干旱綠洲區(qū)可降解地膜覆蓋對(duì)滴灌棉田土壤水分和溫度的影響

李文昊，韓冬梅，胡松可

(1 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子832003；2 新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆 石河子832000)

1996年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)首次將具有局部濕潤(rùn)特點(diǎn)的滴灌技術(shù)與蓄水保墑優(yōu)勢(shì)的覆膜技術(shù)結(jié)合，形成了膜下滴灌技術(shù)[1]，2012年新疆的膜下滴灌棉花就已連續(xù)20年實(shí)現(xiàn)棉花種植面積、單產(chǎn)、總產(chǎn)和調(diào)出量全國(guó)第一[2]，膜下滴灌已成為新疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)水的主要模式。

覆膜可以降低膜內(nèi)土壤與大氣間的水分和熱量交換[3]，但農(nóng)用塑料地膜厚度小，回收困難，同時(shí)又屬于高分子化合物，難降解。隨著膜下滴灌大面積的推廣應(yīng)用和時(shí)間的延長(zhǎng)，農(nóng)田殘膜不僅影響作物的正常生長(zhǎng)，還對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害[4]。目前主要采用三種方式進(jìn)行殘膜治理[5]，第1種是加大對(duì)殘膜回收機(jī)的研發(fā)投入，裝備回收效率更高的殘膜回收機(jī)，第2種是提倡應(yīng)用加厚地膜，降低殘膜破碎率保證回收效率，第3種是尋求可替代塑料地膜的覆蓋材料，如作物秸稈、液體地膜和可被微生物蠶食或光照可分解的地膜等[6]。

近年來，由廣州金發(fā)科技、新疆天業(yè)集團(tuán)和兵團(tuán)第五師塑料廠等公司研發(fā)并批量生產(chǎn)的可降解地膜，已在新疆滴灌棉花種植中小范圍應(yīng)用，但學(xué)者們對(duì)可降解地膜蓄水保墑能力的關(guān)注度不高，將多種可降解地膜進(jìn)行對(duì)比的研究很少，因此，本文通過試驗(yàn)研究不同可降解地膜、普通塑料地膜和裸地(對(duì)照)處理滴灌棉田土壤水分、溫度的變化，從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)可降解地膜的蓄水保墑性能，為干旱綠洲區(qū)“白色污染”的治理和覆膜滴灌技術(shù)在干旱綠洲區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年3月在石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基地(85°59′E、44°19′N)進(jìn)行。試驗(yàn)地點(diǎn)年均日照時(shí)數(shù)2 865 h，無霜期170 d，年均氣溫7.7 ℃±0.9 ℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月，平均氣溫25.4 ℃，最低氣溫出現(xiàn)在1月，平均氣溫-5.5 ℃，年均降水量213 mm，年均蒸發(fā)量1 342 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試棉花品種為新陸早33號(hào)，種植方式為一膜兩管四行，灌溉定額統(tǒng)一為5 250 m3/ hm2，生育期內(nèi)灌水9次。試驗(yàn)設(shè)計(jì)4個(gè)可降解地膜、1個(gè)普通塑料地膜和裸地(對(duì)照)處理；每個(gè)試驗(yàn)處理3個(gè)重復(fù)，共18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。可降解地膜分別購自4家公司，其中，處理1為第五師塑料制品廠生產(chǎn)的生物降解地膜，處理2為天業(yè)節(jié)水灌溉股份有限公司生產(chǎn)的光降解地膜，處理3為新疆寶利豐達(dá)農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的液態(tài)生物降解地膜，處理4為廣州金發(fā)公司生產(chǎn)的生物降解地膜，處理5為普通塑料地膜試驗(yàn)處理，裸地試驗(yàn)為對(duì)照處理。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定

(1)土壤溫度測(cè)定。在垂直方向分別取5、10、15、20、25 cm深度的土并測(cè)定其溫度，測(cè)定時(shí)間為2015年5月22日—7月17日，每2天讀數(shù)1次，讀數(shù)時(shí)間為10:00、12:00、14:00、16:00和18:00。

(2)土壤含水率測(cè)定。取5、10、15、20、25 cm土并測(cè)定其含水率，每次取土3個(gè)重復(fù)，取土?xí)r間為2015年6月20日—2015年9月1日，共8次；取土?xí)r利用GPS定位，以后每次取樣均在同一定點(diǎn)處；每次取樣后利用烘干法測(cè)出土壤的質(zhì)量含水率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel工作表進(jìn)行處理及繪圖，應(yīng)用SPSS Statistics 19.0軟件進(jìn)行樣品的描述性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋土層溫度隨時(shí)間的變化

土壤溫度是反映地膜保溫效果的重要指標(biāo)，覆膜主要通過提高土層溫度影響作物生長(zhǎng)[7]。本文不同處理棉田土壤的溫度變化如圖1所示，其中，各處理的土壤溫度值為1天內(nèi)觀測(cè)溫度的平均值。

由圖1可知：

(1)不同處理土壤溫度的變化趨勢(shì)基本相同，都隨時(shí)間的延續(xù)呈現(xiàn)先減后增再減的變化，在6月7日增幅達(dá)到最大，隨后減小，在6月23日后再次增大，之后趨于穩(wěn)定。

(2)5種覆膜處理的土壤溫度均比裸地的高，溫差增幅為10.07%左右，表現(xiàn)出覆膜的保溫性能。20、25 cm土層，裸地的土壤地溫上升較慢，有膜覆蓋的土壤地溫上升較快；深層土壤溫度提升速度較淺層的慢。其原因是由于5、10 cm土層接近地表，吸收的太陽輻射能量較多，致使溫度上升快。另外，7月17日以后4種可降解地膜處理土壤溫度與裸地處理溫度逐漸接近，處理5的不同土層土壤溫度與可降解膜覆蓋處理差距也在逐漸縮小。其原因一是可降解膜的逐步降解，二是棉花植株的生長(zhǎng)影響了光照直射[8]。

(3)不同地膜處理的增溫效果有差別。同日期、相同土層不同處理的土壤溫度從高到低依次為普遍塑料地膜、可降解地膜覆蓋、裸地處理；不同可降解地膜處理的增溫效果從大到小依次為處理1、處理2、處理4、處理3，具體表現(xiàn)為研究周期內(nèi)普通塑料地膜處理日平均氣溫比裸地處理提高1.43 ℃，4種可降解地膜處理日平均氣溫比裸地處理的提高1.25 ℃；在棉花生育期，覆膜處理的增溫效果更明顯，之后隨著棉花生長(zhǎng)，由于可降解地膜的逐步降解以及棉花植株生長(zhǎng)降低了棵間蒸發(fā)，覆膜處理的增溫效果逐漸降低。

圖1 各土壤深度的溫度隨時(shí)間變化

2.2 不同處理土壤含水率統(tǒng)計(jì)特征

變異系數(shù)Cv值反映樣點(diǎn)的離散程度，Cv<0.1為弱變異性，0.1≤Cv≤1為中等變異性，Cv>1為強(qiáng)變異性[9]。為研究棉花生育期有無覆膜處理對(duì)土壤各層含水率的影響，對(duì)不同處理各取9個(gè)樣本，并以同一土層、不同時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)取平均值為分析對(duì)象，計(jì)算不同覆膜與裸地處理不同土層含水率均值及變異系數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 不同處理土壤各層含水率統(tǒng)計(jì)表

由表1可知：

(1)觀測(cè)期間各土層含水率的整體變化趨勢(shì)是隨著土層深度的增加呈現(xiàn)為逐級(jí)遞減的變化。裸地處理，5 cm土層含水率比25 cm的高10.42%；各覆膜處理，5 cm土層含水率比25 cm的均提高超過20%以上；在0～10 cm土層，裸地的含水率較覆膜的含水率平均相差約2.44%。表明覆膜除了能夠保溫外，還具有降低土壤蒸發(fā)和保墑的作用。

(2)裸地和覆膜處理的變異系數(shù)均呈現(xiàn)逐級(jí)遞減的趨勢(shì)，各層土壤含水率的變異系數(shù)多在區(qū)間[0.1，1]內(nèi)，為中等偏弱變異性；5 cm土層含水率的變異系數(shù)較高，這是由于該層土壤離地表最近，受外界的影響較大，易造成土層的含水量變化大；25 cm土層內(nèi)土壤溫度的變異系數(shù)最小，說明此土層內(nèi)水分的變化幅度較小，水分含量趨向于穩(wěn)定。

2.3 不同覆蓋土層含水率隨時(shí)間的變化

土壤水分是保證作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一，土壤含水率是土壤重要的物理性狀之一，亦是作物良好生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)[10]。不同覆蓋土層含水率隨時(shí)間的變化如圖2所示，其中，各處理的土壤含水率為一天內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)含水率的平均值。

由圖2可知：

(1)各個(gè)土層的土壤含水率隨時(shí)間呈現(xiàn)先增后減、再增再減、再微增的變化。6月棉花植株處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，為滿足棉花的生長(zhǎng)需要對(duì)棉花進(jìn)行及時(shí)灌溉，使得土層的含水率逐漸增大；7月高溫時(shí)期，大量的水分蒸發(fā)造成土層內(nèi)的水分急劇降低，處理1～4的25 cm土層平均含水率的平均值為9.65%，而處理5為11.88%，對(duì)照為8.03%；8月棉花處于花蕾期，棉花植株需灌溉，增肥和催熟處理，對(duì)棉花植株進(jìn)行灌溉處理，各土層含水率隨之逐漸上升，4種可降解地膜處理土層平均含水率為18.78%，普通塑料地膜為22.42%，裸地為16.77%；9月棉花進(jìn)入吐絮期，需水量小，此后土壤含水率趨于穩(wěn)定。

(2)總體上各個(gè)土層不同處理土壤含水率從大至小依次都是處理5、處理1～4、裸地。同一時(shí)間處理1～4的0～15 cm土層土壤含水率出現(xiàn)交錯(cuò)現(xiàn)象，說明可降解地膜與普通塑料地膜在某種程度上具有相同的保墑效果；同一時(shí)間處理5的15～25 cm土層土壤含水率比處理1～4的平均值約高1.05%，說明普通塑料地膜的保墑效果在某些土層優(yōu)于可降解地膜。

(3)不同可降解地膜處理的保墑能力略有差別，總體上蓄水保墑能力從大至小依次為處理4、處理2、處理1、處理3。其原因可能主要是不同生產(chǎn)廠家的可降解地膜制造原料和工藝存在差別。

圖2 各土壤深度含水率隨時(shí)間變化

3 討論

干旱綠洲區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的核心問題是如何達(dá)到農(nóng)業(yè)水資源高效利用，而節(jié)水灌溉是提升農(nóng)業(yè)水資源利用效率的有力措施[11-12]。長(zhǎng)期覆膜連作已然造成了“白色污染”問題，尋找可替代塑料地膜的可降解覆蓋材料是治理“白色污染”的有效途徑[13]。

(1)在可降解地膜和普遍塑料地膜對(duì)土壤溫度影響的研究中，張永明[14]等研究表明，地膜覆蓋可以明顯提高地下5～15 cm處的地溫，在沒有降解時(shí)與普通地膜相比具有相近的保溫作用；胡宏亮[15]等研究表明，可降解地膜與普通塑料地膜在土壤保溫方面具有相近的作用；本文研究結(jié)果表明，棉花生育期普通地膜的保溫性能比可降解地膜略高。許樹寧[16]等研究表明，隨著土層深度的增加，溫度變化越小，可降解地膜覆蓋能明顯提高土壤溫度；本文研究結(jié)果與其一致。

(2)在可降解地膜和普遍塑料地膜對(duì)土壤含水率影響的研究中，陳夢(mèng)楠[17]等研究發(fā)現(xiàn)，休閑期地膜覆蓋能明顯提高播種期0～30 cm土層含水率，豐水年提高35%，平水年提高48%，欠水年提高101%；鄔強(qiáng)[18]等研究表明，在棉花生育前期，覆蓋生物降解地膜與普通塑料地膜可明顯提高0～15 cm內(nèi)水分；本文研究表明，覆蓋可降解地膜土壤含水率比裸地平均高2.25%，普通地膜土壤含水率比裸地平均高3.88%，與其研究結(jié)論一致。申麗霞[19]等研究表明普通塑料地膜和生物降解地膜有相似的保墑效果；唐文雪[20]等研究表明在玉米生長(zhǎng)前期可降解地膜的保水保墑作用顯著；本文研究結(jié)果與其相近。楊青華[21]等研究表明，采用液體地膜覆蓋棉田，對(duì)減少土壤水分蒸發(fā)，增加土壤含水率，提高水分利用效率和棉花產(chǎn)量具有明顯的效果；本文研究結(jié)果與其相近。

4 結(jié)論

本文對(duì)不同可降解地膜覆蓋處理對(duì)滴灌棉田土壤水分和溫度影響的研究，得出以下結(jié)論：

(1)可降解地膜和普通塑料地膜都具有增溫、保墑效果，但可降解地膜的性能略低于普通塑料地膜；可降解地膜和普通塑料地膜的增溫、保墑作用在淺層0～15 cm更明顯，處理5的0～15 cm土層日平均氣溫比裸地處理高1.43 ℃，4種可降解地膜處理的日平均氣溫比裸地處理高1.25 ℃。

(2)受可降解地膜逐步降解、地膜破壞以及棉花植株生長(zhǎng)的影響，7月中下旬以后可降解地膜和塑料地膜覆蓋的增溫、保墑效果逐漸減小。

(3)不同公司生產(chǎn)的可降解地膜的制作材質(zhì)及工藝不同，其增溫、保墑效果略有不同。