耐候地膜对陇中旱农区玉米农田的水热效应及耐候性评价

张 健，谢军红，李玲玲，康云强，杜常亮，王进斌，谢丽华，Setorkwami FUDJOE

（省部共建干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃农业大学农学院，兰州 730070）

0 引言

玉米(Zea maysL.)是中国重要的粮饲兼用作物，在粮食生产中的地位越来越重要[1]。陇中半干旱区是中国旱作农业的典型代表区域，水热资源不足，导致该区露地玉米不能完全成熟[2]。全膜双垄沟播种植模式既可以达到成沟垄作与集雨栽培的要求又有利于农田的增温保墒，该技术的应用突破了陇中半干旱区玉米种植的水热限制[3-4]，使玉米成为了当地新的主栽作物[5]，年示范推广面积达1.07×106hm2以上[6]，产量达到了10 t/hm2左右[7]，使该区粮食产量得到极大的提升。但同时，由于该项技术应用的时间长范围广，农田残膜污染已成为一个越来越严重的环境问题[8]。随着地膜覆盖面积的增加，农田中会累积越来越多的残膜，这些残膜会使土壤中水分与养分的向下运移受到阻挡，这将降低土壤的孔隙度与通透性，影响土壤中气体的交换与循环，最终使农田的耕地质量下降[9-11]。

为了充分利用地膜增温保墒的优点、同时避免传统地膜带来的残膜污染问题，有研究者提出使用可降解地膜。但是影响可降解地膜降解的因素比较多，降解时间与降解的可控性差，铺膜时易断裂，增温保墒性能差，难以满足玉米生产的需要[12]，故其也存在着缺点。相关研究表明，高强度耐候地膜在新疆棉田具有较高的增温保墒作用，与传统地膜相比能更好的促进棉花的生长和发育，且回收效率和回收后的残膜再利用效率均较高，具有很好的综合效益[13]。也有相关学者提出地膜拉伸性能对地膜回收率具有较大的影响[14]，高强度地膜使用后具有较高的拉伸强度，更有利于地膜回收[15]。然而，陇中旱农区却鲜有耐候性地膜对玉米农田水热状况、产量及残膜污染影响的研究。为此，本研究拟在陇中旱农区选择3种不同成分的耐候性PE地膜、一种传统PE地膜和一种PBAT可降解膜，研究不同地膜对农田水热状况、玉米光合特性、生长发育及产量的影响，并评价不同地膜的可回收性，基于此筛选既能增温保墒有利于玉米生长发育和产量提高又降低残膜污染的耐候性地膜，为该区玉米种植用地膜的更新换代提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2021年在甘肃省定西市安定区李家堡镇甘肃农业大学旱作农业综合实验站进行。试验区属于中温带典型的半干旱雨养农业区，平均海拔为2000m，年均太阳辐射529.9 kJ/cm2，日照时数2476.6 h，年均气温为6.4℃，≥0℃的积温为2933.5℃，≥10℃的积温为2239.1℃。试验地土壤是黄绵土，土质较疏松，pH约为8.36、土壤有机质含量为12.01 g/kg、全氮0.76 g/kg、全磷1.77 g/kg。2021年玉米生育期降雨量为213.3 mm，而多年平均降雨量为390.9 mm，2021是干旱年，全年降雨量为317.3 mm，7月和8月降雨量严重低于多年平均水平（图1）。

图1 试验区2021年生育期降雨量和多年平均月降水量

1.2 试验设计

本试验在全膜双垄沟播的基础上以地膜种类为试验因素，选择了由7042线型低密度聚乙烯（中石油石化）、7042线型低密度聚乙烯（中煤）、耐候母粒（金土地）、8656MA茂金属（埃克森美孚）等材料以不同比例生产的4种不同耐候性PE地膜(T1、T2、T3、T4)和以PBAT为主要原材料的可降解地膜(T5)为试验地膜材料，因商业机密各种材料具体成分暂不提供。T1、T2、T3为设计的耐候地膜，T4为传统的PE膜。T1、T2、T4、T5由金土地塑料有限公司提供，T3由广东星联科技有限公司提供，5种地膜的厚度均为0.01 mm。试验共设置5个处理，3次重复，15个小区，小区面积为33 m2(10 m×3.3 m)，试验采用单因素随机区组排列，4种PE地膜初始抗拉伸强度如表1，各种地膜均符合GB13735—2017标准。

表1 耐候性地膜和普通地膜初始抗拉伸强度

2021年4月15日起垄覆膜，4月27日用点播器进行播种，供试玉米品种为‘先玉335’，密度为5.25万株/hm2，生育期基施纯氮200 kg/hm2，纯磷150 kg/hm2。玉米生长期内，采用人工方式进行除草，及时防治田间的病害与虫害。由于2021年干旱严重，所有处理至9月中旬全部青干，没能正常成熟，故9月20日全部收获，其他管理同大田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分的测定 在玉米6个关键生育时期用烘干法测定土壤水分，测定层次为0～5、5～10、10～30、30～50、50～80、80～110 cm。

1.3.2 土壤温度的测定 在每一小区各安置一套地温计，分别在玉米拔节期（6月22日起）、抽雄吐丝期（7月28日起）、灌浆期（8月23日起）连续3天记录5、10、15、20、25 cm处的土壤温度，记录时间为每日的8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00。

1.3.3 叶绿素相对含量的测定 分别在玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期使用SPAD-502（北京制造）测定每株玉米最大展开叶中部的叶绿素相对含量，各小区测定3株，单株测定叶子数为5片，最后求其平均值[16]。

1.3.4 叶片光合参数 分别在玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期，在晴朗天气的上午9—11点，采用GFS-3000便携式光合作用-荧光测量系统（德国WALZ公司生产）测定玉米单叶叶片光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)。各测定项目重复3次[17]。

1.3.5 叶面积指数的计算 分别在玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期各小区随机取样3株，用直尺测量每株玉米各叶片的叶长(Lij)和最大叶宽(Bij)。

叶面积指数(LAI)按公式(1)计算[16]。

式中：n为j株总叶片数；m为测定株数；ρ为种植密度。

1.3.6 干物质积累量测定 分别在玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期和灌浆期每小区取植株3株，105℃下烘箱杀青30 min，然后75℃烘干至恒重。

1.3.7 地膜抗拉伸强度测定 分别于覆膜前（4月15日）、5月15日、7月15日及收获期（9月15日）于各小区（除可降解膜）随机取纵向30 cm×横向20 cm的地膜样品1份，带回实验室。按GB/T1040.1—2006和GB/T1040.3—2006规定的方法，用电子万能试验机-CMT2501（美特斯工业系统（中国）有限公司）测定纵向拉伸负荷、横向拉伸负荷、纵向断裂标称应变和横向断裂标称应变，测样宽度为10 mm，长度100 mm，夹具间初始距离50 mm，试验速度(500±50)mm/min，拉伸至试样断裂，测出最大拉伸负荷，精确到0.01 N，重复5次，求其平均值。

断裂标称应变按公式(2)计算。

式中：ε为断裂标称应变(%)；ΔL为夹具间距离的增量(mm)；L为夹具间的初始距离。

1.3.8 产量测定 在玉米收获后按小区分别测定其籽粒产量和生物产量，最终换算为公顷产量(kg/hm2)。

1.4 数据分析

采用Excel 2016和Sigmaplot 14.0进行数据整理与作图，用SPSS 25.0进行方差分析，采用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验，采用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同地膜对土壤水分的影响

不同地膜对玉米各生育时期土壤含水率的影响如图2所示。苗期，在30～50 cm处T2与T4的含水率显著大于T5的，较T5分别增加了7.70%和8.78%；拔节期，在0～5 cm处T4的含水率显著大于T1的；大喇叭口期，在50～80 cm T5的含水率显著大于其他处理的含水率；抽雄吐丝期，各深度各处理间土壤含水率均无显著差异；灌浆期，在30～50 cm和50～80 cm处T4的处理含水率显著大于T3的；收获期，在80～110 cm处T2的含水率显著大于T4的，较T4的增加了10.67%。

图2 不同地膜对玉米不同生育时期土壤含水率的影响

2.2 不同地膜对土壤温度的影响

如图3所示，随着土层深度的增加，各处理全生育期平均土壤温度整体上呈下降趋势。T3在10 cm土层与T2在25 cm土层显著大于T4，T1、T2、T3与T4不存在显著差异。T5在15 cm及以下土层均为最低值，且在25 cm土层显著低于其他处理，在15、20、25 cm土层分别较其他处理降低了0.5～1.4、0.3～1.1、1.0～2.3℃。

图3 不同地膜对玉米全生育期不同土层土壤平均温度的影响

2.3 不同地膜对玉米叶绿素相对含量和叶面积指数的影响

由图4可知，玉米叶片叶绿素相对含量随着生育期的推进呈现先增加后降低的趋势。T1、T2、T3的叶绿素相对含量在拔节期、抽雄吐丝期和灌浆期均高于T4，且在灌浆期均显著高于T4，较T4分别增加了11.06%、14.20%和19.39%。T5在拔节期之后与T1、T2、T3不存在显著差异。叶面积指数整体上呈增加趋势（图4）。拔节期、大喇叭口期、灌浆期T1、T2、T3、T4的叶面积指数均显著大于T5，抽雄吐丝期各处理间无显著差异。T1、T2、T3、T4的叶面积指数在拔节期、大喇叭口期、灌浆期较T5分别增加了50.98%～96.08%、13.58%～19.34%、31.03%～39.66%。

图4 不同地膜对玉米叶绿素相对含量和叶面积指数的影响

2.4 不同地膜对玉米光合特性和干物质积累的影响

不同地膜对玉米光合特性的影响如表2所示。拔节期，各处理间光合特性均无显著差异。大喇叭口期，Pn表现为T1、T2显著大于T4，T1、T2较T4分别增加了48.08%和25.66%；Tr表现为T1显著大于T4，较T4增加了44.64%；Gs与Pn表现相同。抽雄吐丝期，T5的Tr显著大于T4，较T4增加了32.08%。灌浆期，T4的Pn、Tr和Gs均为最大值，且其Tr与Gs显著大于T1、T2、T3，其Pn显著大于T3。不同地膜对玉米干物质积累量随着生育期的推进呈增长趋势，在灌浆期达到最大值，除拔节期外，T1、T2、T3与T4干物质积累量无显著差异，而其他处理在大喇叭口期和灌浆期的干物质积累量均显著大于T5。T5在各生育时期的干物质积累量较T1～T4处理分别减少了27.27%～48.95%、29.39%～37.93%、20.72%～34.83%、43.36%～48.05%。

表2 不同地膜对玉米光合特性和干物质积累的影响

2.5 不同地膜对玉米产量及产量构成因素的影响

由表3可知，在产量方面，T1、T2、T3的籽粒产量显著大于T5，与T4无显著差异，从大到小的顺序为T2＞T1＞T4＞T3＞T5。T1、T2、T3、T4 籽粒产量分别较T5增加了40.41%、45.04%、27.41%和32.80%，生物产量各处理间无显著差异。在产量构成因素方面，玉米穗粒数各处理间无显著差异，大小为T3＞T4＞T2＞T1＞T5。穗数从大到小的顺序为T2＞T1＞T4＞T3＞T5，T1、T2处理显著大于T5，分别较T5处理增加了52.83%、54.72%；百粒重从大到小的顺序为 T2＞T3＞T4＞T1＞T5，T1、T2、T3、T4显著大于 T5，分别较 T5增加了13.69%、14.83%、14.45%、13.69%。

表3 不同地膜对玉米产量及产量构成因素的影响

2.6 不同PE膜的耐候性动态变化

如图5所示，各种PE膜的耐候性物理参数在覆膜后第1次取样(2021.5.15)即1个月内与初始值(2021.4.15)相比无明显下降，在第2次取样(2021.7.15)即覆膜3个月后开始出现明显下降。初始纵向拉伸负荷与横向拉伸负荷T2处理显著大于其他处理；初始纵向断裂标称应变T4处理显著大于T2、T3；初始横向断裂标称应各处理间无显著差异。初始纵向拉伸负荷最小的为T3处理，3.1 N；横向拉伸负荷最小的为T4处理，2.1 N；纵向断裂标称应变最小的为T2处理，320.8%；横向断裂标称应变最小的为T3处理，722.1%。第3次取样(2021.9.15)即玉米收获后，T1、T2、T3的纵向拉伸负荷显著大于T4。除了纵向断裂标称应变外，T4的纵向拉伸负荷、横向拉伸负荷与横向断裂标称应变均为最低，分别为1.4 N、1.9 N和364.0%。拉伸负荷降低最多的是T2，断裂标称应变降低最多的是T4。各项指标除了横向断裂标称应变外，T1的纵向拉伸负荷、横向拉伸负荷以及纵向断裂标称应变均最大。

图5 不同PE膜的耐候性动态变化

3 讨论

3.1 耐候性地膜对玉米农田的水热效应及产量的影响

农田中土壤的水热状况是影响作物生长发育最主要的因素，作物产量通常是二者综合作用表现出的结果[18]。地膜覆盖可以降低玉米生育期内的耗水，从而提高水分的利用效率[19-23]、也可以提高耕作层土壤的温度，增加叶面积指数、干物质积累，提高了产量[24-25]。大量研究表明，地膜覆盖技术可以提高玉米农田表层的土壤含水率与温度[26-27]。作物从幼苗到生长发育成熟，需水量随时都在发生变化，不仅和作物自身处于各生育期的生理特性、气象因素等有关，还应该考虑农田中土壤温度和水分的变化对作物生长的影响[28]。牟鸿燕等[29]研究发现地膜全覆盖技术在玉米整个生育期5～25 cm土层土壤温度均显著高于其他处理。本研究发现，陇中旱农区耐候性地膜与普通地膜处理下玉米农田土壤水热状况及产量无显著差异，但是降解膜全生育期的土壤平均温度在15 cm及以下土层温度均最低。可能正是由于随着时间的推移，降解膜破裂导致其增温效果下降。这与前人研究发现的降解膜随着玉米生育期的推移增温效果下降具有一致的结论[30-31]。同时，林萌萌[32]等研究不同生物降解膜对花生光合特性和产量的影响中也发现在花生生长的中后期，生物降解膜开始破裂，地膜的保温性下降。本研究还发现，在抽雄吐丝期之前和灌浆期PE膜叶面积指数显著大于降解膜。其原因可能与也与降解膜的破裂有直接关系，因为抽雄吐丝期大气温度为全年之中温度最高的时期，所以各种地膜间在土壤温度这方面可能对玉米的生长不会有显著差异，但是在抽雄吐丝期前和灌浆期大气温度相对较低，耐候性地膜能起到增温的效果。最终表现为降解膜的破裂降低了土壤温度推迟了玉米生育期进程，降低了玉米的叶面积指数以及干物质积累量，最终导致降解膜的产量显著低于PE膜。这与孟玉等[33]研究降解膜覆盖对滴灌玉米土壤水温变化及其生长的结果一致。故耐候性地膜在陇中旱农区可以取代降解地膜，但关于取代普通地膜还需进一步讨论。

3.2 不同耐候地膜的耐候性评价

地膜原料是由人工合成的高分子化合物，在自然条件下很难分解或降解[34]。地膜使用后的力学性能指标是衡量地膜耐候性与可回收性的重要因素，若地膜使用后的拉伸力较强，不易破裂与撕裂，回收率就比较高[35]。本研究发现在地膜使用后除了纵向断裂标称应变外，T4处理的纵向拉伸负荷、横向拉伸负荷与横向断裂标称应变均最低，而各项指标除了横向断裂标称应变外，T1的纵向拉伸负荷、横向拉伸负荷以及纵向断裂标称应变均最大。这与戚瑞敏等研究发现高强度地膜在使用前后拉伸负荷和断裂标称应变指数整体上均高于传统PE膜[13]具有一致的结论。因此，耐候性地膜T1与普通地膜相比虽然不能显著提升玉米的产量，但是却可以提升地膜使用后的力学性能指标，从而提高地膜的回收率，降低环境污染。

4 结论

在陇中旱农区耐候地膜与传统地膜具有相似的水热效应，玉米产量与传统地膜无显著差异，但是耐候性地膜到作物收获后的抗拉伸强度却高于普通地膜，易于回收，有助于减轻残膜污染问题，以金土地塑料有限公司生产的耐候地膜T1效果最好，推荐应用，可降解膜增温效果有限，会降低玉米产量。