全生物降解地膜覆盖对旱地土壤水分状况及春小麦产量和水分利用效率的影响

马明生 郭贤仕 柳燕兰

全生物降解地膜覆盖对旱地土壤水分状况及春小麦产量和水分利用效率的影响

马明生 郭贤仕*柳燕兰

甘肃省农业科学院旱地农业研究所/ 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 甘肃兰州 730070

为探明西北黄土高原半干旱区全生物降解地膜覆盖种植的生态学效应及对春小麦生产的影响, 寻求绿色、高效、可持续的覆盖种植方式, 以传统裸地穴播(CK)为对照, 于2015—2018年系统研究了全生物降解地膜全膜覆土穴播(BM)与普通聚乙烯地膜全膜覆土穴播(PM)的土壤水分效应、休闲效率及其对春小麦产量和水分利用效率的影响。结果表明: BM和PM均显著提高了春小麦各生育时期0~200 cm土层贮水量和农田休闲效率, BM与PM差异不显著。2015—2018年BM贮水量分别较CK增加了9.5、14.2、25.0和39.0 mm, 定位连作4年收获时, 0~200 cm土层PM、BM、CK贮水量分别为347.5、345.5和320.0 mm。BM和PM降雨休闲效率分别较CK提高39.63%和43.98%。BM在小麦出苗率、有效穗数与成穗率方面与PM基本相当, 显著高于CK。旱年BM出苗数量较CK提高15.87%, 有效穗数除2015年外, 其余年份平均提高14.70%, 成穗率4年平均提高3.08%。BM在干物质积累总量与PM基本相同的情况下, 花前干物质积累量略低于PM, 但提高了花后干物质积累量, 这更有助于籽粒灌浆和产量形成, 二者各生育时期干物质积累量均显著高于CK。PM、BM、CK 4年平均耗水量分别为287.46、289.76和276.06 mm, BM较PM增加了棵间蒸发耗水。BM和PM 4年分别平均较CK增产48.07%和54.95%, 水分利用效率提高了46.08%和56.07%, BM与PM差异不显著。全生物降解地膜在土壤水分效应、小麦产量效应方面与PE地膜无显著差异, 可应用于旱地春小麦全膜覆土穴播栽培技术中, 为旱地小麦绿色高效生产提供技术支撑。

全生物降解地膜; 旱地春小麦; 水分效应; 产量; 水分利用效率

春小麦是西北黄土高原旱作区重要的口粮作物, 而降水少、蒸发强、季节分布不均严重影响该区域春小麦丰产, 尤其是自然降水与春小麦需水供需错位所致的季节性干旱是限制春小麦稳产、增产的主要原因[1-2]。笔者对甘肃中部半干旱地区1990—2018年期间的降雨量和年平均气温分析结果显示, 35年间该区域降雨量基本稳定, 略有增加,年际变率1.1%~42.5%、变幅261.8~580.7 mm, 7月至9月降雨占比51.1%; 春小麦播种期降雨量平均仅14.4 mm, 且年际变率0.6%~156.1%, 春旱所致的播种难现象时有发生; 春小麦抽穗—扬花期平均降雨量50.4 mm, 年际变率0.6%~78.3%, 严重影响春小麦扬花授粉和产量形成; 近10年年平均气温升高了0.2℃, 致使农田蒸散量增加, 作物受旱风险加大。

因此, 覆盖栽培是实现该区域旱地作物高效用水的核心技术[3-4]。大量研究表明, 地膜覆盖可改善耕层土壤水热状况, 实现有限降水跨季节利用, 并能有效减轻干旱和春季低温对作物生长的危害, 显著提高作物产量和降水利用率[5-7]。全膜覆土穴播是在常规地膜覆盖基础上形成的集全地面平铺地膜、膜上覆土、机械穴播等为一体的旱作小麦栽培技术, 解决了苗孔错位问题, 集雨抑蒸、增温保墒、防除杂草效果显著, 可使旱地春小麦增产40%以上, 近年来在西北旱作区得到了大面积应用[8-10]。

然而, 地膜覆盖技术在大幅度提高农作物产量的同时也造成了一系列土壤危害[11-13], 由此引发的废旧地膜残留污染问题日渐突出, 严重影响了旱地小麦覆盖栽培技术的进一步发展。而全生物降解地膜的开发应用为解决残膜污染问题提供了新的途径, 它是以PBAT (聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯)、PLA (聚乳酸)、PBS (聚丁二酸丁二醇酯)等聚酯类物质为原料制成的地膜, 在一段时间内可通过微生物作用完全降解为二氧化碳和水, 能做到完全降解及无污染物残留, 并且具有优异的物理性能、加工性能和抗老化性能, 被认为是可替代常规PE地膜的新型覆盖材料[13-14]。目前, 国内外学者就降解地膜降解特性以及在玉米、棉花、蔬菜等作物中的应用效果进行了大量研究工作, 发现降解地膜综合性能因材料组成、诱导期设计、覆盖方式、作物类型、应用区域等的差异而表现不同[15-20]。本研究在全膜覆土穴播栽培模式下, 系统比较分析全生物降解地膜与聚乙烯地膜(PE膜)的土壤水分效应、休闲效率、以及对旱地春小麦生长发育和产量的影响, 以此明确全生物降解地膜应用于旱地春小麦全膜覆土穴播栽培的可行性, 为旱地绿色、高效覆盖栽培技术创新和黄土高原旱作农业高质量发展提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015—2018年在甘肃省安定区团结镇甘肃省农业科学院定西旱作农业试验站(农业部西北黄土高原地区作物栽培科学观测实验站/国家土壤质量安定观测实验站)进行, 定位试验4年。试验区地处陇中黄土高原丘陵沟壑区, 海拔1970 m, 年均气温6.2℃, 年日照时数2500 h, ≥10℃积温2075.1℃, 无霜期140 d, 多年平均降雨量415 mm, 蒸发量1500 mm, 为典型旱地雨养农业区。试验区土壤为黄绵土, 肥力中等, 0~30 cm土层平均容重1.25 g cm–3, 永久凋萎系数7.2%。春小麦生育期多年平均降雨量201 mm, 2015全年降雨量346.0 mm, 春小麦生育期降雨量205.8 mm (平水年); 2016全年降雨量299.3 mm, 春小麦生育期降雨量165.8 mm (欠水年); 2017全年降雨量418.4 mm, 春小麦生育期降雨量142.6 mm (欠水年); 2018全年降雨量533.3 mm, 春小麦生育期降雨量316.6 mm (丰水年)。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计, 设PE地膜全膜覆土穴播(PM)、全生物降解地膜全膜覆土穴播(BM)、无覆盖裸地穴播(CK) 3个处理, 各处理重复3次, 共9个小区, 小区面积47.56 m2(8.2 m × 5.8 m)。试验所用降解地膜为巴斯夫(中国)有限公司生产的全生物降解地膜, 主要成分为PBAT (聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯), 可完全降解为水和CO2, 在试验区域埋设540 d降解率可达到100%。所述全膜覆土穴播具体为: 小麦播种前用农膜进行全地面覆盖, 膜上再均匀覆一层1 cm左右厚的细绵土, 然后采用穴播机机械播种。当年小麦收获后休闲期不揭膜以减少水分耗散, 第2年春季播前PM处理揭除旧膜, 整地铺设新膜, BM处理直接将未降解彻底的全生物降解地膜翻压入田, 再铺设新膜。

以春小麦西旱2号为指示品种, 种植行距20 cm,穴距13 cm, 8~10株穴–1, 播种量195 kg hm–2。施肥量为N 150 kg hm–2, P2O590 kg hm–2, 全部于播前整地时基施。2015年3月28日播种, 7月30日收获; 2016年3月28日播种, 7月20日收获; 2017年3月27日播种, 7月24日收获; 2018年3月17日播种, 7月25日收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水量、贮水量和休闲效率测定 每年各小区在春小麦播前、苗期、拔节期、开花期、灌浆期、收获期用烘干称重法测定0~200 cm土层土壤含水量(%), 每20 cm为一个土样层, 根据土壤含水量计算每层土壤贮水量(mm); 休闲效率(%)为农田休闲期土壤对自然降水的保蓄率。具体计算公式如下:

土壤含水量Ws (%) = (土壤鲜质量−土壤干质量)/土壤干质量×100;

土壤贮水量SWS (mm) = Ws×b×d×10, 式中b为土壤容重(g cm–3), d为土层深度(cm);

休闲效率FE (%) = (SWSBF+1− SWSHA)/ RF×100, 式中SWSBF+1为当季作物播前贮水量, SWSHA为上季作物收后贮水量, RF为休闲期降雨量。

1.3.2 出苗数与有效穗数调查 小麦苗期每小区选取1 m2统计出苗数量, 成熟期每小区选取1 m2调查有效穗数, 然后计算成穗率。

成穗率(%) = 成熟期有效穗数/出苗数量×100。

1.3.3 干物质测定 每年于小麦苗期、拔节期、开花期、灌浆期、成熟期取地上部植株样品, 每个小区采集20株, 70℃烘干至恒重, 称取干物质量。

1.3.4 产量与水分利用效率 成熟期按小区实收计算小麦籽粒产量, 折合成公顷产量。

水分利用效率WUE (kg hm–2mm–1) = Y/ET

耗水量ET (mm) = SWSBF–SWSHA+RG

式中, Y为小麦单位面积产量(kg hm–2), SWSBF为播前土壤贮水量(mm), SWSHA为收后土壤贮水量(mm), RG为生育期降雨量(mm)。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理和图表制作, DPS7.05软件进行方差分析和LSD多重比较, 图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖方式对小麦出苗情况及有效穗数的影响

不同覆盖方式对春小麦出苗率及成熟期有效穗数产生影响(表1), 总体表现为PM和BM在出苗率、有效穗数、成穗率方面显著优于CK, PM与BM差异不显著, 干旱年份各处理出苗率、有效穗数、成穗率均有所降低, 降幅为CK>BM>PM。

休闲期降雨量相对较好的2015和2018年, PM和BM出苗株数分别较CK增加了7.11%和6.85%, 3个处理差异不显著; 在休闲期降雨相对较少且春旱严重的2016年和2017年, PM和BM出苗株数分别较CK增加了16.29%和15.87%, PM和BM与CM差异显著, 干旱显著影响了CK出苗率。地膜覆盖处理显著提高了小麦有效穗数, 除2015年外, 其余年份均为PM和BM显著高于CK, 分别较CK增加了15.00%和14.70%; 成穗率变化趋势与有效穗数基本一致, 4年期间PM和BM分别较CK提高了3.27%和3.08%。

表1 不同覆盖方式对小麦出苗情况及有效穗数的影响

PM: 聚乙烯地膜全膜覆土穴播; BM: 全生物降解地膜全膜覆土穴播; CK: 无覆盖露地穴播。不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。

PM: whole field soil-polyethylene film mulching with bunch planting; BM: whole field soil-biodegradable film mulching with bunch planting; CK: uncovered and bunch planting. Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 probability level.

2.2 不同覆盖方式对小麦干物质积累的影响

由表2可以看出, 地膜覆盖显著增加了春小麦群体干物质积累量, PM和BM在试验年份各生育时期均显著高于CK, 且在小麦生育前期表现得更为突出, 地膜覆盖处理使小麦早生快发, 干物质积累量显著高于CK。除2015年开花期、灌浆期及2018年开花期外, 其余时期PM与BM差异不显著。干旱年份3个处理各生育时期群体干物质积累量均有所降低, 干旱的2016和2017年, PM、BM、CK成熟期群体干物质积累量较降雨相对较好的2015年和2018年平均降低了28.88%、28.22%和37.50%, CK群体干物质积累量受干旱胁迫影响最大。

表2 不同覆盖方式对小麦干物质积累量的影响

处理同表1。不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。

Treatments described as in Table 1. Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 probability level.

从干物质积累过程来看(图1), 开花前群体干物质积累量表现为PM>BM>CK, PM和BM与CK在试验年份均差异显著, PM与BM在2015年和2018年差异显著, 2016年和2017年差异不显著。花后群体干物质积累量表现为BM>PM>CK, PM和BM与CK在试验年份均差异显著, PM与BM在2017年差异显著, 其余年份差异不显著。由此可见, 全生物降解地膜在成熟期干物质积累总量与PE地膜基本相同的情况下, 提高了花后干物质积累量。

2.3 不同覆盖方式对土壤水分状况的影响

2.3.1 不同覆盖方式0~200 cm土层土壤贮水量动态变化 图2显示, PE地膜全膜覆土穴播(PM)与全生物降解地膜全膜覆土穴播(BM)均显著提高了春小麦各生育时期0~200 cm土壤贮水量, 为小麦高产奠定了基础。4年PM和BM处理0~200 cm土层平均贮水量分别较无覆盖裸地穴播(CK)增加了23.7 mm和21.5 mm。且随着年限推移, 地膜覆盖与CK之间的差异不断增大, 2015年全生育期0~200 cm土层平均贮水量PM和BM分别较CK增加了13.0 mm和9.5 mm, 2016年为13.4 mm和14.2 mm, 2017年为28.3 mm和25.0 mm, 2018年为42.4 mm和39.0 mm; 而4年中PM与BM之间的差异均相对较小。

图1 不同覆盖方式对小麦花前花后干物质积累量的影响

处理同表1。不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。

Treatments described as in Table 1. Bars superscripted with different lowercase letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 probability level.

图2 不同覆盖方式0~200 cm土层土壤贮水量动态变化

处理同表1。a: 播前; b: 苗期; c: 拔节期; d: 开花期; e: 灌浆期; f: 收获期。*表示处理间在0.05水平差异显著。

Treatments described as in Table 1. a: before sowing date; b: seedling stage; c: jointing stage; d: flowering stage; e: filling stage; d: harvest stage.*indicates significant difference at< 0.05.

不同试验年份春小麦生育期内贮水量变化也不尽相同, 这种变化趋势的差异可能是由于年度间降雨量的差异及春小麦生物量的差异造成的。2015年, 播前休闲期降雨量充沛, 因此拔节期之前各处理均保持较高的土壤贮水量, 且因为是试验之初, 各处理间差异相对较小; 自拔节期开始, 各处理贮水量随着春小麦耗水强度的增加呈显著下降趋势, 且不同处理间差异逐渐增大, PM和BM显著高于CK, PM与BM差异不显著; 受灌浆期大量降雨的补给, 贮水量逐渐恢复, PM和BM仍显著高于CK, 随着作物耗水强度的减弱与降雨的进一步补给, 收获期不同处理间贮水量差异进一步缩小。2016年总体为春小麦生育期干旱年份, 苗期、灌浆期出现了PM贮水量低于BM的现象, 0~200 cm土壤贮水量平均低2.2 mm, 这可能与干旱年份PM植株生物量较大而消耗过多水分有关; 受拔节期大量降雨补给, 缩小了拔节期和开花期不同处理间贮水量的差异, 但随着干旱胁迫的不断加重, 灌浆期和收获期不同处理间贮水量差异再次达到显著水平, PM与BM差异不显著。2017年同样为春小麦生育期干旱年份, 贮水量总体变化趋势与2015年类似, 得益于播前休闲期153.2 mm的降雨补给, 播前贮水量高于2016年; 整个生育期除了开花期外, 其余时期不同处理间贮水量差异显著, PM与BM差异不显著, 这可能与2017年整体干旱, 而PM植株生物量相对较大, 在耗水强度较大的开花期较BM和CK消耗了更多的土壤水分。2018年由于播前休闲期、苗期、灌浆期充沛的降雨量, 使整个生育期各处理0~200 cm土壤贮水量均相对较高, 不同处理间差异显著, PM与BM差异不显著; 连续定位试验4年后, 2018年收获时PM、BM、CK 0~200 cm土壤贮水量分别为320.0 mm、347.5 mm、345.5 mm。

2.3.2 不同覆盖方式0~200 cm土层土壤贮水量垂直分布 BM与PM均提高了各试验年份小麦全生育期0~200 cm土壤平均贮水量, 且主要体现在0~100 cm土层(图3), 二者0~100 cm土层贮水量4年平均较裸地增加了18.8 mm和20.2 mm, 而且随着试验年限的推移, 效应更加明显。

2015年从拔节期开始, PM和BM处理0~80 cm土层贮水量明显高于CK, 80~160 cm土层则表现为CK高于PM与BM, 这与测定前遇降雨以及地膜覆盖促使春小麦早生快发有关, 较大的植株生物量使PM和BM处理0~160 cm土壤贮水量下降程度大于CK, 但地膜覆盖的降雨入渗补给效果与抑蒸效果优于裸地, 使PM与BM处理0~80 cm贮水量在降雨后迅速得到补偿; 从开花期开始, 随着小麦耗水强度的加大, 各处理0~200 cm贮水量均迅速下降, 但PM和BM各土层贮水量均高于CK, 灌浆中后期降雨的入渗补给使0~40 cm土层贮水量得到一定程度补偿, 在降雨补给以及PM和BM灌浆期大量耗水双重作用下, 使收获期CK与PM和BM各土层贮水量差异缩小。2016—2018年总体变化趋势与2015年基本一致, 连续定位试验至2018年收获时, 0~100 cm土层贮水量表现为PM和BM显著高于CK, PM略高于BM; 100~200 cm土层贮水量3个处理基本相同, BM略高于PM。从2016年和2017年2个生育期干旱年的土壤水分垂直分布来看, 2016年拔节期、收获期与2017年开花期、收获期180~200 cm深层土壤贮水量表现为PM和BM低于CK, PM与BM消耗了较多深层的土壤水分, 说明在干旱年份无论是PM还是BM, 均增加了小麦耗水深度。

2.3.3 不同覆盖方式对小麦田休闲效率的影响

不同处理在休闲效率方面表现出明显的差异性(图4), 经过前一季休闲期降雨补给后, 第二年各处理播前0~200 cm土层贮水量在试验年份均得到显著增加, 且同样主要表现在0~100 cm土层(图3)。2015—2018年不同处理休闲效率总体表现为PM和BM显著高于CK, 二者在试验年份平均较CK提高了39.63%和43.98%, BM略高于PM, 但二者差异不显著。这是由于小麦收获后的8月至9月份降雨较多, 此期地表蒸发也相对较大, 另外播前春季大风同样会造成大量土壤水分的散失, 而PM和BM在整个休闲期进行留膜保墒, 集雨抑蒸效果显著, 因此使PM和BM休闲效率显著高于CK。

2015年小麦收获至2016年小麦播种这一休闲期内共降雨133.8 mm, CK、PM和BM休闲效率分别为20.37%、28.03%和30.14%, PM和BM与CK差异显著, 二者分别较CK提高了37.60%和47.96%, PM与BM差异不显著; 2016年小麦收获至2017年小麦播种这一休闲期内共降雨153.2 mm, CK、PM和BM休闲效率分别为45.31%、61.86%和63.03%, PM和BM与CK差异显著, 二者分别较CK提高了36.53%和39.11%, PM与BM差异不显著; 2017年小麦收获至2018年小麦播种这一休闲期内共降雨253.2 mm, CK、PM和BM休闲效率分别为32.81%、47.62%和48.63%, PM和BM与CK差异显著, 二者分别较CK提高了45.14%和48.22%, PM与BM差异不显著。另外, 休闲期降雨量相对较高的2017—2018年休闲期, PM和BM较CK休闲效率提高幅度明显大于休闲期降雨相对较少的2015—2016年和2016—2017年休闲期, 说明CK地表蒸发损失率与休闲期降雨量呈正相关关系。

图3 不同覆盖方式0~200 cm土层土壤贮水量垂直分布

处理同表1。a: 播前; b: 苗期; c: 拔节期; d: 开花期; e: 灌浆期; f: 收获期。

Treatments described as in Table 1. a: before sowing date; b: seedling stage; c: jointing stage; d: flowering stage; e: filling stage; d: harvest stage.

图4 不同覆盖方式对小麦田休闲效率的影响

处理同表1。不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。

Treatments described as in Table 1. Bars superscripted by different lowercase letters indicate significant differences among treatments at the 0.05 probability level.

2.4 不同覆盖方式对小麦耗水量、籽粒产量及水分利用效率的影响

不同覆盖方式对小麦耗水量影响不同(表3), 4年平均来看, PM、BM、CK耗水量分别为287.46、289.76和276.06 mm, 年际变异系数分别为23.73%、22.44%和25.37%。2015年和2016年总体表现为CK>BM> PM, CK和BM分别较PM平均多耗水5.77 mm和2.28 mm, 处理间差异不显著; 2017和2018年总体表现为BM>PM>CK, BM和PM与CK差异显著, 二者2年分别平均较CK多耗水30.89 mm和28.56 mm, BM和PM之间差异不显著。这是由于2015年整个生育期降雨相对较多, 且降雨时间分布与春小麦需水期吻合度高, CK生长发育受水分胁迫影响较小, 其在出苗率、有效穗数、成穗率、成熟期干物质积累量等方面与地膜覆盖处理差异相对较小, 因此消耗了较多的土壤水分; 2016年为生育期干旱年份, CK处理小麦生长发育受干旱胁迫影响较大, 整个群体生物量大幅减小使小麦蒸腾耗水显著降低, 但干旱高温大幅增加了土壤蒸散耗水, 使得CK耗水量仍略高于PM和BM; 2016年的旱情延续到了2017年, 使2017年播前休闲期及整个生育期遭受严重干旱胁迫, 虽然干旱高温同样增加了CK土壤蒸散耗水, 但2017年小麦群体生物量减幅较2016年更大, 从而使作物蒸腾耗水进一步降低, 最终使耗水量低于PM和BM; 2018年为生育期降雨充沛年份, 但从6月15日开花至7月25日小麦收获的41 d期间, 有23 d出现降雨, 共降雨197.2 mm, 其中灌浆中后期占50%左右, 连续的阴雨低温对CK生长发育影响较大, 生物量下降明显, 且阴雨低温降低了土壤蒸散耗水, 最终使作物耗水量低于PM和BM。

表3 不同覆盖方式对小麦耗水量、籽粒产量及水分利用效率的影响

处理同表1。不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。

Treatments described as in Table 1. Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 probability level.

地膜覆盖通过改善土壤水分状况、出苗率、有效穗数、干物质积累等, 对春小麦产量产生显著影响。与CK相比, PM和BM均在试验年份显著提高了春小麦籽粒产量(表3), 二者4年分别平均较CK增产54.95%和48.07%, 干旱年份增幅大于丰水年份, 其中PM增产幅度为22.58%~91.73%, BM增产幅度为22.35%~71.01%; PM和BM除2016年差异显著外, 其余年份差异不显著, PM较BM增产幅度为0.20%~16.02%, 4年平均增产4.64%。此外, 各处理干旱年份总体产量显著低于丰水年份, 4年间PM、BM、CK产量变异系数分别为33.13%、37.31%、54.45%, PM稳产性最好。

水分利用效率表现与籽粒产量基本一致(表3), 从4年平均来看, PM和BM分别平均较CK提高了56.07%和46.08%, 其中PM提高幅度为24.07%~93.63%, BM提高幅度为24.27%~62.36%; PM较BM提高幅度为−0.17%~19.26%, 4年平均提高了6.83%。

3 讨论

降雨是限制干旱和半干旱地区农业生产最重要的环境因素。大量研究表明, 地膜覆盖通过协调土壤水、肥、气、热, 尤其是调控土壤水分时空再分配来促进作物根、茎、叶生长和产量形成, 从而提高单位面积产出[6-10,21-23]。王斌等[20]在马铃薯、玉米、棉花上的研究表明, PBAT型全生物降解地膜使马铃薯全生育期土壤0~30 cm含水率较PE膜偏低8.0%, 玉米和棉花在降解地膜诱导期之前5 cm和10 cm土层含水率略高于PE地膜, 差异不显著; 赵爱琴等[11]在玉米上的研究表明, 降解地膜保墒效应在玉米生长前期与PE地膜差异较小, 成熟期降解地膜处理0~100 cm土层贮水量增加量比PE地膜少46 mm, 比裸地高24 mm; 白有帅等[24]在小麦上的研究表明, 拔节期之前0~200 cm土壤平均含水量降解地膜与PE地膜无显著差异, 抽穗期、开花期和灌浆期显著低于PE地膜, 但仍显著高于裸地, 成熟期与PE地膜差异不显著。本研究表明, 在全膜覆土穴播模式下, 不同降水年型PE地膜和全生物降解地膜均显著提高了春小麦各生育时期土壤贮水量, 即使在小麦耗水高峰期地膜覆盖蒸腾耗水较大的情况下, 得益于较好的保墒效应, 地膜覆盖土壤贮水量仍显著高于裸地, 降解地膜与PE地膜在生育期内无显著差异。这与部分学者认为降解地膜保墒效应在生育期内随地膜裂解而明显减弱的研究结果有所差异[11,24], 这可能与本研究降解地膜膜上覆土的栽培方式有关。本研究降解地膜全生育期0~200 cm土壤贮水量较裸地的增量从第一年的9.5 mm增加到第4年的39.0 mm, 连续种植4年至2018年收获后, 0~200 cm土壤贮水量较裸地显著增加了25.5 mm, 但仅较PE地膜减少了2.0 mm, 说明地膜覆盖的集雨保墒效应随着种植年限的推移愈加明显, 且降解地膜因膜上覆土使其保墒效应并未随着地膜的缓慢降解而显著减弱。大量研究发现, 在地膜覆盖后温度梯度变化和热量传导的驱动下, 深层土壤水分会向上运移, 使上层土壤水分始终保持相对较高水平供作物利用[10], 本研究表明, 地膜覆盖对土壤水分状况的改善主要体现在0~100 cm土层, 降解地膜和PE地膜4年平均较裸地增加了18.8 mm和20.2 mm, 这是覆盖集雨入渗及深层土壤水分上移共同作用的结果。前人研究已证实, 地膜覆盖可使小麦的初生根下扎深度达2 m以下, 增强在干旱年份对深层土壤水分的利用[21,25], 本研究无论是降解地膜还是PE地膜, 均在干旱年份增加了小麦耗水深度。

西北黄土高原旱作区50%~60%的降雨集中在7月至9月, 此期正值春小麦休闲期, 也是土壤水分补充恢复的关键时期, 此期对降雨的蓄集和贮存决定着下茬作物播前底墒的丰欠, 因此休闲效率的高低对来年作物的生长有重要作用[26]。大量研究表明, 覆盖能减少休闲期的土面蒸发, 显著提高休闲效率, 确保土壤水分的年际平衡, 有效地将降水保蓄在土壤中供作物利用[9,25]。本研究不论是PE地膜覆盖、降解地膜覆盖还是裸地, 试验年份休闲效率均为正值, 总体表现为PE地膜和降解地膜显著高于裸地, 且休闲期降雨越多差异越大。2015—2018年二者平均较裸地提高了39.63%和43.98%, 降解地膜略高于PE地膜, 差异不显著, 这可能是由于降解地膜出现一定程度的裂纹后更有利于降雨的集流入渗, 而因膜上覆土使其对地表蒸发的影响不大所致。

出苗率和有效穗数是小麦获得高产的基础, 有研究表明, 降解地膜可使玉米提前2~4 d出苗, 出苗时间和出苗率与PE地膜无显著差异[12,15,27-28]。本研究地膜覆盖显著提高了小麦抗御干旱胁迫的能力, 在小麦出苗率、有效穗数、成穗率等方面均表现出积极作用, 降解地膜和PE地膜差异不显著, 均显著优于裸地。干旱年份降解地膜出苗率显著高于裸地, 出苗株数较裸地增加了15.87%; 有效穗数除2015年外, 其余年份降解地膜显著高于裸地, 平均提高了14.70%; 降解地膜成穗率4年平均较裸地提高了3.08%。

小麦籽粒产量大部分来自花后光合生产的同化物及花前贮藏在营养器官光合产物的再分配[29-30], 且前者对产量影响极为显著, 小麦籽粒产量的 70%以上源于花后光合产物的积累[31-32]。地膜覆盖显著影响小麦干物质积累、分配与转运, 增加小麦干物质积累量[10,33], 并显著提高花后干物质积累量及其向籽粒的转运量[34]。另有研究表明, 降解地膜在作物干物质积累方面与PE地膜无显著差异[12,15,24]。本研究结果表明, 地膜覆盖显著增加了各生育时期春小麦群体干物质积累量, 降解地膜与PE地膜总体无显著差异; 而降解地膜在干物质积累总量与PE地膜基本相同的情况下, 花前干物质积累量略低于PE地膜, 但提高了花后干物质积累量, 改善了春小麦花前和花后干物质积累过程, 更有助于籽粒灌浆和产量形成, 这可能与PE地膜增温效应优于降解地膜而在生长前期过多消耗水分养分有关。

作物耗水量受植株蒸腾与棵间蒸发共同影响, 地膜覆盖显著降低了棵间蒸发量, 但植物单株生物量和群体生物量的显著增加大幅提高了作物蒸腾耗水量, 因此作物耗水量受不同年份降雨量和蒸发量影响差异较大。有研究表明, 地膜覆盖使小麦耗水量显著高于裸地[10], 而另有研究表明, 多年平均耗水量为裸地>降解地膜>PE地膜, 但差异不显著[35]。本研究表明, 春小麦耗水量在不同试验年份差异较大, 这与其他学者研究结果一致[35]。4年平均耗水量表现为地膜覆盖较裸地多耗水12.55 mm; 降解地膜与PE地膜基本相当, 仅较PE地膜多耗水2.3 mm, 这主要是随着降解地膜的逐渐裂解, 其保墒效应有所减弱, 但综合上述水分结果与耗水量结果来看, 其保墒效应减弱程度并不明显。

地膜覆盖通过良好的水热效应以及对土壤水分时空再分配的调控作用, 显著提高了小麦产量和水分利用效率[5-10,22]; 赵刚等[35]的研究表明, 降解地膜较裸地冬小麦可增产14.95%, 水分利用效率提高18.31%, 且差异显著, 而降解地膜与PE地膜籽粒产量与水分利用效率均差异不显著。本研究表明, PE地膜和降解地膜均在试验年份显著提高了春小麦籽粒产量, 4年分别平均较裸地增产54.95%和48.07%, 干旱年份增产幅度更大, 这与其他学者研究结果基本一致[10]; PE地膜与降解地膜除2016年外, 其余年份差异不显著; 从稳产性来看, PE地膜与降解地膜显著优于裸地, 降解地膜与PE地膜4年产量变异系数差别不大。水分利用效率表现与籽粒产量基本一致, PE地膜和降解地膜4年分别平均较裸地提高了56.07%和46.08%。

4 结论

全生物降解地膜可有效地提高土壤贮水量, 改善土壤上层水分状况, 同时可显著提高旱作农田休闲效率, 并对春小麦主要生长指标产生促进作用, 从而显著提高小麦籽粒产量与水分利用效率, 其覆盖效应与PE地膜无显著差异, 可应用于旱地春小麦全膜覆土穴播栽培技术中, 为旱地小麦绿色高效生产提供技术支撑。

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Effects of full biodegradable film on soil water status and yield and water use efficiency of spring wheat in dryland

MA Ming-Sheng, GUO Xian-Shi*, and LIU Yan-Lan

Institute of Dryland Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High Water Utilization in Dryland of Gansu Province, Lanzhou 730070, Gansu, China

The purpose of this study was to investigate the ecological effect of full biodegradable film mulching and its effect on the production of spring wheat, and to seek a green, efficient and sustainable coverage in the semi-arid area of the Northwest Loess Plateau. Taking the uncovered land as the control (CK), to systematically studied the effects of full biodegradable film mulching (BM) and the polyethylene film mulching (PM) with bunch planting on soil water status, rain fallow efficiency and its impact on yield and water use efficiency of dryland spring wheat from 2015 to 2018. The results showed that both BM and PM significantly increased the water storage of 0–200 cm soil layer and rain fallow efficiency in each growth period of spring wheat, but there was not significant differences between BM and PM. From 2015 to 2018, the water storage of BM increased by 9.5 mm, 14.2 mm, 25.0 mm, and 39.0 mm respectively compared with CK. In the fourth year of continuous cropping, the water storage of PM, BM and CK 0–200 cm soil layers were 347.5 mm, 345.5 mm and 320.0 mm, respectively. Compared with CK, the rain fallow efficiency of BM and PM increased by 39.63% and 43.98%, respectively, which effectively alleviated the risk of spring drought in the next season. BM was similar to PM in seedling rate, the number of productive ears and the percentage of productive spike, and significantly higher than CK. The number of BM seedlings increased by 15.87% compared with CK in dry year, the number of productive ears increased by 14.70% on average in other years except 2015, and the percentage of productive spike increased by 3.08% on average in four years. The total amount of dry matter accumulation of BM was basically the same as PM, and before anthesis was slightly lower than PM, but higher than PM after anthesis, which was more conducive to grain filling and yield formation, and the amount of dry matter accumulation of both BM and PM are significantly higher than CK in each growth period. The annual average water consumption of PM, BM and CK was 287.46 mm, 289.76 mm, and 276.06 mm, respectively, and compared with PM, BM increased the evaporation water consumption. Compared with CK, the grain yield of BM and PM increased 48.07% and 54.95% respectively, and water use efficiency increased 46.08% and 56.07% in four years, there was not significant differences between BM and PM. There was not significant differences in soil water effect and yield effect between the full biodegradable film and PE film, and the full biodegradable film can be applied to the whole field soil-plastic mulching with bunch planting of spring wheat in dry land and provide technical support for the green and efficient production of wheat in dry land.

full biodegradable film; dryland spring wheat; effect of soil moisture; grain yield; water use efficiency.

本研究由国家公益性行业(农业)科研专项(201503124), 国家重点研发计划项目(2016YFB0302402), 甘肃省农业生物技术研究与应用开发项目(GNSW-2016-14)和甘肃省农业科学院农业科技创新专项(2020GAAS18, 2019GAAS25)资助。

This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201503124), the National Key Research and Development Program of China (2016YFB0302402), the Gansu Agricultural Biotechnology Research and Application Development Project (GNSW-2016-14), and the Science and Technology Innovation Projects of the Gansu Academy of Agricultural Sciences (2020GAAS18, 2019GAAS25).

郭贤仕, E-mail: guoxsh@21cn.com

E-mail: mamingsh@163.com

2020-05-08;

2020-08-19;

2020-08-31.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200828.1617.006.html

10.3724/SP.J.1006.2020.01040