李鶴

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱 150000;2.中海監(jiān)理有限公司,廣東深圳 518000)

覆膜條件下作物需水率及土壤溫度差異研究

李鶴1,2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱 150000;2.中海監(jiān)理有限公司,廣東深圳 518000)

本文針對缺水區(qū)的生態(tài)條件,以前人研究為基礎(chǔ),以大田試驗為支撐,系統(tǒng)研究了覆膜條件下玉米發(fā)育過程和形成規(guī)律及水分對其影響,并探討其生理原因,進一步挖掘節(jié)水玉米的產(chǎn)量潛力,實現(xiàn)節(jié)水高效并提供理論依據(jù);探索覆膜條件下玉米產(chǎn)量與不同階段土壤水分和灌水量之間的定量關(guān)系,尋求出了以提高水分利用率為目標的節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的作物較佳灌溉模式,為較優(yōu)調(diào)控水-土-作物-環(huán)境關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)。因此,本文在試驗區(qū)的試驗對尋找一套合理灌溉方式和灌水量指導(dǎo)當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)

玉米生長 土壤溫度 覆膜 節(jié)水農(nóng)業(yè)

覆膜種植是一種現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)。塑膜覆蓋是農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)的重大進步，它能大大改善農(nóng)田小氣候、降低作物棵間蒸發(fā)，從而有效控制作物耗水量。它在各國都得到了廣泛的應(yīng)用。作物需水量研究對水的生產(chǎn)力和節(jié)水灌溉意義重大，加強作物需水研究是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫的任務(wù)。作物需水量又稱作物蒸發(fā)蒸騰量，是農(nóng)業(yè)方面最主要的水分消耗部分，是制定流域規(guī)劃、地區(qū)水利規(guī)劃、以及灌排工程規(guī)劃、設(shè)計、管理和農(nóng)田灌排實施的基本依據(jù)。因此，準確地估算作物蒸發(fā)蒸騰量顯得尤為重要，特別是干旱半干旱地區(qū)，對于減小作物生育期的水分消耗，提高水分利用率，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)有著十分重要的意義。

1 國內(nèi)外研究動態(tài)和趨勢

20世紀30年代，人們開始關(guān)注農(nóng)業(yè)水熱資源利用效率問題。近幾十年來，水資源危機不斷加劇和水環(huán)境質(zhì)量不斷惡化，加之糧食產(chǎn)量需求的不斷增加，提高農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率已演變?yōu)槭澜鐐涫荜P(guān)注的問題之一。覆膜技術(shù)作為一種提高農(nóng)業(yè)水熱資源利用效率的方法，其保水機理、保溫效果及其對作物生長狀況和產(chǎn)量的影響研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國自20世紀70年代由日本引進地膜覆蓋栽培技術(shù)后，由于其具有增加地溫，節(jié)水保墑的效應(yīng)，且有顯著的增產(chǎn)作用，因而在全國范圍得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在西北干旱區(qū)更是得到大面積的推廣。王景寬等(1997)研究表明，覆膜對土壤過氧化氫酶、脲酶等主要酶活性有所影響。同時地膜覆蓋有效地保護了土壤耕層不受破壞，能減輕大雨或暴雨對地面的沖刷，減少了水土流失等災(zāi)害;王樹森等(1991)研究證實了地膜覆蓋能抑制鹽堿地的返鹽作用，在膜下形成一個特殊的低鹽耕作層，降低了鹽堿危害;楊天育(1999)調(diào)查地膜覆蓋田耕層土壤容重較露地減少0.08g/m3，土壤孔隙度比露地增加3.98個百分點，另外，地膜覆蓋對雜草生長和病害發(fā)生也有抑制作用。鄧振鏞等(1996)研究得出，旱作壟種(小麥)溝蓋(玉米)地膜帶田優(yōu)于目前的溝種(小麥)壟蓋(玉米)帶田種植形式，前者比后者增產(chǎn)9.0%～12.5%。糧食的增產(chǎn)不僅解決了旱區(qū)農(nóng)民的吃飯問題，也提高了農(nóng)民的收入。孟憲杰等(2005)在黑龍江省饒河、八五二等農(nóng)場進行了大豆行間覆膜栽培試驗，試驗結(jié)果表明，大豆行間覆膜具有保墑、提墑、增墑，提高積溫、促進土壤微生物活動，抑制雜草生長，改善土壤物理性狀等功能;杜維廣等(2005)大豆行間覆膜栽培能有效地保護土壤水分，提高土壤溫度，提高了養(yǎng)分利用率，使覆膜栽培比對照速效氮、速效磷、速效鉀有所提高。這些因素綜合作用導(dǎo)致地上部分大豆覆膜栽培群體生理、光合生理和固氮營養(yǎng)生理的改善，拉動了光合產(chǎn)物的積累和分配，促進了大豆產(chǎn)量的提高，這是覆膜栽培增產(chǎn)的生理基礎(chǔ);周寶庫等(2004)研究了在嚴重春旱及后期地溫多雨的情況下，行間覆膜顯著地提高了大豆產(chǎn)量。在相同種植條件下，覆膜與不覆膜相比，增產(chǎn)22.1%;大豆覆膜能有效地提高地溫，從出苗到開花期，苗帶內(nèi)10cm地溫增加1.38℃，15cm 地溫增加0.59℃;大豆覆膜增加土壤水分與速效養(yǎng)含量;吳從林等(2001)研究結(jié)果表明，地膜覆蓋可使麥田前期增溫，但作物生育后期增溫效果不明顯或則降低溫度，在冬小麥整個越冬期，覆膜處理能使表土層產(chǎn)生明顯的增溫，最高可達2.83℃;當進入返青期后，膜外氣溫開始回升，覆膜處理產(chǎn)生了一定的增溫，達1.5℃，直到拔節(jié)前期;但拔節(jié)后期～乳熟期地膜覆蓋基本上不增溫;門旗等(2000)研究得出，通過試驗結(jié)合公式估算得出，地膜覆蓋作物覆蓋度由35%提高到90%，其棵間蒸發(fā)量減少51.8%，與露地相比土壤棵間蒸發(fā)減少74.6%，所以別接膜以減少作物田間有效蒸騰，但較高的田間覆蓋度不利于雨水的蓄集和下滲。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

日本是世界上利用塑料薄膜覆蓋栽培技術(shù)最早的國家之一。日本在普遍采用蓋草的基礎(chǔ)上也有了新的發(fā)展，先是利用廢舊塑料薄膜進行地面覆蓋，1943年日本開始用塑料薄膜覆蓋進行水稻育秧。美國于20世紀50年代初期在夏威夷首先應(yīng)用地膜覆蓋，1963年開始在亞利桑那州用覆膜機進行棉花黑膜地面覆蓋栽培，覆膜機能同時進行鋪膜和播種兩項作業(yè)，提前兩周播種，棉花增產(chǎn)顯著。歐洲常采用稻草、干枯苔蘚和落葉等覆蓋地面以保持土壤濕度，保護作物免受污染和霜凍。自1838年法國人萊達諾發(fā)明聚氯乙烯后，又經(jīng)過德國人研究，直到1928年才在美國開始進行工業(yè)化生產(chǎn)。法國于1961年開始在南部進行瓜類作物的塑料薄膜地面覆蓋栽培試驗。

Mahrer(1979)首先將熱擴散方程引入到覆蓋問題中。他從物理的角度描述了大氣一覆蓋層一土壤的熱交換過程，建立了透明塑膜覆蓋下的熱平衡方程，并用數(shù)值方法模擬了一維情況下的土壤溫度分布;隨后，Mahrer和Kata(1981)用二維數(shù)值模型分析了覆蓋條件下土壤溫度的空間分布;Mahrer(1984)還對塑膜覆蓋下不同土壤濕度對溫度的影響以及不同溫度對濕度的影響進行了研究，試驗和數(shù)值模擬的結(jié)果比較吻合，且都顯示溫度的最大值隨土壤濕度的增加而增加;Cooper等(1996)研究認為，由于近地表空氣相對穩(wěn)定且傳導(dǎo)性低，地膜捕獲的太陽輻射更容易使土壤表層增溫，前期地溫高則會促進根系的生長，且有利于安全越冬。據(jù)甘肅對地膜冬、春小麥測定，覆膜后不同生育階段和不同土層地溫均有不同程度提高;Shmidt等(1998)發(fā)現(xiàn)，覆蓋白色地膜后地表的熱累積量顯著高于黑色地膜;Farias(1997)發(fā)現(xiàn)透明地膜對土壤的增溫效果比白色地膜和黑色地膜顯著;DougWaterer(2007)調(diào)查了地膜覆蓋蔬菜發(fā)現(xiàn)，在4月中詢和休閑期的土壤溫度要比露地高出10℃;Dahiya等(2007)進行了覆膜對土壤溫度水分影響的大田試驗研究，他們8至9月份的試驗結(jié)果表明覆蓋能有效減小土壤水分喪失，降低土壤溫度;為了研究不同覆蓋的效果及其經(jīng)濟可行性和生態(tài)友好性，Ramakrishna等(2006)在越南北部對聚乙烯塑料、稻草和化學(xué)處理三種措施對土溫、水分和作物產(chǎn)量的效果進行了大田試驗;發(fā)現(xiàn)聚乙烯塑料薄膜能有效提升地溫，阻止蒸發(fā)、保持土壤濕度，而聚乙烯塑料和稻草覆蓋都能促進作物生長;H.Y.Hanna，E.P等(1996)通過地膜覆蓋西紅柿發(fā)現(xiàn)，在整個生育期地膜覆蓋15cm處的土壤溫度比7.5cm的明顯低。Kato，Y.等人(2009)還研究發(fā)現(xiàn)，旱稻比水稻更能有效利用土壤水分，進而提高其水分利用效率。

2 實驗研究的主要內(nèi)容和方法

2.1 本論文研究內(nèi)容包括以下幾點

(1)通過對夏玉米覆膜種植的大田試驗，研究夏玉米覆膜種植的需水規(guī)律及水分利用效率，從而進一步的確定夏玉米覆膜種植的灌水指標、適宜的灌水量。最終達到提高夏玉米的水分生產(chǎn)效率。

(2)研究夏玉米在覆膜種植條件下各生育期的生理生態(tài)特性(包括光合、莖粗、株高、葉片數(shù)、葉面積等)。

(3)研究在覆膜條件下，夏玉米在整個生育期，根層土壤溫度的變化，進一步確定覆膜對地溫的調(diào)節(jié)作用。從而研究分析覆膜種植對作物生長發(fā)育的影響，提高作物生物量累積，進而提高作物水分利用效率。

2.2 本文的研究方法

本試驗擬采用試驗與理論分析相結(jié)合的研究方法，以黑龍江省松嫩平原腹地哈爾濱市香坊農(nóng)場作為研究基點，于2011年全面系統(tǒng)的展開試驗工作。

(1)采用現(xiàn)場測定、實地考察、收集相關(guān)資料及數(shù)據(jù)采集方法，合理的安排試驗步驟，嚴密的布置試驗計劃。

(2)土壤含水量測定：采用人工打鉆取土，烘干法測定0～160cm土層的土壤含水量。以20cm(分10層)為單位，每10天測一次，播種前、采收后、下雨、灌水前后加測。

(3)作物生態(tài)指標測定：株高、葉面積用卷尺測量，地徑用游標卡尺測量。株高測定是從植株根部到植株的生長點和從根部到植株的所有器官中的最長點;葉面積的測定是從葉尖到葉基的長度與離葉基1/3處的葉寬計算得到;地徑測定是從正交不同的兩個方向測定其直徑取其平均值。干物質(zhì)測定：玉米收產(chǎn)時從所取樣方中分別任取一株測定其最終干物質(zhì)重(包括根、莖、葉、玉米秸稈、芯及籽粒干重)。

(4)農(nóng)田小氣候測定：本研究以自動氣象站的常規(guī)觀測項目為依據(jù)，觀測項目包括：氣溫、空氣相對濕度、2m高處的風(fēng)速、太陽輻射強度和降水量。觀測時間間隔為30分鐘一次。

(5)地溫測定：利用“五支組地溫計”在試驗區(qū)的覆膜中央、未覆膜行中央觀測地下3cm、5cm、10cm、15cm、20cm、30cm處的土壤溫度，每隔3天觀測一次，每次觀測以2天為單位。每天觀測時間為：8：00、12：00、14：00、16：00、20：00、0：00、次日臨晨4：00、次日8：00為一整天。

3 實驗研究實施方案和進度

本研究采用田間試驗測定，供試作物為夏玉米。2011年5月24日播種，9月23日收獲。種植密度為9株/m2。具體實施方案如下：

生理指標的測定包括作物的株高、葉片數(shù)、葉面積以及地徑和作物最終干物質(zhì)量。

(1)生物指標測定是在玉米的不同生育期進行定點、定株連續(xù)測定。每一重復(fù)測定連續(xù)3株，每一處理將各重復(fù)測定計算平均值所得。其中，單葉面積用下式計算：

式中：S為葉面積;a為葉長;b為葉寬。單葉面積累加得全株面積。

(2)作物光合特性測定。利用便攜式光合儀測定作物的光合特性。隨機選取生長正常、旺盛的植株12銖，選取生長健壯，發(fā)育成年尚未衰老的葉片測定，葉片被測部位均在葉片的中上部，并且避開中脈。拔節(jié)期由于葉片正在生長發(fā)育，上部葉片還未發(fā)育完全，因此取其生長成年的倒三片葉子測定，分別在 8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00和20：00測定其光合。

(3)干物質(zhì)累計測定。由于試驗要進行測產(chǎn)，因此在試驗過程中沒有進行干物質(zhì)測定，只在收產(chǎn)時進行干物質(zhì)測定，在測產(chǎn)的四個樣方(3m×3m)中隨即各取一株，將其根、莖、葉，穗等烘干(80℃，烘24h)稱重，籽粒加13%水分計經(jīng)濟產(chǎn)量。

土壤含水量通過人工分層取土樣，測定區(qū)域為0-160cm(每個20cm為一層)取土?xí)r間間隔為10天，采用烘干法進行測定。

土壤溫度采用低溫計按照試驗方案，每隔3天，測定3cm、5cm、10cm、15cm、20cm、30cm處的土壤溫度。并及時將試驗數(shù)據(jù)錄入于表格之中。

本研究通過大田夏玉米覆膜種植試驗，主要擬解決以下問題：(1)準確獲得夏玉米覆膜種植各生育期的需水量;初步確定適合本試驗條件下的作物系數(shù)Kc值以及作物水分利用效率。(2)研究在覆膜條件下土壤水分與土壤溫度的關(guān)系，分析土壤水分變化在覆膜種植和露地種植條件下的差異。

4 實驗研究預(yù)期效果

本文通過整個生育期間玉米的生長性狀、最終干物質(zhì)量、土壤含水率及土壤溫度的變化規(guī)律的觀測和記錄，結(jié)合試驗場附近氣象站觀測的數(shù)據(jù)，分析松嫩平原黑土地區(qū)，覆膜技術(shù)對于農(nóng)作物(夏玉米)生物量全生育期內(nèi)變化趨勢，掌握覆蓋條件下，土壤水分的利用效率，嘗試提出水熱時空分異分析指標，揭示覆膜對于玉米生長規(guī)律的影響及土壤水熱動態(tài)的驅(qū)動機理，為合理的利用土壤水熱資源，提高水資源利用效率，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

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