加氣滴灌和可降解膜覆蓋對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育及水分利用的影響*

吳 梅, 張金珠, 王振華, 朱 艷, 宋利兵, 宗 睿, 韓 悅

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石河子 832000)

地膜覆蓋具有增溫、保墑、除草、抑制棵間蒸發(fā)、提高作物產(chǎn)量等功能。隨著覆膜技術(shù)的大面積應(yīng)用, 大量殘膜累積在農(nóng)田土壤中。殘膜碎片降低了土壤滲透性和土壤孔隙度, 抑制作物根系發(fā)育及作物對(duì)水分的吸收, 降低作物產(chǎn)量。針對(duì)殘膜污染問(wèn)題, 許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了推廣可降解地膜的建議, 并論證了可降解農(nóng)用地膜是普通塑料農(nóng)用地膜的理想替代品。研究表明可降解地膜可最大限度地減少殘膜堆積、避免白色污染, 有效促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。如尹光華等研究表明, 生物降解膜覆蓋較不覆膜處理可以提高花生(Arachis hypogaea L.)飽果成熟期葉片的凈光合速率及蒸騰速率, 有利于花生產(chǎn)量的提高。向午燕等研究表明,降解地膜較普通地膜可實(shí)現(xiàn)自身降解, 應(yīng)用于玉米(Zea mays L.)覆蓋栽培具有可行性。然而, 有相關(guān)研究顯示使用降解地膜覆蓋后作物產(chǎn)量低于普通塑料地膜覆蓋。如申麗霞等研究發(fā)現(xiàn), 與露地對(duì)照相比, 可降解地膜覆蓋在玉米生育前中期具有較好的土壤保溫保墑作用, 能明顯促進(jìn)玉米地上部干物質(zhì)的積累, 到玉米生育中后期其作用較普通塑料地膜有所減弱。鄔強(qiáng)等研究發(fā)現(xiàn), 可降解膜覆蓋相對(duì)于普通塑料地膜覆蓋會(huì)造成棉花(Gossypium spp.)產(chǎn)量下降。因此, 如何減少由于降解地膜覆蓋造成的產(chǎn)量降低, 提高水分生產(chǎn)力是目前研究熱點(diǎn)。

加氣灌溉有效改善作物根際土壤的氣體條件,對(duì)作物根系周圍的水、肥、氣、熱等環(huán)境因素均起到了一定的影響, 可緩解地膜覆蓋造成的根區(qū)缺氧問(wèn)題, 促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng), 提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。王振華等研究發(fā)現(xiàn)加氣灌溉顯著提高加工番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)株高和莖粗, 產(chǎn)量顯著增加 2.32%～10.02%, 灌溉水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力分別顯著提高 6.12%和6.19%。Lei等使用文丘里空氣射流器及流體射流器曝氣, 在一定程度上提高了水中溶解氧的濃度及持續(xù)時(shí)間, 對(duì)玉米的株高及產(chǎn)量有顯著的改善作用。朱艷等研究表明加氣灌溉下番茄單株產(chǎn)量和水分利用效率分別顯著提高29.04%和28.11%, 且產(chǎn)量的提高伴隨著植株莖粗和葉面積的顯著增大。李元等的研究也表明, 對(duì)番茄根區(qū)土壤加氣可顯著提高葉片葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度, 增強(qiáng)光合作用, 增加干物質(zhì)積累及產(chǎn)量。加氣灌溉可提高土壤中氧氣含量, 改善土壤中的水氣比例, 有效提高根系活力, 促進(jìn)作物生長(zhǎng)。探究加氣灌溉能否減少降解地膜覆蓋造成的產(chǎn)量損失及水分利用效率的下降, 對(duì)滴灌技術(shù)的可持續(xù)應(yīng)用以及降解地膜的進(jìn)一步推廣具有一定研究?jī)r(jià)值。

然而, 關(guān)于加氣灌溉在可降解膜覆蓋條件下的研究較少; 對(duì)加氣灌溉的研究大多采用盆栽、溫室小區(qū)等, 室外大田試驗(yàn)開展研究較少, 研究對(duì)象多以番茄、馬鈴薯(Solanum tuberosum L.)或蔬菜等作物為主, 而對(duì)糧食作物的研究鮮見報(bào)道。本研究量化加氣灌溉對(duì)不同降解地膜覆蓋下玉米光合特性和地上生物量的影響, 揭示加氣灌溉對(duì)降解地膜覆蓋下玉米產(chǎn)量降低的補(bǔ)償機(jī)制, 對(duì)新疆干旱綠洲區(qū)玉米生產(chǎn)與膜下滴灌的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021年4—9月在新疆石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師石河子市西郊石河子大學(xué)農(nóng)試場(chǎng)二連(44°18′28″N,86°03′47″E), 海拔450 m。該地區(qū)屬典型溫帶大陸性氣候,年平均降水量和蒸發(fā)量分別為207 mm和1660 mm, 無(wú)霜期170 d,年平均日照時(shí)間為2865 h。通過(guò)距離研究地點(diǎn)100 m的自動(dòng)氣象站獲取降雨、氣溫?cái)?shù)據(jù), 2021年玉米生育期平均氣溫及降雨量如圖1所示。土壤質(zhì)地為壤土, 0～100 cm土壤平均容重為1.62 g?cm, 田間持水率(質(zhì)量含水率)為18.10%。試驗(yàn)田播前耕層土壤有機(jī)質(zhì)為14.12 g?kg, 有效磷27.89 mg?kg, 速效鉀313.45 mg?kg。試驗(yàn)田地下水埋深8 m以下。

圖1 2021年玉米生育期逐日氣溫及降雨量Fig.1 Daily temperature and rainfall during maize growth period in 2021

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以玉米中晚熟品種‘新玉66’為研究對(duì)象。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為2種灌水方式和3種地膜類型完全隨機(jī)組合設(shè)計(jì)。其中, 2種灌水方式分別為加氣滴灌(A, 摻氣比例15%)、不加氣滴灌(C, 摻氣比例0%); 3種地膜類型分別為M1 (誘導(dǎo)期60 d白色氧化生物雙降解膜)、M2 (誘導(dǎo)期100 d白色氧化生物雙降解膜)和PE (聚乙烯普通塑料地膜)。試驗(yàn)共6個(gè)處理, 分別為AM1、AM2、APE、CM1、CM2和CPE, 每個(gè)處理3次重復(fù), 試驗(yàn)共18個(gè)小區(qū), 小區(qū)面積為18 m(3 m×6 m)。玉米于4月22日播種, 8月26日成熟期收獲, 全生育期125 d。種植方式為1膜2管4行, 膜寬1.45 m, 滴灌管埋深5 cm, 玉米窄行行距30 cm, 寬行行距為60 cm, 滴灌管間距90 cm, 株距22 cm, 種植密度為82 000株·hm; 播種深度為3～4 cm, 各處理先覆膜后人工點(diǎn)播(圖2)。參考當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐及玉米耗水規(guī)律, 確定玉米生育期灌溉制度(表1)。施肥量為尿素280 kg?hm(含N 46%), 磷酸一銨100 kg?hm(61% PO)和硫酸鉀60 kg?hm(52% KO)通過(guò)施肥罐隨水施肥。所有試驗(yàn)小區(qū)除草、灌溉、施肥及打藥等田間管理措施均一致。

表1 玉米生育期灌溉制度Table 1 Irrigation schedule during the whole maize growth period

圖2 玉米種植模式及土壤水分、溫度及呼吸測(cè)定點(diǎn)分布圖Fig.2 Maize planting pattern and distribution of soil moisture, temperature and respiration measurement points

降解地膜選用氧化-生物雙降解膜(山東天狀環(huán)保有限公司生產(chǎn)), 主要為纖維素、淀粉等天然材料,具有氧化降解和生物降解的優(yōu)點(diǎn)。普通塑料地膜(新疆天業(yè)公司生產(chǎn))原料為聚乙烯類物質(zhì), 其穩(wěn)定性極高, 不易降解。滴灌管選用低密度聚乙烯管(新疆昌吉市通四方塑料廠生產(chǎn)), 外徑16 mm, 滴頭設(shè)計(jì)流量3.2 L?h。滴灌加氣設(shè)備主要由蓄水池、水泵、文丘里管、壓力表、回流管、施肥罐、旋翼式水表及輸水管道系統(tǒng)組成。采用深層地下水進(jìn)行灌溉,灌溉水礦化度約1.32 g?L。加氣滴灌試驗(yàn)處理利用文丘里空氣射流器(Mazzei air injector 1078, 美 國(guó)Mazzei Corp公司)進(jìn)行加氣, 將文丘里空氣射流器置于滴灌系統(tǒng)首部, 使用回流管將灌溉水往復(fù)通過(guò)文丘里射流器進(jìn)行循環(huán)曝氣。每次灌溉前曝氣20 min,然后再進(jìn)行灌溉, 通過(guò)調(diào)節(jié)回流管閥門保證灌水壓力為0.1 MPa, 摻氣比約15%, 相應(yīng)溶解氧值約為15 mg?L。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定與方法

1.3.1 地膜降解程度

自覆膜后每隔10 d觀察記錄地膜降解程度。地膜降解分級(jí)指標(biāo)參照楊惠娣等的方法, 使用0～5級(jí)代表地膜降解程度: 0級(jí)表示地膜完整未出現(xiàn)裂紋; 1級(jí)表示開始出現(xiàn)裂紋; 2級(jí)表示田間25%地膜出現(xiàn)細(xì)小裂紋; 3級(jí)表示出現(xiàn)2～2.5 cm 裂紋; 4級(jí)表示地膜出現(xiàn)均勻網(wǎng)狀裂紋; 5級(jí)表示地膜裂解為4 cm×4 cm以下碎片, 地表無(wú)大塊地膜存在。

1.3.2 株高、莖粗及葉面積

在各小區(qū)選取生長(zhǎng)狀況均勻良好、代表性較強(qiáng)的3株玉米植株標(biāo)記。在玉米苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期末測(cè)定株高、莖粗和所有完全展開葉片的長(zhǎng)和寬。抽雄前玉米株高為地面至最高葉尖的高度, 抽雄后玉米株高為地面至雄穗頂端的高度, 用卷尺測(cè)量。莖粗用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量, 并采用十字交叉法讀數(shù), 取平均值。采用長(zhǎng)寬系數(shù)法計(jì)算玉米葉面積, 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取 0.75, 葉面積指數(shù)(LAI)的計(jì)算見公式(1)。

式中: LAI為葉面積指數(shù); S為單株玉米總?cè)~面積,m?株; D為種植密度, 株?hm。

1.3.3 光合指標(biāo)及干物質(zhì)積累

1)光合特性。于玉米拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期典型晴天, 選取各小區(qū)生育進(jìn)程一致、長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株植株, 于上午11:00—13:00 (北京時(shí)間)通過(guò)Li-6800 (Li-Cor, USA)便攜式光合儀測(cè)定玉米穗位葉的凈光合速率(P, μmol?m?s)、蒸 騰 速率(T, mmol?m?s)、氣孔導(dǎo)度(G, mmol?m?s)。測(cè)定時(shí)采用開放氣路, CO氣體采自相對(duì)穩(wěn)定的2～3 m的空中, 流速設(shè)500 μmol?s。

2)干物質(zhì)積累量。于玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期在每個(gè)小區(qū)選生長(zhǎng)狀況良好、具有代表性的3株玉米, 將莖、葉、穗分開后放入烘箱105 ℃殺青30 min, 于75 ℃下烘干至恒量, 稱量植物各器官的干物質(zhì)量。

1.3.4 耗水量及水分利用效率

1)土壤含水率。于玉米播種前、苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期、成熟期和收獲期通過(guò)土鉆采集滴灌帶下、寬行間和膜間0～100 cm土壤樣品, 以10 cm為間隔, 每個(gè)小區(qū)取3次重復(fù), 烘干法計(jì)算土壤含水率。

2)土壤貯水量采用公式(2)計(jì)算:

式中: W為土壤貯水量, mm; ρ為實(shí)測(cè)土壤容重,g?cm; H為土層厚度, cm; ω為 土壤質(zhì)量含水率,g?g。

3)土壤耗水量。不同處理下玉米生育期耗水量采用水量平衡法計(jì)算。

式中: ET為耗水量, mm; P為有效降水量, mm; I為灌水量, mm; R為地表徑流量, mm; D為深層滲漏量,mm; W和W分別為收獲時(shí)和播種時(shí)的土壤貯水量,mm。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦, 降雨較少, 且蒸發(fā)強(qiáng)烈, R和D可忽略不計(jì); 根據(jù)觀測(cè)田間地下水埋深在8 m以下, 地下水深層補(bǔ)給忽略不計(jì) 。

4)水分利用效率采用公式(4)計(jì)算:

式中: WUE為水分利用效率, kg?m; Y為玉米產(chǎn)量,kg?hm; ET為玉米生育期實(shí)際耗水量, mm。

1.3.5 產(chǎn)量

各處理成熟后收獲。收獲前調(diào)查每小區(qū)的有效穗數(shù)。每個(gè)小區(qū)除邊行外取連續(xù)10穗, 自然風(fēng)干后室內(nèi)考種, 測(cè)量玉米穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、行粒數(shù),脫粒后稱穗粒重和千粒重, 玉米產(chǎn)量按14%折算含水率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2021對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理, 使用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析, LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn), 顯著性水平為P＜0.05, 采用Origin 2021軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下滴灌玉米地膜降解程度

不同灌水方式和降解膜處理玉米生育期內(nèi)地膜的降解程度分級(jí)情況如表2。誘導(dǎo)期對(duì)降解地膜的降解程度影響顯著, 灌水方式對(duì)降解膜降解程度影響不顯著。M1處理在覆膜50 d呈現(xiàn)初始裂紋, 70 d時(shí)田間25%的地膜呈現(xiàn)細(xì)微裂紋, 110 d時(shí)地膜出現(xiàn)2～2.5 cm裂紋, 玉米收獲之后, 覆膜150 d時(shí)地膜出現(xiàn)均勻網(wǎng)狀裂紋, 但是地膜未完全消失, 仍有大塊地膜殘留。M2處理在覆膜70 d呈現(xiàn)初始裂紋, 110 d時(shí)田間25%的地膜呈現(xiàn)細(xì)微裂紋, 130 d時(shí)地膜出現(xiàn)2～2.5 cm裂紋。PE處理在110 d后地膜開始呈現(xiàn)細(xì)微裂紋。

表2 玉米生育期內(nèi)不同灌水方式下不同地膜的降解程度Table 2 Degradation degrees of different films under different irrigation methods in maize growth period

2.2 加氣滴灌和降解膜覆蓋對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響

2.2.1 株高、莖粗

加氣滴灌和降解膜覆蓋對(duì)玉米株高、莖粗的影響如圖3所示。苗期, 不同處理對(duì)滴灌玉米株高和莖粗影響不顯著。拔節(jié)期, M1處理株高和莖粗較PE處理顯著平均降低6.97%和23.76% (P＜0.05), M2處理和PE處理株高和莖粗無(wú)顯著差異; 較不加氣滴灌處理, 加氣滴灌下玉米株高和莖粗分別顯著提高4.38%～10.30%和4.67%～13.14% (P＜0.05)。抽雄期,M1處理株高和莖粗較PE處理顯著平均降低6.97%和23.76% (P＜0.05), M2處理較PE處理株高和莖粗降低2.64%和5.34%, 但差異不顯著; 加氣滴灌處理較不加氣滴灌處理株高和莖粗顯著提高1.51%～4.88%和3.63%～6.22% (P＜0.05)。灌漿期至成熟期,加氣滴灌及不同類型降解膜覆蓋對(duì)滴灌玉米株高和莖粗的影響均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。以成熟期為例,M1和M2處理較PE處理玉米株高平均降低6.08%和2.26%, 莖粗平均降低21.76%和4.32%; 與不加氣滴灌處理相比, 加氣滴灌處理使玉米株高顯著增加2.13%～2.92% (P＜0.05), 莖粗顯著增加2.86%～5.21%(P＜0.05), 其中, AM2與CPE處理株高、莖粗無(wú)顯著差異。

圖3 加氣滴灌和可降解膜覆蓋對(duì)玉米株高、莖粗的影響Fig.3 Effects of aerated drip irrigation and biodegradable film mulching on plant height and stem diameter of maize

2.2.2 葉面積指數(shù)

不同處理對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響如圖4所示。全生育期各處理玉米葉面積指數(shù)總體變化趨勢(shì)相同,苗期至拔節(jié)期開始快速增長(zhǎng), 至抽雄期達(dá)最大, 除苗期外處理間大小關(guān)系表現(xiàn)為APE＞CPE＞AM2＞CM2＞AM1＞CM1。降解地膜覆蓋下玉米葉面積指數(shù)低于普通地膜覆蓋處理(苗期除外)。抽雄期M1處理玉米葉面積指數(shù)較PE處理顯著平均降低18.45% (P＜0.05), M2處理較PE處理平均降低5.21%, 但差異不顯著。加氣滴灌提高了玉米葉面積指數(shù), 與不加氣滴灌處理相比, 加氣滴灌處理使玉米葉面積指數(shù)顯著增加4.27%～7.20% (P＜0.05)。

圖4 加氣滴灌和可降解膜覆蓋對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響Fig.4 Effects of aerated drip irrigation and biodegradable film mulching on the leaf area index of maize

2.3 不同處理對(duì)玉米光合特性及干物質(zhì)積累量的影響

2.3.1 凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度

不同處理對(duì)玉米光合特性的影響如圖5所示。玉米凈光合速率(P)、蒸騰速率(T)、氣孔導(dǎo)度(G)自拔節(jié)期至成熟期呈先升高后降低的趨勢(shì), 在抽雄期達(dá)最大值。與PE膜相比, 可降解膜顯著降低玉米P、T和G(P＜0.05)。與PE處理相比, M1和M2處理使拔節(jié)期P、T和G降低3.91%～13.89%、2.28%～24.50%和7.12%～25.90%, 抽雄期降低9.15%～17.52%、10.10%～19.60%和11.79%～19.11%, 灌漿期降低6.73%～15.36%、2.41%～19.82%和1.33%～13.34%, 成熟期降低4.82%～18.06%、8.80%～30.10%和4.80%～19.6%。不同地膜覆蓋下加氣滴灌均能顯著促進(jìn)玉米光合作用, 加氣滴灌使P、T和G拔節(jié)期分別平均增加5.89%、13.87%和12.83%, 抽雄期分別平均增加6.92%、8.89%和9.47%, 灌漿期分別平均增加10.40%、12.86%和25.99%, 成熟期分別平均增加6.19%、9.47%和10.39%。由表3方差分析, 不同地膜覆蓋和灌水方式均對(duì)滴灌玉米灌漿期的P和G存在極顯著影響(P＜0.01), 對(duì)T存在顯著影響(P＜0.05),二者交互作用對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)均無(wú)顯著影響。

圖5 加氣滴灌和可降解膜覆蓋對(duì)玉米凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度的影響Fig.5 Effects of aerated drip irrigation and degradable film mulching on net photosynthetic rate, transpiration rate and stomatal conductance of maize

2.3.2 干物質(zhì)積累量

不同處理對(duì)玉米地上部干物質(zhì)積累的影響如圖6所示。苗期至拔節(jié)期, 地上部干物質(zhì)量主要以莖葉為主; 抽雄期至成熟期, 莖、葉干物質(zhì)量開始減少。果穗和地上部干物質(zhì)量一直處于增加狀態(tài), 在成熟期達(dá)最大值。與PE處理相比, 降解地膜覆蓋降低了玉米地上部干物質(zhì)積累量, M1和M2處理下玉米莖、葉、穗及地上部干物質(zhì)總量分別降低5.84%～11.88%、2.84%～5.50%、6.07%～12.40%和4.94%～11.86%。加氣滴灌顯著促進(jìn)了玉米各生長(zhǎng)階段地上部干物質(zhì)積累。與未加氣處理相比, 拔節(jié)期, 加氣滴灌分別使玉米莖和葉干物質(zhì)量平均提高8.14%和11.08%, 抽雄期莖、葉、穗干物質(zhì)量平均提高5.46%、6.08%和13.70%, 灌漿期果穗干物質(zhì)量平均提高8.25%, 成熟期果穗干物質(zhì)量平均提高7.38%。加氣處理在M1、M2和PE地膜覆蓋下分別使玉米地上部總干物質(zhì)量分別平均提高5.27%、6.64%和10.81%。由表3方差分析, 不同地膜覆蓋對(duì)莖、穗積累量存在極顯著(P＜0.01)影響, 灌水方式對(duì)莖、葉干物質(zhì)積累量存在顯著影響(P＜0.05); 二者均對(duì)葉干物質(zhì)積累量存在顯著影響(P＜0.05), 對(duì)果穗及總干物質(zhì)積累量存在極顯著影響(P＜0.01)。二者交互作用對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)均無(wú)顯著影響。

圖6 加氣滴灌和可降解膜覆蓋對(duì)玉米干物質(zhì)積累量的影響Fig.6 Effects of aerated drip irrigation and degradable film mulching on dry matter accumulation of maize

表3 加氣滴灌和可降解膜覆蓋對(duì)玉米灌漿期光合特性及干物質(zhì)積累量的雙因素方差分析(F檢驗(yàn))Table 3 Two-factor variance analysis of photosynthetic characteristics and dry matter accumulation of maize under aerated drip irrigation and degradable film mulching (F test)

2.4 不同處理對(duì)玉米土壤體積含水率及耗水量的影響

2.4.1 土壤體積含水率

不同處理對(duì)玉米土壤體積含水率的影響如圖7所示。拔節(jié)期至灌漿期, 0～70 cm土層土壤體積含水率均值均表現(xiàn)為PE＞M2＞M1, 70～100 cm土層各處理土壤體積含水率均無(wú)明顯差異。拔節(jié)期, 相同地膜覆蓋下, 0～30 cm土層中加氣處理的土壤體積含水率較不加氣處理土壤體積含水率降低1.79%～2.47%; 而在30～70 cm土層中, 加氣處理的土壤體積含水率均高于不加氣處理, 增幅為2.17%～3.89%。在抽雄期和灌漿期, 相同地膜覆蓋下, 0～40 cm土層中加氣處理的土壤體積含水率較不加氣處理分別降低0.72%～1.77%和0.08%～1.57%; 在40～70 cm土層中, 加氣處理的土壤體積含水率均高于不加氣處理, 其平均增幅分別為1.21%～2.57%和1.94%～2.17%。

圖7 加氣滴灌和可降解膜覆蓋對(duì)玉米土壤體積含水率的影響Fig.7 Effects of aerated drip irrigation and degradable film mulching on soil volumetric water content of maize

2.4.2 耗水量

不同處理對(duì)玉米耗水量的影響如表4所示。玉米耗水量自播種期至成熟期呈先升高后降低的趨勢(shì),在拔節(jié)—抽雄期達(dá)最大值。在同一灌水方式下, 苗期—拔節(jié)期M1處理耗水量顯著高于M2和PE處理, M2和PE處理耗水量無(wú)顯著差異; 拔節(jié)—抽雄期、抽雄—灌漿期和灌漿—成熟期可降解地膜(M1和M2)覆蓋處理耗水量均值較PE地膜覆蓋處理顯著增大3.30%～7.89%、4.48%～13.03%和6.40%～10.10%(P＜0.05)。較不加氣處理, 加氣滴灌處理減小了玉米耗水量(播種—苗期除外)。在M1膜覆蓋下, 抽雄—灌漿期加氣滴灌處理AM1的玉米耗水量較不加氣滴灌處理CM1顯著降低3.36% (P＜0.05), 其他時(shí)期加氣處理AM1的耗水量均低于不加氣處理CM1, 但差異不顯著。在M2和PE膜覆蓋下, 各時(shí)期(播種—苗期、苗期—拔節(jié)期和拔節(jié)—抽雄期M2除外)加氣滴灌處理的玉米耗水量均顯著低于不加氣滴灌處理(P＜0.05)。較不加氣處理CM2和CPE的耗水量,全生育期加氣滴灌處理AM2和APE耗水量平均降低1.94%～4.09%和1.39%～3.85%。其中, AM2處理和CPE處理的耗水量無(wú)顯著差異。

表4 加氣滴灌和降解膜覆蓋對(duì)玉米耗水量的影響Table 4 Effects of aerated drip irrigation and degradation film mulching on water consumption of maize mm

2.5 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量及水分利用效率(WUE)的影響如表5所示?？山到獾啬じ采w顯著降低玉米產(chǎn)量和WUE。與PE地膜覆蓋處理相比, 可降解地膜(M1和M2)覆蓋使玉米產(chǎn)量顯著平均降低27.42%和14.81% (P＜0.05), WUE顯著平均降低34.46%和16.70% (P＜0.05), 千 粒重顯著平均降低8.89%和4.78% (P＜0.05), 穗粒數(shù)顯著平均降低14.79%和9.06% (P＜0.05), 穗長(zhǎng)顯著平均降低8.46%和6.48%(P＜0.05), 禿尖長(zhǎng)顯著平均增加85.65%和43.71%(P＜0.05)。與不加氣處理相比, 加氣滴灌顯著增加玉米產(chǎn)量和WUE。加氣滴灌使玉米產(chǎn)量顯著增加6.44%～14.41% (P＜0.05), WUE顯著增加9.09%～17.90%(P＜0.05), 千粒重顯著平均增加4.84% (P＜0.05), 穗粒數(shù)顯著平均增加5.34% (P＜0.05), 穗長(zhǎng)顯著平均增加4.14% (P＜0.05), 禿尖長(zhǎng)平均降低11.86%。由方差分析, 不同地膜覆蓋對(duì)玉米穗粒數(shù)有顯著影響(P＜0.05), 對(duì)產(chǎn)量和WUE有極顯著影響(P＜0.01), 對(duì)穗長(zhǎng)、禿尖長(zhǎng)和千粒重影響不顯著; 不同灌水方式對(duì)玉米產(chǎn)量和WUE有極顯著影響(P＜0.01), 對(duì)穗長(zhǎng)、禿尖長(zhǎng)、穗粒數(shù)及千粒重?zé)o顯著影響; 二者交互作用對(duì)禿尖長(zhǎng)、穗粒數(shù)和千粒重有極顯著影響(P＜0.01), 對(duì)穗長(zhǎng)、產(chǎn)量和WUE無(wú)顯著影響。

表5 加氣滴灌和降解膜覆蓋對(duì)玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響Table 5 Effects of aerated irrigation and degradation film mulching on maize yield and water use efficiency of maize

2.6 玉米產(chǎn)量與植株生長(zhǎng)之間的相關(guān)關(guān)系

玉米產(chǎn)量與植株生長(zhǎng)之間的相關(guān)關(guān)系如表6所示, 加氣滴灌處理下玉米產(chǎn)量與株高、莖粗、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累及凈光合速率的相關(guān)系數(shù)平均為0.936, 不加氣滴灌處理下相關(guān)系數(shù)平均為0.891。由此可知, 較不加氣滴灌, 加氣滴灌下玉米產(chǎn)量對(duì)植株各生理生長(zhǎng)指標(biāo)更敏感, 其相關(guān)性由大到小依次為凈光合速率、株高、莖粗、干物質(zhì)積累和葉面積指數(shù)。不同地膜覆蓋處理下, PE處理玉米產(chǎn)量與株高和凈光合速率的相關(guān)系數(shù)最大, M1處理下玉米產(chǎn)量與光合速率的相關(guān)系數(shù)最大, M2處理下玉米產(chǎn)量與植株干物質(zhì)積累和凈光和速率的相關(guān)系數(shù)最大。加氣滴灌和不同地膜覆蓋下, 各處理的玉米產(chǎn)量與株高、莖粗、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累以及凈光合速率均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)。

表6 不同加氣滴灌和降解膜覆蓋處理下玉米產(chǎn)量與植株生長(zhǎng)之間的相關(guān)關(guān)系Table 6 Correlation between maize yield and plant growth under different aerated drip irrigation and degradation film mulching

3 討論

3.1 加氣滴灌和降解膜覆蓋對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響

本試驗(yàn)中, M1和M2處理分別在覆膜后50 d和70 d呈現(xiàn)初始裂紋, 在70 d和110 d田間25%的地膜呈現(xiàn)細(xì)微裂紋, 兩種不同誘導(dǎo)期降解地膜實(shí)際降解速率均在誘導(dǎo)期之前開始(表2), 這可能是由太陽(yáng)輻射和機(jī)械外力造成可降解地膜提前裂解。玉米株高、莖粗及葉面積指數(shù)能夠反映植株的生長(zhǎng)發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)狀況。本試驗(yàn)中, 玉米生育前期, 不同地膜覆蓋對(duì)滴灌玉米株高、莖粗及葉面積指數(shù)影響不顯著, 玉米生育后期降解地膜覆蓋處理較PE處理使滴灌玉米株高、莖粗和葉面積指數(shù)顯著降低, 研究結(jié)果與李仙岳等、曹玉軍等和申麗霞等相似。玉米拔節(jié)—抽雄期以及抽雄—灌漿期, 誘導(dǎo)期60 d和100 d氧化生物雙降解地膜出現(xiàn)裂解, 地膜破損逐漸增大, 土壤蒸發(fā)量逐漸高于普通塑料地膜, 其保墑增溫效果不及普通塑料地膜。同時(shí), 抽雄期和灌漿期是玉米需水關(guān)鍵期, 適宜的土壤水分是玉米正常生長(zhǎng)的重要條件, 降解地膜覆蓋下土壤水分田面蒸發(fā)較高, 土壤貯水量減少, 影響根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收, 從而減緩玉米的生長(zhǎng)速度, 導(dǎo)致降解地膜覆蓋下的玉米株高、莖粗及葉面積指數(shù)顯著低于普通塑料膜覆蓋。本試驗(yàn)中, 加氣滴灌顯著促進(jìn)了各類地膜覆蓋下玉米株高、莖粗及葉面積指數(shù)的增長(zhǎng),研究結(jié)果與Abuarab等和LI等相似。另外, 本研究發(fā)現(xiàn), 加氣滴灌下誘導(dǎo)期100 d降解覆蓋處理與不加氣普通塑料地膜覆蓋處理下各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)無(wú)顯著差異。這是由于在加氣滴灌過(guò)程中增大了土壤溶解氧濃度, 為根系有氧呼吸創(chuàng)造了有利環(huán)境。同時(shí), 良好的土壤通氣性及適宜的孔隙度使土壤蓄水能力增加, 減少了作物耗水量, 進(jìn)而對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生積極的影響作用。

3.2 加氣滴灌和降解膜覆蓋對(duì)玉米干物質(zhì)累積及光合性能的影響

本試驗(yàn)中, 在玉米抽雄期和灌漿期, 普通塑料地膜覆蓋下玉米P、T和G高于降解膜覆蓋。這主要是由于土壤水分能夠調(diào)控作物的光合效率, 降解地膜保水保溫效果不及普通塑料地膜, 進(jìn)而影響作物對(duì)水分的吸收, 從而對(duì)作物的光合作用產(chǎn)生影響。加氣滴灌緩解了作物根系缺氧狀況, 一定程度上引起植株體內(nèi)脫落酸(ABA)的降低, 使得葉片氣孔導(dǎo)度增加, 促進(jìn)了作物光合作用。本研究表明, 較不加氣處理, 加氣滴灌下玉米P、T和G分別顯著增加10.40%、12.86%和25.99%, 與喬建磊等的研究結(jié)果相似。干物質(zhì)積累量是作物光合作用產(chǎn)物的最高形式, 本試驗(yàn)中, 干物質(zhì)積累量隨著玉米生育期的推進(jìn)而逐漸增大, 加氣滴灌處理較不加氣滴灌處理干物質(zhì)積累量顯著增大(P＜0.05), 并且加氣滴灌和誘導(dǎo)期100 d降解膜覆蓋下的玉米干物質(zhì)積累量與不加氣滴灌和普通塑料地膜覆蓋下的玉米干物質(zhì)積累量無(wú)顯著差異。說(shuō)明加氣滴灌通過(guò)改善土壤通氣性, 提高作物根系活力及根系有氧呼吸, 影響作物根系對(duì)水分及養(yǎng)分的吸收, 進(jìn)而影響到作物地上部分的生理生長(zhǎng), 對(duì)作物的光合作用產(chǎn)生影響。Zhu等研究表明加氣灌溉可以延緩水稻葉片的衰老,從而延長(zhǎng)水稻(Oryza sativa L.)的有效光合時(shí)間, 增加水稻干物質(zhì)的積累, 提高最終產(chǎn)量。李元等也發(fā)現(xiàn)加氣處理使番茄葉片葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度增加, 提高凈光合速率, 增加干物質(zhì)積累和產(chǎn)量。

3.3 加氣滴灌和降解膜覆蓋對(duì)玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

本研究發(fā)現(xiàn)同一灌水方式下, 可降解膜覆蓋處理的產(chǎn)量及水分利用效率要低于普通地膜覆蓋的處理。董立國(guó)等也研究表明降解膜種植的玉米在株高、禿尖長(zhǎng)、穗行數(shù)、百粒重和產(chǎn)量等方面明顯低于普通地膜, 與本研究結(jié)果一致。這是因?yàn)橛衩咨笃诮到饽ち呀? 保水性能下降, 影響地膜的增溫保墑效果, 而導(dǎo)致本研究中可降解膜M1和M2比普通地膜分別減產(chǎn)27.42%和14.81%。但孫仕軍等和Moreno等指出覆蓋可降解地膜對(duì)作物產(chǎn)量和水分利用效率無(wú)顯著影響, 這與降解地膜厚度、材料、種植灌溉方式及地區(qū)氣候差異有關(guān)。本試驗(yàn)中,各處理玉米產(chǎn)量與植株的各項(xiàng)生理生長(zhǎng)指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表6), 加氣處理下玉米產(chǎn)量與植株的各項(xiàng)生理生長(zhǎng)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)大于不加氣處理, 表明加氣滴灌處理玉米生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量的關(guān)系更加密切。加氣滴灌處理在改善土壤環(huán)境和作物根系生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上, 促進(jìn)玉米生長(zhǎng)和光合作用, 進(jìn)而有利于植株各部位干物質(zhì)積累, 提高作物產(chǎn)量。

相同誘導(dǎo)期降解地膜覆蓋下加氣滴灌處理玉米產(chǎn)量及水分利用效率顯著高于不加氣滴灌, 并且加氣滴灌誘導(dǎo)期100 d的降解膜覆蓋下的玉米產(chǎn)量及水分利用效率與不加氣滴灌普通塑料地膜覆蓋下的玉米產(chǎn)量及水分利用效率無(wú)顯著差別, 說(shuō)明通過(guò)加氣滴灌可彌補(bǔ)由于降解地膜在玉米生育期內(nèi)降解而導(dǎo)致玉米減產(chǎn)及水分利用效率下降的缺失。大量相關(guān)研究也表明, 通過(guò)加氣滴灌顯著影響作物的產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率。如Bhattarai等研究結(jié)果顯示加氣灌溉較非加氣灌溉西瓜[Citrullus lanatus (Thunb.) Matsum.et Nakai]和 南 瓜[Cucurbita moschata (Duch.ex Lam.) Duch.ex Poiret]的產(chǎn)量分別顯著提高41.1%和 9.0%; Chen等和Ouyang等研究表明加氣灌溉顯著增加了番茄的根長(zhǎng)、莖、葉和果實(shí)干物質(zhì)含量, 提高了作物水分利用效率和番茄果實(shí)品質(zhì), 進(jìn)而提高了作物的經(jīng)濟(jì)效益。以上研究結(jié)果均表明, 加氣滴灌作為一種綠色增產(chǎn)技術(shù), 可有效解決膜下滴灌作物根區(qū)低氧脅迫問(wèn)題, 保持土壤微生物功能多樣性, 起到增產(chǎn)、改善品質(zhì)及提高水分利用效率的作用。

可降解膜的應(yīng)用可以有效地解決新疆嚴(yán)重的殘膜污染問(wèn)題。而降解地膜過(guò)快進(jìn)入誘導(dǎo)期會(huì)縮短降解時(shí)間, 影響地膜的增溫保墑效果, 導(dǎo)致減產(chǎn); 誘導(dǎo)期過(guò)長(zhǎng), 可能在作物收獲時(shí)出現(xiàn)地膜碎片或無(wú)法降解, 從而影響降解效果。通過(guò)加氣滴灌改善根系土壤通氣性, 可彌補(bǔ)由于降解膜后期降解而造成的作物產(chǎn)量損失, 為保證作物產(chǎn)量和減少干旱區(qū)地膜殘留, 誘導(dǎo)期為100 d的氧化生物雙降解地膜并結(jié)合摻氣比例為15%的加氣滴灌方式可代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料地膜覆蓋下滴灌。

4 結(jié)論

1)與普通塑料地膜相比, 降解膜覆蓋下玉米株高、莖粗及葉面積指數(shù)在玉米生育前期無(wú)顯著差異,而生育后期株高、莖粗、干物質(zhì)積累及光合特性顯著降低。降解地膜覆蓋下玉米產(chǎn)量較普通塑料地膜顯著降低14.81%～27.42%, WUE顯著降低16.70%～34.46%。

2)加氣滴灌顯著提高玉米株高、莖粗、葉面積指數(shù)、光合能力及干物質(zhì)積累量。與不加氣處理對(duì)比, 玉米產(chǎn)量和水分利用效率分別顯著提高6.44%～14.41%和9.09%～17.90%, 彌補(bǔ)了由于降解地膜過(guò)早降解而造成的產(chǎn)量損失。

3)篩選出適用于北疆滴灌玉米的最優(yōu)降解地膜及灌水方式, 即使用誘導(dǎo)期為100 d的氧化生物雙降解地膜并結(jié)合摻氣比例為15%的加氣滴灌方式, 可緩解新疆膜下滴灌殘膜污染, 提高玉米產(chǎn)量及水分利用效率。