地膜覆盖对大兴安岭南麓丘陵旱作区土壤温度、水分与玉米产量的影响

李秀萍，连海飞，白春华，陶梦慧，李焕春，慕宗杰，梁俊梅，卢旭东，康文钦，景宇鹏

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古呼和浩特010031；2.兴安盟农牧业科学研究所，内蒙古乌兰浩特137400）

地膜覆盖具有增温、保水、保肥、抑制杂草生长以及控制土壤盐返等作用[1-2]，是提高水资源紧缺地区农田水分利用效率和防止土壤发生次盐渍化的重要措施，是干旱半干旱地区农业增产增收最为关键的技术措施[3]，地膜已经成为第三大农业生产资料[4]。我国地膜覆盖栽培面积从1979年的44 hm2增加至2017年的1.87×107hm2，使用量从1982年的6.00×103t提高至2017年的1.40×106t，地膜覆盖栽培面积约占全国耕地面积的13%，占世界地膜覆盖栽培面积的90%[5]，地膜用量持续增加，覆膜面积逐渐扩大，使用强度逐年提高。然而，地膜是一种在自然环境条件下难降解、难回收、利用率低的农业投入品[6]，残留量占总地膜使用量的1/4～1/3[7]，地膜的使用必然对生态环境造成严重污染，长期大量的地膜残留影响土壤水分运移、作物根系生长以及作物产量，不利于农业的可持续发展。因此，地膜污染已经成为当前农业生产中迫切需要解决的问题。

近年来，液体地膜、可降解生物地膜的出现给农业绿色生产、提质增效带来无限生机，增厚地膜的大量使用更便于回收利用，也可减少环境污染，取得了较好的应用效果。目前，国内外有关降解地膜[8-10]、不同类型地膜[11-14]、不同厚度地膜[15-18]对土壤水热环境及作物产量影响的研究较多，却缺乏关于降解地膜、增厚地膜、国标地膜三者之间的对比研究。同时，针对内蒙古大兴安岭南麓丘陵旱作区春玉米种植过程中地膜的应用鲜有报道。玉米是大兴安岭南麓地区的主要作物，覆膜量已高达120 kg/hm2，地膜残留问题比较严重。本试验针对大兴安岭南麓丘陵旱作区开展了不同类型地膜覆盖对土壤保温、保水效应以及对玉米生长特性和产量影响的研究，旨在筛选适合当地玉米种植的地膜类型，为缓解残膜污染提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2019年在内蒙古兴安盟农牧业科学研究所试验示范基地进行，位于兴安盟科尔沁右翼前旗巴日嘎斯台乡良种场村，北纬121°42′37.1″，东经46°4′18.3″，属典型大陆性季风气候，年平均气温3.0～5.8℃，无霜期120～145 d，年降水量380～420 mm，年蒸发量1 800 mm，≥10℃积温2 600～2 900℃。试验区土壤类型为典型的栗钙土，0～20 cm土层土壤容重为1.41 g/cm3、pH值为6.20、有机质含量37.42 g/kg、全氮含量1.75 g/kg、碱解氮含量46.98 mg/kg、有效磷含量5.51 mg/kg、速效钾含量98.8 mg/kg。

1.2 材料及设计

供试玉米品种为兴农519，采用大小行种植，大行距70 cm，小行距40 cm，株距27 cm，种植密度6.73万株/hm2。试验设3个处理：国标地膜（0.010 mm聚乙烯农用地膜）、降解地膜（0.010 mm可降解生物地膜）、增厚地膜（0.012 mm聚乙烯农用地膜），膜宽均为70 cm，每个处理3次重复，小区面积150 m2（5 m×30 m），随机排列。所有处理施用复合调控肥（N：225 kg/hm2，P2O5：117 kg/hm2，K2O：49 kg/hm2）。播前旋耕施肥，之后沟播覆膜放苗，2019年5月10日播种，10月8日收获。

1.3 测定项目及方法

土壤温度采用曲管地温计监测，埋设深度为5、10、15、20 cm，每日6：00—18：00，每隔2 h监测1次地温，按照玉米生育时期分别监测，每个生育时期内连续3 d监测，取平均值。土壤含水量采用烘干称重法测定，于玉米出苗后每隔7 d在各处理地块采集1次土样，取样深度为0～60 cm，按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm分层取样，共采集6层，每个小区3次重复。

1.4 数据处理

采用Mircrosoft-Excel 2007软件进行数据处理、制图，利用SPSS 17.0软件进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同类型地膜覆盖对土壤温度的影响

土壤温度主要与太阳辐射强度和地表覆盖程度有关，是影响种子出苗、作物生长发育最为重要的因素，对北方寒冷地区的影响最为显著。由于春播时土壤温度较低，不利于种子发芽，通过覆膜种植可以显著提高土壤温度，有利于作物的出苗和生长发育，提高作物产量。由图1～图4可知，不同类型地膜处理对5、10 cm土层土壤温度影响较大，尤其是在玉米三叶期和苗期日间温差较大，最高达17.7℃；而对15、20 cm土层土壤温度的影响较小；同时，随着土层深度增加土壤温度逐渐降低；且随时间推移5 cm和10 cm土层土壤温度从三叶期到成熟期呈先升高后降低再升高的变化趋势。方差分析结果表明，三叶期和苗期土壤温度与其他生育时期土壤温度差异达显著水平（P＜0.05）；15 cm和20 cm土层土壤温度从三叶期到成熟期呈先升高后降低的变化趋势，且不同生育时期差异不显著（P＞0.05），这主要是由于玉米三叶期和苗期地表覆盖度低，土壤表层受辐射影响较强烈，造成土壤温度地表层明显大于下层。随着玉米植株的生长，尤其是从拔节期开始玉米地上部分快速生长发育，对地表覆盖度逐渐增大，造成不同处理土壤温度变化差异较小。从玉米整个生育期来看，三叶期和苗期降解地膜与国标地膜处理土壤温度变化差异较小，且3种地膜处理土壤温度在不同土壤深度均无显著差异（P＞0.05），故在玉米生长前期特别是从播种到出苗期降解地膜与国标地膜处理土壤温度差异不显著（P＞0.05），说明降解地膜覆盖也能起到较好的保温效果，而在玉米生长后期特别是从吐丝期开始，由于降解地膜逐渐破损，对土壤的保温效果逐渐降低，同时在玉米生长后期虽然土壤温度较高，但地膜处理导致的土壤温度变化对玉米生长的影响较小；在玉米灌浆期之前5 cm土层增厚地膜土壤温度显著（P＜0.05）低于国标地膜，在灌浆期之后增厚地膜土壤温度高于国标地膜处理，可见增厚地膜处理在玉米生长前期保温效果较差，不利于玉米的正常生长。整体来看，不同地膜处理对玉米各生育时期不同土层土壤温度的影响各不相同，降解地膜处理在玉米生长初期保温效果与国标地膜处理一致，而在玉米生长后期保温效果低于国标地膜；增厚地膜处理与国标地膜处理相比土壤温度差异较大，灌浆期之前5 cm土层增厚地膜处理土壤温度显著低于国标地膜处理；灌浆期后增厚地膜与国标地膜处理土壤温度基本一致。不同地膜处理0～15 cm土层土壤温度表现为：国标地膜＞降解地膜＞增厚地膜；20 cm土层土壤温度表现为：增厚地膜＞国标地膜＞降解地膜。

图1 5 cm土层不同类型地膜处理玉米各生育时期土壤温度变化

图2 10 cm土层不同类型地膜处理玉米各生育时期土壤温度变化

图3 15 cm土层不同类型地膜处理玉米各生育时期土壤温度变化

图4 20 cm土层不同类型地膜处理玉米各生育时期土壤温度变化

2.2 不同类型地膜覆盖对土壤含水量的影响

由图5～图10可知，玉米苗期至拔节期，国标地膜与降解地膜、增厚地膜处理0～60 cm土层土壤水分含量差异不显著（P＞0.05）。从抽雄吐丝期开始玉米生长对土壤水分需求逐渐增大，同时降解地膜开始逐渐破裂，对土壤保水能力逐渐减弱，土壤含水量逐渐降低；从抽雄吐丝期至灌浆期国标地膜处理土壤含水量高于降解地膜，尤其在0～30 cm土层这两个处理土壤含水量差异显著（P＜0.05），30 cm以下土层差异不显著（P＞0.05）；成熟期玉米生长即将结束，对土壤水分的需求减少，降解地膜与国标地膜处理土壤含水量基本相近。在玉米整个生育期内增厚地膜处理土壤含水量高于国标地膜和降解地膜处理，尤其是从抽雄吐丝期至灌浆期0～30 cm土层增厚地膜处理土壤含水量显著（P＜0.05）高于降解地膜处理，不同处理其他生育时期土壤含水量均未达到差异显著水平（P＞0.05）。

图5 不同处理0～10 cm土层土壤含水量变化

图6 不同处理10～20 cm土层土壤含水量变化

图7 不同处理20～30 cm土层土壤含水量变化

图8 不同处理30～40 cm土层土壤含水量变化

图9 不同处理40～50 cm土层土壤含水量变化

图10 不同处理50～60 cm土层土壤含水量变化

由表1可知，在玉米整个生育期不同处理土壤含水量变化趋势基本一致，总体上表现为增厚地膜＞国标地膜＞降解地膜，且随时间推移不同类型地膜0～60 cm土层土壤含水量从拔节期之后逐渐表现出显著差异（P＜0.05）。

表1 不同类型地膜不同月份0～60 cm土层土壤平均含水量

2.3 不同类型地膜覆盖对玉米产量构成要素的影响

由表2可知，不同处理对玉米产量构成要素的影响各不相同，3种类型地膜覆盖玉米穗粗、百粒重均未达到显著差异（P＞0.05），穗行数、秃尖程度达到显著差异（P＜0.05）；同时，增厚地膜和降解地膜处理玉米穗长、穗粒数均显著高于国标地膜（P＜0.05）。

表2 不同地膜处理玉米产量构成要素

2.4 不同类型地膜覆盖对玉米生物产量和籽粒产量的影响

由图11可知，不同处理玉米生物产量随生育进程不断增加。不同处理玉米各生育时期生物产量变化各不相同，从苗期到拔节期不同处理玉米生物产量差异不显著（P＞0.05），从吐丝期开始逐渐表现出显著差异（P＜0.05）。这是由于在生育前期（苗期到拔节期）不同处理玉米所处的水肥条件、土壤微环境基本一致，生物产量差异不显著（P＞0.05）；而从吐丝期后降解地膜处理玉米生物产量显著（P＜0.05）高于国标地膜和增厚地膜处理，这是由于当玉米进入吐丝期降解地膜逐渐破裂，增加了土壤的透气性，有利于植株的生长，生物产量表现出明显差异。整体来看，不同处理玉米生物产量表现为增厚地膜＞降解地膜＞国标地膜。

图11 不同类型地膜处理玉米生物产量

由图12可知，不同处理玉米产量大小顺序为降解地膜＞增厚地膜＞国标地膜，且降解地膜处理玉米产量与国标地膜处理差异达显著水平（P＜0.05），降解地膜处理较国标地膜处理增产12.37%，与国标地膜处理相比，降解地膜处理具有较好的增产增收效果；增厚地膜处理与国标地膜处理相比玉米增产6.89%，差异不显著（P＞0.05）。

图12 不同类型地膜处理玉米籽粒产量

3 讨论与结论

地膜覆盖通过改变土壤微环境，使土壤水分、温度在微区域呈现特殊的变化[19]。从地膜覆盖对土壤温度变化影响来看，不同处理对玉米整个生育时期土壤温度的影响程度各不相同，形成了土壤温度随玉米生育时期的变化而发生明显变化的规律，这与陈志君等[20]、白雪等[21]研究结果一致。地膜覆盖的保温作用主要是在玉米生育前期，三叶期和苗期土壤温度最高，地膜覆盖能够较好地保证玉米的出苗率，拔节期之后玉米生长旺盛，地表覆盖度逐渐增大，叶片阻止了太阳直接辐射，同时，在吐丝期降雨集中，土壤水分的增加也可以降低土壤温度，使得玉米生长后期地膜的增温效应逐渐减弱。从不同土层土壤含水量的变化来看，地膜覆盖的增温效应随土层深度的增加而减少，5 cm和10 cm土层土壤温度明显高于15 cm和20 cm土层；从土壤温度日变化来看，三叶期和苗期土壤温度日间温差最大，最高达17.7℃。同时，3种类型地膜处理在玉米全生育期内0～15 cm土层土壤温度表现为国标地膜＞降解地膜＞增厚地膜；20 cm土层土壤温度表现为增厚地膜＞国标地膜＞降解地膜。

从地膜覆盖对土壤含水量的影响来看，不同处理在玉米整个生育时期对土壤含水量影响各不相同。增厚地膜的拉伸性高，封闭也比较好，不易被风吹损，在玉米的整个生育期内能够很好地抑制土壤水分的蒸发，表现出较高的土壤含水量。降解地膜在玉米生长初期（三叶期和苗期）0～10、10～20 cm土层土壤含水量与国标地膜土壤含水量相当，但从吐丝期后地膜开始破裂降解，降解地膜处理土壤含水量较国标地膜处理有所下降，尤其对0～30 cm土层土壤含水量的影响较大，二者差异显著；对30 cm以下土层土壤含水量影响差异不显著，这与李仙岳等[22]对不同类型地膜向日葵土壤水热特性研究结果一致。

从对玉米的增产作用来看，不同处理均具有较好的增产效果，玉米产量表现为降解地膜＞增厚地膜＞国标地膜。与国标地膜处理相比，增厚地膜、降解地膜处理分别增产6.89%、12.37%，降解地膜处理与国标地膜处理相比，玉米增产差异显著，增厚地膜处理与国标地膜处理相比玉米产量差异不显著。

在玉米生育前期增厚地膜、降解地膜与国标地膜处理对土壤温度的影响差异不显著（P＞0.05），在玉米生长初期降解地膜处理的保温效果与国标地膜处理一致，而在玉米生长后期降解地膜处理保温效果低于国标地膜处理；增厚地膜与国标地膜处理土壤温度差异较大，玉米生长灌浆之前5 cm土层增厚地膜处理土壤温度显著低于国标地膜处理，灌浆后增厚地膜处理土壤温度高于国标地膜处理；不同地膜处理0～15 cm土层土壤温度表现为国标地膜＞降解地膜＞增厚地膜；20 cm土层土壤温度表现为增厚地膜＞国标地膜＞降解地膜。在玉米苗期至拔节期，国标地膜与降解地膜、增厚地膜处理不同土层土壤水分含量差异不显著（P＞0.05）；从吐丝期至灌浆期国标地膜与降解地膜处理0～30 cm土层土壤含水量差异显著（P＜0.05），不同处理土壤含水量变化趋势基本表现为增厚地膜＞国标地膜＞降解地膜。与国标地膜相比，降解地膜、增厚地膜处理均能提高玉米产量，分别较国标地膜处理增产12.37%、6.89%。综合考虑，在大兴安岭南麓旱作区玉米种植过程中采用降解地膜具有较好的效果。