不同覆膜宽度对棉花农田环境的影响

李雪玲,郭俊先,陈 莉,宋鹤岭,张 众

(1.新疆农业大学机电工程学院,乌鲁木齐 830052;2. 沙湾市农业技术推广中心,新疆沙湾 832100;3. 沙湾乡村振兴大数据运营有限公司,新疆沙湾 832100)

0 引 言

【研究意义】新疆属温带大陆性干旱荒漠气候,为棉花的生长提供了有利环境[1]。新疆棉花生产中,多采用膜下滴灌模式。膜下滴灌条件下水分是控制作物正常生长发育的关键因素[2-4]。土壤含水量影响棉花植株光合作用与产量,随着土壤含水率的增大,棉花植株地上部分光和物质积累量也会增大,以及棉花单株铃数随着土壤水分的增加也显著增长[5]。覆膜宽度、地温与土壤中的水分含量之间存在相互影响与相互制约的关系[6]。地膜覆盖在地面上形成一层保护膜,阻隔水分在土壤和大气之间的流动,减少水分直接蒸发,并通过聚集降水增加土壤含水量,满足作物生长对水分的需求[7-9]。地膜覆盖可提高植株的水分利用效率,可以大幅增加不同土层间土壤温度,土壤温度转变进而会影响气态水的运移;还可以显著拦阻土壤水分向大气蒸腾散发,降低土壤表层水分的无效散失[10]。地膜覆盖吸收太阳辐射,提高了土壤温度,减少了土壤能量散失,使土壤热量处于收支平衡的状态,适宜的土壤温度能促使种子萌芽,提高农作物的出苗率,缩短作物的生育进程,促进作物生长发育从而达到提高作物产量的目的[11-14]。有研究从不同覆膜宽度对棉花土壤水分及地温的影响做了分析[15]。当大气中的温度与地膜内温度相差较大时,土壤温度下降幅度就越大[16]。【本研究切入点】目前通常在1.25 m窄膜或2.05 m宽膜覆盖的情况下有研究,而对于4.4 m超宽地膜覆盖下的研究还比较少。需研究以2.05 m宽膜与4.4 m超宽膜2种膜宽覆盖下对棉田土壤水分及温度影响。【拟解决的关键问题】采用土壤墒情监测仪,实时监测土壤中水分、温度实时状况,分析4.4 m超宽膜对土壤水分及地温等农田环境产生影响,为4.4 m超宽膜的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1．1 材 料

试验于2021年的4～11月在新疆沙湾县农业试验基地(85°42' 39″E,44°18' 41″N,海拔 490 m) 进行。新疆沙湾地区的年降雨量少且年蒸发量大,年降雨量在140～350 mm,年蒸发量 1 500～2 000 mm,无霜期在170～190 d,地下水埋深度在5 m 以下,沙湾地区日照时数充足,年日照时数为2 800～2 870 h,土壤为砂壤土,土壤肥力中等,属于温带大陆性干旱荒漠气候。选择棉花品种为源棉11号。表1

表1 试验区土壤物理状况

1．2 方 法

1．2.1 试验设计

试验共设2个处理,处理1采用(膜宽为4.4 m)1膜12行的种植模式;处理2采用(膜宽为2.05 m)1膜6行的种植模式。4.4 m超宽膜与2.05 m宽膜均选用行距配置为(66+10) cm。采用五点取样法,每个处理设置5个重复。在棉花的整个生育期共灌水12次,灌溉定额4 200 m3/hm2,均采用膜下滴灌方式,苗期滴水3次 ,蕾期滴水2次,花铃期需水量较大,共滴水5次,吐絮期需水量较小,滴水2次,在滴水时,同时滴入肥料。

1．2.2 测定指标

1．2.2.1 生长指标

棉花三叶期开始到花铃期测定株高,株高用钢直尺测量,精度为0.01 mm。测量从子叶节到主茎顶端的高度,在10个小区内选取15株长势均匀的棉花并做好标记,每3～5 d测1次。在棉花吐絮期记录棉株主茎果枝数量以及果枝始节的位置和高度。在地面以上5 cm的棉花茎秆处打上标记,在标记处对15株棉花茎粗进行测量。苗期、蕾期、花铃期、吐絮期从2种覆膜宽度处理中所设置的破坏性小区中选取连续且长势均匀的棉株6株,按茎、叶、蕾、花、铃、根等器官分开,利用叶面积仪测量叶面积,用Image J软件计算其叶面积。将棉花根系泥土冲干净晾干,将分解后的棉花样本分别称重装信封袋记录棉花各器官的鲜重,最后放入烘箱105°杀青30 min后,转换为80C°烘干至恒重,冷却后测定植株各器官干物质重。

1．2.2.2 土壤水分及地温测量

采用土壤墒情监测仪实时监测土壤中水分、温度实时状况。同位监测连续6个土层深度(每10 cm一层)的土壤体积含水量以及连续6个土层深度(每10 cm一层)的土壤温度。土壤含水量的测量精度为±2%,测量范围为干土-饱和土。土壤温度测量精度为±5℃,测量范围为-25～80℃。墒情监测仪长度为1 000 mm,顶部宽度92 mm,传感器外径63 mm。设备安装在地下80 cm处,距地面距离20 cm处。观测地表及地表下10、20、30、40、50和 60 cm 处的地温及土壤水分情况。观测时间选择每日16:00,分别读取棉花从苗期到吐絮期各生育期内 08:00～20:00时间段的地温变化数据、每隔2 h测量记录0～60 cm水分的数据,分析每日水分变化。仪器采用中国东方智感公司的智墒ET60。

1.3 数据处理

试验测得的数据利用 Excel 2010统计整理,数据分析采用SPSS19.0,绘制图表采用Origin2021绘制图表。

2 结果与分析

2．1 不同覆膜宽度下棉花各时期的地温日动态变化

研究表明,4.4 m超宽膜和2.05 m宽膜覆盖期间,棉花苗期同一土壤深度下,土壤温度随时间的变化趋势相同。超宽膜覆盖下的表层土壤温度始终高于宽膜覆盖下的温度,苗期10 cm处每日温度变化的拐点为18:00,在16:00前土壤温度都处于升温状态,16:00～18:00区间温度为一天当中最高,此时超宽膜的温度高于宽膜平均1.38℃。而在18:00后0～10 cm处土壤温度下降,20～60 cm处土壤还处于升温阶段。进入蕾期以后,随着大气温度的增高,土壤温度也提高;超宽膜与宽膜覆盖下的地温最高点都为下午的16:00,上午08:00～16:00温度处于急速上升的状态,16:00达到峰值。此时超宽膜覆盖下的地表温度为33.53℃,土层10 cm处温度为29.93℃,超宽膜土层10 cm处平均温度较宽膜高出1.45℃。蕾期土壤温度为整个生育期最高的,此时4.4 m超宽膜相较2.05 m宽膜而言,棉花上部耕层增温效果明显。在08:00～16:00温度增长迅速,超宽膜土层10 cm平均每小时温度上升0.71℃,宽膜土层10 cm平均每小时温度上升0.76℃,在20～60 cm土层深度下2.05 m宽膜温度高于4.4 m超宽膜温度。在棉花进入吐絮期后,沙湾地区9月温度仍然较高;超宽膜与宽膜一天中温度最高的时间仍然是16:00,超宽膜地表温度高出宽膜1.15℃,在地下10 cm处温度较2.05 m宽膜高出1.02℃。2种处理下在08:00～16:00,都处于升温阶段,在16:00～20:00都处于降温阶段。在土层深度10 cm处,2.05 m宽膜土壤温度与4.4m超宽膜相比,下降幅度更大。较好的土壤温度条件会促进棉花的生长,各土层温度在整个生育中前期较高,生育后期土壤温度逐渐下降。随着覆膜宽度的增加,土壤增温效果显著。图1

图1 不同覆膜宽度下棉花各生育期地温变化

2．2 不同覆膜宽度下棉花各时期不同深度土壤含水率变化

研究表明,在相同灌水量下,4.4 m超宽膜与2.05 m宽膜2种处理下变化趋势相同,均是随着土层深度的增加土壤中的含水率也越高。随着覆膜宽度的增加,在苗期时,土壤各层的含水量也随之增大,是由于在棉花生长的前期,植株生长量小,太阳光照及辐射较弱,土壤中的水分散失主要是靠土壤的蒸发且在棉花生育前期表层土壤蒸发量小,故表层土壤的水分变化最大,其次就是中间层土壤,变化最小的为深层土壤。相较2.05 m地膜覆盖宽度,4.4 m超宽膜由于覆膜宽度宽土壤中各土层深度的水分就保持的越好。在棉花蕾期表现尤其明显,在蕾期,超宽膜各土层深度的含水量明显高于宽膜,土层深度50 cm处水分含量达到最大值,超宽膜为29.44%,相较宽膜高出1.24%,2种处理的变化均呈“M型”,土壤水分的分布情况较一致。进入花铃期以后,棉花植株生长的更快,土壤中的水分消耗较快,不同深度土壤的含水率变化波动较大,此时宽膜的水分含量高于超宽膜,进入7月以后,土壤水分含量随着覆膜宽度的增加而降低,在土层20～60 cm表现明显,同时根系分布主要集中在这一区域,棉花的根系吸水成为了土壤水分较低的主要原因,且此时超宽膜植株生长较宽膜更快。棉花进入吐絮期后,4.4 m超宽膜与2.05 m宽膜2种覆膜宽度处理下,不同深度土壤的含水量变化趋势一致,土壤的水分分布也一致,2种覆膜宽度在10～50 cm土层深度的土壤含水率均呈上升状态,在60 cm处有所降低。4.4 m超宽膜覆盖下的土壤含水率高于2.05 m宽膜,超宽膜的土壤水分分布更利于棉花整体吸收和利用水分,保墒能力更强。图2

图2 不同覆膜宽度下棉花各生育期内0～60 cm土壤含水率变化规律

2．3 不同覆膜宽度下棉花各时期不同土层温度与土壤含水率关系

研究表明,不同土壤深度的平均土壤含水率与地温之间存在交互关系。在10 cm的土层深度下,2.05 m宽膜的土壤平均含水率相较4.4 m超宽膜要低,在此深度下,4.4 m超宽膜的土壤含水率变化范围为5.37%～15.45%,宽膜变化范围为3.33%～10.37%。在30 cm土层深度处土壤平均含水率从棉花的苗期到花铃期这个期间差异越来越小,在蕾期差异较大,超宽膜为22.85%,高出宽膜1.29%。在吐絮期,宽膜的土壤平均含水率略高于超宽膜。在棉花各生育期内,土壤温度也不同,在棉花生长的前期,植株生长量小,土壤温度主要受太阳光辐射的影响,此时,超宽膜相较宽膜增温效果好,在棉花生长后期,植株生长量加快,超宽膜的长势要明显强于宽膜,受覆膜宽度影响减弱。超宽膜在土层10 cm处地温略高于宽膜,在土层深度30、60 cm处,4.4 m覆膜宽度下的地温变化范围为17.26～23.24℃,宽膜地温变化范围为17.24～23.97℃,宽膜地温高于超宽膜,这种现象在蕾期和花铃期表现明显,同时,在此阶段超宽膜30、60 cm处水分含量要高于宽膜。随着土层深度的增加,土壤温度受太阳光辐射等因素影响减小。棉花各生育期内,在土层深度30 cm处,4.4 m超宽膜的土壤平均含水率较宽膜高出1.02%、1.29%、0.50%、0.13%,在相同深度处,4.4 m超宽膜土壤平均地温较2.05 m宽膜低0.41%、0.53%、0.95%、0.63%,土壤中的平均含水率与平均温度呈负相关的关系。图3

图3 不同覆膜宽度下棉花各生育期内10、30、60cm处土壤平均含水率及土壤平均地温变化

3 讨 论

3.1 不同覆膜宽度对棉田土壤水分的影响

生育期水量的变化反映的是不同覆膜宽度处理下的贮水能力。棉花的生长受土壤中含水率的影响,土壤水分越充足,对棉花的生理生长越有利[17]。在作物生长期,覆膜处理的植株株型较大,对水分的消耗也大,覆膜能够降低田间土壤水分的蒸发量,但会使农田耗水量增加[18-19]。通过对地膜覆盖下土壤蒸发的研究,地膜覆盖能有效减少土壤水分的无效蒸发[20-21]。与研究的思路相同,在覆膜的基础上增加4.4 m超宽膜,发现超宽膜能降低土壤表层的水分蒸发。邵春琴[22]通过对3种覆膜宽度中土壤含水率的研究发现,5、6月时,覆膜宽度越宽,土壤的含水量就越大,在7月后,土壤水分含量受覆膜宽度影响减弱,在土层0～20 cm内土壤含水量变化最明显,且覆膜宽度越宽这种变化的幅度就越大,20～60 cm土壤含水率在整个生育期变化较大,60～100 cm变化最小。与研究结果一致,在相同灌水量下,在棉花苗期至蕾期,即7月前,随着覆膜宽度的增加,从土层深度0～60 cm水分含量也增大,上层土壤变化最明显;7月之后,受田间管理等因素影响,覆膜宽度不再是影响土壤水分含量的主要因素,4.4 m超宽膜相较2.05 m宽膜保水能力更强。

3.2 不同覆膜宽度对棉田土壤温度的影响

地膜能够将土壤表面与大气之间的热交换隔断,有效的拦截太阳的辐射,减少土壤水分的蒸发,调节土壤的温度[23]。研究中采用4.4 m超宽膜,能有效提高土壤表层温度,在棉花生育前期作用尤其显著。土壤的热量来源于地面表层,太阳辐射所转变的最大热能即为地表的最高温度,直接决定能向下传递多少能量,影响各个土层深度的温度,其与各土层温度的相关性水平呈极显著的关系[24]。研究中,也是表层地温最高,10～60 cm土层温度逐渐下降。对土壤水分与地温关系研究发现,土壤含水量的变化会直接影响到土壤的比热容,从而影响地温的变化,土壤各土层深度含水量与各层地温基本呈负相关。含水量高时,地温升温慢,随着土层深度的增加,两者间相关性降低[25-26]。与研究结果一致,在土壤中部至下部,土壤的平均含水率与平均温度呈负相关,土壤温度越高则含水量越低。

4 结 论

4.4 m超宽膜在提升地温方面效果显著,各土层温度在整个生育中前期较高,因为前期棉花枝叶相对较小,对膜上的郁闭程度较小;生育后期土壤温度逐渐下降,此时棉花枝叶繁茂,受田间管理的影响,覆膜宽度对土壤温度影响逐渐减弱。整个生育期内,0～60 cm土层深度下,4.4 m超宽膜的土壤平均含水率都高于2.05 m宽膜。超宽膜增温保水并改善了土壤水热条件,可用于新疆北疆地区推广应用。