梁晓阳,沈欣,王传娟*,张彦群,王东博,4,王建东,郭清华

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081;2.全国农业技术推广服务中心,北京 100125;3.中国水利水电科学研究院水利研究所,北京 100048;4.河北工程大学水利水电学院,河北 邯郸 056038;5.烟台市城市水源工程运行维护中心,山东 烟台 264003)

河套灌区是内蒙古自治区乃至全中国重要的商品粮、油生产基地[1-2],该区春玉米种植面积占粮食作物播种总面积的50%[3].为解决河套灌区干旱、寒冷及土壤盐碱等自然条件的约束,当地大面积应用地膜覆盖农艺措施,覆盖比率高达80%以上,其中又以普通聚乙烯地膜(PE)覆盖为主[4].然而,普通聚乙烯地膜自身强度低、易破损老化,尤其是厚度不达标,PE地膜的使用加剧了其回收再利用的难度[5-6].一些调查结果可见使用近30 a覆膜的土壤中,塑料残留量已达到71.9～259.1 kg/hm2[4],带来了严重的生态环境问题[5];同时,当农田残膜量超过240 kg/hm2时,作物产量也开始出现显著下降[7].因此,明确普通聚乙烯地膜、高强度地膜和生物可降解地膜等覆膜类型在河套灌区的实际应用效果,对推广绿色高效覆盖技术具有重要意义.

推广使用高强度可回收地膜(HS)以及生物可降解地膜(BP)是减少地膜残留污染问题的重要措施[8-9].BP地膜在使用后的一段时间可以自动降解,以此避免塑料残膜引起的环境污染问题,同时还能增温保墒压盐、促进作物的生长发育,与不覆膜处理相比,显著提高作物吸氮量8.67%～12.86%[10],作物产量和水分利用效率分别显著提高13.8%和10.2%[11];HS地膜在完成服役后经机械化回收,地表干净,没有明显的地膜碎片残留,一次性机械和人工回收率均高于83%,且含杂率低,回收的地膜还可以进行高值化再利用,同时与传统PE地膜相比,HS地膜增温效果好,可提高1.0 ℃,透湿量显著降低了23.2%～54.2%,保水性能较好[12].因此,为最大限度地发挥地膜的优势,并尽可能减少其环境影响,HS地膜和BP地膜也被业内视为绿色覆盖地膜类型.

已有部分学者对地膜在实际生产应用等方面的研究作出了突出贡献,然而,不同覆膜类型之间的研究较多针对生物可降解地膜和普通地膜之间的对比[9,13-14],关于易回收的高强度地膜的系统性研究较少.同时绿色覆盖地膜(高强度地膜、可降解地膜)能否代替普通地膜在河套灌区大规模生产实践,依然存在一些亟待明晰的方面,尤其是高强度地膜、可降解地膜对农田增温压盐效果及作物生长发育的影响机理亟需得到定量揭示.文中针对河套灌区典型区域地面灌春玉米,定量研究不覆膜、PE地膜、HS地膜和BP地膜等不同覆膜类型对农田温度、盐分运移过程及春玉米生长的影响.以期相关结论为内蒙古河套灌区适宜地膜选用以及农田高质量绿色发展等提供理论与技术参考.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年4—10月在内蒙古河套灌区杭锦后旗头道桥镇联增四社进行.河套灌区属中温带干旱气候,此区域多年平均降雨量约为130 mm,多年平均蒸发量为2 350 mm,多年平均气温为7.2 ℃,多年平均风速为2.5～3.0 m/s,全年无霜期约为130 d,年日照时长为3 220 h以上;土壤以硫酸盐-氯化物盐化潮土为主,2021年供试验土壤(0～20 cm)的基本理化性状为有机质质量比14.43 g/kg、盐分质量比0.99 g/kg、全氮质量比1.18 mg/kg、速效磷质量比7.43 mg/kg、速效钾质量比156.33 mg/kg、pH值8.85、土壤容重1.52 g/cm3.

1.2 试验设计

供试玉米品种为“金田8号”,种植密度为75 000 株/hm2.设置3种覆膜类型和不覆膜对照,分别为普通聚乙烯地膜(PE)、高强度可回收地膜(HS)、生物可降解地膜(BP)、不覆膜对照(CK),3 种地膜宽度均为70 cm,厚度均为0.008 mm,均为透明地膜;PE,HS,BP地膜的纵向和横向拉伸负荷分别为1.5,5.0,1.2 N和1.8,3.9,1.4 N.BP地膜为全生物可降解地膜,其功能期约为110 d.每个处理重复3次.每个小区面积为52.8 m2(4.8 m×11.0 m),各小区之间均设置隔断,最大程度上减少试验小区间水肥影响,图1为试验处理分布图.

图1 试验处理分布图

通过施肥播种覆膜一体机在4月28日一次性完成前期工作,为一膜二行的宽窄行种植方式,铺膜宽60 cm,膜间为宽行距80 cm,膜内为窄行距40 cm,株距22 cm.图2为试验布置图.施肥按照当地经验进行,即底肥采用复合肥(N-P2O5-K2O:16-16-16)和磷酸二铵(N-P2O5-K2O:18-46-0)等比例施入,施肥量均为600 kg/hm2;在第1次灌溉前追施尿素,追肥量为600 kg/hm2.随着玉米生育期的推进,空气湿度呈现波动上升的趋势,日均增幅约为 0.3%.全生育期降雨总量为48.6 mm,灌溉制度参考当地传统制订,分别在播种后第58,75和98 d进行引黄灌溉(地面灌溉),灌溉定额均为90 mm.图3为玉米生育期气象数据,图中物理量为播后天数t、玉米生育期灌溉量I、降雨量P和空气湿度RH.

图2 覆膜和不覆膜处理试验布置图

图3 玉米生育期气象数据

1.3 试验监测指标与方法

1.3.1 土壤温度和含盐量

采用ZL6土壤含水量、水势监测系统(Decagon公司,美国;TEROS 12探头)每15 min自动监测土壤温度及电导率(EC),并定期存储数据,其中探头布置于地膜正下方,监测深度分别为10,30,60 cm.在玉米播种后(4月30日)、灌水前(6月18日、7月10日、8月4日)和灌水后(7月2日、7月19日、8月9日)进行人工取土,并通过 1∶5 的水土比测定土壤EC,再与ZL6系统自动监测的当日平均数据进行线性拟合并校正,最后通过经验公式换算为土壤全盐量[15].转换公式为

S=0.028EC1∶5+0.137,

(1)

式中:S为土壤盐分质量比,g/kg;EC1∶5为电导率,mS/m.

土壤有效积温计算式为

T=∑(Tmean-Tbase),

(2)

式中:T为土壤有效积温,℃;Tmean为日平均土壤温度;Tbase为玉米基础有效土壤温度,为10 ℃.

当Tmean

1.3.2 作物生长指标

生长发育进程:从玉米播种开始观测春玉米生长发育情况,记录各处理出苗期(VE)、抽雄期(VT)、灌浆期(R2)、成熟期(R6)的生育进程,以每处理内70%～80%植株表现出的相应生育期特征,判定玉米的生育期进程.

地上干物质量:在每个处理另外选3株具有代表性的植株,从茎基部切断,获得完整的地上部,并将其分为茎秆、叶片、果等器官装袋,在烘箱中先以105 ℃杀青30 min,然后在75 ℃下干燥至恒质量,以测量地上干物质量.

产量:玉米成熟后,每个小区随机选取连续10穗进行考种,测量穗长、穗行数、行粒数、百粒质量等,每小区重复3次,最后折合成标准质量含水率14%计算理论产量.

1.3.3 水分利用效率

采用水量平衡法计算全生育期玉米耗水量,计算式为

ETa=ΔW+P+I+G-R-F,

(3)

玉米水分利用效率计算式为

WUE=Y/ETa,

(4)

式中:ETa为玉米生育期总耗水量,mm;ΔW为玉米生育期内0～80 cm深度土壤贮水量的变化,mm;P为玉米生育期有效降雨量,mm,如果降雨量小于当日参考蒸发蒸腾量的0.2倍,视为无效降雨;I为灌溉量,mm;G为地下水补给量,mm;R为生育期地表径流量,mm,试验区地势较平坦且各处理间均设置隔断,假设无地表径流产生;F为深层渗漏量,mm;WUE为玉米水分利用效率,kg/(hm2·mm);Y为玉米产量,kg/hm2.

1.3.4 数据处理与分析

采用Excel软件对试验数据进行整理并画图、SPSS 26.0软件进行统计分析、Origin 2021软件对试验数据进行线性拟合并进行相关作图.所有图表中,同一生育期不同处理的数值显著性水平均为α=0.05.

2 试验结果与分析

2.1 覆膜类型对农田土壤温度与积温的影响

图4为不同土层深度、3种覆膜与不覆膜土壤日均温差的变化图,图中Δθ,θ,t分别为覆膜与不覆膜土壤日均温差、空气温度、播种后天数;h为土层深度.从图中可以看出,在作物生育前期(播种后60 d内),覆膜各处理下的土壤各层温度均高于不覆膜处理的,这有利于作物应对早春低温阶段,为其萌发和幼苗生长提供了更适宜的温度环境.具体而言,播种60 d内,在10 cm土层处,覆膜处理PE,HS和BP分别较CK的土壤平均温度提高7.7%,7.7%和4.2%;30 cm土层处分别提高3.8%,3.5%和3.6%;60 cm土层处分别提高3.3%,4.9%和3.1%.可见,覆膜处理对土壤温度的影响随土层加深而逐渐减少;此外,处理BP提高土壤表层温度效果略差于PE和HS.播种60 d后,覆膜与不覆膜处理同一深度下土壤温度开始接近,地温差基本处于约0.5 ℃.

图4 不同土层深度3种覆膜与不覆膜土壤日均温差的变化

表1为不同土壤深度有效积温的变化,表中T为播种后相应时间段内的土壤有效积温.由表比较不同土层有效积温差异,同一处理播种0～90 d期间,土壤深度10,30和60 cm的有效积温差异均具有统计学意义;播种91～120 d期间,10和30 cm两土层的有效积温差异不具有统计学意义,但显著高于60 cm土层的;播种121～149 d期间,3个土层有效积温差异均不具有统计学意义.

表1 不同土壤深度有效积温的变化

比较不同覆膜在土壤深度0～40 cm的有效积温差异性(主根区),发现全生育期覆膜处理PE,HS和BP的累计有效积温分别较不覆膜处理提高66.6,82.6和63.7 ℃;其中播种后60 d,各覆膜处理的土壤累计有效积温相比不覆膜处理提高64.1,61.4和52.5 ℃.

2.2 覆膜类型对农田土壤盐分运移的影响

图5为各处理土壤盐分质量比S在春玉米生育期内的变化图.

图5 各处理土壤含盐量在春玉米生育期内的变化

从图5可知,各处理土壤[10,30]cm的盐分质量比总体上均高于(30,60]cm的,土壤盐分质量比最低点均位于土壤60 cm深度处.对于不覆膜处理,土壤表层易受蒸发、灌溉、降雨等外部因素的影响,盐分表聚现象非常明显,[10,20]cm土壤的盐分质量比较高,且随着生育期的推进,盐分表聚问题越发加重.

对于各覆膜处理,[10,30]cm处土壤的盐分质量比明显小于不覆膜处理,没有出现明显的盐分表聚现象,且土壤盐分的峰值主要出现在土壤耕层以下(20 cm 以下),例如对于覆膜处理HS,盐分质量比最高点位于土壤30 cm深度,这说明覆膜措施明显抑制了盐分上移和表聚现象的发生.

对于各覆膜处理,覆膜类型的差异在一定程度上影响了压盐效果.相比不覆膜处理,各覆膜处理全生育期降低10 cm深度土层盐分质量分数分别为45.0%(HS),37.0%(BP),17.9%(PE).

此外,覆膜处理PE下,深度[10,30]cm处土壤盐分质量比大于HS和BP的,而相比覆膜处理PE和HS,BP在玉米全生育期[10,60]cm深度土层均保持相对更低的盐分.

2.3 覆膜类型对春玉米生育进程的影响

表2为不同处理的玉米生育进程表,t1为各生育期历经天数.从表中可以看出,覆膜处理PE,HS和BP的春玉米比CK的分别出苗早4,4和3 d,出苗—拔节历时时间分别短2,2和1 d,拔节—抽雄历时时间分别短3,3和2 d,抽雄—灌浆历时时间均长1 d;各处理的灌浆—成熟历时时间均为40 d.说明3种覆膜对玉米前期生育进程均有良好的促进作用,这是因为不同覆膜处理改善了作物生长发育的土壤水、热和盐等条件,进而改变了玉米的生长发育进程.

表2 不同处理玉米生育进程

2.4 覆膜类型对春玉米地上干物质量的影响

表3为关键生育期玉米地上干物质量m变化情况.通过对表3显著性分析表明,在出苗期,覆膜处理PE,HS和BP的地上干物质积累量明显高于CK 43.4%,36.9%和49.0%,其中覆膜处理PE和BP差异具有统计学意义.在抽雄期,覆膜处理PE,HS和BP的地上干物质积累量显著高于CK 62.8%,39.5%和26.3%,而相比PE,BP的地上干物质积累量显著较低.在灌浆期和成熟期,各处理之间地上干物质量差异不具有统计学意义(α=0.05,下同),这是因为玉米生长发育后期,气温逐渐升高,覆膜效应减弱,进而表现在玉米地上干物质量后期差异不具有统计学意义.

表3 关键生育期玉米地上干物质量

2.5 覆膜类型对春玉米产量和水分利用效率的影响

各处理间,春玉米产量、产量构成要素及水分利用效率之间的差异见表4,表中l,c,mh,GN,ETa分别为穗长、穗周长、百粒质量、穗粒数、总耗水量.

表4 不同处理下玉米产量构成要素及水分利用效率

由表4可知覆膜处理PE,BP的穗周长和穗粒数分别显著高于CK 3.7%,3.0%和9.9%,10.2%,高于HS,但不同覆膜处理之间差异不具有统计学意义.与BP相比,处理CK,PE和HS的总耗水量(ETa)分别显著高出2.4%,2.4%和7.7%,而处理HS的ETa较CK和PE的分别显著高出5.2%和5.1%.与CK相比,处理PE,HS,BP的产量和水分利用效率WUE分别显著提高了12.8%,10.3%,14.3%和12.8%,4.8%,17.0%,说明覆膜可以显著提高作物产量和水分利用效率,同时不同覆膜类型之间差异不具有统计学意义.

2.6 作物各阶段土壤积温、盐分含量和作物干物质及产量相关性

图6为玉米全生育期产量Y与土壤有效积温T、土壤平均盐分质量比Sa和总地上干物质量mt相关性,图中JP,TP,FP,MP分别表示各指标在玉米播种—出苗阶段、出苗—抽雄阶段、抽雄—灌浆阶段和灌浆—成熟阶段.分析图6可知,玉米产量与全生育期10 cm深度土层土壤的有效积温和地上干物质量均呈正相关关系,拟合系数R2分别为 0.758 18和0.510 86,相关系数Pearson′sr分别为0.870 74和0.714 75,相关性均达到显著性水平.全生育期10 cm土层土壤平均含盐量与产量呈负相关关系,R2和r分别为0.320 43和-0.566 06,相关性未达到显著性水平.

注:**和*分别表示在P<0.05和P<0.01水平上相关性显著水平

从图6d相关性分析结果可以看出,玉米产量与阶段JP,TP,FP和MP在10 cm深度土层有效积温的r分别为 0.73,0.67,0.79和0.88,均呈显著正相关关系,其中灌浆—成熟阶段的土壤有效积温与产量关系最为密切.玉米产量与阶段JP,TP,FP和MP在10 cm深度土层平均盐分质量比的r分别为-0.48,-0.47,-0.59和-0.61,呈负相关关系,其中抽雄-灌浆和灌浆-成熟阶段的平均盐分质量比与产量之间具有统计学意义.玉米产量与阶段JP,TP,FP和MP的地上干物质变化量的r分别为0.92,0.71,-0.14和-0.25,其中播种—出苗和出苗—抽雄阶段呈显著正相关关系.

土壤有效积积温和盐分均会在一定程度上影响同一生育阶段地上干物质变化量,其中在播种—出苗阶段最为明显(r=0.81),达到显著水平,而土壤盐分可能在一定范围内与地上干物质量存在明显相关性.同一生育阶段,土壤盐分质量比和有效积温呈负相关关系,灌浆—成熟阶段影响最明显(r=0.67),达到显著水平.

3 讨 论

3.1 覆膜类型对土壤盐、热的影响

适宜的农田盐、热条件是保证玉米正常萌发和生长的重要基础,也是提高作物产量和水分利用效率的重要因素.文中生物可降解地膜前期增温效果略低于普通聚乙烯地膜和高强度可回收地膜,这与李仙岳等[16]研究结果有所不同,可能是由灌溉制度、气候条件和生物可降解膜工艺等因素造成的;中后期覆膜与不覆膜处理土壤温度和有效积温差距缩小,主要原因是随着气温逐渐升高和春玉米生长发育[17],玉米叶面积指数不断提高,作物覆盖度增加,冠层产生了遮光作用,达到地表的太阳辐射量大幅度减弱.因此,地膜增温作用主要发挥在春玉米播种后60 d内大气温度较低的时期,其中高强度可回收地膜前期增温效果最佳,普通聚乙烯地膜次之,生物可降解地膜略差,但均在一定程度上缓解了河套灌区玉米生育前期面临土壤积温不足的问题.播种60 d后,各处理同一深度下土壤温度开始接近,地温差基本处于约0.5 ℃,刘胜尧等[18]也得出类似的结论.

张景俊等[19]研究结论认为,生物可降解地膜覆盖下作物生育期内0～40 cm深度土层的电导率与普通聚乙烯地膜处理无显著差异,但都明显低于不覆膜处理;一些研究也表明,生物降解膜的抑盐效果明显,使得盐分始终集中于30 cm以下,脱离作物生长的主要根区[20].不同覆膜类型下压盐效果的差异与试验区气象、土壤质地和灌溉措施等存在一定相关性,但覆膜明显抑制了土壤盐分往作物耕层聚集,改善了作物的生长环境.文中研究发现覆膜主要影响(10,30]cm深度土壤盐分的分布,处于(30,60]cm深度土壤盐分质量比变化不明显,基本都在0.8～1.1 g/kg.土壤中盐分随水移动,不覆膜处理因水分蒸发易产生盐分向土壤表层聚集,几种覆膜均有效阻断了“土壤-大气”之间的水热交换,明显阻控盐分积累,使盐分有效脱离玉米生长的主根区,降低作物受盐分胁迫的危害.

3.2 覆膜类型对春玉米生长的影响

覆膜措施有助于加快玉米生长发育,缩短生育期.根据地膜对作物生育进程的影响情况,高强度可回收地膜与传统聚乙烯地膜差异不大,该现象与戚瑞敏等[12]在棉花上的研究结果相似.覆膜处理可明显加快玉米生育进程[12],玉米的生育期以高强度可回收地膜和普通聚乙烯地膜最短,均为130 d,生物可降解地膜和不覆膜分别为133和138 d,且生物可降解地膜和普通聚乙烯地膜间差异不具有统计学意义.

覆膜措施亦有效促进了玉米前期营养生长,有利于作物生殖生长,为提升产量和资源高效利用奠定了基础.BU等[21]通过2 a的研究结果表明,覆膜有利于促进玉米各个时期增加作物地上干物质量,与不覆膜处理相比,最终干物质累积量覆膜处理平均提高了25.8%.文中研究表明,覆盖措施主要促进玉米生育前期地上干物质量的积累,其中以普通聚乙烯地膜促进效果最明显.主要原因是不同处理下,土壤温度、盐分的差异影响着玉米地上干物质积累量,而玉米生育后期,由于气温升高、地膜逐渐出现破损以及植株生长产生遮荫效应等,此时覆膜效应被大幅度削减,对玉米地上干物质积累量的作用相较不覆膜处理不显著.

戚瑞敏等[12]认为与PE地膜相比,高强度地膜可以明显提高棉花苗数、真叶长出率、株高、开花数、花蕾数、株铃数及产量,且在一定程度上提高了作物生产效益,利润率高达9.5%,具有较好的综合效益.同时,郭怡婷等[22]研究发现生物可降解膜较PE地膜产量有所下降,水分利用效率较低,甚至部分生物可降解膜显著降低了WUE,这与文中研究的结果有所不同,可能与生物可降解地膜应用的气候环境条件等不无关系.文中研究表明高强度可回收地膜、生物可降解地膜和普通聚乙烯地膜均能显著提高作物产量与水分利用效率,且各覆膜处理间差异不具有统计学意义.其中处理HS的总耗水量略大的原因可能是其对春玉米生育前期的营养生长促进作用最好,此时春玉米干物质量等较大,生长发育的需水量最多,导致土壤储水量变化幅度显著高于其他处理的.

3.3 盐、热、干物质与产量之间的相关性

董云云等[23]认为作物产量与结荚期外的其他生育阶段内土壤温度具有一定的正相关性,与出苗期电导率呈极显著正相关;此外,出苗期土壤温度与同期土壤电导率极显著正相关.文中研究表明每个生育阶段的有效积温和盐分均会在不同程度上影响作物产量,其中作物生育后期土壤盐热条件对产量的影响最显著.生育前期地上干物质变化量对产量影响显著,而生育后期相关性不明显;此外,土壤有效积温显著影响作物前期地上干物质量,主要原因可能是土壤有效积温和盐分对作物生长和产量的影响是累加效应,只有前期营养生长表现良好,才有可能为后期生殖生长和产量的提高打好基础.

4 结 论

1) 覆膜措施主要影响玉米生育期前期(播种后60 d内)土壤温度,普通聚乙烯地膜、高强度可回收地膜和生物可降解地膜相比不覆膜,主根区(0～40 cm)有效积温在玉米生育前期分别提高64.1,61.4和52.5 ℃;高强度可回收地膜相比其他覆膜抑制土壤盐分上移和表聚的效果最佳.

2) 对玉米的生长发育而言,普通聚乙烯地膜、高强度可回收地膜和生物可降解地膜相比不覆膜,分别缩短了玉米生育期进程8,8和5 d;对于地上干物质量积累量,在出苗期和抽雄期各覆膜均显著高于不覆膜(P<0.05),且抽雄期普通聚乙烯地膜显著高于生物可降解地膜(P<0.05),这说明普通聚乙烯地膜和高强度可回收地膜更能促进玉米生育期前期和中期的玉米生长发育.

3) 普通聚乙烯地膜、高强度可回收地膜和生物可降解地膜相比不覆膜,分别显著提高产量12.8%,10.3%和14.3%(P<0.05),分别显著提高水分利用效率(WUE)12.8%,4.8%和17.0%,同时,不同覆膜类型之间差异不具有统计学意义(P>0.05).

4) 产量相关要素分析表明,玉米产量与全生育期10 cm深度土层土壤的有效积温呈显著正相关关系(R2=0.758 18),也与收获时地上干物质积累量呈显著正相关(R2=0.510 86),生育前期土壤有效积温显著影响地上干物质量积累,后期土壤盐热条件及干物质累积对作物产量同样产生重要影响.