不同覆膜处理对土壤水热效应及春玉米产量的影响

霍轶珍,郭彦芬,韩翠莲， 李生勇

(河套学院 土木工程系,内蒙古 巴彦淖尔 015000)



不同覆膜处理对土壤水热效应及春玉米产量的影响

霍轶珍,郭彦芬,韩翠莲， 李生勇

(河套学院 土木工程系,内蒙古 巴彦淖尔 015000)

为探讨生物地膜在农业生产中的适用性，采用田间试验的方法，设置了普通地膜覆盖、生物地膜覆盖及不覆盖3个处理进行对比研究，对3种覆盖方式下土壤温度、土壤水分变化规律及玉米生产性状指标进行了对比研究。研究结果表明：玉米生育前期，生物地膜保温、保墒效果显著，且与普通地膜处理差异不显著(p>0.05)，但均显著高于不覆膜处理(p<0.05)；玉米进入生育中后期阶段，生物地膜降解破损，保温、保墒效果减弱，玉米生育中期3种覆盖方式下各土层土壤平均温度差异性显著(p<0.05)，生育末期，生物地膜保温保墒效果几乎丧失，土壤水热状况与不覆膜处理无显著性差异，且显著低于普通地膜覆盖(p<0.05)；生物地膜与普通地膜相比玉米产量及生产性状指标差异不显著(p>0.05)，但均显著优于不覆膜处理(p<0.05)，平均较不覆膜增产19.48%和20.41%，水分利用效率高22.18%和22.56%。研究结果可为河套灌区可降解生物地膜在农业生产中的应用提供理论基础。

生物地膜; 土壤温度; 土壤水分; 玉米产量; 河套灌区

土壤的水热状况是影响作物生长和产量形成的关键因素[1]，地膜覆盖后很好地起到了增温、保墒和控盐的作用[2]，因此在农业生产中被广泛应用。大量学者也针对地膜覆盖对土壤水热变化、水分利用效率、作物生理生化指标、作物产量的影响等进行了广泛的研究[3-6]。然而，普通农用地膜主要成分为一种分子结构非常稳定的聚乙烯材料，自然条件下很难分解，且收获期后难以回收利用，长此以往必然会在农田大量残留积累，形成白色污染，进而影响农业的健康发展；近些年来，随着不同类型可降解生物地膜的出现及在农业生产中不断尝试应用，这一问题有待缓解，有研究表明，与普通地膜相比，生物地膜具有可降解、减小环境污染的优点，同时在土壤增温、保墒和作物增产方面具有很好的效果[7-9]。然而，由于生物地膜自身的一些缺点，即受到机械强度、受拉伸性能等的限制[10]，还主要是处在小范围的试验应用阶段。春玉米作为内蒙古河套灌区主要的粮食作物，其种植面积占总粮食种植面积比例较大，而灌区多年种植模式主要为覆膜种植，少量采用不覆膜裸地种植，但经过多年实践经验发现对于寒冷干旱的盐渍化灌区，不覆膜裸地种植玉米产量显著低于覆膜种植。本文在灌区常规种植模式的基础上，增加可降解生物地膜覆盖种植，研究不同覆盖条件对土壤保墒、增温效应及玉米产量的影响，旨在为灌区生物降解地膜的推广提供理论基础和技术支撑，对绿色农业的可持续发展具有重要意义。

1　试验材料与方法

1.1试验区概况

试验区位于内蒙古巴彦淖尔市临河区双河镇，该地区多年平均降雨量为140 mm左右，年平均气温6.8℃，年平均日照时数3 229.9 h，无霜期130 d左右，较适宜农作物的生长，属于典型的中温带干旱大陆性气候。试验区以砂质壤土为主，0—100 cm土壤平均容重1.45 g/cm3，土壤全氮、全磷、全钾质量比为0.093%，0.07%，1.60%，有机质1.2%，平均pH值7.6。地下水埋深年内变化为0～3 m，灌溉水源为黄河水，平均矿化度为0.6～0.8 g/L。

1.2研究方法

1.2.1试验设计普通地膜采用巴彦淖尔市磴口县华丰商贸有限责任公司生产0.008 mm聚乙烯吹塑农用地膜，生物降解地膜采用山东意可曼科技有限责任公司生产的0.008 mm生物地膜，宽度均为70 cm，玉米品种为较适宜于该地区种植的豫奥6号。

试验设置普通地膜、生物地膜、不覆膜3个处理，每个处理3次重复，随机排列组合，各小区面积为48 m2(6 m×8 m)。平地耙地后机械覆膜播种玉米，垄上种2行玉米，行距45 cm，株距30 cm；按当地常规施肥量，玉米播种时施足底肥450 kg/hm2(磷酸二铵、尿素)，灌第三水时施肥450 kg/hm2(尿素)，灌第四水时施肥300 kg/hm2(尿素)，玉米全生育期灌3次水。

1.2.2测定项目与方法各生育期在玉米行间采用土钻定点取土，烘干称重法测定土壤含水率，每个处理取3个重复，取样深度0—100 cm，每20 cm为一层；采用直角地温计定点读取玉米各生育期内行间地温，于每天8：00—20：00每隔2 h对5—25 cm土层进行定时定点监测，每个处理读取3个重复，各生育期连续读3 d取平均值，时间为5月14—16日、6月13—15日、7月13—15日、8月14—16日、9月12—14日，读取地温和测定土壤含水率时间段一致。玉米成熟期，各处理选取具有代表性的25株测定其生产性状指标和产量。

玉米水分利用效率(WUE)的计算：

WUE=Ys/ETs

(1)

ET=ΔW+P+I+U-D-R

(2)

式中：Ys为玉米籽粒产量(kg/hm2)；ETs为玉米生育期总耗水量(mm)；ΔW为玉米生育期内100 cm深度土体内土壤贮水量变化(mm)；P为玉米生育期有效降雨量(mm)；I为灌溉量(mm)；U为地下水补给量(mm)；D为深层渗漏量(mm)；R为径流量(mm)；由试验区地势平坦且未发生持续性降雨，地面径流损失忽略不计。

1.2.3数据处理采用MS-Excel 2003进行数据处理并绘制图表，SPSS 17.0进行相关数据方差检验。

2　结果与分析

2.1不同覆盖方式对土壤温度的影响

太阳辐射及地表覆盖物是影响土壤表层温度的主导因素，由表1全生育期土壤温度变化规律可知，各覆盖方式下玉米苗期开始随气温升高，太阳辐射增强，土壤温度呈现出上升趋势，而后随时间推移，受气温下降及作物枝叶的遮荫影响，整体呈现出下降趋势；各土层土壤温度由表层至深层(5—25 cm)呈现出递减规律，全生育期普通地膜、生物地膜、不覆膜处理表层较深层土壤温度平均高8.56～16.81℃，8.49～16.82℃，8.27～17.26℃，且在太阳辐射及温度梯度作用下，表层土壤温度变化幅度明显大于深层土壤。

生物地膜随生育期延长易于降解，有研究表明通常其降解诱导期为1～2个月[11]；玉米苗期至拔节期，生物地膜降解程度较小，有极少量裂纹，地膜比较完整；研究发现，此阶段普通地膜和生物地膜覆盖方式下各土层土壤温度无显著性差异(p>0.05)，说明保温效果相近，但两处理各土层土壤温度均显著高于不覆膜处理(p<0.05)，说明此时覆膜可显著提高作物耕层土壤温度，有利于种子萌发及作物生长。玉米生育中后期(7月中下旬)开始，在风力、光照、田间杂草等综合因素的影响下，生物地膜开始变脆、变薄，破损严重，保温效果逐渐低于普通地膜，但此时气温较高，略低的地温不会影响玉米的生长发育，且有利于降低高温对玉米生长的危害；研究发现，玉米抽雄吐丝期，3种覆盖方式下各土层土壤温度差异性显著(p<0.05)，普通地膜、生物地膜5—25 cm土壤平均温度分别较不覆膜处理高8.53%和4.35%；玉米进入灌浆期(8月中下旬)至成熟期，生物地膜已全部破损，此时普通地膜土壤平均温度显著高于生物地膜和不覆膜处理(p<0.05)，但生物地膜与不覆膜处理之间差异性不显著(p>0.05)，这也说明此时生物地膜保温效果丧失。

表1　不同覆盖方式下各生育期不同土层地温平均值

注：小写字母代表相同时期同一土层深度处理间地温的5%显著水平的差异性。

2.2不同覆盖方式对土壤水分的影响

地膜覆盖后，由于“隔膜效应”，阻断了土壤水分垂直蒸发的通径，有效地保蓄了土壤水分。由图1可知，在蒸腾作用、降雨及灌水影响下，生育期内各土层含水率呈现出一定的动态变化，但总体来看，玉米苗期和拔节期在地膜覆盖的保墒作用下，普通地膜和生物地膜0—20，20—40 cm土壤水分差异不显著，但均显著高于不覆膜处理(p<0.05)；抽雄吐丝期，玉米生长旺盛，需水强度大，同时此阶段生物地膜开裂破损，土壤水分耗散较多，此时3种覆盖方式下0—20 cm土壤水分达到显著性水平，且普通地膜及生物地膜显著大于不覆膜处理(p<0.05)，平均含水率较不覆膜处理分别大21.78%和11.88%；而20—40 cm土壤水分普通地膜要显著大于生物地膜和不覆膜处理，而生物地膜与不覆膜处理间差异性未达到显著性水平(p>0.05)，同时也说明此时生物地膜只对表层0—20 cm土壤水分的保蓄有一定作用。玉米生育后期，耗水量减弱，同时此时普通地膜比较完整，而生物地膜已完全破损，基本丧失保水效应，研究发现，此时普通地膜0—20，20—40 cm土壤水分显著大于生物地膜和不覆膜处理(p<0.05)。

2.3不同覆盖方式对玉米产量的影响

通过对3种覆盖方式下的玉米生产性状进行对比分析，由表2可知，不同覆盖方式下玉米各生产性状指标间差异大多达到显著性水平(p<0.05)，穗长、穗粗、穗粒数、百粒重、产量均表现为普通地膜>生物地膜>不覆膜，但秃尖长不覆膜处理要显著高于普通地膜和生物地膜(p<0.05)，产量方面普通地膜和生物地膜相当，较不覆膜分别增产20.41%和19.48%，这主要是由于覆膜更好地改善了土壤水热条件，有利于产量的形成。

2.4不同覆盖方式对玉米水分利用效率的影响

在干旱半干旱地区，供水不足是制约农业发展的关键性因素，因此，在这种现状下农业生产过程中在保证粮食产量的基础上，必须以水分的高效利用为中心。表3为不同覆盖方式下玉米水分利用效率变化。结果表明，不同覆盖处理对玉米水分利用效率的影响依次为普通地膜>生物地膜>不覆膜，且两种覆膜方式下水分利用效率差异不显著，但分别较不覆膜处理高22.56%和22.18%，达到显著性差异(p<0.05)，这主要是因为覆膜较大程度上抑制了玉米棵间蒸发量，使得这部分无效蒸发被作物有效利用，提高了水分利用效率。

图1　不同覆盖方式下各生育期0-40 cm土层水分变化

表2　不同覆盖方式下玉米生产性状对比

注：小写字母代表各指标不同处理间5%显著水平的差异性，下表同。

表3　不同覆盖方式下玉米水分利用效率对比

3　讨论与结论

由于地膜覆盖较好地改善了作物耕层土壤的水热状况，所以在北方干旱半干旱的寒冷地区得到了广泛的应用，而玉米作为典型的喜温性作物，由于覆膜后增温保墒效果显著，河套灌区广泛采用垄上覆膜种植技术，但随之而来的塑料薄膜废弃物造成的“白色污染”问题日趋严重，这直接影响到了土壤中水肥运移，造成作物减产，进而影响到了农业的可持续发展[12]，而近年来环保型可降解地膜的出现给绿色农业的发展带来了生机[13]。本研究在灌区常采用的普通地膜覆盖和不覆膜种植技术基础上，增加了可降解生物地膜，研究了不同覆盖条件下玉米全生育期土壤水热状况变化，同时对比研究分析了玉米生产性状指标。研究发现，在玉米生育前期，可降解生物地膜保温、保墒效果显著，与普通地膜无显著差异，但均显著高于不覆膜处理，这与王鑫等[14]的研究成果基本一致；玉米生育中后期，由于生物地膜出现裂纹和破损降解现象，保温保墒效果逐渐减弱，生育中期3种覆盖方式下各土层土壤平均温度存在显著性差异，而玉米进入灌浆成熟期的生育末期后，生物地膜保温保墒效果几近丧失，土壤水热状况与不覆膜处理无显著性差异，且显著低于普通地膜覆盖(p<0.05)，这与乔海军等[15]的研究成果一致。地膜覆盖可显著提高玉米产量，普通地膜与生物地膜覆盖条件下玉米产量分别较不覆盖处理高20.41%和19.48%，而普通地膜与生物地膜产量相当，无显著性差异(p>0.05)，这与李建奇[16]、李仙岳等[17]的研究结果具有一致性；通过对不同覆盖条件下玉米生产性状指标的研究发现，普通地膜与生物地膜各指标间无显著性差异但与不覆膜处理间存在显著性差异(p<0.05)，这与申丽霞等[11]的研究结果具有一定的一致性。

综上所述，生物地膜与普通地膜相比，在土壤水分的保蓄及保温效应方面效果相当，尤其在玉米生育前期显著优于不覆膜处理，同时在适宜的土壤水热状况下，较不覆膜玉米增产显著，增产效应与普通地膜相当。然而生物地膜具有的降解性可有效减轻地膜的残留污染，因此进一步研究可降解地膜在不同农田生态环境下的降解过程和机理对生物地膜的大面积推广及发展绿色农业具有重要意义。

本研究只针对一种生物降解地膜与普通地膜、不覆膜进行了对比研究，后续研究中应增加不同种类生物地膜，同一材料不同规格、不同厚度地膜进行对比研究，以筛选出更适宜河套灌区农业生产的生物地膜种类和规格。

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Effects of Different Film Mulching Treatments on Soil Moisture， Heat and Spring Maize Yield

HUO Yizhen,GUO Yanfen,HAN Cuilian,LI Shengyong

(Department of Civil Engineering,Hetao University,Bayannur,Inner Mongolia 015000,China)

With the objective to figure out the availability of biodegradable film in agricultural production,three treatments including ordinary film,biodegradable film and non film were used to compare the effects of different film mulching treatments on soil moisture,heat and yield of maize based on field experiment.Results indicated that,during the initial growth stage of maize,the effects of heat and moisture preservation were significant when using the biodegradable film,there was no significant difference in comparison with those of ordinary film mulching(p>0.05),besides,considered parameters of non film were the significantly least (p<0.05).With in the mid-later stage of maize,the effects of heat and moisture preservation were weakened due to the degradation and damage of biodegradable film.Regarding all three mulching methods in the middle growth stage,significant differences were found in the mean soil temperature in all soil layers (p<0.05).At the end growth stage,the effects of heat and moisture preservation of biodegradable film almost lost,no significant variations were found in the soil moisture and heat conditions,when compared to those of non film,corresponding parameters were remarkably lower than those of ordinary film (p<0.05).Considering the yield and production of maize,no significant differences were observed between biodegradable film and ordinary film (p>0.05),however,related parameters of both former methods were considerably higher than those of non film (p<0.05),in this sense,associated mean yields were increased by 19.48% and 20.41%,respectively.The water use efficiencies were rose by 22.18% and 22.56%,respectively.The results are capable of providing theoretical basis for the application of biodegradable film in the agricultural production in Hetao Irrigation District.

biodegradable film; soil temperature; soil moisture; yield of maize; Hetao Irrigation District

2015-09-06

2015-11-15

内蒙古教育厅自然科学资助项目(njzy263);内蒙古自治区高等学校创新团队发展计划(NMGIRT-B1611)

霍轶珍(1966—),女,内蒙古巴彦淖尔人,教授,主要从事节水灌溉技术研究。E-mail:hyz6998@163.com

郭彦芬(1965—),女,内蒙古巴彦淖尔人,副教授,主要从事节水灌溉技术研究。E-mail:gyf36188@163.com

S152.8; S513

A

1005-3409(2016)05-0124-05