不同地膜覆蓋對(duì)土壤水熱、谷子產(chǎn)量及水分利用效率的影響

閆立偉，趙鐵鋒，王嘉興，黃碩，邊麗梅，洪鐘，于麗紅，于大偉，李欣，李小平，柴曉嬌，李海東*

(1 赤峰市農(nóng)牧技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024000； 2 赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 赤峰 024031；3 喀喇沁旗農(nóng)牧局，內(nèi)蒙古 赤峰 024400)

谷子具有生長(zhǎng)期短、耐旱、耐瘠薄、適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，是北方地區(qū)歷史悠久的傳統(tǒng)作物，也是內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)的優(yōu)勢(shì)作物[1]。 赤峰市地處中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，自然降水少，水資源匱乏，年平均降水量為381 mm，該地區(qū)山地、丘陵、崗地、川地、平地交錯(cuò)分布，以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主[2]，水資源短缺成為限制其農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素[3]。 赤峰市常年雜糧播種面積達(dá)50 萬hm2以上，2022 年其谷子種植面積為19.71 萬hm2，平均產(chǎn)量3 590.85 kg/hm2。如何在提高水分利用效率的同時(shí)提高產(chǎn)量成為當(dāng)前該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題。

覆膜技術(shù)自20 世紀(jì)70 年代引入我國(guó)后得到快速推廣，到80 年代中期，我國(guó)地膜覆蓋面積躍居世界第一。 90 年代初期，吳國(guó)忠等[4]率先對(duì)谷子進(jìn)行覆膜栽培研究，提出覆膜可以明顯增加谷子產(chǎn)量。葉凡等[5]提出，覆膜可減少土壤水分蒸發(fā)量，增加產(chǎn)量。 覆膜作為干旱地區(qū)谷子栽培的重要技術(shù)，尤其在氣候日益干旱的今天，其增產(chǎn)效果日益明顯[6]。 馬曉楠等[7]發(fā)現(xiàn)不同材料地膜均能提高土壤含水量、溫度及谷子產(chǎn)量。 近年來本著生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展的理念，對(duì)作為新型農(nóng)膜的生物可降解膜在許多作物上的應(yīng)用開展了深入的研究，但對(duì)不同顏色生物可降解膜與普通地膜對(duì)谷子栽培的影響進(jìn)行比較分析的研究還很少。 本文以白色可降解膜、黑色可降解膜、普通地膜為材料開展試驗(yàn)，分析對(duì)比不同種類地膜覆蓋下春谷田水熱狀況、谷子產(chǎn)量及水分利用效率的動(dòng)態(tài)變化，旨在為赤峰市春谷子的種植提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2021 年5—9 月在位于內(nèi)蒙古赤峰市喀喇沁旗乃林鎮(zhèn)的試驗(yàn)基地(41°86′ N，119°24′ E)進(jìn)行。 試驗(yàn)區(qū)海拔526 m，試驗(yàn)地前茬作物為玉米，土壤類型為壤土。 0 ～20 cm 耕層土壤pH 值為8.24，含有機(jī)質(zhì)20.35 g/kg、有效磷7.82 mg/kg、速效鉀132 mg/kg、堿解氮79.12 mg/kg。 2021 年谷子生育期內(nèi)降水量為400.1 mm，平均氣溫為18.3 ℃，谷子生育期間試驗(yàn)地降水與氣溫情況見圖1。

圖1 2021 年谷子生育期試驗(yàn)地降水量及氣溫情況Fig.1 Precipitation and temperature in the experimentalfield of millet growth period in 2021

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試谷子品種為赤優(yōu)金苗1 號(hào)。 試驗(yàn)設(shè)4 個(gè)處理:普通白色地膜(T1)、可降解白色地膜(T2)、可降解黑色地膜(T3)，不覆膜(CK)，供試地膜情況見表1。 試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)3 次重復(fù)。

表1 供試地膜性質(zhì)Table 1 Characteristics of the mulch film

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤含水量的測(cè)定:在谷子播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期及成熟期，利用土鉆采集0 ～20、20 ～40、40 ～60、60～80、80 ～100 cm 土層的土壤，采用烘干法測(cè)定土壤含水量。

地溫的測(cè)定:在谷子播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期及成熟期，于10:00—10:30 采用五點(diǎn)法測(cè)定不同處理深度為5、10、15、20 cm 土層的溫度，求均值。

水分利用效率:采用水量平衡法計(jì)算作物生育期耗水量(ET)及水分利用效率(WUE)[8]，計(jì)算公式為:

式中:ET為作物實(shí)際耗水量；ΔW為生育期前后土壤貯水量的變化值；P為生育期降雨量；I為灌溉定額；D為深層滲漏量，由于未產(chǎn)生深層滲漏，D可忽略不計(jì)；R為地表徑流量，由于試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，R可忽略不計(jì)；WUE為水分利用效率；Y為作物產(chǎn)量。

谷子產(chǎn)量的測(cè)定:谷子成熟后，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取4 行5 m 樣本，折算單位面積穗數(shù)，收獲果穗進(jìn)行脫粒、稱量，計(jì)算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；采用用SPSS 22.0 進(jìn)行方差分析；采用Origin 2018 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地膜覆蓋對(duì)土壤含水量的影響

根據(jù)圖2，谷子整個(gè)生育期不同覆膜處理0 ～40 cm 土層土壤含水量變化不同。 在播前，各處理0 ～100 cm 土層土壤含水量差異不大，均呈“S”型曲線。苗期，覆膜后土壤水分變化明顯，3 個(gè)覆膜處理0 ～20 cm 土層土壤含水量均顯著高于CK，表現(xiàn)為T3＞T1＞T2 ＞CK， 分 別 比CK 高10.97%、8.40% 和7.91%。 說明地膜覆蓋均能減少水分蒸騰，增加土壤含水量。 拔節(jié)期至孕穗期，0 ～40 cm 土層土壤含水量從大到小依次為T3＞T1＞T2＞CK，黑色地膜保墑效果優(yōu)于白色地膜。 成熟期，由于降解地膜的降解，地膜破裂透氣，增墑效果減弱，降解膜T2、T3 處理土壤含水量低于普通地膜T1 處理。 由于谷子最大根深為100 cm 左右[9]，苗期根系主要分布在0～20 cm，拔節(jié)期之后大部分根系分布在0～40 cm 土層，因此，谷子生長(zhǎng)期0～40 cm 深度土壤水分變化較大[10]。

圖2 不同處理下的土壤含水量動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of soil water content under different treatments

2.2 不同地膜覆蓋對(duì)谷子田地溫的影響

由圖3 可以看出，覆膜會(huì)對(duì)土壤溫度產(chǎn)生影響，在谷子不同生育時(shí)期，各處理地溫變化也不同。 在谷子苗期，覆膜處理的平均地溫明顯高于不覆膜CK處理，黑色降解膜的增溫幅度不及白色地膜，處理T1、T2、T3 分別比CK 高4.35、4.45、3.25 ℃。 谷子拔節(jié)期平均地溫最高，覆膜帶來的溫度變化幅度和苗期相差不大，處理T1、T2、T3 分別比CK 高4.10、4.25、3.33 ℃。 隨著生育進(jìn)程推進(jìn)，谷子植株遮陰效果越來越強(qiáng)，地膜覆蓋帶來的增溫效果也逐漸減弱，孕穗期各處理的溫度差異不顯著；成熟期由于降解膜的降解，處理T2 和T3 與CK 無顯著差異。

圖3 不同處理下的地溫變化Fig.3 Changes of ground temperature under different treatments

2.3 不同地膜覆蓋對(duì)產(chǎn)量的影響

從表2 可以看出，地膜覆蓋對(duì)谷子產(chǎn)量的影響顯著，不同處理的谷子產(chǎn)量表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK，T3、T2、T1 均 顯 著 高 于CK，分 別 較CK 提 高 了17.55%、11.79%、6.39%；T3 顯著高于T1，但T1、T2差異不顯著。 每公頃穗數(shù)表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK，T2、T3、T1 分別比CK 提高了21.31%、8.53%、4.74%，T2、T3 顯著高于CK 與T1，但T1 與CK 無顯著差異。 各處理谷子的千粒質(zhì)量均無顯著差異。2021 年春季降雨量少，覆膜提高了谷子出苗及保苗率，顯著增加了每公頃穗數(shù)，從而提高了谷子產(chǎn)量。

2.4 不同地膜覆蓋對(duì)水分利用效率的影響

不同覆膜處理谷子的水分利用效率見表3。 各處理谷子的水分利用效率表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK，其中T3處理的水分利用效率最高，為10.44 kg/(hm2·mm)，3種地膜覆蓋處理均顯著高于CK，T3、T2、T1 分別比CK 提高了15.79%、10.50%、6.52%。 說明覆膜可顯著提高谷子的水分利用效率。

表3 不同處理下的谷子水分利用效率Table 3 Water use efficiency of millet under different treatments

3 討論

水分虧缺是干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的限制因素[11]。 研究表明，地膜覆蓋可改良土壤環(huán)境，保墑減蒸，提高地溫，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育[12]，提高糧食產(chǎn)量[13]。 地膜覆蓋對(duì)深層土壤的水分影響不大[7]，但對(duì)0～40 cm 土層土壤的影響較大[14]。 解文艷等[11]發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋可顯著提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率，同時(shí)還提高了肥料利用效率。 溫蕊等[15]研究表明，PE 膜覆蓋的耕層土壤水分含量最高，拔節(jié)期0～30 cm 土層的土壤溫度最高。 本研究發(fā)現(xiàn)，在谷子生長(zhǎng)前期，不同類型的地膜覆蓋均能提高土壤水分含量，與葉凡等[5]研究結(jié)果一致。

羅世武等[6]研究表明，不同地膜覆蓋均可提高苗期地溫，促進(jìn)谷子生長(zhǎng)，且滲水地膜的保墑增溫效果優(yōu)于生物降解膜和普通地膜。 可降解膜能夠提高谷子苗期土壤水熱，促進(jìn)谷子生長(zhǎng)[16]。 常樂等[17]研究表明，在谷子產(chǎn)量和水分利用方面，黑色地膜優(yōu)于白色普通地膜和滲水地膜。 趙嘉濤等[18]研究了不同生物降解膜對(duì)棉花的影響，發(fā)現(xiàn)6 μm 的生物降解膜和普通地膜覆蓋處理下，棉花產(chǎn)量和水分利用效率沒有顯著差異，生物降解膜可以替代普通地膜。 閆乃桐等[19]發(fā)現(xiàn)，與普通地膜相比，降解膜覆蓋下的玉米產(chǎn)量降低，但棉花產(chǎn)量會(huì)增高，其他作物產(chǎn)量無顯著差異。 本研究發(fā)現(xiàn)，黑色降解膜處理下谷子的水分利用效率和產(chǎn)量均優(yōu)于白色降解膜和普通地膜，與馬曉楠等[7]研究結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

綜合分析，與不覆膜相比，3 種覆膜處理均能提供更好的土壤水熱條件，提高谷子產(chǎn)量和水分利用效率。 不同地膜中，黑色降解膜的保墑增產(chǎn)作用最優(yōu)，且其在成熟期可降解，解決了地膜回收難、污染大的難題，為干旱地區(qū)降解地膜取代普通地膜種植谷子提供了科學(xué)依據(jù)。