不同覆膜寬度對棉花土壤水分及地溫的影響研究

王東旺，呂廷波，何新林，王萌萌，徐 強，白 蒙

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子832000)

瑪納斯河流域平原灌區位于新疆天山北麓，準葛爾盆地南緣，屬典型溫帶大陸性氣候，多年平均降水量僅有200 mm左右，而且時空分布不均[1,2]。水分是棉花生長的基本條件之一，農田水分狀況不僅直接影響作物的生理活動，而且會通過農田小氣候和農業技術措施等影響作物產量[3]。土壤的水、熱條件是影響作物生長和產量形成的重要因素[4]。在瑪河灌區等降水量稀少的地區，水分顯得更為重要，提高水分的利用效率是瑪河灌區農業可持續發展的重要問題。研究表明不同覆膜寬度處理對土壤水分和土壤溫度有顯著影響，兩者對作物的生長發育均有顯著的影響，并最終影響作物的產量。田間土壤水分的變化過程不僅與土壤特性有關還與覆膜寬度、地溫等有關，各因素之間相互影響、相互制約[5]。地膜覆蓋后,可以有效的將太陽能轉化為熱能，調節和改善作物根區環境，有利于種子的萌發及作物前期的生長發育[6, 7]；地膜覆蓋阻斷了土壤與大氣間的直接聯系，從而有效抑制了土壤水分的蒸發，使得根層能有效的保蓄水分，提高了水分利用效率[8, 9]；部分學者從地膜覆蓋對作物生理生化指標影響進行了分析研究[10, 11]；這些研究通常是在棉花窄膜覆蓋的情況下研究的，而超寬膜覆蓋下對棉花土壤水分及地溫的影響研究還不是很充分，本研究在窄膜(1.4 m)棉花種植的基礎上，增加超寬膜(2.05 m)機采棉種植，研究覆膜寬度對棉花土壤水分及地溫的影響，同時對棉花生長情況和增產特性進行研究分析，為適合北疆棉花種植的覆膜寬度提供科學的依據。因此，對不同覆膜寬度對棉花土壤水分及地溫的影響研究很有必要。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年4-10月在新疆石河子市石河子大學農試場二連現代節水灌溉兵團重點實驗室試驗基地(85°59′47″E，44°19′29″N，海拔412 m)進行。該地區降雨量少蒸發量大，0 ℃以上的活動積溫為4 070 ℃，10 ℃以上的活動積溫為3 649 ℃，無霜期為171 d，多年平均降水量在200 mm左右，多年平均蒸發量1 600 mm[12]，地下水埋深5 m以下，石河子地區日照時數充沛，多年平均日照時數為2 700 h，土壤為中壤土，屬于西北干旱區典型的溫帶大陸性氣候[13]。試驗區前茬均為棉花。試驗區土壤物理狀況如見表1。

表1 試驗區土壤物理狀況Tab. 1 soil physical conditions in the test area

1.2 試驗設計

根據當地的氣候條件和種植經驗選擇棉花供試品種：“農豐133號”，試驗區前茬種植為棉花；采取測坑試驗：測坑面積為3 m×2 m，深2.3 m，四周用水泥砌筑而成。試驗共分為2個處理，處理1采用超寬膜(2.05 m)機采棉布置：行距為10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm，株距為10 cm，理論種植密度為25.75 萬株/hm2，滴灌帶采用一膜三管六行方式布置；處理2采用窄膜(1.4 m)布置，行距為30 cm+60 cm+30 cm，理論種植密度為22.2萬株/hm2，滴灌帶采用一膜兩管4行方式布置；其他布置同處理1，每個處理設置3次重復，棉花干播濕出，合理密植。全生育期灌水11次，灌溉定額3 600 m3/hm2，采用膜下滴灌方式進行灌水，灌水周期為7～10 d,苗期灌水2次(含定苗水)，蕾期灌水2次，花鈴期灌水6次，吐絮期灌水1次，灌水的同時將肥料溶解在水中進行滴灌施肥。打頂、除草等田間管理措施隨大田統一管理。

1.3 試驗測定內容與方法

生長指標：每個測坑選取5株標記的有代表性的棉花植株，從苗期開始每隔10 d用精度為1 mm的鋼尺測量其株高、葉長和葉寬，采用經驗系數法(0.75×葉長×葉寬)獲得葉面積；用游標卡尺測量其株徑并取其平均值。土壤水分：土壤水分的測量采用2種方法，一是采用土鉆取土烘干稱重法測量土壤含水率，每個測坑棉花窄行和寬行各取2個點，每個點取土深度為100 cm，每10 cm土層取一個樣，烘干稱重求其土壤層含水率。二是采用中子儀配合之前埋在地下的中子管進行土壤水分的測量，中子管的長度為1.5 m，地上留有20 cm，中子管觀測深度為100 cm，每10 cm土層測定一個含水率，測量前用烘干法對中子儀進行標定(中子儀采用美國CPN公司生產的503DR.9)。

地溫：土壤地溫的測量采用金屬直角管地溫計，分別在測坑棉花窄行和寬行埋入(包括膜中、膜邊、膜間、揭膜處)，觀測地表下5、10、15、20和25 cm處的地溫。觀測時間為每日16∶00，每個小區測3個點取其平均值。另外，根據棉花生育階段，分別讀取苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期8∶00-20∶00時間段的地溫日變化(每隔2h測量一次地溫數據)。膜中指處于寬膜的正中；膜邊指距離覆膜邊緣2 cm處的位置；膜間指未覆膜地塊；揭膜指先覆膜并于出苗后將部分棉苗去膜，去膜面積為0.2 m2的矩形區。

1.4 數據處理

試驗數據采用SPSS20.0和Origin9.0進行作圖和數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同覆膜寬度下棉花各生育期內地溫動態變化

2.1.1 不同處理方式各生育期的地溫日變化

由圖1可以看出，超寬膜和窄膜覆蓋在棉花苗期和蕾期相同土層深度土壤溫度隨時間的變化趨勢一致。5 cm和10 cm深度土壤溫度都隨時間的延遲先上升后下降，日變化幅度較大。超寬膜和窄膜兩種處理5 cm處地溫最高值均出現在16∶00(此時太陽輻射強度高，土壤表層吸熱大)。膜下15～25 cm深度處土壤溫度變動幅度較小，相比表層土壤溫度而言，深層土壤溫度的變化有一定的延遲效果，現以棉花整個生育期為例，分析不同覆膜寬度下棉花各生育期內地溫日變化規律。

對比兩種處理而言，棉花整個生育期內超寬膜5～10 cm土壤溫度高于窄膜土壤溫度，此時，土壤溫度主要與大氣溫度有關。土壤受到太陽光的輻射，當土壤吸收的熱量大于土壤散失的熱量時土壤溫度升高，反之土壤溫度下降。說明相比窄膜而言，超寬膜對土壤的溫度影響更大。超寬膜能更好的提高土壤的溫度并保持土壤的溫度。棉花苗期至蕾期階段，棉花植株矮小，土壤可以直接得到陽光的輻射，這種情況下，超寬膜能更好的獲得陽光的輻射進而提高土壤的溫度并具有良好的保溫效果。超寬膜各時段5 cm處土壤溫度較窄膜5 cm處土壤溫度高0.4～4 ℃，增溫幅度高0.4～2 ℃。棉花到達花鈴期階段后，超寬膜覆蓋下的棉花長勢良好，棉花枝葉茂盛，阻礙了陽光對地面的輻射，12∶00-14∶00后超寬膜下土壤溫度低于窄膜下土壤溫度，石河子地區7、8、9月份溫度較高，降低了高溫對土壤水分的蒸發；18∶00-20∶00，表層5 cm處土壤溫度處于下降階段，而10 cm處土壤溫度先上升后下降，而窄膜5 cm處土壤溫度下降幅度高于超寬膜，這是膜內溫度與大氣溫度間的溫度差不同所致，當膜內溫度與大氣溫度之間溫度差別越大時，短時間內土壤溫度降低幅度越大[14]。5～10 cm處土壤溫度在12∶00-14∶00之間有顯著的交集，10 cm處土壤溫度相比5 cm處土壤溫度有明顯的滯后效果，這主要受太陽輻射和土壤溫度梯度的影響。總的來說，棉花生育前期隨覆膜寬度增加，土壤溫度增加效果顯著，而到棉花生育后期，由于大氣溫度、水分、肥料、管理等方面的因素，棉花株高和葉面積增大，地溫變化幅度受覆膜寬度的影響減弱。

圖1 兩種覆膜寬度下棉花全生育期內地溫變化規律Fig.1 The change of ground temperature in cotton during the whole period of cotton under two kinds of covering width

2.1.2 棉花不同生育期土壤最高地溫的變化

由上述兩種覆膜寬度下棉花全生育期內地溫變化規律可知，不同覆膜寬度對棉花全生育期地溫變化有很大的影響。而在超寬膜覆蓋下棉花土壤最高地溫在不同位置處也有很大的不同，圖2顯示了超寬膜覆蓋下棉花不同生育期膜中、膜間、膜邊、揭膜處土壤最高地溫的變化。由圖2可知，棉花不同生育期膜中、膜間、膜邊、揭膜處土壤最高地溫的變化大體上趨勢相近，但在覆膜不同位置處最高地溫有很大的不同。不同位置處土壤最高地溫在10∶00-16∶00處于上升趨勢，8∶00-10∶00趨勢相對穩定，18∶00-20∶00土壤最高地溫處于下降趨勢，土壤最高地溫隨膜中、膜邊、揭膜、膜間呈現明顯的遞減趨勢，說明覆膜情況下土壤溫度比揭膜后和不覆膜情況下溫度高，覆膜對土壤溫度有明顯的升溫和保溫效果。尤其對于新疆地區來說，春季播種后大氣溫度依然較低，覆膜能很好的增加土壤的溫度[15]，有利于提高種子的出苗率和成活率。另外，一天之中土壤最高地溫隨著時間推移所處的土壤層深度也在發生變化，白天土壤最高地溫位于土壤表層，晚上土壤最高地溫位于深層土壤處。以棉花苗期為例，土壤最高溫度在12∶00-20∶00均在土壤表層5 cm處，其他時刻，土壤剖面最高溫度隨時間下移，土壤剖面最高溫度隨膜中、膜邊、揭膜、膜間逐漸降低，相比膜間土壤剖面最高溫度而言，膜中和膜邊分別高了2.1 ℃和0.8 ℃。

圖2 超寬膜下棉花不同生育期土壤最高地溫的變化Fig.2 Changes of soil maximum temperature in different growth periods of cotton under super wide film

2.2 不同覆膜寬度棉花生育期各階段不同深度土壤含水率變化

不同覆膜寬度下土壤含水率分布如圖3所示，從圖3中可以看出，相同灌水處理下，不同覆膜寬度生育期各土層土壤水分分布存在差異，土壤質量含水率隨土層深度的增加而增大，變化范圍為9.29%～19.37%。

圖3 不同時期兩種覆膜寬度棉花田間0～100 cm層土壤含水率Fig.3 Soil moisture content of 0～100 cm layer in cotton field with two kinds of mulching width at different periods

對比不同覆膜寬度下不同土層土壤質量含水率的分布變化進行分析可知。在苗期，不同覆膜寬度下土壤含水率變化趨勢基本一致，土壤水分分布較一致，含水率相差不大，兩種覆膜下土壤表層含水率最低，10～60 cm 土層含水率較低，呈波動變化，60 cm 深度以下，土壤含水率波動較小，總體處于上升趨勢，處于一個穩定的狀態，主要是因為棉花植株處于生長開始階段，主要消耗淺層土壤水分，故表層土壤水分變化較大，中間土壤次之，深層土壤最小；進入蕾期和花鈴期，不同覆膜寬度下土壤含水率變化存在差異，土壤水分分布較一致，兩種覆膜下 0～100 cm 土壤含水率整體呈先減后增趨勢，主要是因為棉花植株生長加快，蒸散發加劇，水分消耗較快以滿足棉花的生長需要，故表層到中層整體處于減小趨勢，同時說明在該深度內棉花植株水分消耗多，根系分布集中；進入吐絮期后，不同覆膜寬度下土壤質量含水率變化趨勢基本一致，土壤水分分布較一致，兩種覆膜寬度下從表層到深層整體處于上升趨勢，主要是因為生育末期， 灌水停止后，氣溫較高，蒸發強烈，棉花植株對水分的需求較小，故表層水分較低，隨著深度的增加，水分逐漸增大。結合上述分析，超寬膜覆蓋下土壤平均含水率滿足棉花生長需要并高于窄膜，說明其耕層上部保水能力更優，其土壤水分分布對棉花吸收利用水分更為有利。

2.3 棉花全生育期內不同土層溫度與土壤含水率的關系

棉花不同生育期土壤平均溫度與土壤平均含水率之間存在一定的相互關系；棉花生育初期，植株較小，土壤受太陽光的輻射較大，超寬膜土壤溫度較窄膜土壤溫度高，說明超寬膜較窄膜有較好的增溫效果。棉花生育后期長勢茂盛，棉葉阻擋了太陽光對地面的輻射，覆膜寬度對土壤溫度的影響減小。由圖4可以得出，在淺層5 cm處土壤平均含水率超寬膜高于窄膜，而土壤平均溫度差別不大，原因是此時間段土壤平均溫度主要受大氣溫度的影響，受土壤平均含水率的影響較弱。隨著土壤層加深，外界因素不再是影響土壤平均溫度的主要因素，棉花各生育期超寬膜20 cm處土壤平均含水率較窄膜高0.95%，1.17%，1.73%，1.66%，土壤平均地溫較窄膜低0.6、1.1、2.1、1.5 ℃，土壤平均含水率與土壤平均溫度呈負相關，土壤含水率高時土壤溫度低，且超寬膜覆蓋條件下具有高度相關性，相關系數均在0.83以上；窄膜覆蓋條件下土壤含水率與土壤溫度的相關系數低于超寬膜處理，說明使用超寬膜覆蓋改善了土壤的水熱條件，使土壤溫度和土壤含水率達到最佳耦合，進而使作物生長發育加快。

圖4 不同覆膜寬度下5、20 cm處土壤平均含水率和土壤平均溫度Fig.4 Soil average water content and soil average temperature at 5 cm and 20 cm under different plastic film width

3 結 論

本文通過對棉花各生育期不同覆膜寬度下土壤溫度、土壤水分狀況的監測，得出如下結論。

(1)不同覆膜寬度下棉花全生育期內地溫日變化規律分析表明超寬膜在棉花初期有更好的增溫、保溫效果，有利于棉花早期的出苗，在棉花生育后期土壤溫度受覆膜寬度的影響減弱。

(2)通過對土壤最高地溫變化的分析可知，土壤最高溫度在12∶00-20∶00在土壤表層5 cm處，其他時刻，土壤最高溫度隨時間下移，土壤最高溫度隨膜中、膜邊、揭膜、膜間逐漸降低。

(3)棉花生育期不同土層含水率變化規律分析表明超寬膜覆蓋下土壤含水、保水效果較好，土壤25 cm土層以上，土壤含水率與土壤溫度呈負相關，且超寬膜條件下相關性高于窄膜，此階段土壤溫度主要與土壤含水率有關，土壤含水率高則土壤溫度低。這些研究可為北疆棉花種植提供科學的指導。