不同地膜覆蓋對谷子土壤水熱動態及酶活性的影響

馬曉楠，楊振興，周懷平，解文艷，劉志平，胡雪純

（山西農業大學 資源環境學院/省部共建有機旱作農業國家重點實驗室（籌），山西 太原 030031）

谷子是山西省第一大雜糧作物，全省播種面積233 345 hm2，在山西省旱作農業中占有重要的地位。山西省地處黃土高原，雨熱同季、晝夜溫差大，與谷子生長需求相吻合，使得該省生產的小米具有優良的口感和品質。但是，山西省常十年九旱，年降水量僅有400～600 mm，且降雨季節分布不均。而谷子播種時期往往干旱缺水，且蒸發量很大，使得谷子在苗期常處于水分脅迫的條件之下。因此，充分利用播種前的降雨，實現高效節水，是山西省農業可持續發展的必經之路。地膜覆蓋作為一種常用的耕作技術，具有蓄水保墑、調節地溫的作用。研究發現，干旱地區覆蓋地膜，可在地表形成一層密閉的物理隔層，有效阻斷土壤水分垂直向上蒸發，促進土壤水分橫向運移，改善土壤墑情，達到秋雨春用的目的。與裸地相比，地膜覆蓋土壤含水量明顯偏高。對山西旱作區冬小麥的研究表明，地膜覆蓋能使冬小麥增產11.7%～13.9%。另外，覆蓋黑色地膜還可增加耕層土壤溫度，改善土壤物理性狀[1-3]。前人對不同類型地膜覆蓋與裸地土壤含水量高低和土壤溫度變化研究已有報道，但對不同覆膜措施下旱地谷子各個生育期土壤水熱動態變化研究較少。

地膜覆蓋改善了土壤水、肥、氣、熱，使土壤微域生態環境發生變化[4-5]，從而改變了酶活性。土壤酶在養分循環、生理代謝和能量轉化過程中起著至關重要作用。酶活性高低往往代表著土壤結構和理化性狀的好壞。要凱等[6]研究發現，溝壟覆膜能不同程度提高馬鈴薯土壤過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶活性。目前關于玉米、馬鈴薯等作物不同耕作覆膜措施對土壤酶活性的影響均已有報道，但是對谷子農田土壤覆膜措施下酶活性研究較少，將不同覆膜措施下旱地谷子各個生育期的土壤水熱動態變化與酶活性共同進行研究的更加鮮有報道。

當前，聚乙烯薄膜是應用最為廣泛的一種地膜。然而，由于它在自然環境中難以降解同時處理過程既昂貴又耗時，殘留的聚乙烯薄膜往往被農民未加適當處理就直接就地焚燒。多年來，聚乙烯薄膜使用量的增加和不當處理產生了大量的殘留物，并造成了嚴重的土壤和環境問題，稱為“白色污染”。而生物降解地膜的降解特性穩定，具有良好的保溫和增產效果，是替代聚乙烯薄膜的理想選擇[2]。生物降解地膜分為兩大類，一類是PLA/PBAT 生物降解地膜（主要成分為聚乳酸/己二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇酯），PLA 和PBAT各自的缺陷得到互補，具備較好的機械性能、拉伸強度和較快的降解速度，對該生物地膜穴播技術研究已有一定報道[7-8]；另外一類是以PBAT（主要成分為二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇）為主要材料的全生物降解地膜，能夠被徹底分解成為CO2和H2O，更加干凈安全，具有廣泛的應用前景。

本研究以普通地膜、生物降解型地膜、全生物降解型地膜為材料進行了不同類型地膜覆蓋試驗，分析對比了不同地膜覆蓋措施對土壤水熱狀況、土壤酶活性和谷子產量的影響，探索生物降解地膜替代普通地膜的可行性，旨在為當地選擇谷子高產和生態適宜的地膜覆蓋技術提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020 年在山西省朔州市紅旗農牧場進行，試驗地位于雁門關外，大同盆地南端（39°12′N、112°25′E）。該區域屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫7.3 ℃，全年日照時數2 862.6 h，無霜期100～140 d。2020 年平均降水量415.2 mm，全年降水少且分配不均，主要集中在夏季，蒸發量大，風沙大，十年九旱。該區域土壤類型為栗褐土。

1.2 試驗材料

供試谷子品種為晉谷59 號，山西大豐有限公司生產。

1.3 試驗設計

試驗共設計4 種地膜覆蓋處理，即普通地膜（PE）、生物降解型地膜（BP）、全生物降解型地膜（FB）、不鋪設地膜（LD，為對照）。全生物降解地膜是以PBAT、可降解阻水劑、有機化改性蒙脫土、有機物和無機物添加劑為原料，根據配方比例混勻，在150～170 ℃下進行造粒，得到改性后的母粒，通過吹膜機吹膜，最后得到自制的全生物降解型地膜。各類型地膜參數如表1 所示。

表1 不同類型地膜的參數Tab.1 Parameters of different types of mulching film

播種時鋪設地膜，考慮到機械覆膜的方便性，小區采用大區設計，每小區面積為667 m2，在大區內假定3 個裂區。各試驗小區施肥量均為750 kg/hm2，復合肥在播種前撒施，旋耕機鎮壓后進行覆膜穴播，谷子播種密度為42 萬株/hm2。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤溫度的測定 在不同處理的試驗地插入地溫計，測定5、10、15、20、25 cm 土層的溫度，每個生育期連續測定3 d，于8：00—20：00（以8:00—20：00 溫度代替日均溫）每2 h 記錄一次,每天測定3 次，各土層的日均溫以每天3 次測定的溫度均值計算。

1.4.2 土壤水分的測定 在播前（BP）、苗期（SS）、拔節期（JS）、穗花期（SF）、灌漿期（GF）、收獲期（HS）各生育期，利用土鉆采集（0～300 cm）新鮮土樣，利用鋁盒105 ℃下烘干，稱重法測定土壤質量含水量，3 次重復，精確至0.01 g，并進行土壤貯水量的計算。

其中，W為土壤貯水量（mm）；h為土層深度（cm）；a為土壤質量含水量（%）；θ為土壤容重（g/cm3）。

1.4.3 土壤酶活性測定 分別在谷子苗期、拔節期、穗花期、灌漿期和收獲期采集土樣，在假定裂區內，利用土鉆采集0～20、20～40 cm 土樣，風干后過1 mm 篩測定土壤酶活性。脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法[9]測定；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法[9]測定；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸法[9]測定。

1.5 數據分析

試驗采 用Microsoft Excel 2011、SPSS 23.0、Origin 2019 進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同覆膜處理對谷子生育期土壤水分狀況的影響

2.1.1 不同覆膜處理對各個生育期土壤含水量垂直分布的影響 谷子平均根深在130 cm 左右，大部分根系分布在0～40 cm 土層，因此，0～40 cm 土層水分動態變化較大[10]。從圖1 可以看出，谷子的整個生育期不同土層土壤含水量的變化趨勢呈現“S”型，當土層深度增加到200 cm 以上時，4 種覆膜措施的土壤含水量變化趨于一致。

圖1 谷子各生育期的不同土層土壤含水量Fig.1 Soil water content in different soil layers at different growth stages of millet

就0～40 cm 土層而言，地膜覆蓋對谷子不同生育期土壤含水量的影響不同。谷子苗期至拔節期，3 種覆膜處理0～40 cm 土層平均含水量較LD 處理分別低4.99%、6.73%、16.56%。穗花期至收獲期地膜增墑效果明顯：穗花期PE、BP 處理0～40 cm土層平均含水量較LD 處理分別高13.61%、12.09%；收獲期PE、BP 處理0～40 cm 土層平均含水量較LD 處理分別高21.67%、20.95%。灌漿期PE 處理0～40 cm 土層平均含水量較LD 處理低18.85%，而BP、FB 處理與LD 處理含水量接近，但仍比LD 處理分別高3.65%、7.82%。這也許是受到穗花期過后降雨增多，BP 和FB 膜不同程度裂解，PE 膜降解性差的共同影響。

2.1.2 不同覆膜處理對谷子不同生育期0～40 cm土層土壤貯水量的影響 谷子是須根作物，根系生長導致谷子不同生育期不同處理0～40 cm 土壤貯水量不同。由表2 可知，從谷子苗期到收獲期，PE、BP、FB 處理0～40 cm 土層總貯水量分別比LD 處理高6.37%、4.83%、0.79%。由于拔節期谷子耗水量大，同時穗花期前降雨較少，覆膜土壤墑情明顯不如LD 處理，拔節期PE、BP、FB 處理0～40 cm 土層貯水量分別比LD 處理低8.96%、15.56%、16.28%。收獲期PE、BP、FB 處理0～40 cm 土層貯水量分別比LD 處理顯著高21.17%、20.59%、21.21%（P＜0.05）。由于谷子生育期較短，在整個生育期普通地膜幾乎未降解，生物降解地膜并未降解完全，因此，仍具有保墑作用。同時拔節期到收獲期BP、FB 處理0～40 cm 土層貯水量間無顯著性差異，說明2 種生物地膜透水效果接近。

表2 各處理在谷子不同生育期貯水量變化Tab.2 Changes of water storage in different growth stages of millet under different treatments mm

2.2 不同覆膜處理對谷子土壤溫度的影響

2.2.1 不同地膜覆蓋對土壤日間溫度的影響 以谷子拔節期為例，對不同覆膜處理5、10、15、20、25 cm 等5 個土層溫度進行對比。由表3 可知，地膜覆蓋均可提高土壤溫度，但是不同材質地膜的增溫效果明顯不同。PE、BP、FB 處理在近地表5 cm 處的土溫日較差分別可達20、19、19.5 ℃，分別比LD 處理高5、4、4.5 ℃。隨著土層深度增加，土壤增溫表現出滯后性，不同處理之間溫度差異不顯著。不同土層日變化幅度總體規律為FB＞PE＞BP＞LD。BP 膜因受添加劑影響而使得顏色呈現乳白色，透光性較FB 差，使得其對土溫影響受到限制[11]。

表3 谷子拔節期5～25 cm 土層土壤溫度日變化Tab.3 Diurnal changes of soil temperature at 5-25 cm depth during millet jointing stage ℃

續表3 谷子拔節期5～25 cm 土層土壤溫度日變化Tab.3（Continued）Diurnal changes of soil temperature at 5-25 cm depth during millet jointing stage ℃

2.2.2 不同地膜覆蓋對同一生育期不同土層溫度變化的影響 為了探究不同材料地膜覆蓋對土壤日溫變化的影響，選擇谷子各生育階段具有代表性的時刻，進行當天各代表性時刻溫度測定，從而計算出各生育期日均溫。由圖2 可知，在谷子整個生育期，隨土層深度增加土壤溫度逐漸下降。隨著谷子生育期的進行，土壤溫度逐漸下降。谷子不同生育期覆膜處理對土壤溫度的影響不同。苗期PE、BP、FB 處理比LD 處理分別高19.1、10.6、8.6 ℃；拔節期PE、BP、FB 處理比LD 處理分別高13.4、9.1、17.1 ℃；灌漿期PE、BP、FB 處理比LD 處理分別高9.0、3.6、4.2 ℃。苗期外界溫度較低，覆膜有效提高了土壤溫度。拔節期由于地膜覆蓋下谷子根系生長良好，地面覆蓋度增加，陽光無法直射地面，由于地膜的保溫作用，有效提高了土壤溫度。灌漿期由于降雨作用，使得外界環境溫度低，而地膜覆蓋的保溫作用使得覆膜下耕層溫度高于裸地溫度。穗花期PE、BP、FB 處理土壤溫度均比LD 處理分別低0.9、10.9、10.6 ℃。7 月份外界溫度高，地膜能夠有效阻擋太陽直射，因此，地膜覆蓋下溫度低于裸地溫度。收獲期PE 處理土壤溫度較LD 處理高4.8 ℃，而BP、FB 處理與LD 處理相比土溫變化不明顯。這主要是由于隨谷子生長，生物地膜破裂程度增加，使得其溫度變化與裸地近似一致。

圖2 不同覆膜處理下谷子各生育期5～25 cm 各土層土壤日均溫動態變化Fig.2 Dynamic changes in daily average soil temperature at 5-25 cm depth during the growth period of millet under different film mulching treatments

2.3 不同覆膜處理對谷子各個生育期土壤酶活性的影響

由圖3 可知，在谷子各個生育期，PE、BP、FB處理土壤脲酶活性比LD 處理均有不同程度提高。苗期BP 處理與LD 處理脲酶活性差異不顯著，PE、FB 處理脲酶活性較LD 處理分別顯著提高46.3%、69.2%（P＜0.05），FB 處理脲酶活性比BP 處理顯著提高44.0%（P＜0.05）。拔節期BP、FB 處理脲酶活性與LD 處理間差異不顯著，BP 與FB 處理間差異也未達到顯著水平。穗花期PE、BP、FB 處理脲酶活性較LD 處理分別顯著提高11.0%、9.0%、22.6%（P＜0.05），BP 與FB 處理之間脲酶活性也存在顯著差異（P＜0.05）。灌漿期BP 與LD 處理間脲酶活性差異不顯著，而PE、FB 處理較LD 處理脲酶活性分別顯著提高27.1%、14.5%（P＜0.05）。成熟期PE、BP 處理脲酶活性較LD 處理分別顯著提高53.3%、35.5%（P＜0.05）。總體來說，PE 處理脲酶活性較LD 處理在整個生育期均顯著性提高，而BP 和FB 處理脲酶活性隨生育階段進行與LD 處理間差異逐漸減小。由此可見，PE 處理對土壤脲酶活性的影響要高于BP 和FB 處理。

圖3 不同覆膜處理對谷子不同生育期土壤酶活性的影響Fig.3 Effects of different film mulching treatments on soil enzyme activities at different millet growth stages

由圖3 可知，PE、BP、FB 處理土壤堿性磷酸酶活性較LD 處理在各個生育階段變化規律有所不同。苗期PE、BP、FB 處理堿性磷酸酶活性較LD 處理分別顯著增加46.1%、16.9%、35.7%（P＜0.05）。拔節期PE 處理堿性磷酸酶活性比LD 處理顯著增加11.1%（P＜0.05），而BP、FB 處理則比LD 處理分別顯著降低11.8%、0.4%（P＜0.05）。穗花期PE處理堿性磷酸酶活性較LD 處理顯著增加37.7%（P＜0.05），BP、FB 處理與LD 處理間差異均不顯著。灌漿期PE、BP、FB 處理堿性磷酸酶活性較LD處理分別顯著增加26.2%、16.5%、37.6%（P＜0.05）。收獲期PE、BP 處理堿性磷酸酶活性較LD 處理仍表現出顯著增加，分別高10.6%、22.2%（P＜0.05），而FB 處理則較LD 處理顯著降低0.8%（P＜0.05）。

另外，除谷子穗花期外，其余生育期堿性磷酸酶活性在BP、FB 處理之間的差異均達顯著水平，具體表現為：苗期、拔節期、灌漿期BP 處理堿性磷酸酶活性分別比FB 處理顯著降低16.1%、0.8%、18.2%（P＜0.05），而收獲期BP 處理則比FB 處理顯著增加32.9%（P＜0.05）。

由圖3 可知，在谷子整個生育階段，PE、BP、FB覆膜處理土壤蔗糖酶活性較LD 處理均有不同程度的增加。苗期、拔節期、穗花期、灌漿期PE、BP、FB處理蔗糖酶活性較LD 處理分別顯著增加15.89%、8.98%、10.78%，22.41%、13.12%、14.21%，14.59%、66.30%、84.90%，92.5%、48.0%、57.2%（P＜0.05）。收獲期PE、BP 處理蔗糖酶活性較LD 處理分別顯著增加46.5%、30.9%（P＜0.05），而FB 處理較LD處理則顯著降低14.3%（P＜0.05）。這表明不同覆膜方式在一定程度上可以提高蔗糖酶活性。但是，由于地膜材料的不同，對其影響也出現了不同的差異性。苗期到灌漿期，BP 與FB 對蔗糖酶的活性無顯著影響，但在收獲期二者之間具有明顯差異，這主要是由于地膜降解程度不同導致。

2.4 不同地膜覆蓋對谷子產量影響

由圖4 可知，PE、BP、FB 處理谷子產量較LD處理均顯著提高（P＜0.05），分別提高34.67%、32.66%和30.42%，而PE、BP、FB 處理三者之間谷子產量差異不顯著。

圖4 不同覆膜措施對谷子產量的影響Fig.4 Effects of different mulching measures on millet yield

3 討論

3.1 覆膜對土壤水分動態變化的影響

地膜覆蓋后，能夠減少土壤水分的垂直蒸發，改善田間小氣候[10]。谷子在耕作層根系分布多[11]，生育前期根系主要分布在0～20 cm，拔節期根系生長加速，穗花期后根系扎的較淺，因此，在0～40 cm土層水分變化大。本試驗也驗證了這一點。本研究發現，拔節期在降雨少的情況下，地膜覆蓋下0～40 cm 土層的貯水量迅速降低。穗花期開始，谷子生長加速，植株棵間蒸發強度增加，地膜覆蓋下0～40 cm 土壤貯水量均高于LD。以上結果表明，地膜覆蓋可以降低土壤水分的無效蒸發[12]，達到保墑的目的，進而協調土壤蓄水與作物生長用水間的矛盾[13-15]。總之，不同覆蓋措施對土壤水分起到了調節作用，生育前期谷子發育緩慢，需水少，后期對水分需求增加，地膜覆蓋將土壤中無效的水分轉化為植物蒸騰所需要的水分，使水分被谷子高效利用[16-17]。

對不同土層水分動態進行分析可得，200 cm 以上3 種覆膜之間含水量變化接近，說明地膜覆蓋對深層水分的影響不大，但是該層以下土壤含水量增加，這可能與當地200 cm 以上土壤質地偏黏、保水性強有關。

3.2 覆膜對土壤溫度動態變化的影響

地膜覆蓋后，由于地膜的阻隔作用，減少了地面蒸發和輻射散熱，有效提高土壤耕層溫度[8]。同時，地膜的增溫效應將直接影響谷子根系生長[18]。但是由于制備地膜的材料不同，造成不同覆蓋措施下土壤溫度變化也有所差異。除此之外，土壤溫度還受到耕作方式和降雨、光照、谷子植株覆蓋程度等的綜合影響，這使得地溫隨生育期的變化而變化[17-18]，地膜覆蓋的增溫效果直接影響谷子根系生長和土壤的蒸發效率[19-20]。本研究結果顯示，PE、BP、FB 土壤溫度日較差比LD 大，這與郭大辛等[16]研究一致。3 種地膜覆蓋均能有效提高土壤溫度，PE 膜覆蓋下，呈現持續增溫的效果，生育后期BP與FB 膜增溫效果降低，但仍具有一定的增溫效果，與前人研究一致[21]。這是因為聚乙烯塑料在自然環境中降解緩慢，而生物膜降解效果較好。BP 與FB 膜隨時間的推移增溫效果減小，尤其是FB 膜處理，這與地膜的降解程度密切相關。因此，生物降解地膜的增溫效果與普通地膜相似，在谷子整個生育期均能提高土壤溫度，但是隨時間的延長，提升幅度降低[22]。土壤表層各覆膜處理之間變化趨勢差異明顯，隨土層深度增加，土壤溫度差距減小，這說明覆膜對土溫影響隨土壤深度增加而減弱。不同土層均在拔節期表現出土壤溫度達到最高，這除了與氣溫升高有關之外，還可能是由于植株覆蓋面積較小，拔節期較苗期雨水增多，膜內有較高的水蒸氣，阻礙了太陽長波輻射的反射，使得土壤溫度較高[23]。已有研究表明，隨著植物冠層的完全建立，植株截獲一部分光照，同時降雨增多，使得地膜覆蓋的增溫效果降低，從而導致土壤溫度較生育前期溫度有所降低[24]，這與本研究一致。

3.3 不同覆蓋措施對土壤酶活性的影響

土壤的水熱條件、空氣通透性、作物的生長發育等外界環境均對酶活性有影響，地膜覆蓋能有效調節農田的小氣候，從而對酶活性產生影響[25]。前人關于不同生育期對各種土壤酶活性的研究結果不盡相同[26-28]，一些研究發現，覆膜栽培措施有利于提高土壤酶活性及產量[29-30]，這與本試驗研究結果一致。本研究中，土壤脲酶活性先有所降低，這可能是由于土壤中含水量增加，谷子根系生長旺盛，導致根系對養分吸收加劇，脲酶催化尿素產生二氧化碳以及氨，同時土壤呼吸加劇，二氧化碳分壓加劇，從而使得脲酶活性下降，尤其是覆膜后會導致土壤pH 值降低，從而抑制了土壤脲酶活性[31-32]。土壤堿性磷酸酶活性呈現先降低后升高的趨勢，這與白雪等[11]研究不一致。其原因在于拔節期之前降雨少，土壤含水量低，土溫過高，影響酶活性[33]。蔗糖酶活性隨谷子生長，地膜覆蓋微生物和酶活性不斷增加，收獲期達到最高值。由于蔗糖酶活性與pH 值呈負相關[34]，地膜覆蓋會導致土壤pH 值下降[35]，所以，蔗糖酶活性上升。

隨著谷子生長，脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性增加，根系分泌大量土壤微生物和酶所需要的營養物質，且地膜覆蓋為微生物生長提供了良好的環境，因此，覆膜處理各個時期土壤酶活性均顯著高于LD 處理。由于地膜材料不同，FB 通透性好于BP[36]，土壤水熱平衡狀況好，且降解效果較好，在收獲期前，脲酶和蔗糖酶活性均是FB＞BP。PE 膜處理的土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性與LD 之間的差異在整個生育期均顯著，這主要是由于PE 膜降解性差[36]，對土壤溫度及水分一直產生影響所致。而BP、FB 處理脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶與LD 之間的差異隨生育期變化而不同，這主要是因為地膜的降解性與降雨、土壤溫度均相關。另外，本研究還發現，各個生育期，BP 與FB 處理對蔗糖酶活性影響差異不顯著，說明淀粉添加劑高低對蔗糖酶活性影響不大。

3.4 不同覆蓋措施對谷子產量的影響

本研究發現，地膜覆蓋后對谷子有顯著的增產效果，這與黃燦等[37]關于地膜覆蓋與作物產量關系的研究結果一致。另外，PE 膜覆蓋谷子產量要高于FB 處理，與胡宏亮等[38]研究結果不一致。原因在于本研究用的FB 膜前期與普通地膜都具有良好的增溫性和保水性，隨著降解地膜的裂解，后期增加了土壤水分蒸發，導致土壤供應作物水分能力降低，從而影響了作物產量。

4 結論

本研究結果表明，不同材料生物降解地膜均能不同程度提高土壤的溫度、含水量和蓄水保墑能力，與普通地膜的增溫保墑效果相近。整個生育期不同覆膜措施下，不同土層的土壤含水量的變化趨勢為“S”型，當土層深度增加至200 cm 以上時，變化趨于一致。PE 處理對谷子整個生育期均有明顯的增溫效果，拔節期5～25 cm 土層均溫最高。同時3 種覆膜處理土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性較不覆膜處理在收獲期前均有顯著提高，對于堿性磷酸酶和蔗糖酶，收獲期FB 處理較LD 處理的活性分別低8.72%和14.30%；PE、BP 處理較LD 處理堿性磷酸酶活性分別高10.6%、22.2%，蔗糖酶活性分別高46.5%、30.9%。FB 處理地膜在收獲期對堿性磷酸酶和蔗糖酶活性影響減弱。另外，覆膜處理顯著提高了谷子的產量，但是3 種覆膜處理間谷子產量差異不顯著。

綜合來看，FB 相對于露地來說，保溫效果良好，保墑集雨作用更明顯，地膜覆蓋下土壤酶活性高，從而有利于土壤養分的分解和循環，為作物的生長提供更豐富的營養物質，這些結果為FB 替代PE 廣泛應用于山西谷子種植提供了科學的理論依據。