环保地膜覆盖对甘肃中部地区土壤营养环境及玉米产量的影响

张小艳，张 芮，王建旺，唐小娟，张真荣，魏鹏程

（1.甘肃农业大学水利水电工程学院，兰州 730070；2.甘肃省引大入秦水资源利用中心，兰州 730300；3.甘肃省水利科学研究院，兰州 730000）

地膜覆盖具有提高地温、保持土壤水分、增加土壤养分有效性、改善土壤理化性状、延长作物生育期及提高作物产量等优势[1-4]，目前已在粮食作物[5]、蔬菜[6]、林果业[7]等方面得到了大面积使用。地膜覆盖对我国尤其是干旱半干旱地区农业发展发挥了巨大作用，极大地促进了作物增产增收[8]。但随着地膜应用量和使用年限的不断增加，地膜因无法回收再利用以及难以降解，给土壤和环境造成严重污染，地膜覆盖栽培技术已从原来的“白色革命”演变成“白色污染”[9-11]。地膜残留对土壤环境的主要危害表现在土壤理化性状的破坏、水肥运移特性的转变和土壤生物活性的降低。覆膜农田普遍存在土壤微塑料[12]，此外，地膜残留还会对作物生长发育和产量产生重要影响。新型环保地膜的研发为农业绿色可持续发展带来了新的生机。为此，国内外学者针对新型环保地膜开展了一系列研究。研究表明，生物降解膜具有和普通地膜相似的增温保墒[13]、促进作物生长发育的作用[14]，可降解地膜可以取代普通地膜。液态地膜具有抑制杂草生长[15,16]、地表水分蒸发[17,18]，提高土壤持水保水能力的特点[19]，还兼有降解性能好、改良土壤[20]等优点。可见生物降解膜和液态地膜等新型环保材料地膜在农业种植中取得了一定的效果。受区域生态环境、气候条件、土壤性状等因素影响，不同覆膜材料对农田土壤水热状况和养分分布存在较大差异。针对特定区域开展不同覆盖模式对土壤水热时空变化、作物生长特性的影响研究，有助于因地制宜地选择适宜的农田覆盖模式。现阶段关于甘肃中部地区不同覆盖种植模式对土壤温度、理化性状、玉米产量等效应的研究鲜见报道。

甘肃是全国地膜覆盖面积最大的省份之一，截止2020 年底，全省各类作物覆膜面积达193.5 hm2，地膜使用量约2.16亿kg。因此，本研究在传统农用普通白色地膜覆盖的基础上，增加了生物降解膜（M3）、液态地膜（M4）和黑色地布进行对比研究，研究新型环保地膜覆盖对玉米水热、土壤理化性状及产量的影响，从而筛选出适合甘肃中部地区玉米种植的新型覆盖材料，对于当地农业可持续发展至关重要。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验于2021 年4-10 月在兰州市永登县试验站基地（东经102°36’，北纬36°12’）进行，试验区地理位置见图1，属大陆性气候，年平均气温为5.9 ℃，年均降水量为290 mm，年日照时数为2 659 h，平均无霜期121 d，土壤干容重为1.37 g/cm3，pH值为8.4，田间持水率θf为22.0%。

图1 试验区地理位置图Fig.1 Geographical location map of the test area

1.2 试验设计

以大田玉米为研究对象，设普通白色地膜（M1）、黑色地布（M2）、生物降解膜（M3）、液态地膜（M4）4 种覆盖处理，三次重复，随机区组排列，共12 个玉米覆盖处理试验小区，每个小区16 m2（10 m×1.6 m），并以普通白色地膜（M1）作为对照。采用传统畦灌灌溉，灌水定额均为380 m3/hm2。整地时使用史丹利复合肥作为底肥，使用标准为450 kg/hm2，2021 年4 月28 日播种，液态地膜在播种后进行液膜喷施，其他处理采用“先盖膜，后播种”的种植模式，播种深度控制在4～5 cm，控制模孔直径为2 cm，行距45 cm，株距为16 cm。在玉米生育期中的拔节期追肥一次，追肥时使用尿素，标准为525 kg/ hm2。

玉米生育期划分：苗期（4 月28 日-5 月15 日）、拔节期（5 月16日-6 月25日）、抽雄期（6 月25日-8 月5 日）、灌浆期（8月6日-9月1日）、成熟期（9月2日-10月1日）。

1.3 测定项目与方法

土壤温度：地温计直接测定不同处理的土壤温度（测定层次为玉米根部土层5、10、15、20、25 cm，时间为当天的8:00、14:00、18:00）。

土壤含水率：采用烘干法测定土壤含水率。用土钻取土，逐层测定计划湿润层（0～20、20～40、40～60、60～100 cm）土壤含水率。

产量：玉米成熟后按小区单独收获称玉米棒鲜重，自然风干后脱粒并计产，各处理的实际产量为3次重复的平均值。

土壤养分：玉米收获时，按《土壤样品采集规范》[21]进行样品采集，每个小区采用3 点取样法均匀采取，采样深度0～10、10～20和20～40 cm。土壤全磷采用双酸法测定；土壤速效磷采用0.50 mol/L 碳酸氢钠溶液浸提；土壤速效钾用中性1.0 mol/L乙酸铵溶液浸提、火焰光度计测定。

1.4 数据处理与分析

用Microsoft Office Excel 2010 软件处理数据，用SPSS 20.0软件及Duncan 多重比较法进行差异显著性分析，显著性水平设置为α=0.05。采用Origin 2016绘图。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜对玉米各生育期土壤温度的影响

土壤温度的日变化差异如图2 所示，在苗期不同覆膜0～25 cm 土层温度均表现为18:00＞14:00＞8:00，其中M1 覆膜温度平均温度最高，M3 生物降解膜在各时间段与M1 差距很小，温差在0.23～-0.47 ℃，M4 液态地膜的温度在各时段均最低，与M1 温差在-2.47～-5.61 ℃。在拔节期、抽雄期、灌浆期不同覆膜平均温度均表现为14:00＞18:00＞8:00，并且中午与傍晚的温差变幅较小，大多小于1 ℃。除拔节期M3 覆膜在早、中温度均高于其他覆膜外，其他时间M1 覆膜温度平均温度最高。成熟期不同覆膜0～25 cm 土层温度均表现为14:00≈18:00＞8:00，各覆膜的不同时段的温差均小于1 ℃。可见，不同覆膜材料在不同生育期一天不同时间的增温效果不同。

图2 不同覆膜对玉米各生育期土壤温度日变化的影响Fig.2 Effects of different film mulching on soil temperature diurnal variation and growth stages

不同土层各覆膜的温度变化如图3所示，在苗期、拔节期各覆膜平均温度表现为5 cm＞10 cm＞15 cm＞20 cm＞25 cm。（0～15 cm 层）以上各覆膜温度均表现为M1＞M3＞M2＞M4，15～25 cm 层以下各覆膜温差变幅减少，M3 覆膜的温度最大，说明与普通白膜相比，玉米生育前期生物降解膜同样达到较好的增温保温效果，这与胡敏等[22]和兰印超等[23]研究结果类似。抽雄期、灌浆期各覆膜平均温度表现为5 cm＞10 cm＞15 cm≈20 cm≈25 cm，M1 的温度在各深度均最高，M2 与M4 温度差距很小，M3 的温度除20 cm 外均最小，这可能与生物降解地膜开始破裂保温效果减弱有一定关系。成熟期各覆膜平均温度表现为5 cm＞10 cm＞25 cm＞20 cm＞15 cm，各覆膜温度差距很小，小于0.3 ℃，这时期所有覆膜都有一定程度的破裂，保温效果均受到一定影响。

图3 不同覆膜对玉米各生育期0～25 cm土层土壤温度的影响Fig.3 Effects of different film mulching on soil temperature in different growth stages and soil layers

2.2 不同覆膜对玉米各生育期土壤含水率的影响

如图4所示，在所有生育期中，M2的土壤含水率均最高。在苗期、拔节期、灌浆期各覆膜处理的含水率M2＞M4＞M1＞M3，M3 覆膜比M1 处理分别低0.98%、0.13%、1.34%，M4比M1 高2.68%、1.24%、1.07%。在抽雄期、成熟期各覆膜处理的含水率M2＞M4＞M3＞M1，M3 处理比M1 处理分别高4.21%、4.29%，M4比M1高4.98%、5.06%。说明可降解地膜、白色普通地膜对于保持土壤含水率具有相近的作用，与申丽霞等[15]结论一致。液态地膜含水率高于普通地膜、生物降解地膜处理。

图4 不同覆膜对玉米各生育时期0～100 cm土壤平均含水量的影响Fig.4 Average soil water content of 0～100 cm soil layer among different film mulching on each growth stage

2.3 不同覆盖材料对玉米耕层土样养分含量的影响

各覆膜处理的速效钾、速效磷、全磷在0～10，10～20，20～40 cm规律如图5所示，速效钾的含量随着深度增加而逐渐减小，各覆膜处理速效钾的含量为在各层都表现为M4＞M2＞M3＞M1。在0～10 cm 土层，M1 的速效钾含量与M2、M3 差异不显著，与M4 差异显著；在10～20 cm 土层，M1 的速效钾含量与M3 差异不显著，与M2、M4 差异显著；在20～40 cm 土层，M1 与M2、M3、M4 差异显著。M4 比M1 各层分别增加66.75%、33.38%、28.22%；M2 比M1 各层分别增加22.68%、29.85%、19.42%；M3 比M1 各层分别增加14.14%、13.57%、16.08%。

图5 不同覆膜对玉米土壤理化性质的影响Fig.5 Effects of different film mulching on soil physiochemical nature

速效磷含量随着深度先降低再升高，各覆膜处理除M3 外速效磷各层含量的大小为M2＞M4＞M1，在0～10 cm 土层，M1的速效磷含量与M3差异显著，与M2、M4差异不显著；在10～20 cm 和20～40 cm 土层各覆膜处理差异都不显著。M2 比M1 各层分别增加34.69%、32.14%、29.41%；M3 比M1 各层分别增加80.61%、14.29%、-11.76%；M4 比M1 各层分别增加27.55%、16.67%、3.92%。

全磷在0～10 cm 层时含量最小，M1 处理全磷含量最小，在0～10 cm，各覆膜处理差异都不显著，10～20 cm 层M1 的全磷含量与M3、M4 差异显著，与M2 差异不显著；20～40 cm 各覆膜处理差异都不显著。

不同覆膜材料对玉米耕层土壤速效钾含量的影响均显著；对速效磷含量的影响主要表现在0～10 cm 土层；对全磷含量的影响不显著。

2.4 不同覆膜对玉米产量的影响

表1 为不同覆盖材料对玉米产量的影响，其中M3 处理的千粒重、鲜重产量最大，分别为299.43 g、25 684.24 kg/hm2，M2 处理的籽粒产量最大，为14 475.52 kg/hm2。与M1 白色普通覆膜处理相比，M2、M3处理的千粒重、鲜重产量、籽粒产量均有增产，分别增加6.01%、1.52%、3.86%；30.45%、4.02%、2.56%，差异不显著。液态地膜M4处理的千粒重、鲜重产量、籽粒产量均显著低于M2、M3处理；千粒重、鲜重产量与M1差异不显著，增加-46.60%、-12.95%，籽粒产量差异显著，增加-24.41%。

表1 不同覆膜对玉米产量的影响Tab.1 Effect of different mulching planting patterns on yield of maize

3 讨 论

众多学者已通过论证[24-26]地膜覆盖栽培可以增加土壤表层温度。不同材质、颜色覆膜其增温效果不同、李仙岳等[27]研究表明黑色降解覆膜增温效果优于白色降解覆膜，兰印超等[23]研究表明可降解地膜与普通地膜在增温保温、保持土壤水分方面作用相同。本研究发现，整个生育期，M1 处理日平均温度均占优势，在苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期M1 比M2、 M3、 M4 分 别 高2.48、 0.18、 4.44 ℃； 1.33、 0.15、0.87 ℃；0.88、1.27、0.90 ℃；1.24、1.85、1.43 ℃；0.53、0.11、、0.30 ℃。苗期温度对出苗率很关键[28]，温度过低会引起出苗难、出苗迟等问题，本研究发现M3 处理在苗期与M1温差很小，说明生物降解膜在苗期增温效果显著，申丽霞等[15]在对玉米试验研究中得出相似结论。随着生育期推移，各处理温差逐渐减小。不同覆膜耕层平均土壤温度变化也不相同，苗期、拔节期土壤上层（0～15 cm）M1比M3处理温度高0.47～2.28 ℃、而土壤下层（15～25 cm）M1 比M3 处理温度低0.41～2.82 ℃，随着生育期进程，二者温度差异增大，这可能与生物降解膜逐渐破损，完整性降低有一定关系。白色地膜处理温度高于黑色地布处理，这与前人的[29]得出的结论类似。

整个生育期内，M2的含水率最高，M4的含水率次之，除了灌浆期和成熟期，生物降解膜与普通白膜处理的土壤含水率差异较小，胡敏等[22]得出类似结论。本研究发现液态地膜含水率高于普通白膜，这与胡敏和王萍莉等人[22,16]的结论不一致，这可能是覆普通白膜土壤温度升高，导致土壤水分蒸发加快有一定关系，也可能是液态地膜具有强效的粘附能力，较塑料地膜更有利于雨水下渗，液态地膜覆盖具有蓄积雨水的作用[30]，保持了土壤水分。

不同覆膜对土壤理化性状的影响不同，对速效钾的影响最显著，各层都有一定影响。钾素可以增加植物抵抗力，促使植株健壮生长[31]。速效钾的含量随着深度增加而逐渐减小，覆液态地膜M4 种植后土壤速效钾的含量最大，M1 的最小；氮素作为作物生长必须的因素，生育后期土壤供氮不足将导致玉米减产[32]，不同覆膜材料对速效磷的影响主要在0～10 cm层；对全磷的影响不显著。

不同材料地膜覆盖改变了玉米生长环境，包括土壤温度、含水率等。本研究得出，生物降解覆膜比白色普通地膜覆盖条件下产量提高2.56%左右，这与李仙岳和胡敏等人[27,33,34]的研究结果较为一致。M4 液态地膜处理千粒重、鲜重、籽粒产量均显著低于其他处理，而张春艳等[35]研究表明液膜与普通地膜产量差异不显著，这与本试验结果不同，这可能与试验材料及气候条件不同有关。

4 结 论

（1）生物降解地膜覆盖增温效果与普通白色地膜效果相当，尤其在苗期二者温差很小，但平均较液态地膜处理高5.52%。生物降解地膜的土壤含水率在抽雄期前与普通白膜差距较小，具有良好的保墒作用，后期保水效果减弱。整个生育期，M2 处理含水率最高，与颜色有一定关系。不同覆膜材料对土壤理化性状的影响不同，对速效钾的影响最显著，各层都有一定影响；对速效磷的影响主要在0～10 cm 层；对全磷的影响不显著。

（2）生物降解地膜与普通地膜覆盖条件下的玉米产量相当，且显著高于液态地膜，产量平均高26.3%。

综上所述，覆盖生物降解膜的耕层土壤营养环境与玉米产量均较优，是甘肃中部地区玉米种植中适宜的覆盖材料，同时新型可降解膜存在成本高，施用过程中容易破损等问题，应该是后续研究中需要重视的问题。