加气滴灌和可降解膜覆盖对玉米生长发育及水分利用的影响*

吴 梅, 张金珠, 王振华, 朱 艳, 宋利兵, 宗 睿, 韩 悦

(石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室/农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室 石河子 832000)

地膜覆盖具有增温、保墒、除草、抑制棵间蒸发、提高作物产量等功能。随着覆膜技术的大面积应用, 大量残膜累积在农田土壤中。残膜碎片降低了土壤渗透性和土壤孔隙度, 抑制作物根系发育及作物对水分的吸收, 降低作物产量。针对残膜污染问题, 许多国内外学者提出了推广可降解地膜的建议, 并论证了可降解农用地膜是普通塑料农用地膜的理想替代品。研究表明可降解地膜可最大限度地减少残膜堆积、避免白色污染, 有效促进可持续农业发展。如尹光华等研究表明, 生物降解膜覆盖较不覆膜处理可以提高花生(Arachis hypogaea L.)饱果成熟期叶片的净光合速率及蒸腾速率, 有利于花生产量的提高。向午燕等研究表明,降解地膜较普通地膜可实现自身降解, 应用于玉米(Zea mays L.)覆盖栽培具有可行性。然而, 有相关研究显示使用降解地膜覆盖后作物产量低于普通塑料地膜覆盖。如申丽霞等研究发现, 与露地对照相比, 可降解地膜覆盖在玉米生育前中期具有较好的土壤保温保墒作用, 能明显促进玉米地上部干物质的积累, 到玉米生育中后期其作用较普通塑料地膜有所减弱。邬强等研究发现, 可降解膜覆盖相对于普通塑料地膜覆盖会造成棉花(Gossypium spp.)产量下降。因此, 如何减少由于降解地膜覆盖造成的产量降低, 提高水分生产力是目前研究热点。

加气灌溉有效改善作物根际土壤的气体条件,对作物根系周围的水、肥、气、热等环境因素均起到了一定的影响, 可缓解地膜覆盖造成的根区缺氧问题, 促进作物根系的生长, 提高作物产量和品质。王振华等研究发现加气灌溉显著提高加工番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)株高和茎粗, 产量显著增加 2.32%～10.02%, 灌溉水分利用效率和氮肥偏生产力分别显著提高 6.12%和6.19%。Lei等使用文丘里空气射流器及流体射流器曝气, 在一定程度上提高了水中溶解氧的浓度及持续时间, 对玉米的株高及产量有显著的改善作用。朱艳等研究表明加气灌溉下番茄单株产量和水分利用效率分别显著提高29.04%和28.11%, 且产量的提高伴随着植株茎粗和叶面积的显著增大。李元等的研究也表明, 对番茄根区土壤加气可显著提高叶片叶绿素含量和气孔导度, 增强光合作用, 增加干物质积累及产量。加气灌溉可提高土壤中氧气含量, 改善土壤中的水气比例, 有效提高根系活力, 促进作物生长。探究加气灌溉能否减少降解地膜覆盖造成的产量损失及水分利用效率的下降, 对滴灌技术的可持续应用以及降解地膜的进一步推广具有一定研究价值。

然而, 关于加气灌溉在可降解膜覆盖条件下的研究较少; 对加气灌溉的研究大多采用盆栽、温室小区等, 室外大田试验开展研究较少, 研究对象多以番茄、马铃薯(Solanum tuberosum L.)或蔬菜等作物为主, 而对粮食作物的研究鲜见报道。本研究量化加气灌溉对不同降解地膜覆盖下玉米光合特性和地上生物量的影响, 揭示加气灌溉对降解地膜覆盖下玉米产量降低的补偿机制, 对新疆干旱绿洲区玉米生产与膜下滴灌的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年4—9月在新疆石河子大学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。试验站位于新疆生产建设兵团农八师石河子市西郊石河子大学农试场二连(44°18′28″N,86°03′47″E), 海拔450 m。该地区属典型温带大陆性气候,年平均降水量和蒸发量分别为207 mm和1660 mm, 无霜期170 d,年平均日照时间为2865 h。通过距离研究地点100 m的自动气象站获取降雨、气温数据, 2021年玉米生育期平均气温及降雨量如图1所示。土壤质地为壤土, 0～100 cm土壤平均容重为1.62 g∙cm, 田间持水率(质量含水率)为18.10%。试验田播前耕层土壤有机质为14.12 g∙kg, 有效磷27.89 mg∙kg, 速效钾313.45 mg∙kg。试验田地下水埋深8 m以下。

图1 2021年玉米生育期逐日气温及降雨量Fig.1 Daily temperature and rainfall during maize growth period in 2021

1.2 试验设计

以玉米中晚熟品种‘新玉66’为研究对象。试验设计为2种灌水方式和3种地膜类型完全随机组合设计。其中, 2种灌水方式分别为加气滴灌(A, 掺气比例15%)、不加气滴灌(C, 掺气比例0%); 3种地膜类型分别为M1 (诱导期60 d白色氧化生物双降解膜)、M2 (诱导期100 d白色氧化生物双降解膜)和PE (聚乙烯普通塑料地膜)。试验共6个处理, 分别为AM1、AM2、APE、CM1、CM2和CPE, 每个处理3次重复, 试验共18个小区, 小区面积为18 m(3 m×6 m)。玉米于4月22日播种, 8月26日成熟期收获, 全生育期125 d。种植方式为1膜2管4行, 膜宽1.45 m, 滴灌管埋深5 cm, 玉米窄行行距30 cm, 宽行行距为60 cm, 滴灌管间距90 cm, 株距22 cm, 种植密度为82 000株·hm; 播种深度为3～4 cm, 各处理先覆膜后人工点播(图2)。参考当地生产实践及玉米耗水规律, 确定玉米生育期灌溉制度(表1)。施肥量为尿素280 kg∙hm(含N 46%), 磷酸一铵100 kg∙hm(61% PO)和硫酸钾60 kg∙hm(52% KO)通过施肥罐随水施肥。所有试验小区除草、灌溉、施肥及打药等田间管理措施均一致。

表1 玉米生育期灌溉制度Table 1 Irrigation schedule during the whole maize growth period

图2 玉米种植模式及土壤水分、温度及呼吸测定点分布图Fig.2 Maize planting pattern and distribution of soil moisture, temperature and respiration measurement points

降解地膜选用氧化-生物双降解膜(山东天状环保有限公司生产), 主要为纤维素、淀粉等天然材料,具有氧化降解和生物降解的优点。普通塑料地膜(新疆天业公司生产)原料为聚乙烯类物质, 其稳定性极高, 不易降解。滴灌管选用低密度聚乙烯管(新疆昌吉市通四方塑料厂生产), 外径16 mm, 滴头设计流量3.2 L∙h。滴灌加气设备主要由蓄水池、水泵、文丘里管、压力表、回流管、施肥罐、旋翼式水表及输水管道系统组成。采用深层地下水进行灌溉,灌溉水矿化度约1.32 g∙L。加气滴灌试验处理利用文丘里空气射流器(Mazzei air injector 1078, 美 国Mazzei Corp公司)进行加气, 将文丘里空气射流器置于滴灌系统首部, 使用回流管将灌溉水往复通过文丘里射流器进行循环曝气。每次灌溉前曝气20 min,然后再进行灌溉, 通过调节回流管阀门保证灌水压力为0.1 MPa, 掺气比约15%, 相应溶解氧值约为15 mg∙L。

1.3 项目测定与方法

1.3.1 地膜降解程度

自覆膜后每隔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级表示地膜裂解为4 cm×4 cm以下碎片, 地表无大块地膜存在。

1.3.2 株高、茎粗及叶面积

在各小区选取生长状况均匀良好、代表性较强的3株玉米植株标记。在玉米苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期末测定株高、茎粗和所有完全展开叶片的长和宽。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。采用长宽系数法计算玉米叶面积, 经验系数取 0.75, 叶面积指数(LAI)的计算见公式(1)。

式中: LAI为叶面积指数; S为单株玉米总叶面积,m∙株; D为种植密度, 株∙hm。

1.3.3 光合指标及干物质积累

1)光合特性。于玉米拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期典型晴天, 选取各小区生育进程一致、长势均匀的3株植株, 于上午11:00—13:00 (北京时间)通过Li-6800 (Li-Cor, USA)便携式光合仪测定玉米穗位叶的净光合速率(P, μmol∙m∙s)、蒸 腾 速率(T, mmol∙m∙s)、气孔导度(G, mmol∙m∙s)。测定时采用开放气路, CO气体采自相对稳定的2～3 m的空中, 流速设500 μmol∙s。

2)干物质积累量。于玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期在每个小区选生长状况良好、具有代表性的3株玉米, 将茎、叶、穗分开后放入烘箱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。

1.3.4 耗水量及水分利用效率

1)土壤含水率。于玉米播种前、苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期和收获期通过土钻采集滴灌带下、宽行间和膜间0～100 cm土壤样品, 以10 cm为间隔, 每个小区取3次重复, 烘干法计算土壤含水率。

2)土壤贮水量采用公式(2)计算:

式中: W为土壤贮水量, mm; ρ为实测土壤容重,g∙cm; H为土层厚度, cm; ω为 土壤质量含水率,g∙g。

3)土壤耗水量。不同处理下玉米生育期耗水量采用水量平衡法计算。

式中: ET为耗水量, mm; P为有效降水量, mm; I为灌水量, mm; R为地表径流量, mm; D为深层渗漏量,mm; W和W分别为收获时和播种时的土壤贮水量,mm。试验区地势平坦, 降雨较少, 且蒸发强烈, R和D可忽略不计; 根据观测田间地下水埋深在8 m以下, 地下水深层补给忽略不计 。

4)水分利用效率采用公式(4)计算:

式中: WUE为水分利用效率, kg∙m; Y为玉米产量,kg∙hm; ET为玉米生育期实际耗水量, mm。

1.3.5 产量

各处理成熟后收获。收获前调查每小区的有效穗数。每个小区除边行外取连续10穗, 自然风干后室内考种, 测量玉米穗长、穗粗、秃尖长、行粒数,脱粒后称穗粒重和千粒重, 玉米产量按14%折算含水率。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2021对数据进行整理, 使用SPSS 26.0软件进行数据统计分析, LSD法进行显著性检验, 显著性水平为P＜0.05, 采用Origin 2021软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理下滴灌玉米地膜降解程度

不同灌水方式和降解膜处理玉米生育期内地膜的降解程度分级情况如表2。诱导期对降解地膜的降解程度影响显著, 灌水方式对降解膜降解程度影响不显著。M1处理在覆膜50 d呈现初始裂纹, 70 d时田间25%的地膜呈现细微裂纹, 110 d时地膜出现2～2.5 cm裂纹, 玉米收获之后, 覆膜150 d时地膜出现均匀网状裂纹, 但是地膜未完全消失, 仍有大块地膜残留。M2处理在覆膜70 d呈现初始裂纹, 110 d时田间25%的地膜呈现细微裂纹, 130 d时地膜出现2～2.5 cm裂纹。PE处理在110 d后地膜开始呈现细微裂纹。

表2 玉米生育期内不同灌水方式下不同地膜的降解程度Table 2 Degradation degrees of different films under different irrigation methods in maize growth period

2.2 加气滴灌和降解膜覆盖对玉米生长的影响

2.2.1 株高、茎粗

加气滴灌和降解膜覆盖对玉米株高、茎粗的影响如图3所示。苗期, 不同处理对滴灌玉米株高和茎粗影响不显著。拔节期, M1处理株高和茎粗较PE处理显著平均降低6.97%和23.76% (P＜0.05), M2处理和PE处理株高和茎粗无显著差异; 较不加气滴灌处理, 加气滴灌下玉米株高和茎粗分别显著提高4.38%～10.30%和4.67%～13.14% (P＜0.05)。抽雄期,M1处理株高和茎粗较PE处理显著平均降低6.97%和23.76% (P＜0.05), M2处理较PE处理株高和茎粗降低2.64%和5.34%, 但差异不显著; 加气滴灌处理较不加气滴灌处理株高和茎粗显著提高1.51%～4.88%和3.63%～6.22% (P＜0.05)。灌浆期至成熟期,加气滴灌及不同类型降解膜覆盖对滴灌玉米株高和茎粗的影响均达显著水平(P＜0.05)。以成熟期为例,M1和M2处理较PE处理玉米株高平均降低6.08%和2.26%, 茎粗平均降低21.76%和4.32%; 与不加气滴灌处理相比, 加气滴灌处理使玉米株高显著增加2.13%～2.92% (P＜0.05), 茎粗显著增加2.86%～5.21%(P＜0.05), 其中, AM2与CPE处理株高、茎粗无显著差异。

图3 加气滴灌和可降解膜覆盖对玉米株高、茎粗的影响Fig.3 Effects of aerated drip irrigation and biodegradable film mulching on plant height and stem diameter of maize

2.2.2 叶面积指数

不同处理对玉米叶面积指数的影响如图4所示。全生育期各处理玉米叶面积指数总体变化趋势相同,苗期至拔节期开始快速增长, 至抽雄期达最大, 除苗期外处理间大小关系表现为APE＞CPE＞AM2＞CM2＞AM1＞CM1。降解地膜覆盖下玉米叶面积指数低于普通地膜覆盖处理(苗期除外)。抽雄期M1处理玉米叶面积指数较PE处理显著平均降低18.45% (P＜0.05), M2处理较PE处理平均降低5.21%, 但差异不显著。加气滴灌提高了玉米叶面积指数, 与不加气滴灌处理相比, 加气滴灌处理使玉米叶面积指数显著增加4.27%～7.20% (P＜0.05)。

图4 加气滴灌和可降解膜覆盖对玉米叶面积指数的影响Fig.4 Effects of aerated drip irrigation and biodegradable film mulching on the leaf area index of maize

2.3 不同处理对玉米光合特性及干物质积累量的影响

2.3.1 净光合速率、蒸腾速率和气孔导度

不同处理对玉米光合特性的影响如图5所示。玉米净光合速率(P)、蒸腾速率(T)、气孔导度(G)自拔节期至成熟期呈先升高后降低的趋势, 在抽雄期达最大值。与PE膜相比, 可降解膜显著降低玉米P、T和G(P＜0.05)。与PE处理相比, M1和M2处理使拔节期P、T和G降低3.91%～13.89%、2.28%～24.50%和7.12%～25.90%, 抽雄期降低9.15%～17.52%、10.10%～19.60%和11.79%～19.11%, 灌浆期降低6.73%～15.36%、2.41%～19.82%和1.33%～13.34%, 成熟期降低4.82%～18.06%、8.80%～30.10%和4.80%～19.6%。不同地膜覆盖下加气滴灌均能显著促进玉米光合作用, 加气滴灌使P、T和G拔节期分别平均增加5.89%、13.87%和12.83%, 抽雄期分别平均增加6.92%、8.89%和9.47%, 灌浆期分别平均增加10.40%、12.86%和25.99%, 成熟期分别平均增加6.19%、9.47%和10.39%。由表3方差分析, 不同地膜覆盖和灌水方式均对滴灌玉米灌浆期的P和G存在极显著影响(P＜0.01), 对T存在显著影响(P＜0.05),二者交互作用对各项指标均无显著影响。

图5 加气滴灌和可降解膜覆盖对玉米净光合速率、蒸腾速率、气孔导度的影响Fig.5 Effects of aerated drip irrigation and degradable film mulching on net photosynthetic rate, transpiration rate and stomatal conductance of maize

2.3.2 干物质积累量

不同处理对玉米地上部干物质积累的影响如图6所示。苗期至拔节期, 地上部干物质量主要以茎叶为主; 抽雄期至成熟期, 茎、叶干物质量开始减少。果穗和地上部干物质量一直处于增加状态, 在成熟期达最大值。与PE处理相比, 降解地膜覆盖降低了玉米地上部干物质积累量, M1和M2处理下玉米茎、叶、穗及地上部干物质总量分别降低5.84%～11.88%、2.84%～5.50%、6.07%～12.40%和4.94%～11.86%。加气滴灌显著促进了玉米各生长阶段地上部干物质积累。与未加气处理相比, 拔节期, 加气滴灌分别使玉米茎和叶干物质量平均提高8.14%和11.08%, 抽雄期茎、叶、穗干物质量平均提高5.46%、6.08%和13.70%, 灌浆期果穗干物质量平均提高8.25%, 成熟期果穗干物质量平均提高7.38%。加气处理在M1、M2和PE地膜覆盖下分别使玉米地上部总干物质量分别平均提高5.27%、6.64%和10.81%。由表3方差分析, 不同地膜覆盖对茎、穗积累量存在极显著(P＜0.01)影响, 灌水方式对茎、叶干物质积累量存在显著影响(P＜0.05); 二者均对叶干物质积累量存在显著影响(P＜0.05), 对果穗及总干物质积累量存在极显著影响(P＜0.01)。二者交互作用对各项指标均无显著影响。

图6 加气滴灌和可降解膜覆盖对玉米干物质积累量的影响Fig.6 Effects of aerated drip irrigation and degradable film mulching on dry matter accumulation of maize

表3 加气滴灌和可降解膜覆盖对玉米灌浆期光合特性及干物质积累量的双因素方差分析(F检验)Table 3 Two-factor variance analysis of photosynthetic characteristics and dry matter accumulation of maize under aerated drip irrigation and degradable film mulching (F test)

2.4 不同处理对玉米土壤体积含水率及耗水量的影响

2.4.1 土壤体积含水率

不同处理对玉米土壤体积含水率的影响如图7所示。拔节期至灌浆期, 0～70 cm土层土壤体积含水率均值均表现为PE＞M2＞M1, 70～100 cm土层各处理土壤体积含水率均无明显差异。拔节期, 相同地膜覆盖下, 0～30 cm土层中加气处理的土壤体积含水率较不加气处理土壤体积含水率降低1.79%～2.47%; 而在30～70 cm土层中, 加气处理的土壤体积含水率均高于不加气处理, 增幅为2.17%～3.89%。在抽雄期和灌浆期, 相同地膜覆盖下, 0～40 cm土层中加气处理的土壤体积含水率较不加气处理分别降低0.72%～1.77%和0.08%～1.57%; 在40～70 cm土层中, 加气处理的土壤体积含水率均高于不加气处理, 其平均增幅分别为1.21%～2.57%和1.94%～2.17%。

图7 加气滴灌和可降解膜覆盖对玉米土壤体积含水率的影响Fig.7 Effects of aerated drip irrigation and degradable film mulching on soil volumetric water content of maize

2.4.2 耗水量

不同处理对玉米耗水量的影响如表4所示。玉米耗水量自播种期至成熟期呈先升高后降低的趋势,在拔节—抽雄期达最大值。在同一灌水方式下, 苗期—拔节期M1处理耗水量显著高于M2和PE处理, M2和PE处理耗水量无显著差异; 拔节—抽雄期、抽雄—灌浆期和灌浆—成熟期可降解地膜(M1和M2)覆盖处理耗水量均值较PE地膜覆盖处理显著增大3.30%～7.89%、4.48%～13.03%和6.40%～10.10%(P＜0.05)。较不加气处理, 加气滴灌处理减小了玉米耗水量(播种—苗期除外)。在M1膜覆盖下, 抽雄—灌浆期加气滴灌处理AM1的玉米耗水量较不加气滴灌处理CM1显著降低3.36% (P＜0.05), 其他时期加气处理AM1的耗水量均低于不加气处理CM1, 但差异不显著。在M2和PE膜覆盖下, 各时期(播种—苗期、苗期—拔节期和拔节—抽雄期M2除外)加气滴灌处理的玉米耗水量均显著低于不加气滴灌处理(P＜0.05)。较不加气处理CM2和CPE的耗水量,全生育期加气滴灌处理AM2和APE耗水量平均降低1.94%～4.09%和1.39%～3.85%。其中, AM2处理和CPE处理的耗水量无显著差异。

表4 加气滴灌和降解膜覆盖对玉米耗水量的影响Table 4 Effects of aerated drip irrigation and degradation film mulching on water consumption of maize mm

2.5 不同处理对玉米产量及水分利用效率的影响

不同处理对玉米产量及水分利用效率(WUE)的影响如表5所示。可降解地膜覆盖显著降低玉米产量和WUE。与PE地膜覆盖处理相比, 可降解地膜(M1和M2)覆盖使玉米产量显著平均降低27.42%和14.81% (P＜0.05), WUE显著平均降低34.46%和16.70% (P＜0.05), 千 粒重显著平均降低8.89%和4.78% (P＜0.05), 穗粒数显著平均降低14.79%和9.06% (P＜0.05), 穗长显著平均降低8.46%和6.48%(P＜0.05), 秃尖长显著平均增加85.65%和43.71%(P＜0.05)。与不加气处理相比, 加气滴灌显著增加玉米产量和WUE。加气滴灌使玉米产量显著增加6.44%～14.41% (P＜0.05), WUE显著增加9.09%～17.90%(P＜0.05), 千粒重显著平均增加4.84% (P＜0.05), 穗粒数显著平均增加5.34% (P＜0.05), 穗长显著平均增加4.14% (P＜0.05), 秃尖长平均降低11.86%。由方差分析, 不同地膜覆盖对玉米穗粒数有显著影响(P＜0.05), 对产量和WUE有极显著影响(P＜0.01), 对穗长、秃尖长和千粒重影响不显著; 不同灌水方式对玉米产量和WUE有极显著影响(P＜0.01), 对穗长、秃尖长、穗粒数及千粒重无显著影响; 二者交互作用对秃尖长、穗粒数和千粒重有极显著影响(P＜0.01), 对穗长、产量和WUE无显著影响。

表5 加气滴灌和降解膜覆盖对玉米产量及水分利用效率的影响Table 5 Effects of aerated irrigation and degradation film mulching on maize yield and water use efficiency of maize

2.6 玉米产量与植株生长之间的相关关系

玉米产量与植株生长之间的相关关系如表6所示, 加气滴灌处理下玉米产量与株高、茎粗、叶面积指数、干物质积累及净光合速率的相关系数平均为0.936, 不加气滴灌处理下相关系数平均为0.891。由此可知, 较不加气滴灌, 加气滴灌下玉米产量对植株各生理生长指标更敏感, 其相关性由大到小依次为净光合速率、株高、茎粗、干物质积累和叶面积指数。不同地膜覆盖处理下, PE处理玉米产量与株高和净光合速率的相关系数最大, M1处理下玉米产量与光合速率的相关系数最大, M2处理下玉米产量与植株干物质积累和净光和速率的相关系数最大。加气滴灌和不同地膜覆盖下, 各处理的玉米产量与株高、茎粗、叶面积指数、干物质积累以及净光合速率均呈极显著正相关关系(P＜0.01)。

表6 不同加气滴灌和降解膜覆盖处理下玉米产量与植株生长之间的相关关系Table 6 Correlation between maize yield and plant growth under different aerated drip irrigation and degradation film mulching

3 讨论

3.1 加气滴灌和降解膜覆盖对玉米生长的影响

本试验中, M1和M2处理分别在覆膜后50 d和70 d呈现初始裂纹, 在70 d和110 d田间25%的地膜呈现细微裂纹, 两种不同诱导期降解地膜实际降解速率均在诱导期之前开始(表2), 这可能是由太阳辐射和机械外力造成可降解地膜提前裂解。玉米株高、茎粗及叶面积指数能够反映植株的生长发育和营养状况。本试验中, 玉米生育前期, 不同地膜覆盖对滴灌玉米株高、茎粗及叶面积指数影响不显著, 玉米生育后期降解地膜覆盖处理较PE处理使滴灌玉米株高、茎粗和叶面积指数显著降低, 研究结果与李仙岳等、曹玉军等和申丽霞等相似。玉米拔节—抽雄期以及抽雄—灌浆期, 诱导期60 d和100 d氧化生物双降解地膜出现裂解, 地膜破损逐渐增大, 土壤蒸发量逐渐高于普通塑料地膜, 其保墒增温效果不及普通塑料地膜。同时, 抽雄期和灌浆期是玉米需水关键期, 适宜的土壤水分是玉米正常生长的重要条件, 降解地膜覆盖下土壤水分田面蒸发较高, 土壤贮水量减少, 影响根系对水分和养分的吸收, 从而减缓玉米的生长速度, 导致降解地膜覆盖下的玉米株高、茎粗及叶面积指数显著低于普通塑料膜覆盖。本试验中, 加气滴灌显著促进了各类地膜覆盖下玉米株高、茎粗及叶面积指数的增长,研究结果与Abuarab等和LI等相似。另外, 本研究发现, 加气滴灌下诱导期100 d降解覆盖处理与不加气普通塑料地膜覆盖处理下各项生长指标无显著差异。这是由于在加气滴灌过程中增大了土壤溶解氧浓度, 为根系有氧呼吸创造了有利环境。同时, 良好的土壤通气性及适宜的孔隙度使土壤蓄水能力增加, 减少了作物耗水量, 进而对玉米生长发育产生积极的影响作用。

3.2 加气滴灌和降解膜覆盖对玉米干物质累积及光合性能的影响

本试验中, 在玉米抽雄期和灌浆期, 普通塑料地膜覆盖下玉米P、T和G高于降解膜覆盖。这主要是由于土壤水分能够调控作物的光合效率, 降解地膜保水保温效果不及普通塑料地膜, 进而影响作物对水分的吸收, 从而对作物的光合作用产生影响。加气滴灌缓解了作物根系缺氧状况, 一定程度上引起植株体内脱落酸(ABA)的降低, 使得叶片气孔导度增加, 促进了作物光合作用。本研究表明, 较不加气处理, 加气滴灌下玉米P、T和G分别显著增加10.40%、12.86%和25.99%, 与乔建磊等的研究结果相似。干物质积累量是作物光合作用产物的最高形式, 本试验中, 干物质积累量随着玉米生育期的推进而逐渐增大, 加气滴灌处理较不加气滴灌处理干物质积累量显著增大(P＜0.05), 并且加气滴灌和诱导期100 d降解膜覆盖下的玉米干物质积累量与不加气滴灌和普通塑料地膜覆盖下的玉米干物质积累量无显著差异。说明加气滴灌通过改善土壤通气性, 提高作物根系活力及根系有氧呼吸, 影响作物根系对水分及养分的吸收, 进而影响到作物地上部分的生理生长, 对作物的光合作用产生影响。Zhu等研究表明加气灌溉可以延缓水稻叶片的衰老,从而延长水稻(Oryza sativa L.)的有效光合时间, 增加水稻干物质的积累, 提高最终产量。李元等也发现加气处理使番茄叶片叶绿素含量和气孔导度增加, 提高净光合速率, 增加干物质积累和产量。

3.3 加气滴灌和降解膜覆盖对玉米产量及水分利用效率的影响

本研究发现同一灌水方式下, 可降解膜覆盖处理的产量及水分利用效率要低于普通地膜覆盖的处理。董立国等也研究表明降解膜种植的玉米在株高、秃尖长、穗行数、百粒重和产量等方面明显低于普通地膜, 与本研究结果一致。这是因为玉米生育后期降解膜裂解, 保水性能下降, 影响地膜的增温保墒效果, 而导致本研究中可降解膜M1和M2比普通地膜分别减产27.42%和14.81%。但孙仕军等和Moreno等指出覆盖可降解地膜对作物产量和水分利用效率无显著影响, 这与降解地膜厚度、材料、种植灌溉方式及地区气候差异有关。本试验中,各处理玉米产量与植株的各项生理生长指标均呈极显著正相关关系(表6), 加气处理下玉米产量与植株的各项生理生长指标之间的相关系数大于不加气处理, 表明加气滴灌处理玉米生长发育与产量的关系更加密切。加气滴灌处理在改善土壤环境和作物根系生长的基础上, 促进玉米生长和光合作用, 进而有利于植株各部位干物质积累, 提高作物产量。

相同诱导期降解地膜覆盖下加气滴灌处理玉米产量及水分利用效率显著高于不加气滴灌, 并且加气滴灌诱导期100 d的降解膜覆盖下的玉米产量及水分利用效率与不加气滴灌普通塑料地膜覆盖下的玉米产量及水分利用效率无显著差别, 说明通过加气滴灌可弥补由于降解地膜在玉米生育期内降解而导致玉米减产及水分利用效率下降的缺失。大量相关研究也表明, 通过加气滴灌显著影响作物的产量、品质和水分利用效率。如Bhattarai等研究结果显示加气灌溉较非加气灌溉西瓜[Citrullus lanatus (Thunb.) Matsum.et Nakai]和 南 瓜[Cucurbita moschata (Duch.ex Lam.) Duch.ex Poiret]的产量分别显著提高41.1%和 9.0%; Chen等和Ouyang等研究表明加气灌溉显著增加了番茄的根长、茎、叶和果实干物质含量, 提高了作物水分利用效率和番茄果实品质, 进而提高了作物的经济效益。以上研究结果均表明, 加气滴灌作为一种绿色增产技术, 可有效解决膜下滴灌作物根区低氧胁迫问题, 保持土壤微生物功能多样性, 起到增产、改善品质及提高水分利用效率的作用。

可降解膜的应用可以有效地解决新疆严重的残膜污染问题。而降解地膜过快进入诱导期会缩短降解时间, 影响地膜的增温保墒效果, 导致减产; 诱导期过长, 可能在作物收获时出现地膜碎片或无法降解, 从而影响降解效果。通过加气滴灌改善根系土壤通气性, 可弥补由于降解膜后期降解而造成的作物产量损失, 为保证作物产量和减少干旱区地膜残留, 诱导期为100 d的氧化生物双降解地膜并结合掺气比例为15%的加气滴灌方式可代替传统塑料地膜覆盖下滴灌。

4 结论

1)与普通塑料地膜相比, 降解膜覆盖下玉米株高、茎粗及叶面积指数在玉米生育前期无显著差异,而生育后期株高、茎粗、干物质积累及光合特性显著降低。降解地膜覆盖下玉米产量较普通塑料地膜显著降低14.81%～27.42%, WUE显著降低16.70%～34.46%。

2)加气滴灌显著提高玉米株高、茎粗、叶面积指数、光合能力及干物质积累量。与不加气处理对比, 玉米产量和水分利用效率分别显著提高6.44%～14.41%和9.09%～17.90%, 弥补了由于降解地膜过早降解而造成的产量损失。

3)筛选出适用于北疆滴灌玉米的最优降解地膜及灌水方式, 即使用诱导期为100 d的氧化生物双降解地膜并结合掺气比例为15%的加气滴灌方式, 可缓解新疆膜下滴灌残膜污染, 提高玉米产量及水分利用效率。