不同颜色地膜覆盖对玉米土壤水热状况及产量的影响

张 琴

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

由于地膜覆盖具有明显的增温、保墒、控盐、增产、早熟和提高作物水分利用效率等多重优点[1-7]，在河套灌区玉米种植的农业生产中被广泛采用。但是近些年来通过研究和生产实践发现，普通农用白色地膜同样对农业生产产生了一定的负面影响，与当地裸地种植相比玉米出现了不同程度的早衰现象。国内外学者也针对该现象进行了大量的研究，张冬梅等[8]研究发现，由于地膜覆盖显著提高了耕层土壤温度，从而使得玉米生长进程加快，生育期提前，这也使玉米抽雄期前后遭受了严重的干旱胁迫，减产严重。李世清等[9]研究指出，普通农用地膜覆盖一定程度上是以过度消耗土壤养分和有机质的代价来达到作物的高产，从而导致作物生长后期养分供给不足，造成减产。Zaongo等[10]研究认为，地膜覆盖后作物生育前期生长旺盛，使得土壤养分和水分消耗严重，这也使生育后期土壤出现严重的脱肥、脱水现象，造成了作物的早衰和产量的降低。白色地膜覆盖造成的玉米早衰现象已经成为影响干旱半干旱地区玉米高产的主要因素，不少地区针对这一问题采取先覆膜、生育后期揭膜的措施来进行缓解[11]，但由于工作量较大，难以大面积实施和推广。

由于黑色地膜较白色地膜覆盖同样具有增温、保墒等作用，同时其透光率低，在高温季节相对白色地膜具有降低土壤温度的效应，因此在番茄[12]、马铃薯[13]、棉花[14]等作物种植上得到了一定的应用，但是对于玉米种植的应用研究鲜有报道，同时在盐渍化灌区玉米种植的应用更是未见报道。本研究针对灌区白色地膜覆盖造成的玉米早衰现象，拟在灌区常规白色农业地膜覆盖基础上，引入黑色地膜覆盖，并以不覆膜处理为对照展开研究，分析不同覆盖条件下玉米根系区的土壤水热状况及对产量的影响机理，为黑色地膜覆盖在灌区的推广提供理论依据和技术支撑，对灌区玉米产业的发展具有深远意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古河套灌区磴口县补隆淖镇夹道村，该地区多年干旱少雨，年平均降雨量139.8 mm，蒸发量2 374.6 mm；多年平均气温为7.6 ℃，平均日照时数3 183 h，年平均风速2.84 m/s，年平均无霜期在130 d左右。试验区0～20 cm为粉砂壤土，20～100 cm为粉砂质黏壤土，土壤平均容重为1.47 g/cm3；耕作层凋萎系数9.3%，田间持水量21.2%，灌溉水源为黄河水，作物全生育期地下水位平均在1.5～2.5 m。

1.2 试验材料

试验用玉米品种选用当地常规品种西蒙6号，试验所用普通白色、黑色地膜为内蒙古华丰商贸有限责任公司生产，膜宽70 cm。

试验采用小区试验，进行随机区组设计，每个小区面积60 m2(6 m×10 m)，试验设置黑色地膜、白色地膜和不覆膜3个处理，3次重复。机械整地覆膜后，人工点播玉米，各处理每垄种2行玉米，行距50 cm，株距28 cm；按当地玉米种植常规施肥量，玉米播种时施底肥450 kg/hm2(磷酸二铵)，灌第一水时施尿素450 kg/hm2，灌第二水时施尿素300 kg/hm2，玉米全生育期共灌3次水，按当地常规灌溉制度进行灌溉。

1.3 测定项目与方法

准确记录玉米不同生育期所对应的日期，包括苗期、拔节期、抽雄吐丝期、灌浆期和成熟期；每个生育期连续3天采用直角地温计观测各处理0～25 cm土壤温度，于每日8∶00至20∶00每2h观测一次；每隔7 d于玉米行间采用土钻取土，烘干称重法测定土壤含水率，每个处理取3次重复，取样深度0～100 cm，每20 cm为一层；玉米成熟期，各处理选取具有代表性的15株测定其穗长、穗粗、穗粒数、百粒重并计算产量。

1.4 水分利用效率计算

WUE=Ya/ETa

(1)

ETa=ΔW+P+I+G-D

(2)

式中：Ya为玉米产量，kg/hm2；ETa为玉米生育期耗水量，mm；ΔW为玉米生育期内0～100 cm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；G为地下水补给量，mm；D为深层渗漏量，mm。

1.5 水分通量的确定

本研究分别在各处理小区中间埋设80、100 cm两根张力计，选定距地表为100 cm处为作物根系层下边界，采用达西定律计算地下水补给量与渗漏量。

(3)

式中：ψm1和ψm2分别为土壤层深度为80和100 cm处的基质势值，hPa；θ为80和100 cm处的平均体积含水率，%；Z1和Z2为两处的埋深，cm。

1.6 数据处理

利用Mircrosoft-Excel2003进行数据处理并绘制图表，采用数据分析软件SPSS17.0进行试验数据的方差检验。

2 结果与分析

2.1 不同颜色地膜覆盖对土壤温度日变化的影响

图1为不同覆盖方式下表层0～25 cm土壤温度日变化曲线，以拔节期(晴天)为例。由图可知，3种覆膜条件下地温日变化趋势较为一致，受外界环境的影响，整体表现为表层变化幅度较大，而深层变幅较小。表层5 cm处土壤温度自早8∶00开始随气温升高及太阳辐射的增强，至下午14∶00达到全天内的峰值，而表层10、15 cm处地温则具有明显的滞后效应，在16∶00和18∶00出现峰值，之后随时间的推移，在土壤与大气温度差的温度梯度作用下开始进入散热过程。太阳辐射增强后，土壤表层对热量的吸热程度逐渐大于散热，这也使得20～25 cm土壤温度在8∶00至10∶00呈现一定的下降趋势，但之后在温度梯度的作用下逐渐呈现增温趋势，同时由于该土层受外界环境影响较弱，因此整日内变化幅度较小，且没有明显的峰值出现[7]。

图1 土壤温度日变化

2.2 不同颜色地膜覆盖对各生育期土壤温度变化的影响

由上文可知，土壤表层0～15 cm各土层温度变幅较大，而深层相对平缓。图2为不同处理各生育期0～15 cm土壤平均温度变化曲线，由图可知，各处理不同生育期内均呈现开口向下的二次抛物线形变化规律，且极值点均出现在下午14∶00。对比各处理间差异发现，黑色地膜和白色地膜覆膜条件下的平均地温均显著高于不覆膜处理(P<0.05)，各生育期平均高0.94和1.72 ℃；而黑色地膜覆盖条件下0～15 cm土壤平均温度则显著低于白色地膜(P<0.05)，平均低0.77 ℃，且在气温相对较高的12∶00至16∶00之间差异更为明显，各生育期3个时段平均低1.19、1.13和1.07 ℃，最高差值达到了2.13 ℃。由此可见，同不覆膜处理相比，黑色地膜和白色地膜覆盖一样实现了提高作物耕层土壤温度和保温的效果，但黑色地膜较白色地膜有效降低了0～15 cm土壤平均温度，且在一日内气温最高时段更为显著，这也使得玉米免遭高温的危害，有利于玉米的正常生长发育，这一结论与路海东等[15]的研究结果相同。

通过对比玉米不同生育期内各处理土壤温度的差异发现，玉米苗期、拔节期以及成熟收获期各处理土壤温度差异性较大且日变幅更大，而生育中期的抽雄吐丝期和灌浆初期差异相对较小。这主要是由于玉米生育前期植株相对矮小，而成熟收获期叶片逐渐枯黄凋萎，从而使得群体透光度增加，地面直接接收太阳辐射的强度增强，而不同颜色地膜对光照的吸收程度和透光率大小不同，且白色地膜透光能力更强[16]，从而使得此时白色地膜覆盖条件下的土壤温度显著高于黑色地膜。而玉米生育中期的抽雄吐丝期和灌浆初期，由于此时玉米枝叶茂盛，地面的透光度减弱，阻碍了地面直接接受阳光的辐射，从而使得地膜的增温效应减弱，此阶段各处理的土壤温度差异较小[17]。

图2 不同颜色地膜覆盖下玉米各生育期0～15 cm土壤平均温度变化

2.3 不同颜色地膜覆盖对各生育期土壤含水率变化的影响

图3为玉米各生育期不同处理条件下0～100 cm土壤平均含水率变化曲线，全生育期来看，两种覆膜处理条件下土壤含水率无显著性差异(P>0.05)，但均明显高于不覆膜处理，而由于试验区作物全生育期内地下水位下位平均在1 m左右，使得下层土壤含水率受浅层地下水的补给作用，整个生育期内各处理80～100 cm含水率大小处于相近水平。玉米生育前期(苗期)，作物植株较小，耗水强度低，但在蒸发作用下不覆膜处理0～60 cm平均土壤含水率分别较白色地膜和黑色地膜覆盖低10.35%和10.76%，差异性显著(P<0.05)。玉米生育中期(拔节期至灌浆初期)是生长的关键阶段，植株生长旺盛，对于干旱少雨的河套灌区来说，此阶段良好的土壤水分条件更有利于玉米的生长发育和产量的形成，研究发现，此生育阶段黑色地膜和白色地膜覆盖条件下0～100 cm平均相差0.39%～1.01%，差异性不显著(P>0.05)，但均显著高于不覆膜处理，且0～60 cm达到了显著或极显著性差异(P<0.05或P<0.01)，黑色和白色地膜覆盖平均较不覆膜处理高17.95%、13.72%、9.02%和16.47%、14.38%、13.83。玉米生育末期(成熟期)，由于长时间不灌溉，以及在腾发的耗水作用下各土层含水率平均值达到了全生育期的最低水平，但此时同样表现出两种覆膜条件下0～60 cm土壤含水率显著高于不覆膜处理(P<0.05)，平均高7.59%和7.78%，而下层土壤差异性不显著。综上可知，与白色地膜覆盖相比，黑色地膜同样具有较好的土壤保墒效果且差异性不明显。

图3 不同颜色地膜覆盖下玉米各生育期土壤平均含水率变化

2.4 不同颜色地膜覆盖对玉米产量及水分利用效率的影响

由表1不同处理条件下玉米产量指标及水分利用效率可知，两种颜色地膜覆盖条件下玉米穗长、穗粗、穗粒数差异性不显著(P>0.05)，但均显著高于不覆膜处理(P<0.05)；而就玉米百粒重和总产量来说，黑色地膜覆盖要显著高于白色地膜和不覆膜处理(P<0.05)，百粒重平均高6.46%、9.86%，产量平均高5.99%和25.60%，这主要是因为黑色地膜与白色地膜保墒效果相近，但较白色地膜相对降低了玉米耕层土壤温度，从而延缓了玉米根系和植株的衰老，从而使得玉米百粒重和产量提高[10,18]，但这一结论有待于进一步取样验证。不覆膜处理作物总耗水量显著高于黑色地膜和白色地膜覆盖处理(P<0.05)，平均高6.92%和8.17%，而两种覆膜条件下作物耗水量差异不显著(P>0.05)，这也进一步说明两种地膜覆盖下的土壤保墒效果相当，均较不覆膜处理减少了土壤水分的无效蒸发。就作物水分利用效率来看，黑色地膜覆盖分别较白色地膜覆盖和不覆盖高4.76%和34.24%，且与不覆膜处理达到了显著性差异(P<0.05)，但这与路海东等[16]的研究结果略有不同，这主要与当地自然条件不同有关。

表1 不同处理条件下玉米产量指标及水分利用效率

3 讨论与结论

(1)玉米作为典型的喜温性作物，生育前期过高的耕层土壤温度会使得玉米植株生长进程加快，但这样会造成玉米体内营养产生逆差，造成早衰现象的发生[15]，从而影响产量的形成。本研究通过对比研究发现，黑色地膜在各生育期内0～15 cm土壤温度要显著的低于白色地膜覆盖(P<0.05)，平均低0.77 ℃，且在一日内气温最高时段差异更为明显，这也使得玉米免遭高温的危害，有利于其正常生长发育，同时两种覆膜条件下土壤平均温度均显著高于不覆膜处理(P<0.05)，说明黑色地膜在起到保温效果的同时也在高温条件下起到了降温的效果，这一结论与前人研究结果[12,13,15]较为一致。

(2)全生育期来看，黑色地膜0～100 cm土壤含水率与白色地膜覆盖相比无显著性差异(P>0.05)，同样具有较好的土壤保墒效果，但均显著或极显著高于不覆膜处理(P<0.05或P<0.01)，而随生育期的结束，差异性逐渐减小。

(3)通过对玉米产量指标对比发现，两种覆膜条件下玉米穗长、穗粗、穗粒数无明显差异，但均显著高于不覆膜处理(P<0.05)，而黑色地膜覆盖的玉米产量和百粒重均显著高于白色地膜覆盖和不覆膜处理(P<0.05)，这主要是因为黑色地膜较其他处理延缓了根系的衰老，生育期延长，从而使得产量提高[15]，但这一结论有待于进一步取样验证。黑色地膜覆盖作物水分利用效率平均较白色地膜和不覆膜处理高4.76%和34.24%。因此综合考虑，玉米黑色地膜覆盖的农作措施较适宜在灌区推广应用。

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