降解膜覆盖对滴灌玉米土壤水温变化及其生长的影响

孟 玉，王振华，李文昊，宗 睿，王天宇，朱金儒

(1. 石河子大学 水利建筑工程学院，新疆石河子 832000； 2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

玉米是中国主要的粮食、饲料及工业原料作物[1]。新疆玉米生产普遍采用膜下滴灌种植方式，地膜覆盖具有增温保墒、防病抗虫、抑制杂草、促进作物根系发育及改善作物品质等功能[2]。新疆地膜使用量为2.194×105t，覆膜面积为3.795×106hm2，均居全国第一，耕地覆膜率约为60%[3]。但由于缺少科学有效的回收措施，大量残膜碎片残留在农田中。贺怀杰等[4]研究表明,新疆地区残膜以每年16.37kg·hm-2的趋势递增，赵岩等[5]研究表明，新疆平均残膜量已经超过200kg·hm-2。农膜残片对土壤体积质量、土壤孔隙度、土壤透气性、透水性等都有不利影响，且降低作物产量[6]。张建军等[7]研究表明，残留地膜使土壤密度降低2.02%～11.7%，土壤水分下渗速度减缓，土壤水分无效蒸发增加，玉米产量降低4.8%～11.3%。麻世华等[8]研究表明，土壤中残膜含量达58.5kg·hm-2时，玉米减产11.0%～23.0%，小麦减产9.0%～16.0%，大豆减产5.5%～9.0%，蔬菜减产14.6%～59.2%。Wang等[9]研究发现，普通膜覆盖的地块中残留膜的积累量明显强于可降解膜，可降解地膜使用后可以自动降解，避免塑料残膜引起的环境污染问题，成为解决残膜问题的有效途径[10]。在农业生产中，大力发展可降解地膜将成为趋势[11]，目前研究应用的降解膜主要有光降解[12]、生物降解[13-14]、光—生物降解[15]和液态降解地膜[16]。其中完全生物降解膜[17]与氧化生物双降解膜[18]成为替代普通塑料地膜的理想选择。大量学者都对降解地膜做出研究：周昌明等[19]及高旭华等[20]研究表明，降解膜的覆盖改善了作物生长的水肥环境，加速作物吸收氮素，对土壤养分起到良好的促进作用；申丽霞等[21]研究认为,可降解地膜能替代普通地膜应用于农业生产；张杰等[22]研究表明，生物降解膜显著影响土壤保水以及玉米产量。生物降解膜有利于农业生产和环境保护[23]，降解地膜能否彻底代替普通地膜用于生产实践，除降解性能及功能期、膜强度及延展性、生产成本等问题外，核心问题在于降解地膜的保墒增温性能[24]。

目前对降解地膜的研究虽较多，但对不同颜色和诱导期的降解膜在新疆干旱地区应用的研究较少。新疆地处西北地区，日照充分，气候干旱少雨，降解地膜的保墒增温性能受到气候类型及灌溉方式等影响，滴灌条件下土壤干湿交替频繁，蒸发能力强，不同颜色和不同诱导期的降解膜保温保墒效果需进一步明确。本文针对降解膜覆盖对滴灌玉米的土壤水温变化及生长的影响进行系统研究，以期为降解膜在新疆生产实践中的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年4月20日至9月10日在现代节水灌溉兵团重点实验室暨石河子大学节水灌溉试验站进行。试验站位于石河子市西郊石河子大学农试场二连(85°59′47″E，44°19′28″N)，海拔412 m，平均地面坡度为6‰。该地区属典型温带大陆性气候，多年平均降雨量为207 mm，年平均蒸发量为1 660 mm，大于10 ℃积温为 3 463.5 ℃，大于15 ℃积温为2 960 ℃，无霜期170 d。年平均日照时间为2 865 h，年平均风速为1.5 m·s-1。试验田地下水埋深8 m以下，土壤质地为中壤土，0～120 cm平均干体积质量为1.53 g·cm-3。物理黏粒含量(粒径<0.01 mm)大于20%。0～40 cm土层土壤理化性质如表1所示。玉米全生育期(5月2日—9月8日)共127 d，总降雨量为107.4 mm，生育期内日平均温度为 22.93 ℃(图1)。

表1 试验区土壤理化性质

1.2 试验材料

试验以玉米品种‘新玉66’为研究对象，以诱导期为100 d、厚度为0.01 mm的黑色氧化生物双降解膜(M1)，诱导期为80 d、厚度为0.01 mm的白色氧化生物双降解膜(M2)，诱导期为80 d、厚度为0.01 mm的黑色完全生物降解膜(M3)，诱导期为100 d、厚度为0.01 mm的白色完全生物降解膜(M4)及厚度为0.01 mm的普通塑料地膜(PE)作为供试地膜。

1.3 试验设计

试验采用“1膜2管4行”的种植模式，膜宽为1.45 m，毛管间距为90 cm，玉米窄行行距为30 cm，宽行行距为60 cm，株距为20 cm，种植密度82 500株·hm-2(种植模式见图2)。5月2日进行人工点播，9月8日收获，全生育期127 d。试验以普通膜为对照，共5个试验处理，每个处理重复3次，总共15个小区，每小区由单独球阀控制灌水；滴灌带选用的是新疆天业公司生产的单翼迷宫式滴灌带，外径16 mm，壁厚0.3 mm，滴头间距为30 cm。玉米生育期内的施肥量随大田施肥，灌水量参照翟超等[25]试验设计的灌溉量并结合石河子市当地生产实践，灌溉定额为5 625 m3·hm-2，灌溉制度见表2。

表2 玉米生育期灌溉制度表

1.4 测试指标及方法

1.4.1 气象数据 通过自动气象站(TRM-ZS2型)观测降雨、风速和风向、气温、地温、相对空气湿度、太阳辐射、日照时数和水面蒸发等。

1.4.2 地膜降解程度 覆膜后每隔10 d观察记录地膜降解程度。地膜降解分级指标参照杨惠娣等[26]的方法，使用0～5级代表地膜降解程度，0级表示地膜完整未出现裂纹；1级表示开始出现裂纹；2级表示田间25%地膜出现细小裂纹；3级表示出现2～2.5 cm裂纹；4级表示地膜出现均匀网状裂纹；5级则表示地膜裂解为4 cm×4 cm以下碎片，地表无地膜存在。

1.4.3 土壤温度 使用曲管水银温度计测定玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期5、10、15、20及25 cm深度的土壤温度，温度计均置于玉米株间，分别记录8:00—20:00土壤温度，每隔2 h观测1次，自覆膜当日起每7 d测定1次，直至生育期结束。

1.4.4 土壤含水率 试验中土壤含水率主要采用美国CPN公司生产的中子水分测试仪进行监测，烘干法对中子仪进行标定。中子管分别布置在各小区宽行、窄行和膜间裸地，每小区布置 3 组中子管。中子管埋深深度为1 m，每隔7 d测1次，灌溉、降雨前后加测，测定深度为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、60～80 cm、80～100 cm。

1.4.5 生长指标及干物质 玉米典型生育期末，每个小区随机选择具有代表性的植株3株测量玉米株高、茎粗及叶面积。抽雄前玉米株高为地面至最高叶尖的高度，抽雄后玉米株高为地面至雄穗顶端的高度，用卷尺测量；茎粗用电子游标卡尺测量，并采用十字交叉法读数，取平均值；玉米典型生育期末随机选择具有代表性的植株3株，茎、叶、穗分开后称量各部分鲜质量，随后105 ℃杀青30 min，于75 ℃下烘干至恒量，称量植物各器官的干物质量。

1.4.6 考种及测产 每小区连续取样 10 穗测定穗长、穗粗、秃尖长、穗粒数、千粒质量。测产时，每处理去掉边行，收获中间2行，单收、脱粒、单晒，测定地上部分经济产量，然后随机选取晒干后的籽粒测定千粒质量。

1.5 相关指标计算方法

叶面积指数(leaf area index,LAI)计算式为：

LAI=A×ρ/S

式中：A为单株叶面积，cm2；ρ为单位土地面积基本株数，株；S为单位土地面积，cm2。

耗水量(evapotranspiration,ET)计算式为：

ET=P+I+ΔWs-Q

ET为作物全生育期内总耗水量，mm；P为有效降雨量，mm；I为有效灌溉量，mm；ΔWs为土壤贮水量的变化量，mm；Q为地下水的补给量和渗漏量，mm。

水分利用效率(water use efficiency,WUE)计算式为：

WUE=Y/ET

式中：WUE为水分利用效率， kg·(mm-1·hm-2)；Y为产量， kg·hm-2；ET为耗水量，mm。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 18对试验数据进行统计和显著性分析，Microsoft Excel 2019作图。

2 结果与分析

2.1 玉米生育期内不同处理地膜的降解程度

如表3所示，诱导期对降解地膜的降解程度影响显著，降解膜颜色与材料对降解程度影响不显著。PE地膜从覆膜至覆膜后130 d始终未出现裂纹；M1在覆膜100 d开始出现裂纹，M4在覆膜90 d开始出现裂纹，诱导期为第100天的2种降解地膜(M1和M4)均在覆膜后第110天田面25%地膜出现细小裂纹，第130天出现2～2.5 cm裂纹；M2与M3(诱导期均为80 d)降解地膜均在覆膜第80天开始出现裂纹，第100天田面25%地膜出现细小裂纹，第120天出现2～2.5 cm裂纹。降解膜的实际降解时间与设计诱导期基本一致。

表3 玉米生育期内不同地膜降解程度

2.2 不同降解膜覆盖对滴灌玉米不同土层土壤含水率的影响

如图3所示，图3-A为0～20 cm土壤含水率，苗期至抽雄期4种降解膜与PE膜覆盖的土壤含水率差异不显著(P>0.05)，灌浆期至成熟期降解膜覆盖土壤水分含量均小于PE膜覆盖，在玉米成熟期，相较于PE地膜覆盖，M1、M2、M3和M4处理地膜覆盖下土壤含水率分别降低 0.83%、2.04%、1.50%和1.04%。图3-B为 20～40 cm土壤含水率，4种降解膜处理与PE膜处理的土壤含水率均呈先增后减趋势，在抽雄期达到最大值；苗期至抽雄期4种降解膜处理与PE膜处理的土壤含水率无显著差异(P>0.05)，灌浆期以后，由于降解膜开始降解，水分无效蒸发增多，降解膜覆盖的土壤含水率不同程度降低，含水率平均值表现为：PE>M1>M4>M3>M2，其中M2和M3(诱导期为80 d)处理与PE处理的平均土壤含水率差异显著，分别降低2.76%和2.89%(P<0.05)；M1和M4(诱导期为100 d)处理保水效果较好，与PE膜无显著差异。可见，降解膜的诱导期长短、裂解程度是该土层土壤含水率产生差异的主要影响因素。图3-C为40～60 cm土层含水率，在玉米播种至抽雄期，PE膜覆盖的土壤含水率较小，自灌浆期至成熟期，4种降解地膜覆盖的土壤含水率低于PE膜覆盖处理，但差异未达显著水平(P>0.05)。图3-D为60～100 cm土层含水率，由于膜下滴灌条件下土壤水分运移多发生在60 cm土层以上，并且单次灌溉量小，灌溉对该土层影响较小，4种降解膜覆盖与普通膜覆盖下的土壤含水率无显著差异(P>0.05)。

2.3 不同降解膜覆盖对滴灌玉米各生育期5～25 cm土层土壤温度变化的影响

图4为不同处理滴灌玉米各生育期的土壤温度。苗期玉米叶面积指数较小，不同降解膜覆盖成为影响地温的主要因素，由于不同颜色降解膜允许光穿透能力不同，此阶段2种黑色降解膜M1和M3处理的平均土壤温度较PE处理低 0.13 ℃和0.68 ℃(P>0.05)，2种白色降解膜M2和M4处理较PE处理高0.53 ℃和0.55 ℃(P>0.05)。拔节期至抽雄后期，此阶段4种降解膜尚未开始降解，随着玉米生长发育及叶面积增加，良好的冠层结构阻隔了太阳光对地膜的直射，土壤温度不同程度降低，黑色降解膜M1表现出良好的保温作用，各土层平均温度较PE处理高1.51 ℃(P<0.05)。灌浆期至成熟期，玉米叶片逐渐凋落，叶面积指数减小，同时，4种降解膜均出现不同程度的裂解，降解膜的保温作用逐渐衰弱，此阶段中，M1处理土壤温度最高，各土层土壤平均温度较PE膜处理高0.63 ℃ (P>0.05)，M2、M3和M4处理分别较PE处理低 0.09 ℃、0.05 ℃和0.21 ℃(P>0.05)。可见，诱导期较长的黑色地膜M1整体保温效果 较好。

滴灌玉米苗期灌水量少且作物叶面积指数较小，地温主要受太阳辐射及大气温度等因素影响。由图5可知，土壤温度随土壤深度的增加而减小，不同处理间土壤温度差异也在减小。滴灌玉米苗期5～25 cm土层深度的土壤温度日变化趋势一致，均呈现低—高—低变化趋势，从8:00开始，气温逐渐升高，地温随之升高，到16:00时，地温达到最大值，随后逐渐下降。土壤温度日变化受地膜颜色和组成材料共同影响。14:00之前，2种白色地膜M1和M4处理土壤温度较高，16:00时，5、10和25 cm土层最高土壤温度出现在PE膜覆盖处理，15和20 cm土层最高土壤温度出现在M1降解膜覆盖处理。18:00之后，2种氧化生物双降解膜M1和M2处理土壤保温效果较好，相较于PE地膜覆盖，18:00时M1和M2处理使土壤温度平均增加0.65 ℃和0.62 ℃。

2.4 不同降解膜覆盖对滴灌玉米生长指标的影响

图6为降解膜覆盖下滴灌玉米株高、茎粗、叶面积指数及地上干物质积累的变化情况。由图 6-A、6-B可知，苗期至抽雄期4种降解膜覆盖与PE膜覆盖的株高、茎粗差异不显著；灌浆期至成熟期，降解膜开始出现裂纹，保水能力逐渐下降，成熟期M1、M2、M3和M4处理的株高分别较PE处理低3.09%、2.23%、 2.50%和1.44% (P<0.05)。由图 6-C可知，4种降解膜与普通膜覆盖下的玉米叶面积指数均呈现先增大后减小的变化趋势，各处理间差异不具有统计意义。由图 6-D可知，干物质积累量随着生育进程的推进而不断增加，出苗～拔节期干物质积累缓慢，拔节期～灌浆期迅速增长，到成熟期干物质积累量达到最大。生育前期各处理间玉米干物质积累量无显著差异(P>0.05)，成熟期降解膜M2、M3和M4处理分别比PE膜处理低 6.67%、2.72%和2.29%(P<0.05)，降解膜M1处理干物质积累量低于PE膜处理0.87%，但差异未达显著水平 (P>0.05)。

2.5 不同降解膜覆盖对滴灌玉米产量、产量构成要素及水分利用效率的影响

降解膜与PE膜覆盖的滴灌玉米产量及组分见表4。从表4可知，穗长表现为：M1>M2>PE> M4>M3，各处理间差异未达显著水平；M1处理下玉米穗粗较PE膜处理提高5.68% (P<0.05)；M1和M2处理玉米穗粒数与PE无显著差异 (P>0.05)，M3和M4处理玉米穗粒数显著降低15.52%和9.40%(P<0.05)；对照于PE处理，M1处理玉米千粒质量降低1.02% (P>0.05)，M2、M3和M4处理的玉米千粒质量显著降低 6.62%、3.96%和4.81%(P<0.05)。玉米产量表现为：PE>M1>M4>>M3>M2，PE处理下的滴灌玉米产量最高，降解膜M1覆盖产量降低0.43%(P>0.05)，M2、M3和M4处理较PE膜处理分别减产19.18%、5.74%、5.4%(P<0.05)。

表4 不同地膜覆盖下玉米产量及产量构成要素

由表4可知，不同处理对水分利用效率的影响表现为：PE>M1>M4>M3>M2，M1处理下水分利用效率比PE膜覆盖下的水分利用效率低1.09%，差异未达显著水平(P>0.05)，M2、M3和M4处理较PE膜处理水分利用效率分别显著降低17.06%、5.42%和4.62%(P<0.05)。

3 讨 论

覆盖地膜能改善耕作层土壤的水热状况，降解膜由于自身降解作用，其保温保墒效果在作物生长发育的不同阶段有所差异。申丽霞等[21]研究表明，可降解膜覆盖能提高玉米生育前期0～40 cm的土壤水分；赵爱琴等[27]研究表明，降解膜覆盖可提高玉米苗期至拔节期土壤贮水量；王鑫等[28]研究表明，降解膜在玉米生长前期具有明显保水效果；本文研究结果与前人类似，在玉米苗期至抽雄期，降解膜覆盖下的土壤含水率较PE膜无显著差异(P>0.05)，可见，玉米生育前期，与PE膜保持一致完整性的降解膜具有良好的保水作用。灌浆期是玉米需水关键期，若此时土壤水分不足，会阻碍根系吸收，易导致叶片萎蔫，灌浆的物质来源减少，籽粒库容缩小，秕粒增多，千粒质量下降，最终导致玉米减产。本研究中该生育期降解膜出现一定程度的裂解，对土壤的保墒作用减弱，降解膜M2、M3处理下土壤平均含水率均低于PE膜覆盖，与丁宗江等[18]研究发现降解膜在玉米生育后期随着膜的不断裂解保墒作用越来越弱相吻合。随着玉米生育后期降解膜的裂解，保水性能下降，地表蒸发变大，作物需水关键期土壤水分减少，是导致本研究中降解膜M2、M3比PE膜分别减产19.18%、5.74%的原因之一。

王雯等[29]研究表明，作物生育后期，降解地膜保温能力明显下降，本研究出现类似结果，除诱导期为100 d的黑色降解膜M1外，其余降解膜在玉米灌浆期和成熟期保温效果均减弱，作物干物质积累出现下降趋势，这可能是因为M1诱导期较长，降解速率比其他降解膜慢，能满足玉米生育期内的生长需求；王斌等[30]研究表明，降解地膜降解处于诱导期之前，玉米降解地膜膜下5 cm和10 cm的土壤温湿度均高于PE地膜，但两种地膜的土壤温度差异均不显著，本研究中降解膜M1在5、15、20 cm土层保温效果较好，与刘蕊等[31]研究结果相似。本研究还发现：黑色降解膜具有良好的保温效果，能形成较高的土壤温度，从而有利于作物生长和产量提高[32]，一是因为黑膜透射系数低，增加净辐射；二是因为黑膜减缓了覆膜地面温度的下降速度，抑制土壤水分蒸发和阻碍近地面气层的热量交换，使能量不易散失，能保证适宜的土壤温度，从而使作物根系活性增加、肥料利用效率提高，提高土壤酶活性，进而有利于玉米生长并提高产量。灌浆期后，降解膜M2、M3由于诱导期设计开始裂解，保温效果减弱，并且此时作物冠层逐渐增大，拦截了大部分太阳辐射，并在地面产生阴影，进而削弱了阳光的直接照射，减缓土壤温度的升高[33]。至灌浆后期，玉米叶片逐渐凋落，叶面积指数逐渐减小，冠层覆盖度下降，降解膜保温效应降低至消失，是降解膜M2、M3处理比PE膜处理分别减产19.18%、5.74% (P<0.05)的原因之一。

本研究中的试验地降雨量小，蒸发能力强，空气相对湿度小，试验播种期间气温低，回温慢，作物前期生长缓慢。玉米的株高、茎粗、叶面积指数及地上干物质的积累是衡量玉米植株生长发育及产量的重要指标。本研究中诱导期较长的降解膜M1覆盖下的玉米产量最高[34]。降解速率快[35]的降解膜M2在拔节期和抽雄期保水性能良好，但从抽雄期后地膜开始裂解，地表蒸发变大，地膜保水性变差，在需水关键期作物吸收水分较少，是导致M2产量比PE膜低19.18%(P<0.05)的主要原因，诱导期为100 d的M4覆膜后第90天出现裂纹，这可能是由于太阳辐射和机械外力造成地膜提前降解，此时玉米处于灌浆期，地膜裂解使土壤水分蒸发，作物吸水不足导致M4处理减产。而诱导期为100 d的M1裂解出现在覆膜100 d以后，作物基本进入蜡熟期，并且黑色降解膜M1能形成较高的土壤温度，提高玉米产量，其产量虽比PE膜有减少但无显著差异。

4 结 论

与普通地膜覆盖相比，可降解膜覆盖在玉米苗期至抽雄期保持完整，降解膜的实际降解时间与设计诱导期基本一致。

可降解膜与普通膜在苗期至抽雄期保水效果相近，灌浆期后，诱导期为80 d的降解膜处理的20～40 cm土层土壤含水率较普通膜处理显著下降，诱导期为100 d的降解膜保水效果较好。从全生育期来看，诱导期为100 d的黑色降解膜保温效果较好。

与普通地膜覆盖相比，降解膜覆盖下玉米株高、茎粗、叶面积指数及干物质积累量在苗期至抽雄期差异不显著(P>0.05)，成熟期均不同程度降低。不同降解地膜覆盖均降低玉米产量和水分利用效率，其中诱导期为100 d的黑色降解膜覆盖下玉米产量和水分利用效率与普通地膜覆盖处理无显著差异(P>0.05)。

诱导期为100 d的黑色氧化生物双降解地膜(M1)应用效果较好，可考虑在新疆干旱区生产实践中推广使用。