不同地膜對土壤水熱狀況和冬小麥植株氮素的影響

王星垚， 李援農， 銀敏華， 徐袁博， 任全茂， 徐路全

(1. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

地膜覆蓋是一種農業栽培措施，能夠保水保墑，改善土壤理化性質，抑制雜草生長，從而提高作物產量。地膜覆蓋技術在我國推廣以來被廣泛應用。據統計，我國地膜年產量已達230 萬t，覆蓋面積達0.253 億hm2，成為世界上農膜生產和使用最多的國家[1,2]。隨著地膜的推廣應用，其負面效應也越來越顯著，大量殘膜會破壞土壤結構，危害作物正常生長發育，影響農田生態環境，從而造成作物減產[3,4]。為了避免殘膜帶來的白色污染，保護農田生態環境，降解膜應運而生。周昌明等[5]等研究表明降解膜覆蓋可有效促進玉米根系生長、提高產量，谷曉博等[6]研究發現降解膜覆蓋還可以有效降低油菜籽粒中對人體健康不利的芥酸和硫苷含量，提高油菜品質。同時，研究者發現不同顏色地膜對土壤的水熱條件和作物的生長影響也不同。為了最大限度的提高產量，許多學者針對地膜顏色進行了大量研究，主要以馬鈴薯、甘蔗、辣椒等經濟作物為主，其中毛玉乾等[7]研究發現對于馬鈴薯種植黑色地膜比白色地膜覆蓋產值增加，高運青等[8]研究發現覆黑膜可使綠豆產量較覆白膜增加，銀敏華等[9]研究發現壟覆黑膜較壟覆白膜可顯著提高玉米的籽粒產量。但是不同顏色地膜對冬小麥的研究較少。因此在地膜選擇上，本試驗采用降解膜、黑膜和普通膜作為試驗地膜。此外，氮素在植株體內的轉移特性對于確保碳水化合物、含氮磷等營養物質從營養器官向籽粒的調運[10]，保證小麥的高產優質有重要意義，但是不同地膜對小麥生長后期氮素的積累轉運的影響也研究較少。為了研究不同顏色、不同材質的地膜對小麥生長的影響，本試驗采用普通透明膜、降解膜、黑膜3種地膜進行覆蓋，探討不同地膜對各生育階段土壤水熱狀況、水分利用效率及冬小麥生長后期氮素積累和轉運的影響，以期為覆膜技術在冬小麥生產的進一步發展應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

2014-2015和2015-2016年的2 a試驗在西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室試驗站進行。試驗站地處北緯34°17′38″，東經108°04′08″，屬暖溫帶季風半濕潤氣候區，海拔521 m，干燥度1.50，年晝夜溫差平均為11.5 ℃，年平均氣溫為13 ℃，多年平均蒸發量為1 500 mm，年平均降雨量為635.1 mm，且主要集中于7-9月，無霜期208 d。地下水深度大于60 m，屬半濕潤易旱地區。土壤為重壤土，耕層平均土壤容重為1.42 g/cm3，田間持水量θf(質量含水率)為23%～25%，試驗地土壤有機質含量為10.63 g/kg，全氮含量為0.96 g/kg，硝態氮含量為72.69 mg/kg，速效磷含量為12.41 mg/kg，速效鉀含量為146.52 mg/kg，pH=8.11，土壤肥力比較均一。

2014-2015和2015-2016年冬小麥生育期各月降雨量和平均氣溫如圖1所示。2015年1月氣溫(0.9 ℃)顯著大于2016年1月氣溫(-1.1 ℃)，其他月份相差不大。2014-2015年生長季3、4月降雨較多，分別為55.1、98.2 mm，2015-2016年生長季10、11月降雨較多，分別為55.9、47 mm。

圖1 2014-2015和2015-2016年冬小麥生育期內各月降雨量和平均氣溫Fig.1 Monthly total rainfall and mean temperature of winter wheat in 2014-2015 and 2015-2016

1.2 試驗設計

本試驗采用起壟覆膜溝播的種植方式，該種植方式主要包括“壟”和“溝”兩個構件，壟即集水區，溝即種植區，可大幅度改善植物種植區的水分狀況，集雨程度高，減少地面無效徑流，提高水分利用效率[11-13]。試驗所用3種薄膜膜寬80 cm，膜厚0.008 mm，選擇小偃22號為供試品種。共設置4個不同處理，處理組合如下：CK，平作不覆膜(對照)；P，壟覆普通透明膜；J，壟覆降解膜；H，壟覆黑膜。每個處理重復3次，共12個小區。小區面積為14 m2(3.5 m×4 m)，隨機區組排列，每個小區起壟4行，3個種植溝，壟上覆膜，每個種植溝內種4行小麥，小麥在拔節期灌水60 mm。試驗區四周布置2 m寬相同作物保護帶。

試驗田于播種前10 d深翻并平整田地，挖溝起壟，壟寬40 cm溝寬60 cm，小麥植于溝內壟兩側，播種量為150 kg/hm2。各處理于翻地前均勻撒施氮肥(尿素，N 46%)120 kg/hm2(純N)、磷肥(磷酸二銨，P2O548%)150 kg/hm2(純P2O5)和鉀肥(硫酸鉀，K2O 50%)60 kg/hm2(純K2O)，后期不再追肥。其他管理措施同一般高產田。2014年10月17日播種，2015年6月5日收獲；2015年10月15日播種，2016年6月8日收獲。

1.3 測定方法和項目

1.3.1 土壤水分含量

用土鉆取樣，并用烘干法測定土壤含水量。在小麥的越冬期、返青期、拔節期、抽穗期、開花期、灌漿期和成熟期選擇晴朗的天氣對不同處理種植溝內0～100 cm土層進行土壤水分變化監測，播種前和收獲后測定深度為0～200 cm，每10 cm為一土層單位。

(1)

式中：P0為鋁盒重，g；P1為濕土重+鋁盒重，g；P2為烘干土重+鋁盒重，g。

1.3.2 土壤溫度

在作物的越冬期、返青期、拔節期、抽穗期、開花期、灌漿期和成熟期選擇晴朗天氣采用曲管地溫計(置于各處理冠層覆蓋度相近的位置)測定不同處理地面下5、10、15、20和25 cm深度處的土壤溫度，觀測時間分別為8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00，取其平均值作為日平均土壤溫度，同時記錄氣溫。

1.3.3 水分利用效率

WUE=Y/ET

(2)

ET=P+W1-W2+I

(3)

式中：WUE為作物水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為籽粒產量，kg/hm2；ET為作物耗水量，mm；P為作物生育期降水量，mm；W1為播前200 cm土壤含水量，mm；W2為收獲時200 cm土壤含水量，mm；I為生育期內灌水量，mm。

1.3.4 產 量

冬小麥成熟后在各處理的小區隨機取樣1 m2，測量其穗數、千粒重、穗粒數，最后推算出各處理的產量。

1.3.5 植株全氮含量

分別在開花期取不同處理的莖、葉、穎殼，成熟期取不同處理的莖、葉、穎殼、籽粒作為植物樣并研磨成粉，用稱量紙稱量0.1 g的植物樣，把稱量好的植物樣放入消煮管中，并分別加入5 mL濃硫酸。首先將消煮爐打開升溫至250 ℃，然后將放樣后的消煮管架在消煮爐上加熱15 min，加入1～2 mL過氧化氫，升溫至350 ℃；15 min之后再次加入1～2 mL過氧化氫，檢查消煮管是否消煮完全，若含有黑色殘留物則繼續加入1～2 mL過氧化氫直至消煮完全，調溫至250 ℃關掉消煮爐。將消煮好的樣冷卻10 min后，先用洗瓶潤洗一下，然后用蒸餾水定容至消煮管100 mL刻度線處，后按順序倒入白色瓶中。將定容好的溶液吸取5 mL用蒸餾水定容至25 mL即上機用樣，最后用植物全氮流動分析儀上機用樣即可得到植株的全氮含量。

植株氮素轉運量及轉運率的計算公式如下:

營養器官氮素轉運量=營養器官開花期氮素含量(g)-營養器官成熟期氮素含量(g)

(4)

(5)

2 結果與分析

2.1 不同地膜覆蓋的土壤水分效應

農田水分狀況會對農作物的生理活動產生直接影響，尤其在干旱少雨地區，土壤水分含量更是限制當地作物生長發育的主要因素，直接決定了作物產量的高低[14]。不同處理0～100 cm土層的平均土壤含水量在各個時期的變化如圖2所示。

圖2 不同處理各生育階段土壤含水量Fig.2 Soil moisture content under different treatments

由圖2分析知，冬小麥兩個生長季由于降雨情況不同，土壤含水量在各個時期略有不同，但不同處理在2 a內同一時期的變化趨勢相似。越冬期氣溫低、光照少，各處理之間的土壤含水量相差不大。進入返青期后隨著光照增多，覆膜處理的土壤含水量開始大于不覆膜處理，但不同地膜之間的含水量差異并不明顯。拔節期后各覆膜處理之間差異開始明顯，各處理間的土壤含水量表現為處理H>處理P>處理J。在冬小麥生長后期，隨著冠層覆蓋度的增大，棵間蒸發也越來越少，覆膜處理和不覆膜處理之間的差異開始減少。

2014-2015年生長季， P、J、H處理的全生育期平均土壤含水量分別較處理CK提高8.94%、7.56%、9.54%。2015-2016年生長季，P、J、H處理的全生育期平均土壤含水量分別較處理CK提高7.15%、4.28%、9.46%。由此可見，覆膜可有效增加 0～100 cm土層的土壤含水量，不同膜之間，黑膜的保墑效果最好，普通膜次之，降解膜稍差。

2.2 不同地膜覆蓋的土壤溫度效應

土壤溫度是土壤熱狀況的綜合表征指標，受土壤理化環境及大氣溫度等多方面因素影響，有較強烈的日變化與季節變化，對作物的生長有一定的影響[15]。2014-2015年生長季和2015-2016年生長季的0～25 cm土層的土壤溫度變化規律基本一致，現以2015-2016年生長季為例進行分析。2015-2016年不同處理的各生育階段0～25 cm土層土壤溫度如圖3所示，2 a生育期內日均土壤溫度如圖4所示。各處理在相同土層的地溫日變化呈現出相同的規律性：不同處理在5、10及15 cm 土層日變化均表現為先上升后下降的趨勢；不同處理5 cm土層地溫日變化較劇烈，10及15 cm 表現為隨土層的加深日變化趨緩，20和25 cm土層地溫日變化呈緩慢上升趨勢；不同處理間相同土層地溫日變化的差異性隨土層的加深而逐漸減弱。不同土層的增溫峰值隨土層的加深而依次后移，5 cm土層的土壤最高溫出現在14∶00，隨著土層的加深，最高溫出現的時間延后。

圖3 2015-2016年各處理冬小麥生育期土壤溫度日變化Fig.3 Soil temperature under different treatments in 2015-2016

圖4 各處理冬小麥生育期內日均土壤溫度Fig.4 Daily mean soil temperature under different treatments

由圖3和圖4綜合分析知，在開花期之前，相較不覆膜處理，覆膜處理會明顯提高土壤溫度，尤其是土壤表層溫度。2015-2016年生長季中，處理CK、P、J、H在開花期之前0～25 cm土層的平均土壤溫度為10.38、11.79、11.76、11.09 ℃，處理H較處理P土溫低，處理P、J之間差異不顯著。黑色地膜比普通透明地膜土壤溫度低，分析原因可能與塑料薄膜的反射、吸收、透光等熱特性有關[16]。黑色地膜透光率差，光照在地膜上就轉化為熱量，吸收的太陽能通過輻射和強制對流散失到大氣中，這種熱量的擴散可能導致黑色地膜的增溫性不及普通透明地膜[17]。降解膜與普通膜的處理之間土壤溫度差異性并不顯著，說明兩種膜的保溫效果相當。

開花期之后，處理CK、P、J、H在0～25 cm土層的平均土壤溫度為20.27、20.07、19.49、18.84 ℃，相較于不覆膜處理，各種膜的增溫效果并不顯著，甚至低于不覆膜處理，分析原因可能是生長后期覆膜處理的長勢較好，遮陰程度高于不覆膜處理，地表光照減少，地膜的增溫效應降低，使覆膜處理與不覆膜處理的地溫相差較小。

2.3 生長后期不同地膜覆蓋的冬小麥植株氮素積累轉運情況

氮素是一種重要的營養元素，是調控葉片光合能力最有效的因子之一，對提高小麥產量有重要作用[18，19]，植物全氮能直接反映植物的氮素營養狀況。表1為不同處理下冬小麥生育期內各器官中的氮素積累量變化情況。

表1 各處理冬小麥不同器官氮素積累量 mg/g

由表1分析知，2 a內覆膜處理開花期和成熟期各營養器官及籽粒的氮素積累量均顯著高于CK處理，表明覆膜有利于小麥植株氮素的累積。同時，各個覆膜處理之間，開花期莖、葉、穎殼的2 a平均氮素積累量H處理分別高于P處理11.95%、6.74%、10.78%，高于J處理11.83%、5.59%、4.60%，2 a內處理P、J之間的氮素積累量差異均不顯著，但是營養器官的氮素總量各處理間差異顯著，2 a內均表現為處理H>J>P。2 a內成熟期H處理之間莖葉殼、營養器官及籽粒的氮素含量均高于P、J處理，但各處理之間的差異并不顯著。

表2為不同處理對冬小麥各器官開花前儲存氮素向籽粒轉運的影響試驗結果。

表2 各處理冬小麥不同器官中開花前貯存氮素向籽粒的轉運情況Tab. 2 Translocation of pre-anthesis stored nitrogen in various organs under different treatments

由表2分析知，2 a內覆膜處理生長后期莖葉殼向籽粒的氮素轉運量均顯著高于CK處理，但營養器官總體轉移率與處理P、J之間無顯著差異，表明覆膜有利于冬小麥植株氮素的轉運。同時，各個覆膜處理之間，2 a內H處理的營養器官總體氮素轉移量及轉移率均顯著高于P、J處理。其中2014-2015年H處理葉的氮素轉移量高于P、J處理11.20%、19.41%，轉移率高于P、J處理3.42%、10.34%，莖殼的氮素轉移量及轉移率之間無顯著差異；2015-2016年H處理莖的氮素轉移量高于P、J處理23.16%、19.6%，轉移率高于P、J處理7.85%、7.21%，葉殼的氮素轉移量及轉移率之間無顯著差異。2 a內處理P、J莖葉殼及營養器官總體的氮素轉移量及轉移率之間均無顯著差異。

2.4 不同地膜覆蓋對小麥產量及水分利用效率的影響

作物產量是反應小麥生長情況的一個重要指標。表3為不同地膜覆蓋下的小麥產量、產量構成因素及水分利用效率。由表3分析知，2 a內覆膜處理的千粒重、穗粒數及產量均顯著高于不覆膜處理，表明覆膜有利于提高小麥的產量。2014-2015年H處理的千粒重和穗粒數與P、J處理無顯著差異，籽粒產量較P、J處理增加7.24%、7.76%。2015-2016年H處理的千粒重較J處理高7.97%，與P處理無顯著差異；穗粒數較P處理低9.63%，與J處理無顯著差異；籽粒產量較P、J處理增加7.69%、6.45%。2 a內處理P、J的千粒重、穗粒數及產量之間均無顯著差異。

2 a內CK處理的耗水量均大于覆膜處理，2014-2015和2015-2016年P、J、H處理的耗水量低于CK處理6.61%、5.59%、8.43%和4.31%、3.76%、7.20%。冬小麥的水分利用效率和產量變化類似，覆膜處理顯著高于不覆膜處理，H處理顯著高于P、J處理，H處理2 a平均水分利用效率較P、J處理高9.90%、11.05%。2 a內處理P、J的水分利用效率之間無顯著差異。

表3 各處理冬小麥的千粒重、穗粒數、產量、耗水量和水分利用效率Tab.3 Thousand kernel weight,grain number per panicle,yield,evapotranspiration and WUE under different treatments

3 討 論

3.1 不同地膜覆蓋對土壤水熱條件的影響

地膜覆蓋有一定的增溫保墑作用。覆蓋物切斷了地面與大氣之間的直接接觸，在溫度較高的白天可以有效阻斷太陽光對地面的直接輻射，在溫度較低的夜晚可以防止土壤溫度的散失，改善土溫狀況。此外，地表的覆蓋物能將大部分熱量反射到大氣，可以有效減少表層土壤的無效蒸發，少量蒸發的水分還可以凝結附在地膜上，最終又落到土壤上，可以有效切斷土壤蒸發這一水分散失途徑，從而起到保蓄土壤水分的作用[20,21]。

不同地膜因材質、顏色不同，導致其透熱率、透光率不同，對土壤水熱條件的改善情況也不一樣[22]。普通農膜是人工合成的高分子化合物，分子結構異常穩定，在自然環境下很難降解，其殘膜甚至可以在土壤中存留上百年[23,24]。農膜殘片積留對農田環境有很大危害，會影響農作物根系伸展，影響農田機械操作，影響農田土壤結構，影響正常灌溉，甚至隨作物秸稈進入飼料，造成農畜誤食殘片而死亡。使用可降解膜可有效降低和減少農業環境污染。申麗霞等、銀敏華等[25,26]研究發現降解膜對土溫及玉米生長的影響與普通膜相當，楊海迪等[27]通過2 a大田試驗得出降解膜和普通膜0～200 cm 2 a的平均土壤含水量分別較CK增加15.9%和15.7%，研究表明降解膜在土壤水分的保持方面與普通膜也沒有顯著差異。本試驗中，P、J處理2 a內0～25 cm土層的平均土壤溫度較CK處理高9.87%、8.26%，2 a內0～100 cm土層的平均土壤含水量較CK處理高8.05%、5.92%，普通膜和降解膜均有顯著的增溫保墑效果，但兩種膜的增溫保墑效果相當，從長遠效益和環境保護來看，可以使用降解膜代替普通膜用于冬小麥的種植。

關于黑膜對土壤水熱條件的改善情況，前人的研究結果不盡相同，許樹寧等、周麗娜等[28,29]研究發現地膜顏色越深，增溫效果越小，黑膜相對透明膜增溫較少，曹寒等[30]研究發現黑膜較白膜能顯著提高土壤有效積溫。本試驗中，在越冬期和返青期黑膜和透明膜對土壤的保溫作用相當，返青期之后，黑膜和透明膜的保溫效果開始出現差異，與透明膜相比，黑膜能顯著降低土壤表層溫度(P<0.05)。2 a內0～100 cm土層平均土壤含水量黑膜和普通透明膜分別較處理CK提高9.50%、8.05%，黑膜的保墑效果優于透明膜，這與大多數前人的研究一致。

3.2 不同地膜覆蓋對小麥生長后期氮素轉移的影響

冬小麥籽粒的氮素主要來源于開花前營養器官貯存的氮向籽粒的轉移以及冬小麥對土壤氮的吸收[31]。楊俊峰等[32]研究發現地膜覆蓋可促進冬小麥生長后期氮素的轉運積累，因為地膜覆蓋可以提高早春土壤溫度，改善土壤水熱環境，使冬小麥在返青期就有良好的生長優勢，造成同化物的冗余，從而在生長后期促進莖、葉、穎殼各營養器官氮素向籽粒的轉移。本試驗中2014-2015年度降解膜和普通膜的籽粒氮素含量為20.15、20.09 mg/g，營養器官向籽粒的氮素轉運量為39.43、40.36 mg/g，轉運率為68.04%、71.10%，2015-2016年度降解膜和普通透明膜的籽粒氮素含量為19.54、19.43 mg/g，營養器官向籽粒的氮素轉運量為40.67、39.09 mg/g，轉運率為69.66%、69.45%，2 a內降解膜和普通膜的氮素積累轉運量無顯著差異，并且試驗得出降解膜和普通膜的增溫保墑效果相當，相似的土壤水熱環境使冬小麥生長后期的氮素積累轉運情況也相差不大，這與楊俊峰等[32]的研究結果一致。相比透明膜，黑膜處理各營養器官的氮素積累量及向籽粒的轉運量均有提高，究其原因可能是黑膜的增溫效果不及透明膜，但保墑效果要高于透明膜，因此黑膜覆蓋下的土壤水熱環境可能更有利于冬小麥氮素的積累和轉運，也可能是黑膜除草效果優于透明膜，冬小麥因缺少雜草與其爭奪水分和養分，促進了籽粒氮素的積累，具體原因尚需做更多研究。

4 結 語

(1)地膜覆蓋可以顯著增加土壤的含水量，提高冬小麥的水分利用效率，具有良好的保水保墑效果。試驗發現黑膜的保水性最好，普通膜次之，降解膜由于后期的降解作用保水性稍差。同時，黑膜處理良好的水熱條件使其水分利用效率也顯著高于普通膜和降解膜。

(2)地膜覆蓋可以有效提高開花期之前的土壤溫度，開花期之后由于作物長勢茂密，減少了大田的地表光照，增溫效果并不顯著。普通膜和降解膜對土壤的增溫效果良好且無顯著差異，黑膜由于透光性差，對土壤的增溫效果并不明顯。

(3)地膜覆蓋能促進冬小麥生長后期氮素的積累轉運，黑膜覆蓋下的冬小麥植株氮素積累量及轉運率優于普通膜和降解膜，普通膜和降解膜之間無顯著差異。

(4)從作物效益、土壤水熱狀況、養分積累等方面考慮，黑膜可代替普通膜用于冬小麥的農田種植。從環境方面考慮，可使用降解膜代替普通膜用于冬小麥種植。

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