黑色地膜覆蓋對旱地玉米土壤環境和植株生長的影響

路海東, 薛吉全, 郝引川, 高　杰

西北農林科技大學農學院, 楊凌　712100

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黑色地膜覆蓋對旱地玉米土壤環境和植株生長的影響

路海東, 薛吉全*, 郝引川, 高杰

西北農林科技大學農學院, 楊凌712100

摘要:針對渭北旱塬地區使用普通白色地膜導致玉米生長出現的早衰、減產等問題，2012—2013年開展了黑色地膜覆蓋、白色地膜覆蓋和裸地玉米栽培試驗，系統分析了黑色地膜對土壤溫度、水分和玉米生長的影響。結果表明，黑色地膜與白色地膜的土壤保水效果相同，均使0—120cm土壤水分含量顯著(P<0.05)高于裸地對照。與白色地膜覆蓋相比，黑色地膜覆蓋能夠有效降低0—15 cm土壤白天溫度，可以使白天0—15cm土壤日地溫平均降低0.8℃。黑色地膜覆蓋后，玉米的籽粒灌漿期延長，吐絲后單株干物質積累量快速增加。玉米生殖生長期較裸地栽培延長2—3 d,成熟期單株干物質積累量增加18.11%；較普通白色地膜覆蓋玉米生殖生長期延長2 d，成熟期單株干物質積累量提高7.31%。黑色地膜覆蓋玉米產量和水分利用效率顯著提高(P<0.05)，較白色地膜分別提高10.36%和10.40%，較裸地對照分別提高22.11%和25.28%。在旱地春玉米區，用黑色地膜代替普通白色地膜，對促進玉米增產具有一定的可行性。

關鍵詞：玉米；黑色地膜；土壤溫度；土壤水分；生長

地膜覆蓋作為一種農作物增產、增收的重要技術，它不僅具有明顯的保墑作用[1]，還可以防止土壤流失、控制土壤鹽堿度[2]，對干旱半干旱地區的農業生產具有重要意義。但是，隨著全球氣候變化所引起的降雨量減少，年季間變異幅度大、時空分布不均等因素影響[3]，普通白色地膜覆蓋在半干旱地區所產生的許多負面效應不斷顯現[4]。張冬梅等[5]研究認為，地膜覆蓋提高了土壤地溫，玉米生育期明顯提前，在玉米抽雄前后遭遇了重伏旱，導致玉米嚴重減產。韓思明[6]和杜延軍[7]研究發現，地膜覆蓋春小麥產量隨著地墑的增加產量顯著增加，在地墑較低時產量反而下降。李世清等[8]研究認為，普通地膜覆蓋的增產作用在一定程度上是以耗竭土壤有機質和養分為代價的，長期連續覆蓋會導致作物后期土壤養分不足，根系早衰，作物產量下降。Li F M等[9]和Zaogo C C L等[10]研究認為，地膜覆蓋有時因作物生長前期土壤水分和養分耗竭嚴重，后期會出現嚴重的脫水、脫肥早衰現象[9- 10]，導致減產[9]。玉米早衰已經成為旱地地膜玉米高產的主要障礙，成為玉米生產中的一大難題。為了防止作物后期早衰，不少地區采取了作物生長后期揭膜的增產措施[3]，但由于作物生長后期操作難度大和工作量大的原因而影響了推廣。

烏瑞祥等[11]研究認為，半干旱地區作物生產的主要障礙因子是降水量，玉米生產應以“調水說”來指導播種，只注重增溫不重視調水，作物增產效果不顯著，甚至減產。在光熱資源豐富的雨養旱區，普通白色地膜覆蓋雖然可以有效保墑，但是由于其明顯的增溫作用所造成的作物早衰不容忽視。面對這一問題，許多學者也開展了秸稈等覆蓋方式研究[12- 14]，但從保水效果來看，遠不及地膜覆蓋[14]。因此，開展防止普通白色地膜覆蓋造成的玉米后期“早衰”現象研究，已成為進一步提高旱區玉米產量的新課題。

黑色地膜除具有普通白色地膜提高地溫、保墑等作用外，由于黑膜透光率低, 輻射熱透過少, 在夏季應用可以較白色地膜降低地溫，還能更好地限制各種雜草的生長。因此，在馬鈴薯[15]、甘薯[16]、棉花[17]、番茄[18]及其他蔬菜[19- 20]、果樹[21]等作物上得到了廣泛應用，增產效果顯著。但針對玉米的應用研究鮮有報道。本文針對西北旱地玉米使用普通白色地膜后，容易造成后期玉米 “早衰”現象，引用黑色地膜，開展覆蓋后的土壤水溫效應及玉米產量形成機理研究，為旱地玉米選擇適宜地膜，促進玉米進一步增產增效提供依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2012年—2013年在陜西長武縣西北農林科技大學玉米試驗基地(34°59′N；107°38′E)進行，試驗地海拔1220 m，年均降水580 mm，平均溫度9.1℃，無霜期171 d，地下水位70 m， 無灌溉條件，土壤類型為黑壚土，土壤0—20 cm含有機質11.56g/kg、速效氮46.66 g/kg、速效磷16.94 g/kg、速效鉀122.35g/kg。2012年和2013年的降雨情況如圖1，年降雨量分別為483 mm和458 mm，降雨時空分布不均，主要集中于7、8、9三個月。

1.2試驗設計

試驗以春玉米(ZeamaysL.)為研究材料，品種為陜單609。完全隨機區組設計，設黑色地膜覆蓋，普通白色地膜覆蓋和裸地(CK)3個處理，每處理4次重復。播種密度為60000株/hm2。試驗小區行長6 m，行距60 cm，小區面積為6 m×3.0 m=18m2。2012年于4月20日播種，9月25日收獲；2013年于4月21日播種，9月28日收獲。

試驗播種方式依照當地習慣種植進行播種，施肥量為純氮255 kg/hm2，純磷120 kg/hm2。磷肥作為底肥一次深施，氮肥分期施用(底肥40%，追肥60%)，種植與管理方式同當地普通大田。

1.3測定項目與方法

1.3.1生育期

觀測記載玉米播種、出苗、拔節、大喇叭口、吐絲、成熟等主要生育時期對應的準確日期。

1.3.2干物質生產

拔節、大喇叭口、吐絲、吐絲25d后和成熟期測定玉米干物質積累量，每處理取樣5 株，分莖、葉、鞘、雄穗、雌穗，于105℃殺青15 min，然后80℃烘干至恒量。計算玉米單株干物質積累量。

1.3.3土壤地溫

在拔節期、吐絲期、吐絲25d和成熟期(以黑色地膜覆蓋處理為準)，采用曲管地溫計測定各處理0—15 cm土壤的溫度日變化，觀測時間為8:00—18:00，每2h觀測1次。

1.3.4土壤水分

于玉米播種前、拔節期、吐絲期、吐絲25d(以黑色地膜覆蓋處理為準)和收獲后，用烘干法測定[22]不同處理小區0—200 cm土層的土壤含水量，每20 cm取1個樣，并記載玉米播種至成熟的田間降雨量。糧食作物產量水分利用效率定義為作物產量Y(kg/hm2)與農田耗水量ET(mm)的比值，即WUE=Y/ET，根據農田水量平衡原理：ET=W播前-W收獲+I+P+G，則有WUE=Y/(W播前-W收獲+I+P+G)，式中W播前為播種前土壤貯水量(mm)；W收獲為收獲時土壤貯水量(mm)；I為生育期灌水量(mm)；P為生育期降水量(mm)；G為作物利用地下水量(mm)。試驗地無灌溉條件，因此I=0。研究區地下水埋深70m，因此G=0。

1.3.5產量

成熟期調查小區實有株數、空桿率、鮮穗重、單株干重和病害情況，收獲時調查小區果穗產量，同時選取20個代表性果穗進行室內考種，調查穗長、穗粗、穗行數、行粒數等穗部性狀。根據20穗折干率計算小區籽粒產量，并折算成標準產量。

1.4數據分析

數據利用Excel作圖、SAS 8.0和SPSS 12.0統計分析軟件進行方差分析、采用LSD(least significant difference)多重比較。

2結果分析

2.1不同地膜覆蓋對土壤溫度的影響

2012年和2013年玉米不同生育階段各處理0—15 cm的土壤平均溫度日變化均呈低-高-低的曲線形態(圖2)，從8:00開始，隨著氣溫的升高，地溫逐漸升高，到14:00以后又開始逐漸回落。從不同處理來看，地膜覆蓋處理明顯高(P<0.05)于裸地對照；但不同顏色地膜間比較，黑色地膜覆蓋的0—15 cm土壤日地溫明顯(P<0.05)低于普通白色地膜，平均較白色地膜低0.8℃，尤其是在中午氣溫較高時，黑色地膜的降溫效果越加明顯(P<0.01)。可見，與白色地膜相比，黑色地膜覆蓋能夠有效降低0—15cm土層的土壤溫度，尤其是白天高溫時期的土壤溫度，土壤溫度日變化幅度較小，有利于玉米生長。

就不同生育時期來看，玉米拔節期和成熟期不同地膜覆蓋處理的土壤溫度差異較大，土壤溫度日變化幅度較大，吐絲期和吐絲25d的差異相對較小。這可能是由于玉米生長前期和后期地面覆蓋度較低，群體透光性高，不同地膜覆蓋后由于對光的吸收程度不同，造成黑色地膜的土壤溫度顯著(P<0.05)低于白色地膜覆蓋；而吐絲期到吐絲25d時，由于玉米植株葉片茂密，地面覆蓋度高，光照大部分被玉米葉片等吸收，地面透光率較低，地膜增溫作用減弱，所以不同處理的土壤溫差較小。可見，與白色地膜覆蓋相比，黑色地膜的降溫效果主要是通過對太陽光的吸收輻射不同造成的，在太陽輻射較強的渭北旱作雨養區，黑色地膜較白色地膜具有良好的土壤降溫效果。

2.2不同地膜覆蓋對土壤質量含水率的影響

圖3是2012年和2013年不同處理的土壤含水率變化。從圖中可以看出，黑色地膜覆蓋和白色地膜覆蓋0—200 cm土壤含水率基本相同，沒有明顯差異，但均高于裸地處理，平均較裸地提高1.39個百分點；尤其在0—120 cm土層，覆膜處理與裸地間差異顯著(P<0.05)，覆膜處理較裸地土壤含水率提高1.83個百分點。可見，黑色地膜覆蓋與白色地膜覆蓋具有相同的保水效果，較裸地可以明顯提高土壤的質量含水率，尤其在0—120 cm土層。

2.3不同地膜覆蓋對玉米生長的影響

2.3.1生育期

不同覆蓋處理下玉米的生育進程明顯不同(表1)。地膜覆蓋處理的出苗天數較裸地縮短1 d左右，拔節期較裸地縮短2 d左右，2種地膜之間沒有明顯差異。但從大喇叭口期開始，2種地膜之間出現明顯不同，黑色地膜處理從播種到大喇叭口期的天數較裸地縮短2 d，而白色地膜縮短3 d，吐絲期和灌漿期黑色地膜較裸地縮短3 d, 而白色地膜縮短4—5 d；就整個生育期來看，黑色地膜的生育期與裸地基本相當，而白色地膜的生育期較短，較裸地縮短4 d。從玉米生殖生長時間(吐絲到成熟)來看，黑色地膜為64 d，白色地膜為62 d，普通裸地為61—62 d，黑膜較裸地延長2—3 d，較白膜延長2 d。這可能主要是由于黑色地膜較白色地膜具有明顯降溫的效果，較裸地具有明顯的保墑效果，從而減緩了玉米的根系和植株衰老，增加了玉米的生殖生長期，進而延長了玉米籽粒灌漿時間。

不同字母間表示差異顯著

2.3.2干物質積累

玉米單株干物質積累量隨生育進程的發展呈Logistic曲線變化(圖4)，地膜覆蓋的2個處理玉米不同生育時期的單株干物質積累量均明顯(P<0.05)高于對照裸地處理；不同覆膜處理比較，在玉米吐絲以后，黑色地膜處理的單株干物質積累量明顯(P<0.05)高于白色地膜處理和裸地，尤其在成熟期，黑色地膜處理的玉米單株干物質積累量顯著(P<0.05)高于白色地膜和裸地，較白色地膜和裸地分別增加7.31%和18.11%。可見，黑色地膜由于具有保墑和降低地溫的作用，從而可以有效延緩旱地玉米由于裸地保水不足和普通白色地膜增溫所引起的衰老，增加玉米干物質積累。

2.4不同地膜覆蓋對玉米產量及水分利用效率(WUE)的影響

不同覆蓋處理間產量和水分利用效率(WUE)差異顯著(表2)，黑色地膜覆蓋處理2 a的產量均顯著(P<0.05)高于白色地膜和裸地，較白色地膜平均增產10.36%，較裸地增產22.11%；就產量構成因素穗粒數和千粒重的變化來看，穗粒數各處理間沒有顯著差異，但千粒重差異顯著，黑色地膜顯著(P<0.05)高于白色地膜和裸地處理。從耗水量來看，黑色地膜覆蓋和白色地膜覆蓋間沒有明顯差異，但顯著(P<0.05)低于裸地對照，說明2種地膜具有同樣的保水效果，且較裸地可以明顯減少土壤水分無效蒸發。就玉米產量水分利用效率來看，黑色地膜顯著(P<0.05)高于白色地膜和裸地，2 a 平均WUE分別較白色地膜和裸地分別提高10.40%和25.28%。

3討論

玉米是感溫作物，對溫度反應十分敏感，如遇高溫環境玉米會出現徒長，同時由于呼吸消耗量大于光合物質積累量，玉米體內營養出現逆差，就會導致早衰。在渭北旱地，水分是影響產量的主要因子，普通白色地膜覆蓋在保水的同時由于地溫的升高往往容易造成玉米生長過快，生育期縮短，產量降低[3- 5]。本研究發現，采用黑色地膜覆蓋后，土壤的保水效果與普通白色地膜相同，而玉米田白天0—15 cm土壤日地溫平均較普通白色地膜降低0.8℃。這與周麗娜[15]、Miles. C[18], Diaz-Perez[20]等在馬鈴薯等作物上的研究結果一致，關于黑色地膜覆蓋土壤的降溫機理等還有待進一步研究。

相關研究認為，旱地地膜覆蓋玉米應以“保墑”作為前提來充分發揮地膜覆蓋的作用[6- 7]，在春播晚熟玉米區，玉米可以正常成熟，采用地膜覆蓋栽培，反而使玉米抽雄期提早到旱季，影響結實造成減產[5]。本研究結果表明，黑色地膜覆蓋玉米的大喇叭口期、吐絲期較普通白色地膜覆蓋推遲1—2 d，整個玉米生育期較普通白色地膜覆蓋延長3—4 d，與裸地栽培基本相同。開花后是作物籽粒產量形成的關鍵時期，同時也是葉片功能開始衰退的時期[23]。玉米籽粒中70%以上的同化物質來源于葉片灌漿期間光合物質生產[24]，因此，選育營養生長期短，生殖生長期長的品種[25]，維持玉米生育后期葉片較高的生理活性是獲得高產的保障[26]。本研究結果表明，采用黑色地膜覆蓋后，前期玉米生長迅速，玉米的營養生長期較裸地縮短了2 d，后期玉米衰老緩慢，玉米的生殖生長期較裸地延長了2—3 d，較普通白色地膜覆蓋延長2 d，從而進一步促進了玉米籽粒灌漿期光合物質的生產。

辛國勝等研究認為，黑色地膜覆蓋較白色透明地膜覆蓋甘薯增產18.0%[10]。劉紅霞等研究表明，黑色地膜覆蓋和白色地膜覆蓋比較，棉花增產6%—10%[12]。本試驗研究結果表明，黑色地膜覆蓋產量較裸地和白色普通地膜分別增產22.11%和10.36%，水分利用效率較裸地和白色普通地膜提高25.28%和10.40%。大量研究認為，土壤肥料[27]、水分[28]和耕作措施[29]等對玉米生長和干物質積累具有明顯影響。本研究結果表明，黑色地膜覆蓋處理玉米單株干物質積累量明顯增加，較白色地膜和裸地分別增加7.31%和18.11%，籽粒千粒重顯著提高。這可能正是由于黑色地膜較裸地具有明顯的保水保墑效果，較白色地膜具有降低土壤溫度的效果，從而防止了高溫和干旱對玉米根系的影響，延緩了玉米根系衰老，進一步促進了玉米千粒重的形成。

Stanford G,等[30]研究認為，一般在5—35℃，隨著溫度上升，氮素礦化增加。在旱作春玉米區，普通白色地膜覆蓋后，由于土壤的增溫作用，造成氮素礦化作用加強，玉米生長后期營養耗竭，出現早衰和產量下降[8]。黑色地膜覆蓋較普通白色覆蓋可以有效降低土壤溫度，從而可能有效減少了土壤中的氮素礦化，為后期玉米生長提供必要的養分保證，但這還需進一步研究確定。

4結論

在渭北旱地，黑色地膜在整個玉米生育期具有與普通白色地膜相同的保墑效果，較裸地可以明顯提高0—120 cm土層的質量含水率。同時，黑色地膜覆蓋能夠降低土壤溫度日變化，白天0—15 cm土壤日地溫平均較普通白色地膜降低0.8℃。玉米營養生長期較裸地縮短2 d，生殖生長期較裸地延長2—3 d，較普通白色地膜覆蓋延長2 d。玉米單株干物質積累量明顯增加，較白色地膜和裸地分別增加7.31%和18.11%。玉米千粒重增加，產量和水分利用效率顯著提高，產量較裸地和普通白色地膜分別增產22.11%和10.36%，水分利用效率分別提高25.28%和10.40%。在本區域玉米生產中，用黑色地膜代替白色地膜是促進玉米增產的一種有效措施。

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Effects of black film mulching on soil environment and maize growth in dry land

LU Haidong, XUE Jiquan*, HAO Yinchuan, GAO Jie

CollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

Key Words:maize; black film; soil temperature; soil moisture; growth

Abstract：The effects of black plastic film on soil temperature, moisture and maize growth were studied in the context of senescence and yield in comparison to the ordinary white plastic used in the Weibei area. The results showed that the black and white plastic provided the same degree of soil moisture retention of 0—120cm, significantly greater than the retention in bare land. Black plastic mulch could reduce the diurnal soil temperature; in comparison to white plastic film, it reduced the daily temperature variation in the 0—15cm soil to 0.8℃. Black plastic mulch could promote maize dry matter accumulation after spinning stage and extend reproductive growth. Unlike the growth in bare land cultivation, the reproductive growth period in maize could be extended by 2—3 days and the dry matter accumulation could increase by 18.11% at maturity. Compared with the ordinary white plastic film, black plastic prolonged the reproductive growth period by two days and increased the dry matter accumulation by 7.31% at maturity. Yield and water-use efficiency of maize grown with black plastic mulch increased by 10.36% and 7.39% in comparison to white plastic, and by 22.11% and 25.28% in comparison to bare land(P<0.05). In this area, it may be possible to increase maize yields by replacing the ordinary white plastic film with black plastic film.

基金項目:國家公益性行業(農業)科研專項(201203031-07); 陜西省科技攻關項目(2013K01-11); 西北農林科技大學基本科研業務專項(Z109011111)

收稿日期:2014- 09- 30; 網絡出版日期:2015- 08- 05

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: xjq2934@163.com

DOI:10.5846/stxb201409301936

路海東, 薛吉全, 郝引川, 高杰.黑色地膜覆蓋對旱地玉米土壤環境和植株生長的影響.生態學報,2016,36(7):1997- 2004.

Lu H D, Xue J Q, Hao Y C, Gao J.Effects of black film mulching on soil environment and maize growth in dry land.Acta Ecologica Sinica,2016,36(7):1997- 2004.