覆膜条件下作物需水率及土壤温度差异研究

李鹤

(1.东北农业大学,黑龙江哈尔滨 150000;2.中海监理有限公司,广东深圳 518000)

覆膜条件下作物需水率及土壤温度差异研究

李鹤1,2

(1.东北农业大学,黑龙江哈尔滨 150000;2.中海监理有限公司,广东深圳 518000)

本文针对缺水区的生态条件,以前人研究为基础,以大田试验为支撑,系统研究了覆膜条件下玉米发育过程和形成规律及水分对其影响,并探讨其生理原因,进一步挖掘节水玉米的产量潜力,实现节水高效并提供理论依据;探索覆膜条件下玉米产量与不同阶段土壤水分和灌水量之间的定量关系,寻求出了以提高水分利用率为目标的节水、优质、高产的作物较佳灌溉模式,为较优调控水-土-作物-环境关系提供科学依据。因此,本文在试验区的试验对寻找一套合理灌溉方式和灌水量指导当地农业生产

玉米生长 土壤温度 覆膜 节水农业

覆膜种植是一种现代化的农业栽培技术。塑膜覆盖是农业栽培技术的重大进步，它能大大改善农田小气候、降低作物棵间蒸发，从而有效控制作物耗水量。它在各国都得到了广泛的应用。作物需水量研究对水的生产力和节水灌溉意义重大，加强作物需水研究是农业可持续发展迫在眉睫的任务。作物需水量又称作物蒸发蒸腾量，是农业方面最主要的水分消耗部分，是制定流域规划、地区水利规划、以及灌排工程规划、设计、管理和农田灌排实施的基本依据。因此，准确地估算作物蒸发蒸腾量显得尤为重要，特别是干旱半干旱地区，对于减小作物生育期的水分消耗，提高水分利用率，发展节水农业有着十分重要的意义。

1 国内外研究动态和趋势

20世纪30年代，人们开始关注农业水热资源利用效率问题。近几十年来，水资源危机不断加剧和水环境质量不断恶化，加之粮食产量需求的不断增加，提高农业灌溉水利用效率已演变为世界备受关注的问题之一。覆膜技术作为一种提高农业水热资源利用效率的方法，其保水机理、保温效果及其对作物生长状况和产量的影响研究引起了国内外学者的广泛关注。

1.1 国内研究现状

我国自20世纪70年代由日本引进地膜覆盖栽培技术后，由于其具有增加地温，节水保墒的效应，且有显著的增产作用，因而在全国范围得到了广泛的应用，尤其在西北干旱区更是得到大面积的推广。王景宽等(1997)研究表明，覆膜对土壤过氧化氢酶、脲酶等主要酶活性有所影响。同时地膜覆盖有效地保护了土壤耕层不受破坏，能减轻大雨或暴雨对地面的冲刷，减少了水土流失等灾害;王树森等(1991)研究证实了地膜覆盖能抑制盐碱地的返盐作用，在膜下形成一个特殊的低盐耕作层，降低了盐碱危害;杨天育(1999)调查地膜覆盖田耕层土壤容重较露地减少0.08g/m3，土壤孔隙度比露地增加3.98个百分点，另外，地膜覆盖对杂草生长和病害发生也有抑制作用。邓振镛等(1996)研究得出，旱作垄种(小麦)沟盖(玉米)地膜带田优于目前的沟种(小麦)垄盖(玉米)带田种植形式，前者比后者增产9.0%～12.5%。粮食的增产不仅解决了旱区农民的吃饭问题，也提高了农民的收入。孟宪杰等(2005)在黑龙江省饶河、八五二等农场进行了大豆行间覆膜栽培试验，试验结果表明，大豆行间覆膜具有保墒、提墒、增墒，提高积温、促进土壤微生物活动，抑制杂草生长，改善土壤物理性状等功能;杜维广等(2005)大豆行间覆膜栽培能有效地保护土壤水分，提高土壤温度，提高了养分利用率，使覆膜栽培比对照速效氮、速效磷、速效钾有所提高。这些因素综合作用导致地上部分大豆覆膜栽培群体生理、光合生理和固氮营养生理的改善，拉动了光合产物的积累和分配，促进了大豆产量的提高，这是覆膜栽培增产的生理基础;周宝库等(2004)研究了在严重春旱及后期地温多雨的情况下，行间覆膜显著地提高了大豆产量。在相同种植条件下，覆膜与不覆膜相比，增产22.1%;大豆覆膜能有效地提高地温，从出苗到开花期，苗带内10cm地温增加1.38℃，15cm 地温增加0.59℃;大豆覆膜增加土壤水分与速效养含量;吴从林等(2001)研究结果表明，地膜覆盖可使麦田前期增温，但作物生育后期增温效果不明显或则降低温度，在冬小麦整个越冬期，覆膜处理能使表土层产生明显的增温，最高可达2.83℃;当进入返青期后，膜外气温开始回升，覆膜处理产生了一定的增温，达1.5℃，直到拔节前期;但拔节后期～乳熟期地膜覆盖基本上不增温;门旗等(2000)研究得出，通过试验结合公式估算得出，地膜覆盖作物覆盖度由35%提高到90%，其棵间蒸发量减少51.8%，与露地相比土壤棵间蒸发减少74.6%，所以别接膜以减少作物田间有效蒸腾，但较高的田间覆盖度不利于雨水的蓄集和下渗。

1.2 国外研究现状

日本是世界上利用塑料薄膜覆盖栽培技术最早的国家之一。日本在普遍采用盖草的基础上也有了新的发展，先是利用废旧塑料薄膜进行地面覆盖，1943年日本开始用塑料薄膜覆盖进行水稻育秧。美国于20世纪50年代初期在夏威夷首先应用地膜覆盖，1963年开始在亚利桑那州用覆膜机进行棉花黑膜地面覆盖栽培，覆膜机能同时进行铺膜和播种两项作业，提前两周播种，棉花增产显著。欧洲常采用稻草、干枯苔藓和落叶等覆盖地面以保持土壤湿度，保护作物免受污染和霜冻。自1838年法国人莱达诺发明聚氯乙烯后，又经过德国人研究，直到1928年才在美国开始进行工业化生产。法国于1961年开始在南部进行瓜类作物的塑料薄膜地面覆盖栽培试验。

Mahrer(1979)首先将热扩散方程引入到覆盖问题中。他从物理的角度描述了大气一覆盖层一土壤的热交换过程，建立了透明塑膜覆盖下的热平衡方程，并用数值方法模拟了一维情况下的土壤温度分布;随后，Mahrer和Kata(1981)用二维数值模型分析了覆盖条件下土壤温度的空间分布;Mahrer(1984)还对塑膜覆盖下不同土壤湿度对温度的影响以及不同温度对湿度的影响进行了研究，试验和数值模拟的结果比较吻合，且都显示温度的最大值随土壤湿度的增加而增加;Cooper等(1996)研究认为，由于近地表空气相对稳定且传导性低，地膜捕获的太阳辐射更容易使土壤表层增温，前期地温高则会促进根系的生长，且有利于安全越冬。据甘肃对地膜冬、春小麦测定，覆膜后不同生育阶段和不同土层地温均有不同程度提高;Shmidt等(1998)发现，覆盖白色地膜后地表的热累积量显著高于黑色地膜;Farias(1997)发现透明地膜对土壤的增温效果比白色地膜和黑色地膜显著;DougWaterer(2007)调查了地膜覆盖蔬菜发现，在4月中询和休闲期的土壤温度要比露地高出10℃;Dahiya等(2007)进行了覆膜对土壤温度水分影响的大田试验研究，他们8至9月份的试验结果表明覆盖能有效减小土壤水分丧失，降低土壤温度;为了研究不同覆盖的效果及其经济可行性和生态友好性，Ramakrishna等(2006)在越南北部对聚乙烯塑料、稻草和化学处理三种措施对土温、水分和作物产量的效果进行了大田试验;发现聚乙烯塑料薄膜能有效提升地温，阻止蒸发、保持土壤湿度，而聚乙烯塑料和稻草覆盖都能促进作物生长;H.Y.Hanna，E.P等(1996)通过地膜覆盖西红柿发现，在整个生育期地膜覆盖15cm处的土壤温度比7.5cm的明显低。Kato，Y.等人(2009)还研究发现，旱稻比水稻更能有效利用土壤水分，进而提高其水分利用效率。

2 实验研究的主要内容和方法

2.1 本论文研究内容包括以下几点

(1)通过对夏玉米覆膜种植的大田试验，研究夏玉米覆膜种植的需水规律及水分利用效率，从而进一步的确定夏玉米覆膜种植的灌水指标、适宜的灌水量。最终达到提高夏玉米的水分生产效率。

(2)研究夏玉米在覆膜种植条件下各生育期的生理生态特性(包括光合、茎粗、株高、叶片数、叶面积等)。

(3)研究在覆膜条件下，夏玉米在整个生育期，根层土壤温度的变化，进一步确定覆膜对地温的调节作用。从而研究分析覆膜种植对作物生长发育的影响，提高作物生物量累积，进而提高作物水分利用效率。

2.2 本文的研究方法

本试验拟采用试验与理论分析相结合的研究方法，以黑龙江省松嫩平原腹地哈尔滨市香坊农场作为研究基点，于2011年全面系统的展开试验工作。

(1)采用现场测定、实地考察、收集相关资料及数据采集方法，合理的安排试验步骤，严密的布置试验计划。

(2)土壤含水量测定：采用人工打钻取土，烘干法测定0～160cm土层的土壤含水量。以20cm(分10层)为单位，每10天测一次，播种前、采收后、下雨、灌水前后加测。

(3)作物生态指标测定：株高、叶面积用卷尺测量，地径用游标卡尺测量。株高测定是从植株根部到植株的生长点和从根部到植株的所有器官中的最长点;叶面积的测定是从叶尖到叶基的长度与离叶基1/3处的叶宽计算得到;地径测定是从正交不同的两个方向测定其直径取其平均值。干物质测定：玉米收产时从所取样方中分别任取一株测定其最终干物质重(包括根、茎、叶、玉米秸秆、芯及籽粒干重)。

(4)农田小气候测定：本研究以自动气象站的常规观测项目为依据，观测项目包括：气温、空气相对湿度、2m高处的风速、太阳辐射强度和降水量。观测时间间隔为30分钟一次。

(5)地温测定：利用“五支组地温计”在试验区的覆膜中央、未覆膜行中央观测地下3cm、5cm、10cm、15cm、20cm、30cm处的土壤温度，每隔3天观测一次，每次观测以2天为单位。每天观测时间为：8：00、12：00、14：00、16：00、20：00、0：00、次日临晨4：00、次日8：00为一整天。

3 实验研究实施方案和进度

本研究采用田间试验测定，供试作物为夏玉米。2011年5月24日播种，9月23日收获。种植密度为9株/m2。具体实施方案如下：

生理指标的测定包括作物的株高、叶片数、叶面积以及地径和作物最终干物质量。

(1)生物指标测定是在玉米的不同生育期进行定点、定株连续测定。每一重复测定连续3株，每一处理将各重复测定计算平均值所得。其中，单叶面积用下式计算：

式中：S为叶面积;a为叶长;b为叶宽。单叶面积累加得全株面积。

(2)作物光合特性测定。利用便携式光合仪测定作物的光合特性。随机选取生长正常、旺盛的植株12铢，选取生长健壮，发育成年尚未衰老的叶片测定，叶片被测部位均在叶片的中上部，并且避开中脉。拔节期由于叶片正在生长发育，上部叶片还未发育完全，因此取其生长成年的倒三片叶子测定，分别在 8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00和20：00测定其光合。

(3)干物质累计测定。由于试验要进行测产，因此在试验过程中没有进行干物质测定，只在收产时进行干物质测定，在测产的四个样方(3m×3m)中随即各取一株，将其根、茎、叶，穗等烘干(80℃，烘24h)称重，籽粒加13%水分计经济产量。

土壤含水量通过人工分层取土样，测定区域为0-160cm(每个20cm为一层)取土时间间隔为10天，采用烘干法进行测定。

土壤温度采用低温计按照试验方案，每隔3天，测定3cm、5cm、10cm、15cm、20cm、30cm处的土壤温度。并及时将试验数据录入于表格之中。

本研究通过大田夏玉米覆膜种植试验，主要拟解决以下问题：(1)准确获得夏玉米覆膜种植各生育期的需水量;初步确定适合本试验条件下的作物系数Kc值以及作物水分利用效率。(2)研究在覆膜条件下土壤水分与土壤温度的关系，分析土壤水分变化在覆膜种植和露地种植条件下的差异。

4 实验研究预期效果

本文通过整个生育期间玉米的生长性状、最终干物质量、土壤含水率及土壤温度的变化规律的观测和记录，结合试验场附近气象站观测的数据，分析松嫩平原黑土地区，覆膜技术对于农作物(夏玉米)生物量全生育期内变化趋势，掌握覆盖条件下，土壤水分的利用效率，尝试提出水热时空分异分析指标，揭示覆膜对于玉米生长规律的影响及土壤水热动态的驱动机理，为合理的利用土壤水热资源，提高水资源利用效率，指导农业高效生产提供理论基础。

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[3]邵光成,张展羽,刘娜,俞双恩.投影寻踪分类模型在膜下滴灌模式评价中的应用.水利学报,2007,38(8)：944～947.