不同覆膜寬度對棉花農田環境的影響

李雪玲,郭俊先,陳 莉,宋鶴嶺,張 眾

(1.新疆農業大學機電工程學院,烏魯木齊 830052;2. 沙灣市農業技術推廣中心,新疆沙灣 832100;3. 沙灣鄉村振興大數據運營有限公司,新疆沙灣 832100)

0 引 言

【研究意義】新疆屬溫帶大陸性干旱荒漠氣候,為棉花的生長提供了有利環境[1]。新疆棉花生產中,多采用膜下滴灌模式。膜下滴灌條件下水分是控制作物正常生長發育的關鍵因素[2-4]。土壤含水量影響棉花植株光合作用與產量,隨著土壤含水率的增大,棉花植株地上部分光和物質積累量也會增大,以及棉花單株鈴數隨著土壤水分的增加也顯著增長[5]。覆膜寬度、地溫與土壤中的水分含量之間存在相互影響與相互制約的關系[6]。地膜覆蓋在地面上形成一層保護膜,阻隔水分在土壤和大氣之間的流動,減少水分直接蒸發,并通過聚集降水增加土壤含水量,滿足作物生長對水分的需求[7-9]。地膜覆蓋可提高植株的水分利用效率,可以大幅增加不同土層間土壤溫度,土壤溫度轉變進而會影響氣態水的運移;還可以顯著攔阻土壤水分向大氣蒸騰散發,降低土壤表層水分的無效散失[10]。地膜覆蓋吸收太陽輻射,提高了土壤溫度,減少了土壤能量散失,使土壤熱量處于收支平衡的狀態,適宜的土壤溫度能促使種子萌芽,提高農作物的出苗率,縮短作物的生育進程,促進作物生長發育從而達到提高作物產量的目的[11-14]。有研究從不同覆膜寬度對棉花土壤水分及地溫的影響做了分析[15]。當大氣中的溫度與地膜內溫度相差較大時,土壤溫度下降幅度就越大[16]。【本研究切入點】目前通常在1.25 m窄膜或2.05 m寬膜覆蓋的情況下有研究,而對于4.4 m超寬地膜覆蓋下的研究還比較少。需研究以2.05 m寬膜與4.4 m超寬膜2種膜寬覆蓋下對棉田土壤水分及溫度影響。【擬解決的關鍵問題】采用土壤墑情監測儀,實時監測土壤中水分、溫度實時狀況,分析4.4 m超寬膜對土壤水分及地溫等農田環境產生影響,為4.4 m超寬膜的推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1．1 材 料

試驗于2021年的4～11月在新疆沙灣縣農業試驗基地(85°42' 39″E,44°18' 41″N,海拔 490 m) 進行。新疆沙灣地區的年降雨量少且年蒸發量大,年降雨量在140～350 mm,年蒸發量 1 500～2 000 mm,無霜期在170～190 d,地下水埋深度在5 m 以下,沙灣地區日照時數充足,年日照時數為2 800～2 870 h,土壤為砂壤土,土壤肥力中等,屬于溫帶大陸性干旱荒漠氣候。選擇棉花品種為源棉11號。表1

表1 試驗區土壤物理狀況

1．2 方 法

1．2.1 試驗設計

試驗共設2個處理,處理1采用(膜寬為4.4 m)1膜12行的種植模式;處理2采用(膜寬為2.05 m)1膜6行的種植模式。4.4 m超寬膜與2.05 m寬膜均選用行距配置為(66+10) cm。采用五點取樣法,每個處理設置5個重復。在棉花的整個生育期共灌水12次,灌溉定額4 200 m3/hm2,均采用膜下滴灌方式,苗期滴水3次 ,蕾期滴水2次,花鈴期需水量較大,共滴水5次,吐絮期需水量較小,滴水2次,在滴水時,同時滴入肥料。

1．2.2 測定指標

1．2.2.1 生長指標

棉花三葉期開始到花鈴期測定株高,株高用鋼直尺測量,精度為0.01 mm。測量從子葉節到主莖頂端的高度,在10個小區內選取15株長勢均勻的棉花并做好標記,每3～5 d測1次。在棉花吐絮期記錄棉株主莖果枝數量以及果枝始節的位置和高度。在地面以上5 cm的棉花莖稈處打上標記,在標記處對15株棉花莖粗進行測量。苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期從2種覆膜寬度處理中所設置的破壞性小區中選取連續且長勢均勻的棉株6株,按莖、葉、蕾、花、鈴、根等器官分開,利用葉面積儀測量葉面積,用Image J軟件計算其葉面積。將棉花根系泥土沖干凈晾干,將分解后的棉花樣本分別稱重裝信封袋記錄棉花各器官的鮮重,最后放入烘箱105°殺青30 min后,轉換為80C°烘干至恒重,冷卻后測定植株各器官干物質重。

1．2.2.2 土壤水分及地溫測量

采用土壤墑情監測儀實時監測土壤中水分、溫度實時狀況。同位監測連續6個土層深度(每10 cm一層)的土壤體積含水量以及連續6個土層深度(每10 cm一層)的土壤溫度。土壤含水量的測量精度為±2%,測量范圍為干土-飽和土。土壤溫度測量精度為±5℃,測量范圍為-25～80℃。墑情監測儀長度為1 000 mm,頂部寬度92 mm,傳感器外徑63 mm。設備安裝在地下80 cm處,距地面距離20 cm處。觀測地表及地表下10、20、30、40、50和 60 cm 處的地溫及土壤水分情況。觀測時間選擇每日16:00,分別讀取棉花從苗期到吐絮期各生育期內 08:00～20:00時間段的地溫變化數據、每隔2 h測量記錄0～60 cm水分的數據,分析每日水分變化。儀器采用中國東方智感公司的智墑ET60。

1.3 數據處理

試驗測得的數據利用 Excel 2010統計整理,數據分析采用SPSS19.0,繪制圖表采用Origin2021繪制圖表。

2 結果與分析

2．1 不同覆膜寬度下棉花各時期的地溫日動態變化

研究表明,4.4 m超寬膜和2.05 m寬膜覆蓋期間,棉花苗期同一土壤深度下,土壤溫度隨時間的變化趨勢相同。超寬膜覆蓋下的表層土壤溫度始終高于寬膜覆蓋下的溫度,苗期10 cm處每日溫度變化的拐點為18:00,在16:00前土壤溫度都處于升溫狀態,16:00～18:00區間溫度為一天當中最高,此時超寬膜的溫度高于寬膜平均1.38℃。而在18:00后0～10 cm處土壤溫度下降,20～60 cm處土壤還處于升溫階段。進入蕾期以后,隨著大氣溫度的增高,土壤溫度也提高;超寬膜與寬膜覆蓋下的地溫最高點都為下午的16:00,上午08:00～16:00溫度處于急速上升的狀態,16:00達到峰值。此時超寬膜覆蓋下的地表溫度為33.53℃,土層10 cm處溫度為29.93℃,超寬膜土層10 cm處平均溫度較寬膜高出1.45℃。蕾期土壤溫度為整個生育期最高的,此時4.4 m超寬膜相較2.05 m寬膜而言,棉花上部耕層增溫效果明顯。在08:00～16:00溫度增長迅速,超寬膜土層10 cm平均每小時溫度上升0.71℃,寬膜土層10 cm平均每小時溫度上升0.76℃,在20～60 cm土層深度下2.05 m寬膜溫度高于4.4 m超寬膜溫度。在棉花進入吐絮期后,沙灣地區9月溫度仍然較高;超寬膜與寬膜一天中溫度最高的時間仍然是16:00,超寬膜地表溫度高出寬膜1.15℃,在地下10 cm處溫度較2.05 m寬膜高出1.02℃。2種處理下在08:00～16:00,都處于升溫階段,在16:00～20:00都處于降溫階段。在土層深度10 cm處,2.05 m寬膜土壤溫度與4.4m超寬膜相比,下降幅度更大。較好的土壤溫度條件會促進棉花的生長,各土層溫度在整個生育中前期較高,生育后期土壤溫度逐漸下降。隨著覆膜寬度的增加,土壤增溫效果顯著。圖1

圖1 不同覆膜寬度下棉花各生育期地溫變化

2．2 不同覆膜寬度下棉花各時期不同深度土壤含水率變化

研究表明,在相同灌水量下,4.4 m超寬膜與2.05 m寬膜2種處理下變化趨勢相同,均是隨著土層深度的增加土壤中的含水率也越高。隨著覆膜寬度的增加,在苗期時,土壤各層的含水量也隨之增大,是由于在棉花生長的前期,植株生長量小,太陽光照及輻射較弱,土壤中的水分散失主要是靠土壤的蒸發且在棉花生育前期表層土壤蒸發量小,故表層土壤的水分變化最大,其次就是中間層土壤,變化最小的為深層土壤。相較2.05 m地膜覆蓋寬度,4.4 m超寬膜由于覆膜寬度寬土壤中各土層深度的水分就保持的越好。在棉花蕾期表現尤其明顯,在蕾期,超寬膜各土層深度的含水量明顯高于寬膜,土層深度50 cm處水分含量達到最大值,超寬膜為29.44%,相較寬膜高出1.24%,2種處理的變化均呈“M型”,土壤水分的分布情況較一致。進入花鈴期以后,棉花植株生長的更快,土壤中的水分消耗較快,不同深度土壤的含水率變化波動較大,此時寬膜的水分含量高于超寬膜,進入7月以后,土壤水分含量隨著覆膜寬度的增加而降低,在土層20～60 cm表現明顯,同時根系分布主要集中在這一區域,棉花的根系吸水成為了土壤水分較低的主要原因,且此時超寬膜植株生長較寬膜更快。棉花進入吐絮期后,4.4 m超寬膜與2.05 m寬膜2種覆膜寬度處理下,不同深度土壤的含水量變化趨勢一致,土壤的水分分布也一致,2種覆膜寬度在10～50 cm土層深度的土壤含水率均呈上升狀態,在60 cm處有所降低。4.4 m超寬膜覆蓋下的土壤含水率高于2.05 m寬膜,超寬膜的土壤水分分布更利于棉花整體吸收和利用水分,保墑能力更強。圖2

圖2 不同覆膜寬度下棉花各生育期內0～60 cm土壤含水率變化規律

2．3 不同覆膜寬度下棉花各時期不同土層溫度與土壤含水率關系

研究表明,不同土壤深度的平均土壤含水率與地溫之間存在交互關系。在10 cm的土層深度下,2.05 m寬膜的土壤平均含水率相較4.4 m超寬膜要低,在此深度下,4.4 m超寬膜的土壤含水率變化范圍為5.37%～15.45%,寬膜變化范圍為3.33%～10.37%。在30 cm土層深度處土壤平均含水率從棉花的苗期到花鈴期這個期間差異越來越小,在蕾期差異較大,超寬膜為22.85%,高出寬膜1.29%。在吐絮期,寬膜的土壤平均含水率略高于超寬膜。在棉花各生育期內,土壤溫度也不同,在棉花生長的前期,植株生長量小,土壤溫度主要受太陽光輻射的影響,此時,超寬膜相較寬膜增溫效果好,在棉花生長后期,植株生長量加快,超寬膜的長勢要明顯強于寬膜,受覆膜寬度影響減弱。超寬膜在土層10 cm處地溫略高于寬膜,在土層深度30、60 cm處,4.4 m覆膜寬度下的地溫變化范圍為17.26～23.24℃,寬膜地溫變化范圍為17.24～23.97℃,寬膜地溫高于超寬膜,這種現象在蕾期和花鈴期表現明顯,同時,在此階段超寬膜30、60 cm處水分含量要高于寬膜。隨著土層深度的增加,土壤溫度受太陽光輻射等因素影響減小。棉花各生育期內,在土層深度30 cm處,4.4 m超寬膜的土壤平均含水率較寬膜高出1.02%、1.29%、0.50%、0.13%,在相同深度處,4.4 m超寬膜土壤平均地溫較2.05 m寬膜低0.41%、0.53%、0.95%、0.63%,土壤中的平均含水率與平均溫度呈負相關的關系。圖3

圖3 不同覆膜寬度下棉花各生育期內10、30、60cm處土壤平均含水率及土壤平均地溫變化

3 討 論

3.1 不同覆膜寬度對棉田土壤水分的影響

生育期水量的變化反映的是不同覆膜寬度處理下的貯水能力。棉花的生長受土壤中含水率的影響,土壤水分越充足,對棉花的生理生長越有利[17]。在作物生長期,覆膜處理的植株株型較大,對水分的消耗也大,覆膜能夠降低田間土壤水分的蒸發量,但會使農田耗水量增加[18-19]。通過對地膜覆蓋下土壤蒸發的研究,地膜覆蓋能有效減少土壤水分的無效蒸發[20-21]。與研究的思路相同,在覆膜的基礎上增加4.4 m超寬膜,發現超寬膜能降低土壤表層的水分蒸發。邵春琴[22]通過對3種覆膜寬度中土壤含水率的研究發現,5、6月時,覆膜寬度越寬,土壤的含水量就越大,在7月后,土壤水分含量受覆膜寬度影響減弱,在土層0～20 cm內土壤含水量變化最明顯,且覆膜寬度越寬這種變化的幅度就越大,20～60 cm土壤含水率在整個生育期變化較大,60～100 cm變化最小。與研究結果一致,在相同灌水量下,在棉花苗期至蕾期,即7月前,隨著覆膜寬度的增加,從土層深度0～60 cm水分含量也增大,上層土壤變化最明顯;7月之后,受田間管理等因素影響,覆膜寬度不再是影響土壤水分含量的主要因素,4.4 m超寬膜相較2.05 m寬膜保水能力更強。

3.2 不同覆膜寬度對棉田土壤溫度的影響

地膜能夠將土壤表面與大氣之間的熱交換隔斷,有效的攔截太陽的輻射,減少土壤水分的蒸發,調節土壤的溫度[23]。研究中采用4.4 m超寬膜,能有效提高土壤表層溫度,在棉花生育前期作用尤其顯著。土壤的熱量來源于地面表層,太陽輻射所轉變的最大熱能即為地表的最高溫度,直接決定能向下傳遞多少能量,影響各個土層深度的溫度,其與各土層溫度的相關性水平呈極顯著的關系[24]。研究中,也是表層地溫最高,10～60 cm土層溫度逐漸下降。對土壤水分與地溫關系研究發現,土壤含水量的變化會直接影響到土壤的比熱容,從而影響地溫的變化,土壤各土層深度含水量與各層地溫基本呈負相關。含水量高時,地溫升溫慢,隨著土層深度的增加,兩者間相關性降低[25-26]。與研究結果一致,在土壤中部至下部,土壤的平均含水率與平均溫度呈負相關,土壤溫度越高則含水量越低。

4 結 論

4.4 m超寬膜在提升地溫方面效果顯著,各土層溫度在整個生育中前期較高,因為前期棉花枝葉相對較小,對膜上的郁閉程度較小;生育后期土壤溫度逐漸下降,此時棉花枝葉繁茂,受田間管理的影響,覆膜寬度對土壤溫度影響逐漸減弱。整個生育期內,0～60 cm土層深度下,4.4 m超寬膜的土壤平均含水率都高于2.05 m寬膜。超寬膜增溫保水并改善了土壤水熱條件,可用于新疆北疆地區推廣應用。