降解地膜對河西干旱區(qū)土壤水熱及制種玉米產(chǎn)量的影響

吳克倩，肖讓，趙文舉，張永玲，鄧浩亮，俞海英，邱振鑫

(1. 蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2. 河西學(xué)院土木工程學(xué)院/河西走廊水資源保護(hù)利用研究所，甘肅 張掖 734000)

堅持走環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展道路是中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主題[1].甘肅河西地區(qū)是國內(nèi)競爭力最強(qiáng)的玉米制種基地之一.因塑料地膜覆蓋可以增溫保墑，加快作物生長發(fā)育[2]，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[3-4]，當(dāng)?shù)刂品N玉米普遍采用覆膜種植.目前塑料地膜主要由聚乙烯材料制成，降解困難[5-6]，隨著地膜使用量的增加，越來越多的地膜碎片殘留在土壤中，對生態(tài)環(huán)境等造成嚴(yán)重污染[7].而降解地膜在自然條件下可被土壤微生物等降解為H2O和CO2，對生態(tài)環(huán)境和發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)具有重要意義[8].

國內(nèi)外學(xué)者開展了降解膜覆蓋對不同作物在不同地區(qū)應(yīng)用的相關(guān)研究.李仙岳等[9]研究了2種厚度(0.008，0.012 mm)的可降解地膜覆蓋對葵花田間效應(yīng)的影響，得出厚0.012 mm的可降解膜覆蓋的增溫效果優(yōu)于厚0.008 mm的地膜.李強(qiáng)等[10]研究了河西綠洲地區(qū)生物降解膜覆蓋對玉米的影響，得出生物降解膜的增產(chǎn)效果和水分利用效率低于普通地膜.對地膜的研究多以白色地膜為主，BU等[11]研究表明，白色地膜增溫縮短了生育周期，使玉米出現(xiàn)早衰，而黑色地膜相比白色地膜透光率低，在作物生育后期具有降溫效應(yīng)，可延長作物生育周期[12].

目前，國內(nèi)外有關(guān)黑色氧化-生物雙降解生態(tài)地膜覆蓋對河西干旱地區(qū)制種玉米的研究成果較少，尤其對制種玉米冠部濕基含水率影響的研究鮮見報道.為此，文中通過覆蓋不同誘導(dǎo)期的氧化-生物雙降解生態(tài)地膜，采用膜下滴灌灌溉方式，以制種玉米為研究對象，分析白色和黑色不同誘導(dǎo)期降解膜和普通地膜對河西干旱地區(qū)制種玉米土壤水熱特征、冠部濕基含水率、產(chǎn)量等的影響，以期為河西地區(qū)制種玉米生態(tài)地膜覆蓋提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅省張掖市甘州區(qū)(100°25′E，39°02′N).該區(qū)屬于溫帶大陸性氣候區(qū)，海拔1 474 m，日照時長3 085 h，無霜期為157 d，年平均氣溫為7.24 ℃，大于10 ℃積溫為3 076 ℃.供試土壤主要是沙壤土，0～40 cm耕層土壤pH值為8.35，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為16.30 g/kg，速效磷(P2O5)、速效鉀(K2O)、堿解氮的質(zhì)量比分別為15.80，125.36，45.32 mg/kg，土壤干容重為1.38 g/cm3.生育期降雨量為181.4 mm，該年為豐水年.

1.2 試驗(yàn)材料和設(shè)計

氧化-生物雙降解生態(tài)地膜由山東天壯環(huán)?？萍加邢薰咎峁胀ㄋ芰系啬び墒袌鲑徺I，地膜規(guī)格均為寬70 cm、厚0.008 mm.供試制種玉米品種為“NC236”，由中種國際種子有限公司提供.試驗(yàn)設(shè)7個處理，誘導(dǎo)期分別為2，3，4個月降解白膜(WD1，WD2，WD3)和降解黑膜(BD1，BD2，BD3)，以普通白膜(CK)為對照.每個處理重復(fù)3次，共21個小區(qū)，小區(qū)面積為35 m2(長7 m，寬5 m).

1.3 田間管理

2019年4月12日按照行距45 cm、株距20 cm播種母本，4月19日和4月24日分別第1批和第2批播種父本，種植密度為8.0×104株/hm2.母本和父本的種植比例是5∶1.灌水方式采用膜下滴灌，滴灌帶位于膜下兩行玉米中間.基施化肥：N 105 kg/hm2，P2O5138 kg/hm2和K2O 75 kg/hm2；氮肥追施用量為345 kg/hm2.水肥耦合滴灌施入，追肥施用時間分別為拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期，追施比例分別為3∶4∶3.不同生育階段具體劃分以及全生育期灌溉制度見表1，表中I為灌水量.

表1 玉米全生育期劃分以及灌溉制度Tab.1 Division of full growth period of maize and irrigation system

1.4 測定項(xiàng)目與方法

1) 地膜降解性能：自地膜覆蓋后第30 d起，采用目測法每隔15 d拍照記錄地膜的降解程度.地膜降解速度分級指標(biāo)參照楊惠娣等[13]的分類方法，將地膜的降解等級分為0—5級.

2) 土壤含水率：采用烘干法測量玉米不同生育期0～100 cm土層膜下土壤質(zhì)量含水率，每隔10 cm取一個土樣.土壤貯水量為

W=10Hρω，

(1)

式中：ρ為土壤容重，g/cm3；H為土層厚度，cm；ω為土壤質(zhì)量含水率，%.

0～100 cm土壤總貯水量為每層土壤貯水量之和.

3)植株耗水量：試驗(yàn)地地下水位較低，忽略地下水供給，根據(jù)不同生育期時長、灌溉定額、降水量以及土壤貯水增量，計算植株階段耗水(mm)為

ETi=Ii+Pi+ΔWi，

(2)

階段耗水強(qiáng)度(mm/d)為

Ci=ETi/di，

(3)

階段耗水模系數(shù)為

Ri=(ETi/ET)×100%，

(4)

上述式中：Ii為計算時段內(nèi)灌溉定額，mm；Pi為計算時段內(nèi)灌區(qū)的有效降雨量，mm；ΔWi為計算時段內(nèi)0～100 cm土壤層內(nèi)水分的增加量，mm；di為階段生長天數(shù)，d；ET為全生育期總耗水量，mm.

4) 植株濕基含水率：分別于拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期、成熟期在每個小區(qū)取2株完整的玉米植株，將取樣的玉米植株從莖基部剪下，獲得完整的冠部，稱冠部的鮮質(zhì)量以及干質(zhì)量，計算冠部的濕基含水率，計算式為

θ=[(Ms-Mg)/Ms]×100%，

(5)

式中：Ms為植株鮮物質(zhì)質(zhì)量，g；Mg為植株干物質(zhì)質(zhì)量，g.

5) 土壤溫度：使用金屬曲管地溫計分別于拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期、成熟期測定膜下5，10，15，20，25 cm深度處8:00～18:00(每隔2 h記錄1次)的土壤溫度.

6) 玉米產(chǎn)量：玉米成熟后每小區(qū)隨機(jī)取10株在室內(nèi)人工考種，考察玉米穗粗、穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿尖長、百粒質(zhì)量等指標(biāo)，水分利用效率為作物產(chǎn)量與全生育期總耗水量之比.

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用Origin 7.5軟件制圖，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差和顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地膜覆蓋的降解性能分析

地膜降解速度直接影響作物的產(chǎn)量和利用效率[10].表2為不同地膜降解程度等級DG，表中da為覆膜后天數(shù).由表可知，相同設(shè)計誘導(dǎo)期地膜BD1和WD1分別在覆膜后45和60 d開始出現(xiàn)裂紋，BD2和WD2分別在覆膜后75和90 d開始出現(xiàn)裂紋，BD3和WD3分別在覆膜后105和120 d開始出現(xiàn)裂紋，CK處理120 d后出現(xiàn)裂紋.因普通地膜不具有自然降解性，此現(xiàn)象屬于正常損耗.全生育期結(jié)束,BD1降解最為徹底，地膜裂解為碎片，地表面無大片地膜存在，WD3地表面僅有25%地膜出現(xiàn)細(xì)小裂紋.

表2 不同地膜降解程度等級Tab.2 Different levels of film degradation

2.2 不同地膜覆蓋對土壤水熱特性的影響

2.2.1 土壤貯水量動態(tài)變化

不同時期的土壤貯水量是土壤對降雨、灌水、蒸發(fā)等的綜合反映[14].圖1為制種玉米不同生育期0～100 cm土壤貯水量變化.由圖可知，經(jīng)過一個冬天曬田，播前不同處理土壤貯水量差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.拔節(jié)期BD1土壤貯水量比CK低4.0%(P>0.05)，BD1開始出現(xiàn)裂紋，保墑性減弱.吐絲期BD2貯水量相比CK高8.0%(P<0.05).成熟期貯水量按處理排序由大到小依次為CK，WD3，BD3，WD2，WD1，BD2，BD1；地膜降解等級越高，貯水量越低.收獲后土壤貯水量相比播前增長0.9%～9.2%，其中處理CK的土壤貯水量增量最高，全生育期保墑效果最佳.

圖1 制種玉米不同生育期0～100 cm土壤貯水量變化Fig.1 Changes of soil water storage from 0 to 100 cm in different growth periods of seed waize

2.2.2 土壤溫度動態(tài)變化

土壤溫度是影響植物生長的關(guān)鍵因素[15].圖2為主要生育期土壤日最高溫度td,max變化.

圖2 主要生育期土壤日最高溫度變化Fig.2 Maximum daily temperature change of soil du-ring main growth periods

由圖2可知，降解地膜覆蓋在拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期和成熟期土壤日最高溫度比普通地膜低0.1～1.5，0～1.2，0.1～1.3和0.9～1.9 ℃.拔節(jié)期黑色降解膜BD1，BD2和BD3土壤日最高溫度分別比CK低1.5，1.1和0.9 ℃(P<0.05).吐絲期WD1，BD1和BD2土壤日最高溫度較CK分別低0.8，1.2和0.8 ℃(P<0.05)，吐絲期植株葉面積增大，土壤溫度受地膜覆蓋、植株葉面積、雨水等多因素影響.成熟期日最高溫度，CK與其他處理溫差為0.9～1.9 ℃，此時玉米葉片干枯萎縮，地膜的完整性成為影響地溫的主要因素.

2.3 不同地膜覆蓋對玉米耗水量的影響

控制各生育階段的耗水量是提高水分利用效率的基礎(chǔ)[16].

表3為不同處理各生育階段耗水特征.由表可看出，全生育期內(nèi)拔節(jié)期-吐絲期各處理的耗水量達(dá)到最大值，處理BD3最高，但與CK處理的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，處理BD1比CK處理低15.8%(P<0.05).處理WD1，WD2，WD3，BD1，BD2，BD3在吐絲期-灌漿期耗水強(qiáng)度達(dá)到最大值，且均高于CK 10.6%～69.8%.不同處理耗水膜系數(shù)在拔節(jié)期-吐絲期最高，為25.08%～31.36%.灌漿期-成熟期是玉米籽粒形成的關(guān)鍵時期，作物耗水量明顯增加，不同處理耗水膜系數(shù)較吐絲期-灌漿期均出現(xiàn)提升，為22.93%～24.63%.

表3 不同處理各生育階段耗水特征Tab.3 Water consumption characteristics of different treatments at different growth stages of fertility

2.4 不同地膜覆蓋對植株冠部濕基含水率的影響

濕基含水率可以判斷植株的含水狀況[16].圖3為主要生育期植株冠部濕基含水率變化.由圖可知，拔節(jié)期至成熟期不同處理冠部含水率變化整體呈下降趨勢.這表明降解膜作用不改變作物冠部濕基含水率的整體變化趨勢.分析不同生育期冠部濕基含水率變化，吐絲期降解膜處理均低于CK，冠部濕基含水率最低處理WD1比CK低2.8%(P>0.05).灌漿期處理BD1冠部濕基含水率比CK高2.2%(P>0.05).成熟期BD3冠部濕基含水率比CK處理高3.2%(P<0.05).

圖3 主要生育期植株冠部濕基含水率變化Fig.3 Changes of crown wet base moisture content during main growth periods

2.5 不同地膜覆蓋對產(chǎn)量與水分利用效率影響

地膜覆蓋對作物的影響最終體現(xiàn)在產(chǎn)量和水分利用效率方面[17].表4為不同處理產(chǎn)量構(gòu)成和水分利用效率，表中物理量分別為穗長Ls、穗粗D、禿尖長Ltj、穗行數(shù)ls、行粒數(shù)G、百粒質(zhì)量W、產(chǎn)量Y、水分利用效率WUE.

表4 不同處理產(chǎn)量構(gòu)成和水分利用效率Tab.4 Yield compositions and water utilization efficiency of different treatment

由表4可知，各處理的產(chǎn)量和水分利用效率的變化趨勢相同，按處理排序由高到低依次為BD3，CK，WD2，WD3，BD2，WD1，BD1；處理BD3的產(chǎn)量比處理CK高6.8%(P<0.05)，水分利用效率比CK高4.7%(P<0.05).比較同一顏色地膜產(chǎn)量，處理CK較WD1，WD2和WD3增產(chǎn)17.5%，3.5%和4.6%(P<0.05)；BD3比BD2和BD1增產(chǎn)15.4%和29.2%(P<0.05).不同地膜覆蓋主要通過禿尖長、行粒數(shù)和百粒質(zhì)量的差異影響玉米產(chǎn)量，處理BD3的百粒質(zhì)量比CK增加1.57 g(P<0.05).

3 討 論

地膜覆蓋改變了土壤水熱，材料不同導(dǎo)致土壤水熱存在差異[18].谷曉博等[19]以油菜為研究對象，研究發(fā)現(xiàn)降解膜覆蓋150 d前增溫保熵效果與普通地膜相當(dāng)；150 d后隨著降解膜降解，增溫保墑效果減弱.申麗霞等[20]研究了2個公司的降解膜(H和T)，得出可降解膜H在玉米前中期具有較好的增溫保墑作用，其效果與普通地膜相當(dāng)；可降解膜T在玉米前期具有較好的增溫保墑作用，但在生育中期，作用不如普通地膜.文中研究中，拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期和成熟期降解膜日最高溫度相比普通地膜地溫下降分別為0.3%～5.4%，0～4.5%，0.4%～5.1%，3.8%～8.1%.拔節(jié)期、灌漿期和成熟期降解膜覆蓋處理土壤貯水量低于CK，但是在吐絲期BD2比CK高8.0%，這與LABOSKI等[21]的研究結(jié)果相似；這期間灌水量和降雨量較多，制種玉米種植密度較大，地面透光性不強(qiáng)，未降解地膜相比降解地膜阻止了雨水入滲，并且已降解地膜仍緊貼地表面，依然有阻止土壤水分蒸發(fā)的效果.

在干旱地區(qū)，水分利用效率和提高作物的產(chǎn)量是學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn).李仙岳等[12]對不同顏色、不同誘導(dǎo)期降解膜的研究結(jié)果表明，不同顏色降解膜降解速度慢的產(chǎn)量高于中速、高于快速，并且黑色慢速降解膜的產(chǎn)量比普通白膜高5.5%.路海東等[22]的研究表明，黑色地膜較白色地膜可提高玉米生育后期葉片的光合能力，從而延緩葉面衰老.文中研究中，BD3的產(chǎn)量和水分利用效率分別比CK高6.8%和4.7%.成熟期BD3的冠部濕基含水率比CK高3.2%，BD3通過改變土壤根區(qū)的環(huán)境，從而延緩了作物衰老.灌漿期是籽粒形成的關(guān)鍵時期，地膜降解速度過快則保溫和保墑性能減弱，不利于玉米生長.可見降解膜的降解速度對作物產(chǎn)量的影響顯著，選擇適合當(dāng)?shù)卣T導(dǎo)期地膜對作物產(chǎn)量至關(guān)重要.

綜上所述，從環(huán)保和提高玉米產(chǎn)量方面考慮，BD3在河西干旱地區(qū)具有一定的推廣價值.文中研究過程中只是對土壤水熱效應(yīng)、玉米耗水特征、植株冠部濕基含水率等方面進(jìn)行研究分析，就其土壤養(yǎng)分、土壤酶活性、微生物數(shù)量等方面還有待進(jìn)一步研究.

4 結(jié) 論

1) 降解膜覆蓋對作物的影響與地膜的破損相關(guān).玉米生育期結(jié)束，CK出現(xiàn)細(xì)小裂紋，黑色地膜對熱輻射的吸收能力強(qiáng)，相同誘導(dǎo)期下，黑色降解膜的降解等級高于白色降解膜.

2) 土壤貯水量在灌漿期和成熟期降解膜覆蓋處理比CK低2.2%～7.5%和2.3%～7.0%；吐絲期降雨量多且集中，降解地膜相比CK有利于水分入滲，BD2土壤貯水量比CK高8.0%，CK全生育期保水性最佳.降解地膜覆蓋在拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期和成熟期土壤日最高溫度比普通地膜低0.1～1.5，0～1.2，0.1～1.3和0.9～1.9 ℃.

3) 降解膜覆蓋的作物產(chǎn)量和水分利用效率與CK相比較，BD3具有增產(chǎn)效應(yīng)，BD3的產(chǎn)量和水分利用效率分別比CK高6.8%和4.7%，成熟期BD3的冠部濕基含水率比CK高3.2%，BD3相比CK延緩了作物衰老，使產(chǎn)量得到提高.

4) 研究結(jié)論可為河西干旱區(qū)制種玉米降解地膜的覆蓋提供理論參考.