不同种类地膜覆盖对土壤水温、谷子生长及产量的影响

罗世武，李 凯，来幸樑，程炳文

（宁夏农林科学院固原分院 宁夏旱作农业工程研究中心，宁夏 固原 756000）

在年降雨量约400 mm 的宁夏回族自治区南部干旱半干旱地区，土壤含水量是制约作物生长发育和产量的关键因子，干旱缺水常常导致作物严重减产甚至绝收，而该地区的水分大部分来源于自然降雨，且具有季节分配不均的现象[1‑3]。因此，如何有效利用降水，达到抗旱保墒、长期为作物供水的目的，是旱区实施高效节水现代农业发展技术的重中之重。研究发现，地膜覆盖搭配合理的栽培技术是保障土壤水分含量和作物增产的重要措施，地膜覆盖的保水提墒作用主要体现在：在春季降雨少、刮风多的情况下地膜覆盖能够减少土壤水分蒸发、提高土壤墒情，且还能够促进深层水分有效利用，协调作物用水、供水矛盾，从而达到保墒提墒、增产的目的[4‑6]。另外，地膜覆盖还具有增温作用，不仅保障谷子在苗期免受低温冻害，还能够增加有效积温，将谷子适宜种植区由海拔1 800 m 提升到2 200 m[7]。虽然普通地膜覆盖能够保墒提墒，但在发生降雨时其不通透性阻隔了雨水的下渗，且在高温天气地膜的保温作用使得土表温度增加，温度过高会影响植物根系的生长。姚建民[8]研发的具有渗水、调温、微通气等多种功能的渗水地膜很好地解决了这个问题，渗水地膜能够使降到地膜表面的雨水通过渗水孔下渗，提高土壤含水量，且在气温较高时其微透气性使得地膜表面的温度降低，保护植物根系不受高温伤害。虽然渗水地膜和普通地膜均具有提墒保湿增产的效果，但地膜大量投入使用带来的塑料垃圾污染问题非常严重。因此，生物可降解地膜问世，生物可降解地膜在一定程度上既能实现增产，又能减少污染[9]。

谷子是宁南干旱半干旱地区的重要粮饲兼用及特色杂粮作物[10]，而覆膜种植技术是干旱地区谷子最重要的栽培措施之一，尤其是在2021年异常干旱的年份（固原市气象局2021年气象资料显示，5—8 月降雨量较常年均值减少34.7%），覆膜技术在谷子增产方面的效果越发明显。研究发现，渗水地膜、普通地膜覆盖种植较露地种植能够提高谷子产量及水分利用效率，且渗水地膜覆盖种植的增产效果显著高于普通地膜覆盖种植[11]。白雪等[12]研究发现，覆膜处理在土壤5 cm 深度的增温效果明显，苗期土壤日均温较不覆膜处理提高3.9～5.9 ℃。目前，有关渗水地膜、普通地膜、生物降解地膜对谷子生长发育的影响研究较多[13‑16]，但关于这3种地膜的对比研究较少[16]。闫乃桐等[16]利用知网宏观大数据分析了降解地膜和渗水地膜对作物增产和水分利用效率的影响，但尚未见同等环境和栽培条件下渗水地膜、普通地膜、生物降解地膜3种地膜覆盖对土壤水温、谷子生长及产量的影响研究。为此，在宁夏回族自治区干旱半干旱地区研究渗水地膜、普通地膜、生物降解地膜覆盖和露地4个处理对土壤含水量、水分利用效率、土壤温度和谷子生长发育、产量及经济效益的影响，为宁夏回族自治区干旱半干旱区谷子地膜覆盖栽培技术的推广应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验在宁夏农林科学院固原分院头营科研基地（固原市原州区头营镇徐河村，106°44′E、36°44′N）进行，该地海拔1 586 m，春季干旱少雨多风，冬季寒冷，年均气温7.4 ℃，≥10 ℃积温2 500～2 800 ℃，无霜期130～150 d，年均降水量380～430 mm，干燥度1.70，属北温带半干旱气候区。试验区土壤质地是黄绵土，地势平坦，肥力均匀。

供试谷子品种为河北巡天种业公司生产的张杂谷13号。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设渗水地膜覆盖（T1）、生物降解地膜覆盖（T2）、普通地膜覆盖（T3）和露地（T4，对照）4 个处理，4 次重复，小区面积15 m2（3 m×5 m），共16 个小区。试验用地膜规格见表1，于2021 年4 月28 日采用人工覆膜、膜上点播播种，每膜种植5行，行距35 cm，穴距20 cm，每穴保苗2～3 株，露地播种方式和留苗密度与地膜覆盖处理一致。播前所有处理结合浅翻施有机肥（羊粪）15 000 kg/hm2、谷子专用缓释肥（含N≥29%、P2O5≥17%、K2O≥6%，控释氮≥13%）600 kg/hm2。

表1 不同种类地膜生产厂家及规格Tab.1 Manufacturers and specifications of different kinds of plastic film

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水量、温度和养分状况 土壤含水量采用烘干法，在播前、苗期、抽穗期、成熟期采用三点式取样法测定0～20 cm 耕层土壤含水量，测定收获期贮水量，并计算土壤耗水量及水分利用效率。其中，水分利用效率=籽粒产量/耗水量。

在苗期、拔节期、抽穗期、成熟期，采用TMS-4土壤温湿度记录仪分别于8：00、10：00、12：00、14：00、16：00和18：00测定耕层5 cm处土壤温度。

在播种前和成熟期用土钻取0～20 cm 土层土壤，参考鲍士坦[17]的方法测定土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量。

1.3.2 叶绿素含量及干物质积累量 选取5株长势一致的谷子植株挂牌标记，分别于苗期、拔节期、抽穗期和成熟期采用SPAD-502型便携式叶绿素仪测定叶绿素含量（SPAD值）。

在苗期、拔节期、抽穗期和成熟期，随机选取5株长势一致的谷子，称鲜质量，烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量，称干质量。

1.3.3 农艺性状、产量及经济效益 在成熟期，每小区选取10 株测定株高、穗长、穗颈长、穗码数、主穗粒质量、主穗质量和千粒质量；各处理小区单独收获、脱粒、测产，并计算经济效益。

渗水地膜、普通地膜、生物降解地膜的费用分别为1 080、1 050、3 000 元/hm2，种子费用为1 050元/hm2，机耕费为3 000 元/hm2，地膜处理播种及间苗定苗用工费为3 000 元/hm2，露地处理播种及间苗定苗用工费为2 400 元/hm2，肥料费用为3 300元/hm2，谷子价格为5元/kg，谷草价格为1元/kg。

1.4 数据处理

采用Excel 2010对试验数据进行处理、制图，用DPS 软件进行方差分析，采用Duncan’s 新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同种类地膜覆盖对谷子生育进程的影响

由表2 可知，地膜覆盖处理谷子苗期较露地处理提早5 d，拔节期提早4 d，抽穗期和成熟期均表现为T1 和T3 处理相同、T2 和T4 处理相同，前二者较后二者分别提早3 d 和7 d。T1 和T3 处理谷子生育期相同，均最短，为116 d；T2处理谷子生育期最长，为123 d；T4 处理谷子生育期居中，为118 d；T1、T3处理谷子生育期较T2和T4处理分别提前2 d和7 d。

表2 不同种类地膜覆盖对谷子生育进程的影响 月-日Tab.2 Effect of different kinds of plastic film mulching on growth process of foxtail millet Month‑day

2.2 不同种类地膜覆盖对土壤含水量及水分利用效率的影响

2.2.1 土壤含水量 由图1 可知，播前不同处理土壤含水量无差异；在苗期、抽穗期，地膜覆盖处理土壤含水量均高于露地处理，具体表现为T1>T2>T3>T4，说明这3种地膜均能够达到蓄水保墒的作用；在成熟期，由于生物降解地膜的降解作用使得部分土地裸露，表层土壤水分蒸发，故其土壤含水量低于露地处理。从全生育期土壤含水量平均值来看，T1>T3>T2>T4，T1 处理土壤含水量分别较T2、T3 和T4处理提高了28.82%、21.13%和34.91%，说明渗水地膜的保水、调节水分供给的效果优于生物降解地膜和普通地膜。

图1 不同种类地膜覆盖对土壤含水量的影响Fig.1 Effect of different kinds of plastic film mulching on soil water content

2.2.2 水分利用效率 2021 年试验地的降水量比往年大幅降低，主要集中在8、9月份，生育期总降水量239.90 mm。由表3可知，不同种类地膜覆盖处理谷子耗水量、贮水量以及水分利用效率存在一定的差异。其中，T1处理谷子生育期耗水量最少，收获期贮水量最大，水分利用效率最高，分别为120.68 mm、276.87 mm、28.51 kg/（hm2·mm）；其次为T3 处理，分别为176.09 mm、221.46 mm、19.49 kg/（hm2·mm），两者均高于T4和T2处理。T2处理贮水量和水分利用效率分别为178.23 mm 和14.43 kg/（hm2·mm），贮水量低于T4 处理，但水分利用效率高于T4 处理。水分利用效率具体表现为T1>T3>T2>T4，T1 处理较T2、T3、T4 处理分别提高97.57%、46.28%、105.11%。综上，渗水地膜的蓄水保墒能力最优，水分利用效率最高。

表3 不同种类地膜覆盖对水分利用效率的影响Tab.3 Effect of different kinds of plastic film mulching on water use efficiency

2.3 不同种类地膜覆盖对谷子各生育时期土壤温度日变化的影响

由图2 可以看出，苗期、拔节期、抽穗期T1、T2、T3 处理的土壤日温差高于T4 处理，尤其是在苗期，土壤日温差较T4 处理分别增加2.44、2.25、1.88 ℃。3 种地膜覆盖处理间，苗期总体以T1 处理土壤温度最高，T1 处理的日温差较T2 和T3 处理分别提高18.10%和22.32%，在气温较低的18:00 时，T1 处理土壤温度较T2 和T3 处理分别提高1.50 ℃和0.86 ℃；拔节期，T1 处理的日温差较T3 处理低0.93 ℃，较T2处理高0.56 ℃；抽穗期，T1处理的日温差较T2 和T3 处理分别降低2.19 ℃和4.56 ℃，且在气温最高的12：00—14：00 时间段，T1 处理土壤温度较其他处理降低0.19～3.75 ℃；成熟期，T1 处理土壤日温差较T2 处理增加0.44 ℃，较T3 处理降低0.44 ℃。

图2 不同种类地膜覆盖对谷子各生育时期土壤温度日变化的影响Fig.2 Effect of different kinds of plastic film mulching on diurnal variation of soil temperature at different growth stages of foxtail millet

2.4 不同种类地膜覆盖对土壤养分含量的影响

由表4可知，与播前相比，不同种类地膜覆盖处理成熟期土壤养分含量总体上均有不同程度的降低（T2 和T4 处理全磷含量及T2—T4 处理全钾含量除外）。其中，土壤碱解氮含量降低幅度最大，为48.13%～80.63%；其次是速效钾含量，降低幅度为23.34%～43.03%；速效磷含量降低幅度为7.85%～23.10%；全氮含量降低幅度为1.47%～23.53%；对于全磷含量，T1 和T3 处理消耗较少，T2 和T4 处理试验前后没有变化；对于全钾含量，T1处理消耗较少，T2—T4 处理增加；有机质含量降低了0.21%～2.40%。

表4 不同种类地膜覆盖处理土壤养分含量Tab.4 Soil nutrient contents under different kinds of plastic film mulching treatment

成熟期，与露地处理相比，覆膜处理的土壤有机质、全氮、速效钾含量总体上均增加，全磷和全钾含量总体上均降低。其中，有机质含量增幅为0～25.77%，全氮含量增幅为3.85%～28.85%，速效钾含量增幅为17.65%～34.56%，全磷含量降低幅度为0～9.68%，全钾含量降低幅度为1.04%～16.67%。碱解氮含量表现为T1 和T2 处理较T4 处理提高84.44%和15.56%，T3 处理较T4 处理降低31.11%；速效磷含量表现为T2 处理较T4 处理提高4.46%，T1 和T3处理较T4 处理分别降低8.66%和12.87%。T1 处理有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量均高于T2 和T3处理，全磷和全钾含量则低于T2和T3处理，速效磷含量表现为T1 处理较T2 处理降低12.56%，较T3 处理提高4.83%。

2.5 不同种类地膜覆盖对谷子SPAD值及干物质积累量的影响

2.5.1 SPAD 值 由图3 可知，T1、T2、T3 处理谷子各生育时期的SPAD 值均高于T4处理（拔节期T2处理和成熟期T3 处理除外），苗期较T4 处理分别提高6.45%、7.12%、5.40%，拔节期分别提高8.46%、0、11.48%，抽 穗 期 分 别 提 高13.51%、11.61%、13.03%，成熟期分别提高5.95%、4.32%、0。SPAD值平均值表现为T1>T3>T2，T1 处理SPAD 值较T3、T2处理分别提高2.48%、6.77%。

图3 不同种类地膜覆盖对谷子叶片SPAD值的影响Fig.3 Effect of different kinds of plastic film mulching on SPAD value of foxtail millet leaves

2.5.2 干物质积累量 由图4 可知，与露地处理相比，地膜覆盖处理谷子干物质积累量提高。其中，苗期，T1、T2、T3 处理分别提高186.36%、90.91%、127.27%，拔节期分别提高115.00%、80.00%、83.50%，抽穗期分别提高18.64%、1.05%、7.09%，成熟期分别提高60.04%、31.08%、58.97%。各生育时期均表现为T1>T3>T2，苗期T1 处理谷子干物质积累量较T2、T3 处理分别提高50.00%、26.00%，拔节期分别提高19.44%、17.17%，抽穗期分别提高17.40%、10.78%，成熟期分别提高22.09%、0.67%。

图4 不同种类地膜覆盖对谷子各生育时期干物质积累量的影响Fig.4 Effect of different kinds of plastic film mulching on dry matter accumulation of foxtail millet at different growth stages

2.6 不同种类地膜覆盖对谷子农艺性状、产量及经济效益的影响

2.6.1 农艺性状和产量 由表5 可知，与T4 处理相比，T1、T2、T3处理的株高、穗长、穗颈长、穗码数、主穗粒质量、主穗质量、千粒质量、产量均有不同幅度的增加。其中，株高和穗颈长均达到显著水平，但T1、T2、T3 处理间差异不显著；穗长和穗码数在T1、T2、T3 处理间差异均不显著，T1 和T3 处理与T4 处理间的差异达到显著水平；主穗粒质量达到显著水平，分别提高138.33%、118.59%、84.73%，T1、T2 处理显著高于T3 处理；主穗质量达到显著水平，分别提高107.11%、69.66%、43.50%，T1、T2、T3 处理间差异显著；千粒质量在T1、T2、T3 处理间差异不显著，T3 处理显著高于T4 处理，T1、T2、T3 处理较T4 处理分别提高3.45%、10.34%、13.79%。产量表现为T1>T3>T2>T4，T1和T3处理间差异不显著，但均显著高于T2 处理，T1、T3、T2 处理分别较T4 处理显著提高22.08%、21.77%、12.30%，说明3 种地膜覆盖处理均有显著增产作用，且T1 和T3 处理的增产效果优于T2处理。

2.6.2 经济效益 由表6 可知，T1 处理经济效益最高，纯 收 入 为9 210.6 元/hm2，较T4 处 理 提 高28.69%，产投比为1.81；其次是T3 处理，纯收入为9 187.5 元/hm2，较T4 处理提高28.34%，产投比为1.81；T4 处理纯收入为7 157.4 元/hm2，较T2 处理提高27.19%，产投比为1.73；T2 处理纯收入最低，为5 627.4 元/hm2，产投比最低，为1.42，主要是由生物降解地膜成本较高所致。3 种地膜覆盖处理中T1和T3处理的产投比相当，均较T2处理增加26.97%，经济效益较高。

表6 不同种类地膜覆盖对谷子经济效益的影响 元/hm2Tab.6 Effect of different kinds of plastic film mulching on economic benefit of foxtail millet Yuan/ha

3 结论与讨论

在我国北方旱地农田，约50%的水分通过蒸发损失[18]。在干旱地区进行地膜覆盖可以有效保蓄土壤水分，改善农田生态环境，提高作物产量，在旱地农业生产中具有十分重要的意义。

由于干旱半干旱区谷子出苗、收获极易受低温及早晚霜危害，覆膜技术不仅能节水而且能有效地解决春旱造成的抓苗难和伏旱造成的抽穗难问题[19]，这在本研究中得到证实。本研究发现，在谷子生长前期，与露地处理相比，地膜覆盖处理谷子苗期提早5 d，株高和干物质积累量增加，说明在苗期地膜的保温作用不仅能够保障谷子幼苗免受低温冻害，其地膜的增温作用还会在地膜表面凝聚成小水珠滴入土壤，补充土壤水分，解决苗期春旱缺水抓苗难的问题。此外，渗水地膜覆盖和普通地膜覆盖处理谷子抽穗期和成熟期均提早，生育期缩短，可以避开低温早霜威胁，保证正常成熟。

地膜覆盖种植是农业上常见的一种增温保墒栽培措施，地膜覆盖后会减少耕层表面与大气的水热交换损失，使得膜下耕层温度提高，土壤有效积温增加，土壤墒情得到改善[20‑22]。本研究发现，在谷子生长前期，地膜覆盖处理5 cm 深度土壤日温差高于露地处理，尤其在抗寒能力较弱的苗期，以渗水地膜处理最优；此外，当谷子处于抽穗期，尤其是大气温度较高的12：00—14：00时，渗水地膜处理土壤耕层温度低于其他地膜处理。总体上，地膜覆盖处理均具有增温作用，3 种地膜中渗水地膜提高耕层土壤温度的效果优于生物降解地膜和普通地膜，这与前人[23]研究结果类似。另外，在高温天气时，渗水地膜表面的膜延展度增加，微气孔张开，膜面高温水汽透过气孔向外扩散，其调温作用使得耕层土壤温度低于生物降解地膜和普通地膜。谷子生育后期出现渗水地膜处理5 cm 深土壤温度低于普通地膜的现象，这可能是由于渗水地膜膜面在高温时期的延展性使得其在后期的保温效果降低造成的。

本研究发现，总体上地膜覆盖处理土壤含水量和水分利用效率均高于露地处理，以渗水地膜处理最高，说明渗水地膜的蓄水保墒能力最优，这与王俊鹏等[24]的研究结果基本一致。总体上，地膜覆盖处理土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量较露地处理增加，株高、穗长、穗颈长、穗码数、主穗粒质量、主穗质量、千粒质量和产量提高，总体以渗水地膜处理表现最好，增产效果显著，这与闫乃桐等[16]的研究结果相符。