揭膜对土壤温湿度及棉花根系发育的影响

张占琴，魏建军，杨相昆，李生秀

(1.新疆农垦科学院作物所， 新疆 石河子 832000； 2.新疆农垦科学院棉花所， 新疆 石河子 832000)



揭膜对土壤温湿度及棉花根系发育的影响

张占琴1，魏建军1，杨相昆1，李生秀2

(1.新疆农垦科学院作物所， 新疆 石河子 832000； 2.新疆农垦科学院棉花所， 新疆 石河子 832000)

摘要：为缓解残膜污染对棉田生态的影响，在新疆农垦科学院作物所1～2号试验地进行了棉田揭膜试验，研究头水后揭膜和2水后揭膜对土壤温湿度和棉花根系发育的影响，以期为新疆滴灌棉田揭膜工作的开展提供理论依据。本研究设置头水后(6月14日)和2水后(6月23日)揭膜两个处理，以正常覆膜为对照，连续测定头水后到灌溉结束棉田土壤温湿度的变化，同时测定棉花根系发育及干物质积累动态，成熟期进行产量测定。结果表明：7月5日之前，揭膜会降低土壤温度且幅度随着深度增加逐渐减少；4水前揭膜会降低土壤湿度，降低幅度随着浇水后天数增加逐渐变大。揭膜可促进棉花根系提前建成，增加干物质的积累量及侧根数的发生。揭膜处理地上部干物质积累线性增长期较CK缩短8.54～12.72 d，根系干物质积累时间缩短9.91～11.68 d。揭膜处理干物质积累量较CK增加12.34%和11.67%，产量较CK增加6.0%～8.3%。

关键词：揭膜；土壤；温湿度；根系；棉花

新疆从20世纪90年代推广棉花膜下滴灌种植技术，推动了棉花产业的飞跃发展。但随着地膜覆盖技术的长期和大范围应用，以及地膜不易分解的特性，农田“白色污染”正逐年加重，土壤结构恶化，引发次生盐渍化、棉花减产易早衰等问题[1-3]，地膜覆盖技术的增产效应正在递减。目前新疆地膜栽培面积300万hm2，残膜污染面积超过60%，兵团的残膜残留为261.1 kg·hm-2，地膜种植十五年以上的耕地，棉花减产10%～23%[4-5]。目前，越来越多的学者开始关注棉花产业的可持续发展，致力于解决棉花发展中的瓶颈问题，回收地膜是残膜治理工作的重要措施之一。目前国内关于棉田揭膜的文献较少，缺乏系统性研究，特别是揭膜后棉花根系方面的研究，罗磊等[6]阐明了做好棉田揭膜工作的必要性，肖晶荣[7]、孔星隆[8]和楼理铭[9]比较了棉花在沟灌条件下不同生育期揭膜的差异，提出头水前揭膜对棉株损伤小，产量影响较小。张俊业[10]研究表明初花期揭膜有利于棉花优质高产。买文选等[11]研究了膜下滴灌棉花早衰发生的可能机制。宿俊吉[12-13]、肖光顺等[14]比较了揭膜棉花根际温度和产量差异。李生秀等[15]报道了头水前揭膜条件下棉田不同土层地温、棉花生理参数的差异。

除了高强力地膜和卷膜机械的研制工作外，头水或2水前后揭膜对棉花生长及产量的影响是该项工作能否顺利开展的关键。本研究在揭膜条件下对土壤温湿度进行连续测定，比较揭膜条件下根系发育的异同，探讨棉田揭膜的可行性，为揭膜工作的大面积开展应用提供理论依据，对新疆棉花生产的可持续发展具有重要意义。

1材料与方法

1.1试验田条件

新疆农垦科学院作物所1～2号试验地位于北纬44°19′, 东经86°03′。试验地为壤土，有机质含量28.0 g·kg-1，全氮1.78 g·kg-1，水解氮169 mg·kg-1，速效磷92.0 mg·kg-1，速效钾669 mg·kg-1，pH 8.08。2011年5—8月≥10℃的有效积温为1 693.1℃，降雨总量121.2 mm。

1.2供试品种及试验设计

供试品种：新陆早42号；设三个处理：头水后(6月12日，出苗天数42 d)揭膜、2水后(6月23日，出苗天数53 d)揭膜和正常铺膜(CK)。试验采用随机区组设计，3次重复，共9个小区。膜宽1.45 m，3膜六行种植模式，每条膜设为一个小区，小区行长20 m，每小区面积为34 m2。

1.3测定方法

棉田土壤温度测定：U盘式温度计(microlite,美国)自棉花播种起到收获，每天连续监测棉花宽行间5 cm、15 cm、20 cm深地温，每日地温均为0点到23点的24小时平均温度。

土壤含水量测定：使用Mintrase水分测定系统，头水前1天至停水后7天，每天上午10点连续测定0～15 cm、0～30 cm深度的水分含量，棉花宽行和窄行间各测一点，二者平均为该处理土壤含水量。

棉花根系测定：在棉花开花期和盛铃期，选择两小行生长均匀、无缺苗、无大小苗棉花，取30×30×30 cm3范围内棉花根系，每10 cm一个深度挖取根样，用流水冲洗干净，检出活根系，观察并记录表面根系的变化(生长方向的变化、形态的变化，)自然风干，称取根系干物质重，数侧根数，折算成每平方米的根系重量和侧根数。

棉花干物质及相关生理参数测定：棉花出苗后分别于20、45、60、75、90、105、120 d，取3株(占地面积0.2 m2)，用打孔法测量叶面积；将根、茎、叶、叶柄、花、蕾、铃分开，风干后称重，计算各时期生物产量；计算叶面积指数。

Logistic方程模拟

用Logistic方程拟合棉花根系和地上部干物质积累变化规律，Logistic方程和几个特征值：Y=K/〔1+(Exp(a+bt)〕，Y为棉花干物质积累量，t为棉花出苗后天数，a、b、K为待定系数都有一定生物学意义。通过求二阶导得出t1与t2。在0～t1时间内，干物质积累呈缓慢上升的趋势；在t1～t2时间内干物质的积累速度加快，几乎呈直线增加趋势；在过了t2时刻后，积累速度又减缓下来。

1.4数据处理与分析

利用DPS V 9.01、EXCEL2007等软件进行数据分析，绘制图表。

1.5栽培技术措施

采用3膜6行方式种植，播幅5.1 m，株距10 cm，667m2理论保苗株数1.57万株。4月22日播种，5月1日出苗，5月3日放苗，7月4日打顶尖。全生育期共灌水8次，灌水量4 210.5 m3·hm-2。田间管理和大田一致。

2结果与分析

2.1揭膜对土壤温度和含水量的影响

2.1.1揭膜对土壤温度的影响表2是6月15日到8月5日每隔10天，土壤5 cm、10 cm和20 cm的温度变化情况。6月15日头水后揭膜5 cm、10 cm、20 cm的土壤温度分别为28℃、26.8℃、25.86℃，比CK降低1.01℃、0.81℃、0.59℃。6月25日，头水后揭膜和2水后揭膜5 cm的土壤温度分别为25.47℃、25.39℃，比CK降低0.33℃、0.41℃；10 cm的土壤温度分别为24.78℃、24.99℃，比CK降低0.42℃、0.41℃；20 cm的土壤温度分别为24.15℃、24.31℃，比CK降低0.45℃、0.29℃；温度降低的幅度没有明显差异。7月5日到8月5日，头水后揭膜和2水后揭膜5 cm的土壤温度和CK相比，有升有降，变化不大，差异不明显。7月15日到8月5日，头水后揭膜和2水后揭膜10 cm地温均表现出轻微下降，下降幅度从0.08℃～0.21℃，20 cm则轻微上升，幅度为0.07℃～0.28℃。

土壤温度的变化归纳起来主要表现为：7月5日以前，揭膜会降低土壤温度，降幅随土壤深度增加逐渐减少，降低最大值为6月15日5 cm深度的1.01℃，7月5日以后，揭膜对土壤温度没有明显影响。

表1　2011年棉田灌水时间及灌水量

表2　土壤不同深度温度变化/℃

注：日温度为每小时测定一次，24小时的温度平均值。

Note: Temperature was the average in 24 hours, which was determined every hour.

2.1.2揭膜对土壤含水量的影响图1和图2是不同处理头水到8水土壤0～30 cm含水量的变化情况。除灌水当日，4水前(7月11日)，头水后揭膜的土壤含水量均比CK低，最大为6月21日，较CK降低3.73%。4水到7水，二者差异不明显。8月1日—3日、7—9日头水后揭膜比CK高，4日到6日较CK低。7水后，除了8月19日、8月20日外，其余天数都比CK高，最高为8月17日较CK增加2.35%。

2水后揭膜在6月24—7月11号(2～3水)期间土壤水分含量均比CK低，最低为7月3日较CK低3.12%，6月24日与CK差距最小为0.23%。7月12日—7月30日(4～5水)，土壤含水量有增有减，没有明显的变化规律。7月31日到8月24日，除了8月22日比CK降低0.85%，其余均增加，幅度在0.08%～4.08%。

土壤含水量的变化归纳起来主要表现为：4水前，揭膜会降低土壤含水量，降幅随着浇水后天数推延逐渐变大，与CK最大差距为3.73%；4水后，揭膜处理对土壤含水量没有明显影响。

图1　0～30 cm 1水～4水土壤含水量变化趋势

图20～30 cm 5水～7水土壤含水量变化趋势

Fig.2Variation of soil moisture from the fifth irrigation to the seventh irrigation in 0～30 cm soil layer

2.2揭膜对棉花生长发育的影响

2.2.1揭膜对棉花根系发育的影响由表3可知：头水后揭膜、二水后揭膜的棉花根重在出苗后45天、60天，分别为23.6、70.2、22.4 g·m-2和74.7 g·m-2，CK为23.3、71.6 g·m-2，揭膜处理和CK相比没有显著差异。出苗后75天，头水后揭膜、二水后揭膜的棉花根重分别为115.6、119.2 g·m-2，显著高于CK的93.7 g·m-2，这种趋势一直保持到出苗后120天。

在出苗后65天和85天，测定了3个处理的侧根数(表4)。出苗后65天，头水后揭膜、二水后揭膜和CK的侧根数分别为170、175 根·m-2和170 根·m-2，没有显著差异。出苗后85天，头水后揭膜、二水后揭膜的侧根数分别为265、270 根·m-2，显著高于CK的215 根·m-2。可以看出，棉花头水前后揭膜可以促进棉花根系的生长。

表3　不同处理棉花根系干物质积累的变化动态/(g·m-2)

注：同一栏内不同字母所标数值在0.05水平上差异显著。

Note: Values followed by a different letter within a column were significantly different at the 0.05 probability level.

表4　不同处理棉花侧根数/(根·m-2)

2.2.2根系积累速率和干物质积累速率、冠根比的关系 棉花根系生物量积累与地上部干物质积累均呈S型曲线。北疆棉花根系从4月中下旬开始生长至10月底拔秆期结束，其过程可分为指数增长期、线性增长期和平稳减缓增长期三个阶段。由表5可知，棉花出苗后75天，头水后揭膜、2水后揭膜、CK根系生物量分别占最大生物量的60.97%、63.68%、55.09%，地上部干物质积累量占最大生物量的58.65%、52.57%、48.12%。可以看出，根系干物质积累早于地上部。比较不同处理之间的差异，头水后揭膜和2水后揭膜出苗后75天之内完成了60%以上的积累量，CK完成55.09%。相应的揭膜处理地上部干物质积累量在出苗后75天之内完成52%～58%，而CK完成48.12%。由此说明，揭膜处理能够促进棉花地上部和根系的提前建成。

表5　不同处理棉花干物质积累量与冠根比

由表5可知，成熟时头水后揭膜、2水后揭膜、CK，棉花的干物质积累量分别为：1 356.57、1 342.4、1 207.56 g·m-2。全生育期头水后揭膜棉花茎叶和蕾铃的干物质积累量均高于CK。而二水后揭膜出苗60天之内与CK接近，此时二水后棉花刚刚揭膜(揭膜后7天)，与CK长势基本一致，随着揭膜时间的延长，到出苗后75天，棉花茎叶和蕾铃的干物质积累量均高于CK。出苗后75天之内头水后揭膜棉花的冠根比较2水后揭膜和CK大，出苗后90天CK冠根比最高为5.91，出苗105天和120天，2水后揭膜的冠根比最高为6.19和7.17。

由表6可知，头水后揭膜、2水后揭膜、CK根系干物质的最快增长时期分别为出苗后68.9天、67.2天、71.7天，最大积累速率分别为3.92、4.04、2.81 g·d-1。头水后揭膜、2水后揭膜、CK地上部干物质最快增长时期72.2天、76.4天、81.1天，最大积累速率分别为21.43、21.87、17.68 g·d-1。揭膜处理根系干物质积累和地上部干物质积累均早于CK，最大积累速率也较CK大。揭膜条件下根系干物质积累的线性增加期，头水后揭膜为出苗后52.37～85.5天，二水后揭膜为51.49～82.85天，CK为50.17～93.20天，揭膜处理较CK缩短9.91～11.68天。揭膜条件下地上部干物质积累的线性增加期，头水后揭膜为出苗后51.30～93.17天，二水后揭膜为55.48～97.35天，CK为56.29～105.89天，揭膜处理的线性增长期较CK缩短8.54～12.72天。

表6　根系及地上部干物质积累Logistic方程

2.2.3揭膜对棉花产量的影响表7为不同处理的产量及构成。从表中可以看出，头水后揭膜和2水后揭膜产量分别为5 593.42 kg·hm-2和5 715.36 kg·hm-2，显著高于CK的5 277.79 kg·hm-2。从产量构成因素中可以看出，头水后揭膜和2水后揭膜单株成铃数分别为6.81个和6.95个，显著高于CK的6.95个。两个处理的收获株数及单铃重和CK没有显著差异，说明产量差异主要来源于单株成铃数的变化。

表7　不同处理棉花产量及构成

注：同一栏内不同字母所标数值在0.05水平上差异显著。

Note: Values followed by a different letter within a column were significantly different at the 0.05 probability level.

3讨论

棉花生长发育及残膜回收率与揭膜时间早晚密切相关，揭膜过早影响棉花发育，造成田间杂草较多，增加人工成本，揭膜过晚，给实际的田间操作造成困难，适时揭膜，尤为重要。吴振先[16]比较了头水前一次性揭膜回收和头水前揭去边摸，棉花收获揭行间膜，确定了最佳揭膜时间为6月30日，两种揭膜方式棉花产量差别不大。张克礼[17]进行了棉花浇头水前揭膜试验，比较了在阿拉尔垦区7月中旬到8月下旬揭膜与不揭膜温度差异，6月30日揭膜棉花的生物性状、经济性质和产量均达到较好的水平。本试验结果表明，在6月12日(头水前)和6月23日(2水前)进行揭膜对土壤的温湿度和棉花生长发育没有产生明显的不利的影响，前后10天左右的时间跨度，更有利于大田生产的实际操作。

棉田揭膜后随着土壤微环境的改变，棉花地上部生长与地下部根系发育产生相应的效应，据此可综合分析评价新疆棉田揭膜可行性，宿俊吉等[12-13]的研究结果表明：适时揭膜的根层5、10、15 cm处根际温度比全生育期覆膜平均低0.48℃。牛生和[18]的研究表明：在头水前揭膜棉花单株铃数、单铃重和产量与不揭膜区差异不大。宿俊吉等[11]的试验结果表明，揭膜促进棉花后期发育，可延缓地膜棉花早衰。本试验研究结果表明，7月5日以前，揭膜会降低土壤温度, 7月5日以后，揭膜对土壤温度没有影响。棉花头水后揭膜可以促进棉花根系的生长，头水后揭膜和2水后揭膜均可增产。为进一步揭示揭膜后土壤微环境的改变及地上部效应机制，我们将深入研究揭膜后根系、土壤酶活性及土壤盐分、养分的变化规律。

通过揭膜后棉田产生的效应机制，制定适合棉田揭膜的水肥运筹调控技术，对于棉田揭膜的大面积推广应用，具有实践指导作用，此项技术可在本研究结果的基础上，进一步深入研究。

4结论

棉花头水前后揭膜，此时地膜对棉花的保温保湿作用基本完成，不会对棉花生长发育造成明显的影响。7月5日以前，揭膜可以降低土壤温度，降低最大值为6月15日5 cm深度的1.01℃，7月5日以后，揭膜对土壤温度没有影响。4水前，揭膜可以降低土壤含水量，4水之后对土壤含水量没有显著影响。

揭膜可改变土壤的通透性，促进棉花根系的生长，出苗后75天，头水后揭膜、二水后揭膜的棉花根重分别比CK高18.94%和21.39%。揭膜处理地上部干物质积累线性增加长期较CK缩短8.54～12.72天，根系干物质积累缩短9.91～11.68天。

成熟时头水后揭膜、2水后揭膜干物质积累量分别为1 356.57、1 342.4 g·m-2，较CK分别增加12.34%和11.67%。揭膜处理产量较CK增加6.0%～8.3%，产量差异主要来源于单株成铃数的变化。

参 考 文 献：

[1]解红娥,李永山,杨淑巧,等.农田残膜对土壤环境及作物生长发育的影响研究[J].农业环境科学学报,2007,26(增刊):153-155．

[2]柴仲平,梁智,王雪梅,等.连作对棉田土壤物理性质的影响[J].中国农学通报，2008,24(8):192-195.

[3]南殿杰,解红娥,高两省,等.棉田残留地膜对土壤理化性状及棉花生长发育影响的研究[J].棉花学报，1996,8(1):50-54．

[4]刘建国,李彦斌,张伟,等.绿洲棉田长期连作下残膜分布及对棉花生长的影响[J].农业环境科学学报,2010,29(2)：246-250．

[5]刘建国,卞新民,李彦斌,等.长期连作和秸秆还田对棉田土壤生物活性的影响[J].应用生态学报，2008,19(5)：1027-1032.

[6]罗磊，陈志英.作好棉田揭膜工作[J].石河子科技，2001,(5):45．

[7]肖晶荣.何时揭膜最佳[J].中国棉花，1983,2(3):30．

[8]孔星隆.对棉花不同生育期揭膜的认识[J].新疆农垦科技，1992,3(1):30.

[9]楼理铭.不同时期揭膜对棉花生育的影响[J].中国棉花，1985,31(1):38．

[10]张俊业.初花期揭膜有利于棉花优质高产[J].中国棉花，1986,4(1):37．

[11]买文选，田长彦.膜下滴灌棉花早衰发生的可能机制研究-从生长与养分的角度[J].植物营养与肥料学报,2012,18(1):132-138．

[12]宿俊吉，邓福军，林海，等.揭膜对陆地棉根际温度、各器官干物质积累和产量、品质的影响[J].棉花学报，2011,23(2):172-177．

[13]宿俊吉，宁新柱，林海，等.揭膜对棉田土壤温度、棉花产量及环保的影响[J].西北农业学报，2011，20(3):90-94．

[14]肖光顺，李保成，董承光.揭膜对膜下滴灌早熟陆地棉生理指标的影响[J].中国棉花，2009,7(15):18-19.

[15]李生秀，张占琴，魏建军.不同覆膜方式对棉花生长的影响[J].新疆农业科学,2010，47(6):1218-1223．

[16]吴振先.头水前秋收后两次揭膜回收的实践[J].新疆农垦科技,1994,(2):35,37.

[17]张克礼.棉花浇头水前揭膜试验[J].新疆农垦科技,1994,25(3):34,42.

[18]牛生和，王华兵，朱环元.克拉玛依生态农业区揭膜对棉花生长的影响[J].新疆农垦科技，2007,5:14-15．

Effects of plastic film uncovering on soil temperature, moisture level, and cotton root growth

ZHANG Zhan-qin1, WEI Jian-jun1, YANG Xiang-kun1, LI Sheng-xiu2

(1.CropResearchInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationScience,Shihezi,Xinjiang832000,China;2.CottonResearchInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationScience,Shihezi,Xinjiang832000,China)

Abstract：To relieve the ecological influence by pollution of membrane residual in cotton fields and study the feasibility of uncovering plastic film at a suitable time in cotton with drip irrigation in Xinjiang, an experiment was carried out to investigate the effects of plastic film uncovering on soil temperature, moisture level , and cotton root growth .The results could provide a theoretical basis for plastic film uncovering in the mulched drip irrigation cotton field. Three treatments, including uncovering film after first irrigation (June 14), uncovering film after second irrigation (June 23), and normal film covering (CK), were implemented. Soil temperature and moisture level were determined continuously from first irrigation to last irrigation. At the same time, the dynamic accumulations of dry matter and root growth were monitored and the yield was examined at the mature stage. When plastic film was uncovered after first or second irrigation, soil temperature before July 5th was decreased, and amplitude was minimized with the increase in depth. Moisture level before fourth irrigation was also decreased, and the reduction amplitude became increased with time. Plastic film uncovering could promote cotton root growth, improve weight of dry matter and number of lateral roots. Compared with CK, uncovering plastic film resulted in the linear period of aboveground dry materials growth shortened by 8.54～12.72 d, linear period of root growth reduced by 9.91～11.68 d, dry materials improved by 12.34%～11.67% and yield increased by 6.0%～8.3%.

Keywords:uncovering plastic film; soil; temperature and moisture; root; cotton

中图分类号：S562

文献标志码：A

作者简介：张占琴(1983—)，女，硕士，副研究员，主要从事耕作与农作物栽培研究工作。 E-mail: zzq3000qwe@163.com。通信作者：魏建军(1966—)，男，博士，研究员，主要从事耕作与农作物栽培研究工作。 E-mail: xjwjj807@163.com。

基金项目：兵团科技攻关计划“不同覆膜方式对棉田土壤理化性状和棉花生长发育的影响”(2010GG05)；新疆农垦科学院青年科学基金项目“揭膜对棉田土壤性状、棉花生长及产量的影响”(YQJ201109)；谷物品质与遗传改良兵团重点实验室基金项目(CQG2012-XJ04)

收稿日期：2015-01-10

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.09

文章编号：1000-7601(2016)02-0055-07