環保地膜覆蓋對甘肅中部地區土壤營養環境及玉米產量的影響

張小艷，張 芮，王建旺，唐小娟，張真榮，魏鵬程

（1.甘肅農業大學水利水電工程學院，蘭州 730070；2.甘肅省引大入秦水資源利用中心，蘭州 730300；3.甘肅省水利科學研究院，蘭州 730000）

地膜覆蓋具有提高地溫、保持土壤水分、增加土壤養分有效性、改善土壤理化性狀、延長作物生育期及提高作物產量等優勢[1-4]，目前已在糧食作物[5]、蔬菜[6]、林果業[7]等方面得到了大面積使用。地膜覆蓋對我國尤其是干旱半干旱地區農業發展發揮了巨大作用，極大地促進了作物增產增收[8]。但隨著地膜應用量和使用年限的不斷增加，地膜因無法回收再利用以及難以降解，給土壤和環境造成嚴重污染，地膜覆蓋栽培技術已從原來的“白色革命”演變成“白色污染”[9-11]。地膜殘留對土壤環境的主要危害表現在土壤理化性狀的破壞、水肥運移特性的轉變和土壤生物活性的降低。覆膜農田普遍存在土壤微塑料[12]，此外，地膜殘留還會對作物生長發育和產量產生重要影響。新型環保地膜的研發為農業綠色可持續發展帶來了新的生機。為此，國內外學者針對新型環保地膜開展了一系列研究。研究表明，生物降解膜具有和普通地膜相似的增溫保墑[13]、促進作物生長發育的作用[14]，可降解地膜可以取代普通地膜。液態地膜具有抑制雜草生長[15,16]、地表水分蒸發[17,18]，提高土壤持水保水能力的特點[19]，還兼有降解性能好、改良土壤[20]等優點?？梢娚锝到饽ず鸵簯B地膜等新型環保材料地膜在農業種植中取得了一定的效果。受區域生態環境、氣候條件、土壤性狀等因素影響，不同覆膜材料對農田土壤水熱狀況和養分分布存在較大差異。針對特定區域開展不同覆蓋模式對土壤水熱時空變化、作物生長特性的影響研究，有助于因地制宜地選擇適宜的農田覆蓋模式?，F階段關于甘肅中部地區不同覆蓋種植模式對土壤溫度、理化性狀、玉米產量等效應的研究鮮見報道。

甘肅是全國地膜覆蓋面積最大的省份之一，截止2020 年底，全省各類作物覆膜面積達193.5 hm2，地膜使用量約2.16億kg。因此，本研究在傳統農用普通白色地膜覆蓋的基礎上，增加了生物降解膜（M3）、液態地膜（M4）和黑色地布進行對比研究，研究新型環保地膜覆蓋對玉米水熱、土壤理化性狀及產量的影響，從而篩選出適合甘肅中部地區玉米種植的新型覆蓋材料，對于當地農業可持續發展至關重要。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗于2021 年4-10 月在蘭州市永登縣試驗站基地（東經102°36’，北緯36°12’）進行，試驗區地理位置見圖1，屬大陸性氣候，年平均氣溫為5.9 ℃，年均降水量為290 mm，年日照時數為2 659 h，平均無霜期121 d，土壤干容重為1.37 g/cm3，pH值為8.4，田間持水率θf為22.0%。

圖1 試驗區地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the test area

1.2 試驗設計

以大田玉米為研究對象，設普通白色地膜（M1）、黑色地布（M2）、生物降解膜（M3）、液態地膜（M4）4 種覆蓋處理，三次重復，隨機區組排列，共12 個玉米覆蓋處理試驗小區，每個小區16 m2（10 m×1.6 m），并以普通白色地膜（M1）作為對照。采用傳統畦灌灌溉，灌水定額均為380 m3/hm2。整地時使用史丹利復合肥作為底肥，使用標準為450 kg/hm2，2021 年4 月28 日播種，液態地膜在播種后進行液膜噴施，其他處理采用“先蓋膜，后播種”的種植模式，播種深度控制在4～5 cm，控制?？字睆綖? cm，行距45 cm，株距為16 cm。在玉米生育期中的拔節期追肥一次，追肥時使用尿素，標準為525 kg/ hm2。

玉米生育期劃分：苗期（4 月28 日-5 月15 日）、拔節期（5 月16日-6 月25日）、抽雄期（6 月25日-8 月5 日）、灌漿期（8月6日-9月1日）、成熟期（9月2日-10月1日）。

1.3 測定項目與方法

土壤溫度：地溫計直接測定不同處理的土壤溫度（測定層次為玉米根部土層5、10、15、20、25 cm，時間為當天的8:00、14:00、18:00）。

土壤含水率：采用烘干法測定土壤含水率。用土鉆取土，逐層測定計劃濕潤層（0～20、20～40、40～60、60～100 cm）土壤含水率。

產量：玉米成熟后按小區單獨收獲稱玉米棒鮮重，自然風干后脫粒并計產，各處理的實際產量為3次重復的平均值。

土壤養分：玉米收獲時，按《土壤樣品采集規范》[21]進行樣品采集，每個小區采用3 點取樣法均勻采取，采樣深度0～10、10～20和20～40 cm。土壤全磷采用雙酸法測定；土壤速效磷采用0.50 mol/L 碳酸氫鈉溶液浸提；土壤速效鉀用中性1.0 mol/L乙酸銨溶液浸提、火焰光度計測定。

1.4 數據處理與分析

用Microsoft Office Excel 2010 軟件處理數據，用SPSS 20.0軟件及Duncan 多重比較法進行差異顯著性分析，顯著性水平設置為α=0.05。采用Origin 2016繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同覆膜對玉米各生育期土壤溫度的影響

土壤溫度的日變化差異如圖2 所示，在苗期不同覆膜0～25 cm 土層溫度均表現為18:00＞14:00＞8:00，其中M1 覆膜溫度平均溫度最高，M3 生物降解膜在各時間段與M1 差距很小，溫差在0.23～-0.47 ℃，M4 液態地膜的溫度在各時段均最低，與M1 溫差在-2.47～-5.61 ℃。在拔節期、抽雄期、灌漿期不同覆膜平均溫度均表現為14:00＞18:00＞8:00，并且中午與傍晚的溫差變幅較小，大多小于1 ℃。除拔節期M3 覆膜在早、中溫度均高于其他覆膜外，其他時間M1 覆膜溫度平均溫度最高。成熟期不同覆膜0～25 cm 土層溫度均表現為14:00≈18:00＞8:00，各覆膜的不同時段的溫差均小于1 ℃?？梢?，不同覆膜材料在不同生育期一天不同時間的增溫效果不同。

圖2 不同覆膜對玉米各生育期土壤溫度日變化的影響Fig.2 Effects of different film mulching on soil temperature diurnal variation and growth stages

不同土層各覆膜的溫度變化如圖3所示，在苗期、拔節期各覆膜平均溫度表現為5 cm＞10 cm＞15 cm＞20 cm＞25 cm。（0～15 cm 層）以上各覆膜溫度均表現為M1＞M3＞M2＞M4，15～25 cm 層以下各覆膜溫差變幅減少，M3 覆膜的溫度最大，說明與普通白膜相比，玉米生育前期生物降解膜同樣達到較好的增溫保溫效果，這與胡敏等[22]和蘭印超等[23]研究結果類似。抽雄期、灌漿期各覆膜平均溫度表現為5 cm＞10 cm＞15 cm≈20 cm≈25 cm，M1 的溫度在各深度均最高，M2 與M4 溫度差距很小，M3 的溫度除20 cm 外均最小，這可能與生物降解地膜開始破裂保溫效果減弱有一定關系。成熟期各覆膜平均溫度表現為5 cm＞10 cm＞25 cm＞20 cm＞15 cm，各覆膜溫度差距很小，小于0.3 ℃，這時期所有覆膜都有一定程度的破裂，保溫效果均受到一定影響。

圖3 不同覆膜對玉米各生育期0～25 cm土層土壤溫度的影響Fig.3 Effects of different film mulching on soil temperature in different growth stages and soil layers

2.2 不同覆膜對玉米各生育期土壤含水率的影響

如圖4所示，在所有生育期中，M2的土壤含水率均最高。在苗期、拔節期、灌漿期各覆膜處理的含水率M2＞M4＞M1＞M3，M3 覆膜比M1 處理分別低0.98%、0.13%、1.34%，M4比M1 高2.68%、1.24%、1.07%。在抽雄期、成熟期各覆膜處理的含水率M2＞M4＞M3＞M1，M3 處理比M1 處理分別高4.21%、4.29%，M4比M1高4.98%、5.06%。說明可降解地膜、白色普通地膜對于保持土壤含水率具有相近的作用，與申麗霞等[15]結論一致。液態地膜含水率高于普通地膜、生物降解地膜處理。

圖4 不同覆膜對玉米各生育時期0～100 cm土壤平均含水量的影響Fig.4 Average soil water content of 0～100 cm soil layer among different film mulching on each growth stage

2.3 不同覆蓋材料對玉米耕層土樣養分含量的影響

各覆膜處理的速效鉀、速效磷、全磷在0～10，10～20，20～40 cm規律如圖5所示，速效鉀的含量隨著深度增加而逐漸減小，各覆膜處理速效鉀的含量為在各層都表現為M4＞M2＞M3＞M1。在0～10 cm 土層，M1 的速效鉀含量與M2、M3 差異不顯著，與M4 差異顯著；在10～20 cm 土層，M1 的速效鉀含量與M3 差異不顯著，與M2、M4 差異顯著；在20～40 cm 土層，M1 與M2、M3、M4 差異顯著。M4 比M1 各層分別增加66.75%、33.38%、28.22%；M2 比M1 各層分別增加22.68%、29.85%、19.42%；M3 比M1 各層分別增加14.14%、13.57%、16.08%。

圖5 不同覆膜對玉米土壤理化性質的影響Fig.5 Effects of different film mulching on soil physiochemical nature

速效磷含量隨著深度先降低再升高，各覆膜處理除M3 外速效磷各層含量的大小為M2＞M4＞M1，在0～10 cm 土層，M1的速效磷含量與M3差異顯著，與M2、M4差異不顯著；在10～20 cm 和20～40 cm 土層各覆膜處理差異都不顯著。M2 比M1 各層分別增加34.69%、32.14%、29.41%；M3 比M1 各層分別增加80.61%、14.29%、-11.76%；M4 比M1 各層分別增加27.55%、16.67%、3.92%。

全磷在0～10 cm 層時含量最小，M1 處理全磷含量最小，在0～10 cm，各覆膜處理差異都不顯著，10～20 cm 層M1 的全磷含量與M3、M4 差異顯著，與M2 差異不顯著；20～40 cm 各覆膜處理差異都不顯著。

不同覆膜材料對玉米耕層土壤速效鉀含量的影響均顯著；對速效磷含量的影響主要表現在0～10 cm 土層；對全磷含量的影響不顯著。

2.4 不同覆膜對玉米產量的影響

表1 為不同覆蓋材料對玉米產量的影響，其中M3 處理的千粒重、鮮重產量最大，分別為299.43 g、25 684.24 kg/hm2，M2 處理的籽粒產量最大，為14 475.52 kg/hm2。與M1 白色普通覆膜處理相比，M2、M3處理的千粒重、鮮重產量、籽粒產量均有增產，分別增加6.01%、1.52%、3.86%；30.45%、4.02%、2.56%，差異不顯著。液態地膜M4處理的千粒重、鮮重產量、籽粒產量均顯著低于M2、M3處理；千粒重、鮮重產量與M1差異不顯著，增加-46.60%、-12.95%，籽粒產量差異顯著，增加-24.41%。

表1 不同覆膜對玉米產量的影響Tab.1 Effect of different mulching planting patterns on yield of maize

3 討 論

眾多學者已通過論證[24-26]地膜覆蓋栽培可以增加土壤表層溫度。不同材質、顏色覆膜其增溫效果不同、李仙岳等[27]研究表明黑色降解覆膜增溫效果優于白色降解覆膜，蘭印超等[23]研究表明可降解地膜與普通地膜在增溫保溫、保持土壤水分方面作用相同。本研究發現，整個生育期，M1 處理日平均溫度均占優勢，在苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期M1 比M2、 M3、 M4 分 別 高2.48、 0.18、 4.44 ℃； 1.33、 0.15、0.87 ℃；0.88、1.27、0.90 ℃；1.24、1.85、1.43 ℃；0.53、0.11、、0.30 ℃。苗期溫度對出苗率很關鍵[28]，溫度過低會引起出苗難、出苗遲等問題，本研究發現M3 處理在苗期與M1溫差很小，說明生物降解膜在苗期增溫效果顯著，申麗霞等[15]在對玉米試驗研究中得出相似結論。隨著生育期推移，各處理溫差逐漸減小。不同覆膜耕層平均土壤溫度變化也不相同，苗期、拔節期土壤上層（0～15 cm）M1比M3處理溫度高0.47～2.28 ℃、而土壤下層（15～25 cm）M1 比M3 處理溫度低0.41～2.82 ℃，隨著生育期進程，二者溫度差異增大，這可能與生物降解膜逐漸破損，完整性降低有一定關系。白色地膜處理溫度高于黑色地布處理，這與前人的[29]得出的結論類似。

整個生育期內，M2的含水率最高，M4的含水率次之，除了灌漿期和成熟期，生物降解膜與普通白膜處理的土壤含水率差異較小，胡敏等[22]得出類似結論。本研究發現液態地膜含水率高于普通白膜，這與胡敏和王萍莉等人[22,16]的結論不一致，這可能是覆普通白膜土壤溫度升高，導致土壤水分蒸發加快有一定關系，也可能是液態地膜具有強效的粘附能力，較塑料地膜更有利于雨水下滲，液態地膜覆蓋具有蓄積雨水的作用[30]，保持了土壤水分。

不同覆膜對土壤理化性狀的影響不同，對速效鉀的影響最顯著，各層都有一定影響。鉀素可以增加植物抵抗力，促使植株健壯生長[31]。速效鉀的含量隨著深度增加而逐漸減小，覆液態地膜M4 種植后土壤速效鉀的含量最大，M1 的最小；氮素作為作物生長必須的因素，生育后期土壤供氮不足將導致玉米減產[32]，不同覆膜材料對速效磷的影響主要在0～10 cm層；對全磷的影響不顯著。

不同材料地膜覆蓋改變了玉米生長環境，包括土壤溫度、含水率等。本研究得出，生物降解覆膜比白色普通地膜覆蓋條件下產量提高2.56%左右，這與李仙岳和胡敏等人[27,33,34]的研究結果較為一致。M4 液態地膜處理千粒重、鮮重、籽粒產量均顯著低于其他處理，而張春艷等[35]研究表明液膜與普通地膜產量差異不顯著，這與本試驗結果不同，這可能與試驗材料及氣候條件不同有關。

4 結 論

（1）生物降解地膜覆蓋增溫效果與普通白色地膜效果相當，尤其在苗期二者溫差很小，但平均較液態地膜處理高5.52%。生物降解地膜的土壤含水率在抽雄期前與普通白膜差距較小，具有良好的保墑作用，后期保水效果減弱。整個生育期，M2 處理含水率最高，與顏色有一定關系。不同覆膜材料對土壤理化性狀的影響不同，對速效鉀的影響最顯著，各層都有一定影響；對速效磷的影響主要在0～10 cm 層；對全磷的影響不顯著。

（2）生物降解地膜與普通地膜覆蓋條件下的玉米產量相當，且顯著高于液態地膜，產量平均高26.3%。

綜上所述，覆蓋生物降解膜的耕層土壤營養環境與玉米產量均較優，是甘肅中部地區玉米種植中適宜的覆蓋材料，同時新型可降解膜存在成本高，施用過程中容易破損等問題，應該是后續研究中需要重視的問題。