黑色地膜覆盖土壤水热效应及对玉米产量的影响

2020-04-27霍轶珍丁春莲王文达韩翠莲郭彦芬李生勇

水土保持研究 2020年1期

霍轶珍, 丁春莲, 王文达, 韩翠莲, 郭彦芬, 李生勇

(1.河套学院, 内蒙古巴彦淖尔 015000;2.内蒙古自治区河套灌区灌溉排水工程技术研究中心, 内蒙古巴彦淖尔 015000 )

河套灌区地处干旱半干旱地区，连年干旱少雨，蒸发强烈，另外由于引黄灌溉，地下水位较高，使得土壤盐碱化日益加剧，严重威胁当地农业的持续健康发展。大量研究表明，地膜覆盖后对土壤的增温、保墒、控制盐分聚积及作物增产效果显著，因此在农业生产中广泛应用并取得较为理想的效果[1-4]。但近些年，随着部分学者对地膜覆盖的深入研究和生产实践发现，普通白色农用地膜不仅造成了白色污染，而且在一定程度上使得玉米出现早衰现象，限制了其增产上限。张冬梅等[5]研究指出，地膜覆盖后使得玉米生育期提前，从而在抽雄期前后遭受干旱胁迫，减产较为严重。Zaongo等[6]通过研究发现，地膜覆盖对作物的前期生长具有促进作用，但却使得土壤水肥过早的大量消耗，生育后期土壤脱水、脱肥问题凸显，导致作物早衰减产。白色地膜覆盖带来的作物早衰问题已经严重影响了作物的生长和农业的长足发展，针对此类问题，有学者采用先覆后揭的覆膜方式进行试验研究，希望通过这种方式解决问题，但由于工作量的问题，很难推广应用[7]。玉米是目前河套灌区种植面积较大的农作物，但传统不覆盖和白色地膜覆盖均存在一定的问题，制约了灌区玉米产业的发展。

有研究表明，与白色地膜相比，黑色地膜覆盖的增温、保墒效果显著，且由于其具有透光率低的特征，高温季节起到了一定的降温效应，使得作物免遭高温危害[8]。并且在番茄和马铃薯等的种植过程中得到了较好的应用效果[9-10]。但关于黑色地膜覆盖在玉米种植过程中的应用还鲜有报道，本研究通过对比研究黑、白色地膜及不覆膜条件对土壤水热及玉米地上部生物量和产量的影响，探索黑色地膜覆盖在河套灌区玉米种植过程中的适宜性，为其在灌区的推广应用提供理论依据和技术支撑，对灌区玉米产业的发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古巴彦淖尔市临河区城关镇河套学院灌排试验基地，该地区多年平均降雨量为140 mm，蒸发量为2 306.5 mm，平均气温为6.8℃，平均日照时数为3 229.9 h，无霜期为130 d左右，是典型的中温带干旱大陆性气候。试验区土质以粉砂壤土为主，1 m深土壤平均容重为1.51 g/cm3，试验区采用黄河水灌溉，平均矿化度为0.6～0.8 g/L。

1.2 试验设计

设计白色地膜覆盖、黑色地膜覆盖和不覆膜共3个处理，采用小区试验，小区面积75 m2(15 m×5 m)，3次重复。平耙地后采用机械覆膜施肥，人工点种玉米，玉米品种选用当地常规品种西蒙6号，玉米种植行距50 cm，株距28 cm，每垄2行；黑白地膜均选用内蒙古华丰商贸有限责任公司生产聚乙烯普通农用地膜，膜厚0.008 mm，膜宽70 cm。播种时施底肥尿素(46%N)300 kg/hm2，磷酸二铵(16%P2O5)150 kg/hm2。根据当地来水时间，玉米全生育期共灌3次水，采用传统畦灌的灌水方式，三次灌水量分别为975 m3/hm2，975 m3/hm2，900 m3/hm2，施肥量分别为尿素(46%N)450 kg/hm2，300 kg/hm2和不施用。

1.3 测定指标

记录玉米各生育阶段具体时间段，自播种后开始每隔7 d在玉米行间100 cm深土体内每隔20 cm取土，采用烘干称重法测定土壤含水率。玉米行间在深度为5，10，15，20，25 cm处埋设直角地温计，各生育期连续3 d观测土壤温度变化，观测时间为每日的8：00，14：00，20：00。玉米地上部生物量的测定方法为：不同生育期内，各处理选取3株植物样，自地面截取，分割后自然晾干，然后放入纸袋在80℃恒温烘箱中烘干至恒重，利用度万分之一精度的电子天平称重；玉米成收获后，每个处理选取15株植物样测量穗粗、穗长、穗粒数、百粒重和产量。

1.4 数据处理

采用Mircrosoft-Excel 2003对数据进行处理并绘制图表，利用SPSS 17.0进行试验数据的方差检验。

2 结果与分析

2.1 不同地膜覆盖对土壤含水率的影响

由图1不同处理条件下土壤含水率变化情况可知，各土层含水率变化趋势一致，自表层至深层呈现“S”型变化规律。玉米苗期，植株矮小，土壤水分的消耗以表层蒸发为主，研究发现，此阶段白、黑色地膜覆盖处理各土层含水率差异性不显著(p>0.05)，但表层0—60 cm土壤含水率平均较不覆膜处理高7.98%和9.77%，差异性显著(p<0.05)，而深层差异性较小，这主要是受作物生育期灌区地下水位较高的影响。玉米拔节期至灌浆期是关键生育期，此阶段适宜的土壤水分条件是保证玉米生长发育和产量形成的关键期，研究发现，此时黑白地膜覆盖条件下土壤含水率无显著性差异(p>0.05)，高于不覆膜处理，且表层0—60 cm含水率差异达到了显著性水平(p<0.05)。说明与白色地膜覆盖相比，黑色地膜同样具有较好的土壤保墒功能，为玉米的正常生长提供适宜的水分供应。

图1 玉米不同生育期土壤含水率变化

2.2 不同地膜覆盖对土壤温度的影响

不同覆盖条件对土壤表层0—15 cm温度变化影响较大。由图2可知，不同生育期各处理土壤温度随时间推移均呈现开口向下的二次抛物线型变化规律，且极值点出现在14：00，为全天温度最高时段。玉米生育前期(苗期至拔节期)，适宜的土壤温度有利于植株的壮苗，过高或过低的温度均会在不同程度抑制幼苗的生长。研究发现，此阶段白色地膜和黑色地膜土壤温度均明显高于不覆膜处理，苗期和拔节期分别较不覆膜处理高3.69℃，1.68℃和3.16℃，1.51℃，差异性显著(p<0.05)，说明黑色地膜同样起到了较好的增温保温效应。但两生育期内白色地膜平均较黑色地膜高2.01℃和1.65℃，且在气温最高时段14：00差值达到了2.44℃和1.98℃，差异性显著(p<0.05)，这也说明黑色地膜较白色地膜在高温条件下相对有一定的降温效果，减轻高温对幼苗的危害，促进壮苗和生长发育，此结论与张琴[8]和路海东[11]等的研究结论一致。

玉米生育中后期(抽雄吐丝至灌浆期)，植株枝叶茂盛，覆盖度较高，使得透光度减弱，从而减少了地面直接接受太阳辐射，地膜增温效应较生育前期有所减弱，但由于地膜的保温性能两处理均不同程度高于不覆膜处理。由于白色地膜透光能力较强[12]，该生育阶段各时段土壤温度平均较黑色地膜高0.78℃和1.09℃，差异性不显著(p>0.05)，但此时处于最高温季节，一定的降温作用，有利于玉米的生长。

2.3 不同颜色地膜覆盖对玉米地上部生物量的影响

由图3不同处理条件下玉米地上部生物量变化可知，玉米苗期至拔节期，由于两种颜色地膜覆盖提供的适宜水热条件促进了玉米的前期生长，两个生育阶段两处理生物量平均较不覆膜处理高68.75%，46.94%和59.38%，40.82%，差异性显著(p<0.05)。而白色地膜长势略优于黑色地膜覆盖，生物量平均高5.88%和4.35%。玉米抽雄吐丝期至灌浆期，由于玉米的植株遮阴效应影响，覆膜效应及近丧失[13]，此外植株开始由营养生长逐渐转向生殖生长，各处理间玉米生物量达到相近水平。

2.4 不同颜色地膜覆盖对玉米产量指标的影响

由表1所示，两种颜色地膜覆盖条件下玉米穗长、穗粗、穗粒数差异性不显著(p>0.05)，但均显著高于不覆膜处理(p<0.05)。各处理间玉米百粒重和产量差异性显著(p<0.05)，且以黑色地膜覆盖最高，百粒重平均较白色地膜和不覆膜高6.37%和11.95%，产量高5.12%和22.90%。这主要是因为黑白地膜覆盖处理土壤的保墒效果相当，但黑色地膜覆盖条件对根系层的降温效应，提高了根系活性和对土壤养分的吸收，从而提高了玉米百粒重和产量。

图2 玉米不同生育期土壤温度变化

图3 玉米不同生育期地上部生物量累积量变化

表1 不同处理条件下玉米产量指标对比

3 讨论

春玉米是河套灌区主要的经济作物，土壤水热条件的适宜性是促进作物生长的主要因素[4,14]。玉米属于典型的喜温性作物，适宜的土壤温度是保证其正常生长的基础性条件，过高或过低的温度均会对玉米的生长产生抑制[15]。与白色地膜覆盖相比，黑色地膜覆盖同样形成了有效的“隔膜效应”，改变了土壤水热与外界的交换条件，改善了土壤水热条件[11]。春玉米全生育期内，两种颜色地膜覆盖0～60 cm含水率均要显著高于不覆膜处理，起到了良好的保墒效果，为玉米的生长提供了更充足的水分供应，研究结果与张琴[8]等的研究结论具有一定的一致性。玉米苗期至拔节期气温较低，此时较高的土壤温度有利于玉米的壮苗和生长，两种颜色地膜覆盖各时段表层0—15 cm土壤温度均显著高于不覆膜处理，起到了较好的增温保温效应，但白色地膜覆盖在气温最高时段14：00土壤温度显著高于黑色地膜覆盖，说明黑色地膜起到了一定了降温效应，这也减小了高温对幼苗的伤害，有利于壮苗和生长发育。玉米进入抽雄吐丝和灌浆期的生育中后期后，由于植株生长茂盛，群体透光度降低，地膜的增温保温效应减弱，各处理间土壤温度无显著性差异。且黑色地膜覆盖明显低于白色地膜覆盖，该生育阶段是全生育期的气温最高期，一定的降温效应避免了玉米遭受高温危害，有利于玉米产量的生成[8,11]。由于地膜覆盖显著改善了土壤水热环境，促进了玉米植株的生长发育。研究发现，玉米苗期至拔节期，两地膜覆盖处理地上部生物量累积量差异性不显著，但均显著高于不覆膜处理，而生育中后期，覆膜效应逐渐消失，且随植株逐渐转向生殖生长，各处理间差异性减弱[13]。地膜覆盖显著提高了玉米产量，且以黑色地膜增幅最为显著，主要是由于黑色地膜的降温效应提高了根系活性和对土壤养分的吸收，有效促进了玉米产量的形成[11]。