微硅粉悬浮液体地膜对青藏高原土壤温度、水分和小麦产量的影响

王顺新，铁生年，2

（1.青海大学 新能源光伏产业研究中心，西宁 810016；2.青海省先进材料与应用技术省重点实验室，西宁 810016）

地膜覆盖是通过一层高分子膜阻止土壤中的水、热、气等与外界交换，有效抑制了土壤中水分挥发，提高土壤中水分的高效利用，达到农业增产目的，中国北方干旱与半干旱地区地膜覆盖已经成为提高作物产量的手段之一。且农用地膜在作物的生长阶段，能够提高地温、增强光照，保持土壤疏松、抑草灭草［1-3］。目前，地膜覆盖材料普遍是一种聚乙烯的高分子化合物［4］，虽然能够大幅度的改善土壤的保温和保墒性能，并能提高作物的产量。但由于聚乙烯膜结构稳定难降解，农田中大量的地膜残留物碎片长期存留会破坏土壤的理化性状，影响农作物对土壤中水分和养分的有效利用，影响作物的生长发育，造成作物的减产［5］。且残留物回收成本较高造成了耕地环境严重的白色污染，给农业生产利用带来经济效益的同时，也给农业环境带来了很大的负面影响。

液体地膜是一种多功能可降解地膜，它的主要成分是有机高分子化合物，易降解。液体地膜常温下是一种乳状悬浮液，喷施于土壤表面，与土壤表面的颗粒形成一种理想的土壤团聚体［6］，能够提高土壤的温度，阻止土壤水分的蒸发。液体地膜成膜后形成的微小孔道有利于雨水、农药、营养物质渗入土壤，液体地膜随外界光照、温度及土壤微生物的作用，覆膜40～60d自然降解［7］。李云光等［8］研究认为，液体地膜能够提高土壤的温度和含水率，促进棉苗的出苗率和生长发育。杨青华等［9］研究表明，液体地膜能够改善棉田土壤物理性状，促进根系的吸收和棉花生长发育，提高棉花的产量。梁美英等［10］研究认为，液体地膜覆盖能够提高玉米的产量，且玉米的穗粒数和百粒质量均高于空白处理。以往大量的研究都是针对液体地膜对土壤环境和植被生长的影响，然而将工业废弃物微硅粉添加到液体地膜讨论膜对土壤特性及作物生长影响尚未系统性研究。由于微硅粉为冶炼硅铁合金时产生的工业尾气产物，主要成分为SiO2，还含有Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、游离碳等［11-12］，随着烟道排出后在空气中凝结形成SiO2粉体，一部分SiO2气体直接排放到大气环境中，给当地的环境造成了巨大的压力［13］。然而Si元素及微量元素Fe和Mn等对吸硅类植物的生长有一定的促进作用，还可以充当硅肥使用［14］。因此本试验通过利用冶炼硅铁合金过程中产生的废弃物微硅粉，将其添加到液体地膜基料中，制备出一种新型环保的液体地膜材料。研究微硅粉悬浮液体地膜覆盖对土壤环境和液体地膜中硅元素对小麦生长的影响，为微硅粉悬浮液体地膜推广农业覆盖领域提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年3月至7月在青海大学试验基地露地盆栽试验。试验区位于北纬36°34′3″，东经101°49′17″，海拔2 275m。属高原大陆性气候，年平均气温7.6 ℃，年平均日照数1 939.7h，年降雨量380mm，年均蒸发量1 363.6mm。供试土壤为高原黑钙土，质地为壤土，取自青海互助县五峰镇农作物耕地，土壤有效硅含量为52.35 mg／kg，土壤田间持水率（质量含水率）为14%，土样养分分析如下表1。

表1 土壤基础养分Table 1 Basic nutrients in soil

1.2 试验材料

液体地膜选用青海大学新材料高值化科研团队课题组制备的稳定微硅粉悬浮液体地膜［15］和不含微硅粉的液体地膜（不添加微硅粉，其他原料配比不变）。液体地膜常温下是灰色乳状悬浮液，粘度为17 804 MPa·s，pH 为7。微硅粉悬浮液体的原料配比质量分数分别为：0.6%淀粉，0.75%CMC、1%PVA、0.5% 甘油、0.15% 黄原胶、0.5% 微硅粉、0.5% 六偏磷酸钠、0.4% 氯化铵、95.6% H2O。普通地膜厚度为0.008mm，产自青海西宁金城塑料有限公司。试验采用高16 cm，内径23cm 的圆形花盆12个，每个盆装风干土样6kg，土壤的表面积为437.2cm2。为模拟当地麦田田间持水率14%，每个盆加水600mL。供试作物为高原春小麦，品种为‘青麦7号’。于2019-03-05在盆中播种，每个盆均匀播种小麦种子16粒，小麦收获后进行考种，测定小麦籽粒质量和生物产量，并采集小麦植株样品留样，备用。

1.3 试验设计

采用小麦盆栽试验，将小麦均匀播种。液体地膜选用青海大学新材料高值化科研团队课题组自制的微硅粉悬浮液体地膜和不含微硅粉的悬浮液体地膜，试验共设4个处理，分别为：①微硅粉悬浮液体地膜（LS），②不含微硅粉的悬浮液体地膜（LP），③普通地膜（PF），④裸地对照（CK），每个处理重复3次（每个重复3个盆）。（其中液体地膜最佳用量通过3 组不同用量：0.112 g／cm2、0.158g／cm2、0.204g／cm2液体地膜平行实验，最终以0.158g／cm2用量作为本试验液体地膜的最佳施用量）。根据每个盆所喷施液体地膜的用量相等，小麦播种后用小型喷壶分别均匀喷洒于每个盆中。

1.4 测定项目及方法

土壤温度：采用江苏精创电气公司生产的RC-4数显温度计观测5cm、10cm 土层的温度。播种第4天开始观测，每4d测一次数据，连续测定1个月。

土壤水分：采用土壤水分传感器RS485测定不同土层的含水率，测定土层深度为5cm、10cm的含水率，播种后第3天开始观测，直到小麦成熟期截至。

小麦出苗率：从小麦出苗第1天算起，连续观察10d，数出出苗数后除以应出苗数，最后计算出小麦的出苗率。

小麦生长指标：以80%小麦进入生育期阶段为依据，每个盆选取3株有代表性的植株，用直尺测定植株的株高。在小麦各生育期，将选取的小麦植株叶片和茎秆分开，将叶片和茎在105 ℃的烘箱中放置1h，在烘箱中65 ℃烘干至恒质量后分别称取小麦茎和叶的质量，来确定小麦地上部干物质积累量。

小麦茎叶的硅质量分数及小麦产量：在小麦抽穗期分别选取两株代表性的植株，将小麦茎和叶分开，茎和叶的硅含量（质量分数）采用戴伟民等［16］测定方法。在小麦收获前选取长势一致的植株，测定其穗粒数，收获后将籽粒风干测量千粒质量。

1.5 统计分析

采 用Origin pro 2016 和Microsoft Excel 2013对数据进行整理、分析及作图，采用SPSS 20.0软件和最小显著性差数法LSD 对数据进行方差分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 液膜覆盖对土壤温度的影响

小麦播种后不同地膜处理对土层5cm 和10 cm 温度的影响如图1-a和1-b所示，各处理均不同程度提高了不同土层的温度，且随着覆盖时间的延长而变小，随着土层深度的加深而减弱，同时各处理之间土壤温度差异显著（P＜0.05）。图1为土层深度5cm、10cm 处LS和LP与普通地膜覆盖后土壤温度的变化情况：PF＞LS＞LP＞CK。统计结果表明，普通地膜与LS、LP、CK 温度间差异显著（P＜0.05）。由图1可以看出，普通地膜覆盖土壤温度均高于液体地膜和空白处理，普通塑料地膜处理土壤5cm、10cm 温度比空白对照平均高1.6～2.7 ℃和1.1～2.9 ℃（P＜0.05）。LS覆盖土壤5cm、10cm 温度较空白组平均高0.7～1.4 ℃、0.4～1.3 ℃（P ＜0.05）。LP覆盖5cm、10cm 土壤温度较空白组平均高0.3～0.6℃、0.4～0.9℃，LS覆盖5cm、10cm 土壤温度较LP 高0.4～0.8 ℃、0～0.6 ℃。由于微硅粉常温下物理状态为灰黑色圆球微纳米颗粒，添加到液体地膜基料中形成一种稳定的灰黑色乳状悬浮液，喷施于土壤表面后。在外界太阳光的照射下可吸收较多自然光，进一步提高了土壤的热通量［17］。此外微硅粉的主要成分是SiO2，添加在液体地膜基料中，液体地膜成膜过程中填充在聚乙烯醇（PVA）的骨架结构中，从而提高了地膜的机械强度，阻止土壤中水分在液膜表面毛细孔道和微孔向外界扩散。所以添加微硅粉的液体地膜覆盖土层温度明显高于不添加微硅粉的液体地膜。土壤微生物的活动、有机质矿化分解等过程不仅需要保持恒定的土壤温度，而且土壤温度直接影响土壤含水率和养分含量等［18］。因此LS覆盖不仅提高了土壤温度，而且改善了土壤的养分状况。

图1 不同地膜覆盖下土壤温度变化曲线Fig.1 Soil temperature change curves under different film covering

2.2 液膜覆盖对土壤含水率的影响

表2为不同地膜处理小麦各生育期土壤质量含水率变化，从表2可知，在小麦生育期，不同地膜覆盖土壤深度在5cm、10cm 含水率均高于空白对照，不同处理差异均达到显著水平。其中，普通塑料地膜覆盖后土壤深度5cm 和10cm 处平均含水率最高为15.08%和15.76%，分别比空白对照高1.98%和2.28%（P＜0.05）。在小麦整个生育期，LS覆盖土壤含水率与PF 基本相近。LS地膜覆盖土壤深度5cm、10cm 含水率较CK分别高1.94%和2.2%（P＜0.05）。在小麦出苗期PF地膜处理土壤含水率均大于液体地膜处理，而在小麦三叶期和拔节期，LS处理土壤含水率较PF高1.4%和0.2%（P＜0.05），分析其原因可能是微硅粉液体地膜在成膜过程中由于土壤中水蒸汽与外界大气环境的交换，在液体地膜表层形成了一些微小的孔道，相比PF 更有利于雨水渗透。在小麦孕穗期，PF 与LS、LP 处理土壤含水率无明显差异。主要原因可能是，液体地膜是一种有机高分子化合物，喷施于土壤表面与土壤颗粒形成一种团粒结构，抑制了土壤水分的蒸发。后期随着覆膜时间的延长，土壤含水率逐渐呈下降趋势，液体地膜处理对土层含水率的影响越来越弱，这是由于液体地膜随着光照及外界大气环境的影响，由于覆膜时间、植株和杂草破土膜面受损等原因地膜自然降解，各土层含水率逐渐降低。

表2 不同地膜处理小麦各生育期土壤质量含水率Table 2 Soil quality and water content in different growing stages of wheat treated with film %

2.3 液体地膜覆盖对小麦生长的影响

2.3.1 液体地膜覆盖对小麦出苗率影响 不同地膜处理小麦出苗率见表3，从表3可以看出，各处理小麦出苗率均高于露地对照，小麦出苗率表现为PF＞LS＞LP＞CK。在小麦播种后4d，LP和LS覆盖出苗率比PF低5.9%和4.6%，较CK高21.8%和23.1%。小麦播种后6d，LS处理小麦出苗率均高于其他处理。小麦播种后8d，普通塑料地膜和液体地膜覆盖小麦出苗率达到显著性差异水平，液体地膜覆盖差异并不显著。这是因为液体地膜在成膜过程中，由于土壤中水分的蒸发，膜表面形成一定的毛细孔道，使得液体地膜的机械强度降低，麦苗在出土过程中易穿过液膜表面，由于普通塑料地膜的机械强度较高，小麦出苗期间抑制了麦苗的生长，从而液体地膜覆盖小麦的发芽率高于普通塑料地膜。

表3 不同地膜处理小麦出苗率变化Table 3 Changes of wheat emergence rate under different film treatments

2.3.2 液体地膜覆盖对小麦株高和地上部干物质积累量的影响 图2为各生育期不同地膜处理小麦株高和地上部干物质积累量变化，从图2可知，在小麦生育期LP 和LS处理，相比CK 小麦株高和地上部干物质积累均达到显著性水平。表现为PF＞LS＞LP＞CK。各处理小麦生育期株高变化差异显著，在小麦的苗期和拔节期株高变化不明显，拔节期之后小麦生长速度较快，株高变化较明显，灌浆期后小麦株高趋于稳定。PF处理在小麦苗期、拔节期、灌浆期、成熟期分别比CK 提 高 了8.9%、12.1%、17.2%、17.0%。而LS处理在小麦苗期、拔节期、灌浆期、成熟期株高分别比CK 高8.0%、14.1%、11.9%、12.0%，可见液体地膜处理能明显提高小麦的生长发育，其株高变化均明显高于空白组。原因是液体地膜覆盖提高了土壤的温度和含水率，为小麦的生长提供良好的生长环境。

在小麦拔节期之前小麦生长较为缓慢，植株茎叶干物质积累量较少，抽穗期小麦生长速度加快，在灌浆期干物质积累量趋于稳定。微硅粉液体地膜处理在小麦生育期对小麦生长有促进作用，在抽穗期，LS 处理小麦干物质积累量与PF基本一致，较CK 提高20.5%。主要是因为微硅粉液体地膜中的硅元素为小麦的生长提供了必须的硅肥，且微硅粉液体地膜具有良好的保温、保水、保墒效果，在小麦生育期前期与PF具有等同的作用。表明微硅粉液体地膜处理在小麦生育期能提高小麦地上部干物质积。

图2 不同地膜处理小麦生长期株高和地上部干物质积累量变化Fig.2 Changes of plant height and dry matter accumulation in wheat shoots with different plastic mulchings

2.3.3 液体地膜中硅元素对小麦生长的影响 土壤中硅含量（SiO2）占50%～70%，但被植物吸收利用的是易溶解的单硅酸（H4SiO4）。对大部分高等植物，硅虽然不是植物生长所必须的元素，但对少部分富硅禾本科植物是生长必须的元素。Si在植物体内以硅胶的形态存在于植物细胞壁微团结构中，减少了细菌和病虫的侵害。同时在植物细胞壁Si能够增加细胞壁厚度，提高了禾本科植物的抗倒伏能力。Si在茎叶表皮细胞与角质之间形成了角质与硅的二层结构，抑制了叶片的蒸腾速率，降低了植株体内水分的蒸发，提高了植物的抗旱能力［19］。因此液体地膜中硅能被禾本科植物吸收利用，不仅提高了作物的抗倒伏和病虫害等能力，而且进一步提高了农作物的产量。

表4为不同地膜处理小麦茎叶硅含量与产量关系，从表4可知，LS地膜处理小麦茎和叶的硅质量分数较LP、PF和CK 达到差异性显著，其中LS处理茎和叶硅质量分数最高，分别为25.43 mg／kg和24.83mg／kg，较CK 提高了19.3%和16.8%，LP较CK 提 高 了8.9%和5.2%，PF 较CK 提高了5.7%和1.5%。主要是因为微硅粉液体地膜中的硅与土壤溶液形成小麦能够吸收的有效硅，通过植物体内水分的传输将硅元素传输到植物的各个器官，而PF 和CK 处理小麦中茎叶硅质量分数大部分是土壤溶液中所吸收的硅。土壤含有一定有效硅的基础上，微硅粉液体处理在一定程度上增加了土壤中能够被小麦吸收的有效硅，所以PF 和CK 处理小麦茎叶硅质量分数明显低于LS处理。小麦茎和叶硅质量分数也有差别，是因为小麦生育期为了提高小麦的抗倒伏能力，小麦茎干细胞壁上沉积的硅较叶片多。其中LP 和CK 处理茎和叶的硅质量分数与LS达到了差异显著性水平，抗倒伏能力低于LS处理。各处理小麦的千粒质量和穗粒数均高于空白对照，其中LS 处理千粒质量较CK 平均提高了5.8%，穗粒数较CK 平均提高了23%。LS处理小麦产量较LP、PF 和CK 平均增产8%、11.4%和16.2%。表明微硅粉液体地膜不仅在小麦生育期阶段起到保温、保湿、改善土壤结构和养分的效果，还能为小麦提供生长所必需的硅元素，促进了小麦的生长状况，提高了小麦的产量。

表4 不同地膜处理小麦茎叶硅质量分数与产量Table 4 Silicon mass fraction in stems and leaves and yield of wheat treated with different film treatments

CK 21.32±0.42d 21.25±0.35c 32.6±0.36c 26.4±0.8d 22.7±0.4d

3 结论与讨论

微硅粉悬浮液体地膜覆盖对土壤保温、保水及作物生长影响与相关研究结果类似，但将工业废弃物微硅粉添加到液体地膜中，提高了小麦的发芽率和产量的研究较少。本文不仅分析了微硅粉悬浮液体地膜覆盖土壤温度、含水率及小麦产量的影响，也研究了微硅粉悬浮液体地膜中硅元素对小麦生长的影响。结果表明，LS和LP 处理均提高了土壤深度5cm、10cm 温度和含水率，从而促进了小麦根系对土壤养分吸收状况，进一步改善了地上部小麦植株的生长发育。主要表现为麦苗早发，株高和地上部干物质积累量高，增产效果明显。PF处理土壤温度高于液体地膜处理，但小麦生长期的含水率低于LS处理，LS处理有助于雨水渗透，改善土壤的通透性，有利于小麦生长发育。LS处理小麦千粒质量较CK 平均提高了5.8%，穗粒数较CK 平均提高了23%。另外本研究还未考虑到的问题，如液膜喷施的厚度、配套的喷施设备和膜的降解周期，后期还需在这些方面加强研究。综合分析得出，微硅粉悬浮液体地膜在农业覆盖领域具有可应用性的价值，但将其应用还需不断验证微硅粉悬浮液体地膜的具体性能指标。

中国农业覆盖领域中地膜覆盖能够提高地温、促进种子的萌发、根系呼吸作用和提高作物产量等［20-21］，同时也产生了残膜难降解、污染环境等负面影响［22-23］。液体地膜覆盖能够影响土壤养分吸收与转化，从而改善了土壤的肥力。液体地膜是一种新型环保的水土保持材料，在覆盖有效期能提高作物的发芽率和防风固沙等作用，降解后对土壤无二次污染。但受雨水冲刷、外界光照等方面的影响，液体地膜的耐候性还需进一步优化工艺路线。液体地膜价格廉价、易喷施、使用方便，可显著提高农田的经济效益和生态效益。因此，将液体地膜推广于农业覆盖领域是一条可行性的技术。