不同厚度地膜一膜三年覆蓋對土壤水熱效應(yīng)、玉米產(chǎn)量及地膜殘留的影響

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)

地膜覆蓋技術(shù)對保障我國糧食安全作出了重大貢獻(xiàn)，尤其在水資源匱乏的干旱半干旱地區(qū)，地膜覆蓋具有顯著的保溫保墑效果，在玉米、油菜、馬鈴薯等作物中發(fā)揮了顯著的增產(chǎn)作用[1-3]。但生產(chǎn)中大面積、高強(qiáng)度、長年覆蓋地膜使農(nóng)田土壤中地膜殘留問題日益凸現(xiàn)，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[4]。我國科研工作者從增加地膜厚度、推廣使用可降解膜、應(yīng)用地膜減量化技術(shù)、加強(qiáng)殘膜回收等方面進(jìn)行了殘膜污染防控研究[5-8]。

近年來，一膜兩年覆蓋技術(shù)逐漸受到一些學(xué)者關(guān)注，該技術(shù)是舊膜的循環(huán)再利用，在減輕水土流失、土壤風(fēng)蝕方面效果顯著，為有效降低地膜使用量、減少地膜污染提供了一種模式，目前已應(yīng)用于玉米、胡麻、向日葵等作物[9-11]。甘肅地膜重復(fù)利用主要集中在玉米生產(chǎn)上，2013年應(yīng)用面積為31.86萬hm2，占地膜覆蓋面積的17.95%[12]。判定地膜質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)是地膜厚度。我國一膜多年覆蓋技術(shù)使用的地膜厚度大多為0.008 mm[13-15]，與一年一覆膜生產(chǎn)使用的地膜厚度一致，遠(yuǎn)低于日本、美國和其他西方國家地膜厚度標(biāo)準(zhǔn)(0.015～0.020 mm)[6]。舊膜再利用仍然具有一定的增溫保墑效果，其穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)、提高水分利用效率、減少地膜投入、節(jié)本增效的作用已得到驗證[7，16-17]。但目前一膜多年覆蓋下地膜殘留量、殘留系數(shù)等方面的研究還鮮見報道。本研究通過大田試驗，以厚度為 0.008 mm地膜一膜一年覆蓋為對照，研究不同厚度地膜一膜三年覆蓋對土壤水熱效應(yīng)、玉米產(chǎn)量、地膜殘留量及殘留系數(shù)的影響，以期為干旱綠洲灌區(qū)玉米一膜多年覆蓋技術(shù)提供適宜厚度地膜，為地膜污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015—2017年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗站( 38°56′ N，100°26′ E, 海拔1 570 m)進(jìn)行。試驗站地處河西走廊中部，屬于典型的沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)的西北綠洲灌區(qū)。該區(qū)光熱資源豐富，日照時數(shù)2 932～3 085 h，≥0 ℃積溫為3 388 ℃，≥10 ℃的積溫為1 837～2 870 ℃，年平均氣溫為7.38 ℃，無霜期153 d。平均年降水量129 mm，降水主要集中在7、8、9月，平均年蒸發(fā)量2 075 mm，干旱指數(shù)達(dá)15.96。土壤屬石灰性灌漠土，pH 8.4。0～120 cm土層平均土壤容重1.295 g·cm-3,速效氮119.8 mg·kg-1、速效磷24.7 mg·kg-1、速效鉀82.0 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)含量0.79%。

1.2 試驗材料

供試玉米品種為沈單16，由甘肅省張掖市種子公司提供。地膜為普通聚乙烯地膜,厚度為0.008、0.010、0.012、0.015 mm，由新疆巴州皓天農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司提供。

1.3 試驗設(shè)計

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)。設(shè)5個處理，分別為CK(一膜一年覆蓋，地膜厚度0.008 mm)、T1(一膜三年覆蓋，地膜厚度0.008 mm)、T2(一膜三年覆蓋，地膜厚度0.010 mm)、T3(一膜三年覆蓋，地膜厚度0.012 mm)、T4(一膜三年覆蓋，地膜厚度0.015 mm)。小區(qū)面積為31.2 m2(4.8 m×6.5 m)。

施N 300 kg·hm-2，40%的氮肥及P2O5225 kg·hm-2作基肥。剩余氮肥在玉米大喇叭口及吐絲期隨灌水各追施30%。生育期灌水量4 200 m3·hm-2，在拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期和灌漿中期各灌水一次，采用水表計量灌溉，灌水量分別占總量的20%、30%、30%、20%。

玉米采用寬窄行模式種植。帶幅120 cm，寬行80 cm，窄行40 cm。第一年玉米播種前一周窄行覆蓋幅寬70 cm地膜。播種密度83 300株·hm-2，株距20。氮肥為尿素(46.4% N)，磷肥為過磷酸鈣(12% P2O5)。2015年4月16日播種, 10月3日收獲；2016年4月18日播種,10月9日收獲；2017年4月15日播種,10月6日收獲。

1.4 測定項目及方法

1.4.1土壤水分及水分利用效率的測定 采用烘干法測定土壤水分。玉米播前和收獲后測定0～120 cm土層水分，每20 cm為1層，每小區(qū)分別在寬行和窄行中間各測定1個點，取相同土層2個點平均值為相應(yīng)土層土壤含水量，并分層計算各土層土壤貯水量[6]。

W=∑wirihi/10

式中,W為0～120 cm土層土壤水分總貯量，mm；wi為各土層土壤質(zhì)量含水量，%；ri為各土層土壤容重，g·cm-3；hi為分層厚度，20 cm。

采用水分平衡法計算作物田間耗水量，水分平衡方程[18]如下。

ET=P+I+△W

式中，ET為生育期耗水量，mm；P為降雨量，mm；I為灌溉水量，mm；△W為計算時段內(nèi)土壤貯水變化量，mm。

水分利用效率計算公式如下。

WUE=Y/ET

式中，WUE為水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg·hm-2,；ET為作物耗水量，mm。

1.4.2土壤溫度的測定 采用曲管地溫計(型號WQG-16，北京普特儀表成套廠)測定。土壤分3個層次(5、10、15 cm)將地溫計埋設(shè)。玉米播種至拔節(jié)期，每隔2 d在8:00、14:00和18:00測定土壤各土層溫度。各層次土壤溫度平均值即為0～15 cm土壤溫度。

1.4.3地膜殘留量及殘留系數(shù)的測定 地膜投入量的測定：覆膜前將地膜卷先稱重，覆完后再稱重，二者差值為試驗小區(qū)地膜投入量[19]。

地膜殘留量的測定：第一年覆膜前用蛇形線方法在試驗區(qū)選擇5個采樣樣方，樣方規(guī)格為2.0 m2(2.0 m×1.0 m)，采樣深度為30 cm，采集土樣中殘膜，并將收集的殘膜樣品裝袋帶回實驗室分揀、清洗、涼干稱重，并計算殘膜背景值[19-20]。2017年玉米收獲后，先采用農(nóng)民傳統(tǒng)方法撿拾殘留地膜帶出試驗小區(qū)，然后每個小區(qū)確定3個采樣樣方，測定計算地膜殘留量[19，21-22]。

地膜殘留系數(shù)=[(收獲后地膜殘留總量-覆膜前地膜殘留量)/地膜投入量]×100%

1.4.4玉米產(chǎn)量測定方法 玉米成熟后，各試驗小區(qū)取中間2帶果穗自然風(fēng)干后測產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007和SPSS 11.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜處理對土壤水分的影響

2.1.1不同處理下土壤耗水量變化 圖1顯示，2015年不同厚度地膜耗水量差異不顯著，但具有地膜越厚保水效果越強(qiáng)的趨勢。與CK相比，T2、T3、T4處理耗水量分別降低0.44%、1.58%、2.25%。2016年一膜三年覆蓋處理耗水量顯著高于CK，T4處理耗水量最低，其次為T3，T1處理耗水量最大。2017年各處理耗水量變化趨勢與2016年相似。從3年平均值看，T3、T4處理有較好的保墑效果，玉米生育期耗水量為486.52、482.60 mm，分別比CK增加1.96%、1.14%。T1、T2處理由于膜面破損嚴(yán)重，耗水量分別比CK顯著增加5.98%、4.65%。保墑效果整體表現(xiàn)為CK>T4>T3>T2>T1。

注：不同小寫字母表示同一年份處理間差異在P<0.05水平有統(tǒng)計學(xué)意義。Note: Different small letters indicate that the differences among treatments in the same year are statistically significant at P<0.05 level.圖1 2015—2017年不同處理下土壤耗水量變化Fig.1 Changes of soil water consumption under different treatments from 2015 to 2017

2.1.2不同處理下土壤水分的垂直變化 圖2顯示了2015—2017年玉米收獲后不同處理0～120 cm土層土壤水分的變化。覆膜第1年，0～20 cm土層各處理間含水量差異較小，T2、T3、T4處理土壤含水量較CK分別提高1.69%、3.91%、7.65%；之后隨土層加深，各處理含水量均呈增加趨勢，在40～60 cm土層，各處理間含水量差異達(dá)到最大，T2、T3、T4處理土壤含水量較CK分別提高0.61%、3.44%、12.65%；在60～120 cm土層，各處理含水量差異呈先減小后增大趨勢，在80～100 cm趨于一致。說明不同厚度地膜覆蓋對土壤0～60 cm土層水分含量影響比較大，并且地膜越厚，各土層含水量越高。覆膜第2年，在0～20 cm土層，T1、T2、T3、T4處理含水量較CK分別降低20.54%、13.75%、14.96%、8.05%；在20～40 cm土層中，各處理間含水量差異達(dá)到最大，一膜三年覆蓋處理含水量較CK分別降低24.85%、19.43%、19.04%、13.23%；在40～120 cm土層中，各處理含水量差異呈先減小后增大趨勢，在80～100 cm達(dá)到最小。覆膜第3年各處理不同土層含水量變化規(guī)律與第2年相似。覆膜第2年、第3年各處理0～120 cm土層含水量總體表現(xiàn)為CK含水量最高，其余處理隨地膜厚度增加含水量呈增加趨勢。說明隨覆膜年限增加，一膜多年覆蓋處理由于地膜破損度增加，保墑效果變差，并且地膜越薄越易破損，保墑效果越差。

圖2 2015—2017年不同處理下土壤水分的垂直變化Fig.2 Vertical changes of soil water content under different treatments from 2015—2017

2.2 不同覆膜處理對土壤溫度的影響

土壤溫度在玉米前期生長中的作用十分重要。從表1可以看出，覆膜第1年從玉米播種至拔節(jié)期，在0～15 cm土層，隨地膜厚度增加土壤溫度呈先增加后降低趨勢，T3處理土壤溫度最高，比CK提高0.40 ℃，T4處理比CK提高0.35 ℃，這可能是地膜太厚影響了透光性緣故。覆膜第2年、第3年，由于地膜破損及膜面覆土，一膜三年覆蓋處理土壤溫度低于一年一覆膜的CK處理，但降幅較小，分別為1.23～1.45 ℃、1.25～1.38 ℃，并且表現(xiàn)出地膜越厚降幅越小的趨勢。

表1 不同處理下0～15 cm土層土壤溫度Table 1 Soil temperature of 0～15 cm soil layer under different treatments (℃)

2.3 不同覆膜處理對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)投比的影響

2.3.1不同覆膜處理對玉米產(chǎn)量的影響 從表2可知,覆膜第1年，各處理產(chǎn)量與CK差異不顯著，但隨地膜厚度增大，產(chǎn)量呈增加趨勢，厚度為0.012 mm時(T3處理)達(dá)到最高，比CK提高5.39%。覆膜第2年，一膜三年覆蓋處理產(chǎn)量低于CK，并且隨地膜厚度增加呈增加趨勢。T1處理產(chǎn)量顯著低于CK，降低幅度為24.39%。T2、T3、T4處理產(chǎn)量與CK差異不顯著，降幅達(dá)6.54%～11.84%。2017年各處理玉米產(chǎn)量變化趨勢與2016年相似。覆膜第2年、第3年地膜破損及膜面覆土降低了地膜增溫保墑效果，影響了玉米生長發(fā)育，降低了玉米產(chǎn)量。地膜厚度大于0.010 mm時，一膜三年覆蓋仍可保持與新覆膜處理相近的產(chǎn)量。

表2 不同處理下玉米產(chǎn)量Table 2 Yield of maize under different treatments (kg·hm-2)

2.3.2不同覆膜處理對玉米水分利用效率的影響 從表3可知,覆膜第1年，各處理水分利用效率與CK差異不顯著，但隨地膜厚度增大，水分利用效率呈增加趨勢，厚度為0.012 mm時達(dá)到最高，比CK提高7.07%。覆膜第2年，一膜三年覆蓋處理水分利用效率低于CK，并且隨地膜厚度增加呈增加趨勢。T1處理水分利用效率顯著低于CK，降低幅度為31.83%;T2、T3、T4處理水分利用效率與CK差異不顯著，降幅為7.75%～17.61%。2017年各處理玉米水分利用效率變化趨勢與2016年相似。覆膜第2年、第3年玉米水分利用效率均不同程度降低，地膜厚度大于0.010 mm時，一膜三年覆蓋仍可保持與新覆膜處理相近的水分利用效率。

表3 不同處理下玉米水分利用效率Table 3 Water use efficiency of maize under different treatments (kg·hm-2·mm-1)

2.3.3不同覆膜處理對對玉米產(chǎn)投比的影響

表4所示，雖然一膜三年覆蓋方式玉米產(chǎn)值有降低現(xiàn)象，但地膜費用、機(jī)械及人工費用的大幅減少，有效降低了投入成本，顯著提高了產(chǎn)投比。覆膜第1年，T1、T2、T3處理產(chǎn)投比與CK差異不顯著，T4處理由于覆膜費用高，產(chǎn)投比最低；覆膜第2年、第3年，一膜多年覆蓋處理無地膜投入,機(jī)械及人工投入大幅降低，產(chǎn)投比顯著高于CK，并且隨地膜厚度增加產(chǎn)出增加，產(chǎn)投比呈增加趨勢。從平均值看，一膜三年覆蓋處理地膜投入費用減少339.3～545.4元·hm-2,機(jī)械人工費減少2 600元·hm-2，投入成本降低了2 939.3～3 145.4元·hm-2，產(chǎn)投比分別顯著高于CK13.73%、25.00%、26.47%、25.49%，并且地膜厚度成為影響產(chǎn)投比的重要因素，隨地膜厚度增加，產(chǎn)投比呈增加趨勢，T3處理產(chǎn)投比最大，之后產(chǎn)投比呈下降趨勢。

表4 不同處理下玉米產(chǎn)投比Table 4 Ratio of output to input of maize under different treatments

2.4 不同覆膜處理對地膜殘留量及殘留系數(shù)的影響

地膜殘留量和殘留系數(shù)是衡量土壤污染程度的重要指標(biāo)。地膜殘留量是表示地膜殘留多少的絕對指標(biāo)；而殘留系數(shù)是相對指標(biāo)，指當(dāng)年地膜殘留量在地膜投入量中所占的比例。通過對不同覆膜區(qū)域、覆膜作物、覆膜年限等地塊殘留量的抽樣調(diào)查及地膜殘留系數(shù)測算，可明確種植業(yè)地膜殘留特點和規(guī)律,摸清地膜污染底數(shù)，對殘膜污染防控具有重要意義[19]。2017年玉米收獲后，地膜殘留量及殘留系數(shù)測定結(jié)果見表5。從表5中可以看出一膜三年覆蓋處理地膜投入量差異顯著，并顯著低于CK，僅為CK的34.03%～58.97%。一膜三年覆蓋處理年地膜殘留量較小，差異互不顯著，但顯著低于CK，降幅高達(dá)55.74%～61.42%；并且地膜越厚，地膜殘留量也越小；但厚度超過0.012 mm后，由于地膜單位質(zhì)量增大，地膜殘留量反而增加。從地膜殘留系數(shù)看，T1、T2處理雖然地膜投入量小，覆膜三年后地膜殘留量絕對值也比較小，但地膜殘留系數(shù)高達(dá)35.60%、32.97%，地膜投入量的約1/3殘留于土壤中，顯著高于CK。T3、T4處理地膜彈性好、拉伸力大，易于回收，殘留地膜僅為投入量的為21.99%、19.81%，殘留系數(shù)顯著低于CK。

表5 不同處理下地膜殘留量及殘留系數(shù)Table 5 Residue and residual coefficient of film under different treatments

3 討論

3.1 不同厚度地膜一膜多年覆蓋增溫保墑性能

蘇永中等[16]研究提出在玉米播種后至拔節(jié)期前，免耕舊膜直播處理日平均土壤溫度較傳統(tǒng)覆新膜處理僅低1.0(5 cm 土層)和0.8 ℃(15 cm 土層)，表明舊膜直播仍具地膜覆蓋提高地溫的效應(yīng)；唐文雪等[6]研究提出，厚度為0.006～0.012 mm地膜具有顯著的增溫保墑效應(yīng)，地膜越厚，增溫效應(yīng)越強(qiáng)，保墑效果越好；趙財?shù)萚17]研究綠洲灌區(qū)，提出一膜兩年用較傳統(tǒng)覆膜處理0～30 cm土層土壤含水率提高7.67%；梁曦等[23]在寧夏南部山區(qū)研究提出，采用全膜覆蓋一膜兩季免耕栽培，可顯著地提高土壤蓄水保墑能力，0～20 cm土壤含水量較常規(guī)半膜栽培處理增加29.79%。本研究結(jié)果表明，一膜多年覆蓋具有較好的增溫保墑效果，地膜越厚增溫保墑效果越好。覆膜第2年、第3年，舊膜處理土壤溫度比CK分別降低1.23～1.45 ℃、1.25～1.38 ℃。T3、T4處理有較好的保墑效果，生育期耗水量僅比CK增加1.96%、1.14%。T1、T2處理由于膜面破損嚴(yán)重，耗水量比CK增加5.98%、4.65%。該研究關(guān)于一膜多年覆蓋增溫保溫效應(yīng)、不同厚度地膜增溫保墑效應(yīng)與前人研究結(jié)論一致；但覆膜第2年、第3年保墑水平低于一年一覆膜CK的結(jié)論，與趙財?shù)萚17]、梁曦等[23]的研究結(jié)果不一致，這與作物收獲后殘膜回收、土壤翻耕時間及覆膜比例等有關(guān)，還需要進(jìn)一步研究。

3.2 不同厚度地膜一膜多年覆蓋玉米產(chǎn)量及產(chǎn)投比效果

前人研究表明地膜覆蓋栽培具有顯著的增溫保墑效應(yīng)，促進(jìn)作物生長發(fā)育，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[24]。史建國等[11]研究提出,覆膜第2年向日葵子粒產(chǎn)量較新膜低2.6%～4.9%，但差異不顯著；蘇永中等[16]在河西走廊中段砂土和砂壤土上研究提出，玉米產(chǎn)量免耕舊膜直播較覆新膜降低4.4%～10.6%，差異顯著。本研究中，一膜三年覆蓋玉米產(chǎn)量及水分利用率在地膜厚度0.010 mm以上時與一年一覆膜傳統(tǒng)覆膜方式相當(dāng)，僅比CK降低2.27%～4.09%、2.85%～8.36%；而T1處理產(chǎn)量及水分利用效率顯著低于CK，減幅高達(dá)13.24%、18.12%。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因，是因為一膜覆蓋多年后，地膜出現(xiàn)不同程度的破損，使其增溫、保墑效應(yīng)降低，影響作物生長發(fā)育，造成玉米產(chǎn)量及水分利用效率的降低，并且厚度越小地膜越易破損，增溫保墑效果越差，對產(chǎn)量及水分利用效率影響越大。以上研究說明，一膜多年覆蓋對產(chǎn)量有一定的負(fù)效應(yīng)，但本研究通過玉米產(chǎn)投比分析，提出一膜三年覆蓋方式通過減少地膜投入及機(jī)械人工費用，降低了投入成本，顯著提高了產(chǎn)投比，產(chǎn)投比增幅高達(dá)13.73%～26.47%，并且在地膜厚度為0.010 mm以上時產(chǎn)投比更高，增幅高達(dá)25.00%以上。該結(jié)果與梁曦等[23]、張雷等[25]、余秀珍等[26]提出的“一膜用兩年可有效地降低投入成本，達(dá)到節(jié)本增效的效果”結(jié)論一致。

3.3 不同厚度地膜一膜多年覆蓋地膜殘留效應(yīng)

地膜用量、地膜厚度等是影響地膜殘留強(qiáng)度的重要因素。如果對殘膜未采取有效的回收方式，則地膜投入量越大，使地膜殘留量越大[27]。而且較厚的地膜拉伸力強(qiáng)，使用后不易碎裂,回收率比較高[28-29]。馬彥等[12]在農(nóng)田地膜污染調(diào)查提出,甘肅地膜重復(fù)利用因地膜厚度均小于0.010 mm，使用第2年地膜破損就較嚴(yán)重，很難回收。本研究表明，一膜三年覆蓋地膜投入量顯著低于CK，降低幅度為41.03%～65.97%，地膜殘留量僅為7.71、7.63、6.72、7.43 kg·hm-2·a-1，比CK顯著降低55.74%～61.42%。并且隨地膜厚度增加，殘留量呈降低趨勢，但厚度超過0.012 mm，由于地膜質(zhì)量增大，地膜殘留量反而增加。該結(jié)論與以上研究結(jié)果一致。從地膜殘留系數(shù)指標(biāo)看，T1、T2處理地膜殘留系數(shù)高達(dá)35.60%、32.97%，顯著高于CK;而T3、T4處理地膜殘留系數(shù)為21.99%、19.81%，顯著低于CK。一膜多年覆蓋可有效降低地膜使用量，進(jìn)而顯著降低地膜殘留量，但地膜厚度超過0.012 mm時，才能顯著降低地膜殘留系數(shù)。

綜合分析，不同厚度地膜一膜三年覆蓋對土壤水熱效應(yīng)、產(chǎn)量、水分利用效率及地膜殘留量的影響，認(rèn)為在河西綠洲灌區(qū)玉米一膜三年覆蓋方式選用厚度為0.012 mm以上地膜，可有效提高水資源利用效率、作物產(chǎn)量，提高玉米經(jīng)濟(jì)效益，降低環(huán)境污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。