地膜覆蓋對南疆滴灌棗園土壤溫度和騰發特性的影響

馬 亮,郭丹丹，雷慶元,劉 鋒

(新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

新疆光熱資源豐富，有效積溫高且晝夜溫差大，獨特的氣候條件為棗樹生長提供了良好的環境。紅棗是新疆特色林果業的經濟支柱產業，是我國特有的經濟樹種，市場前景好，收益快[1]。在影響作物生長發育的諸多影響因子中，土壤水熱是最為關鍵的因子[2-3]。地膜覆蓋技術能有效抑制土壤與大氣之間的水分交換，減少土壤蒸發[4-5]，投資少、易于田間操作，是當前干旱半干旱區抗旱增產措施之一，合理的地表覆蓋措施可有效調節土壤水熱，尤其地膜覆蓋保水保溫作用明顯[6-8]，已在玉米、棉花、番茄等一年生作物中廣泛應用，增產效果明顯[9-10]。張義等[11]對比不同地表覆蓋模式下蘋果生長及產量，得出砂石覆蓋處理的中短枝比例和果實產量最高；尹曉寧等[12]通過研究蘋果覆蓋麥草、細河沙和黑色地膜3種模式，得出各種覆蓋處理較未覆蓋處理均增加了果實單果重及產量。崔向新等[13]研究表明，地膜覆蓋能顯著增加5 cm處的土層溫度；李曉黎[14]通過田間育苗試驗，發現覆膜區的地溫要比未覆膜處理的小區高0.5℃～7.5℃，地膜覆蓋增溫效果明顯；李尚中等[15]研究得出地膜覆蓋能有效提高玉米水分利用效率，增產效果明顯。

合理的灌溉制度與地膜技術相結合，既滿足作物生長需要又達到節水和高產的目的[16-17]。大型稱重式蒸滲儀可控制土壤邊界條件，直接測定冠層尺度的騰發量，目前蒸滲儀被認為是測量作物騰發量最準確的儀器之一，多用于一年生作物。多數棗樹騰發量的研究存在測定數據時間間隔較長，且隨著灌水結束便終止測定[18-19]，造成數據量少且測定周期不完整的問題，棗樹缺少精準化管理。國內對土壤溫度的研究多采用曲管、直角地溫計[20-21]測定某一時段的土壤溫度值，研究結果缺乏系統性與連續性。本試驗在棗樹全生育期，通過大型稱重式蒸滲儀精確測定地膜覆蓋與無覆蓋棗樹騰發強度日內及逐日變化趨勢，土壤智能墑情傳感器連續監測0～100 cm土層土壤溫度與土壤含水率，旨在得出南疆地區地膜覆蓋對棗樹全生育期的騰發強度、土壤溫度、土壤水分動態變化的影響及對氣溫響應特征，進一步明確地膜覆蓋技術在棗樹種植中的適用性，為建立南疆棗園合理的種植模式提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與試驗設計

試驗區位于新疆阿克蘇地區紅旗坡農場新疆農業大學林果實驗基地(80°14′E，41°16′N)，海拔1 133 m，為大陸性溫帶干旱沙漠氣候。由實驗站內氣象站測得2014—2018年棗樹生育期內氣象數據，該區域5—10月平均降雨量為82.21 mm，平均地表太陽輻射量為202.17 MJ·m-2·d-1，平均溫度18.69℃。各土層土壤性質見表1。試驗時間為2018年棗樹全生育期。

表1 試驗區土壤性質Table 1 Soil properties in experimental areas

試驗區設有兩臺大型稱重式蒸滲儀，面積為6.6 m2(3 m×2.2 m)，深度2.5 m，箱體內分別種植兩棵2013年嫁接“灰棗”，一臺蒸滲儀中棗樹兩側無覆蓋物(M0)，另一臺蒸滲儀棗樹兩邊分別鋪設1.2 m×2.2 m透明地膜(M1)。采用定周期灌溉制度(每隔7 d，可調節)，根據上一灌水周期內蒸滲儀測定地膜覆蓋與無覆蓋棗樹的耗水量確定滴灌水量進行灌溉。

1.2 測定指標及方法

棗樹全生育期的騰發強度由大型稱重式蒸滲儀測定(稱重系統可直接測定土體水重與滲漏量)，箱體內為與試驗地土壤類型一致的原狀土，稱重測量精度為±0.1 mm水深。每個箱體內埋設8只RV-014TDR水分溫度傳感器，水分測定精度±1.5%，溫度測定精度±0.2℃，每隔30 min自動記錄數據。

為保證土壤溫度數據的可靠性，測坑中布設智能墑情傳感器(智墑ET100，頻域反射法)測定棗樹0～100 cm土層土壤含水率(體積含水率)與土壤溫度，布設于棗樹滴灌帶下，垂直間隔10 cm，測定時間間隔為30 min，由智墑自動采集記錄。為揭示淺層土壤溫度劇烈變化的規律，在0～40 cm土層深度范圍內增設地埋式U盤地溫計，埋設在距棗樹30 cm處滴灌帶下，埋設深度0～40 cm范圍內，每10 cm布設一個，每隔30 min自動監測采集地溫數據。

葉面積指數測定需在太陽升起之前進行，用帶有魚眼廣角鏡頭的單反數碼相機采集每株棗樹東、南、西、北4個方向半球影像圖片，并采用Hemi View數字植物冠層分析系統分析，取平均值為棗樹葉面積指數，測定時間間隔為10 d，內差法獲得其余天數的葉面積指數。

棗樹生育期內每次灌水量根據前一個灌水周期的作物實際耗水量確定，其值為灌水周期內蒸滲儀的質量差，基本的計算原理是水量平衡方程，計算公式為：

ET=ΔW+P+I-R-ΔD

(1)

式中,ET為棗樹騰發量(mm)；ΔW為土壤含水量的變化量(mm)，即蒸滲儀土柱質量的變化，本研究所用蒸滲儀6.6 kg質量變化對應為1 mm的土壤水分變化；P為有效降雨量(mm)；I為灌溉水量(mm)；R為地表徑流(mm)，R取0；ΔD為時段t內的滲漏量(mm)，通過蒸滲儀內部安裝的漏桶測量。

參考作物蒸發蒸騰量(ET0)采用聯合國糧農組織(FAO)推薦的Penman-Monteith(簡稱P-M)方法計算，公式如下：

(2)

式中，ET0為參考作物蒸發蒸騰量(mm·d-1)，Rn為輸入冠層凈輻射量(MJ·m-2·d-1);G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；T為2 m高處日平均氣溫(℃)；U2為2 m高處的風速(m·s-1);es為飽和水氣壓(kPa);ea為實際水氣壓(kPa);Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線的斜率(kPa·℃-1);γ為干濕溫度計常數(kPa·℃-1)。氣象數據來源于試驗地自動監測氣象站。

1.3 數據分析

通過Microsoft Excel 2013進行數據計算、歸一化處理及繪圖,用DPS 16.05軟件進行多元線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 地膜覆蓋下棗園根區土壤溫度及葉面積指數的變化規律

2.1.1 土壤溫度垂直剖面日差幅變化 棗樹根區各時段的土壤溫度日差幅均隨土壤深度的增加而逐漸減小，在不同生育期，土壤溫度垂直變化幅度有所差異(圖1)。隨著土壤深度的增加，土壤溫度隨氣溫響應時滯效應加強，其波動受太陽輻射的影響逐漸減小，變化幅度隨之減小。40 cm以下土層深度的地溫日變化幅度極小，但隨著生育期的推進，40 cm以下地溫呈現緩慢的先增大后減小的變化趨勢，高峰期出現在幼果期；該生育期地膜覆蓋與無覆蓋的土壤溫差呈現的規律一致，即各土層的溫差均隨著土壤深度的增加而減小。0～100 cm土層范圍內，地膜覆蓋棗樹根區各土層土壤溫度日差幅依次為4.86、2.73、1.03、0.49、0.25、0.15、0.1、0.08、0.08、0.06℃，無覆蓋棗樹根區各土層土壤溫度日差幅依次為4.73、2.02、0.84、0.35、0.16、0.10、0.07、0.07、0.07、0.07℃。

圖1 不同生育期土壤溫度變化Fig.1 Changes of soil temperature at different growth stages

棗樹在各生育期(萌芽期、花期、幼果期、果實發育期、成熟期)地膜覆蓋較無覆蓋處理均呈現明顯的升溫作用，0～100 cm深度土壤地溫最大值較無覆蓋處理分別高了15%、14%、9%、8%、2%；最小值分別提高了15%、14%、8%、8%、2%。0～100 cm土層平均日差幅均表現為地膜覆蓋>無覆蓋，棗樹成熟期大氣溫度較其他生育期降低，但50～100 cm深層土壤溫度高于0～50 cm范圍內的土壤溫度，且日差幅差異最小。地膜覆蓋0～10、10～20 cm土層日變幅為17.51℃～13.50℃、16.68℃～14.50℃，相比無覆蓋棗樹溫度日差幅降低，縮小土壤溫度日變化幅度。棗樹根區地膜覆蓋和無覆蓋處理在50～100 cm深度范圍內，土壤溫度均呈現先增大后減小的趨勢，與大氣溫度的波動呈現一致性，但存在滯后效應，地溫差異較小。

選取0～40 cm深度土壤溫度，分析棗樹各生育期地膜覆蓋對土壤最高溫與最低溫差值及平均土壤溫度的影響(表2)。棗樹成熟期前，地膜覆蓋顯著增加了0～40 cm土層土壤溫度日差幅，且隨生育期的推進逐漸減小，在成熟期地膜覆蓋0～20 cm土層處土壤日差幅反而小于無覆蓋處理，分別降低了0.47℃、0.08℃。平均日變幅最大的是萌芽期，地膜覆蓋棗樹0～10 cm土層土壤溫度差幅為6.84℃，無覆蓋為5.95℃。在萌芽期與花期地膜覆蓋升溫效果明顯，0～10 cm土層土壤平均溫度分別提高4.89℃、4.48℃，在成熟期地膜覆蓋的升溫作用最小，比無覆蓋棗樹高1.20℃；地膜覆蓋與無覆蓋處理各生育期平均地溫最高的土層分別出現在0～10、0～10、0～10、10～20、0～10、30～40、0～10、30～40、30～40、30～40 cm，平均溫度最高值土層呈現逐漸下移的趨勢，地膜覆蓋處理下移緩慢。

表2 地膜覆蓋對棗樹各生育期土壤溫度的影響Table 2 Influence of plastic film mulching on soil temperature in each growth period of jujube tree

2.1.2 不同土層日均土壤溫度及葉面積指數動態變化 由圖2可知，地膜覆蓋與無覆蓋棗樹日均土壤溫度變化基本一致，均隨著生育期的推進呈現先增大后減小的變化趨勢。表層土壤溫度波動較大，隨著土壤深度增加，土壤溫度變化較為平緩，但依舊呈現單峰變化的規律。覆膜與不覆膜棗樹葉面積指數隨生育期變化趨勢一致，同樣呈現先增大，中期平穩，后期略微下降的趨勢。由于果樹第一年設置地膜覆蓋試驗，棗樹的葉面積指數差異較小，平均葉面積指數均為1.02。萌芽后期與花期前期(5、6月)土壤溫度緩慢上升，此時棗樹植株矮小，葉面積指數較小，遮陰率低，塑料薄膜的透光率很高，地膜覆蓋把太陽能轉化的熱能匯集在土壤中，使覆膜處理的土壤溫度顯著高于不覆膜處理，0～10 cm處土壤溫度提高了25.64%，土層越深，溫差越小，100 cm處土壤溫度覆膜較無覆蓋僅提高了5.14%；土壤溫度在7月中旬達到高峰階段，此時，地膜覆膜與無覆蓋處理的葉面積指數(LAI)也處于高峰期，分別為1.14、1.13。棗樹果實發育期中期(8月中旬)之前，淺層的土壤溫度均高于深層土壤溫度，基本表現為0～10 cm>10～20 cm>30～40 cm>60～70 cm>90～100 cm；果實發育期中期以后，氣溫與太陽輻射急劇下降，造成淺層土壤溫度顯著下降，而深層土壤受時滯效應影響，變化緩慢，深層土壤溫度逐漸高于淺層土壤，呈現與生育前中期相反的規律，且此階段地膜覆蓋與無覆蓋棗樹土壤溫差較小，0～10 cm土層土壤溫度提高了11.3%，90～100 cm土層土壤溫度提高了1.14%，可見地膜覆蓋的保溫作用主要體現在生育前中期，生育后期保溫作用減弱。

2.2 地膜覆蓋下棗園騰發強度及騰發量的變化規律

2.2.1 地膜覆蓋對棗園典型日騰發強度的影響 通過大型稱重式蒸滲儀，可以精確地描述出棗樹日內逐時騰發強度(ET)的動態變化，以參考作物騰發強度(ET0)作為對比，選取地膜覆蓋(M1)與無覆蓋(M0)棗樹2018年生長階段具有代表性的生育初期(5月9日)、生育中期(7月30日)、生育末期(10月8日)分析棗樹騰發強度的動態變化。由圖3可以看出，棗樹實際逐時騰發強度(ET)與ET0表現出相同的變化規律，日變化曲線均呈倒“U”型單峰變化，峰值在14∶00—16∶00；生育初期M0與M1處理峰值分別為0.23、0.11 mm·h-1，地膜覆蓋棗樹日ETM1、無覆蓋棗樹ETM0與ET0分別為1.95、1.03、2.39 mm，兩處理低于ET0；生育中期的地膜覆蓋棗樹日ETM1、無覆蓋棗樹日ETM0與ET0分別為5.42、4.43、4.12 mm，騰發強度明顯高于初期，且棗樹騰發強度高于ET0，地膜覆蓋與無覆蓋棗樹的騰發量較為接近，地膜覆蓋為無覆蓋棗樹騰發量的81.62%；生育末期的地膜覆蓋棗樹日ETM1、無覆蓋棗樹日ETM0與ET0分別為3.16、2.24、1.52 mm，騰發量有所下降，棗樹騰發量依舊高于ET0，地膜覆蓋為無覆蓋棗樹騰發量的76.39%，在棗樹生育中、后期，棗樹葉片果實生長均較旺盛，冠層幅度較大，棵間蒸發占比減小，地膜覆蓋的節水作用降低。棗樹騰發作用主要發生在白天，夜間騰發強度均較小，且數值均在0 mm附近，夜間偶爾會有負值，地膜覆蓋處理負值較多，分析原因是夜晚溫度降低明顯，相對濕度增加，而地膜覆蓋增加了薄膜表面的水汽凝結，再加上空氣中水分在作物葉面形成凝水珠造成。

注：ET0—作物參考騰發強度；ET—實際騰發量; ETM0—無覆蓋騰發強度；ETM1—地膜覆蓋騰發強度。下同。Note: ET0—reference crop evapotranspiration; ET—evapotranspiration; ETM0—no mulching evapotranspiration; ETM1—plastic mulching evapotranspiration. The same below.圖3 棗園不同生育階段騰發強度的變化Fig.3 Variation of evapotranspiration intensity in jujube at different growth stages

2.2.2 棗園各生育階段騰發特征 地膜覆蓋與無覆蓋棗樹不同生育期灌水及騰發量變化情況見表3。在萌芽期，無覆蓋與地膜覆蓋棗樹的階段騰發強度分別為2.75、1.42 mm·d-1，地膜覆蓋為無覆蓋的51.63%，此階段二者差異最大。在棗樹生育初期，冠層覆蓋度較小，而地膜覆蓋顯著降低了棵間蒸發，從而減小了騰發強度。隨著作物的生長，凈輻射增強，葉面積指數增大，植物蒸騰速率隨之加強，花期無覆蓋與地膜覆蓋棗樹作物階段騰發強度分別增至4.98、3.44 mm·d-1；進入幼果期(需水關鍵期)后，騰發強度增至5.36、4.08 mm·d-1，幼果期歷時僅有18 d，幼果期的階段騰發強度達全生育期的最高峰；進入果實發育期后，無覆蓋與地膜覆蓋棗樹灌水量與降雨量總量分別為162.32、146.13 mm，停灌后，棵間蒸發強度減小，騰發強度有所降低，分別為4.18、3.72 mm·d-1；成熟期后，棗樹生長遲緩，蒸騰作用減弱，加之該階段凈輻射減弱，氣溫降低，棵間蒸發強度逐漸減小，成熟期的無覆蓋棗樹騰發強度僅有1.44 mm·d-1，地膜覆蓋棗樹的騰發強度降為1.13 mm·d-1，地膜覆蓋與無覆蓋棗樹間的騰發強度差值在該生育期達到最小值，差值為0.31 mm·d-1。由此可見地膜覆蓋降低了棗樹不同生育期的騰發強度，從而減小了棗樹全生育期內的總耗水量。無覆蓋棗樹作物系數在萌芽期至果實發育期呈現逐漸增大趨勢，由0.82增至1.27，成熟期下降至1.04，地膜覆蓋與無覆蓋處理棗樹作物系數變化規律一致，萌芽期二者作物系數差值達到0.4，隨著生育期的推進，在成熟期作物系數差值降至0.19。

表3 棗園各生育階段騰發特征Table 3 Evapotranspiration characteristics of jujube trees at different growth stages

2.2.3 棗園全生育期騰發強度變化規律 由無覆蓋與地膜覆蓋棗樹逐日騰發強度變化情況可知(圖4)，棗樹騰發強度在全生育期的分配均呈現單峰變化的規律，峰值在至7月中旬左右。在7月中旬之前，地膜覆蓋的騰發強度低于ET0，前期差異較大，中后期與ET0持平。無覆蓋棗樹從萌芽期到成熟期的騰發總量約為724.74 mm，地膜覆蓋棗樹總騰發量為517.44 mm，地膜覆蓋騰發量為無覆蓋棗樹處理的71.40%，降低騰發量207.30 mm。期間的降雨總量為113.92 mm，全年灌水量為578.99 mm(含春灌30 mm)，地膜覆蓋灌溉量為444.55 mm，灌溉量均為灌水期間蒸滲儀測定耗水量。雖然萌芽期的階段騰發強度差異最大，但花期在整個生育期中持續時間最長，達到57 d，造成地膜覆蓋與無覆蓋此階段騰發量差異最大，棗樹花期騰發量為283.68、196.29 mm，相差87.39mm。無覆蓋棗樹花期、幼果期和果實生長發育期相應各生育階段的騰發量占總騰發量的82.46%，地膜覆蓋處理占85.01%。可見對地膜覆蓋與無覆蓋棗樹，均是花期、幼果期和果實發育期為主要耗水階段。

注：P—降水量(mm·d-1);I—灌水量(mm·d-1); ET0—作物參考騰發強度；ET—實際騰發量; ETM0—無膜覆蓋騰發強度；ETM1—地膜覆蓋騰發強度。 Note: P—precipitation;I—rrigation; ET0—reference crop evapotranspiration; ET—evapotranspiration; ETM0—no mulching evapotranspiration; ETM1—plastic mulching evapotranspiration.圖4 棗園各生育期逐日騰發強度動態變化Fig.4 Daily variation of evapotranspiration rate of jujube at different growth stages

3 討 論

地膜覆蓋可以有效改善表層土壤的水熱特性。本研究得出棗園各土層土壤溫度日差幅均隨著土壤深度增加逐漸減小，差幅主要在40 cm以上土壤，且地膜覆蓋在棗樹生育中前期顯著增加了0～40 cm土層土壤溫度日差幅、平均土壤溫度，這與馬樹慶等[22]研究得出地膜覆蓋能顯著提高玉米地土壤溫度，縮短玉米的生育進程結論一致。地膜覆蓋對棗樹的保溫作用主要體現在果實發育期中期之前，之后保作用減弱，尤其是深層土壤，基本無保溫作用，但也有研究表明，地膜在整個生育期保溫效果都比較明顯[23]。棗樹全生育期土壤溫度呈現先增大后減小的變化趨勢，生育前中期，淺層土壤溫度高于深層，生育中后期，深層土壤溫度高于淺層，這主要是由于隨著土層深度增加，土壤時滯效應造成土壤溫度對大氣溫度響應推后且越來越小；陳繼康等[24]得出土壤溫度對氣溫響應變化隨土壤深度增加具有時滯效應，2.5～80 cm土層土壤深度每增加5 cm，土壤溫度滯后1.2 h左右。

大量研究結果表明，塑料地膜覆蓋能夠有效提高耕層0～40 cm土層土壤含水率，為作物生長發育提供良好的水分環境[25]。本文研究表明地膜覆蓋節約水量207.30 mm，花期持續時間最長，比無覆蓋騰發量減少87.39 mm，但萌芽期無覆蓋與地膜覆蓋的階段騰發強度差值最大，這與白麟[26]研究梨棗樹全生育期覆膜處理比無覆蓋處理耗水量低44.6%，其中萌芽期耗水低66.8%的研究結果類似。由于棗樹為多年生果樹，地膜覆蓋提高土壤溫度，是否有利于病蟲源安全過冬，為來年的棗樹生長帶來病蟲災害的隱患還需進一步研究。本試驗為第一年，地膜覆蓋對棗樹的生理生長影響不夠明顯，應對棗樹做連續地膜覆蓋處理，此外，地膜覆蓋可改變作物生長的微環境，促進地下根系和地上莖葉的協同生長，提高作物產量[27]。應進一步結合棗樹產量、土壤微生物量等指標進行監測，系統分析地膜覆蓋對棗樹生長環境及生長指標的影響程度。

4 結 論

1)地膜覆蓋增加了棗園淺層土壤日變幅和平均土壤溫度。地膜覆蓋與無覆蓋棗樹在各生育時期0～100 cm土層土壤溫度日差幅均隨著土壤深度增加逐漸減小，差幅主要體現在40 cm以上土層。0～40 cm土層土壤溫度日差幅、平均土壤溫度均表現為地膜覆蓋>無覆蓋，均隨生育期及土壤深度的增加逐漸減小，地膜覆蓋較無覆蓋處理表層土壤溫度(0～10 cm)在全生育期內提高3.32℃。

2)地膜覆蓋降低了棗樹的作物系數。地膜覆蓋處理棗樹作物系數在全生育期均小于無覆蓋處理，其變化規律一致，均呈現單峰趨勢。棗樹作物系數差值呈現由大變小的規律，由萌芽期的0.4逐步降低至成熟期的0.19。兩處理作物系數最大值均出現在果實發育期，分別為1.27、1.00，最小值均出現在苗期，分別為0.82、0.42。

3)棗樹日內逐時、全生育期逐日騰發強度均呈單峰變化的規律。無覆蓋與地膜覆蓋棗樹萌芽期騰發強度差異最明顯，分別為2.75、1.42 mm·d-1，地膜覆蓋僅占無覆蓋棗樹的51.63%，說明地膜覆蓋節水作用在生育前期表現較明顯。兩處理棗樹全生育期逐日騰發動態高峰期出現在花期后期、幼果期、果實發育期前期，棗樹花期騰發量分別為283.68、196.29 mm，此階段騰發量差值最大，相差87.39 mm；全生育期內騰發總量分別為724.74、527.44 mm，地膜覆蓋節約水量207.30 mm；兩處理棗樹幼果期、果實發育期耗水量總量分別占全生育期總騰發量的69.14%和70.83%。