不同膜上遮挡措施对旱地玉米土壤理化性状及产量的影响

王 奇 扶亚芳 司雷勇 金 岩 夏镇卿 路海东

西北农林科技大学农学院 / 农业农村部西北旱区玉米生物学与遗传育种重点实验室, 陕西杨凌 712100

西北雨养旱作地区是中国最重要的春玉米生产基地, 玉米产量占全国总产量的 17%, 其产量对保证国家粮食安全至关重要。近年来, 全球气候变暖,受气候和土壤温度升高、降雨减少、降雨分布不均匀等不利因素影响, 该区地膜玉米生育后期出现的早衰、减产等负面效应不断显现[1-3]。部分学者研究[1,4]认为, 地膜玉米后期的早衰是由于地膜增温导致玉米生育期提前, 使得玉米大喇叭口期遇到干旱, 从而导致玉米后期早衰和产量下降。而另一部分学者[5]认为, 地膜覆盖下, 由于土壤温度升高, 导致土壤的养分分解速度加快, 使得玉米生长后期养分供应不足, 从而导致玉米早衰。无论哪种研究结论, 均与地膜覆盖下玉米耕层的土壤温度升高有关。因此,土壤升温对旱地玉米生长发育及耕层土壤理化性状的影响作用必须得到重视。

土壤中各种生理性状和生化过程均受到土壤温度的影响, 土壤温度较高, 有机质分解快, 土壤温度低, 有机质分解速度慢[6-7]。Walker等[8]研究表明, 土壤温度变化 1℃就能引起植物生长的明显变化, 在一定的温度范围内, 土壤温度越高, 作物吸收养分的速度加快, 数量增加, 从而使作物生长发育加快, 生育期提前。但当土壤温度超过最适温度后, 作物根系生物量和根系长度则随温度的升高而下降, 不利于作物的生长。关于土壤温度的已有研究多是关注于覆盖方式改变后的水热整体效应[9-10], 这在一定程度上掩盖了土壤温度变化的作用效果。因此, 采取适当的降温措施, 研究地膜覆盖下土壤温度变化是否会改变玉米及耕层土壤对气候变暖的响应值得探索。

本研究在前期研究基础上, 从不改变地膜保水功能的角度出发, 研究适度降低膜下土壤温度对玉米产量形成的影响, 分析不同膜上遮挡措施下玉米耕层土壤物理化学性状变化。为进一步解析西北雨养旱作区地膜玉米后期早衰机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年和2019年在西北农林科技大学长武旱地玉米试验站进行, 该试验站地处107°38′E、34°59′N, 海拔高度1220 m, 年平均温度和降雨量分别为9.1℃和580 mm, 全年无霜期171 d, 2018年和2019年玉米生育期的降雨量和日气温如图 1。土壤为黑垆土, 平均干容重(bulk density, BD)为1.42 g cm–3,土壤0～20 cm含有机质16.56 g kg–1、速效氮46.66 mg kg–1、速效磷 18.94 mg kg–1、速效钾 158.35 mg kg–1。

1.2 试验设计

1.2.1 根区降温 设置3个处理。处理A: 地膜覆盖+膜上覆黑色遮阳网; 处理B: 地膜覆盖+膜上覆盖秸秆, 2种地膜降温覆盖措施(经测定, 玉米整个生育期可较地膜覆盖降温 1～2℃); 处理 C: 地膜覆盖,为对照。地膜采用普通白色聚乙烯地膜, 规格均为宽70 cm, 厚0.008 mm; 遮阳网为普通黑色聚乙烯网, 宽度为55 cm, 离地3～5 cm, 固定遮挡覆盖在地膜上; 秸秆为玉米秸秆切碎, 长度20 cm, 覆盖量为3000 kg hm–2, 沿小区行长均匀覆盖在地膜上。

1.2.2 试验设计 试验品种为陕单 609, 种植密度67,500株 hm–2, 采用机械覆膜、人工点播的方式播种, 小区种植6行, 行长6 m, 行距60 cm, 小区面积18 m2。按照裂区实验设计, 以品种为主区, 不同覆盖方式为副区, 共6个处理, 每个处理4次重复。

1.2.3 田间管理 试验播种方式依照当地习惯种植进行播种, 施肥水平为每公顷施纯氮 270 kg、纯P2O5150 kg。全部磷肥和40%氮肥于玉米播种前结合整地一次性施入, 60%氮肥于玉米拔节期作为追肥施入, 其他种植与管理方式同当地普通大田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤温度 于玉米拔节期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐丝期(VT)、吐丝后 25 d (R3)、吐丝后45 d (R4)和成熟期(R6), 采用曲管地温计分别按照土层深度5、10、15、20和25 cm调查一次土壤温度日变化, 观测时间为8:00—18:00, 每2 h观察1次。

1.3.2 土壤理化性状 在玉米播种前和收获后测定0～200 cm土壤含水量(gravimetric soil water content, GSW); 分别于玉米播种前、拔节期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐丝期(VT)、吐丝后25 d (R3)、吐丝后45 d (R4)和成熟期(R6)测定土壤紧实度; 于玉米播种前和收获后测定每个小区耕层(0～20 cm)土壤有机质和氮、磷、钾等养分含量。采用 CP40II、数显式土壤紧实度仪在田间地膜带直接原位测定土壤紧实度, 测定土层范围为0～10 cm, 每1 cm记录1次数据, 每个小区重复测5次。按照《土壤农化分析》[11]方法测定土壤有机质及氮、磷、钾等养分。

1.3.3 植株干物质量和绿叶面积 在拔节期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐丝期(VT)、吐丝后25 d(R3)、吐丝后45 d (R4)和成熟期(R6), 各个小区选取长势均匀、有代表性的5株植株取样, 用卷尺测量每株的单株绿叶面积, 然后将茎、叶、鞘、雄穗和雌穗分样处理, 放入烘箱105℃杀青30 min, 然后调至80℃恒温烘干至恒量后测定干物质量。

1.3.4 收获考种 成熟期调查每处理小区的实有株数、空秆率和双穗率, 收获时调查每个处理小区的果穗产量。依据单穗平均质量选取10个具有代表性的果穗进行室内考种, 调查记录穗行数、千粒重和行粒数等性状指标。同时根据10穗质量计算小区标准产量(籽粒含水率14%)。

1.3.5 水肥利用效率 玉米生育期内水分利用率(water use efficiency, WUE)按照以下公式[12]计算:

SWS (mm) = GSW×BD×H

ET (mm) = (SWS1- SWS2) + P

WUE(kg hm–2mm) = Y/ET

式中, SWS为土壤储水量, H为土层深度, ET为生育期内总耗水量, SWS1和 SWS2分别为收获后与播种前0～200 cm土壤储水量, P为生育期有效降水量, Y为籽粒产量。肥料偏生产力(kg kg–1)为玉米籽粒产量与总施肥量的比值。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2016作图, SPSS 25.0统计分析软件进行数据统计分析, 采用最小显著性差异法LSD (least significant different)法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理玉米生育期的土壤温度变化

土壤温度反映了土壤的热状况, 其主要受到太阳辐射、地表覆盖及植株生长的影响。由表 1可以看出, 2种降温覆盖处理下, 0～25 cm土层的土壤平均温度显著小于普通地膜覆盖处理(P< 0.05)。从不同的生育期来看, 玉米拔节期和成熟期的降温幅度较大, 吐丝期和灌浆期的降温幅度较小。这可能是由于玉米吐丝后冠层覆盖量大, 投射到地面的光强减弱的原因。

2.2 不同膜上遮挡措施的土壤紧实度变化

土壤(0～10 cm)紧实度随着玉米生育期的推进逐渐增大(表2), 不同处理间比较发现, 2种降温处理的土壤紧实度显著小于对照(普通地膜覆盖)处理C。随着生育期的推迟, 不同处理间土壤紧实度的差异幅度变小, 而处理A和处理B二者间无显著差异。可见在普通地膜上施加适当的遮盖降温措施能够有效降低玉米各生育期的土壤紧实度, 改善土壤通透性。而这种现象可能与普通地膜和土壤表层之间高温高湿环境所形成的膜下土壤表面板结有关。

2.3 不同膜上遮挡措施的土壤养分效应

不同处理方式对土壤中全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾和有机质含量的影响不同(表3)。2018年各处理之间土壤有机质含量差异不显著,2019年降温处理 A和处理 B均显著高于对照处理C, 分别较对照增加 2.13%和 1.77%。2年不同处理间全磷含量没有明显差异; 2018年不同处理之间全氮和全钾含量没有显著差异, 2019年处理A和处理B显著高于处理C, 分别较处理C增加7.62%、3.25%和8.50%、4.06%; 土壤中碱解氮的含量2年均表现为处理C显著高于处理A和处理B, 处理A和处理B之间没有显著差异; 2年不同处理间土壤中速效磷和速效钾的含量处理A和处理B之间没有显著差异,但处理C明显高于处理A。说明普通地膜覆盖下较高的温度加速了土壤有机质矿化和养分分解, 而适当的膜上遮挡降温措施可以延缓土壤有机质、全氮和全钾等养分的矿化及分解。

表1 不同覆盖方式下0～25 cm土层平均温度Table 1 Average soil temperature of 0–25 cm depths under different mulching patterns (℃)

表2 不同覆盖方式下各生育期土壤平均紧实度Table 2 Effect of different mulching methods on soil compactness at different growth stages (kPa)

表3 不同覆盖方式下土壤养分的含量Table 3 Soil nutrients content under different mulching methods

2.4 不同膜上遮挡措施的玉米产量效应

2.4.1 干物质积累 玉米单株干物质积累量随生育期的变化规律如图2所示, 从图2分析可知, 随着生育期的推进玉米干物质积累量呈增加趋势, 成熟期达到最大。从干物质量积累的速度来看, 在吐丝25 d以前, 各处理的干物质积累速度相对稳定, 没有明显变化。但是在吐丝25 d以后, 处理A和处理B的干物质积累量明显高于对照处理 C。不同年份间比较, 2018年玉米成熟期的干物质积累量为处理A>处理 B>处理 C, 2019年的干物质积累量为处理B>处理A>处理C, 且处理A和处理B的单株干物质积累快速增长期2018年明显早于2019年。由此可见,普通地膜覆盖下过高的土壤温度会影响玉米后期干物质的积累, 采用膜上覆盖黑色遮阳网和秸秆的降温措施可以有效的减缓普通地膜增温所引起的后期植株衰老问题, 从而增加玉米干物质量的积累。相对于雨水较多的2019年, 2018年的效果更加明显。

2.4.2 单株绿叶面积 不同覆盖方式下玉米不同时期的单株绿叶面积变化见图 3, 从图中可以看出,随着玉米生育期的推进植株绿叶面积逐渐增加, 吐丝期达到最大, 吐丝后随着植株衰老, 单株绿叶面积逐渐减少, 成熟期达到最低。不同处理间比较, 吐丝以前差异不大, 吐丝后处理A和处理B的单株绿叶面积明显高于对照处理C。处理A和处理B间比较, 差异不明显。说明与普通地膜覆盖相比, 膜上遮挡降温措施能够保持较高的光合绿叶面积, 延缓玉米吐丝后的叶面积衰减速度, 从而进一步增强玉米后期的光合物质生产, 促进籽粒灌浆。

2.4.3 产量及产量构成 不同覆盖方式下玉米的产量如表4所示, 从产量及产量构成因素的变化情况来看, 不同处理的有效穗数和穗粒数无显著差异, 但是千粒重和产量处理A和处理B显著高于处理C (P< 0.05)。不同年份间比较发现, 2019年各处理的穗粒数较 2018年明显提高, 但是千粒重较2018年略有下降; 2018年降温处理A和处理B的玉米产量较对照处理 C分别增加 8.94%和 7.97%,2019年较对照处理C分别增加3.84%和3.89%。说明膜上遮挡降温措施可以显著提高玉米粒重, 促进产量形成, 但玉米的增产幅度在不同年份之间表现不同。

表4 不同覆盖方式下的玉米产量Table 4 Maize yield under different film mulching methods

2.5 不同处理的水肥利用效率

不同覆盖方式的玉米生产水分利用效率和肥料偏生产力如图 4所示, 从图 4-a中可以看出, 处理 A和处理 B的水分利用效率均显著高于对照处理C, 但处理A和处理B之间没有显著差异, 处理A和处理B的2年平均水分利用效率分别较对照处理C提高8.17%和7.67%。可见, 处理A和处理B通过适当降低地膜玉米根区温度可更有效的促进玉米籽粒产量形成, 从而获得较高的玉米生产水分利用效率。

肥料偏生产力是土壤肥力与肥料效率的综合反映。从图4-b的分析可知, 在同一施肥水平下, 处理A和处理 B的肥料偏生产力显著高于对照处理 C,处理A和处理B二者之间虽有差异, 但没有达到显著水平。2年平均肥料偏生产力, 处理 A较处理 C提高7.24%, 处理B较处理C提高6.97%。可见, 在光热丰富的雨养旱作地区, 适当降低地膜玉米的膜内土壤温度能够提高肥料偏生产力。

3 讨论

玉米是对温度反应十分敏感的作物, 高温环境会使玉米出现徒长, 与此同时呼吸作用会消耗大量的光合物质积累, 使玉米体内营养出现逆差, 从而导致玉米早衰[13]。普通地膜覆盖会提高土壤的含水量, 然而膜下过高的土壤温度会使玉米生育期提前,后期出现早衰, 从而造成减产[14-15]。本试验研究发现, 在普通地膜覆盖的基础上, 加盖黑色遮阳网或者覆盖玉米秸秆可以在不影响保水的情况下, 有效地降低膜下土壤温度, 尤其是一天之内的最高温度。对比不同处理在不同生育时期的土壤温度发现,不同的覆盖方式对拔节期以前土壤温度的影响最大,这可能是由于玉米生育前期植株覆盖度较小, 透光率较大, 使得更多的太阳辐射到达地表, 在地膜上覆盖遮挡物对太阳辐射的遮挡效果更明显。而到了生育后期, 冠层覆盖度增大, 透光率减小[16-17], 太阳辐射到达地表的量减少, 因而不同处理之间土壤温度的差异减少。

土壤温度的变化会引起土壤微生物、酶活性等一系列土壤化学反应的变化, 进而对土壤养分含量产生影响[18]。有机质是土壤的重要组成部分, 其含量仅占土壤的很小一部分, 但它却是土壤中各种养分元素特别是氮、磷的重要来源[19], 其含量对土壤物理性状、肥力和植物生长状况有着重要影响[20],是衡量土壤肥沃程度的重要指标。本研究结果表明,在连续2年膜上遮挡下(处理A和处理B), 土壤有机质含量较普通地膜覆盖明显增加(P< 0.05), 同时土壤的全氮和全钾含量提高。这可能与膜上遮挡措施降低了膜下土壤温度有关, 地膜覆盖下较高的土壤温度增加了土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶的活性及土壤微生物的数量[21], 易导致土壤养分分解速度加快,土壤有机质和氮素等养分含量下降[22],有关土壤微生物、土壤酶活性和土壤呼吸等因素的变化还要待进一步探究。但是从土壤的紧实度变化来看, 膜上遮挡降温措施明显降低了膜下的土壤紧实度。这可能是由于普通地膜覆盖下, 当中午温度较高时, 地膜与土壤接触区形成了一个高温高湿环境, 夜晚温度降低时, 膜下水汽凝固, 土壤容易形成板结[23],从而增加了土壤的紧实度。而适当的遮挡降温可以明显缓解因太阳光的直射所造成的膜下高温高湿状况, 平抑膜下土温的剧烈变化, 进而减轻膜下土壤板结, 从而减低了土壤的紧实度。也可能是正常地膜覆盖下, 降雨直接作用在地膜上, 使得膜下土壤受到冲击, 紧实度增加, 而膜上遮挡措施阻挡了雨水对地膜的直接冲击, 减轻了对地膜及膜下土壤的作用。膜上遮挡措施对土壤紧实度的降低作用无疑为玉米根系的生长提供了适宜的疏松环境。

干物质是作物将光能转化为光合产物的最高形态, 干物质积累量大小与作物籽粒产量形成关系密切[24]。前人研究表明, 普通地膜覆盖会造成土壤温度过高, 过高的土壤温度使玉米的生育期提前, 生殖生长期缩短, 从而使玉米花后的干物质积累量减少[14,23]。本研究结果表明, 在地膜覆盖的基础上采取继续加盖遮阳网或者覆盖秸秆的降温方式, 可以有效延缓玉米吐丝后的绿叶面积衰减速率, 维持较高的群体光合绿叶面积, 促进地膜玉米生长后期干物质的积累。从不同年份来看, 降雨较少的干旱年份(2018年)较降雨较丰年份(2019年)的促进幅度更明显。张琳琳等[16]研究认为, 玉米花后干物质积累量的提高可有效促进玉米粒重的形成和产量的增加。本研究结果表明, 处理A和处理B的千粒重显著高于对照处理C, 2年平均玉米产量较对照处理C提高6.39%和5.93%。这可能正是由于适当降温措施延缓了地膜玉米后期叶片衰老, 提高了叶片光合能力,促进了籽粒灌浆, 使得玉米粒重增加[25]。Bu等[4]研究认为, 普通白色地膜增温缩短了玉米生育进程, 造成玉米早衰和产量下降, 在玉米吐丝后揭膜可以延缓玉米衰老, 提高水分利用效率。银敏华等[26]研究发现, 普通塑料地膜小麦拔节期揭膜能提高小麦产量和水分利用效率。本研究结果表明, 2种地膜膜上遮挡降温覆盖处理均可显著提高地膜玉米的水分利用效率和肥料偏生产力, 处理A和处理B的2年水分利用效率平均较处理C提高8.17%和7.67%, 肥料偏生产力平均提高7.24%和6.97%。

卜玉山等[27]研究认为, 覆盖的主要目的是增温时, 应选择地膜, 主要目的是保水时, 秸秆效果更好。在西北雨养旱作区, 玉米生长季节光热资源丰富, 地膜的主要作用是保水, 但由于地膜具有的增温效果影响, 往往导致玉米后期发生早衰。通过适当的地膜降温措施改变土壤温度, 能够影响土壤的各种理化性状, 促进玉米生长及产量形成。就不同年份的影响程度来看, 2018年的影响程度明显高于2019年, 从2年的气象资料对比可以看出, 2019年玉米生长期降雨量明显高于 2018年, 平均气温较2018年低, 这就使得普通地膜覆盖的增温效果弱化。这进一步佐证了降温措施对地膜玉米的积极效应, 尤其是在高温干旱年份, 效果可能更加显著。

4 结论

在地膜玉米的整个生育期, 采用适当的膜上遮盖降温措施可以显著降低地膜玉米的土壤温度和紧实度, 增加玉米生长后期土壤有机质与全氮、全钾含量, 提高地膜玉米的水分利用效率和肥料偏生产力。膜上遮挡降温处理能够促进玉米籽粒灌浆期的干物质积累, 显著提高玉米千粒重和籽粒产量。在光热资源丰富的西北雨养旱作区, 适当降低地膜温度有助于提高玉米产量及水肥利用效率。