唐文雪，馬忠明

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所,蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,蘭州 730070)

河西綠洲灌區(qū)是我國(guó)最大的雜交玉米制種基地，由于受水資源缺乏和積溫不足的影響，玉米生產(chǎn)中普遍采用地膜覆蓋栽培技術(shù)，但大面積、高強(qiáng)度使用地膜使大量的地膜殘留在土壤，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)田生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)面影響[1-4]。與普通膜相比，降解膜具有可降解特性，能有效減少殘膜的污染危害。降解地膜能否徹底代替普通地膜用于生產(chǎn)實(shí)踐，除降解性能及功能期、膜強(qiáng)度及延展性、生產(chǎn)成本等問(wèn)題外，核心問(wèn)題在于降解地膜的保墑增溫性能[5]。目前，降解膜在河北、內(nèi)蒙古、新疆、陜西等地的棉花、玉米作物上研究比較多。海南省在多種蔬菜、甘肅在娃娃菜、新疆在番茄、河北在茄子、浙江在西瓜等作物上也有零星研究或小面積示范。研究認(rèn)為可降解地膜覆蓋能明顯改善土壤耕作層的水熱狀況，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，其作用與普通地膜相當(dāng)[6-9]。河西綠洲灌區(qū)降解膜在玉米生產(chǎn)方面研究鮮見(jiàn)報(bào)道，僅有李強(qiáng)、唐文雪等[10,11]在降解膜降解性能及降解膜對(duì)土壤水熱效應(yīng)、產(chǎn)量等方面進(jìn)行了一些研究。河西灌區(qū)作為水資源嚴(yán)重缺乏地區(qū)，抑蒸保墑是降解膜推廣應(yīng)用主要的考核指標(biāo)之一。本研究在河西灌區(qū)開(kāi)展田間試驗(yàn)，研究降解膜對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育及階段水分利用效率的影響,充實(shí)降解膜覆蓋的水分效應(yīng)理論，全面評(píng)價(jià)不同生育期降解膜保水效果，為可降解地膜在河西灌區(qū)應(yīng)用推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年4月至10月在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站位于38°56′N(xiāo)、100°26′E，海拔1 570 m，年平均降水量129 mm，平均年蒸發(fā)量2 075 mm。年平均氣溫為7.38 ℃，降水主要集中在7、8、9月，干旱指數(shù)達(dá)16.09。年平均日照時(shí)數(shù) 3 085 h，≥10 ℃的積溫為2 896 ℃。土壤屬輕壤土，0～200 cm土層平均土壤容重1.376 g/cm3。試驗(yàn)前采集 0～20 cm 耕層土壤測(cè)定土壤理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量0.79%，堿解氮為70.9 mg/kg,速效磷24.7 mg/kg，速效鉀82 mg/kg。該區(qū)為無(wú)灌溉就無(wú)農(nóng)業(yè)的典型干旱綠洲灌溉區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為單因素試驗(yàn)，設(shè)置可降解保水地膜(降1)、BASF2(降2)、BASF1(降3)三個(gè)水平，以露地栽培(CK1)和普通地膜覆蓋(CK2)為對(duì)照，共5個(gè)處理。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，共15個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積為6.5 m ×4.8 m=31.2 m2。

試驗(yàn)用普通地膜由山東濟(jì)寧市唐口新華塑料制品廠生產(chǎn)，成分主要為聚乙稀，膜寬140 cm，厚度0.008 mm?？山到獗Ｋ啬び杉质“咨绞邢藏S塑業(yè)有限公司生產(chǎn)，為光氧化降解膜，由95%的聚乙稀加5%的光助劑和熱助劑制成，膜幅寬120 cm，厚度0.008 mm，穩(wěn)定天數(shù)約60～90 d；可降解地膜BASF1和BASF2由德國(guó)巴斯夫股份公司青島分公司生產(chǎn)，為全生物降解地膜，主要成分為PBAT(己二酸丁二醇酯和對(duì)苯二甲酸丁二醇酯的共聚物)。BASF1幅寬140 cm，厚度0.012 mm，穩(wěn)定天數(shù)約90 d；BASF2幅寬140 cm，厚度0.010 mm，穩(wěn)定天數(shù)約80 d；供試玉米品種為豫玉22號(hào)，為當(dāng)?shù)刂髟云贩N。

各處理生育期灌水量3 600 m3/hm2。全生育期灌水四次，分別于拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期和灌漿中期灌水,每次灌水量占灌溉定額的比例為20%、30%、30%、20%。采用水表計(jì)量灌溉。各處理施N 300 kg/hm2，P2O5225 kg/hm2。氮素用量的40%、全部磷肥作基肥。在玉米大喇叭口及吐絲期各施氮素的30%作追肥。氮肥為尿素(46.4% N)，磷肥為重過(guò)磷酸鈣(44% P2O5)。

玉米采用全地面地膜覆蓋栽培，寬窄行模式種植，栽培示意圖見(jiàn)圖1。帶幅120 cm，寬行80 cm，窄行40 cm，株距24 cm，播深2.0～2.5 cm。播種密度67 500 株/hm2。4月17日覆膜，順播種方向沿小區(qū)地埂覆第一幅膜，邊覆邊用土壓外側(cè)膜邊，覆第二幅時(shí)，與第一幅膜內(nèi)側(cè)重疊10 cm，邊覆邊用土壓重疊膜邊，依次類(lèi)推。4月23日播種，10月3日收獲。

圖1 寬窄行平作栽培技術(shù)示意圖(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of wide-narrow horizontal cultivation technique

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 土壤水分測(cè)定及作物田間耗水量計(jì)算

采用烘干法對(duì)不同處理的土壤水分進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定時(shí)間為玉米播種前一天及拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿中期和收獲后，共6次。每小區(qū)分別在寬行和窄行中間各測(cè)定1個(gè)點(diǎn)，測(cè)定層次為 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm 6個(gè)層次，取2個(gè)點(diǎn)相同土層平均值為該處理相應(yīng)土層的土壤含水量值，并根據(jù)各土層土壤含水量計(jì)算 0～120 cm 土層貯水量。

土壤貯水量計(jì)算公式：

(1)

式中：Wt為0～120 cm土壤水分總貯量,mm；wi為i層的土壤質(zhì)量含水量，%；ri為第i層土壤容重，g/cm3；hi為第i土層的厚度，均為20 cm。

作物田間耗水量通過(guò)農(nóng)田水分平衡方程計(jì)算：

ETi=Pi+Ii+ΔWi

(2)

式中：ETi為i生育階段耗水量，mm；Pi為i階段降雨量，mm；Ii為i階段灌溉水量，mm；ΔWi為i階段土壤貯水變化量，mm。

ΔWi=(i-1)生育階段末土壤貯水量-i生育階段末土壤貯水量

(3)

1.3.2 水分利用效率計(jì)算

基于經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的水分利用效率通過(guò)下式計(jì)算：

WUEe=Ye/ET

(4)

式中：WUEe為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Ye為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg/hm2；ET為作物全生育期的田間總耗水量，mm。

基于干物質(zhì)的水分利用效率通過(guò)下式計(jì)算[12]：

WUEbi=Ybi/ETi

(5)

式中：Ybi為i生育階段單位面積生物量增量，一般用單位面積地上生物量來(lái)表示,kg/hm2；ETi為i階段作物田間耗水量,mm。

Ybi=i階段末單位面積地上生物量-(i-1)階段末單位面積地上生物量

(6)

1.3.3 玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量測(cè)定

玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期、成熟期等生育進(jìn)程中，在各小區(qū)選取有代表性的10株植株測(cè)量株高和葉面積(單片葉面積=葉最長(zhǎng)處長(zhǎng)度×葉最寬處寬度×0.75)，并將地上部全部帶回實(shí)驗(yàn)室烘干測(cè)定生物量。同時(shí)在苗期、拔節(jié)期地上部取樣后，同步采集植株周?chē)L(zhǎng)30 cm、寬30 cm，深40 cm土壤范圍內(nèi)根系樣品，觀測(cè)節(jié)根層數(shù)、條數(shù)，并清洗干凈烘干稱(chēng)質(zhì)量。成熟期每小區(qū)收獲中間2個(gè)條帶測(cè)產(chǎn)，根據(jù)重量均值法取有代表性的樣穗20穗進(jìn)行室內(nèi)考種，考察穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等指標(biāo)。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用SPSS軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降解地膜覆蓋對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1.1 苗期、拔節(jié)期玉米根系狀況

研究表明,玉米根系的生長(zhǎng)受土壤溫度、水分影響較大[13,14]，土壤水分不足或過(guò)量都會(huì)改變玉米根系數(shù)量及分布，使根系生長(zhǎng)異?；蛞种聘档纳L(zhǎng)[15]，本試驗(yàn)為充分灌溉,并且玉米播種至拔節(jié)期降解膜具有顯著的增溫效果，6 月上旬玉米進(jìn)入拔節(jié)期后，地膜的增溫效應(yīng)弱化，各處理差異變小[11]。因此，本研究只分析苗期和拔節(jié)期玉米根系發(fā)育情況。各處理玉米苗期及拔節(jié)期的根系狀況見(jiàn)表1。從表1可知，在玉米苗期，降解膜1、2、3節(jié)根層數(shù)為3.2～3.4層，與CK1、CK2差異不顯著；節(jié)根數(shù)13.2～14.2條、節(jié)根重0.40～0.45 g,均顯著高于CK1，但與CK2差異不顯著。在拔節(jié)期，與CK1相比，降解膜1、2、3節(jié)根層數(shù)、節(jié)根條數(shù)、節(jié)根重均顯著增加，節(jié)根層數(shù)增加1.1、0.5、0.5層，節(jié)根條數(shù)增加9.1、5.8、6.4條，節(jié)根重增幅分別為155.56%、123.02%、126.98%；與CK2相比，降解膜節(jié)根層數(shù)、節(jié)根條數(shù)差異均不顯著，降2、降3根干重顯著降低。

表1 不同降解膜覆蓋下玉米根系變化Tab.1 The change of plant root of maize under different mulching

2.1.2 玉米株高、葉面積、地上部干物質(zhì)重

可降解地膜對(duì)玉米株高、葉面積和地上部干物質(zhì)重均有明顯影響。從表2可知，在玉米各生育期，降解膜株高均顯著高于露地對(duì)照CK1；并且降1膜株高與CK2差異不明顯，而降2、降3株高顯著低于普通地膜CK2。在玉米苗期至抽雄期，降解膜葉面積顯著高于CK1，與CK2差異不顯著；在灌漿期，降解膜葉面積差異變小，與CK1、CK2相近，差異不顯著。葉面積大小總體表現(xiàn)為降1>CK2>降3>降2>CK1；玉米干物質(zhì)積累呈苗期慢，拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期快，成熟期又減緩的趨勢(shì)。在玉米各生育期，降解膜處理玉米干物質(zhì)重均顯著高于CK1。降1膜干物質(zhì)重與CK2差異不顯著。降2、降3膜干物重在苗期顯著低于CK2，在拔節(jié)期后與CK2差異不顯著。

表2 不同降解膜覆蓋下玉米株高、葉面積、地上部干物質(zhì)重變化Tab.2 Plant height，leafarea and dry weight ofmaize under different treatments

2.1.3 玉米產(chǎn)量及相關(guān)因子

降解膜、普通地膜、露地對(duì)照栽培玉米的產(chǎn)量及相關(guān)因子見(jiàn)表3。從表3可知，降解膜對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子均有顯著影響。3種降解膜產(chǎn)量、千粒重、穗粒數(shù)、果穗長(zhǎng)、果穗粗顯著高于CK1，但單位面積穗數(shù)及果穗禿尖長(zhǎng)與CK1差異不顯著。與CK1相比，降1、降2、降3膜果穗增長(zhǎng)3.60%～9.40%、穗直徑增加10.20%～12.00%、穗粒數(shù)多20.25%～20.79%、千粒重提高14.44%～21.69%，產(chǎn)量分別增加47.01%、37.88%、39.84%。與CK2相比，降解膜玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成所有因子均表現(xiàn)為差異不顯著，降1產(chǎn)量增幅為2.51%，降2、降3產(chǎn)量?jī)H比CK2降低3.85%和2.49%。

表3 不同降解膜覆蓋下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子Tab.3 Yield and relevant factors of maize under different treatment

2.2 降解地膜覆蓋對(duì)玉米水分利用效率的影響

2.2.1 降解地膜覆蓋對(duì)玉米耗水量的影響

土壤耗水量是衡量土壤水分收支平衡的重要指標(biāo)。表4為玉米各生育階段0～120 cm土壤耗水量的動(dòng)態(tài)變化。從表4可以看出，降解膜具有明顯的保墑效果，覆蓋降解膜使玉米各生育階段土壤耗水量低于CK1。隨玉米生育進(jìn)程推進(jìn)，降解膜保墑效果變的不明顯，并且各降解膜性能不一樣，導(dǎo)致不同降解膜覆蓋下土壤耗水量不一致。降1膜在各生育階段耗水量均比較低，保墑效果與與CK2相近，甚至在玉米抽雄前耗水量低于CK2，玉米灌漿期、成熟期，由于地膜破損度增加，耗水量?jī)H比CK2增加1.9、2.5 mm。降3膜在抽雄前，具有顯著的保水效果，在抽雄期以后，耗水量急劇增大，顯著高于CK2。而降2膜在玉米整個(gè)生育期保墑效果與CK2相近。以上結(jié)果表明，土壤耗水量整體表現(xiàn)為降1﹤CK2﹤降2﹤降3﹤CK1。

表4 不同降解膜覆蓋下玉米階段耗水量 mmTab.4 Phase water consumption of maize under different mulching

2.2.2 降解地膜覆蓋對(duì)水分利用效率的影響

農(nóng)學(xué)研究中水分利用效率是反映大田作物生長(zhǎng)與水分關(guān)系的綜合指標(biāo)。降解膜覆蓋下水分利用效率用基于干物質(zhì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的兩個(gè)指標(biāo)來(lái)分析。從圖2看，降解膜覆蓋對(duì)玉米干物質(zhì)水分利用效率具有顯著影響。從全生育期水分利用效率總體指標(biāo)看，降1、降2、降3膜水分利用效率分別為45.52、41.56、41.91 kg/(hm2·mm)，顯著高于CK1，比CK1提高27.26%、16.19%、17.17%。并與CK2差異不顯著，比CK2僅降低-1.68%、7.17%、6.39%。由于水分利用效率總體指標(biāo)僅反映玉米成熟期總干物重與總耗水量關(guān)系，不能動(dòng)態(tài)反映玉米各生育階段水分利用效率變化情況。為全面評(píng)價(jià)降解膜保水效果，因此還需分析各生育階段玉米水分利用效率指標(biāo)。從各生育階段指標(biāo)看，在玉米播種至抽雄期，隨玉米生育進(jìn)程的推進(jìn)水分利用效率呈增大趨勢(shì)。該階段降解膜水分利用效率顯著高于CK1，與CK2差異不顯著；大喇叭口期至抽雄期，降解膜水分利用效率達(dá)到最大，分別為77.95、71.64、70.79 kg/(hm2·mm)，比CK1顯著提高25.32%、15.18%、13.81% ，僅比CK2降低-5.48%、3.06%、4.21% 。在玉米抽雄期后，但降1膜仍具有較好的保墑效果，水分利用效率顯著高于CK1，與CK2差異不顯著。但降2、降3膜降解速度快，保墑效果變差，水分利用效率顯著低于CK2，與CK1差異不顯著。綜合來(lái)看，降解膜可顯著提高玉米水分利用效率，但玉米灌漿期、成熟期由于降解膜膜面破損，對(duì)水分利用效率的提高影響較大，需對(duì)降解膜降解速度加以調(diào)控，延長(zhǎng)其穩(wěn)定期。

降解膜覆蓋對(duì)玉米基于經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量水分利用效率的影響如表5所示。結(jié)果表明，降解膜覆蓋對(duì)玉米基于經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量水分利用效率存在顯著影響。降解膜1、2、3水分利用效率為22.97、20.72、20.59 kg/(hm2·mm)，比CK1提高60.41%、44.69% 和43.78%，但與CK2差異不顯著。由此說(shuō)明，降解膜通過(guò)減少水分蒸發(fā)、降低了玉米生育期耗水量，并提高地溫[16]，促進(jìn)了玉米生長(zhǎng)發(fā)育，最終顯著提高了玉米水分利用效率。

圖2 不同降解膜覆蓋下玉米基于干物質(zhì)水分利用效率Fig.2 Water use efficiency based on biomass accumulation of maize under different mulching 注:Ⅰ:播種-拔節(jié)期、Ⅱ：拔節(jié)期-大喇叭口期、Ⅲ：大喇叭口期-抽雄期、Ⅳ：抽雄期-灌漿中期、Ⅴ：灌漿中期-成熟期、Ⅵ：全生育期

表5 不同降解膜覆蓋下玉米基于經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量水分利用效率Tab.5 Water use efficiency based on grain yield of maize under different mulching

3 結(jié)果與討論

地膜的應(yīng)用極大改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，尤其在增溫保墑方面。河西灌區(qū)嚴(yán)重缺水，抑蒸保墑是降解膜推廣應(yīng)用的一個(gè)主要考核指標(biāo)。趙彩霞[17]在新疆研究提出，在整個(gè)棉花生育期內(nèi)，國(guó)內(nèi)供試的3種降解膜由于破裂較早，保墑效果明顯低于普通膜，何文清[8]在河北研究提出，在棉花生育前期,由于降雨量少,降解速度較快的降1和降2膜土壤墑情明顯要低于CK2,平均低2%～3%,而膜面比較完整的降三膜與CK2差異不大。本研究表明降1膜在抽雄前，保水效果好，耗水量顯著低于CK1。在灌漿中期、成熟期，耗水量比CK2有所增加，但差異不顯著。降2、降3在玉米拔節(jié)期膜面光滑完整，保水效果好。在大喇叭口期，仍具有顯著的保水效果。之后，隨玉米生育進(jìn)程推進(jìn)，保水效果變差。在灌漿期、成熟期玉米耗水量與CK1相近，并顯著高于CK2。根據(jù)本課題組降解膜田間降解情況評(píng)價(jià)及保水效果研究結(jié)果[11]，降解膜破裂前具有良好的保水效果，若降解膜降2和降3破裂期推后，使穩(wěn)定期延長(zhǎng)至灌漿中期(覆膜后120 d)左右，在玉米生育后期還可使土壤保水效果達(dá)到與CK2相近水平。

地膜覆蓋可有效改善農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育條件，促進(jìn)種子萌發(fā)和作物生長(zhǎng)，是一種積極的“促根栽培”法[18]?？山到獾啬じ采w能明顯改善土壤耕作層的水熱狀況，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，其作用與普通地膜相當(dāng)[6,16]。本課題組已有研究表明，與露地對(duì)照相比，可降解地膜覆蓋使土壤水分、溫度條件得以明顯改善[11]，從而促進(jìn)了玉米根系及地上部生長(zhǎng)發(fā)育。降解膜對(duì)玉米節(jié)根層數(shù)、條數(shù)、根干重均有明顯的影響。在拔節(jié)期，與CK1相比，降1、降2、降3節(jié)根層數(shù)、節(jié)根條數(shù)分別增加1.1、0.5、0.5層和9.1、5.8、6.4條，節(jié)根重分別提高155.56%、123.02%、126.98%。在苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期，降解膜覆蓋下玉米株高、葉面積和地上部干物質(zhì)積累量顯著高于露地CK1。降1膜顯著促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，保墑效果最好，在整個(gè)生育期干物質(zhì)水分利用效率均與普通膜相近；降2和降3在玉米生育前期具有顯著的保墑效應(yīng)，玉米生長(zhǎng)發(fā)育優(yōu)于CK1，干物質(zhì)階段水分利用效率顯著高于CK1。在玉米抽雄后，由于保墑效果變差，階段水分利用效率顯著低于CK2，與CK1差異不顯著。

本研究提出降解膜1、2、3比CK1顯著增產(chǎn)47.01%、37.88%、39.84%，與CK2相比，降解膜1增產(chǎn)2.51%，降解膜2和3僅減產(chǎn)3.85%和2.49%。3種降解膜產(chǎn)量表現(xiàn)與各自保墑效應(yīng)一致，并與申麗霞等[9]研究提出“可降解地膜產(chǎn)量比露地栽培產(chǎn)量增加35.1%，和普通地膜間差異不顯著”，與張杰等[16]研究提出的“普通地膜和生物降解膜處理的玉米產(chǎn)量比不覆膜對(duì)照分別提高20.0%和19.7%”的結(jié)論是一致的。

河西綠洲灌區(qū)3種降解膜覆蓋對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育影響與普通膜沒(méi)有明顯差異；降1膜在玉米全生育期保墑效果與普通地膜作用相當(dāng)，降2、降3膜在玉米抽雄前保墑效果良好，在生育后期保墑能力降低。僅從保墑、增產(chǎn)、提高水分利用效率看，3種降解膜均有可推廣價(jià)值，但建議生產(chǎn)企業(yè)延長(zhǎng)降2和降3膜的穩(wěn)定期，提高其在玉米生育后期的保墑效果。但其經(jīng)濟(jì)成本和農(nóng)藝特性方面還待進(jìn)一步研究。