不同膜上遮擋措施對旱地玉米土壤理化性狀及產量的影響

王 奇 扶亞芳 司雷勇 金 巖 夏鎮卿 路海東

西北農林科技大學農學院 / 農業農村部西北旱區玉米生物學與遺傳育種重點實驗室, 陜西楊凌 712100

西北雨養旱作地區是中國最重要的春玉米生產基地, 玉米產量占全國總產量的 17%, 其產量對保證國家糧食安全至關重要。近年來, 全球氣候變暖,受氣候和土壤溫度升高、降雨減少、降雨分布不均勻等不利因素影響, 該區地膜玉米生育后期出現的早衰、減產等負面效應不斷顯現[1-3]。部分學者研究[1,4]認為, 地膜玉米后期的早衰是由于地膜增溫導致玉米生育期提前, 使得玉米大喇叭口期遇到干旱, 從而導致玉米后期早衰和產量下降。而另一部分學者[5]認為, 地膜覆蓋下, 由于土壤溫度升高, 導致土壤的養分分解速度加快, 使得玉米生長后期養分供應不足, 從而導致玉米早衰。無論哪種研究結論, 均與地膜覆蓋下玉米耕層的土壤溫度升高有關。因此,土壤升溫對旱地玉米生長發育及耕層土壤理化性狀的影響作用必須得到重視。

土壤中各種生理性狀和生化過程均受到土壤溫度的影響, 土壤溫度較高, 有機質分解快, 土壤溫度低, 有機質分解速度慢[6-7]。Walker等[8]研究表明, 土壤溫度變化 1℃就能引起植物生長的明顯變化, 在一定的溫度范圍內, 土壤溫度越高, 作物吸收養分的速度加快, 數量增加, 從而使作物生長發育加快, 生育期提前。但當土壤溫度超過最適溫度后, 作物根系生物量和根系長度則隨溫度的升高而下降, 不利于作物的生長。關于土壤溫度的已有研究多是關注于覆蓋方式改變后的水熱整體效應[9-10], 這在一定程度上掩蓋了土壤溫度變化的作用效果。因此, 采取適當的降溫措施, 研究地膜覆蓋下土壤溫度變化是否會改變玉米及耕層土壤對氣候變暖的響應值得探索。

本研究在前期研究基礎上, 從不改變地膜保水功能的角度出發, 研究適度降低膜下土壤溫度對玉米產量形成的影響, 分析不同膜上遮擋措施下玉米耕層土壤物理化學性狀變化。為進一步解析西北雨養旱作區地膜玉米后期早衰機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年和2019年在西北農林科技大學長武旱地玉米試驗站進行, 該試驗站地處107°38′E、34°59′N, 海拔高度1220 m, 年平均溫度和降雨量分別為9.1℃和580 mm, 全年無霜期171 d, 2018年和2019年玉米生育期的降雨量和日氣溫如圖 1。土壤為黑壚土, 平均干容重(bulk density, BD)為1.42 g cm–3,土壤0～20 cm含有機質16.56 g kg–1、速效氮46.66 mg kg–1、速效磷 18.94 mg kg–1、速效鉀 158.35 mg kg–1。

1.2 試驗設計

1.2.1 根區降溫 設置3個處理。處理A: 地膜覆蓋+膜上覆黑色遮陽網; 處理B: 地膜覆蓋+膜上覆蓋秸稈, 2種地膜降溫覆蓋措施(經測定, 玉米整個生育期可較地膜覆蓋降溫 1～2℃); 處理 C: 地膜覆蓋,為對照。地膜采用普通白色聚乙烯地膜, 規格均為寬70 cm, 厚0.008 mm; 遮陽網為普通黑色聚乙烯網, 寬度為55 cm, 離地3～5 cm, 固定遮擋覆蓋在地膜上; 秸稈為玉米秸稈切碎, 長度20 cm, 覆蓋量為3000 kg hm–2, 沿小區行長均勻覆蓋在地膜上。

1.2.2 試驗設計 試驗品種為陜單 609, 種植密度67,500株 hm–2, 采用機械覆膜、人工點播的方式播種, 小區種植6行, 行長6 m, 行距60 cm, 小區面積18 m2。按照裂區實驗設計, 以品種為主區, 不同覆蓋方式為副區, 共6個處理, 每個處理4次重復。

1.2.3 田間管理 試驗播種方式依照當地習慣種植進行播種, 施肥水平為每公頃施純氮 270 kg、純P2O5150 kg。全部磷肥和40%氮肥于玉米播種前結合整地一次性施入, 60%氮肥于玉米拔節期作為追肥施入, 其他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 土壤溫度 于玉米拔節期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐絲期(VT)、吐絲后 25 d (R3)、吐絲后45 d (R4)和成熟期(R6), 采用曲管地溫計分別按照土層深度5、10、15、20和25 cm調查一次土壤溫度日變化, 觀測時間為8:00—18:00, 每2 h觀察1次。

1.3.2 土壤理化性狀 在玉米播種前和收獲后測定0～200 cm土壤含水量(gravimetric soil water content, GSW); 分別于玉米播種前、拔節期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐絲期(VT)、吐絲后25 d (R3)、吐絲后45 d (R4)和成熟期(R6)測定土壤緊實度; 于玉米播種前和收獲后測定每個小區耕層(0～20 cm)土壤有機質和氮、磷、鉀等養分含量。采用 CP40II、數顯式土壤緊實度儀在田間地膜帶直接原位測定土壤緊實度, 測定土層范圍為0～10 cm, 每1 cm記錄1次數據, 每個小區重復測5次。按照《土壤農化分析》[11]方法測定土壤有機質及氮、磷、鉀等養分。

1.3.3 植株干物質量和綠葉面積 在拔節期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐絲期(VT)、吐絲后25 d(R3)、吐絲后45 d (R4)和成熟期(R6), 各個小區選取長勢均勻、有代表性的5株植株取樣, 用卷尺測量每株的單株綠葉面積, 然后將莖、葉、鞘、雄穗和雌穗分樣處理, 放入烘箱105℃殺青30 min, 然后調至80℃恒溫烘干至恒量后測定干物質量。

1.3.4 收獲考種 成熟期調查每處理小區的實有株數、空稈率和雙穗率, 收獲時調查每個處理小區的果穗產量。依據單穗平均質量選取10個具有代表性的果穗進行室內考種, 調查記錄穗行數、千粒重和行粒數等性狀指標。同時根據10穗質量計算小區標準產量(籽粒含水率14%)。

1.3.5 水肥利用效率 玉米生育期內水分利用率(water use efficiency, WUE)按照以下公式[12]計算:

SWS (mm) = GSW×BD×H

ET (mm) = (SWS1- SWS2) + P

WUE(kg hm–2mm) = Y/ET

式中, SWS為土壤儲水量, H為土層深度, ET為生育期內總耗水量, SWS1和 SWS2分別為收獲后與播種前0～200 cm土壤儲水量, P為生育期有效降水量, Y為籽粒產量。肥料偏生產力(kg kg–1)為玉米籽粒產量與總施肥量的比值。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2016作圖, SPSS 25.0統計分析軟件進行數據統計分析, 采用最小顯著性差異法LSD (least significant different)法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同處理玉米生育期的土壤溫度變化

土壤溫度反映了土壤的熱狀況, 其主要受到太陽輻射、地表覆蓋及植株生長的影響。由表 1可以看出, 2種降溫覆蓋處理下, 0～25 cm土層的土壤平均溫度顯著小于普通地膜覆蓋處理(P< 0.05)。從不同的生育期來看, 玉米拔節期和成熟期的降溫幅度較大, 吐絲期和灌漿期的降溫幅度較小。這可能是由于玉米吐絲后冠層覆蓋量大, 投射到地面的光強減弱的原因。

2.2 不同膜上遮擋措施的土壤緊實度變化

土壤(0～10 cm)緊實度隨著玉米生育期的推進逐漸增大(表2), 不同處理間比較發現, 2種降溫處理的土壤緊實度顯著小于對照(普通地膜覆蓋)處理C。隨著生育期的推遲, 不同處理間土壤緊實度的差異幅度變小, 而處理A和處理B二者間無顯著差異。可見在普通地膜上施加適當的遮蓋降溫措施能夠有效降低玉米各生育期的土壤緊實度, 改善土壤通透性。而這種現象可能與普通地膜和土壤表層之間高溫高濕環境所形成的膜下土壤表面板結有關。

2.3 不同膜上遮擋措施的土壤養分效應

不同處理方式對土壤中全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀和有機質含量的影響不同(表3)。2018年各處理之間土壤有機質含量差異不顯著,2019年降溫處理 A和處理 B均顯著高于對照處理C, 分別較對照增加 2.13%和 1.77%。2年不同處理間全磷含量沒有明顯差異; 2018年不同處理之間全氮和全鉀含量沒有顯著差異, 2019年處理A和處理B顯著高于處理C, 分別較處理C增加7.62%、3.25%和8.50%、4.06%; 土壤中堿解氮的含量2年均表現為處理C顯著高于處理A和處理B, 處理A和處理B之間沒有顯著差異; 2年不同處理間土壤中速效磷和速效鉀的含量處理A和處理B之間沒有顯著差異,但處理C明顯高于處理A。說明普通地膜覆蓋下較高的溫度加速了土壤有機質礦化和養分分解, 而適當的膜上遮擋降溫措施可以延緩土壤有機質、全氮和全鉀等養分的礦化及分解。

表1 不同覆蓋方式下0～25 cm土層平均溫度Table 1 Average soil temperature of 0–25 cm depths under different mulching patterns (℃)

表2 不同覆蓋方式下各生育期土壤平均緊實度Table 2 Effect of different mulching methods on soil compactness at different growth stages (kPa)

表3 不同覆蓋方式下土壤養分的含量Table 3 Soil nutrients content under different mulching methods

2.4 不同膜上遮擋措施的玉米產量效應

2.4.1 干物質積累 玉米單株干物質積累量隨生育期的變化規律如圖2所示, 從圖2分析可知, 隨著生育期的推進玉米干物質積累量呈增加趨勢, 成熟期達到最大。從干物質量積累的速度來看, 在吐絲25 d以前, 各處理的干物質積累速度相對穩定, 沒有明顯變化。但是在吐絲25 d以后, 處理A和處理B的干物質積累量明顯高于對照處理 C。不同年份間比較, 2018年玉米成熟期的干物質積累量為處理A>處理 B>處理 C, 2019年的干物質積累量為處理B>處理A>處理C, 且處理A和處理B的單株干物質積累快速增長期2018年明顯早于2019年。由此可見,普通地膜覆蓋下過高的土壤溫度會影響玉米后期干物質的積累, 采用膜上覆蓋黑色遮陽網和秸稈的降溫措施可以有效的減緩普通地膜增溫所引起的后期植株衰老問題, 從而增加玉米干物質量的積累。相對于雨水較多的2019年, 2018年的效果更加明顯。

2.4.2 單株綠葉面積 不同覆蓋方式下玉米不同時期的單株綠葉面積變化見圖 3, 從圖中可以看出,隨著玉米生育期的推進植株綠葉面積逐漸增加, 吐絲期達到最大, 吐絲后隨著植株衰老, 單株綠葉面積逐漸減少, 成熟期達到最低。不同處理間比較, 吐絲以前差異不大, 吐絲后處理A和處理B的單株綠葉面積明顯高于對照處理C。處理A和處理B間比較, 差異不明顯。說明與普通地膜覆蓋相比, 膜上遮擋降溫措施能夠保持較高的光合綠葉面積, 延緩玉米吐絲后的葉面積衰減速度, 從而進一步增強玉米后期的光合物質生產, 促進籽粒灌漿。

2.4.3 產量及產量構成 不同覆蓋方式下玉米的產量如表4所示, 從產量及產量構成因素的變化情況來看, 不同處理的有效穗數和穗粒數無顯著差異, 但是千粒重和產量處理A和處理B顯著高于處理C (P< 0.05)。不同年份間比較發現, 2019年各處理的穗粒數較 2018年明顯提高, 但是千粒重較2018年略有下降; 2018年降溫處理A和處理B的玉米產量較對照處理 C分別增加 8.94%和 7.97%,2019年較對照處理C分別增加3.84%和3.89%。說明膜上遮擋降溫措施可以顯著提高玉米粒重, 促進產量形成, 但玉米的增產幅度在不同年份之間表現不同。

表4 不同覆蓋方式下的玉米產量Table 4 Maize yield under different film mulching methods

2.5 不同處理的水肥利用效率

不同覆蓋方式的玉米生產水分利用效率和肥料偏生產力如圖 4所示, 從圖 4-a中可以看出, 處理 A和處理 B的水分利用效率均顯著高于對照處理C, 但處理A和處理B之間沒有顯著差異, 處理A和處理B的2年平均水分利用效率分別較對照處理C提高8.17%和7.67%?？梢? 處理A和處理B通過適當降低地膜玉米根區溫度可更有效的促進玉米籽粒產量形成, 從而獲得較高的玉米生產水分利用效率。

肥料偏生產力是土壤肥力與肥料效率的綜合反映。從圖4-b的分析可知, 在同一施肥水平下, 處理A和處理 B的肥料偏生產力顯著高于對照處理 C,處理A和處理B二者之間雖有差異, 但沒有達到顯著水平。2年平均肥料偏生產力, 處理 A較處理 C提高7.24%, 處理B較處理C提高6.97%?？梢? 在光熱豐富的雨養旱作地區, 適當降低地膜玉米的膜內土壤溫度能夠提高肥料偏生產力。

3 討論

玉米是對溫度反應十分敏感的作物, 高溫環境會使玉米出現徒長, 與此同時呼吸作用會消耗大量的光合物質積累, 使玉米體內營養出現逆差, 從而導致玉米早衰[13]。普通地膜覆蓋會提高土壤的含水量, 然而膜下過高的土壤溫度會使玉米生育期提前,后期出現早衰, 從而造成減產[14-15]。本試驗研究發現, 在普通地膜覆蓋的基礎上, 加蓋黑色遮陽網或者覆蓋玉米秸稈可以在不影響保水的情況下, 有效地降低膜下土壤溫度, 尤其是一天之內的最高溫度。對比不同處理在不同生育時期的土壤溫度發現,不同的覆蓋方式對拔節期以前土壤溫度的影響最大,這可能是由于玉米生育前期植株覆蓋度較小, 透光率較大, 使得更多的太陽輻射到達地表, 在地膜上覆蓋遮擋物對太陽輻射的遮擋效果更明顯。而到了生育后期, 冠層覆蓋度增大, 透光率減小[16-17], 太陽輻射到達地表的量減少, 因而不同處理之間土壤溫度的差異減少。

土壤溫度的變化會引起土壤微生物、酶活性等一系列土壤化學反應的變化, 進而對土壤養分含量產生影響[18]。有機質是土壤的重要組成部分, 其含量僅占土壤的很小一部分, 但它卻是土壤中各種養分元素特別是氮、磷的重要來源[19], 其含量對土壤物理性狀、肥力和植物生長狀況有著重要影響[20],是衡量土壤肥沃程度的重要指標。本研究結果表明,在連續2年膜上遮擋下(處理A和處理B), 土壤有機質含量較普通地膜覆蓋明顯增加(P< 0.05), 同時土壤的全氮和全鉀含量提高。這可能與膜上遮擋措施降低了膜下土壤溫度有關, 地膜覆蓋下較高的土壤溫度增加了土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性及土壤微生物的數量[21], 易導致土壤養分分解速度加快,土壤有機質和氮素等養分含量下降[22],有關土壤微生物、土壤酶活性和土壤呼吸等因素的變化還要待進一步探究。但是從土壤的緊實度變化來看, 膜上遮擋降溫措施明顯降低了膜下的土壤緊實度。這可能是由于普通地膜覆蓋下, 當中午溫度較高時, 地膜與土壤接觸區形成了一個高溫高濕環境, 夜晚溫度降低時, 膜下水汽凝固, 土壤容易形成板結[23],從而增加了土壤的緊實度。而適當的遮擋降溫可以明顯緩解因太陽光的直射所造成的膜下高溫高濕狀況, 平抑膜下土溫的劇烈變化, 進而減輕膜下土壤板結, 從而減低了土壤的緊實度。也可能是正常地膜覆蓋下, 降雨直接作用在地膜上, 使得膜下土壤受到沖擊, 緊實度增加, 而膜上遮擋措施阻擋了雨水對地膜的直接沖擊, 減輕了對地膜及膜下土壤的作用。膜上遮擋措施對土壤緊實度的降低作用無疑為玉米根系的生長提供了適宜的疏松環境。

干物質是作物將光能轉化為光合產物的最高形態, 干物質積累量大小與作物籽粒產量形成關系密切[24]。前人研究表明, 普通地膜覆蓋會造成土壤溫度過高, 過高的土壤溫度使玉米的生育期提前, 生殖生長期縮短, 從而使玉米花后的干物質積累量減少[14,23]。本研究結果表明, 在地膜覆蓋的基礎上采取繼續加蓋遮陽網或者覆蓋秸稈的降溫方式, 可以有效延緩玉米吐絲后的綠葉面積衰減速率, 維持較高的群體光合綠葉面積, 促進地膜玉米生長后期干物質的積累。從不同年份來看, 降雨較少的干旱年份(2018年)較降雨較豐年份(2019年)的促進幅度更明顯。張琳琳等[16]研究認為, 玉米花后干物質積累量的提高可有效促進玉米粒重的形成和產量的增加。本研究結果表明, 處理A和處理B的千粒重顯著高于對照處理C, 2年平均玉米產量較對照處理C提高6.39%和5.93%。這可能正是由于適當降溫措施延緩了地膜玉米后期葉片衰老, 提高了葉片光合能力,促進了籽粒灌漿, 使得玉米粒重增加[25]。Bu等[4]研究認為, 普通白色地膜增溫縮短了玉米生育進程, 造成玉米早衰和產量下降, 在玉米吐絲后揭膜可以延緩玉米衰老, 提高水分利用效率。銀敏華等[26]研究發現, 普通塑料地膜小麥拔節期揭膜能提高小麥產量和水分利用效率。本研究結果表明, 2種地膜膜上遮擋降溫覆蓋處理均可顯著提高地膜玉米的水分利用效率和肥料偏生產力, 處理A和處理B的2年水分利用效率平均較處理C提高8.17%和7.67%, 肥料偏生產力平均提高7.24%和6.97%。

卜玉山等[27]研究認為, 覆蓋的主要目的是增溫時, 應選擇地膜, 主要目的是保水時, 秸稈效果更好。在西北雨養旱作區, 玉米生長季節光熱資源豐富, 地膜的主要作用是保水, 但由于地膜具有的增溫效果影響, 往往導致玉米后期發生早衰。通過適當的地膜降溫措施改變土壤溫度, 能夠影響土壤的各種理化性狀, 促進玉米生長及產量形成。就不同年份的影響程度來看, 2018年的影響程度明顯高于2019年, 從2年的氣象資料對比可以看出, 2019年玉米生長期降雨量明顯高于 2018年, 平均氣溫較2018年低, 這就使得普通地膜覆蓋的增溫效果弱化。這進一步佐證了降溫措施對地膜玉米的積極效應, 尤其是在高溫干旱年份, 效果可能更加顯著。

4 結論

在地膜玉米的整個生育期, 采用適當的膜上遮蓋降溫措施可以顯著降低地膜玉米的土壤溫度和緊實度, 增加玉米生長后期土壤有機質與全氮、全鉀含量, 提高地膜玉米的水分利用效率和肥料偏生產力。膜上遮擋降溫處理能夠促進玉米籽粒灌漿期的干物質積累, 顯著提高玉米千粒重和籽粒產量。在光熱資源豐富的西北雨養旱作區, 適當降低地膜溫度有助于提高玉米產量及水肥利用效率。