干旱绿洲区可降解地膜覆盖对滴灌棉田土壤水分和温度的影响

2020-03-14李文昊韩冬梅胡松可

石河子大学学报（自然科学版） 2020年1期

李文昊，韩冬梅，胡松可

(1 石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子832003；2 新疆石河子职业技术学院,新疆石河子832000)

1996年新疆生产建设兵团首次将具有局部湿润特点的滴灌技术与蓄水保墒优势的覆膜技术结合，形成了膜下滴灌技术[1]，2012年新疆的膜下滴灌棉花就已连续20年实现棉花种植面积、单产、总产和调出量全国第一[2]，膜下滴灌已成为新疆农业高效节水的主要模式。

覆膜可以降低膜内土壤与大气间的水分和热量交换[3]，但农用塑料地膜厚度小，回收困难，同时又属于高分子化合物，难降解。随着膜下滴灌大面积的推广应用和时间的延长，农田残膜不仅影响作物的正常生长，还对环境造成了严重危害[4]。目前主要采用三种方式进行残膜治理[5]，第1种是加大对残膜回收机的研发投入，装备回收效率更高的残膜回收机，第2种是提倡应用加厚地膜，降低残膜破碎率保证回收效率，第3种是寻求可替代塑料地膜的覆盖材料，如作物秸秆、液体地膜和可被微生物蚕食或光照可分解的地膜等[6]。

近年来，由广州金发科技、新疆天业集团和兵团第五师塑料厂等公司研发并批量生产的可降解地膜，已在新疆滴灌棉花种植中小范围应用，但学者们对可降解地膜蓄水保墒能力的关注度不高，将多种可降解地膜进行对比的研究很少，因此，本文通过试验研究不同可降解地膜、普通塑料地膜和裸地(对照)处理滴灌棉田土壤水分、温度的变化，从而准确评价可降解地膜的蓄水保墒性能，为干旱绿洲区“白色污染”的治理和覆膜滴灌技术在干旱绿洲区域的可持续发展提供依据。

1 试验设计与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年3月在石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地(85°59′E、44°19′N)进行。试验地点年均日照时数2 865 h，无霜期170 d，年均气温7.7 ℃±0.9 ℃，最高气温出现在7月，平均气温25.4 ℃，最低气温出现在1月，平均气温-5.5 ℃，年均降水量213 mm，年均蒸发量1 342 mm。

1.2 试验设计

供试棉花品种为新陆早33号，种植方式为一膜两管四行，灌溉定额统一为5 250 m3/ hm2，生育期内灌水9次。试验设计4个可降解地膜、1个普通塑料地膜和裸地(对照)处理；每个试验处理3个重复，共18个试验小区。可降解地膜分别购自4家公司，其中，处理1为第五师塑料制品厂生产的生物降解地膜，处理2为天业节水灌溉股份有限公司生产的光降解地膜，处理3为新疆宝利丰达农业科技有限公司生产的液态生物降解地膜，处理4为广州金发公司生产的生物降解地膜，处理5为普通塑料地膜试验处理，裸地试验为对照处理。

1.3 试验指标测定

(1)土壤温度测定。在垂直方向分别取5、10、15、20、25 cm深度的土并测定其温度，测定时间为2015年5月22日—7月17日，每2天读数1次，读数时间为10:00、12:00、14:00、16:00和18:00。

(2)土壤含水率测定。取5、10、15、20、25 cm土并测定其含水率，每次取土3个重复，取土时间为2015年6月20日—2015年9月1日，共8次；取土时利用GPS定位，以后每次取样均在同一定点处；每次取样后利用烘干法测出土壤的质量含水率。

1.4 数据分析

所有数据采用Microsoft Excel工作表进行处理及绘图，应用SPSS Statistics 19.0软件进行样品的描述性分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖土层温度随时间的变化

土壤温度是反映地膜保温效果的重要指标，覆膜主要通过提高土层温度影响作物生长[7]。本文不同处理棉田土壤的温度变化如图1所示，其中，各处理的土壤温度值为1天内观测温度的平均值。

由图1可知：

(1)不同处理土壤温度的变化趋势基本相同，都随时间的延续呈现先减后增再减的变化，在6月7日增幅达到最大，随后减小，在6月23日后再次增大，之后趋于稳定。

(2)5种覆膜处理的土壤温度均比裸地的高，温差增幅为10.07%左右，表现出覆膜的保温性能。20、25 cm土层，裸地的土壤地温上升较慢，有膜覆盖的土壤地温上升较快；深层土壤温度提升速度较浅层的慢。其原因是由于5、10 cm土层接近地表，吸收的太阳辐射能量较多，致使温度上升快。另外，7月17日以后4种可降解地膜处理土壤温度与裸地处理温度逐渐接近，处理5的不同土层土壤温度与可降解膜覆盖处理差距也在逐渐缩小。其原因一是可降解膜的逐步降解，二是棉花植株的生长影响了光照直射[8]。

(3)不同地膜处理的增温效果有差别。同日期、相同土层不同处理的土壤温度从高到低依次为普遍塑料地膜、可降解地膜覆盖、裸地处理；不同可降解地膜处理的增温效果从大到小依次为处理1、处理2、处理4、处理3，具体表现为研究周期内普通塑料地膜处理日平均气温比裸地处理提高1.43 ℃，4种可降解地膜处理日平均气温比裸地处理的提高1.25 ℃；在棉花生育期，覆膜处理的增温效果更明显，之后随着棉花生长，由于可降解地膜的逐步降解以及棉花植株生长降低了棵间蒸发，覆膜处理的增温效果逐渐降低。

图1 各土壤深度的温度随时间变化

2.2 不同处理土壤含水率统计特征

变异系数Cv值反映样点的离散程度，Cv<0.1为弱变异性，0.1≤Cv≤1为中等变异性，Cv>1为强变异性[9]。为研究棉花生育期有无覆膜处理对土壤各层含水率的影响，对不同处理各取9个样本，并以同一土层、不同时间点的数据取平均值为分析对象，计算不同覆膜与裸地处理不同土层含水率均值及变异系数，结果如表1所示。

表1 不同处理土壤各层含水率统计表

由表1可知：

(1)观测期间各土层含水率的整体变化趋势是随着土层深度的增加呈现为逐级递减的变化。裸地处理，5 cm土层含水率比25 cm的高10.42%；各覆膜处理，5 cm土层含水率比25 cm的均提高超过20%以上；在0～10 cm土层，裸地的含水率较覆膜的含水率平均相差约2.44%。表明覆膜除了能够保温外，还具有降低土壤蒸发和保墒的作用。

(2)裸地和覆膜处理的变异系数均呈现逐级递减的趋势，各层土壤含水率的变异系数多在区间[0.1，1]内，为中等偏弱变异性；5 cm土层含水率的变异系数较高，这是由于该层土壤离地表最近，受外界的影响较大，易造成土层的含水量变化大；25 cm土层内土壤温度的变异系数最小，说明此土层内水分的变化幅度较小，水分含量趋向于稳定。

2.3 不同覆盖土层含水率随时间的变化

土壤水分是保证作物生长的关键因素之一，土壤含水率是土壤重要的物理性状之一，亦是作物良好生长发育的基础[10]。不同覆盖土层含水率随时间的变化如图2所示，其中，各处理的土壤含水率为一天内各观测点含水率的平均值。

由图2可知：

(1)各个土层的土壤含水率随时间呈现先增后减、再增再减、再微增的变化。6月棉花植株处于营养生长阶段，为满足棉花的生长需要对棉花进行及时灌溉，使得土层的含水率逐渐增大；7月高温时期，大量的水分蒸发造成土层内的水分急剧降低，处理1～4的25 cm土层平均含水率的平均值为9.65%，而处理5为11.88%，对照为8.03%；8月棉花处于花蕾期，棉花植株需灌溉，增肥和催熟处理，对棉花植株进行灌溉处理，各土层含水率随之逐渐上升，4种可降解地膜处理土层平均含水率为18.78%，普通塑料地膜为22.42%，裸地为16.77%；9月棉花进入吐絮期，需水量小，此后土壤含水率趋于稳定。

(2)总体上各个土层不同处理土壤含水率从大至小依次都是处理5、处理1～4、裸地。同一时间处理1～4的0～15 cm土层土壤含水率出现交错现象，说明可降解地膜与普通塑料地膜在某种程度上具有相同的保墒效果；同一时间处理5的15～25 cm土层土壤含水率比处理1～4的平均值约高1.05%，说明普通塑料地膜的保墒效果在某些土层优于可降解地膜。

(3)不同可降解地膜处理的保墒能力略有差别，总体上蓄水保墒能力从大至小依次为处理4、处理2、处理1、处理3。其原因可能主要是不同生产厂家的可降解地膜制造原料和工艺存在差别。

图2 各土壤深度含水率随时间变化

3 讨论

干旱绿洲区农业生产面临的核心问题是如何达到农业水资源高效利用，而节水灌溉是提升农业水资源利用效率的有力措施[11-12]。长期覆膜连作已然造成了“白色污染”问题，寻找可替代塑料地膜的可降解覆盖材料是治理“白色污染”的有效途径[13]。

(1)在可降解地膜和普遍塑料地膜对土壤温度影响的研究中，张永明[14]等研究表明，地膜覆盖可以明显提高地下5～15 cm处的地温，在没有降解时与普通地膜相比具有相近的保温作用；胡宏亮[15]等研究表明，可降解地膜与普通塑料地膜在土壤保温方面具有相近的作用；本文研究结果表明，棉花生育期普通地膜的保温性能比可降解地膜略高。许树宁[16]等研究表明，随着土层深度的增加，温度变化越小，可降解地膜覆盖能明显提高土壤温度；本文研究结果与其一致。

(2)在可降解地膜和普遍塑料地膜对土壤含水率影响的研究中，陈梦楠[17]等研究发现，休闲期地膜覆盖能明显提高播种期0～30 cm土层含水率，丰水年提高35%，平水年提高48%，欠水年提高101%；邬强[18]等研究表明，在棉花生育前期，覆盖生物降解地膜与普通塑料地膜可明显提高0～15 cm内水分；本文研究表明，覆盖可降解地膜土壤含水率比裸地平均高2.25%，普通地膜土壤含水率比裸地平均高3.88%，与其研究结论一致。申丽霞[19]等研究表明普通塑料地膜和生物降解地膜有相似的保墒效果；唐文雪[20]等研究表明在玉米生长前期可降解地膜的保水保墒作用显著；本文研究结果与其相近。杨青华[21]等研究表明，采用液体地膜覆盖棉田，对减少土壤水分蒸发，增加土壤含水率，提高水分利用效率和棉花产量具有明显的效果；本文研究结果与其相近。