不同地膜对土壤水热状况和冬小麦植株氮素的影响

2018-03-21王星垚李援农银敏华徐袁博任全茂徐路全

节水灌溉 2018年2期

王星垚，李援农，银敏华，徐袁博，任全茂，徐路全

(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100)

地膜覆盖是一种农业栽培措施，能够保水保墒，改善土壤理化性质，抑制杂草生长，从而提高作物产量。地膜覆盖技术在我国推广以来被广泛应用。据统计，我国地膜年产量已达230 万t，覆盖面积达0.253 亿hm2，成为世界上农膜生产和使用最多的国家[1,2]。随着地膜的推广应用，其负面效应也越来越显著，大量残膜会破坏土壤结构，危害作物正常生长发育，影响农田生态环境，从而造成作物减产[3,4]。为了避免残膜带来的白色污染，保护农田生态环境，降解膜应运而生。周昌明等[5]等研究表明降解膜覆盖可有效促进玉米根系生长、提高产量，谷晓博等[6]研究发现降解膜覆盖还可以有效降低油菜籽粒中对人体健康不利的芥酸和硫苷含量，提高油菜品质。同时，研究者发现不同颜色地膜对土壤的水热条件和作物的生长影响也不同。为了最大限度的提高产量，许多学者针对地膜颜色进行了大量研究，主要以马铃薯、甘蔗、辣椒等经济作物为主，其中毛玉乾等[7]研究发现对于马铃薯种植黑色地膜比白色地膜覆盖产值增加，高运青等[8]研究发现覆黑膜可使绿豆产量较覆白膜增加，银敏华等[9]研究发现垄覆黑膜较垄覆白膜可显著提高玉米的籽粒产量。但是不同颜色地膜对冬小麦的研究较少。因此在地膜选择上，本试验采用降解膜、黑膜和普通膜作为试验地膜。此外，氮素在植株体内的转移特性对于确保碳水化合物、含氮磷等营养物质从营养器官向籽粒的调运[10]，保证小麦的高产优质有重要意义，但是不同地膜对小麦生长后期氮素的积累转运的影响也研究较少。为了研究不同颜色、不同材质的地膜对小麦生长的影响，本试验采用普通透明膜、降解膜、黑膜3种地膜进行覆盖，探讨不同地膜对各生育阶段土壤水热状况、水分利用效率及冬小麦生长后期氮素积累和转运的影响，以期为覆膜技术在冬小麦生产的进一步发展应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

2014-2015和2015-2016年的2 a试验在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室试验站进行。试验站地处北纬34°17′38″，东经108°04′08″，属暖温带季风半湿润气候区，海拔521 m，干燥度1.50，年昼夜温差平均为11.5 ℃，年平均气温为13 ℃，多年平均蒸发量为1 500 mm，年平均降雨量为635.1 mm，且主要集中于7-9月，无霜期208 d。地下水深度大于60 m，属半湿润易旱地区。土壤为重壤土，耕层平均土壤容重为1.42 g/cm3，田间持水量θf(质量含水率)为23%～25%，试验地土壤有机质含量为10.63 g/kg，全氮含量为0.96 g/kg，硝态氮含量为72.69 mg/kg，速效磷含量为12.41 mg/kg，速效钾含量为146.52 mg/kg，pH=8.11，土壤肥力比较均一。

2014-2015和2015-2016年冬小麦生育期各月降雨量和平均气温如图1所示。2015年1月气温(0.9 ℃)显著大于2016年1月气温(-1.1 ℃)，其他月份相差不大。2014-2015年生长季3、4月降雨较多，分别为55.1、98.2 mm，2015-2016年生长季10、11月降雨较多，分别为55.9、47 mm。

图1 2014-2015和2015-2016年冬小麦生育期内各月降雨量和平均气温Fig.1 Monthly total rainfall and mean temperature of winter wheat in 2014-2015 and 2015-2016

1.2 试验设计

本试验采用起垄覆膜沟播的种植方式，该种植方式主要包括“垄”和“沟”两个构件，垄即集水区，沟即种植区，可大幅度改善植物种植区的水分状况，集雨程度高，减少地面无效径流，提高水分利用效率[11-13]。试验所用3种薄膜膜宽80 cm，膜厚0.008 mm，选择小偃22号为供试品种。共设置4个不同处理，处理组合如下：CK，平作不覆膜(对照)；P，垄覆普通透明膜；J，垄覆降解膜；H，垄覆黑膜。每个处理重复3次，共12个小区。小区面积为14 m2(3.5 m×4 m)，随机区组排列，每个小区起垄4行，3个种植沟，垄上覆膜，每个种植沟内种4行小麦，小麦在拔节期灌水60 mm。试验区四周布置2 m宽相同作物保护带。

试验田于播种前10 d深翻并平整田地，挖沟起垄，垄宽40 cm沟宽60 cm，小麦植于沟内垄两侧，播种量为150 kg/hm2。各处理于翻地前均匀撒施氮肥(尿素，N 46%)120 kg/hm2(纯N)、磷肥(磷酸二铵，P2O548%)150 kg/hm2(纯P2O5)和钾肥(硫酸钾，K2O 50%)60 kg/hm2(纯K2O)，后期不再追肥。其他管理措施同一般高产田。2014年10月17日播种，2015年6月5日收获；2015年10月15日播种，2016年6月8日收获。

1.3 测定方法和项目

1.3.1 土壤水分含量

用土钻取样，并用烘干法测定土壤含水量。在小麦的越冬期、返青期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期选择晴朗的天气对不同处理种植沟内0～100 cm土层进行土壤水分变化监测，播种前和收获后测定深度为0～200 cm，每10 cm为一土层单位。

(1)

式中：P0为铝盒重，g；P1为湿土重+铝盒重，g；P2为烘干土重+铝盒重，g。

1.3.2 土壤温度

在作物的越冬期、返青期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期选择晴朗天气采用曲管地温计(置于各处理冠层覆盖度相近的位置)测定不同处理地面下5、10、15、20和25 cm深度处的土壤温度，观测时间分别为8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00，取其平均值作为日平均土壤温度，同时记录气温。

1.3.3 水分利用效率

WUE=Y/ET

(2)

ET=P+W1-W2+I

(3)

式中：WUE为作物水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为籽粒产量，kg/hm2；ET为作物耗水量，mm；P为作物生育期降水量，mm；W1为播前200 cm土壤含水量，mm；W2为收获时200 cm土壤含水量，mm；I为生育期内灌水量，mm。

1.3.4 产量

冬小麦成熟后在各处理的小区随机取样1 m2，测量其穗数、千粒重、穗粒数，最后推算出各处理的产量。

1.3.5 植株全氮含量

分别在开花期取不同处理的茎、叶、颖壳，成熟期取不同处理的茎、叶、颖壳、籽粒作为植物样并研磨成粉，用称量纸称量0.1 g的植物样，把称量好的植物样放入消煮管中，并分别加入5 mL浓硫酸。首先将消煮炉打开升温至250 ℃，然后将放样后的消煮管架在消煮炉上加热15 min，加入1～2 mL过氧化氢，升温至350 ℃；15 min之后再次加入1～2 mL过氧化氢，检查消煮管是否消煮完全，若含有黑色残留物则继续加入1～2 mL过氧化氢直至消煮完全，调温至250 ℃关掉消煮炉。将消煮好的样冷却10 min后，先用洗瓶润洗一下，然后用蒸馏水定容至消煮管100 mL刻度线处，后按顺序倒入白色瓶中。将定容好的溶液吸取5 mL用蒸馏水定容至25 mL即上机用样，最后用植物全氮流动分析仪上机用样即可得到植株的全氮含量。

植株氮素转运量及转运率的计算公式如下:

营养器官氮素转运量=营养器官开花期氮素含量(g)-营养器官成熟期氮素含量(g)

(4)

(5)

2 结果与分析

2.1 不同地膜覆盖的土壤水分效应

农田水分状况会对农作物的生理活动产生直接影响，尤其在干旱少雨地区，土壤水分含量更是限制当地作物生长发育的主要因素，直接决定了作物产量的高低[14]。不同处理0～100 cm土层的平均土壤含水量在各个时期的变化如图2所示。

图2 不同处理各生育阶段土壤含水量Fig.2 Soil moisture content under different treatments

由图2分析知，冬小麦两个生长季由于降雨情况不同，土壤含水量在各个时期略有不同，但不同处理在2 a内同一时期的变化趋势相似。越冬期气温低、光照少，各处理之间的土壤含水量相差不大。进入返青期后随着光照增多，覆膜处理的土壤含水量开始大于不覆膜处理，但不同地膜之间的含水量差异并不明显。拔节期后各覆膜处理之间差异开始明显，各处理间的土壤含水量表现为处理H>处理P>处理J。在冬小麦生长后期，随着冠层覆盖度的增大，棵间蒸发也越来越少，覆膜处理和不覆膜处理之间的差异开始减少。

2014-2015年生长季， P、J、H处理的全生育期平均土壤含水量分别较处理CK提高8.94%、7.56%、9.54%。2015-2016年生长季，P、J、H处理的全生育期平均土壤含水量分别较处理CK提高7.15%、4.28%、9.46%。由此可见，覆膜可有效增加 0～100 cm土层的土壤含水量，不同膜之间，黑膜的保墒效果最好，普通膜次之，降解膜稍差。

2.2 不同地膜覆盖的土壤温度效应

土壤温度是土壤热状况的综合表征指标，受土壤理化环境及大气温度等多方面因素影响，有较强烈的日变化与季节变化，对作物的生长有一定的影响[15]。2014-2015年生长季和2015-2016年生长季的0～25 cm土层的土壤温度变化规律基本一致，现以2015-2016年生长季为例进行分析。2015-2016年不同处理的各生育阶段0～25 cm土层土壤温度如图3所示，2 a生育期内日均土壤温度如图4所示。各处理在相同土层的地温日变化呈现出相同的规律性：不同处理在5、10及15 cm 土层日变化均表现为先上升后下降的趋势；不同处理5 cm土层地温日变化较剧烈，10及15 cm 表现为随土层的加深日变化趋缓，20和25 cm土层地温日变化呈缓慢上升趋势；不同处理间相同土层地温日变化的差异性随土层的加深而逐渐减弱。不同土层的增温峰值随土层的加深而依次后移，5 cm土层的土壤最高温出现在14∶00，随着土层的加深，最高温出现的时间延后。

图3 2015-2016年各处理冬小麦生育期土壤温度日变化Fig.3 Soil temperature under different treatments in 2015-2016

图4 各处理冬小麦生育期内日均土壤温度Fig.4 Daily mean soil temperature under different treatments

由图3和图4综合分析知，在开花期之前，相较不覆膜处理，覆膜处理会明显提高土壤温度，尤其是土壤表层温度。2015-2016年生长季中，处理CK、P、J、H在开花期之前0～25 cm土层的平均土壤温度为10.38、11.79、11.76、11.09 ℃，处理H较处理P土温低，处理P、J之间差异不显著。黑色地膜比普通透明地膜土壤温度低，分析原因可能与塑料薄膜的反射、吸收、透光等热特性有关[16]。黑色地膜透光率差，光照在地膜上就转化为热量，吸收的太阳能通过辐射和强制对流散失到大气中，这种热量的扩散可能导致黑色地膜的增温性不及普通透明地膜[17]。降解膜与普通膜的处理之间土壤温度差异性并不显著，说明两种膜的保温效果相当。

开花期之后，处理CK、P、J、H在0～25 cm土层的平均土壤温度为20.27、20.07、19.49、18.84 ℃，相较于不覆膜处理，各种膜的增温效果并不显著，甚至低于不覆膜处理，分析原因可能是生长后期覆膜处理的长势较好，遮阴程度高于不覆膜处理，地表光照减少，地膜的增温效应降低，使覆膜处理与不覆膜处理的地温相差较小。

2.3 生长后期不同地膜覆盖的冬小麦植株氮素积累转运情况

氮素是一种重要的营养元素，是调控叶片光合能力最有效的因子之一，对提高小麦产量有重要作用[18，19]，植物全氮能直接反映植物的氮素营养状况。表1为不同处理下冬小麦生育期内各器官中的氮素积累量变化情况。

表1 各处理冬小麦不同器官氮素积累量 mg/g

由表1分析知，2 a内覆膜处理开花期和成熟期各营养器官及籽粒的氮素积累量均显著高于CK处理，表明覆膜有利于小麦植株氮素的累积。同时，各个覆膜处理之间，开花期茎、叶、颖壳的2 a平均氮素积累量H处理分别高于P处理11.95%、6.74%、10.78%，高于J处理11.83%、5.59%、4.60%，2 a内处理P、J之间的氮素积累量差异均不显著，但是营养器官的氮素总量各处理间差异显著，2 a内均表现为处理H>J>P。2 a内成熟期H处理之间茎叶壳、营养器官及籽粒的氮素含量均高于P、J处理，但各处理之间的差异并不显著。

表2为不同处理对冬小麦各器官开花前储存氮素向籽粒转运的影响试验结果。

表2 各处理冬小麦不同器官中开花前贮存氮素向籽粒的转运情况Tab. 2 Translocation of pre-anthesis stored nitrogen in various organs under different treatments

由表2分析知，2 a内覆膜处理生长后期茎叶壳向籽粒的氮素转运量均显著高于CK处理，但营养器官总体转移率与处理P、J之间无显著差异，表明覆膜有利于冬小麦植株氮素的转运。同时，各个覆膜处理之间，2 a内H处理的营养器官总体氮素转移量及转移率均显著高于P、J处理。其中2014-2015年H处理叶的氮素转移量高于P、J处理11.20%、19.41%，转移率高于P、J处理3.42%、10.34%，茎壳的氮素转移量及转移率之间无显著差异；2015-2016年H处理茎的氮素转移量高于P、J处理23.16%、19.6%，转移率高于P、J处理7.85%、7.21%，叶壳的氮素转移量及转移率之间无显著差异。2 a内处理P、J茎叶壳及营养器官总体的氮素转移量及转移率之间均无显著差异。

2.4 不同地膜覆盖对小麦产量及水分利用效率的影响

作物产量是反应小麦生长情况的一个重要指标。表3为不同地膜覆盖下的小麦产量、产量构成因素及水分利用效率。由表3分析知，2 a内覆膜处理的千粒重、穗粒数及产量均显著高于不覆膜处理，表明覆膜有利于提高小麦的产量。2014-2015年H处理的千粒重和穗粒数与P、J处理无显著差异，籽粒产量较P、J处理增加7.24%、7.76%。2015-2016年H处理的千粒重较J处理高7.97%，与P处理无显著差异；穗粒数较P处理低9.63%，与J处理无显著差异；籽粒产量较P、J处理增加7.69%、6.45%。2 a内处理P、J的千粒重、穗粒数及产量之间均无显著差异。

2 a内CK处理的耗水量均大于覆膜处理，2014-2015和2015-2016年P、J、H处理的耗水量低于CK处理6.61%、5.59%、8.43%和4.31%、3.76%、7.20%。冬小麦的水分利用效率和产量变化类似，覆膜处理显著高于不覆膜处理，H处理显著高于P、J处理，H处理2 a平均水分利用效率较P、J处理高9.90%、11.05%。2 a内处理P、J的水分利用效率之间无显著差异。

表3 各处理冬小麦的千粒重、穗粒数、产量、耗水量和水分利用效率Tab.3 Thousand kernel weight,grain number per panicle,yield,evapotranspiration and WUE under different treatments

3 讨论

3.1 不同地膜覆盖对土壤水热条件的影响

地膜覆盖有一定的增温保墒作用。覆盖物切断了地面与大气之间的直接接触，在温度较高的白天可以有效阻断太阳光对地面的直接辐射，在温度较低的夜晚可以防止土壤温度的散失，改善土温状况。此外，地表的覆盖物能将大部分热量反射到大气，可以有效减少表层土壤的无效蒸发，少量蒸发的水分还可以凝结附在地膜上，最终又落到土壤上，可以有效切断土壤蒸发这一水分散失途径，从而起到保蓄土壤水分的作用[20,21]。

不同地膜因材质、颜色不同，导致其透热率、透光率不同，对土壤水热条件的改善情况也不一样[22]。普通农膜是人工合成的高分子化合物，分子结构异常稳定，在自然环境下很难降解，其残膜甚至可以在土壤中存留上百年[23,24]。农膜残片积留对农田环境有很大危害，会影响农作物根系伸展，影响农田机械操作，影响农田土壤结构，影响正常灌溉，甚至随作物秸秆进入饲料，造成农畜误食残片而死亡。使用可降解膜可有效降低和减少农业环境污染。申丽霞等、银敏华等[25,26]研究发现降解膜对土温及玉米生长的影响与普通膜相当，杨海迪等[27]通过2 a大田试验得出降解膜和普通膜0～200 cm 2 a的平均土壤含水量分别较CK增加15.9%和15.7%，研究表明降解膜在土壤水分的保持方面与普通膜也没有显著差异。本试验中，P、J处理2 a内0～25 cm土层的平均土壤温度较CK处理高9.87%、8.26%，2 a内0～100 cm土层的平均土壤含水量较CK处理高8.05%、5.92%，普通膜和降解膜均有显著的增温保墒效果，但两种膜的增温保墒效果相当，从长远效益和环境保护来看，可以使用降解膜代替普通膜用于冬小麦的种植。

关于黑膜对土壤水热条件的改善情况，前人的研究结果不尽相同，许树宁等、周丽娜等[28,29]研究发现地膜颜色越深，增温效果越小，黑膜相对透明膜增温较少，曹寒等[30]研究发现黑膜较白膜能显著提高土壤有效积温。本试验中，在越冬期和返青期黑膜和透明膜对土壤的保温作用相当，返青期之后，黑膜和透明膜的保温效果开始出现差异，与透明膜相比，黑膜能显著降低土壤表层温度(P<0.05)。2 a内0～100 cm土层平均土壤含水量黑膜和普通透明膜分别较处理CK提高9.50%、8.05%，黑膜的保墒效果优于透明膜，这与大多数前人的研究一致。

3.2 不同地膜覆盖对小麦生长后期氮素转移的影响

冬小麦籽粒的氮素主要来源于开花前营养器官贮存的氮向籽粒的转移以及冬小麦对土壤氮的吸收[31]。杨俊峰等[32]研究发现地膜覆盖可促进冬小麦生长后期氮素的转运积累，因为地膜覆盖可以提高早春土壤温度，改善土壤水热环境，使冬小麦在返青期就有良好的生长优势，造成同化物的冗余，从而在生长后期促进茎、叶、颖壳各营养器官氮素向籽粒的转移。本试验中2014-2015年度降解膜和普通膜的籽粒氮素含量为20.15、20.09 mg/g，营养器官向籽粒的氮素转运量为39.43、40.36 mg/g，转运率为68.04%、71.10%，2015-2016年度降解膜和普通透明膜的籽粒氮素含量为19.54、19.43 mg/g，营养器官向籽粒的氮素转运量为40.67、39.09 mg/g，转运率为69.66%、69.45%，2 a内降解膜和普通膜的氮素积累转运量无显著差异，并且试验得出降解膜和普通膜的增温保墒效果相当，相似的土壤水热环境使冬小麦生长后期的氮素积累转运情况也相差不大，这与杨俊峰等[32]的研究结果一致。相比透明膜，黑膜处理各营养器官的氮素积累量及向籽粒的转运量均有提高，究其原因可能是黑膜的增温效果不及透明膜，但保墒效果要高于透明膜，因此黑膜覆盖下的土壤水热环境可能更有利于冬小麦氮素的积累和转运，也可能是黑膜除草效果优于透明膜，冬小麦因缺少杂草与其争夺水分和养分，促进了籽粒氮素的积累，具体原因尚需做更多研究。

4 结语

(1)地膜覆盖可以显著增加土壤的含水量，提高冬小麦的水分利用效率，具有良好的保水保墒效果。试验发现黑膜的保水性最好，普通膜次之，降解膜由于后期的降解作用保水性稍差。同时，黑膜处理良好的水热条件使其水分利用效率也显著高于普通膜和降解膜。

(2)地膜覆盖可以有效提高开花期之前的土壤温度，开花期之后由于作物长势茂密，减少了大田的地表光照，增温效果并不显著。普通膜和降解膜对土壤的增温效果良好且无显著差异，黑膜由于透光性差，对土壤的增温效果并不明显。

(3)地膜覆盖能促进冬小麦生长后期氮素的积累转运，黑膜覆盖下的冬小麦植株氮素积累量及转运率优于普通膜和降解膜，普通膜和降解膜之间无显著差异。

(4)从作物效益、土壤水热状况、养分积累等方面考虑，黑膜可代替普通膜用于冬小麦的农田种植。从环境方面考虑，可使用降解膜代替普通膜用于冬小麦种植。

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