耐候地膜對隴中旱農(nóng)區(qū)玉米農(nóng)田的水熱效應(yīng)及耐候性評價

張 健，謝軍紅，李玲玲，康云強，杜常亮，王進(jìn)斌，謝麗華，Setorkwami FUDJOE

（省部共建干旱生境作物學(xué)國家重點實驗室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

玉米(Zea maysL.)是中國重要的糧飼兼用作物，在糧食生產(chǎn)中的地位越來越重要[1]。隴中半干旱區(qū)是中國旱作農(nóng)業(yè)的典型代表區(qū)域，水熱資源不足，導(dǎo)致該區(qū)露地玉米不能完全成熟[2]。全膜雙壟溝播種植模式既可以達(dá)到成溝壟作與集雨栽培的要求又有利于農(nóng)田的增溫保墑，該技術(shù)的應(yīng)用突破了隴中半干旱區(qū)玉米種植的水熱限制[3-4]，使玉米成為了當(dāng)?shù)匦碌闹髟宰魑颷5]，年示范推廣面積達(dá)1.07×106hm2以上[6]，產(chǎn)量達(dá)到了10 t/hm2左右[7]，使該區(qū)糧食產(chǎn)量得到極大的提升。但同時，由于該項技術(shù)應(yīng)用的時間長范圍廣，農(nóng)田殘膜污染已成為一個越來越嚴(yán)重的環(huán)境問題[8]。隨著地膜覆蓋面積的增加，農(nóng)田中會累積越來越多的殘膜，這些殘膜會使土壤中水分與養(yǎng)分的向下運移受到阻擋，這將降低土壤的孔隙度與通透性，影響土壤中氣體的交換與循環(huán)，最終使農(nóng)田的耕地質(zhì)量下降[9-11]。

為了充分利用地膜增溫保墑的優(yōu)點、同時避免傳統(tǒng)地膜帶來的殘膜污染問題，有研究者提出使用可降解地膜。但是影響可降解地膜降解的因素比較多，降解時間與降解的可控性差，鋪膜時易斷裂，增溫保墑性能差，難以滿足玉米生產(chǎn)的需要[12]，故其也存在著缺點。相關(guān)研究表明，高強度耐候地膜在新疆棉田具有較高的增溫保墑作用，與傳統(tǒng)地膜相比能更好的促進(jìn)棉花的生長和發(fā)育，且回收效率和回收后的殘膜再利用效率均較高，具有很好的綜合效益[13]。也有相關(guān)學(xué)者提出地膜拉伸性能對地膜回收率具有較大的影響[14]，高強度地膜使用后具有較高的拉伸強度，更有利于地膜回收[15]。然而，隴中旱農(nóng)區(qū)卻鮮有耐候性地膜對玉米農(nóng)田水熱狀況、產(chǎn)量及殘膜污染影響的研究。為此，本研究擬在隴中旱農(nóng)區(qū)選擇3種不同成分的耐候性PE地膜、一種傳統(tǒng)PE地膜和一種PBAT可降解膜，研究不同地膜對農(nóng)田水熱狀況、玉米光合特性、生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響，并評價不同地膜的可回收性，基于此篩選既能增溫保墑有利于玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量提高又降低殘膜污染的耐候性地膜，為該區(qū)玉米種植用地膜的更新?lián)Q代提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究于2021年在甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合實驗站進(jìn)行。試驗區(qū)屬于中溫帶典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，平均海拔為2000m，年均太陽輻射529.9 kJ/cm2，日照時數(shù)2476.6 h，年均氣溫為6.4℃，≥0℃的積溫為2933.5℃，≥10℃的積溫為2239.1℃。試驗地土壤是黃綿土，土質(zhì)較疏松，pH約為8.36、土壤有機質(zhì)含量為12.01 g/kg、全氮0.76 g/kg、全磷1.77 g/kg。2021年玉米生育期降雨量為213.3 mm，而多年平均降雨量為390.9 mm，2021是干旱年，全年降雨量為317.3 mm，7月和8月降雨量嚴(yán)重低于多年平均水平（圖1）。

圖1 試驗區(qū)2021年生育期降雨量和多年平均月降水量

1.2 試驗設(shè)計

本試驗在全膜雙壟溝播的基礎(chǔ)上以地膜種類為試驗因素，選擇了由7042線型低密度聚乙烯（中石油石化）、7042線型低密度聚乙烯（中煤）、耐候母粒（金土地）、8656MA茂金屬（埃克森美孚）等材料以不同比例生產(chǎn)的4種不同耐候性PE地膜(T1、T2、T3、T4)和以PBAT為主要原材料的可降解地膜(T5)為試驗地膜材料，因商業(yè)機密各種材料具體成分暫不提供。T1、T2、T3為設(shè)計的耐候地膜，T4為傳統(tǒng)的PE膜。T1、T2、T4、T5由金土地塑料有限公司提供，T3由廣東星聯(lián)科技有限公司提供，5種地膜的厚度均為0.01 mm。試驗共設(shè)置5個處理，3次重復(fù)，15個小區(qū)，小區(qū)面積為33 m2(10 m×3.3 m)，試驗采用單因素隨機區(qū)組排列，4種PE地膜初始抗拉伸強度如表1，各種地膜均符合GB13735—2017標(biāo)準(zhǔn)。

表1 耐候性地膜和普通地膜初始抗拉伸強度

2021年4月15日起壟覆膜，4月27日用點播器進(jìn)行播種，供試玉米品種為‘先玉335’，密度為5.25萬株/hm2，生育期基施純氮200 kg/hm2，純磷150 kg/hm2。玉米生長期內(nèi)，采用人工方式進(jìn)行除草，及時防治田間的病害與蟲害。由于2021年干旱嚴(yán)重，所有處理至9月中旬全部青干，沒能正常成熟，故9月20日全部收獲，其他管理同大田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分的測定 在玉米6個關(guān)鍵生育時期用烘干法測定土壤水分，測定層次為0～5、5～10、10～30、30～50、50～80、80～110 cm。

1.3.2 土壤溫度的測定 在每一小區(qū)各安置一套地溫計，分別在玉米拔節(jié)期（6月22日起）、抽雄吐絲期（7月28日起）、灌漿期（8月23日起）連續(xù)3天記錄5、10、15、20、25 cm處的土壤溫度，記錄時間為每日的8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00。

1.3.3 葉綠素相對含量的測定 分別在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期使用SPAD-502（北京制造）測定每株玉米最大展開葉中部的葉綠素相對含量，各小區(qū)測定3株，單株測定葉子數(shù)為5片，最后求其平均值[16]。

1.3.4 葉片光合參數(shù) 分別在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期，在晴朗天氣的上午9—11點，采用GFS-3000便攜式光合作用-熒光測量系統(tǒng)（德國WALZ公司生產(chǎn)）測定玉米單葉葉片光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)。各測定項目重復(fù)3次[17]。

1.3.5 葉面積指數(shù)的計算 分別在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期各小區(qū)隨機取樣3株，用直尺測量每株玉米各葉片的葉長(Lij)和最大葉寬(Bij)。

葉面積指數(shù)(LAI)按公式(1)計算[16]。

式中：n為j株總?cè)~片數(shù)；m為測定株數(shù)；ρ為種植密度。

1.3.6 干物質(zhì)積累量測定 分別在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期和灌漿期每小區(qū)取植株3株，105℃下烘箱殺青30 min，然后75℃烘干至恒重。

1.3.7 地膜抗拉伸強度測定 分別于覆膜前（4月15日）、5月15日、7月15日及收獲期（9月15日）于各小區(qū)（除可降解膜）隨機取縱向30 cm×橫向20 cm的地膜樣品1份，帶回實驗室。按GB/T1040.1—2006和GB/T1040.3—2006規(guī)定的方法，用電子萬能試驗機-CMT2501（美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司）測定縱向拉伸負(fù)荷、橫向拉伸負(fù)荷、縱向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變和橫向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變，測樣寬度為10 mm，長度100 mm，夾具間初始距離50 mm，試驗速度(500±50)mm/min，拉伸至試樣斷裂，測出最大拉伸負(fù)荷，精確到0.01 N，重復(fù)5次，求其平均值。

斷裂標(biāo)稱應(yīng)變按公式(2)計算。

式中：ε為斷裂標(biāo)稱應(yīng)變(%)；ΔL為夾具間距離的增量(mm)；L為夾具間的初始距離。

1.3.8 產(chǎn)量測定 在玉米收獲后按小區(qū)分別測定其籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，最終換算為公頃產(chǎn)量(kg/hm2)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016和Sigmaplot 14.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與作圖，用SPSS 25.0進(jìn)行方差分析，采用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗，采用最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地膜對土壤水分的影響

不同地膜對玉米各生育時期土壤含水率的影響如圖2所示。苗期，在30～50 cm處T2與T4的含水率顯著大于T5的，較T5分別增加了7.70%和8.78%；拔節(jié)期，在0～5 cm處T4的含水率顯著大于T1的；大喇叭口期，在50～80 cm T5的含水率顯著大于其他處理的含水率；抽雄吐絲期，各深度各處理間土壤含水率均無顯著差異；灌漿期，在30～50 cm和50～80 cm處T4的處理含水率顯著大于T3的；收獲期，在80～110 cm處T2的含水率顯著大于T4的，較T4的增加了10.67%。

圖2 不同地膜對玉米不同生育時期土壤含水率的影響

2.2 不同地膜對土壤溫度的影響

如圖3所示，隨著土層深度的增加，各處理全生育期平均土壤溫度整體上呈下降趨勢。T3在10 cm土層與T2在25 cm土層顯著大于T4，T1、T2、T3與T4不存在顯著差異。T5在15 cm及以下土層均為最低值，且在25 cm土層顯著低于其他處理，在15、20、25 cm土層分別較其他處理降低了0.5～1.4、0.3～1.1、1.0～2.3℃。

圖3 不同地膜對玉米全生育期不同土層土壤平均溫度的影響

2.3 不同地膜對玉米葉綠素相對含量和葉面積指數(shù)的影響

由圖4可知，玉米葉片葉綠素相對含量隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。T1、T2、T3的葉綠素相對含量在拔節(jié)期、抽雄吐絲期和灌漿期均高于T4，且在灌漿期均顯著高于T4，較T4分別增加了11.06%、14.20%和19.39%。T5在拔節(jié)期之后與T1、T2、T3不存在顯著差異。葉面積指數(shù)整體上呈增加趨勢（圖4）。拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期T1、T2、T3、T4的葉面積指數(shù)均顯著大于T5，抽雄吐絲期各處理間無顯著差異。T1、T2、T3、T4的葉面積指數(shù)在拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期較T5分別增加了50.98%～96.08%、13.58%～19.34%、31.03%～39.66%。

圖4 不同地膜對玉米葉綠素相對含量和葉面積指數(shù)的影響

2.4 不同地膜對玉米光合特性和干物質(zhì)積累的影響

不同地膜對玉米光合特性的影響如表2所示。拔節(jié)期，各處理間光合特性均無顯著差異。大喇叭口期，Pn表現(xiàn)為T1、T2顯著大于T4，T1、T2較T4分別增加了48.08%和25.66%；Tr表現(xiàn)為T1顯著大于T4，較T4增加了44.64%；Gs與Pn表現(xiàn)相同。抽雄吐絲期，T5的Tr顯著大于T4，較T4增加了32.08%。灌漿期，T4的Pn、Tr和Gs均為最大值，且其Tr與Gs顯著大于T1、T2、T3，其Pn顯著大于T3。不同地膜對玉米干物質(zhì)積累量隨著生育期的推進(jìn)呈增長趨勢，在灌漿期達(dá)到最大值，除拔節(jié)期外，T1、T2、T3與T4干物質(zhì)積累量無顯著差異，而其他處理在大喇叭口期和灌漿期的干物質(zhì)積累量均顯著大于T5。T5在各生育時期的干物質(zhì)積累量較T1～T4處理分別減少了27.27%～48.95%、29.39%～37.93%、20.72%～34.83%、43.36%～48.05%。

表2 不同地膜對玉米光合特性和干物質(zhì)積累的影響

2.5 不同地膜對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表3可知，在產(chǎn)量方面，T1、T2、T3的籽粒產(chǎn)量顯著大于T5，與T4無顯著差異，從大到小的順序為T2＞T1＞T4＞T3＞T5。T1、T2、T3、T4 籽粒產(chǎn)量分別較T5增加了40.41%、45.04%、27.41%和32.80%，生物產(chǎn)量各處理間無顯著差異。在產(chǎn)量構(gòu)成因素方面，玉米穗粒數(shù)各處理間無顯著差異，大小為T3＞T4＞T2＞T1＞T5。穗數(shù)從大到小的順序為T2＞T1＞T4＞T3＞T5，T1、T2處理顯著大于T5，分別較T5處理增加了52.83%、54.72%；百粒重從大到小的順序為 T2＞T3＞T4＞T1＞T5，T1、T2、T3、T4顯著大于 T5，分別較 T5增加了13.69%、14.83%、14.45%、13.69%。

表3 不同地膜對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.6 不同PE膜的耐候性動態(tài)變化

如圖5所示，各種PE膜的耐候性物理參數(shù)在覆膜后第1次取樣(2021.5.15)即1個月內(nèi)與初始值(2021.4.15)相比無明顯下降，在第2次取樣(2021.7.15)即覆膜3個月后開始出現(xiàn)明顯下降。初始縱向拉伸負(fù)荷與橫向拉伸負(fù)荷T2處理顯著大于其他處理；初始縱向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變T4處理顯著大于T2、T3；初始橫向斷裂標(biāo)稱應(yīng)各處理間無顯著差異。初始縱向拉伸負(fù)荷最小的為T3處理，3.1 N；橫向拉伸負(fù)荷最小的為T4處理，2.1 N；縱向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變最小的為T2處理，320.8%；橫向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變最小的為T3處理，722.1%。第3次取樣(2021.9.15)即玉米收獲后，T1、T2、T3的縱向拉伸負(fù)荷顯著大于T4。除了縱向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變外，T4的縱向拉伸負(fù)荷、橫向拉伸負(fù)荷與橫向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變均為最低，分別為1.4 N、1.9 N和364.0%。拉伸負(fù)荷降低最多的是T2，斷裂標(biāo)稱應(yīng)變降低最多的是T4。各項指標(biāo)除了橫向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變外，T1的縱向拉伸負(fù)荷、橫向拉伸負(fù)荷以及縱向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變均最大。

圖5 不同PE膜的耐候性動態(tài)變化

3 討論

3.1 耐候性地膜對玉米農(nóng)田的水熱效應(yīng)及產(chǎn)量的影響

農(nóng)田中土壤的水熱狀況是影響作物生長發(fā)育最主要的因素，作物產(chǎn)量通常是二者綜合作用表現(xiàn)出的結(jié)果[18]。地膜覆蓋可以降低玉米生育期內(nèi)的耗水，從而提高水分的利用效率[19-23]、也可以提高耕作層土壤的溫度，增加葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累，提高了產(chǎn)量[24-25]。大量研究表明，地膜覆蓋技術(shù)可以提高玉米農(nóng)田表層的土壤含水率與溫度[26-27]。作物從幼苗到生長發(fā)育成熟，需水量隨時都在發(fā)生變化，不僅和作物自身處于各生育期的生理特性、氣象因素等有關(guān)，還應(yīng)該考慮農(nóng)田中土壤溫度和水分的變化對作物生長的影響[28]。牟鴻燕等[29]研究發(fā)現(xiàn)地膜全覆蓋技術(shù)在玉米整個生育期5～25 cm土層土壤溫度均顯著高于其他處理。本研究發(fā)現(xiàn)，隴中旱農(nóng)區(qū)耐候性地膜與普通地膜處理下玉米農(nóng)田土壤水熱狀況及產(chǎn)量無顯著差異，但是降解膜全生育期的土壤平均溫度在15 cm及以下土層溫度均最低?？赡苷怯捎陔S著時間的推移，降解膜破裂導(dǎo)致其增溫效果下降。這與前人研究發(fā)現(xiàn)的降解膜隨著玉米生育期的推移增溫效果下降具有一致的結(jié)論[30-31]。同時，林萌萌[32]等研究不同生物降解膜對花生光合特性和產(chǎn)量的影響中也發(fā)現(xiàn)在花生生長的中后期，生物降解膜開始破裂，地膜的保溫性下降。本研究還發(fā)現(xiàn)，在抽雄吐絲期之前和灌漿期PE膜葉面積指數(shù)顯著大于降解膜。其原因可能與也與降解膜的破裂有直接關(guān)系，因為抽雄吐絲期大氣溫度為全年之中溫度最高的時期，所以各種地膜間在土壤溫度這方面可能對玉米的生長不會有顯著差異，但是在抽雄吐絲期前和灌漿期大氣溫度相對較低，耐候性地膜能起到增溫的效果。最終表現(xiàn)為降解膜的破裂降低了土壤溫度推遲了玉米生育期進(jìn)程，降低了玉米的葉面積指數(shù)以及干物質(zhì)積累量，最終導(dǎo)致降解膜的產(chǎn)量顯著低于PE膜。這與孟玉等[33]研究降解膜覆蓋對滴灌玉米土壤水溫變化及其生長的結(jié)果一致。故耐候性地膜在隴中旱農(nóng)區(qū)可以取代降解地膜，但關(guān)于取代普通地膜還需進(jìn)一步討論。

3.2 不同耐候地膜的耐候性評價

地膜原料是由人工合成的高分子化合物，在自然條件下很難分解或降解[34]。地膜使用后的力學(xué)性能指標(biāo)是衡量地膜耐候性與可回收性的重要因素，若地膜使用后的拉伸力較強，不易破裂與撕裂，回收率就比較高[35]。本研究發(fā)現(xiàn)在地膜使用后除了縱向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變外，T4處理的縱向拉伸負(fù)荷、橫向拉伸負(fù)荷與橫向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變均最低，而各項指標(biāo)除了橫向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變外，T1的縱向拉伸負(fù)荷、橫向拉伸負(fù)荷以及縱向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變均最大。這與戚瑞敏等研究發(fā)現(xiàn)高強度地膜在使用前后拉伸負(fù)荷和斷裂標(biāo)稱應(yīng)變指數(shù)整體上均高于傳統(tǒng)PE膜[13]具有一致的結(jié)論。因此，耐候性地膜T1與普通地膜相比雖然不能顯著提升玉米的產(chǎn)量，但是卻可以提升地膜使用后的力學(xué)性能指標(biāo)，從而提高地膜的回收率，降低環(huán)境污染。

4 結(jié)論

在隴中旱農(nóng)區(qū)耐候地膜與傳統(tǒng)地膜具有相似的水熱效應(yīng)，玉米產(chǎn)量與傳統(tǒng)地膜無顯著差異，但是耐候性地膜到作物收獲后的抗拉伸強度卻高于普通地膜，易于回收，有助于減輕殘膜污染問題，以金土地塑料有限公司生產(chǎn)的耐候地膜T1效果最好，推薦應(yīng)用，可降解膜增溫效果有限，會降低玉米產(chǎn)量。