降解膜覆蓋對滴灌玉米土壤水溫變化及其生長的影響

孟 玉，王振華，李文昊，宗 睿，王天宇，朱金儒

(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)

玉米是中國主要的糧食、飼料及工業原料作物[1]。新疆玉米生產普遍采用膜下滴灌種植方式，地膜覆蓋具有增溫保墑、防病抗蟲、抑制雜草、促進作物根系發育及改善作物品質等功能[2]。新疆地膜使用量為2.194×105t，覆膜面積為3.795×106hm2，均居全國第一，耕地覆膜率約為60%[3]。但由于缺少科學有效的回收措施，大量殘膜碎片殘留在農田中。賀懷杰等[4]研究表明,新疆地區殘膜以每年16.37kg·hm-2的趨勢遞增，趙巖等[5]研究表明，新疆平均殘膜量已經超過200kg·hm-2。農膜殘片對土壤體積質量、土壤孔隙度、土壤透氣性、透水性等都有不利影響，且降低作物產量[6]。張建軍等[7]研究表明，殘留地膜使土壤密度降低2.02%～11.7%，土壤水分下滲速度減緩，土壤水分無效蒸發增加，玉米產量降低4.8%～11.3%。麻世華等[8]研究表明，土壤中殘膜含量達58.5kg·hm-2時，玉米減產11.0%～23.0%，小麥減產9.0%～16.0%，大豆減產5.5%～9.0%，蔬菜減產14.6%～59.2%。Wang等[9]研究發現，普通膜覆蓋的地塊中殘留膜的積累量明顯強于可降解膜，可降解地膜使用后可以自動降解，避免塑料殘膜引起的環境污染問題，成為解決殘膜問題的有效途徑[10]。在農業生產中，大力發展可降解地膜將成為趨勢[11]，目前研究應用的降解膜主要有光降解[12]、生物降解[13-14]、光—生物降解[15]和液態降解地膜[16]。其中完全生物降解膜[17]與氧化生物雙降解膜[18]成為替代普通塑料地膜的理想選擇。大量學者都對降解地膜做出研究：周昌明等[19]及高旭華等[20]研究表明，降解膜的覆蓋改善了作物生長的水肥環境，加速作物吸收氮素，對土壤養分起到良好的促進作用；申麗霞等[21]研究認為,可降解地膜能替代普通地膜應用于農業生產；張杰等[22]研究表明，生物降解膜顯著影響土壤保水以及玉米產量。生物降解膜有利于農業生產和環境保護[23]，降解地膜能否徹底代替普通地膜用于生產實踐，除降解性能及功能期、膜強度及延展性、生產成本等問題外，核心問題在于降解地膜的保墑增溫性能[24]。

目前對降解地膜的研究雖較多，但對不同顏色和誘導期的降解膜在新疆干旱地區應用的研究較少。新疆地處西北地區，日照充分，氣候干旱少雨，降解地膜的保墑增溫性能受到氣候類型及灌溉方式等影響，滴灌條件下土壤干濕交替頻繁，蒸發能力強，不同顏色和不同誘導期的降解膜保溫保墑效果需進一步明確。本文針對降解膜覆蓋對滴灌玉米的土壤水溫變化及生長的影響進行系統研究，以期為降解膜在新疆生產實踐中的推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019年4月20日至9月10日在現代節水灌溉兵團重點實驗室暨石河子大學節水灌溉試驗站進行。試驗站位于石河子市西郊石河子大學農試場二連(85°59′47″E，44°19′28″N)，海拔412 m，平均地面坡度為6‰。該地區屬典型溫帶大陸性氣候，多年平均降雨量為207 mm，年平均蒸發量為1 660 mm，大于10 ℃積溫為 3 463.5 ℃，大于15 ℃積溫為2 960 ℃，無霜期170 d。年平均日照時間為2 865 h，年平均風速為1.5 m·s-1。試驗田地下水埋深8 m以下，土壤質地為中壤土，0～120 cm平均干體積質量為1.53 g·cm-3。物理黏粒含量(粒徑<0.01 mm)大于20%。0～40 cm土層土壤理化性質如表1所示。玉米全生育期(5月2日—9月8日)共127 d，總降雨量為107.4 mm，生育期內日平均溫度為 22.93 ℃(圖1)。

表1 試驗區土壤理化性質

1.2 試驗材料

試驗以玉米品種‘新玉66’為研究對象，以誘導期為100 d、厚度為0.01 mm的黑色氧化生物雙降解膜(M1)，誘導期為80 d、厚度為0.01 mm的白色氧化生物雙降解膜(M2)，誘導期為80 d、厚度為0.01 mm的黑色完全生物降解膜(M3)，誘導期為100 d、厚度為0.01 mm的白色完全生物降解膜(M4)及厚度為0.01 mm的普通塑料地膜(PE)作為供試地膜。

1.3 試驗設計

試驗采用“1膜2管4行”的種植模式，膜寬為1.45 m，毛管間距為90 cm，玉米窄行行距為30 cm，寬行行距為60 cm，株距為20 cm，種植密度82 500株·hm-2(種植模式見圖2)。5月2日進行人工點播，9月8日收獲，全生育期127 d。試驗以普通膜為對照，共5個試驗處理，每個處理重復3次，總共15個小區，每小區由單獨球閥控制灌水；滴灌帶選用的是新疆天業公司生產的單翼迷宮式滴灌帶，外徑16 mm，壁厚0.3 mm，滴頭間距為30 cm。玉米生育期內的施肥量隨大田施肥，灌水量參照翟超等[25]試驗設計的灌溉量并結合石河子市當地生產實踐，灌溉定額為5 625 m3·hm-2，灌溉制度見表2。

表2 玉米生育期灌溉制度表

1.4 測試指標及方法

1.4.1 氣象數據 通過自動氣象站(TRM-ZS2型)觀測降雨、風速和風向、氣溫、地溫、相對空氣濕度、太陽輻射、日照時數和水面蒸發等。

1.4.2 地膜降解程度 覆膜后每隔10 d觀察記錄地膜降解程度。地膜降解分級指標參照楊惠娣等[26]的方法，使用0～5級代表地膜降解程度，0級表示地膜完整未出現裂紋；1級表示開始出現裂紋；2級表示田間25%地膜出現細小裂紋；3級表示出現2～2.5 cm裂紋；4級表示地膜出現均勻網狀裂紋；5級則表示地膜裂解為4 cm×4 cm以下碎片，地表無地膜存在。

1.4.3 土壤溫度 使用曲管水銀溫度計測定玉米苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期和成熟期5、10、15、20及25 cm深度的土壤溫度，溫度計均置于玉米株間，分別記錄8:00—20:00土壤溫度，每隔2 h觀測1次，自覆膜當日起每7 d測定1次，直至生育期結束。

1.4.4 土壤含水率 試驗中土壤含水率主要采用美國CPN公司生產的中子水分測試儀進行監測，烘干法對中子儀進行標定。中子管分別布置在各小區寬行、窄行和膜間裸地，每小區布置 3 組中子管。中子管埋深深度為1 m，每隔7 d測1次，灌溉、降雨前后加測，測定深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、60～80 cm、80～100 cm。

1.4.5 生長指標及干物質 玉米典型生育期末，每個小區隨機選擇具有代表性的植株3株測量玉米株高、莖粗及葉面積。抽雄前玉米株高為地面至最高葉尖的高度，抽雄后玉米株高為地面至雄穗頂端的高度，用卷尺測量；莖粗用電子游標卡尺測量，并采用十字交叉法讀數，取平均值；玉米典型生育期末隨機選擇具有代表性的植株3株，莖、葉、穗分開后稱量各部分鮮質量，隨后105 ℃殺青30 min，于75 ℃下烘干至恒量，稱量植物各器官的干物質量。

1.4.6 考種及測產 每小區連續取樣 10 穗測定穗長、穗粗、禿尖長、穗粒數、千粒質量。測產時，每處理去掉邊行，收獲中間2行，單收、脫粒、單曬，測定地上部分經濟產量，然后隨機選取曬干后的籽粒測定千粒質量。

1.5 相關指標計算方法

葉面積指數(leaf area index,LAI)計算式為：

LAI=A×ρ/S

式中：A為單株葉面積，cm2；ρ為單位土地面積基本株數，株；S為單位土地面積，cm2。

耗水量(evapotranspiration,ET)計算式為：

ET=P+I+ΔWs-Q

ET為作物全生育期內總耗水量，mm；P為有效降雨量，mm；I為有效灌溉量，mm；ΔWs為土壤貯水量的變化量，mm；Q為地下水的補給量和滲漏量，mm。

水分利用效率(water use efficiency,WUE)計算式為：

WUE=Y/ET

式中：WUE為水分利用效率， kg·(mm-1·hm-2)；Y為產量， kg·hm-2；ET為耗水量，mm。

1.6 數據分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 18對試驗數據進行統計和顯著性分析，Microsoft Excel 2019作圖。

2 結果與分析

2.1 玉米生育期內不同處理地膜的降解程度

如表3所示，誘導期對降解地膜的降解程度影響顯著，降解膜顏色與材料對降解程度影響不顯著。PE地膜從覆膜至覆膜后130 d始終未出現裂紋；M1在覆膜100 d開始出現裂紋，M4在覆膜90 d開始出現裂紋，誘導期為第100天的2種降解地膜(M1和M4)均在覆膜后第110天田面25%地膜出現細小裂紋，第130天出現2～2.5 cm裂紋；M2與M3(誘導期均為80 d)降解地膜均在覆膜第80天開始出現裂紋，第100天田面25%地膜出現細小裂紋，第120天出現2～2.5 cm裂紋。降解膜的實際降解時間與設計誘導期基本一致。

表3 玉米生育期內不同地膜降解程度

2.2 不同降解膜覆蓋對滴灌玉米不同土層土壤含水率的影響

如圖3所示，圖3-A為0～20 cm土壤含水率，苗期至抽雄期4種降解膜與PE膜覆蓋的土壤含水率差異不顯著(P>0.05)，灌漿期至成熟期降解膜覆蓋土壤水分含量均小于PE膜覆蓋，在玉米成熟期，相較于PE地膜覆蓋，M1、M2、M3和M4處理地膜覆蓋下土壤含水率分別降低 0.83%、2.04%、1.50%和1.04%。圖3-B為 20～40 cm土壤含水率，4種降解膜處理與PE膜處理的土壤含水率均呈先增后減趨勢，在抽雄期達到最大值；苗期至抽雄期4種降解膜處理與PE膜處理的土壤含水率無顯著差異(P>0.05)，灌漿期以后，由于降解膜開始降解，水分無效蒸發增多，降解膜覆蓋的土壤含水率不同程度降低，含水率平均值表現為：PE>M1>M4>M3>M2，其中M2和M3(誘導期為80 d)處理與PE處理的平均土壤含水率差異顯著，分別降低2.76%和2.89%(P<0.05)；M1和M4(誘導期為100 d)處理保水效果較好，與PE膜無顯著差異。可見，降解膜的誘導期長短、裂解程度是該土層土壤含水率產生差異的主要影響因素。圖3-C為40～60 cm土層含水率，在玉米播種至抽雄期，PE膜覆蓋的土壤含水率較小，自灌漿期至成熟期，4種降解地膜覆蓋的土壤含水率低于PE膜覆蓋處理，但差異未達顯著水平(P>0.05)。圖3-D為60～100 cm土層含水率，由于膜下滴灌條件下土壤水分運移多發生在60 cm土層以上，并且單次灌溉量小，灌溉對該土層影響較小，4種降解膜覆蓋與普通膜覆蓋下的土壤含水率無顯著差異(P>0.05)。

2.3 不同降解膜覆蓋對滴灌玉米各生育期5～25 cm土層土壤溫度變化的影響

圖4為不同處理滴灌玉米各生育期的土壤溫度。苗期玉米葉面積指數較小，不同降解膜覆蓋成為影響地溫的主要因素，由于不同顏色降解膜允許光穿透能力不同，此階段2種黑色降解膜M1和M3處理的平均土壤溫度較PE處理低 0.13 ℃和0.68 ℃(P>0.05)，2種白色降解膜M2和M4處理較PE處理高0.53 ℃和0.55 ℃(P>0.05)。拔節期至抽雄后期，此階段4種降解膜尚未開始降解，隨著玉米生長發育及葉面積增加，良好的冠層結構阻隔了太陽光對地膜的直射，土壤溫度不同程度降低，黑色降解膜M1表現出良好的保溫作用，各土層平均溫度較PE處理高1.51 ℃(P<0.05)。灌漿期至成熟期，玉米葉片逐漸凋落，葉面積指數減小，同時，4種降解膜均出現不同程度的裂解，降解膜的保溫作用逐漸衰弱，此階段中，M1處理土壤溫度最高，各土層土壤平均溫度較PE膜處理高0.63 ℃ (P>0.05)，M2、M3和M4處理分別較PE處理低 0.09 ℃、0.05 ℃和0.21 ℃(P>0.05)。可見，誘導期較長的黑色地膜M1整體保溫效果 較好。

滴灌玉米苗期灌水量少且作物葉面積指數較小，地溫主要受太陽輻射及大氣溫度等因素影響。由圖5可知，土壤溫度隨土壤深度的增加而減小，不同處理間土壤溫度差異也在減小。滴灌玉米苗期5～25 cm土層深度的土壤溫度日變化趨勢一致，均呈現低—高—低變化趨勢，從8:00開始，氣溫逐漸升高，地溫隨之升高，到16:00時，地溫達到最大值，隨后逐漸下降。土壤溫度日變化受地膜顏色和組成材料共同影響。14:00之前，2種白色地膜M1和M4處理土壤溫度較高，16:00時，5、10和25 cm土層最高土壤溫度出現在PE膜覆蓋處理，15和20 cm土層最高土壤溫度出現在M1降解膜覆蓋處理。18:00之后，2種氧化生物雙降解膜M1和M2處理土壤保溫效果較好，相較于PE地膜覆蓋，18:00時M1和M2處理使土壤溫度平均增加0.65 ℃和0.62 ℃。

2.4 不同降解膜覆蓋對滴灌玉米生長指標的影響

圖6為降解膜覆蓋下滴灌玉米株高、莖粗、葉面積指數及地上干物質積累的變化情況。由圖 6-A、6-B可知，苗期至抽雄期4種降解膜覆蓋與PE膜覆蓋的株高、莖粗差異不顯著；灌漿期至成熟期，降解膜開始出現裂紋，保水能力逐漸下降，成熟期M1、M2、M3和M4處理的株高分別較PE處理低3.09%、2.23%、 2.50%和1.44% (P<0.05)。由圖 6-C可知，4種降解膜與普通膜覆蓋下的玉米葉面積指數均呈現先增大后減小的變化趨勢，各處理間差異不具有統計意義。由圖 6-D可知，干物質積累量隨著生育進程的推進而不斷增加，出苗～拔節期干物質積累緩慢，拔節期～灌漿期迅速增長，到成熟期干物質積累量達到最大。生育前期各處理間玉米干物質積累量無顯著差異(P>0.05)，成熟期降解膜M2、M3和M4處理分別比PE膜處理低 6.67%、2.72%和2.29%(P<0.05)，降解膜M1處理干物質積累量低于PE膜處理0.87%，但差異未達顯著水平 (P>0.05)。

2.5 不同降解膜覆蓋對滴灌玉米產量、產量構成要素及水分利用效率的影響

降解膜與PE膜覆蓋的滴灌玉米產量及組分見表4。從表4可知，穗長表現為：M1>M2>PE> M4>M3，各處理間差異未達顯著水平；M1處理下玉米穗粗較PE膜處理提高5.68% (P<0.05)；M1和M2處理玉米穗粒數與PE無顯著差異 (P>0.05)，M3和M4處理玉米穗粒數顯著降低15.52%和9.40%(P<0.05)；對照于PE處理，M1處理玉米千粒質量降低1.02% (P>0.05)，M2、M3和M4處理的玉米千粒質量顯著降低 6.62%、3.96%和4.81%(P<0.05)。玉米產量表現為：PE>M1>M4>>M3>M2，PE處理下的滴灌玉米產量最高，降解膜M1覆蓋產量降低0.43%(P>0.05)，M2、M3和M4處理較PE膜處理分別減產19.18%、5.74%、5.4%(P<0.05)。

表4 不同地膜覆蓋下玉米產量及產量構成要素

由表4可知，不同處理對水分利用效率的影響表現為：PE>M1>M4>M3>M2，M1處理下水分利用效率比PE膜覆蓋下的水分利用效率低1.09%，差異未達顯著水平(P>0.05)，M2、M3和M4處理較PE膜處理水分利用效率分別顯著降低17.06%、5.42%和4.62%(P<0.05)。

3 討 論

覆蓋地膜能改善耕作層土壤的水熱狀況，降解膜由于自身降解作用，其保溫保墑效果在作物生長發育的不同階段有所差異。申麗霞等[21]研究表明，可降解膜覆蓋能提高玉米生育前期0～40 cm的土壤水分；趙愛琴等[27]研究表明，降解膜覆蓋可提高玉米苗期至拔節期土壤貯水量；王鑫等[28]研究表明，降解膜在玉米生長前期具有明顯保水效果；本文研究結果與前人類似，在玉米苗期至抽雄期，降解膜覆蓋下的土壤含水率較PE膜無顯著差異(P>0.05)，可見，玉米生育前期，與PE膜保持一致完整性的降解膜具有良好的保水作用。灌漿期是玉米需水關鍵期，若此時土壤水分不足，會阻礙根系吸收，易導致葉片萎蔫，灌漿的物質來源減少，籽粒庫容縮小，秕粒增多，千粒質量下降，最終導致玉米減產。本研究中該生育期降解膜出現一定程度的裂解，對土壤的保墑作用減弱，降解膜M2、M3處理下土壤平均含水率均低于PE膜覆蓋，與丁宗江等[18]研究發現降解膜在玉米生育后期隨著膜的不斷裂解保墑作用越來越弱相吻合。隨著玉米生育后期降解膜的裂解，保水性能下降，地表蒸發變大，作物需水關鍵期土壤水分減少，是導致本研究中降解膜M2、M3比PE膜分別減產19.18%、5.74%的原因之一。

王雯等[29]研究表明，作物生育后期，降解地膜保溫能力明顯下降，本研究出現類似結果，除誘導期為100 d的黑色降解膜M1外，其余降解膜在玉米灌漿期和成熟期保溫效果均減弱，作物干物質積累出現下降趨勢，這可能是因為M1誘導期較長，降解速率比其他降解膜慢，能滿足玉米生育期內的生長需求；王斌等[30]研究表明，降解地膜降解處于誘導期之前，玉米降解地膜膜下5 cm和10 cm的土壤溫濕度均高于PE地膜，但兩種地膜的土壤溫度差異均不顯著，本研究中降解膜M1在5、15、20 cm土層保溫效果較好，與劉蕊等[31]研究結果相似。本研究還發現：黑色降解膜具有良好的保溫效果，能形成較高的土壤溫度，從而有利于作物生長和產量提高[32]，一是因為黑膜透射系數低，增加凈輻射；二是因為黑膜減緩了覆膜地面溫度的下降速度，抑制土壤水分蒸發和阻礙近地面氣層的熱量交換，使能量不易散失，能保證適宜的土壤溫度，從而使作物根系活性增加、肥料利用效率提高，提高土壤酶活性，進而有利于玉米生長并提高產量。灌漿期后，降解膜M2、M3由于誘導期設計開始裂解，保溫效果減弱，并且此時作物冠層逐漸增大，攔截了大部分太陽輻射，并在地面產生陰影，進而削弱了陽光的直接照射，減緩土壤溫度的升高[33]。至灌漿后期，玉米葉片逐漸凋落，葉面積指數逐漸減小，冠層覆蓋度下降，降解膜保溫效應降低至消失，是降解膜M2、M3處理比PE膜處理分別減產19.18%、5.74% (P<0.05)的原因之一。

本研究中的試驗地降雨量小，蒸發能力強，空氣相對濕度小，試驗播種期間氣溫低，回溫慢，作物前期生長緩慢。玉米的株高、莖粗、葉面積指數及地上干物質的積累是衡量玉米植株生長發育及產量的重要指標。本研究中誘導期較長的降解膜M1覆蓋下的玉米產量最高[34]。降解速率快[35]的降解膜M2在拔節期和抽雄期保水性能良好，但從抽雄期后地膜開始裂解，地表蒸發變大，地膜保水性變差，在需水關鍵期作物吸收水分較少，是導致M2產量比PE膜低19.18%(P<0.05)的主要原因，誘導期為100 d的M4覆膜后第90天出現裂紋，這可能是由于太陽輻射和機械外力造成地膜提前降解，此時玉米處于灌漿期，地膜裂解使土壤水分蒸發，作物吸水不足導致M4處理減產。而誘導期為100 d的M1裂解出現在覆膜100 d以后，作物基本進入蠟熟期，并且黑色降解膜M1能形成較高的土壤溫度，提高玉米產量，其產量雖比PE膜有減少但無顯著差異。

4 結 論

與普通地膜覆蓋相比，可降解膜覆蓋在玉米苗期至抽雄期保持完整，降解膜的實際降解時間與設計誘導期基本一致。

可降解膜與普通膜在苗期至抽雄期保水效果相近，灌漿期后，誘導期為80 d的降解膜處理的20～40 cm土層土壤含水率較普通膜處理顯著下降，誘導期為100 d的降解膜保水效果較好。從全生育期來看，誘導期為100 d的黑色降解膜保溫效果較好。

與普通地膜覆蓋相比，降解膜覆蓋下玉米株高、莖粗、葉面積指數及干物質積累量在苗期至抽雄期差異不顯著(P>0.05)，成熟期均不同程度降低。不同降解地膜覆蓋均降低玉米產量和水分利用效率，其中誘導期為100 d的黑色降解膜覆蓋下玉米產量和水分利用效率與普通地膜覆蓋處理無顯著差異(P>0.05)。

誘導期為100 d的黑色氧化生物雙降解地膜(M1)應用效果較好，可考慮在新疆干旱區生產實踐中推廣使用。