不同地膜与覆盖方式土壤水温与作物增产效应

梁美英,卜玉山,李伟,周秋香,牛昭坤,史晓凯,马茹茹

(山西农业大学资源环境学院,山西太谷 030801)

1978年农业部通过对外科技交流自日本配套引进了包括地膜覆盖方法、专用地膜、覆盖机械等一整套地膜覆盖栽培技术体系[1]。目前,地膜覆盖已在我国农业生产中得到广泛的应用,2005年我国地膜覆盖面积已经达到1.35×107 hm2,地膜使用量达到9.59×105 t[2]。地膜覆盖栽培已成为我国旱地农业增产增收的重要技术措施。

地膜覆盖具有增温保水[3,4]、提高土壤水分和养分利用率[5,6]、活化土壤养分[7]、抑制土壤盐碱[8]、改善光照条件和提高光合强度[9]等作用,进而促进作物生长发育和产量品质的提高[10]。目前研究报道的农用地膜类型多种多样,诸如增强渗水的渗水地膜[11],增强渗水以及通气的微孔地膜[12],环境友好型的各种液膜和可降解膜[13～15],具有特殊功能的有色地膜等,但我国农业生产中仍以普通聚氯乙烯薄膜为主要覆盖材料。地膜的覆盖方式也多种多样,除常规的平铺覆盖外,多种起垄覆盖模式在不同地区农业生产中应用[16～20]。本研究对宽幅和窄幅的普通地膜和微孔地膜在平铺和起垄覆盖下的水温效应和作物增产效应差异进行比较,为山西阳曲旱作节水农业示范区及其周边地区农业生产中合理高效利用地膜及其覆盖模式提供技术支持,同时对所研究地膜及覆盖方式在本示范区的应用价值进行分析评价。

1 试验点基本情况

试验在位于山西省阳曲县河村的“国家‘十一五’支撑计划农业综合节水研究示范基地”内进行。当地地理位置为东经 112.9°,北纬 38.0°,海拔1248.5 m,据近20年气象资料,≥10℃年均日照时数为1100.9 h,年平均气温6.4℃,最冷月1月平均气温-10.3℃,最热月7月平均气温20.2℃,无霜期143.9 d,≥10℃的积温为2840.6 ℃(80%保证率),年均降水量为459.0 mm,主要集中在6～9月,占到全年降水量的73.7%,7月和8月降水量占到全年降水量的44.8%。

2 材料与方法

2.1 供试材料

供试覆盖材料为普通地膜和微孔地膜(山西省农业科学院旱地农业研究中心自产)2种,每种又分为宽幅(幅宽130 cm,厚度0.008 mm)和窄幅(幅宽80 cm,厚度0.008 mm)2种类型。供试肥料硝酸磷肥(N∶P2O5=26.5∶11.5);供试作物为玉米,品种为先玉335。试验地土壤为石灰性褐土,p H 7.9,有机质含量为10.1g·kg-1,速效磷含量为12.1 mg·kg-1,速效钾含量为174.2 mg·kg-1。

2.2 试验设计与实施

试验采用2×4随机区组设计,共设9个处理,分别为:CK(不覆盖)、宽幅普膜起垄覆盖(宽普垄,BOR)、宽幅普膜平铺覆盖(宽普平,BOF)、窄幅普膜起垄覆盖(窄普垄,NOR)、窄幅普膜平铺覆盖(窄普平,NOF)、宽幅微孔膜起垄覆盖(宽孔垄,BMR)、宽幅微孔膜平铺覆盖(宽孔平,BMF)、窄幅微孔膜起垄覆盖(窄孔垄,NMR)、窄幅微孔膜平铺覆盖(窄孔平,NMF)。4次重复,共计 20小区,小区面积为6 m×6 m=36 m2。

播种前按当地施肥水平一次施足底肥(每亩60 kg硝酸磷肥),划分小区后按设计处理进行播种覆盖,每小区12行,株距29.6 cm,每小区243±2株,窄幅地膜每幅覆盖2行,宽幅地膜每幅覆盖3行。同时在2个重复的小区中央埋置长210 cm不锈钢管(地上部10 cm)用于土壤水分测定,在10 cm和20 cm深处埋置纽扣式温度自动记录仪。玉米生长期间不追肥不灌溉,按当地大田玉米管理方式进行管理。

2.3 测定项目与方法

土壤水分测定:在玉米生长期间,采用北京超能科技公司的中子土壤水分仪(CNC503 B型)每隔15 d左右测定不同深度土层土壤(每隔20 cm)水分含量。

土壤温度测定:在玉米生长期间,采用美国Spectrum Technologies,Inc.的纽扣式地温仪(Model 100 WatchDog)每隔2 h连续自动测定记录10 cm和20 cm深度的土壤温度。

玉米生育时期植株性状调查:在玉米生长期记录不同处理下玉米的出苗、拔节、孕穗和成熟的时间,并在不同生育期每小区连续测定10株玉米植株的株高和茎粗。

收获时,每小区取中间2～3行玉米植株进行室内烤种和测产。

数据处理与分析采用Excel2000和DPS6.5版软件。

3 结果与分析

3.1 不同地膜与覆盖方式土壤水分差异分析

土壤水分既是作物生长的环境因素,又是营养物质,对作物的生长发育具有重要的作用。在玉米生长期间,不同覆盖处理0～2 m深土壤平均含水量随时间总体上都呈“降低-增加-降低”的变化趋势(图1),但不同时间测定的土壤含水量平均值随深度的增加基本都呈“增加-降低”的变化趋势。

在玉米生育前期,不同覆盖处理0～200 cm土壤平均含水量随着时间的推移上下波动,总体上呈下降趋势,到拔节期(2009年 7月6日),0～200 cm土壤平均含水量都降到相对最低,为11.1%～11.6%,而后急剧增加,到9月中旬土壤平均含水量达到最高,为16.1%～16.8%,收获时(2009年10月15日)又有所下降。

不同覆盖处理之间在不同深度和不同时间的土壤含水量差异均不显著。不同覆盖处理土壤含水量在玉米生长期随时间的动态变化以及不同覆盖处理之间土壤含水量的差异主要是由于降水量及其分布特点、降水的入渗量、地面蒸发量和玉米耗水量等因素共同作用的结果。

图1 不同地膜不同覆盖方式下玉米生长期的土壤水分变化Fig.1 Thechanges of soil moisturemulched with different plastic films and different mulching patterns in maize growth period

3.2 不同地膜与覆盖方式土壤温度差异分析

不同地膜与覆盖方式玉米生长发育期10 cm与20 cm深处日平均温度变化趋势相一致,表现为“上升-下降”的变化规律,7月时土壤温度达到最高值 (图2)。

与对照相比,在玉米生长发育前期(5～7月)不同地膜覆盖处理间的日平均土壤温度均有明显提高,10 cm深度平均比CK提高了0.6～1.4℃,20 cm深度平均比CK提高1.4～2.3℃,在玉米生育后期(8～10月),多数地膜覆盖处理土壤温度仍高于CK,但差异较玉米生育前期小,10 cm深度比CK高0.7℃以下,20 cm深度比CK高1.1℃以下(图3)。

图2 不同地膜与覆盖方式玉米生育期10 cm与20 cm深处日平均土壤温度Fig.2 Daily average soil temperature at 10 cm and 20 cm depth in corn growth season mulched with different plastic film and different mulching patterns

图3 不同地膜与覆盖方式玉米生育期10cm与20 cm深度日平均土壤温度与对照差异Fig.3 Difference of daily average soil temperature between CK and other mulching treatments at 10cm and 20 cm depth in corn growth season

比较玉米生长发育时期不同覆盖处理10 cm和20 cm深度土壤日平均温度差值,可见在玉米生育前期多数覆盖处理土壤日平均温度20 cm深度高于10 cm深度,而在玉米生育后期土壤日平均温度10 cm深度高于20 cm(图4)。

图4 不同地膜与覆盖方式玉米生育期10 cm与20 cm深度日平均土壤温度差异Fig.4 Difference of daily average soil temperaturebetween 10 cm and 20 cm depth in different mulching treatments and corn growth season

从地膜类型看,普膜玉米生长期土壤日均温度10 cm深度比微孔膜高0.4℃,20 cm深度比微孔膜高0.1℃。宽幅膜玉米生长期土壤日均温度10 cm深度比窄幅膜高0.1℃,20 cm深度比窄幅膜高0.4℃。平铺覆盖玉米生长期土壤日均温度10 cm深度与起垄覆盖相同,均为18.1℃,但20 cm 深度比起垄覆盖高0.2℃。可见普膜比微孔膜以及宽幅膜比窄幅膜的增温效果更好一些,但起垄覆盖的增温作用并不比平铺覆盖好。

3.3 不同地膜与覆盖方式下玉米生长发育差异

在苗期,不同覆盖处理之间玉米株高和茎粗的差异均达到显著水平,以CK玉米株高和茎粗最小,其它各个处理的株高和茎粗均显著大于CK(表1)。拔节期不同覆盖处理之间玉米株高的差异仍达到显著水平,仍以CK的玉米株高最低,其余覆盖处理均显著高于CK,但茎粗的差异不显著。到收获期不同覆盖处理之间玉米株高和茎粗的差异都不显著。从地膜类型看,在玉米苗期和拔节期普膜对株高和茎粗的效应都好于微孔膜,宽幅膜也好于窄幅膜,而平铺覆盖好于或等于起垄覆盖。表明不同地膜与不同覆盖方式对玉米生长发育的促进作用主要表现在玉米生育前期,从而为玉米的高产优质奠定良好的基础。

表1 不同材料覆盖方式对玉米植株茎粗、株高的影响Table 1 Effects of different mulching treatments on stem diameter and plant height of maize

3.4 不同地膜与覆盖方式对玉米穗粒数的影响

不同覆盖处理玉米穗粒数以CK相对最少,其余覆盖处理较CK有所增加,但差异不显著。这表明不同地膜与覆盖方式对玉米穗粒数具有一定的影响,但不是玉米增产的主要影响因素。

3.5 不同地膜与覆盖方式对玉米百粒重的影响

不同覆盖处理之间玉米百粒重差异达到显著水平,从高到低依次为:宽普平＞宽孔垄＞宽孔平＞窄孔垄＞宽普垄＞窄普垄=窄孔平＞窄普平＞CK(图 5),依次比 CK增加 42.3%、35.1%、34.3%、31.1%、28.6%、28.1%、28.1%、27.3%。

图5 不同覆盖方式对玉米百粒重的影响Fig.5 Effect of different plastic films and mulching patterns on the weight of 100 kernels of maize

从地膜类型看,普膜和微孔膜覆盖之间玉米百粒重无明显差异,分别比 CK增加31.6%和32.1%,但宽幅膜略好于窄幅膜,分别比CK增加35.1%和28.7%。从覆盖方式上来比较,平铺覆盖和起垄覆盖之间差异较小,分别比对照增加33.0%和 30.7%。

3.6 不同地膜与覆盖方式对玉米产量的影响

不同覆盖处理之间玉米产量差异显著,从高到低依次为:宽普平＞宽普垄＞宽孔平=宽孔垄＞窄普平＞窄普垄＞窄孔平＞窄孔垄＞CK(图6),依次比 CK增产 94.0%、89.3%、85.3%、85.3%、75.6%、73.1%、71.3%、67.6%。从地膜类型看,普膜略好于微孔膜,分别比 CK增产83.0%和77.4%,而且宽幅膜略好于窄幅膜,分别比CK增产88.5%和71.9%,平铺覆盖与起垄覆盖之间差异较小,分别比CK增产81.5%和78.8%。

3.7 不同地膜与覆盖方式玉米水分利用效率差异分析

图6 不同地膜覆盖方式对玉米产量的影响Fig.6 Effect of different plastic films and mulching patterns on maize yield

不同覆盖处理之间玉米水分利用效率的差异达到显著水平,从高到低依次为:宽普平＞宽孔平＞宽普垄＞宽孔垄＞窄普平＞窄普垄＞窄孔平＞窄孔垄＞CK(图 7),依次比 CK高 100.1%、96.3%、95.3%、93.3%、81.2%、77.1%、75.1%、66.1%。总的来看,宽幅膜覆盖的水分利用效率高于窄幅膜覆盖,分别比CK高96.2%和74.8%,普膜覆盖的水分利用效率高于微孔膜覆盖,分别比CK高88.4%和82.4%,平铺覆盖的水分利用效率高于起垄覆盖,分别比CK高88.1%和82.7%。

图7 不同地膜覆盖方式对水分利用率的影响Fig.7 Effect of different plastic films and mulching patterns on Water Use Efficiency of maize

4 结论与讨论

地膜覆盖的重要作用之一是增温保水,本试验结果表明供试地膜在不同覆盖方式下均表现出一定增温保水效应,且增温作用比保水作用的效果更为明显。增温作用主要表现在玉米生长发育前期,玉米拔节后由于冠层阻隔了太阳辐射到达地面,地膜覆盖的增温作用已不明显,这与地膜覆盖增温需要有热源(太阳直接辐射地面)的作用原理相一致[14]。同时在玉米生育前期多数覆盖处理20 cm深度日均土壤温度高于10 cm深度,但在玉米生育后期正好相反,多数覆盖处理20 cm深度日均土壤温度低于10 cm深度,这可能与玉米生育前期土壤处于增温时期而生育后期土壤处于散热降温时期有关,但需要进一步的研究验证。在玉米生长期10 cm和20 cm深度土壤日平均温度普膜比微孔膜、宽幅膜比窄幅膜都略有增高,平铺覆盖与起垄覆盖10 cm深度相同,但20 cm深度平铺覆盖比起垄覆盖增高。

地膜覆盖改善了土壤水热状况,最终表现为对作物生长发育的促进作用。不同地膜与覆盖方式对玉米生前期的生长具有明显的促进作用,与增温效应相一致,苗期玉米株高茎粗和拔节期株高都显著好于CK,而且普膜的作用好于微孔膜,宽幅膜的作用好于窄幅膜,平铺覆盖的作用好于或等于起垄覆盖。成熟期各处理间无差异。

不同地膜覆盖处理不仅促进了玉米前期的生长,加速了生育进程,也为后期生殖生长定了良好的基础。不同地膜覆盖处理玉米产量与水分利用效率都显著高于CK,增产原因主要是不同地膜覆盖处理延长了灌浆期,使玉米籽粒饱满,显著地提高了百粒重,不同地膜覆盖处理玉米穗粒数的增加也对产量的增加起一定作用。而且普膜比微孔膜、宽幅膜比窄幅膜、平铺覆盖比起垄覆盖增产效应都要好一些。

综上所述,在“阳曲县河村旱作农业节水示范区”及其周边海拔较高、低温干旱并存的地区选择推广宽幅普通地膜平铺覆盖(宽普平)方式,既简单、省工省钱,又有明显的增温保水作用和显著的增产作用和水分利用效率,经济效益也相对最高,因此宽幅普通地膜平铺覆盖(宽普平)方式是当地作物增产增收简单有效的栽培措施。

[1]高玉杰,谢来苏.纸基农用地膜的开发及应用[J].中国造纸,2002,21(3):28-31.

[2]何文清,严昌荣,赵彩霞,等.我国地膜应用污染现状及其防治途径研究[J].农业环境科学学报,2009,28(3):533-538.

[3]温晓霞,韩思明.旱作小麦地膜覆盖生态效应研究[J].中国生态农业学报,2003,11(2):92-95.

[4]王俊,李凤民,宋秋华,等.地膜覆盖对土壤水温和春小麦产量形成的影响[J].应用生态学报,2003,14(2):205-210.

[5]Li Fengmin,Guo Anhong,Wei Hong.Effects of clear plistic film mulch on yield of spring wheat[J].Field Crops Res,1998,63:79-86.

[6]Fisher PD.An alternative plastic mulching system for improved water mangement in dryIand maize p roduction[J].Agric Water Man,1995,27:155-166.

[7]Niu J,Y-Gan Y T,Zhang J W,et al.Postanthesis d ry matter accumtflation and redistribution in spring wheat mulched with plastic film[J].Crop Sci,1998,38:1562-1568.

[8]Hezhong Dong,Weijiang Li,Wei Tang,et al.Early plastic mulching increases stand establishment and lint yield of cotton in salinefields[J].Field Crops Research,2009,111(3):269-275.

[9]王有宁,王荣堂,董秀荣.地膜覆盖作物农田光温效应研究[J].中国生态农业学报,2004,12(3):134-136.

[10]Feng-min Li,Jun Wang,Jin-zhang Xu,et al.Productivity and soil resp onse to plastic film mulching durations for spring wheat on entisols in the semiarid Loess Plateau of China[J].Soil and Tillage Research,2004,78(1):9-20.

[11]姚建民.渗水地膜研制及其应用[J].作物学报,2000,26(2):185-189.

[12]池宝亮,黄学芳,张冬梅.微孔地膜覆盖玉米的纳雨通气效应[J].应用生态学报,2006,17(4):755-758.

[13]杨青华,韩锦峰,贺德先,等.液体地膜覆盖保水效应研究[J].水土保持学报,2004,18(4):29-32.

[14]毛任钊,赵连城,曹健.光降解地膜覆盖棉田的生态环境效应[J].农业现代化研究,1997,18(2):116-119.

[15]杨玉姣,黄占斌,闫玉敏,等.可降解地膜覆盖对土壤水温和玉米成苗的影响[J].农业环境科学学报,2010,29(增刊):10-14.

[16]金胜利,周丽敏,李凤民,等.黄土高原地区玉米双垄全膜覆盖沟播栽培技术土壤水温条件及其产量效应[J].干旱地区农业研究,2010,28(2):28-30.

[17]殷海善.宽幅渗水地膜覆盖集雨式仿丰产沟耕作栽培技术效果研究[J].水土保持学报,2005,19(1):196-199.

[18]杨开宝,刘国彬,李景林,等.双料沟垄组合覆盖对土壤水分时空分布的影响[J].干旱地区农业研究,2004,22(4):92-96,117.

[19]魁永忠,豆宪斌.全膜覆盖双垄沟播玉米新品种比较试验报告[J].农业科技与信息,2010(5):40.

[20]刘文辉.玉米不同地膜覆盖栽培模式试验报告[J].农业科技与信息,2010(3):23.