不同地膜覆盖对不同时间尺度地温与玉米产量的影响

李仙岳 郭 宇 丁宗江 冷 旭 田 彤 胡 琦

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018)

0 引言

因地膜覆盖具有增温、增产、控盐等功能[1]，在减少土壤水分蒸发、提高农田作物水分利用效率、防止土壤盐渍化等方面发挥着重要作用[2-3]。自1978年我国引入地膜覆盖以来，得到了大规模推广应用，仅在内蒙古河套灌区近10年地膜使用量和覆膜面积分别增长了125.81%和147.62%[4]，且在干旱寒冷地区，地膜覆盖的保温保水优势更为明显。然而目前农用地膜主要以透明的白色塑料为主[5]，经过大量学者研究，得出白色地膜覆盖下由于作物生长前期水肥消耗大，容易出现脱水、脱肥现象[6-7]，特别是在作物生长后期随着气温升高会伴随着地温过高现象出现，从而导致抽雄前后的重伏旱[8]，甚至出现作物减产等负面效应[8-9]。因此探索既能实现作物生长前期保温又能在作物生长后期有效控制土壤温度的最佳覆膜技术对于作物增产具有重要意义。黑色地膜透光率低，辐射热透过少，覆膜后地温比白色地膜略低[10]，大量研究表明黑色地膜覆盖比白色地膜覆盖增产效应更明显[11-12]，且较白色地膜更能改善玉米根区土壤温度，可见筛选适合的地膜，对当地作物生长及农业高产具有重要意义[12]。

随着国家绿色农业发展战略的推进，对于主要由聚乙烯塑料制成白色地膜产生的“白色污染”受到越来越多学者的关注[13-15]。研究表明，随着农膜残留增加，会明显影响土壤入渗和作物根系发育，使土壤理化性质恶化，影响土壤微生物的多样性，最终影响作物生长并导致作物减产[16-18]。目前主要解决措施是推广生物可降解地膜覆盖技术[19]，已有研究表明生物可降解地膜在自然状况下会自降解成CO2和H2O，如覆膜200 d后可降解地膜的降解残留物已经非常少，对环境影响很小[20]，同时降解地膜的保水、保温、增产效应与塑料地膜相近[21-22]。与塑料地膜相比生物降解地膜甚至提高了土壤有机质质量分数，降低了土壤硝态氮累积量[23]，还有效降低油菜籽粒中对人体健康不利的芥酸和硫苷含量[24]。可降解地膜的降解快慢是影响土壤水热效应、作物产量以及感官接受度的重要因素，降解过快会导致地膜破损严重，致使生长后期保水效果减弱；而降解过慢，除了制造成本增加外也会导致农民认为与塑料地膜一样是不可降解的，故针对干旱区筛选出适合当地的降解膜及降解速率是可降解地膜推广的关键技术。其中不同降解速率的降解膜之间最重要和明显的差异是代表地膜降解快慢的破损占比以及对地表温度和土壤温度的影响程度。研究显示0.005 mm厚可降解地膜的降解速率及强度均优于0.008 mm厚地膜，但0.008 mm 厚膜覆盖玉米的保温效果、出苗率及生长性状等均稍优于前者[25]。一般地膜越薄或降解速率越快保温效果相对越差，比如0.010 mm和0.012 mm厚完全生物可降解地膜处理下棉花苗期土壤0～25 cm平均温度较对照处理分别低0.94℃和1.34℃(P<0.05)，但随着作物的生长两者差异逐渐减小[26]。目前地膜覆盖对地温的影响，主要采用曲管水银地温计测量土壤耕层的土壤温度，但无法测量地表温度和地膜表面温度，而红外成像技术已被大量用于叶表面温度监测[27]，其结果可用于作物水分胁迫指数[28]、叶片病变程度等[29]方面的研究，利用该技术能准确监测地膜覆盖下地表温度的分布规律，是用于地膜破损程度和蒸发模拟研究的关键。可见针对地膜覆盖下地表和土壤温度的系统研究对于地膜筛选具有重要意义，然而对于不同颜色和不同降解速率的可降解地膜覆盖下地表和土壤温度的综合影响效应的研究目前鲜见报道。

本研究主要针对北方干旱寒冷地区，基于红外成像技术和自动连续传感技术探索不同颜色及不同降解速率的可降解地膜覆盖下地膜的破损特征，以及对地表和土壤温度的影响，并综合保温效应以及对作物产量的影响，筛选适合该地区环保、高产的降解地膜，旨为我国绿色农业发展和作物高效高产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概括

试验于2017年在内蒙古河套灌区磴口县木垒滩节水试验区(40°31′48″N，106°56′30″E，海拔1 059 m)进行。该区域属温带大陆性季风气候，热量充足，年均日照3 200 h，10℃以上活动积温2 950℃，无霜期135 d，雨量稀少，年均降水量143.9 mm，蒸发量达2 400 mm。地下水埋深在3 m以下，水质符合灌溉水质标准。供试土壤质地为粘性土壤，2017年生育期日均气温为23.18℃，日均太阳辐射为22.64 MJ/(m2·d)(图1)。

图1 作物生育期气温和太阳辐射Fig.1 Temperature and solar radiation during crop growth stage

1.2 试验材料与设计

本试验供试作物为玉米(品种：先锋32D22)，是当地的主要品种，采用一膜两行种植方式，行距为60 cm，株距为50 cm，种植密度3.3株/m2。试验所用黑色和白色塑料地膜为磴口县大众塑料厂生产，黑色和白色氧化生物双降解膜为山东天壮环保有限公司生产，膜宽均为80 cm，厚度均为0.008 mm。试验基肥为复合肥料(N含量大于等于28%，P2O5含量大于等于18%，K2O含量大于等于5%)200 kg/hm2，追肥采用尿素(N含量大于等于46%)500 kg/hm2，在拔节期和抽雄期分两次施入。利用水泵抽地下水进行畦灌，用水表计量水量，生育期分别于6月2日、7月5日、7月20日、8月11日灌水4次。试验设置白色塑料膜(WP)、黑色塑料膜(BP)，白色生物降解膜快速(WO1)、中速(WO2)、慢速(WO3)，黑色生物降解膜快速(BO1)、中速(BO2)、慢速(BO3)8种地膜覆盖处理(可降解地膜根据所添加降解助剂含量设计诱导期为快速60 d、中速80 d、慢速100 d)，以不覆膜(CK)作为对照，共9个处理，每个处理重复3次，各小区随机分布，每个处理小区面积60 m2(6 m×10 m)。

1.3 观测项目与方法

气象数据：在试验区中间设置自动气象站(HOBO-U30型)，每小时自动记录降水量、太阳辐射、空气温度、空气湿度、风速等。

土壤地表温度：采用Fluck公司生产的热成像仪(Ti45型，测量范围为-20～600℃，热敏感度：≤0.08℃(80 mK)，30℃时，分辨率：0.1℃；最小聚焦距离：0.15 m)。覆膜后在每个小区随机选取3处设定固定观测区(覆膜株间)，用铁丝圈定范围，面积为30 cm×30 cm，于覆膜后1、30、60、90、130 d的10：00—12：00期间，在设定的固定区域拍摄热成像图，每个区域拍摄至少3次以上，利用SmartView软件对热成像图进行处理，并导出不同区域地膜表面温度数据。

土壤耕层温度：采用北京惠泽农科技有限公司生产的温度传感器(HZR-8T型，测量范围为-40～60℃，精度为±(0.2～0.5)℃，分辨率为0.1℃)进行连续传感监测，分别在每个小区膜上及膜间0～15 cm、15～30 cm土层垂直埋设温度传感探头，每5 min测量1次，每2 h进行平均并自动记录。

地膜破损率：每个生育期将相机固定在设定的地膜观测区(与热成像区域一致)正上方40 cm处，在区域边界放置直尺作为参考物，每次拍摄3张照片，筛选最清晰的一张导入AutoCAD 2008(Autodesk, Inc.)中，以参考直尺为标准将图片标准化，再利用多段线命令勾描破损处以形成闭环区域，辅以面积统计命令逐个统计研究区域破损面积，用以计算地膜破损占比，计算公式为

式中D——地膜破损占比，%

Si——研究区第i个破损面积

S——研究区总面积

产量：收获时每个小区随机选取5株作物测量叶、茎、花盘的干物质量及籽粒数、百粒质量和籽实的干质量，最后折算为每公顷产量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据处理和制图，SPSS 20.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同地膜覆盖下不同生育期观测区瞬时地表温度变化特征

基于热成像仪对不同生育期不同覆膜处理的不同区域地表温度采样分析可知(表1)，不同生育期黑白地膜表面温度大小顺序为：黑膜处理、白膜处理、无膜处理(CK)，且破损面积占比在不同生育期均为黑色降解膜略大于白色降解膜，但均远大于普通塑料地膜(P<0.05)。覆膜60 d后快速降解地膜进入降解期，中速和慢速也开始逐渐发生破损，由表1可知覆膜90 d和130 d后，黑色降解膜平均破损占比达到21.54%、47.40%，白色降解膜为18.58%、43.74%，黑色降解膜平均破损占比是白色降解膜破损占比的1.2倍和1.1倍，且从生育期破损监测结果看，白色和黑色降解膜平均破损占比分别为24.12%和27.37%，黑色降解膜破损占比高于白色降解膜3.25个百分点。不同降解速率降解膜破损占比差异显著，生育期快、中、慢3种降解速率的白色降解膜平均破损占比分别为30.17%、22.21%和17.91%，而3种黑色降解膜平均破损占比则分别为35.15%、24.65%和19.79%。

表1 不同生育期不同处理地膜破损区和覆盖区瞬时表面温度特征Tab.1 Surface temperature characteristics of damaged and undamaged mulching areas at different growth stages

对5—9月地表温度进行平均，得到不同处理逐月平均值(表1)，由于5个生育阶段环境温度不同，不同处理地表温度从最高温度58.0℃逐渐下降到最低温度9.3℃。覆膜能明显提高地表温度(表1，图2)，而白色地膜由于部分能量反射，地表瞬时温度低于黑色地膜，生育期黑色塑料地膜(BP)、白色塑料地膜(WP)和无膜(CK)平均温度分别为34.10、32.34、29.12℃ (P<0.05)。同样，降解膜处理的覆盖区地表温度平均大于破损区，如覆膜90 d后，白色和黑色降解膜覆盖区地表温度分别比其破损区高0.4℃和1.9℃，覆膜130 d后，黑色降解膜覆盖区比破损区高1.2℃，所以随着破损加大会明显影响区域的保温效果。而不同降解速率的降解膜对地表温度没有明显影响，不同降解速率的降解膜对地表温度的影响主要通过破损占比影响区域保温效果，如覆盖90 d后，白色降解膜快速(WO1)、中速(WO2)、慢速(WO3)的破损占比分别为27.01%、18.87%和9.86%，破损区地表温度分别降低0.3、0.2、0.1℃，从而导致整个区域地表温度下降0.88%、0.72%和0.33%，而覆膜130 d后，WO1、WO2、WO3降解膜地表温度下降了4.35%、0.56%和0.37%，而黑色降解膜在覆膜90 d后，分别下降4.93%、2.32%和0.87%，覆膜130 d后，分别下降6.98%、3.35%和2.00%。从表1可以看出，在不同阶段破损明显较小的白色塑料地膜和黑色塑料地膜处理在不同阶段温度变异较小，而降解膜则由于在不同位置发生局部破损导致区域温度变异性增大，同时在作物生长中后期，破损较大，从地表温度二维图的温度差异变化能在一定程度看出地膜快速降解期的破损情况(图2)。

图2 不同地膜覆盖下地表温度变化规律Fig.2 Surface soil temperature changing rules under different film mulchings

2.2 不同地膜覆盖下不同土层地温逐时变化规律

图3 不同地膜覆盖下生育期内0～15 cm土层地温日变化规律Fig.3 Diurnal variations of soil temperature in 0～15 cm soil layer under different film mulchings

图4 不同地膜覆盖下生育期内15～30 cm土层地温日变化规律Fig.4 Diurnal variations of soil temperature in 15～30 cm soil layer under different film mulchings

总体上地温逐时变化曲线呈“S”型(图3)，最低温度在7：00，最高温度在15:00。0～15 cm土层地温日内变幅较大，平均最高和最低温差达10.44℃，15～30 cm土层地温变幅相对较小，平均为3.74℃，且15～30 cm土层地温有滞后现象，最高温在17：00(图4)。地膜覆盖能明显提高土壤上层(0～15 cm)土壤温度，白色塑料地膜覆盖日最高地温和最低地温分别比裸地处理高4.51℃和4.11℃，黑色塑料地膜覆盖则为3.14℃和2.79℃。而在土壤下层(15～30 cm)，不同处理地温差异减小，白色和黑色塑料地膜处理日最高地温分别比裸地处理高3.20℃和2.44℃。白色地膜处理在不同时刻地温均高于黑色地膜处理，在0～15 cm土层，白色地膜处理日最高、最低和平均地温比黑色地膜处理分别高1.06、1.22、0.18℃，特别在日最高温度时刻(15:00)，黑色地膜处理比白色地膜处理平均低1.1℃。可见，黑色地膜处理可以有效降低0～15 cm土层的土壤温度，有利于玉米生长。而不同降解速率的降解膜处理地温在苗期和拔节-抽雄期差异较小，在0～15 cm土层，白色快速和慢速降解膜处理平均温差为1.05℃，对应的黑色降解膜处理平均温差为0.59℃，而15～30 cm土层差异更小，白色和黑色降解膜处理分别为0.94℃和1.13℃。但是在生育后期特别是成熟期，随着降解地膜降解和破损加剧，不同降解速率的降解膜覆盖下土壤温差加大，在0～15 cm土层白色快速和慢速降解膜处理平均温差为2.50℃，黑色降解膜处理为1.77℃。且不同时刻不同降解速率地膜覆盖下土壤温差呈显著差异，慢速降解膜(BO3和WO3)与塑料地膜(BP和WP)覆盖下地温无显著差异(P>0.05)。可见，慢速降解膜覆盖保温效果与塑料地膜覆盖相当，同时，不同颜色地膜覆盖相比较，在作物生长后期黑色地膜覆盖具有一定的降温效果。

2.3 不同地膜覆盖下不同土层地温逐日变化规律

由图5可知，不同地膜覆盖下土壤温度均高于裸地对照，播种后(5月17日)至玉米生长中期(7月16日)土壤温度总体呈增长趋势，而8月以后，地温逐渐呈下降趋势。受外界环境温度和太阳辐射影响，0～15 cm土层温度整体高于15～30 cm土层温度，且波动范围较大。由于在5月(出苗期)作物较小，地表受太阳直射，9月(收获期)叶片大面积凋萎，地面的透光度也增加，而白色地膜透光率大于黑色地膜，从而导致这两个月白色地膜覆盖下土壤温度显著高于黑色地膜，白色塑料膜覆盖下0～15 cm土层平均温度显著高于黑色塑料膜覆盖 (P<0.05)，平均分别高1.21℃和1.04℃(表2)，在6—8月，玉米处于生育中期，枝繁叶茂，太阳透光度减弱，地面直接接收太阳辐射减弱，此时不同颜色地膜覆盖下的土壤温度差异较小，6、7、8月黑色塑料膜覆盖下0～15 cm土层土壤平均温度分别比白色塑料地膜覆盖下低0.64、0.36、0.34℃。由图5可知，覆膜处理地温明显高于裸地处理，白色地膜处理温度高于黑色地膜处理，塑料地膜处理高于降解膜处理。WP、BP、WO、BO处理生育期0～15 cm土层平均地温分别比CK处理高4.62、3.73、2.59、1.98℃，15～30 cm土层则分别高3.70、3.06、1.64、1.19℃。

不同降解速率的白色降解膜处理在0～15 cm土层温度均高于对应的黑色降解膜处理，而在15～30 cm土层，则无显著差异(P>0.05)。由于降解地膜最短诱导期为2个月，故同一颜色地膜在5、6月差异很小，而在7—9月差异逐渐增加，特别是9月由于快速降解地膜破损较大，导致0～15 cm土层WP、WO3、WO2与WO1(快速降解)的温差分别达到3.03、2.70、1.05℃，黑色地膜处理对应的温差也达到3.00、2.57、1.01℃。可见不同降解膜处理在玉米生长前期与塑料地膜覆盖下的地温并无明显差异，保温效果良好，而在玉米生长中后期，由于降解地膜开始破损，保温效果开始下降，不同降解速率和不同颜色的降解膜保温效果产生差异。

图5 不同地膜覆盖下玉米生育期0～15 cm和15～30 cm土层地温变化规律Fig.5 Soil temperature variations in growth stage under different film mulchings for 0～15 cm and 15～30 cm soil layers

Tab.2 Average soil temperature of different months under different film mulchings℃

注：同列相同字母表示差异不显著(P>0.05)，不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

不同地膜覆盖下的土壤温度差异如表3、4所示。各处理0～15 cm土壤温度变化程度均大于15～30 cm土层。裸地0～15 cm和15～30 cm土壤温度最大温差分别比塑料地膜覆盖下高3.39℃，比可降解地膜覆盖下高2.98℃。由热力学第二定律知，在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移。在白天，气温逐渐上升，各处理土壤温度上升，此阶段热量运动主要以外界热量进入土壤为主，但各覆膜处理的土壤温度低于裸地，说明地膜覆盖对于外界热量进入土壤有阻碍作用，在夜间，气温下降，各处理土壤温度下降。该阶段热量运动主要以土壤中热量散失至空气中为主，但覆膜处理下的土壤温度却要高于裸地土壤温度，说明地膜覆盖对于土壤中热量的散失有一定的阻碍作用。可见，地膜覆盖对土壤中的热量具有一定的双向阻碍作用，故可以有效抑制土壤温度的波动幅度。

不同类型地膜之间，降解速率较快的BO1和WO1处理在0～15 cm土壤温差分别为11.80℃和11.84℃，差异不显著(P>0.05)。而生育期内几乎未发生破损的塑料地膜BP和WP处理0～15 cm土壤温差分别为11.09℃和10.99℃，变化幅度小于可降解膜快速处理。另外从温度方差也可知，塑料地膜处理地温变幅小于降解膜处理，可降解膜快速、中速、慢速的温度方差在0～15 cm土层分别比塑料地膜高18.27%、14.30%、5.74%，比裸地对照低7.43%、10.54%、17.24%。不同降解速率可降解膜覆盖下0～15 cm土壤温差由大到小为快速、中速、慢速，其中，可降解膜慢速覆盖下0～15 cm土壤温差为11.18℃，与塑料地膜差异不显著(P>0.05)。进一步说明地膜覆盖可以影响0～15 cm土壤温度的波动范围，地膜表面完整度越好，不同深度土壤温度波动越小，反之则越大。不同颜色地膜覆盖下，黑色地膜覆盖下0～15 cm土壤温度差异为11.37℃，与白色地膜(11.33℃)差异不显著(P>0.05)。

表3 白色地膜覆盖下土壤温度差异Tab.3 Soil temperature difference under white film mulching ℃

表4 黑色地膜覆盖下土壤温度差异Tab.4 Soil temperature difference under black film mulching ℃

2.4 不同地膜覆盖对玉米产量的影响

覆膜处理的产量均高于裸地对照(表5)。不同颜色塑料地膜覆盖相比较，BP处理的产量最高，为12 834.77 kg/hm2，与WP处理(11 944.85 kg/hm2)差异显著(P<0.05)。不同颜色降解地膜覆盖相比较，BO3处理产量最高，达到12 607.01 kg/hm2，显著高于其他处理。BO2处理的产量大于WO2，而BO2、WO2和WO3处理的产量差异显著(P<0.05)，各处理的产量由大到小为BO3、WO3、BO2、WO2、WO1、BO1。BO1和WO1处理因为降解速率较快，玉米生育期内保温效果不明显，产量较低，分别为9 554.40、10 192.96 kg/hm2，差异不明显(P>0.05)。塑料地膜与降解地膜覆盖相比较，BP处理产量最高，与BO3处理差异不明显(P>0.05)，BP较BO1、BO2和BO3处理增产34.3%、18.9%、1.8%。BO3处理的产量较WP增产5.5%。WP较WO1、WO2和WO3处理增产17.2%、13.2%、2.8%。不同地膜覆盖对玉米生长环境的改变主要表现为对土壤温度影响的差异。土壤温度差异影响玉米根系生长，黑色地膜覆盖较其他处理延缓了根系的衰老，生育期延长，使得产量提高[19]。从经济性和应用效果看，在实际应用中可采用黑色慢速降解地膜替代塑料地膜。

3 结论

(1)黑色可降解膜因为对热辐射的吸收能力强，温度升高快，促进降解助剂发挥作用，在相同覆膜时间后黑色降解膜的破损大于白色降解膜，覆膜90 d和130 d后，黑色降解膜平均破损占比是白色降解膜破损占比的1.2倍和1.1倍。基于红外热成像技术获得地表瞬时温度由大到小顺序为黑膜处理、白膜处理、无膜处理，生育期平均温度分别为34.10、32.34、29.12℃(P<0.05)。在地膜破损期白色和黑色降解膜覆盖区平均地温比破损区高0.4℃和1.6℃，随着破损加大，地温变异也加大。不同降解速率的降解膜对地温的影响主要由破损不同所致，其中黑色快、中、慢降解膜在覆膜130 d后由于破损导致地温下降6.98%、3.35%和2.00%。

表5 不同地膜覆盖下玉米产量及其构成因素Tab.5 Effects of different mulchings on maize yield and its components

(2)0～15 cm土层地温日内变幅较大，平均最高和最低温差达到10.44℃，明显高于15～30 cm土层日3.74℃的地温变幅。与地表瞬时温度不同，不同颜色地膜覆盖温度由大到小顺序为：白膜处理、黑膜处理、无膜处理，且黑色地膜可以有效降低0～15 cm土层的土壤温度，特别在每日最高温度时刻(15:00)，黑色地膜覆盖比白色地膜覆盖平均低1.1℃。在生育前期不同降解速率地膜覆盖温差较小，而在破损期则差异变大，在0～15 cm土层白色快速和慢速降解膜覆盖下平均温差达到1.05℃，黑色降解膜覆盖为0.59℃，由于慢速降解膜破损小，保温效果与普通地膜覆盖相近。

(3)逐日数据显示，在玉米生长初期(5月)和末期(9月)，在0～15 cm土层白色地膜覆盖地温比黑色地膜平均高1.13℃(P<0.05)，而生育中期(6—8月)，白色地膜覆盖仅比黑色地膜覆盖高0.45℃。同颜色不同降解速率地膜覆盖，地温在5、6月差异较小，而7—9月差异逐渐增加，在9月0～15 cm土层WP、WO3、WO2与WO1处理(快速降解)的温差分别达到3.03、2.70、1.05℃(P<0.05)，黑色地膜覆盖对应的温差也达到3.00、2.57、1.01℃(P<0.05)。覆膜可降低土壤温度变幅，可降解膜快速、中速、慢速的温度方差在0～15 cm土层分别比塑料地膜高18.27%、14.30%、5.74%，比裸地对照低7.43%、10.54%、17.24%。

(4)白色和黑色慢速降解膜覆盖与对应的塑料膜覆盖相比，产量无显著差异，但同颜色不同降解速率的降解膜覆盖下产量呈显著差异(P<0.05)，不同降解速率降解膜覆盖下产量由大到小顺序为：慢速处理、中速处理、快速处理。