(huán)境壽陽觀測實驗站(113°54′2″ E,37°45′21″ N,海拔1100 m)開展田間試驗。試驗點屬太行太岳山地丘陵半濕潤偏旱氣候,以種植玉米、谷子和雜糧等作物為主,一年一熟,年均氣溫8.1 ℃,無霜期130 d,年均降水量474.2 mm,70%左右的降水分布在6 ~9 月,土層深厚,地下水埋深在10 m 以下。試驗開始前0 ~40 cm 土層土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量分別為16.52、1.28、0.92 和19.00 g/kg,堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為44.50、17.64 和188.81 mg/kg,pH 為8.4。2015 ~2017 年春玉米生育期5 ~9 月降水量分別為414.81、327.39 和367.68 mm。
試驗設5 個處理,3 次重復。處理1:PE,普通地膜覆蓋,0.008 mm 普通聚乙烯農用地膜;處理2:SS,滲水地膜覆蓋,厚度0.006 mm,山西三水滲水膜科技發(fā)展中心生產;處理3:GJ,光降解地膜覆蓋,厚度0.008 mm,吉林省白山市喜豐塑業(yè)生產;處理4:SJ,生物降解地膜覆蓋,厚度0.008 mm,青島宏達塑膠總公司生產;處理5:CK,不覆膜。每個小區(qū)面積為115 m2,長23 m,寬5 m,各處理隨機區(qū)組排列,春玉米品種為大豐30。所有處理采用等施肥量設計,施用N 23%、P2O512%、K2O 5%的復合調控肥,施用量為978.26 kg/hm2,作為底肥于播前一次性施用。試驗播種時間為每年的4 月下旬,收獲時間為10 月上旬,種植密度為6.6 萬株/hm2。4 種地膜寬度均為140 cm,一副地膜種植3 行玉米,株、行距分別為30 和50 cm。地膜覆蓋時間為春玉米全生育期。其他田間管理按大田常規(guī)方法進行,無灌溉。
1.3.1 土壤含水量
于春玉米播種前、苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和收獲后在田間用土鉆采取土樣(0 ~300 cm,20 cm 為一層),采用干燥法分層測定土壤含水量。
1.3.2 土壤溫度
在地膜中間插入曲管地溫計測定各處理5、10、15、20、25 cm 處的土壤溫度,每個生育期連續(xù)測定3 d,測定時間為6:00 ~18:00(每2 h測定1 次),取其平均值作為日平均土壤溫度。
1.3.3 玉米干物質重及各器官全氮、全磷、全鉀的含量
春玉米收獲期,在各小區(qū)隨機采集具有代表性植株10 株,按莖稈、葉、穗軸、籽粒等器官分離,于105 ℃殺青30 min,烘干稱量。植株各器官全氮、全磷和全鉀含量測定方法參照王勁松等[18]的方法。
1.3.4 土壤有機質和養(yǎng)分含量
玉米播種前和收獲期在每個小區(qū)用土鉆取0 ~300 cm 土 層 土 樣,20 cm 為 一 層。0 ~300 cm 土層土壤無機氮(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)用2 mol/L KCl 浸提-全自動間斷化學分析儀(SMART CHEM 200,法國Alliance 公司)測定。0 ~40 cm 土層土樣測定土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等土壤理化性質。土壤全氮含量用H2SO4-混合加速劑消解-全自動蒸氮儀FOSSKjeltec8400 測定;其他土壤養(yǎng)分和有機質含量測定參照魯如坤[19]的方法。
1.3.5 產量
春玉米成熟后將各小區(qū)玉米全部收獲測得籽粒產量,根據重量均值法取有代表性的樣穗10 穗進行室內考種,考察穗長、穗粗、禿尖長、穗粒數、行粒數、百粒重等指標。
1.3.6 計算方法
土壤貯水量W(mm)=h×α×γ×10/100
土壤耗水量ET(mm)=Wb-Ws+P+I
作物水分利用效率WUE [kg/( hm2·mm)] =Y/ET降水利用效率RUE [kg/(mm·hm2)] =Y/P氮肥農學效率NAE(kg/kg)=(YN-Yck)/FN
氮肥偏生產力NPFP(kg/kg)= YN/FN
氮肥表觀利用率NAUR(%)=(UN-Uck)/FN× 100
式中,h 為土層深度(cm),α為土壤質量含水率(%),γ為土壤容重(g/cm3),Wb和Ws為播前和收獲后0 ~2 m 土體土壤貯水量(mm),P 為生育期降水量(mm),I 為生育期灌溉水量(mm),YN和Yck為施氮和不施氮處理玉米籽粒產量(kg/hm2),FN為施氮量(kg/hm2),UN和Uck為施氮和不施氮處理作物吸氮量(kg/hm2)。
采用Excel 2010 和SPSS 18.0 進行數據整理、統(tǒng)計分析及方差分析。
表1 為不同地膜覆蓋處理0 ~40 和40 ~100 cm 土層土壤貯水量隨生育期的動態(tài)變化。由表1分析可知,受生育期內降水量和降水分布的影響,3 年各處理0 ~40 和40 ~100 cm 土層土壤貯水量的變化趨勢存在一定差異。3 個年份中,處理SS、GJ、SJ 和PE 的0 ~40 cm 土層全生育期平均土壤貯水量分別較處理CK 提高15.33%、13.29%、14.00%和8.20%,40 ~100 cm 土層分別較處理CK提 高11.70%、13.55%、12.90%和8.20%。 可 見,地膜覆蓋處理的保墑效應在上層土壤略優(yōu)于下層土壤。這有利于春玉米早期根系的生長和根系對水肥的吸收利用。處理SS、GJ、SJ 在提高0 ~40 和40 ~100 cm 土層全生育期平均土壤貯水量方面效果均優(yōu)于處理PE,處理SS 對0 ~40 cm 土層全生育期平均土壤貯水量的提升作用最強,在40 ~100 cm 土層提升作用最強的為GJ 處理。GJ、SJ、SS 和PE 處理0 ~100 cm 土層3 年平均土壤貯水量較CK 處理分別增加13.60%、13.17%、13.10%和8.19%。
表1 不同地膜覆蓋處理下各生育期0 ~40 和40 ~100 cm 土層土壤貯水量 (mm)
受土壤與環(huán)境間熱量變換強度的影響,同一地膜覆蓋處理在不同土層深度的溫度效應不盡相同。現以春玉米生長季5 和25 cm 土層的平均土壤溫度隨播種后生育期的變化特征為例進行分析(表2)。由表2 分析可知,在春玉米大喇叭口期前,地膜覆蓋的增溫效應最顯著,此后隨生育期推進,處理間土壤溫度的差異逐漸減小。5 cm 土層處,2015、2016 和2017 年各處理春玉米整個生育期土壤溫度變化范圍分別為21.1 ~41.3、22.7 ~35.9 和22.8 ~34.8 ℃。苗期和拔節(jié)期,3個年份處理間土壤溫度均表現為PE > GJ > SS> SJ> CK。處理PE、GJ、SS 和SJ 在苗期的3 年平均土壤溫度較處理CK 分別提高17.29%、10.47%、10.47%和7.85%,在拔節(jié)期分別提高16.33%、10.47%、7.43%和5.97%,各處理之間差異顯著。大喇叭口期至乳熟期,降解地膜保溫效果隨著地膜的破損和降解逐漸降低,3 個年份處理間土壤溫度均表現為PE>SS>GJ>SJ>CK。從春玉米的整個生育階段來看,PE、SS、GJ 和SJ 處理3 年平均土壤溫度較CK 處理分別增加3.5、2.5、2.3 和1.1 ℃。與5 cm 土層相比,各處理25 cm 土層處的土壤溫度變幅較小。在春玉米3 年整個生育期中,SS、GJ、SJ、PE 和CK 處理的土壤溫度分別為19.2 ~26.0、18.5 ~25.6、17.8 ~25.0、19.9 ~27.2 和17.0 ~23.8℃;PE、SS、GJ 和SJ 處理3 年平均土壤溫度較CK 處理分別增加2.8、1.9、1.8 和1.0 ℃。
表2 不同地膜覆蓋處理下5 和25 cm 土層平均土壤溫度
不同類型地膜覆蓋下的土壤水氣熱狀況存在差異,會對土壤微生物活性、有機質和養(yǎng)分轉化釋放及作物養(yǎng)分吸收利用產生影響,進而影響土壤肥力狀況。表3 為連續(xù)3 年春玉米試驗后各處理耕層0 ~40 cm 土壤有機質和養(yǎng)分含量。由表3 可知,各處理土壤指標均較播前基礎有所減少。土壤有機質含量大小表現為SJ>SS>PE>GJ>CK,SJ 處理顯著大于其他處理。處理間土壤全氮、全磷和全鉀含量差異不顯著。土壤堿解氮和有效磷含量均表現為覆蓋處理小于不覆蓋處理,其中堿解氮含量高低為CK>SS>PE>GJ>SJ,有效磷含量高低為CK>PE>GJ>SS>SJ。土壤速效鉀含量表現為覆蓋處理大于不覆蓋處理,覆蓋處理中SJ處理最高,PE 和SS 處理次之,GJ 最低。
表4 為不同地膜覆蓋處理0 ~300 cm 土壤硝態(tài)氮累積狀況。從表4 可以看出,0 ~300 cm 土體硝態(tài)氮累積量CK 處理高達567.37 kg/hm2,高于地膜覆蓋各處理,表明地膜覆蓋處理可減少硝態(tài)氮在土壤中的累積。同等施氮量(225 kg/hm2)下,0 ~300 cm 土體硝態(tài)氮累積量的大小依次為PE(507.41 kg/hm2)>GJ(499.38 kg/hm2)>SS(457.84 kg/hm2)>SJ(455.53 kg/hm2),GJ、SS、SJ處理其0 ~300 cm 土體硝態(tài)氮累積量較PE 處理分別降低1.58%、9.76%、11.39%,生物降解地膜處理可以有效降低土壤0 ~300 cm 土層中硝態(tài)氮累積量。從相對累積量看,CK 處理81.58%的土壤硝態(tài)氮累積在100 ~300 cm 土層中,這部分氮素既可滿足作物需要,但也有淋失的可能。地膜覆蓋各處理的總累積量的81.94%~85.95%累積在100 ~300 cm 土層中,淋失風險較高。
表3 2017 年收獲期不同地膜覆蓋處理耕層(0 ~40 cm)土壤有機質和養(yǎng)分含量
表4 2017 年收獲期不同地膜覆蓋處理0 ~300 cm 土壤硝態(tài)氮累積量
由表5 可知,不同類型地膜覆蓋處理的產量及其構成因素均優(yōu)于CK。地膜覆蓋處理與CK間3 年玉米累積總產量相差2567.26 ~6565.40 kg/hm2,地膜覆蓋處理增產率達到9.52%~24.35%,PE 處理增產最低,SJ 處理增產最高。SJ、SS、GJ處理分別比PE 處理產量平均提高13.54%、7.50%、3.05%,年際間趨勢一致。生物降解地膜覆蓋處理產量最高,效果最優(yōu)。產量構成因素分析表明,4 種地膜覆蓋處理對春玉米穗數和百粒重無顯著影響,產量差異主要表現在穗粒數的變化。PE、GJ、SS、SJ 處理的3 年平均穗粒數分別比CK 增加6.23%、7.87%、10.88%、13.24%。
表5 不同地膜覆蓋處理對春玉米產量及其構成因素影響
表6 為不同類型地膜覆蓋對春玉米水分利用效率的影響。由表6 可知,PE、GJ、SS、SJ 處理3 年平均水分利用效率較CK 分別提高14.26%、24.07%、27.12%、34.79%;3 年平均降水利用效率也分別較CK 提高9.57%、12.85%、17.66%、24.07%。說明地膜覆蓋具有保水增產的效果。其中,在4 種地膜覆蓋處理中,SJ 處理增產效果最顯著,其水分利用效率顯著高于其他3 種地膜覆蓋處理,3 年平均分別較SS、GJ、PE 處理提高6.04%、8.64%、17.97%,說明在雨養(yǎng)旱作區(qū),生物降解地膜覆蓋能較大幅度提高水分利用效率。
表6 不同類型地膜覆蓋處理的水分利用效率
由圖1 可知,春玉米收獲期氮、磷分配以籽粒中最多,鉀分配以莖中最高。各處理植株氮、磷積累量的差異主要來自籽粒中氮、磷積累量的差異。SJ、SS、GJ、PE 和CK 處理3 年氮素的平均累積量分別為263.56、251.08、232.55、224.32 和211.21 kg/hm2,磷素的平均累積量分別為44.65、43.09、37.10、35.53 和30.22 kg/hm2,鉀素的平均累積量分別為191.48、180.01、165.08、158.93 和138.23 kg/hm2。SJ、SS、GJ 和PE 處理春玉米籽粒中3 年氮素平均累積量分別為159.09、150.84、140.57 和135.82 kg/hm2,分別比CK 增加25.45%、18.94%、10.84%和7.10%;磷素平均累積量分別為32.29、31.34、27.01 和25.71 kg/hm2, 分 別 比CK 增 加48.98%、44.59%、24.63%和18.62%;鉀素平均累積量分別為43.04、39.01、37.26 和35.85 kg/hm2,分別比CK增加40.45%、27.29%、21.60%和16.99%。綜合3 年的試驗結果來看,地膜覆蓋處理籽粒中氮、磷的分配比例較高,尤以SJ 處理最好,PE 處理最低。莖葉中鉀的分配比例也以SJ 處理最高。
圖1 收獲期春玉米地上部各器官氮磷鉀累積吸收量
由表7 可知,3 個年份不同地膜覆蓋處理下的氮素利用效率有明顯的差異。與CK 處理相比,SJ的氮肥農學利用效率為最高,3 年平均提高了9.73 kg/kg,SS、GJ 和PE 處理的氮肥農學利用效率3 年平均提高了7.09、5.14 和3.81 kg/kg。CK 處理3 年春玉米的氮肥偏生產力平均為39.95 kg/kg。在相同施肥量和施肥條件下,4 種地膜覆蓋處理的氮肥偏生產力均高于CK 處理,其中SJ 處理的氮肥偏生產力最高,平均為49.68 kg/kg。地膜覆蓋處理顯著提高春玉米的氮肥表觀利用率。3 年連作體系中,SJ 處理的氮肥表觀利用率平均高達37.48%,SS、GJ、PE 和CK 的氮肥表觀利用率平均為31.93%、23.69%、20.04%和14.21%。與PE 處理相比,SJ、SS 和GJ 氮肥表觀利用率平均提高了17.44、11.89和3.65 個百分點。綜合可知,地膜覆蓋比不覆蓋有利于獲得更高的玉米產量和氮素利用效率,SJ 覆蓋種植方式能更好地促進作物對氮素的吸收,提高作物的肥料利用率。
水分是干旱缺水區(qū)域農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展的限制因子。地膜覆蓋栽培技術可有效改善耕層土壤水分狀況,因而在中國干旱半干旱地區(qū)得到廣泛應用[3-4,20]。薛源清等[20]研究表明,玉米播種后80 d 之內,可降解地膜和普通地膜覆蓋處理0 ~30 cm 土壤水分顯著高于露地對照;喬海軍等[21]研究表明,覆蓋生物降解膜和普通地膜較露地對照能顯著提高玉米各生育期0 ~60 cm 土層土壤貯水量,兩者無顯著差異。本研究表明,SS、GJ、SJ和PE 處理在玉米各生育期內0 ~40 和40 ~100 cm 土層土壤貯水量顯著高于CK 處理。苗期,SJ處理0 ~40 cm 土層土壤貯水量低于其他3 種地膜覆蓋處理。本研究田間觀察發(fā)現,播種后至苗期每日清晨,SS、GJ、PE 處理土壤蒸發(fā)的水汽在膜下集結水珠,凝結的水珠回落可使地表出現潮濕現象,SJ 處理膜下沒有凝結水珠,導致SJ 處理在苗期0 ~40 cm 土層保水效果差于SS、GJ、PE 處理。苗期至成熟期,處理SS、GJ、SJ 在提高玉米各生育期0 ~40 和40 ~100 cm 土層土壤貯水量方面效果均優(yōu)于處理PE,但三者間差異不顯著。土壤表面覆蓋地膜后,水分蒸發(fā)受到較大程度的限制,人為隔阻了地氣之間水分交換過程,抑制了表層土壤的水分損失[22]。滲水地膜由于其“單向滲水原理”可以接納小型天然降雨;光降解地膜和生物降解地膜在玉米生育中后期開始逐漸裂解,當進入雨季后,可以有效地接納天然降雨,本試驗區(qū)域2015、2016、2017 年7 ~9 月份降水量分別為289.01、281.53、285.35 mm,為玉米全生育期降水量的69.67%、85.99%、77.61%。綜上原因,苗期至成熟期,覆蓋光降解地膜、生物降解地膜和滲水地膜保水保墑效果優(yōu)于普通地膜。本研究表明,3 年玉米全生育期各處理0 ~100 cm 土層平均土壤貯水量由高到低順序為:GJ>SJ>SS>PE>CK。
“低溫冷害”是北方寒冷旱區(qū)農田生產力的限制因素之一。覆蓋栽培的一大特點是可以有效調溫穩(wěn)溫。土壤溫度變化與環(huán)境條件緊密相關。本研究對5 和25 cm 土層處平均土壤溫度隨春玉米生育期變化發(fā)現,2015 年在拔節(jié)期最高,2016 和2017 年各處理土壤溫度在大喇叭口期最高,與3 年生長季的大氣氣溫變化相吻合。地膜覆蓋可有效地減弱地面輻射,抑制土壤蒸發(fā)潛熱,起到提高土壤溫度的效應,并能有效影響土壤更深層[12,23]。李開宇等[12]研究表明,玉米生長前期,生物降解地膜覆蓋處理地溫低于普通地膜、高于裸地;匡恩俊等[24]研究表明,玉米拔節(jié)期地溫最高的是普通地膜覆蓋,其次是光降解地膜覆蓋,分別高出對照0.9 和0.6 ℃;方日堯等[25]研究表明,滲水地膜和普通地膜的增溫效果相同,滲水地膜在氣溫達到35 ℃以上時還具有降低極端溫度的調節(jié)功能。本研究表明,3 個年份的春玉米生長前期,PE 處理提高土壤溫度的能力最強,GJ 其次,SS 第三,SJ 最低,但其土壤溫度均高于不覆膜對照。究其原因,一、PE 的聚乙烯材料阻透性高于其他3 種地膜[26],膜內外的氣體和水分交換速率較低,膜內溫度高,土壤增溫效應最高;二、GJ是在通用的塑料基材中添加光敏劑制得,光敏劑吸收300 nm 波長的光線后發(fā)生脫氫反應,引發(fā)光降解反應,因此,GJ 吸光性能高于SS,導致GJ 提高土壤溫度能力高于SS;三、SJ 因添加劑影響而呈奶白色,與其他幾種地膜相比透光率低,輻射熱透少[27],導致SJ 土壤增溫效應相比其他3 種地膜弱。對于滲水地膜和生物降解地膜,其升溫速度雖然不如普通地膜,但在玉米苗期有良好的保溫作用,且可以使玉米生育期的土壤溫度保持在一個相對平和的狀態(tài),降低極端溫度對玉米生長的傷害。本研究中2016 年玉米生長前期天氣極端干旱,5 ~6 月降雨量僅為45.86 mm,大氣溫度較高,PE 處理苗期0 ~5 cm 土層日均溫度為37.7 ℃,大喇叭口期高達41.3 ℃,對玉米生長造成了一定傷害;GJ 處理苗期0 ~5 cm 土層日均溫度為37.1 ℃,也對玉米生長造成了一定傷害;SJ 和SS 處理在不同降水年份均可以適當提高土溫,促進玉米幼苗生長,SJ 處理又由于它的可降解性,有效地阻止了玉米后期土溫過高的現象,防止玉米成熟期早衰的發(fā)生[28],表現效果最優(yōu)。
土壤有機質是衡量土壤肥力的重要指標之一,地膜覆蓋對土壤有機質的影響是人們關注的焦點[29]。銀敏華等[30]研究表明,連續(xù)2 年試驗后,各處理0 ~40 cm 耕層土壤養(yǎng)分含量均較播前有所減少。本研究對上述結論也有所證實,3 年春玉米連作試驗結束后,各處理耕層(0 ~40 cm)土壤有機質較播前基礎土壤有機質含量下降了0.16 ~0.57 g/kg,全氮含量降低了9.37%~15.62%。本研究表明,SS、GJ、SJ 和PE 處理3 年春玉米連作后耕層土壤有機質含量均高于CK,其中SJ 處理有機質含量最高,與CK 差異顯著,這與銀敏華等[30]研究結果一致,但與周昌明等[31]研究結論不同,其主要原因是玉米生物量在覆膜條件下明顯增加,進而導致玉米根系的歸還量加大,土壤有機質的輸入能力大于土壤有機質的礦化能力[29]。本研究中,不同地膜覆蓋處理0 ~300 cm 土體土壤硝態(tài)氮累積量顯著低于無覆蓋處理,這與谷曉博等[32]和黨廷輝等[33]的研究結果不一致,其主要原因是由于地膜覆蓋條件下作物生物量增加,導致作物氮素攜出量顯著增加(圖1)。本研究中,地膜覆蓋各處理土壤硝態(tài)氮總累積量的81.94%~85.95%累積在100 ~300 cm 土層中,高于無覆蓋處理,其中SS 處理100 ~300 cm 土層土壤硝態(tài)氮相對累積量最高,SJ 處理200 ~300 cm 土層土壤硝態(tài)氮相對累積量最高,表明覆膜處理具有土壤硝態(tài)氮向下淋洗的風險,集雨效果越好的覆膜處理土壤硝態(tài)氮向下淋洗風險越大,這與周昌明等[31]研究結果一致。
覆蓋栽培有效地協(xié)調和改善了農田土壤水熱狀況,有利于作物生長發(fā)育,提高了作物產量和水肥利用效率[30]。方日堯等[25]研究表明,滲水地膜覆蓋比普通地膜覆蓋春玉米增產23.6%、水分利用效率提高4.1 kg/(hm2·mm);比不覆蓋增產29.1%、水分利用效率提高4.8 kg/(hm2·mm)。李強等[34]研究表明,普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋較無覆蓋增產14.84%、13.70%,水分利用效率提高25.52%、22.26%。本試驗研究發(fā)現,與CK 相比,SS、GJ、SJ 和PE 處理3 年平均增產17.74%、12.86%、24.35%和9.52%;3 年平均水分利用效率提高27.12%、24.07%、34.79%和14.26%;3 年降水利用效率提高17.66%、12.85%、24.07%和9.57%。普通地膜覆蓋和生物降解地膜能有效增加玉米籽粒中氮、磷和鉀累積量[31]。本研究中,與CK 相比,SS、GJ、SJ 和PE 處理能有效增加作物對氮磷鉀素的吸收累積量,SJ 處理的作物吸氮、磷和鉀量最高(圖1)。對氮素利用效率研究發(fā)現,覆蓋SS、GJ、SJ 和PE 處理的氮肥表觀利用率、氮肥農學效率和氮肥偏生產力均顯著高于CK 處理,其中SJ 處理能夠有效地增加玉米產量,在肥料利用效率方面也最佳,能夠有效地解決干旱半干旱地區(qū)地膜污染、肥料利用率低引起的水土污染等問題。
(1)不同地膜覆蓋處理在春玉米生育期內保水效 果 不 同,GJ、SJ、SS 和PE 處 理0 ~100 cm 土層3 年平均土壤貯水量較CK 分別增加了29.17、28.25、28.09、17.59 mm。4 種地膜覆蓋處理土壤溫度在全生育期均高于不覆蓋,生育前期差異顯著。PE、SS、GJ 和SJ 覆蓋5 cm 土層3 年平均土壤溫度較CK 分別提高了3.5、2.5、2.3、1.1 ℃。
(2)地膜覆蓋處理0 ~40 cm 土壤有機質、全氮、速效鉀含量均高于不覆蓋處理,堿解氮和有效磷含量低于不覆蓋處理,全磷和全鉀含量與不覆蓋處理無顯著差異。地膜覆蓋處理0 ~300 cm 土體土壤硝態(tài)氮累積量顯著低于不覆蓋處理。
(3)地膜覆蓋處理的產量和水分利用效率均顯著高于不覆蓋處理,SJ、SS、GJ 和PE 處理3 年平均產量分別提高24.35%、17.74%、12.86%和9.52%,平均水分利用效率提高7.46、5.81、5.16和3.06 kg/(hm2·mm)。
(4)地膜覆蓋處理與不覆蓋相比顯著增加了作物對氮素的吸收累積量,3 年平均吸氮量提高了6.21%~24.79%。與CK 處理相比,SJ、SS、GJ 和PE 處理氮肥農學效率分別提高9.73、7.09、5.14和3.81 kg/kg,氮肥表觀利用率分別提高了23.27、17.72、9.48、5.83 個百分點。
(5)綜合考慮土壤水肥氣熱狀況,生物降解地膜在保水、保溫、改善土壤表層養(yǎng)分、促進春玉米高產、水肥高效利用及緩解殘膜污染等方面效果顯著,為干旱半干旱地區(qū)較為有效、合理的覆蓋種植方式。