膜下秸秆覆盖的土壤水热效应对日光温室黄瓜生长及产量的影响

王 蓉，王 虎，马 玲，杨冬艳

(1.宁夏吴忠国家农业科技园区管委会，宁夏吴忠 751100；2.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021；3.宁夏现代农业有限公司，银川 750002；4.宁夏农林科学院 园艺研究所，银川 750002)

宁夏中部干旱半干旱带，日照充足，是自治区重点发展设施蔬菜产业区域。黄瓜作为宁夏温室主栽蔬菜，栽培面积占宁夏设施蔬菜20%以上，其根系较浅，叶面积大，喜湿、喜温，耐寒性弱，故土壤水分和土壤温度的高低变化对黄瓜生长影响很大[1-2]。然而日光温室秋冬茬黄瓜在生长后期常面临灌溉水温低和土壤温度低引起的冻害、生长缓慢和果实结实率低等问题，从而造成黄瓜产量低而不稳和质量下降。因此，合理的地表覆盖保墒增温措施可有效地解决因低温带来的以上问题，是保证温室黄瓜顺利越冬和产量提高的重要技术。

地表覆盖技术可有效调节土壤温度，提高土壤保墒蓄水能力，改良土壤结构，改善作物生长环境，对作物增产效果显著[3-4]。研究表明地膜覆盖能够显著改善土壤水热条件[5]，提高作物的产量[6]，但是透气性差，土壤微生物活性不高，最终导致根系活力下降[7]。秸秆覆盖技术可改善土壤理化性质，增加微生物数量[8]、提高有机碳和养分含量，且调温效果好，有利于缓解极端温度对作物的伤害[9-10]，但单一秸秆覆盖易造成水分损耗及低温效应造成出苗率下降减产等负效应[11]。可见，单一覆膜和秸秆覆盖模式各有利弊，通过地膜秸秆结合覆盖可有效弥补单一地膜和秸秆覆盖带来的负效应，提高土壤的保墒蓄水能力[12-13]。

目前，国内外关于秸秆覆盖及地膜秸秆双元覆盖对大田作物生长的影响研究较多，但针对设施黄瓜膜下秸秆覆盖土壤水热变化机制及对植株生长发育方面的系统研究鲜见报道。鉴于此，本研究在覆膜条件下，设置不同秸秆量对温室秋冬茬黄瓜进行地表覆盖，开展黄瓜根际土壤水热变化及对植株生长的影响研究，旨在探讨膜下秸秆覆盖对设施黄瓜根际土壤温度和水分变化规律及对黄瓜生长和产量的影响，为膜下秸秆覆盖设施黄瓜优质高产和设施土壤环境改良方面提供理论依据，为地膜+秸秆覆盖模式的保水调温效应和设施黄瓜优质高产和设施土壤环境改良方面提供借鉴，对秸秆覆盖还田大面积推广及实现资源化利用等方面，具有十分重要的理论和实际意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年9月-2021年1月在宁夏吴忠国家农业科技园区日光温室进行，该基地属大陆性干旱、半干旱气候，海拔1 130 m，全年光照时间达3 000 h，全年太阳辐射高达700 kJ/m2，年平均气温8.8 ℃。年平均降水量193 mm，无霜期170 d左右，冬季寒冷多风。试验日光温室宽12 m，长72 m，钢架结构，净栽培面积780.39 m2，温室后土墙底宽3 m，脊高5 m，外覆盖保温材料保温被，保温采光效果良好。试验期间温室内空气温度、湿度及光照强度情况如图1所示(定植1个月后开始监测)。供试土壤体积质量为 1.32 g/cm3，田间持水量为25.21%，0～30 cm土层：全磷1.6 g/kg，全钾13.58 g/kg，碱解氮134 mg/kg，有效磷240 mg/kg，速效钾322 mg/kg，有机质12.4 g/kg。

图1 试验地温室环境状况

1.2 试验设计

采用传统土栽垄上覆膜定植模式，以地表无秸秆覆盖为对照(CK)，设置4个玉米秸秆覆盖量处理，分别为：T1.0.42 kg/m2；T2.0.83 kg/m2；T3.1.25 kg/m2；T4.1.67 kg/m2。小区面积为10×2.4=24 m2，重复3次，随机排列。供试黄瓜品种为‘绿冠A6’，玉米秸秆为自然晒干粉碎秸秆(长度为3～5 cm)，2020年9月16日定植，2021年1月7日拉秧。在统一施基肥农家肥30 000 kg/hm2，磷酸二铵675 kg/hm2基础上，起垄单行栽培，垄宽60 cm，垄间距60 cm，定植株距 17 cm。追肥采用水肥一体化技术，统一滴灌。追肥选用水溶性肥(N：18；P2O5：9；K2O：27)。

1.3 测定项目及方法

(1)土壤温度：采用曲管地温计插在垄上种植处，从定植后35 d，每隔1 d测定5、10、15、20和25 cm层土壤温度日变化(8:00、12:00、14:00、16:00、17:00)。

(2)土壤质量含水量：采用土钻取土烘干法测定定植后15 d、35 d、55 d、85 d和110 d黄瓜根际0～40 cm层土壤质量含水量，土层每20 cm测定1次，重复3次。

(3)土壤蓄水量：用下式计算：

W=10hab

式中:h为土层深度，cm；a为土壤体积质量(0～30 cm土层均值为1.32 g/cm3)；b为土壤质量含水量，%。

(4)黄瓜生长：定植后每隔20～30 d随机选择5株黄瓜植株测定其株高和主茎粗。

(5)黄瓜产量:在收获盛期，每个处理选取外形均匀黄瓜果实20个测定其纵径、横径和单果质量，测产以采摘期每次实际采收量的总和为准。

1.4 数据处理

用Origin 2017作图，采用DPS 7.05进行数据分析，LSD法进行差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理下土壤温度变化

如图2所示，因气温影响，各土层温度变化趋势相同，随生育期延长逐渐降低，至11月下旬变化平稳。各土层温度对不同处理随生长月份延长的响应特征表现不尽相同。10月时，T3处理对 5～25 cm土层均有增温效应，T4处理除15 cm土层外，T1和T2处理除5 cm土层外，也均促进其他土层增温。11月时，除15 cm土层外，各处理均促进其他土层增温，处理T1和T2均促进15 cm土层增温，而处理T3和T4呈降温效应。12月时，除T3处理外，各处理对各土层均有增温效应。同时，11月和12月的5 cm和10 cm土层，以及1月除15 cm土层的其他土层的地温随秸秆量增加而增加，均表现为T4>T3>T2> T1>CK。

a、b、c、d、e、f分别为各处理在5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm及各土层平均温度。下图同此

可见，在10月至次年1月，膜下不同秸秆覆盖量对5 cm、10 cm、20 cm和25 cm土层均有增温效应，随秸秆量增加，地温均大致呈上升趋势；T2和T1处理对15 cm土层均有增温效应，而T4处理在10月至11月表现为降温效应；从黄瓜各土层均温来看(图2-f)，土层越深土温变化相对越平稳且呈降低趋势，5 cm土层土温为 17.66 ℃，比10 cm、15 cm、20 cm和25 cm土层分别高出3.27%、5.57%、9.59%和12.24%。

如表1所示，黄瓜结果期除15 cm土层外，各处理均促进其他土层增温，在5 cm土层，处理T3和T4的平均土温均较CK显著高出5.32%和 7.19%，处理T2和T1与CK差异不显著(P>0.05)；在10 cm土层，处理T4比CK显著高出 5.52%，其他处理与CK差异不显著(P<0.05)；在20 cm土层，处理T1、T2、T3和T4均比CK显著高出3.37%、6.03%、5.90%和7.0%(P<0.05)；在25 cm土层，处理T2、T3和T4均比CK显著高出3.97%、6.54%和7.80%，而T1处理与CK差异不显著(P>0.05)。15 cm土层处，处理T1和T2较CK均有增温效应，且处理T2较CK存在显著性差异，而处理T3和T4较CK有降温效应，但均不存在显著性差异(P>0.05)。

表1 黄瓜结果期不同土层土壤平均温度

2.2 不同处理下土壤温度日变化

由图3-a看出，5 cm土层的土温在8:00-14:00时随时间延长而增加，且覆盖处理的日均温均高于CK，其中处理T4最高，高达18.32 ℃。如图3-b、3-c所示，10 cm和15 cm土层，各处理均在16:00达温度高峰，且覆盖处理在10 cm土层的日均温均高于CK，处理T4依然最高，高达17.58 ℃。如图3-d所示，各处理在20 cm土层温度高峰时间不同，分布在12:00-19:00时间段，25 cm土层处理T1温度高峰在16:00，其他处理在17:00(图3-e)，且20 cm和25 cm土层日均温随秸秆覆盖量增加而增加，覆盖处理均高于CK，处理T4最高分别达16.46 ℃和16.14 ℃。如图3-f所示，5 cm土层温度在8:00最低，随时间推移各土层均升温，土层越深，升温趋势越平缓，至19:00时，表现为土层越深，温度越低。

图3 土壤温度日变化

可见，5～25 cm土层温度高峰集中出现在14:00-17:00。膜下秸秆覆盖促进5 cm、10 cm、20 cm和25 cm土层日均温的提高，且随秸秆覆盖增加而增加，而15 cm土层处，只有处理T1、T2有利于日均温的提高，秸秆覆盖过多反而会降低。日均温随土层越深，变化趋势越平缓，温度越低。

2.3 不同处理下土壤蓄水量

如图4所示，10月20日之前(定植后35 d)，植株较小，土壤水分消耗以棵间蒸发为主，耗水量较低，覆盖处理均对土壤水分蒸发有抑制作用，表现为各处理土壤蓄水量较CK均有所增加，但无显著性差异(P>0.05)。之后时期进入营养兼生殖生长阶段，叶片蒸腾和土壤水分蒸发增大，耗水量也随之增多，覆盖处理的平均土壤蓄水量在11月11日降至133 mm，均比CK高，但无显著性差异(P>0.05)。12月10日，植株处在结瓜盛期，覆盖处理的平均土壤蓄水量保持在131.94 mm，较CK均有所增加，其中处理T3和T4保水效果最佳，较CK分别显著提高6.05%和5.77%(P<0.05)。次年1月初，进入结瓜末期，水分灌溉减少，覆盖处理的平均土壤蓄水量降至最低为119.24 mm，较CK均有所增加，处理T2、T3和T4分别较CK显著提高6.95%、7.48%和 6.69%(P<0.05)。可见，覆盖均有利于日光温室黄瓜生育期0～30 cm土壤蓄水量提高，处理T3对土壤的保墒效果最佳，其次为处理T4。

图4 秸秆覆盖下0～30 cm土层日光温室黄瓜土壤蓄水量

2.4 不同处理下黄瓜植株生长

如图5-a、5-c所示，11月11日之前，株高和叶片数生长迅速，之后生长相对缓慢。覆盖处理的株高和叶片数在伸蔓期均低于CK，处理T3的株高和T1的叶片数较CK分别显著降低 32.77%和27.78%(P<0.05)。结瓜初期，除处理T1外，其他处理均抑制株高生长，处理T3和T4显著降低12.78%和31.67%；覆盖处理的叶片数均低于CK，但无显著性差异(P>0.05)。在之后时期，覆盖处理均促进株高和叶片数的生长：在11月11日-12月10日(节瓜盛期)，处理T4的株高值最大，较CK显著高出12.81%，但各覆盖处理的叶片数均与CK无显著性差异(P> 0.05)。次年1月初(节瓜末期)，处理T4的株高较CK显著高出7.05%，而处理T2和T3的株高较CK显著提高5.13%和6.34%，叶片数均提高12.36%(P<0.05)。

如图5-b所示，茎粗在全生育期平缓增加，且覆盖处理均高于CK，处理T3和T4在9月30日的茎粗显著增加24.33%和28.06%(P<0.05)。之后时期，处理T2均显著促进茎粗生长，且效果最佳，在次年1月初时较CK显著高出23.36%，其次处理T3较CK显著高出10.84%(P<0.05)。如图5-d所示，覆盖处理的坐果数均高于CK，T3处理的坐果率最高，其次为处理T4，两者在生育期末时分别较CK显著提高 36.84%和31.58%(P<0.05)。

a、b、c、d分别是株高、茎粗、叶片数和坐果数

2.5 不同处理下黄瓜产量性状

表2显示，处理T1的果实横径较CK有所减少，其他处理均高于CK，其中处理T3较CK显著高出4.74%(P<0.05)。各处理的黄瓜纵径较CK均有提高，但均无显著性差异(P>0.05)。处理T1和T4的单果质量均低于CK，且处理T4显著降低19.03%(P<0.05)，处理T2和T3较CK单果质量均有所提高，但无显著性差异(P> 0.05)。从产量方面来看，盛产在11月，总产量表现为各处理均高于CK，处理T3、T4和T2较CK显著提高42.95%、28.96%和24.02%(P< 0.05)。

表2 秸秆覆盖下日光温室黄瓜产量性状

3 讨 论

3.1 膜下秸秆覆盖调控土壤水热环境

秸秆覆盖的保水效应受作物生育期、覆盖量、土层深度等因素影响[14]。研究表明秸秆覆盖可抑制水分蒸发，增加土壤有机碳和改善土壤结构，具有保水效果[14-16]。土壤蓄水量可直接反应覆盖效果，秸秆本身疏松多孔，且与土壤接触不紧密，能有效降低土壤蒸发损失，减缓土壤水分的蒸发速率，故秸秆覆盖通过调控生育前期不同覆盖量下的棵间蒸发及中后期长势差异下植株蒸腾作用的强弱来影响土壤水分的变化[17-18]。本研究发现在黄瓜生长前期蓄水效应不显著，节瓜盛期至末期，T3处理土壤蓄水量最高且与CK存在显著性差异，这与玉米[19]、小麦[20]等田间作物秸秆覆盖后的生长前期蓄水效应显著、后期保墒效应趋弱的结论不一致，这可能是黄瓜定植后处在扎根蹲苗阶段，且是在秋冬季节，气温不高，土壤水分蒸发作用不强，也可能是大田作物和温室蔬菜本身或环境不同所致。就全生育期的土壤蓄水量来说，旱地秸秆覆盖蓄水保墒明显，土壤含水量可增加2%～5%，且随覆盖量的增加而提高[21]，高覆盖量更有利于提高土壤含水量和贮水量[19]，这均符合本研究结果：膜下秸秆覆盖可提高日光温室黄瓜全生育期0～30 cm土层的蓄水量，且随秸秆覆盖量增加而增加，但覆盖量达一定值时，这一效果将趋于稳定。

土壤温度是土壤热状况的综合表征指标，直接影响土壤理化性状和微生物活动[22]。秸秆覆盖通过影响土壤对光辐射的吸收转化和热量传导来实现对土壤温度的调控。本研究表明，随土层加深，土壤温度每日高峰期也大致推迟，5 cm土层在14:00-16:00，10 cm和15 cm土层在 16:00，25 cm土层在17:00，20 cm土层各处理不一致，这是因为土壤温度达到高峰期需要一个热传递过程，越是在表层的土壤，其温度回升越快[23]。5 cm、10 cm、20 cm和25 cm土层的日均温随秸秆覆盖量增加而增加，这与芦俊俊等[24]和周凌云[25]的研究结论相似，但与Cook等[26]和Olasantan[27]的研究结论相反，其均认为秸秆覆盖可显著降低白天土壤温度，且随覆盖量的增加而降低，这可能由于本研究在秋冬季节进行，气温偏低，而秸秆覆盖有低温时增温、高温时降温效应，可平抑地温在季节间剧烈变化[28]，也可能是由于覆膜+秸秆覆盖效应[29]。

土壤日均温随土层加深，变化趋于平缓，温度变低，这与多数研究结论一致[30-31]。本研究的秋冬茬温室黄瓜全生育期土温除15 cm土层外，各处理在5 cm、10 cm、20 cm、25 cm土层均有增温效应，随秸秆量增加，地温均大致呈上升趋势，土层越深土温变化相对越平稳且降低，5 cm土层土温为17.66 ℃，比其他土层依次高出3.27%、5.57%、9.59%和12.24%，这就更进一步验证了“秸秆覆盖低温时期具有增温效应[32]”的结论，也与Zhang等[33]的覆盖增温趋势一致。

3.2 膜下秸秆覆盖影响黄瓜植株生长及产量

贺菊美等[34]指出，秸秆覆盖下玉米苗期的叶片数和株高分别降低1.48片和16.67 cm。本研究中，黄瓜伸蔓期至结瓜初期，膜下秸秆覆盖抑制黄瓜叶片数生长，除处理T1外，也显著抑制株高生长。同时，在结瓜初期之后及全生育期，膜下秸秆覆盖的黄瓜株高、叶片数和茎粗均高于CK，这与秸秆覆盖下油葵[35]和玉米[36]株高、叶片数和茎粗生长趋势一致。多数研究指出秸秆覆盖有利于作物增产[37-39]，原因在于覆盖改善了土壤微环境，有利于根系吸收水分、养分，提升作物长势，增加作物产量。本试验中，膜下秸秆覆盖促进了黄瓜的坐果数、果实纵横径生长，从而达到增产，且处理T3、T4和T2较CK显著提高42.95%、28.96%和24.02%。秸秆覆盖促进玉米增产主要原因是促进了玉米穗长和穗粒数的增加[36]，而引起产量差异的主要结构因素为单位面积穗数[40]。

4 结 论

膜下秸秆覆盖在黄瓜生长前期无显著性蓄水效应，生育期末，T3处理的土壤蓄水量较CK显著高出7.48%(P<0.05)。膜下秸秆覆盖可提高0～30 cm土壤蓄水量，且随秸秆覆盖量增加而增加，但覆盖量达一定值时，土壤蓄水效果将趋于稳定，表现为处理T3土壤保墒效果最佳。

随土层加深，土壤温度每日高峰期也大致推迟，主要集中在14:00-17:00；在5 cm、10 cm、20 cm和25 cm土层处，膜下秸秆覆盖促进土壤日均温增加，且随覆盖量增加而增加，随土层加深而降低，且变化趋势越平缓。就黄瓜生长月及全生育期而言，膜下秸秆覆盖对以上土层均有增温效应，土层越深土温变化相对越平稳且呈降低趋势，5 cm土层温度为17.66 ℃，比其他土层分别高出3.27%、5.57%、9.59%和12.24%。

黄瓜伸蔓期至结瓜初期，膜下秸秆覆盖抑制叶片数生长，除处理T1外，对株高生长也有显著性抑制作用(P<0.05)；在之后时期及全生育期，不同秸秆覆盖量下的株高、叶片数和茎粗均高于CK，处理T2的茎粗表现为最优。膜下秸秆覆盖促进坐果数、黄瓜纵横径生长，从而达到增产效果，且处理T3、T4和T2分别较CK显著提高42.95%、28.96%和24.02%(P<0.05)。

可见，T3处理(秸秆覆盖量为1.25 kg/m2)对土壤保墒效果最佳，且有增温效应，促进果实坐果数和纵横径的生长，且增产效果最显著，故其膜下秸秆用量可结合科学的耕作措施和农艺技术应用于温室蔬菜生产实践。