不同厚度地膜一膜三年覆盖对土壤水热效应、玉米产量及地膜残留的影响

唐文雪, 马忠明

(1.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所, 兰州 730070; 2.甘肃省农业科学院, 兰州 730070)

地膜覆盖技术对保障我国粮食安全作出了重大贡献，尤其在水资源匮乏的干旱半干旱地区，地膜覆盖具有显著的保温保墒效果，在玉米、油菜、马铃薯等作物中发挥了显著的增产作用[1-3]。但生产中大面积、高强度、长年覆盖地膜使农田土壤中地膜残留问题日益凸现，对农业可持续发展构成严重威胁[4]。我国科研工作者从增加地膜厚度、推广使用可降解膜、应用地膜减量化技术、加强残膜回收等方面进行了残膜污染防控研究[5-8]。

近年来，一膜两年覆盖技术逐渐受到一些学者关注，该技术是旧膜的循环再利用，在减轻水土流失、土壤风蚀方面效果显著，为有效降低地膜使用量、减少地膜污染提供了一种模式，目前已应用于玉米、胡麻、向日葵等作物[9-11]。甘肃地膜重复利用主要集中在玉米生产上，2013年应用面积为31.86万hm2，占地膜覆盖面积的17.95%[12]。判定地膜质量好坏的一个重要指标是地膜厚度。我国一膜多年覆盖技术使用的地膜厚度大多为0.008 mm[13-15]，与一年一覆膜生产使用的地膜厚度一致，远低于日本、美国和其他西方国家地膜厚度标准(0.015～0.020 mm)[6]。旧膜再利用仍然具有一定的增温保墒效果，其稳产、增产、提高水分利用效率、减少地膜投入、节本增效的作用已得到验证[7，16-17]。但目前一膜多年覆盖下地膜残留量、残留系数等方面的研究还鲜见报道。本研究通过大田试验，以厚度为 0.008 mm地膜一膜一年覆盖为对照，研究不同厚度地膜一膜三年覆盖对土壤水热效应、玉米产量、地膜残留量及残留系数的影响，以期为干旱绿洲灌区玉米一膜多年覆盖技术提供适宜厚度地膜，为地膜污染防控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015—2017年在甘肃省农业科学院张掖节水农业试验站( 38°56′ N，100°26′ E, 海拔1 570 m)进行。试验站地处河西走廊中部，属于典型的没有灌溉就没有农业的西北绿洲灌区。该区光热资源丰富，日照时数2 932～3 085 h，≥0 ℃积温为3 388 ℃，≥10 ℃的积温为1 837～2 870 ℃，年平均气温为7.38 ℃，无霜期153 d。平均年降水量129 mm，降水主要集中在7、8、9月，平均年蒸发量2 075 mm，干旱指数达15.96。土壤属石灰性灌漠土，pH 8.4。0～120 cm土层平均土壤容重1.295 g·cm-3,速效氮119.8 mg·kg-1、速效磷24.7 mg·kg-1、速效钾82.0 mg·kg-1、有机质含量0.79%。

1.2 试验材料

供试玉米品种为沈单16，由甘肃省张掖市种子公司提供。地膜为普通聚乙烯地膜,厚度为0.008、0.010、0.012、0.015 mm，由新疆巴州皓天农业科技开发有限公司提供。

1.3 试验设计

采用随机区组设计，3次重复。设5个处理，分别为CK(一膜一年覆盖，地膜厚度0.008 mm)、T1(一膜三年覆盖，地膜厚度0.008 mm)、T2(一膜三年覆盖，地膜厚度0.010 mm)、T3(一膜三年覆盖，地膜厚度0.012 mm)、T4(一膜三年覆盖，地膜厚度0.015 mm)。小区面积为31.2 m2(4.8 m×6.5 m)。

施N 300 kg·hm-2，40%的氮肥及P2O5225 kg·hm-2作基肥。剩余氮肥在玉米大喇叭口及吐丝期随灌水各追施30%。生育期灌水量4 200 m3·hm-2，在拔节期、大喇叭口期、吐丝期和灌浆中期各灌水一次，采用水表计量灌溉，灌水量分别占总量的20%、30%、30%、20%。

玉米采用宽窄行模式种植。带幅120 cm，宽行80 cm，窄行40 cm。第一年玉米播种前一周窄行覆盖幅宽70 cm地膜。播种密度83 300株·hm-2，株距20。氮肥为尿素(46.4% N)，磷肥为过磷酸钙(12% P2O5)。2015年4月16日播种, 10月3日收获；2016年4月18日播种,10月9日收获；2017年4月15日播种,10月6日收获。

1.4 测定项目及方法

1.4.1土壤水分及水分利用效率的测定 采用烘干法测定土壤水分。玉米播前和收获后测定0～120 cm土层水分，每20 cm为1层，每小区分别在宽行和窄行中间各测定1个点，取相同土层2个点平均值为相应土层土壤含水量，并分层计算各土层土壤贮水量[6]。

W=∑wirihi/10

式中,W为0～120 cm土层土壤水分总贮量，mm；wi为各土层土壤质量含水量，%；ri为各土层土壤容重，g·cm-3；hi为分层厚度，20 cm。

采用水分平衡法计算作物田间耗水量，水分平衡方程[18]如下。

ET=P+I+△W

式中，ET为生育期耗水量，mm；P为降雨量，mm；I为灌溉水量，mm；△W为计算时段内土壤贮水变化量，mm。

水分利用效率计算公式如下。

WUE=Y/ET

式中，WUE为水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；Y为经济产量，kg·hm-2,；ET为作物耗水量，mm。

1.4.2土壤温度的测定 采用曲管地温计(型号WQG-16，北京普特仪表成套厂)测定。土壤分3个层次(5、10、15 cm)将地温计埋设。玉米播种至拔节期，每隔2 d在8:00、14:00和18:00测定土壤各土层温度。各层次土壤温度平均值即为0～15 cm土壤温度。

1.4.3地膜残留量及残留系数的测定 地膜投入量的测定：覆膜前将地膜卷先称重，覆完后再称重，二者差值为试验小区地膜投入量[19]。

地膜残留量的测定：第一年覆膜前用蛇形线方法在试验区选择5个采样样方，样方规格为2.0 m2(2.0 m×1.0 m)，采样深度为30 cm，采集土样中残膜，并将收集的残膜样品装袋带回实验室分拣、清洗、凉干称重，并计算残膜背景值[19-20]。2017年玉米收获后，先采用农民传统方法捡拾残留地膜带出试验小区，然后每个小区确定3个采样样方，测定计算地膜残留量[19，21-22]。

地膜残留系数=[(收获后地膜残留总量-覆膜前地膜残留量)/地膜投入量]×100%

1.4.4玉米产量测定方法 玉米成熟后，各试验小区取中间2带果穗自然风干后测产。

1.5 数据分析

采用Excel 2007和SPSS 11.0软件对数据进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜处理对土壤水分的影响

2.1.1不同处理下土壤耗水量变化 图1显示，2015年不同厚度地膜耗水量差异不显著，但具有地膜越厚保水效果越强的趋势。与CK相比，T2、T3、T4处理耗水量分别降低0.44%、1.58%、2.25%。2016年一膜三年覆盖处理耗水量显著高于CK，T4处理耗水量最低，其次为T3，T1处理耗水量最大。2017年各处理耗水量变化趋势与2016年相似。从3年平均值看，T3、T4处理有较好的保墒效果，玉米生育期耗水量为486.52、482.60 mm，分别比CK增加1.96%、1.14%。T1、T2处理由于膜面破损严重，耗水量分别比CK显著增加5.98%、4.65%。保墒效果整体表现为CK>T4>T3>T2>T1。

注：不同小写字母表示同一年份处理间差异在P<0.05水平有统计学意义。Note: Different small letters indicate that the differences among treatments in the same year are statistically significant at P<0.05 level.图1 2015—2017年不同处理下土壤耗水量变化Fig.1 Changes of soil water consumption under different treatments from 2015 to 2017

2.1.2不同处理下土壤水分的垂直变化 图2显示了2015—2017年玉米收获后不同处理0～120 cm土层土壤水分的变化。覆膜第1年，0～20 cm土层各处理间含水量差异较小，T2、T3、T4处理土壤含水量较CK分别提高1.69%、3.91%、7.65%；之后随土层加深，各处理含水量均呈增加趋势，在40～60 cm土层，各处理间含水量差异达到最大，T2、T3、T4处理土壤含水量较CK分别提高0.61%、3.44%、12.65%；在60～120 cm土层，各处理含水量差异呈先减小后增大趋势，在80～100 cm趋于一致。说明不同厚度地膜覆盖对土壤0～60 cm土层水分含量影响比较大，并且地膜越厚，各土层含水量越高。覆膜第2年，在0～20 cm土层，T1、T2、T3、T4处理含水量较CK分别降低20.54%、13.75%、14.96%、8.05%；在20～40 cm土层中，各处理间含水量差异达到最大，一膜三年覆盖处理含水量较CK分别降低24.85%、19.43%、19.04%、13.23%；在40～120 cm土层中，各处理含水量差异呈先减小后增大趋势，在80～100 cm达到最小。覆膜第3年各处理不同土层含水量变化规律与第2年相似。覆膜第2年、第3年各处理0～120 cm土层含水量总体表现为CK含水量最高，其余处理随地膜厚度增加含水量呈增加趋势。说明随覆膜年限增加，一膜多年覆盖处理由于地膜破损度增加，保墒效果变差，并且地膜越薄越易破损，保墒效果越差。

图2 2015—2017年不同处理下土壤水分的垂直变化Fig.2 Vertical changes of soil water content under different treatments from 2015—2017

2.2 不同覆膜处理对土壤温度的影响

土壤温度在玉米前期生长中的作用十分重要。从表1可以看出，覆膜第1年从玉米播种至拔节期，在0～15 cm土层，随地膜厚度增加土壤温度呈先增加后降低趋势，T3处理土壤温度最高，比CK提高0.40 ℃，T4处理比CK提高0.35 ℃，这可能是地膜太厚影响了透光性缘故。覆膜第2年、第3年，由于地膜破损及膜面覆土，一膜三年覆盖处理土壤温度低于一年一覆膜的CK处理，但降幅较小，分别为1.23～1.45 ℃、1.25～1.38 ℃，并且表现出地膜越厚降幅越小的趋势。

表1 不同处理下0～15 cm土层土壤温度Table 1 Soil temperature of 0～15 cm soil layer under different treatments (℃)

2.3 不同覆膜处理对玉米产量及产投比的影响

2.3.1不同覆膜处理对玉米产量的影响 从表2可知,覆膜第1年，各处理产量与CK差异不显著，但随地膜厚度增大，产量呈增加趋势，厚度为0.012 mm时(T3处理)达到最高，比CK提高5.39%。覆膜第2年，一膜三年覆盖处理产量低于CK，并且随地膜厚度增加呈增加趋势。T1处理产量显著低于CK，降低幅度为24.39%。T2、T3、T4处理产量与CK差异不显著，降幅达6.54%～11.84%。2017年各处理玉米产量变化趋势与2016年相似。覆膜第2年、第3年地膜破损及膜面覆土降低了地膜增温保墒效果，影响了玉米生长发育，降低了玉米产量。地膜厚度大于0.010 mm时，一膜三年覆盖仍可保持与新覆膜处理相近的产量。

表2 不同处理下玉米产量Table 2 Yield of maize under different treatments (kg·hm-2)

2.3.2不同覆膜处理对玉米水分利用效率的影响 从表3可知,覆膜第1年，各处理水分利用效率与CK差异不显著，但随地膜厚度增大，水分利用效率呈增加趋势，厚度为0.012 mm时达到最高，比CK提高7.07%。覆膜第2年，一膜三年覆盖处理水分利用效率低于CK，并且随地膜厚度增加呈增加趋势。T1处理水分利用效率显著低于CK，降低幅度为31.83%;T2、T3、T4处理水分利用效率与CK差异不显著，降幅为7.75%～17.61%。2017年各处理玉米水分利用效率变化趋势与2016年相似。覆膜第2年、第3年玉米水分利用效率均不同程度降低，地膜厚度大于0.010 mm时，一膜三年覆盖仍可保持与新覆膜处理相近的水分利用效率。

表3 不同处理下玉米水分利用效率Table 3 Water use efficiency of maize under different treatments (kg·hm-2·mm-1)

2.3.3不同覆膜处理对对玉米产投比的影响

表4所示，虽然一膜三年覆盖方式玉米产值有降低现象，但地膜费用、机械及人工费用的大幅减少，有效降低了投入成本，显著提高了产投比。覆膜第1年，T1、T2、T3处理产投比与CK差异不显著，T4处理由于覆膜费用高，产投比最低；覆膜第2年、第3年，一膜多年覆盖处理无地膜投入,机械及人工投入大幅降低，产投比显著高于CK，并且随地膜厚度增加产出增加，产投比呈增加趋势。从平均值看，一膜三年覆盖处理地膜投入费用减少339.3～545.4元·hm-2,机械人工费减少2 600元·hm-2，投入成本降低了2 939.3～3 145.4元·hm-2，产投比分别显著高于CK13.73%、25.00%、26.47%、25.49%，并且地膜厚度成为影响产投比的重要因素，随地膜厚度增加，产投比呈增加趋势，T3处理产投比最大，之后产投比呈下降趋势。

表4 不同处理下玉米产投比Table 4 Ratio of output to input of maize under different treatments

2.4 不同覆膜处理对地膜残留量及残留系数的影响

地膜残留量和残留系数是衡量土壤污染程度的重要指标。地膜残留量是表示地膜残留多少的绝对指标；而残留系数是相对指标，指当年地膜残留量在地膜投入量中所占的比例。通过对不同覆膜区域、覆膜作物、覆膜年限等地块残留量的抽样调查及地膜残留系数测算，可明确种植业地膜残留特点和规律,摸清地膜污染底数，对残膜污染防控具有重要意义[19]。2017年玉米收获后，地膜残留量及残留系数测定结果见表5。从表5中可以看出一膜三年覆盖处理地膜投入量差异显著，并显著低于CK，仅为CK的34.03%～58.97%。一膜三年覆盖处理年地膜残留量较小，差异互不显著，但显著低于CK，降幅高达55.74%～61.42%；并且地膜越厚，地膜残留量也越小；但厚度超过0.012 mm后，由于地膜单位质量增大，地膜残留量反而增加。从地膜残留系数看，T1、T2处理虽然地膜投入量小，覆膜三年后地膜残留量绝对值也比较小，但地膜残留系数高达35.60%、32.97%，地膜投入量的约1/3残留于土壤中，显著高于CK。T3、T4处理地膜弹性好、拉伸力大，易于回收，残留地膜仅为投入量的为21.99%、19.81%，残留系数显著低于CK。

表5 不同处理下地膜残留量及残留系数Table 5 Residue and residual coefficient of film under different treatments

3 讨论

3.1 不同厚度地膜一膜多年覆盖增温保墒性能

苏永中等[16]研究提出在玉米播种后至拔节期前，免耕旧膜直播处理日平均土壤温度较传统覆新膜处理仅低1.0(5 cm 土层)和0.8 ℃(15 cm 土层)，表明旧膜直播仍具地膜覆盖提高地温的效应；唐文雪等[6]研究提出，厚度为0.006～0.012 mm地膜具有显著的增温保墒效应，地膜越厚，增温效应越强，保墒效果越好；赵财等[17]研究绿洲灌区，提出一膜两年用较传统覆膜处理0～30 cm土层土壤含水率提高7.67%；梁曦等[23]在宁夏南部山区研究提出，采用全膜覆盖一膜两季免耕栽培，可显著地提高土壤蓄水保墒能力，0～20 cm土壤含水量较常规半膜栽培处理增加29.79%。本研究结果表明，一膜多年覆盖具有较好的增温保墒效果，地膜越厚增温保墒效果越好。覆膜第2年、第3年，旧膜处理土壤温度比CK分别降低1.23～1.45 ℃、1.25～1.38 ℃。T3、T4处理有较好的保墒效果，生育期耗水量仅比CK增加1.96%、1.14%。T1、T2处理由于膜面破损严重，耗水量比CK增加5.98%、4.65%。该研究关于一膜多年覆盖增温保温效应、不同厚度地膜增温保墒效应与前人研究结论一致；但覆膜第2年、第3年保墒水平低于一年一覆膜CK的结论，与赵财等[17]、梁曦等[23]的研究结果不一致，这与作物收获后残膜回收、土壤翻耕时间及覆膜比例等有关，还需要进一步研究。

3.2 不同厚度地膜一膜多年覆盖玉米产量及产投比效果

前人研究表明地膜覆盖栽培具有显著的增温保墒效应，促进作物生长发育，进而提高作物产量[24]。史建国等[11]研究提出,覆膜第2年向日葵子粒产量较新膜低2.6%～4.9%，但差异不显著；苏永中等[16]在河西走廊中段砂土和砂壤土上研究提出，玉米产量免耕旧膜直播较覆新膜降低4.4%～10.6%，差异显著。本研究中，一膜三年覆盖玉米产量及水分利用率在地膜厚度0.010 mm以上时与一年一覆膜传统覆膜方式相当，仅比CK降低2.27%～4.09%、2.85%～8.36%；而T1处理产量及水分利用效率显著低于CK，减幅高达13.24%、18.12%。出现这种结果的原因，是因为一膜覆盖多年后，地膜出现不同程度的破损，使其增温、保墒效应降低，影响作物生长发育，造成玉米产量及水分利用效率的降低，并且厚度越小地膜越易破损，增温保墒效果越差，对产量及水分利用效率影响越大。以上研究说明，一膜多年覆盖对产量有一定的负效应，但本研究通过玉米产投比分析，提出一膜三年覆盖方式通过减少地膜投入及机械人工费用，降低了投入成本，显著提高了产投比，产投比增幅高达13.73%～26.47%，并且在地膜厚度为0.010 mm以上时产投比更高，增幅高达25.00%以上。该结果与梁曦等[23]、张雷等[25]、余秀珍等[26]提出的“一膜用两年可有效地降低投入成本，达到节本增效的效果”结论一致。

3.3 不同厚度地膜一膜多年覆盖地膜残留效应

地膜用量、地膜厚度等是影响地膜残留强度的重要因素。如果对残膜未采取有效的回收方式，则地膜投入量越大，使地膜残留量越大[27]。而且较厚的地膜拉伸力强，使用后不易碎裂,回收率比较高[28-29]。马彦等[12]在农田地膜污染调查提出,甘肃地膜重复利用因地膜厚度均小于0.010 mm，使用第2年地膜破损就较严重，很难回收。本研究表明，一膜三年覆盖地膜投入量显著低于CK，降低幅度为41.03%～65.97%，地膜残留量仅为7.71、7.63、6.72、7.43 kg·hm-2·a-1，比CK显著降低55.74%～61.42%。并且随地膜厚度增加，残留量呈降低趋势，但厚度超过0.012 mm，由于地膜质量增大，地膜残留量反而增加。该结论与以上研究结果一致。从地膜残留系数指标看，T1、T2处理地膜残留系数高达35.60%、32.97%，显著高于CK;而T3、T4处理地膜残留系数为21.99%、19.81%，显著低于CK。一膜多年覆盖可有效降低地膜使用量，进而显著降低地膜残留量，但地膜厚度超过0.012 mm时，才能显著降低地膜残留系数。

综合分析，不同厚度地膜一膜三年覆盖对土壤水热效应、产量、水分利用效率及地膜残留量的影响，认为在河西绿洲灌区玉米一膜三年覆盖方式选用厚度为0.012 mm以上地膜，可有效提高水资源利用效率、作物产量，提高玉米经济效益，降低环境污染，促进农业生产的可持续发展。