基于典范对应分析PPC生物降解膜覆盖条件下土壤温度、相对含水量的综合分析

丁 彬，焦庆清,2，谢吉先*，陈志德,2，冯梦诗

(1.江苏省农业科学院泰州农科所，江苏 泰州 225300； 2.江苏省农业科学院，江苏 南京 210014)

地膜覆盖能起到增温保墒、保持土壤疏松，改善根系环境，促进作物根系生长，使作物显著增产的作用，因而在生产上得到了大面积的推广[1-3]。国内外研究表明，地膜覆盖最直接作用是改善了土壤的温度和水分[4-6]。

土壤微环境之间变化受很多因素共同影响，典范对应分析(canonical correspondence analysis，CCA)方法多应用于物种组成与环境的关系及土壤理化性质与环境因子的数量关系研究，研究植物种群分布与环境气候因子之间的对应分析[7-9]，本文探索性地应用CCA方法，分析生物降解膜与普通地膜覆盖对旱地花生不同土层土壤相对含水量和温度的变化，旨在为花生地膜覆盖技术的推广应用提供指导和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

PPC白色、黑色生物降解膜均由江苏中科金龙环保新材料有限公司提供；普通黑地膜、普通白地膜均由青州市鲁源塑料有限公司提供，规格均为宽度90 cm，厚度0.008 mm。花生品种为泰花4号，其他农资产品均为国家合格产品。

1.2 试验方法

试验设在泰州光谱家庭农场，土质沙质壤土，地势平坦，排灌良好，肥力中等均匀。前茬小麦，6月中旬耕翻整地，施商品有机肥15000kg/hm2、复合肥600 kg/hm2，机械起垄，垄宽75 cm，垄面宽45 cm，垄高15 cm，每垄播2行，穴距18～20cm，每穴2苗，采用随机区组排列，重复3次，每小区4垄，宽3.2 m，长4.5 m，间隔50 cm，四周设保护行。在进行地膜覆盖前用96%异丙甲草胺乳油1.5 L/hm2+水50 L/hm2喷雾化除，再按方案处理要求覆盖相应地膜。

1.3 试验设计

设置PPC黑色生物降解膜覆盖(M1)、PPC白色生物降解膜覆盖(M2)、普通黑膜覆盖(M3)、普通白膜覆盖(M4)和露地栽培(CK)5个处理。

1.4 测定项目

采用土壤温度水分仪(南京能兆仪器仪表有限公司，NZ99)对不同地膜覆盖小区的土壤温度、相对含水量进行测量，测量深度分别为地面下0 cm、5 cm、15 cm，测定时间为每天2:00、8:00、14:00，20:00，监测日期从7月20日开始，持续到9月20日为止。表中不同覆膜下不同土层的土壤温度和土壤相对含水量为全监测期内观测时刻的平均值，图中不同处理每天的土壤温度和土壤相对含水量为当天四个观测时刻的平均值。

1.5 数据分析

数据经Excel整理后，方差分析采用SPSS 16.0 软件进行分析。用Canoco 5.0软件进行典范性分析，具体的计算过程见参考文献[10]。

2 结果与分析

2.1 全监测期内不同时段土壤平均温度的差异

表1显示，四个时间段中，最低温度在2:00，最高温度在14:00(表中温度为全监测期内此时间点的平均值)。表层(0 cm土层)地温日内变幅较大，平均最高温差达7℃，15 cm土层地温变幅相对较小，平均最低温差为1.19℃。表层(0 cm处)和5 cm土层地温日内变幅较大，说明地膜覆盖能明显提高上层土壤温度，而在下层土壤15 cm处，不同地膜覆盖地温差异减小。

夜间2:00时，随土壤深度的增加，温度呈增加的趋势。表层(0 cm土层)最高温度为普通白膜覆盖(M4)26.47℃，且与其他处理相比均达到显著水平，表明白膜覆盖增温效果优于其他处理；5 cm土层最高温度为普通黑膜覆盖(M3)26.5℃，略高于普通白膜覆盖(M4)(26.48℃)，差异不显著，但两者与其他处理达到显著水平，表明普通地膜覆盖增温效果优于PPC全降解膜覆盖；15 cm土层最高温度为普通白膜覆盖(M4)(27.07℃)，除与PPC白色全降解膜覆盖(M2)达到显著水平以外，与其他处理差异均不显著，表明所有覆膜处理对15 cm土层增温效果进一步减弱。

早上8:00时，不同处理对土壤温度的影响与2:00时有显著的提高，且土壤表层(0 cm处)温度最高，随着土层加深，温度呈现降低的趋势，说明随着太阳的升起，受外界环境温度和太阳辐射影响，不同土层升温波动较大，上层升温速度更快。

下午14:00随着光照的逐步增强，各处理的土壤温度均有不同幅度升高，土层温度梯度分布与8:00时相似。且与上午8:00时相比，各处理的温度均有1℃以上的升高，以PPC黑色全降解膜覆盖(M1)5 cm土层温度升幅最大，为4.05℃，以普通黑膜覆盖(M3)15 cm土层温度升幅最小，为1.32℃。

晚上20:00时，随着太阳的降落，各处理温度均有不同程度的下降，且下层土壤温度高于上层。表层(0 cm土层)和5 cm土层最高温度均为普通白膜覆盖(M4)，除PPC白色全降解膜覆盖(M2)外与其他处理相比均达到显著水平；15 cm最高温度为PPC黑色全降解膜覆盖(M1)(27.98℃)，除普通黑膜覆盖(M3)外与其他处理相比均达到显著水平。

表1 不同类型地膜及土层深度下在全监测期内土壤温度的差异

注：同列不同小写字母表示差异达0.05 显著水平。下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicatep≤0.05. The same as below.

2.2 全监测期内不同覆膜方式下不同土层土壤平均温度的变化

图1(A～C)表明，表层(0cm土层)、5cm土层、15cm土层平均温度在全监测期内平均温度(监测期内每天四个时间点的平均值)变化趋势一致，最高均为普通白膜覆盖(M4)，后面依次为PPC白色全降解膜覆盖(M2)、普通黑膜覆盖(M3)、PPC黑色全降解膜覆盖(M1)，露地栽培(CK)温度最低。

图1 全监测期内不同类型地膜覆盖及土层深度下平均温度的变化

随土壤深度的增加，与露地栽培(CK)温差减小，表层(0 cm土层)比对照最高增温1.68℃，5cm土层比对照增温0.97℃，15 cm土层平均地温比对照增温不明显，均低于0.2℃。

2.3 全监测期内不同覆膜方式下土壤平均温度变幅的差异

不同地膜覆盖下的土壤温度差异见表2。凌晨2:00～8:00点各处理表层(0 cm土层)温度变化程度均大于5cm土层。普通黑膜覆盖(M3)15cm处温差为0.01℃，其他覆盖地膜温差均为负值，而露地栽培(CK)15 cm处温差为0.43℃。这主要是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。白天气温高，此阶段热量运动主要以外界热量进入土壤为主，使各处理土壤温度上升，而地下15 cm处温度传递有一定的滞后性，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，该阶段热量运动主要以土壤中热量散失至空气中为主，各处理土壤温度下降。在14:00～20:00间时刻温差变化趋势与20:00～8:00间时刻相反，说明地膜覆盖能够阻碍土壤中热量的散失，有效抑制土壤温度的波动幅度。

2.4 全监测期内不同时段平均相对含水量的差异

表3为不同处理对土壤0～15 cm土壤相对含水量变化，可以看出不同覆膜处理与露地栽培(CK)相比，相同土层相对含水量都有所增加，普通白膜覆盖(M4)在所有时刻相同土层含水量均为最高，相同处理不同土层的相对含水量呈现递增趋势，即在0～15 cm土层范围内，土层越深，相对含水量越高；2:00～20:00期间土层相对含水量呈现先增高再降低的趋势，这是由于随着太阳升起，光照增强，温度升高进一步增强深层土壤水分上升，覆盖地膜处理在14:00相对含水量达到最大值，之后随着光照、温度的降低而减小；露地栽培(CK)在14:00相对含水量却是最低，说明地膜覆盖能有效阻止水分蒸发，增加土壤蓄水保墒能力。

普通白膜覆盖(M4)在所有时刻相同土层含水量均为最高，且与其他处理均有显著差异，2:00时刻表层(0 cm土层)PPC黑色全降解膜覆盖(M1)、PPC白色全降解膜覆盖(M2)、普通黑膜覆盖(M3)与露地栽培(CK)差异不显著，说明此时刻地膜覆盖对表层含水量影响较小；5 cm土层PPC白色全降解膜覆盖(M2)、普通黑膜覆盖(M3)与露地栽培(CK)差异显著，说明此时刻地膜覆盖对5 cm土层影响增大；15 cm处与对照差异均达到显著水平。8:00时、14:00时、20:00时在0～15 cm土层内，与2:00时对土壤相对含水量影响趋势一致，均随土层深度的加大，地膜覆盖对土壤相对含水量的影响越来越大。其中8:00时刻，四种地膜覆盖处理之间对5 cm土层差异显著，表明不同材质覆盖对5 cm土层相对含水量影响有差异；15 cm土层普通黑膜覆盖(M3)与普通白膜覆盖(M4)差异不显著。14:00时5 cm土层和15 cm土层处理之间均达到显著差异。

表3 不同类型地膜及土层深度下在全监测期内土壤相对含水量的差异

2.5 全监测期内不同覆膜方式下不同土层土壤相对含水量的变化

图2(A～C)表明，表层(0 cm土层)和5 cm土层受到雨水天气的影响，尤其是露地栽培(CK)影响最大。在监测前中期，整体趋势中CK土壤相对含水量在多个时间段中表现最高，主要原因是在八月份天气以多雨为主，因地膜覆盖使表层土层在雨水天气阻挡了雨水进入花生田垄面表层。监测后期天气以多云为主，此时相对含水量普通白膜覆盖(M4)最高，PPC黑色全降解膜覆盖(M1)、PPC白色全降解膜覆盖(M2)、露地栽培(CK)之间表现比较接近，是因为在花生成熟期时M1和M2开始降解，大面积出现裂口，保水能力降低。5 cm土层的相对含水量变化趋势和表层(0 cm土层)的相对含水量变化趋势相似，监测后期降解膜M1、M2低于普通地膜M3、M4处理，但高于对照组CK，此时降解膜M1、M2和对照CK与表层相比，差别比较明显。15 cm土层的相对含水量变化在整个生育周期除在八月份极个别大雨天气以外高于覆盖地膜试验组，其余时间均低于覆盖地膜处理，说明地膜覆盖并不影响雨水从垄沟渗透到深层。

图2 不同覆盖方式在不同土层对不同生育期相对含水量的影响 Fig.2 Variation of mean relative moisture content of different soil layers under different mulch methods during the whole monitoring period

2.6 不同覆盖方式对0～15cm不同时刻土壤样方的CCA排序

从图3(A～C)为典范对应分析(CCA)的结果，其中Mx-y中x表示覆盖地膜的类型、y表示测量结果的时刻，如M1-2表示M1处理在监测期内2点时刻的平均值。从A、B、C三图可以看出，在0～15 cm 全剖面上，土壤相对含水量与M4-8的箭头连线靠近，说明土壤相对含水量受M4-8的影响较大；土壤温度与M4-20的箭头连线距离相对较近，说明温度受M4-20的影响较大。所有土层M4-14的箭头连线最长，说明M4在14:00点时刻对土壤温度和相对含水量的影响较大，值得关注的是，CK-14虽然与土壤相对含水量的距离较远，但其箭头连线较长，说明裸地在14:00点时刻对土壤相对含水量影响较大，其原因在14:00点时刻太阳较强，蒸发强度增大，覆盖地膜与对照相比能有效阻止水分蒸发，露地栽培对土壤相对含水量的影响更大。就15 cm土层而言，M1-14、M2-14、M3-14、M4-14、CK-14的箭头连线均较长，说明不同覆膜处理在14:00点时刻对土壤温度和相对含水量的影响均较大。

图3 不同土层及不同覆盖方式CCA 二维排序图 Fig.3 Two-dimensional ordination diagram of canonical correspondence analysis of different mulch modes

3 讨 论

关于充分利用土壤有效积温和水分方面的研究报道较多，结果表明，地膜覆盖对作物不同生育时期、不同土层深度和日地温的变化有显著影响[11]，地膜覆盖能够提高土壤温度和土壤含水量[12-13]，提高水分利用率和光合效率[13-14]，增强土壤深层水分上升和利用，加快水分在土壤、植物与大气间的循环，进而使作物显著增产[15]。地膜覆盖通过抑制土壤蒸发、影响降水的蓄纳入渗和植株蒸腾耗水3个主要途径共同影响土壤水分状况。

本文研究表明，地膜覆盖能明显提高上层土壤温度，由于白色地膜透光率大于黑色地膜，故普通白膜与其他处理相比相同土层温度高于其他膜温度，花生生长期内普通白色、黑色地膜土壤表层平均温度比露地栽培分别提高1.68℃和0.81℃，PPC白色和黑色全降解膜平均温度分别提高1.24℃和0.57℃。5 cm土层普通白色、黑色地膜比对照平均温度分别提高0.97℃和0.54℃，PPC白色全降解膜平均温度分别提高0.62℃和0.21℃。而采用不同类型地膜覆盖，15 cm土层地温差异较小。从土壤保墒效果比较，可看出不同覆膜处理与对照相比，相同土层相对含水量都有所增加，且同一种膜型不同土层的相对含水量呈现递增趋势，即在0～15 cm土层范围内，土层越深，相对含水量越高。从凌晨2:00到20:00，土壤相对含水量呈先增加后降低的趋势，这是由于随着太阳升起，光照增强，温度升高进一步增强深层土壤水分上升，覆盖地膜处理在14:00相对含水量达到最大值，之后随着光照、温度的降低而减小；对照处理在14:00相对含水量却是最低，说明地膜覆盖能有效阻止水分蒸发，增加土壤蓄水保墒能力。

花生生长前期，PPC全降解膜与普通地膜都主要通过提高日最高温度来影响土壤温度的变化。而在花生生育后期，由于植株旺盛生长和发育，地温受覆盖方式的影响较小，这与戴良香等人[16]研究结果一致。 PPC全降解膜的应用对环境保护至关重要，因此在大面积生产上PPC全降解膜可以替代普通地膜。