不同棚膜小拱棚地膜处理对苗期棉花的影响

2023-07-25卢红琴柴仲平白云岗张江辉刘洪波

节水灌溉 2023年7期

卢红琴，柴仲平，白云岗，张江辉，刘洪波，郑明，肖军

（1.新疆农业大学资源与环境学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049）

0 引言

中国是农业大国，同时又是自然灾害频发的国家[1]，近年来，洪涝、干旱、霜冻、低温冷害、高温等极端气候事件向人类不断袭来，给农业生产带来极大影响[2,3]。近40 年，中国西北地区气候出现由暖干向暖湿转变的趋势，而新疆在整个西北地区最为突出。新疆位于中国的西北边陲，中部横亘全境的天山山脉将全疆分为南、北两部分，是受全球气候变化影响最大的地区之一[4]。2000年以来新疆主要气象灾害的受灾与成灾面积远高于前期各年代，各类灾害强度呈明显增加趋势[5]，其中，南疆渭干河-库车河绿洲是新疆重点雹灾区之一，农作物生长季降雹频繁，给农业生产和国民经济带来严重威胁[6]，2021 年5 月15 日，阿克苏地区沙雅县遭遇冰雹，造成3 986.67 万hm2棉田严重受损；4、5 月是南疆棉花播种出苗期，此时也正值风灾天气频发时期，且风灾常与浮尘、沙尘暴、霜冻及降温等天气相伴，造成棉花烂种、烂芽、死苗及地膜、滴灌带损坏等，频繁的大风灾害给棉花生产造成极大的损失[7]；长期生产实践表明，在众多气象灾害中，对棉花品质和产量影响最大的是棉花生长发育期间所遭受的低温冷害[8]，新疆是我国最大的优质商品棉生产基地，4、5月的温度较低，低温冷害和倒春寒始终是威胁棉花生育前期生长的主要限制因子，对棉花产量和品质的影响极大[9]。

棉花属于喜温作物，种子萌发最低温度为10～12 ℃，最适温度为20～30 ℃,温度越高，发芽越快[10]，早春极端气候致使温度反复，遇倒春寒、霜冻、冰雹等不利天气气候，幼苗仍不能安全度过生长期，甚至毁苗重播，给当地农业发展造成难题，而晚播虽然温度适合种子萌发，但土壤蒸发量大，易出现播种后土壤缺水影响出苗，晚播也影响棉花生育进程，易出现贪青晚熟[11]，为此，开展棉花覆盖小拱棚的大田试验研究成为保证南疆早春特殊气候条件下农业可持续发展的重要途径之一。

小拱棚有较好的防风、防雹效果，棉田覆盖小拱棚种植措施可克服新疆地区早春低温、多风、沙尘和冰雹的不利影响，提高耕层土壤温度和棚内棉田小环境气温。为探索棉花高产高效栽培模式，甘肃省敦煌市农业技术推广中心于2008-2010 年在敦煌市累计示范小拱棚垄作栽培棉花24.35 hm2[12]，但此试验用竹片或竹杆作为棚架不具有可机械操作性，且只观测株高、单株结铃数及产量，对土壤及棉花其他理化性状不做分析。除此之外，对于大田棉花覆盖小拱棚的试验研究鲜少，本试验通过分析3种不同材质棚膜及有无地膜两种处理方式下不同覆膜措施对土壤温度、棚内气温、土壤含水率、出苗率及棉花生育期的影响，研究棉花覆盖小拱棚对苗期棉花生长发育的影响，以期打破早春制约棉花生产可持续发展的关键气候因素限制，为南疆特殊气候条件下棉田现代化农业进程提供科学理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2022 年在新疆阿克苏地区沙雅县海楼镇试验田进行，该地区位于新疆西南部，阿克苏东偏南地区，处于塔里木盆地北部，渭干河绿洲平原南端，北靠天山，南依塔克拉玛干沙漠，地势北高南低，属于温带大陆性气候,沙雅县历年降水量为56.8 mm，降水具有各季节和各年分布不均的特征，年平均温度为11.5 ℃，年总蒸发量为2 072.6 mm[13]，气候干燥温和，降雨量少，光照充沛，热量充足，昼夜温差大，适宜棉花生长。

试验地土壤质地多为轻壤土，土壤肥力中等，墒情适宜。0～100 cm 土层土壤平均容重为1.53 g/cm3，播前土壤平均体积含水率为39%（见表1）。棉花品种选用试验区主栽棉种“新陆中54号”。

表1 试验区土壤物理性状Tab.1 Soil physical properties in experimental area

1.2 试验设计

试验棉田采用“一膜三管六行”种植模式，宽、窄、间行距离分别为66、10、46 cm（见图1），于2022 年4 月16 日播种结束后，在棉花种植膜上搭建棚底宽2 m、拱架间距30 cm、中心位置高65～70 cm 的拱棚（见图1），试验共设计3 种不同材质棚膜（M1 （聚乙烯（PE）膜）、M2 （聚氯乙烯（PVC）膜）、M3（聚丙烯（PP）膜））（见表2），每种棚膜设置有无地膜两种处理方式（有地膜：M1W、M2W、M3W；无地膜：M1J、M2J、M3J），选取当地冬灌棉田（无小拱棚，有地膜）作为对照处理(CK)，每个处理设3 个重复，与大田对照共7组处理，每个处理小区面积为720 m2。

图1 种植方式和滴灌带布置图（单位：cm）Fig.1 Planting pattern and drip irrigation belt layout

表2 试验设计Tab.2 Experimental design

1.3 仪器布设

每个处理埋设土壤水-盐-热及养分监测系统仪器（见图2），选取土壤理化性质较均一的地点，将传感器均匀的布置于土壤垂直剖面上，第一层传感器设置于距表层10 cm 处，以此为准，于土壤深度10、20、30、50、80 cm 处布设传感器，实时监测土壤水分、土壤温度。

图2 仪器布设Fig.2 Instrument deployment

1.4 测定项目及方法

（1）土壤温度测定。用温湿度自动记录仪（EasyLog-USB-2，LASCAR，UK）埋于每个处理棚膜50 m、土壤深度5 cm 处，频率为2 h，从播种日期开始记录，其余土层土壤温度以土壤水-盐-热及养分监测系统仪的传感器实时数据为准。

（2）棚内气温测定。用温湿度自动记录仪（EasyLog-USB-2，LASCAR，UK）挂于不同棚膜内50 m 处，频率为1 h。自播种第二天搭建好拱棚膜开始记录。

（3）土壤水分测定。以土壤水-盐-热及养分监测系统仪的传感器实时数据为准。

（4）株高、茎粗测定。棉花苗期每组处理分别选取具有代表性的植株3 株，用卷尺(精度1 mm)测定株高，游标卡尺（精度0.01 mm）测定茎。

（5）地上部干物质量的测定。棉花苗期每组处理分别选取具有代表性的植株3株，将植株样品地上各部分称重后放入烘箱105 ℃杀青30 min 后，于70 ℃烘至恒重，计算地上部干物质量。

（6）出苗率测定。播种20 d后对不同处理沿行随机划分3组2 m×2 m 大小的样点进行出苗率测定，出苗率=（实出株数/应出株数）×100%。

1.5 数据分析

用Excel 2021 整理试验数据；SPSS 22.0 软件对不同处理间各指标进行单因素方差分析；Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 苗期不同土层土壤温度日变化情况分析

5 月15 日棉田CK 处理株高达到15 cm 左右，属于棉花壮苗期，以当天数据为例进行试验分析，棉田覆盖小拱棚对0～30 cm土层土壤温度及含水率的影响显著，对50 cm及80 cm土层影响甚微，因此本文只分析不同材质棚膜下棉田覆盖小拱棚对0～30 cm土层土壤温度及含水率的影响。

苗期5 月15 日不同处理各土层土壤温度日变化如图3 所示，由图3(a)可知，5 cm 土层土壤温度波动幅度最大且各处理最高、最低值依次出现在18:00 与08:00 左右，由图3(d)可知，30 cm 土层土壤温度变化平缓且各处理最高值出现在02:00～04:00，较5cm 土层土壤温度有所提前、最低值出现在16:00-18:00，较5 cm土层土壤温度出现滞后效应。

由表3可知，各处理不同土层土壤温度日均值存在显著差异且土壤温度日均值随土壤深度增加逐渐降低，不同材质棚膜及有无地膜两种方式下各处理5 cm 土层土壤温度日均值较CK处理差异最显著。

表3 不同深度土壤温度日均值Tab.3 Daily variation of soil temperature at different depths

从5 cm 深度范围内的土壤温度日均值来看，M1、M2、M3 有地膜处理土壤温度日均值依次较无地膜处理高4.2、4.0、2.9 ℃，土壤温度日均值随棚膜材质变化而变化，表现为M1＞M2＞M3；有地膜处理土壤温度日均值均高于无地膜处理，因为相同材质棚膜下，地膜切断土壤水分蒸发，降低潜热消耗，促使土壤温度升高；与CK 处理相比，M1、M2、M3 棚膜下5、10、20、30 cm 土层覆盖小拱棚有地膜处理土壤温度日均值较CK 处理依次增加6.3、5.6、3.8 ℃，2.6、2.2、1.5℃，2.1、2.0、1.3 ℃和1.8、1.7、0.9 ℃，随土壤深度增加，拱棚增温效果逐渐减缓。新疆早春多变的气候条件下，棉花覆盖小拱棚有地膜栽培具有明显的增温效果。

2.2 苗期不同处理棚内气温日变化分析

苗期5月15日不同处理棚内气温日变化如图4所示，由图4 可知，各处理棚内气温日变化趋势相同，最高值出现在15:00 左右，最低值出现在07:00 左右，整体上表现为M1W＞M2W＞M1J＞M2J＞M3W＞M3J＞CK。

图4 不同处理棚内气温日变化Fig.4 Diurnal variation of temperature in different treatment sheds

由图4（a）～图4（c）可知，M1、M2、M3 有地膜处理棚内气温最高值依次较无地膜处理高3.0、2.9、0.5 ℃，均表现为W＞J；由图4（d）可知，M1、M2、M3 覆盖小拱棚有地膜处理棚内气温最高值依次较CK 处理高5.0、4.7、1.5 ℃，表现为M1W＞M2W＞M3W＞CK。覆盖小拱棚有地膜处理能显著提高棉田微环境气温，为早春极端气候下棉苗生长提供适宜的环境。

2.3 苗期土壤水分变化分析

苗期5 月15 日不同处理土壤含水率如图5 所示，由图5 可知，与播前土壤含水率相比，各处理0～30 cm 土层土壤含水率降低趋势高于50 及80 cm，说明棉花苗期0～30 cm 土层土壤水分消耗较快，水分消耗速率随土层加深逐渐减缓。

图5 苗期不同处理土层含水率对比Fig.5 Comparison of soil moisture content of different treatments at seedling stage

由图5（a）～图5（c）可知，M1、M2、M3有地膜处理0～30 cm 土层平均土壤含水率依次较无地膜处理高6.70%、6.57%、6.13%，均表现为M＞J；由图5（d）可知，M1、M2、M3 覆盖小拱棚有地膜处理0～30 cm 土层平均土壤含水率依次较播前低7.31%、8.13%、10.50%，较CK 处理高4.36%、3.54%、1.17%，表现为播前＞M1W＞M2W＞M3W＞CK。覆盖小拱棚有地膜处理能增加棉田耕层（0～30 cm）土壤含水率。

2.4 不同覆膜措施对苗期株高茎粗的影响

苗期不同覆膜措施对棉花株高、茎粗的影响如图6 所示，由图6可知，各处理棉花株高与茎粗变化趋势相似，整体上均表现为M1W＞M2W＞M3W＞CK＞M1J＞M2J＞M3J。

图6 苗期不同处理株高、茎粗对比Fig.6 Comparison of plant height and stem diameter of different treatments at seedling stage

M1、M2、M3 覆盖小拱棚有地膜处理较无地膜处理棉花株高、茎粗分别提高了7.23、6.67、7.67 cm 和1.74、1.87、2.39 mm，均表现为W＞J；M1、M2、M3覆盖小拱棚有地膜处理较CK 处理棉花株高、茎粗分别提高了3.23、2.33、1.50 cm和1.62、1.39、0.78 mm，表现为M1W＞M2W＞M3W＞CK；总体来看，覆盖小拱棚有地膜处理株高、茎粗明显高于无地膜与CK 处理，由此可以看出覆盖小拱棚有地膜处理对棉花株高、茎粗影响显著。

2.5 不同覆膜措施对苗期地上部干物质量的影响

不同覆膜措施对棉花苗期地上部干物质量的影响如表4所示，M1、M2、M3 覆盖小拱棚有地膜处理较无地膜处理地上部干物质量依次增加17.41、18.89、19.87 g，均表现为W＞J；不同材质棚膜下：M1、M2、M3 覆盖小拱棚有地膜处理地上部干物质量较CK 处理依次增加7.57、7.24、4.44 g，表现为M1W＞M2W＞M3W＞CK。覆盖小拱棚有地膜处理能显著促进棉花地上部干物质量的累积。

表4 不同处理苗期地上部干物质量对比Tab.4 Comparison of aboveground dry matter quality of different treatments at seedling stage

2.6 不同覆膜措施对棉花生育期的影响

不同覆膜措施对棉花生育期的影响如表5 所示，由表5 可知，M1、M2、M3 覆盖小拱棚有地膜处理较无地膜处理出苗提前3～4 d，现蕾提前9～10 d，苗期天数减少4～6 d，苗期生育时长均表现为W＜J；与CK 处理相比，覆盖小拱棚有地膜处理出苗提前2～3 d，现蕾提前4～7 d 天，苗期天数减少2～4 d，苗期生育时长表现为M1W＜M2W＜M3W＜CK。覆盖小拱棚有地膜处理能显著提高耕层土壤温度和棚内气温，有利于保障棉花出苗所需的温度和墒情，实现提早出苗。由于出苗期的提前，相对延长了全生育期，为以后现蕾期、开花期、吐絮期的物质积累打下基础。

表5 不同处理生育期对比Tab.5 Comparison of growth period of different treatments

2.7 棉花出苗率和土壤温度、棚内气温及含水率的相关性分析

对棉花出苗率（见图7）与5 cm、10 cm 土层日均土壤温度、日均棚内气温及0～30 cm 土层土壤含水率进行皮尔逊相关分析（见表6），结果表明出苗率与5 cm 土层日均土壤温度、10 cm 土层日均土壤温度、0～30 cm 土层土壤含水率呈极显著的正相关，相关系数依次为0.902、0.884、0.972。说明此试验中，棉花出苗率主要受5 cm、10 cm土层日均土壤温度以及0～30 cm 土层土壤含水率的影响，棚内气温对棉花出苗影响较小。

图7 不同处理出苗率Fig.7 Emergence rate of different treatments

表6 棉花出苗率和土壤温度、棚内气温及土壤含水率的相关性分析Tab.6 Correlation analysis of cotton emergence rate with soil temperature, greenhouse air temperature and soil moisture content

棚内气温与5 cm、10 cm 土层日均土壤温度呈极显著的正相关，相关系数依次为0.904、0.932，表明棚内气温是影响耕层土壤温度的重要因素，拱棚直接接触大气将太阳能转化为热能，棚内气温越高，表层土壤温度越高。

3 讨论

土壤的水、热条件是影响作物生长和产量形成的重要因素[14]，研究表明不同覆膜措施对土壤水分和土壤温度有显著影响：MI处理耕层土壤温度日均值、0～30 cm土层平均土壤含水率均高于M2、M3 处理，且表现为W＞J，与CK 处理相比，M1、M2、M3 棚膜下覆盖小拱棚有地膜处理耕层土壤温度日均值、0～30 cm 土层平均土壤含水率依次增加3.2、2.9、1.9 ℃与4.36%、3.54%、1.17%，表现为M1W＞M2W＞M3W＞CK。苗期由于没有灌溉，0～30 cm 土层土壤含水率消耗较快，覆盖小拱棚有地膜处理可明显降低0～30 cm 土层土壤含水率的消耗速率，从而实现棉苗生长所需水分，促进棉花生育进程；研究发现，棚膜材质对棚内气温的影响作用与土壤水、热不同，不同材质棚膜下，有无地膜处理在夜间21:00-08:00 棚内气温变化差异不大，而昼间09:00-20:00 有地膜处理棚内气温最高值高于无地膜处理0.5～3.0 ℃，均表现为W＞J，与CK 处理相比，M1、M2、M3 棚膜下覆盖小拱棚有地膜处理棚内气温最高值提高1.5～5.0 ℃，整体上表现为M1W＞M2W＞M1J＞M2J＞M3W＞M3J＞CK，覆盖小拱棚有地膜处理在苗期发挥了重要的增温效果，由于棚膜避免阳光直射土壤，减少棵间蒸发，提高水分利用效率，一定程度上增加了地膜的增温保墒作用；合理的株高、茎粗是评估棉花生长、调节生长和估计产量的重要依据[15,16]，M1、M2、M3 棚膜下覆盖小拱棚有地膜处理株高、茎粗明显高于CK 处理，棉花地上部干物质累积量与株高、茎粗变化相同，均表现为M1＞M2＞M3＞CK，覆盖小拱棚有地膜处理下较好的土壤水、热环境是苗期棉花提早出苗及株高、茎粗、地上部干物质量明显高于CK 处理与无地膜处理的主要原因。

棉花属于喜温作物，低温冷害是棉花生长发育的主要逆境因子，贯穿棉花的整个生长季节[17]，在一定积温基础上，出苗速率主要受5 cm 土壤温度波动影响，播种应选择在不低于12 ℃的温度条件下进行，发芽期的适宜温度在28～30 ℃[18]，而试验地区早春温度反复，以全球变暖为主的气候变化对气候系统稳定性产生了极大影响，导致极端事件频繁发生[19]，棉花覆盖小拱棚不止能提高耕层土壤温度使棉花顺利出苗，且在极端气候如大风、冰雹天气下保障棉苗健康生长。耕层土壤温度与棚内气温互相影响，阳光直射使得棚内气温与耕层土壤温度同时增高，随棉苗生长，耕层土壤温度随环境温度增高，蕾前期需采取揭膜措施，一方面取消棚内气温对耕层土壤温度的影响，另一方面增大土壤的透气性，加强根系呼吸作用，防止后期植株早衰[20]。耕层土壤含水率与棚内气温同样相互影响，土壤含水率是土壤重要的物理性状之一，不同材质棚膜下土壤含水率存在显著差异，且有无地膜覆盖也改变了土壤的水热耦合特性：地膜覆盖能够提高地下0～20 cm 的土壤温度以及地表至40 cm 处的土壤水分[21]，地膜阻隔了土壤与大气之间的潜热交换，土壤接收到太阳辐射使土壤温度升高，引起土壤水分蒸发而在地膜下表面凝结，然后凝结水又回落到土壤中，造成上层土壤含水率增大，形成了通常意义上的保墒、提墒、增温效应。拱棚棚膜增加了棚内气温及土壤温度，使土壤水分蒸发量增大，地膜下凝结回落到土壤的水分使得表层土壤含水率增加，棚膜材质不同，表现为M1＞M2＞M3＞CK。无地膜处理失去了地膜的增温保墒作用，导致表层土壤水分损失快，随土壤深度增加土壤含水率受地膜影响的程度逐渐减弱[22]，除了地膜的保水作用，无地膜覆盖条件下，地面的蒸发作用对土壤含水率的影响同样很明显[23]，拱棚膜折射了部分太阳光照且降低了水分向大气的蒸发速率，因此，不同材质棚膜下，无地膜处理耕层土壤含水率表现为CK＞M1＞M2＞M3。综合分析，覆盖小拱棚有地膜处理有效缓解了高土壤温度低含水率或高含水率低土壤温度的矛盾，使土壤达到了较好的水热状况。综合表明：棉花覆盖小拱棚有地膜处理能有效提高土壤温度，而M1 材质效果更佳，为播种后加速种子吸水、萌动提供了很好的温度环境，有效促进了棉花出苗，体现了大田棉花覆盖小拱棚种植措施的优势。