地膜覆盖时间对新疆棉田水热及棉花耗水和产量的影响

祖米来提·吐尔干，林 涛，严昌荣，迪丽拜尔·迪力买买提，邓方宁，吴凤全，孔 松，汤秋香※

（1. 新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052；2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；3. 新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐 830091）

0 引 言

地膜覆盖具有增温[1-3]、保墒[4]、抑盐[5]和防杂草[6-7]等作用，是农业增产的重要支撑。近40 a来，地膜覆盖技术在新疆棉花栽培上广泛应用，目前新疆已成为中国最重要的优质棉生产基地，截止2016年，新疆生产了占全国60%的棉花[8]。常年高强度的连续覆膜种植下，难以回收的残膜对农田生态环境造成了严重污染[9-12]，影响了耕地质量和棉花可持续生产[13]。寻求既能保持地膜覆盖优势又能减少环境污染的途径已成为保证新疆棉田可持续性发展的关键。

前人对残膜问题进行了深入的研究，试图从 2个方面解决残膜问题。一方面是开发了降解地膜，降解地膜具有分解彻底，不产生二次污染的显著优势，目前研究主要集中于原材料组成、降解性能及不同种类可降解地膜的对比研究等方面[14]。但是，在新疆棉田实际应用中，降解地膜存在降解时间与作物生长不匹配[15]等诸多问题。另一个解决方法是地膜回收。残膜机械回收按照时间可以分为苗期回收、收获期回收和播前回收[16]。受到紫外线和机械碾压以及与土壤黏合等因素的影响，地膜抗拉能力会不断下降，因此苗期回收效率最高，而播前回收效率最低[17-18]，但苗期回收又常加剧土壤蒸发，造成干旱胁迫，不利于生长。可见探求适宜地膜覆盖时间，以最大限度的满足产量形成过程中对增温、保墒、防草等方面需求为依据，是确定适宜降解周期和回收时期的关键。针对上述地膜覆盖技术应用存在的不足和亟需解决问题，严昌荣等[19]提出了“作物地膜覆盖安全期”，该概念的提出对探寻地膜增温、保墒、抑盐、防草的环境效益与作物高产需求的平衡点奠定了基础，也为增强生物降解地膜的可控性，更好地满足作物生长的环境需求提供了思路。Hou等[20-21]研究表明地膜覆盖60～65 d之间有利于提高水分利用效率（water use efficiency，WUE）和产量。刘国顺等[22]试验结果表明，及时揭膜能促进烟株光、热及水分利用，使其快速生长。通过揭示这一环境效益，有望为今后按照作物种类、生态布局、环境需求、农事操作等特点，实现降解地膜可控产品的多元化、订单化、标准化提供理论依据，不仅能够更好地满足作物高产的需求，而且也利于降低降解地膜的成本。另一方面，合理的覆盖时间可以协调残膜机械回收时期与作物生长对增温、保墒等方面的基本需求，达到提高作物产量，增加回收效率的目的。目前关于地膜覆盖时间的研究主要集中于烟草、马铃薯、洋葱等作物的生长发育、产量、地温等方面[23-25]，然而关于地膜覆盖时间对棉花耗水、WUE和棉田地温系统研究鲜见报道。本文以南疆覆膜滴灌棉田为研究对象，设置不同地膜覆盖时间，分析棉田土壤水分时空变异和地温的差异，明确不同地膜覆盖时间对棉田耗水和WUE的影响，揭示棉花产量及产量构成因素对不同地膜覆盖时间下土壤环境因子变化的响应关系，为新疆棉田生物降解地膜安全评价、产品改进和标准化生产，以及合理的机械回收提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年和2017年在新疆农业科学院阿克苏阿瓦提棉花综合试验基地进行。试区位于塔里木盆地西北沿（40°06′ N，80°44′ E，海拔 1 025 m），所处地理位置属于温带大陆性干旱气候。年均降水量46.4 mm，蒸发量2 900 mm，日照时数2 679 h，≥10℃年积温3 987.7 ℃，无霜期115 d，农业生产完全依赖于灌溉。试验田地下水位40～50 m，地下水不能补给到作物根系分布层，向上补给量忽略不计。试验区土壤质地为砂壤土，田间持水率质量分数为28.92%，土壤肥力属于中等，播前0～40 cm土壤理化性状指标见表1。

表1 2016年和2017年供试0～40 cm土层土壤肥力状况Table 1 Fertility of tested soil at depth 0-40 cm in 2016 and 2017

1.2 试验设计

试验采用单因子随机区组设计，设置地膜覆盖 40、55、70、85、100 d和常规全生育期覆盖140 d共 6个处理，分别记为J1、J2、J3、J4、J5和CK。采用无色普通PE地膜（新疆独山子天利高新技术股份有限公司生产），1膜2管6行种植方式，地膜宽2.05 m，株行配置为窄行10 cm，宽行66 cm，株距11 cm，理论密度23.7万株/hm2。每小区长6.9 m，宽6.7 m，面积46.23 m2，每处理重复3次。为减小边际效益，小区第1、3幅膜为保护行，第2幅膜为调查取样小区。每个小区安装水表和电磁阀，滴灌带（新疆天业集团有限公司，石河子）位于宽行间距76 cm，每个滴灌带28个滴头，滴头间距25 cm，滴头流量 2.1 L/h。2016年和2017年棉花灌溉制度如表2所示，每7 d滴灌1次，全生育期共11次滴灌。基肥共施入尿素（含N≥46%）300 kg/hm2，过磷酸钙（P2O5≥12%）300 kg/hm2，农用硫酸钾（K2O≥50%）150 kg/hm2。降水量及气温等常规气象参数均由田间气象站测定（WatchDog 2900ET Weather Station, Spectrum, Inc,USA），2016—2017年棉花生育期内降雨量分别为45.2、132 mm。2016年于4月8日播种，9月21日收获，总计163 d，生育时期137 d（苗期～吐絮期），2017年于4月15日播种，9月25日收获，总计160 d，生育时期131 d（苗期～吐絮期），2 a棉花各生育时期的具体划分如表3所示。

表2 棉花生育期灌溉制度Table 2 Irrigation scheduling for cotton growth stages

表3 2016和2017年棉花全生育期Table 3 Division of growth period for cotton in 2016 and 2017

1.3 调查项目与方法

1.3.1 土壤温度、含水率和农田耗水量测定及计算

土壤温度，采用以色列，Fourtec-Fourier公司生产的MicroLite 5032P U盘式自动地温计（温度范围：−30～80 ℃、误差±0.3 ℃，温度分辨率：0.1 ℃）进行测定。采集时间为播种至收获期，采样间隔每隔2 h，采集位点位于小区棉花宽行中间膜下10 cm土壤深度。

采用烘干法测定土壤含水率。土钻内径15 cm，采用深度0～80 cm，每20 cm分为1层。考虑到各处理差异从揭膜开始，故从第1次揭膜后开始按照7 d间隔进行土壤取样，采样位点位于各处理第 2膜的窄行、宽行、裸行，取平均值作为该处理的土壤含水率。

采用水量平衡法计算作物耗水量ETc[26-28]式（1）

式中i为土壤层次号数；n为土壤层次总数，本研究为4；ri为第i层土壤干容重，g/cm3；Hi为第i层土壤厚度，本研究为80 cm；θi1为第i层土壤初时段的含水率，以占干土质量的百分数计；θi2为第i层土壤末时段的含水率，以占干土质量的百分数计；I为时段内的灌水量，mm；Pr为时段内的有效降水量，mm；V为时段内的地下水补给量，mm；D为深层土壤水分渗漏量，mm；R为地表径流量，mm。本试验区降雨量很小，地块平整，单次滴灌后土壤水分小于田间持水量，地下水埋深在5 m以下，无地下水补给，当地下水埋深＞2.5 m时可以不计，因此V、D、R项可忽略不计[27]，水量平衡方程可简化为式（2）。

1.3.2 产量和水分利用效率的测定

收获期各小区进行实收计产。主要测量指标有籽棉产量、单铃质量、单株结铃数。WUE的计算公式如式（3）[29]。

式中 WUE为水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为籽棉产量，kg/hm2。

1.4 数据分析

采用DPS 7.05和Sigmaplot 12.5（Systat Software, Inc.USA）统计软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 地膜覆盖时间对土壤温度的影响

不同处理气温和土壤温度变化如图 1所示。前期随着气温的不断上升，土壤温度不断的升高，后期棉花生育期的推进郁闭度增加，土壤温度开始逐渐降低。苗期至蕾期（约 40～60 d）土壤温度主要受大气温度和太阳辐射等影响，此时揭膜热量迅速失散，导致J1、J2处理的土壤温度大幅度下降。在花铃期（约80～100 d）为水分临界期，J1～J5处理已完成揭膜，2 a CK处理的平均土壤温度比其他处理高 3.6、2.8、2.0、1.3、0.1 ℃（P＜0.05）。这是因为地膜在土壤表面形成一道物理阻隔层，减缓土壤与大气层之间的水分交换，使土壤中的水、热状况得到改善，而不同的揭膜时间改变了上述环境，加之花铃期为水分临界期，因此揭膜处理间表现出较为明显的差异。进入吐絮期后，气温降低、灌水停止，叶片逐渐开始脱落、J1～J4处理的土壤温度远远低于CK，J5处理的变化趋势相近CK，由此可见，地膜覆盖可有效增加土壤温度。

图1 2 a气温和10 cm土层平均温度变化Fig.1 Change in mean air temperature and soil temperature at 10 cm depths in 2 years

2.2 地膜覆盖下0～80 cm土层含水率时空变化

棉花根系对水分的吸收主要是以0～40cm土层为主，40 cm以下根系对水分的吸收量较小，故研究0～80 cm土层平均含水率变化（图2）。剖面含水率变化见图3。

图2 地膜覆盖时间对0～80 cm土层平均土壤含水率的影响Fig.2 Effect of film mulching duration on average soil water content in 0-80 cm soil layer

由图2可知，2 a苗期和蕾期（约40～60 d）J1和J2处理的含水率最低。从花期开始（约 70～105 d），气温逐渐升高，蒸发强烈，各处理的土壤含水率开始明显变化。从花期开始灌溉量增加并且此阶段降雨量也比较多，因此土壤含水率比蕾期开始升高。J3、J4处理的土壤质量含水率逐渐相近于J1和J2处理，CK和J5处理保持比较高的土壤质量含水率。2 a数据均表明，出苗100 d以后 CK较其他处理土壤质量含水率高 14.5%、10.7%、8.7%、7.5%（P＜0.05），而 J5处理与 CK 差异不显著（P＞0.05）。此外，2016年棉花生育期降水45.2 mm，2017年度降水132 mm。2 a剖面含水率变化趋势一致，以2016年为例，见图3，不同处理的土壤含水率均随着土层深度的增加而增加。0～20 cm土层土壤含水率差异表明，J1、J2、J3和J4处理在揭除膜后，由于失去地膜对水汽扩散的阻隔作用，0～20 cm土层土壤含水率迅速降低。中后期在灌溉的补给作用下虽然土壤40～80 cm水得到一定程度的恢复。进入铃期后0～80 cm土层的含水率各处理差异较大，J1、J2、J3、J4处理0～20 cm土层土壤含水率比 CK分别下降了 24.5%、23.3%、27.3%、5.7%（P＜0.05），20～40 cm 的分别下降了 25.3%、24.5%、21.9%、11.1%（P＜0.05）；J5处理0～20 cm含水率接近CK处理，随土层深度增加差异增大。2 a结果表明，吐絮期J1、J2、J3、J4处理的土壤质量含水率相比CK在0～20 cm下降了15.7%、12.1%、10.4%、9.8%（P＜0.05），其他土层差异变小，而J5与CK差异不显著（P＞0.05）。这说明覆膜处理虽然抑制土壤水分的蒸发，但达到了最佳覆膜时间后，地膜的保水功能不再明显。

2.3 地膜覆盖期对棉花耗水、产量及WUE的影响

耗水特征（表4）表明，覆盖时间对ETc有显著影响。2 a CK与J1～J4均具有显著性差异（P＜0.05），而与J5差异不显著（P＜0.05）。地膜覆盖期对籽棉产量及产量构成因素和WUE的影响如表4所示。2 a数据表明，单株成铃数和单铃质量受覆盖时间的影响显著，适时地膜覆盖时间改变了棉田水热平衡，促进棉花单株成铃数，提高单铃质量。由于早期揭膜降低土壤温度和0～80 cm土层水分含量，阻碍单株结铃，因此J1～J4处理2 a产量均较CK显著降低（P＜0.05）。J5处理产量明显高于J1～J4处理，覆盖100 d能改良土壤水热条件，降低耗水量，因此对棉花产量形成具有很大影响。各处理WUE与棉花产量规律类似，随着覆盖时间的延长呈增加趋势，但超过100 d后，产量和WUE不再显著增加。综上，J1～J5覆盖时间中，J5处理产量（2 a 平均为6 800 kg/hm2）和WUE（2 a 平均为 11.5 kg/(hm2· mm)）最高，在阿克苏棉区，推荐最佳的地膜覆盖期为100 d。

图3 2016年0～80 cm土层水分时空变化Fig.3 Spatial and temporal distribution of soil water content in 0-80 cm soil layer in 2016

表4 2016和2017年不同处理棉花产量、耗水和水分利用效率（WUE）Table 4 Cotton yield, ETc and water use efficiency (WUE) for different treatments in 2016 and 2017

2.4 不同地膜覆盖时间与土壤含水率、耗水量、产量及WUE的关系

不同地膜覆盖时间与土壤含水率、耗水量、产量及WUE的关系如图4所示。土壤含水率、耗水量、产量及WUE随地膜覆盖时间呈二次曲线关系，回归拟合决定系数高于0.85。土壤含水率、产量及WUE随覆盖时间的延长而增加，在覆盖100 d时达到峰值，之后降低。耗水量随覆盖时间的延长而降低，覆盖100 d时耗水量最低，之后略有增加。可见，100 d的覆盖时间能增加土壤含水率、降低非生产棵间蒸发耗水，提高作物产量和WUE。

3 讨 论

3.1 地膜覆盖时间对土壤水热微环境的影响

本试验结果表明，地膜覆盖可以增加土壤温度，与CK相比，早期揭膜（J1和J2）处理土壤平均温度降低了3.6和2.8 ℃。孔猛[30]进行全生育时期覆膜与不覆膜对比试验，结果表明地膜覆盖处理0～50 cm深土壤平均温度分别提高1.07～2.14 ℃，该变化趋势与本试验结果一致。土壤水分是影响植物生长和产量的主要环境因素之一[31-32]。J1和J2处理全生育时期0～80 cm平均土壤含水率最低，CK和J5（覆盖100 d）最高，可见，100 d揭膜对土壤水分影响不大。张占琴等[33]研究发现，播种70 d后揭除膜对土壤含水率没有显著影响，该结果与本研究的100 d不一致。这可能是试验区气候、品种、土壤质地、农艺措施等因素的差异造成的，在今后的研究中仍需要进一步验证。Xu等[34]研究发现：在相对干旱的年份，全生育期覆盖处理较不膜覆盖处理显著提高了玉米表层土壤含水率。覆盖时间与土壤含水率关系分析表明，过早揭膜降低土壤含水率，而J5不仅不影响棉花的生长，还能高效发挥地膜的保水保墒作用，为降解地膜的安全覆盖周期以及机械揭膜提供了理论依据。

3.2 地膜覆盖时间对耗水、产量和WUE的影响

地膜覆盖时间可以增加土壤温度，减少棵间蒸发，提高生产性耗水比例[35]。李君等[36]研究表明，不同的地膜覆盖时间对棉花产量与ETc有明显影响，石河子地区8月10日揭除膜可以降低ETc，提高WUE和产量。本文在阿克苏地区的研究表明，不同地膜覆盖时间影响ETc。例如，与CK相比J1、J2、J3和J4处理总ETc有具有显著差异，但较J5无显著性差异。地膜覆盖时间与ETc回归拟合后决定系数2016年为0.93（P＜0.05），2017年为0.97（P＜0.01）。ETc随覆盖时间的延长降低趋势。该结果表明地膜覆盖时间越短，土壤表层水分蒸发越多，最终可能导致作物生长过程中水分亏缺。此外ETc还可能受到温度、降雨量、土壤质地等因子的制约，因此这种综合因子对棉田ETc及WCM的影响还需要进一步研究。

分析地膜覆盖时间与产量和WUE的关系表明，随地膜覆盖时间的延长，覆盖100 d后产量和WUE均呈降低趋势，然而CK棉花产量及WUE与覆盖100 d无显著差异。宿俊吉等[32]试验结果表明，适时揭膜处理的产量、单株铃数、单铃质量均高于全生育期覆膜处理。地膜覆盖时间对棉花主要土壤环境指标和生长发育的影响是修订降解地膜生产标准、满足棉田生态环境需求、通过准确配方降低生成成本的重要手段和基础工作，是解决好上述问题的关键之一。Hou等[20]研究结果表明，马铃薯最适合的覆盖时间为60 d。严昌荣等[19]研究发现石河子地区棉花地膜覆盖的温度安全期为 70 d。本试验结果表明，适时地膜覆盖（即100 d）能满足棉花所需的有效积温，土壤含水率，从而保证棉花产量和WUE。通过设置揭膜处理研究了地膜覆盖时间对土壤温度和水分的影响，这结果为不同区试降解地膜安全的覆盖时间和适宜揭膜时期的确立提供一种方法和依据。在南疆地区保障农业生产和棉花产量，确定农田地膜覆盖时间为100 d。这结果的提出，一方面，不仅能够更好地满足作物高产的需求，又能降低可降解地膜的成本，这对于未来可生物降解地膜的研究、生产和应用都具有十分重要的意义。另一方面有利于农民根据南疆地区棉花生产条件选择合适的地膜，避免在可生物降解地膜销售和应用中的盲目性。本研究仅在1个试验地点进行了2 a试验对不同地膜覆盖时间下棉花温度和水分之间的关系进行初步探究，得到了阿克苏地区地膜覆盖时间100 d的结果，但棉花生长还受水、肥、密度和播期等栽培措施的影响，以及土壤盐分和养分、光合和辐射等生态因子的制约，这种综合因子对棉花生长发育的影响机理还不清楚，仍需进一步深入研究。

4 结 论

本研究设置 6种地膜覆盖时间处理，研究了对棉田水热、耗水量及产量的影响，结论如下：

1）地膜覆盖时间改变了棉花不同生育期内土壤水热状况，地膜覆盖有效提高了土壤温度，J5与CK处理的土壤温度、土壤水分变化趋势相近。覆盖时间对ETc有显著影响：CK与J1～J4均差异显著（P＜0.05），而与J5差异不显著（P＜0.05）。

2）不同地膜覆盖时间对籽棉产量及产量构成因素有显著影响（P＜0.05），播种后第100天揭除膜可以促进单株的结铃，降低蕾铃脱落，从而提高籽棉产量和WUE。J1～J5种覆盖时间中，J5处理产量（2 a 平均 6 800 kg/hm2）和 WUE（2 a 平均 11.5 kg/(hm2· mm)）最高（P＜0.05），与CK均无显著差异（P＞0.05）。为了提高地膜回收率，减少残膜污染，同时保持高的产量和WUE，在南疆地区适宜的地膜覆盖时间为100 d左右。

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