可降解地膜對玉米生長發(fā)育及水分利用效率的影響

唐文雪，馬忠明

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

河西綠洲灌區(qū)是我國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，但大面積、高強度使用地膜使大量的地膜殘留在土壤，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)田生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重的負面影響[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)實踐，除降解性能及功能期、膜強度及延展性、生產(chǎn)成本等問題外，核心問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，促進作物生長發(fā)育，其作用與普通地膜相當[6-9]。河西綠洲灌區(qū)降解膜在玉米生產(chǎn)方面研究鮮見報道，僅有李強、唐文雪等[10,11]在降解膜降解性能及降解膜對土壤水熱效應、產(chǎn)量等方面進行了一些研究。河西灌區(qū)作為水資源嚴重缺乏地區(qū)，抑蒸保墑是降解膜推廣應用主要的考核指標之一。本研究在河西灌區(qū)開展田間試驗，研究降解膜對玉米生長發(fā)育及階段水分利用效率的影響,充實降解膜覆蓋的水分效應理論，全面評價不同生育期降解膜保水效果，為可降解地膜在河西灌區(qū)應用推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年4月至10月在甘肅省農(nóng)業(yè)科學院張掖節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗站進行。試驗站位于38°56′N、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16.09。年平均日照時數(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。試驗前采集 0～20 cm 耕層土壤測定土壤理化性質(zhì)：有機質(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)為無灌溉就無農(nóng)業(yè)的典型干旱綠洲灌溉區(qū)。

1.2 試驗設計

試驗為單因素試驗，設置可降解保水地膜(降1)、BASF2(降2)、BASF1(降3)三個水平，以露地栽培(CK1)和普通地膜覆蓋(CK2)為對照，共5個處理。采用隨機區(qū)組設計，3次重復，共15個試驗小區(qū)，小區(qū)面積為6.5 m ×4.8 m=31.2 m2。

試驗用普通地膜由山東濟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。可降解保水地膜由吉林省白山市喜豐塑業(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，為當?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，邊覆邊用土壓外側膜邊，覆第二幅時，與第一幅膜內(nèi)側重疊10 cm，邊覆邊用土壓重疊膜邊，依次類推。4月23日播種，10月3日收獲。

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

1.3 測定項目和方法

1.3.1 土壤水分測定及作物田間耗水量計算

采用烘干法對不同處理的土壤水分進行測定，測定時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定1個點，測定層次為 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm 6個層次，取2個點相同土層平均值為該處理相應土層的土壤含水量值，并根據(jù)各土層土壤含水量計算 0～120 cm 土層貯水量。

土壤貯水量計算公式：

(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農(nóng)田水分平衡方程計算：

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 水分利用效率計算

基于經(jīng)濟產(chǎn)量的水分利用效率通過下式計算：

WUEe=Ye/ET

(4)

式中：WUEe為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Ye為經(jīng)濟產(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下式計算[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)量測定

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

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用SPSS軟件對所得數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 降解地膜覆蓋對玉米生長發(fā)育的影響

2.1.1 苗期、拔節(jié)期玉米根系狀況

研究表明,玉米根系的生長受土壤溫度、水分影響較大[13,14]，土壤水分不足或過量都會改變玉米根系數(shù)量及分布，使根系生長異常或抑制根系的生長[15]，本試驗為充分灌溉,并且玉米播種至拔節(jié)期降解膜具有顯著的增溫效果，6 月上旬玉米進入拔節(jié)期后，地膜的增溫效應弱化，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。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)量及相關因子

降解膜、普通地膜、露地對照栽培玉米的產(chǎn)量及相關因子見表3。從表3可知，降解膜對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構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、果穗粗顯著高于CK1，但單位面積穗數(shù)及果穗禿尖長與CK1差異不顯著。與CK1相比，降1、降2、降3膜果穗增長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)量僅比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)量構成因子Tab.3 Yield and relevant factors of maize under different treatment

2.2 降解地膜覆蓋對玉米水分利用效率的影響

2.2.1 降解地膜覆蓋對玉米耗水量的影響

土壤耗水量是衡量土壤水分收支平衡的重要指標。表4為玉米各生育階段0～120 cm土壤耗水量的動態(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。隨玉米生育進程推進，降解膜保墑效果變的不明顯，并且各降解膜性能不一樣，導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，耗水量僅比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膜在玉米整個生育期保墑效果與CK2相近。以上結果表明，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 降解地膜覆蓋對水分利用效率的影響

農(nóng)學研究中水分利用效率是反映大田作物生長與水分關系的綜合指標。降解膜覆蓋下水分利用效率用基于干物質(zhì)和經(jīng)濟產(chǎn)量的兩個指標來分析。從圖2看，降解膜覆蓋對玉米干物質(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僅反映玉米成熟期總干物重與總耗水量關系，不能動態(tài)反映玉米各生育階段水分利用效率變化情況。為全面評價降解膜保水效果，因此還需分析各生育階段玉米水分利用效率指標。從各生育階段指標看，在玉米播種至抽雄期，隨玉米生育進程的推進水分利用效率呈增大趨勢。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，對水分利用效率的提高影響較大，需對降解膜降解速度加以調(diào)控，延長其穩(wěn)定期。

降解膜覆蓋對玉米基于經(jīng)濟產(chǎn)量水分利用效率的影響如表5所示。結果表明，降解膜覆蓋對玉米基于經(jīng)濟產(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。由此說明，降解膜通過減少水分蒸發(fā)、降低了玉米生育期耗水量，并提高地溫[16]，促進了玉米生長發(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 結果與討論

地膜的應用極大改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，尤其在增溫保墑方面。河西灌區(qū)嚴重缺水，抑蒸保墑是降解膜推廣應用的一個主要考核指標。趙彩霞[17]在新疆研究提出，在整個棉花生育期內(nèi)，國內(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，隨玉米生育進程推進，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價及保水效果研究結果[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到與CK2相近水平。

地膜覆蓋可有效改善農(nóng)作物生長發(fā)育條件，促進種子萌發(fā)和作物生長，是一種積極的“促根栽培”法[18]。可降解地膜覆蓋能明顯改善土壤耕作層的水熱狀況，促進作物生長發(fā)育，其作用與普通地膜相當[6,16]。本課題組已有研究表明，與露地對照相比，可降解地膜覆蓋使土壤水分、溫度條件得以明顯改善[11]，從而促進了玉米根系及地上部生長發(fā)育。降解膜對玉米節(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膜顯著促進玉米生長，保墑效果最好，在整個生育期干物質(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，玉米生長發(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)量比不覆膜對照分別提高20.0%和19.7%”的結論是一致的。

河西綠洲灌區(qū)3種降解膜覆蓋對玉米生長發(fā)育影響與普通膜沒有明顯差異；降1膜在玉米全生育期保墑效果與普通地膜作用相當，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值，但建議生產(chǎn)企業(yè)延長降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)濟成本和農(nóng)藝特性方面還待進一步研究。