不同地膜取代塑料地膜覆蓋棉花的研究

不同地膜取代塑料地膜覆蓋棉花的研究

0液體地膜覆蓋農田效應[研究意義]自20世紀80年代以來，塑料地膜覆蓋種植技術可以顯著提高棉花的產量和質量。它被稱為三大創(chuàng)新技術之一的棉花生產技術之一。然而，塑料地膜在棉花生產中的應用已造成嚴重的白色污染。因此，能否開發(fā)出新的覆蓋材料替代塑料地膜，并闡明其應用機理，是擺在科技工作者面前的一項重要課題?！厩叭搜芯窟M展】有機液體地膜（也稱多功能可降解液體地膜）是一種新開發(fā)出的高分子有機化合物，兌水噴施后，可在土壤表層形成一層黑色土膜。目前，關于采用該類產品覆蓋對作物生長發(fā)育影響的研究報道較少。曹元英等研究認為，液態(tài)地膜覆蓋可明顯提高土壤溫度，促進大豆生長發(fā)育，增產增效顯著。閆翠萍研究認為，黑色液膜覆蓋具有較好的生物學效應，較好地協(xié)調旱地小麥產量構成因素，顯著提高水分生產效率。趙海禎等研究認為，普通地膜和黑色液膜覆蓋小麥產量最高，與其他處理相比差異均達極顯著水平，原因是覆蓋可以改善土壤物理環(huán)境，提高小麥灌漿高峰期灌漿速率和功能葉光合速率。楊青華等研究認為，液體地膜覆蓋可加快棉花前期生長速度，調控和優(yōu)化棉花株型，加速棉鈴干物質積累?！颈狙芯壳腥朦c】但是該類產品覆蓋農田效應的研究還缺乏系統(tǒng)性和完整性，且研究對象和結果也存在一定的差異，尤其是液體地膜覆蓋棉花高產機理的研究尚未見報道?！緮M解決的關鍵問題】針對上述問題，本文旨在探討液體地膜覆蓋棉花高產形成的機理，以期為液體地膜在棉花生產上的示范推廣提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1田間處理與產量本研究于2001～2003年在河南農業(yè)大學科教園區(qū)進行，耕作層含有機質12.1g·kg-1，全氮0.96g·kg-1，速效磷24.2mg·kg-1，速效鉀115.3mg·kg-1。有機液體地膜由河南農業(yè)大學研制與生產，處理為：液體地膜用量75.0kg·ha-1(T1）、112.5kg·ha-1(T2）、150.0kg·ha-1(T3）、187.5kg·ha-1(T4）及塑料地膜（PF）和露地對照（CK），棉花播種后，液體地膜處理兌水20倍噴灑于播種行地面，各處理最終噴水總量相等。覆蓋度60%。試驗采取隨機區(qū)組設計，3次重復，小區(qū)面積24m2。供試棉花品種為中棉所41,4月15日大田直播，密度3.75萬株/ha，行距1.0m，株距0.27m。播前施入基肥（N、P2O5、K2O含量分別為20%、15%、15%）750kg·ha-1，苗期追施純氮34.5kg·ha-1，花鈴期追施純氮69.0kg·ha-1。其它管理措施按高產要求進行。1.2項目和測試1.2.1土壤水分含量測定使用上海氣象儀器廠生產的曲管地溫表測量5cm、10cm土層溫度，按氣象方法記載，取平均值；使用烘干法測定0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm土壤水分含量；使用環(huán)刀法于棉花初蕾期（FBS）、盛蕾期（BS）、初花期（FFS）、盛花期（FS）和吐絮期（BO）測定0～20cm土壤容重。1.2.2光合特性測定使用英國Hansatech公司生產的FMS-2型便攜調制式熒光儀，每個處理選定5株，于盛蕾期、盛花期和吐絮期晴天上午10:00～11:00時測定葉片光合特性，測定部位為主莖倒4葉，取平均值；根系傷流量于初蕾期、盛蕾期、初花期、盛花期和吐絮期采用容積收集法收集，傷流液中的氨基酸與無機磷含量分別采用水合茚三酮法和鉬藍法測定，茚三酮由上海恒信化學試劑有限公司生產，分析純；棉鈴蔗糖轉化酶活性分別于開花后10、15、20、25和30d采用3、5-二硝基水楊酸法測定，3、5-二硝基水楊酸由北京化工廠生產，化學純。1.2.3棉花罐分布各處理每小區(qū)定15株調查棉花“四桃”；于9月10日調查棉株成鈴模式圖；收獲單株絮鈴，測定鈴重和衣分；最后小區(qū)單收計產。2結果與分析2.1液體土壤覆蓋對棉土表面的物理特性的影響2.1.1土壤溫度與保水效應表1指出，各處理不同土層間地溫差異顯著，覆蓋處理均不同程度提高土壤溫度，且幅度隨著時間的延長而變小，隨著土層的加深而減弱。塑料地膜覆蓋不同土層地溫最高，與其它處理差異均達極顯著水平，5cm和10cm土層溫度較液體地膜處理分別平均增高2.8～3.2℃和2.8～3.2℃。液體地膜處理中，以T2和T3地溫較高，整個測定期內，5cm地溫較CK分別增高0.6～1.4℃和0.7～1.3℃，10cm地溫較CK分別增高0.5～1.1℃和0.3～0.9℃；T1和T4次之，T1的5cm、10cm地溫較CK分別增高0.3～1.0℃和0.6～1.2℃，T4的5cm、10cm地溫均較CK增高0.1～0.5℃。其機制是液體地膜施用后于土壤表面形成一層固化膜，該膜阻隔了土壤與外界的部分水分交換，從而消除了潛熱交換的損失，減弱了濕熱交換；同時，黑色的固化膜也有利于吸收較多的太陽能，最終使土壤熱通量增大。由于土壤溫度不僅直接影響土壤微生物的活動、有機物質的分解礦化等過程，而且還時刻影響著土壤水分、空氣和養(yǎng)分等各肥力因素的變化。因此，土壤溫度的增高不僅有利于棉花根系生長發(fā)育，而且有利于提高土壤肥力。2.1.2對土壤水分的影響土壤含水量是土壤重要的物理性狀之一，亦是作物良好生長發(fā)育的基礎。圖1表明，隨著土層加深，不同土層含水量受外界影響的程度逐漸減弱。0～10cm土層，塑料地膜覆蓋土壤含水量最高，平均為17.4%，較液體地膜處理平均增高3.31%～4.57%；而液體地膜覆蓋土壤含水量較CK平均增高0.56%～1.82%，其中T3和T2土壤含水量較CK分別增高1.82%和1.43%。10～20cm土層（除T1外）和20～30cm土層，塑料地膜與液體地膜處理土壤含水量無明顯差異，較CK分別提高1.17%～1.55%和1.16%～1.69%，而在30～40cm土層，液體地膜處理土壤含水量明顯高于塑料地膜處理，較塑料地膜覆蓋平均提高0.97%～1.25%，且液體地膜處理間無明顯差異。分析表明，液體地膜覆蓋土壤保水效應雖低于塑料地膜處理，但顯著高于對照CK。其機制為液體地膜是一種高分子有機化合物，兌水施用后在土壤表面形成了一層固化膜，該膜阻礙了土壤水分的蒸發(fā)，與塑料地膜相比，液體地膜覆蓋地面后的蒸發(fā)，本質上是有機薄膜限定下極低水平水分通量剖面控制的蒸發(fā)，是水蒸汽分子緩慢透過液體地膜覆蓋地面后形成的有機薄膜，然后散失到大氣中。這一點不同于塑料地膜完全隔絕水分，而是和秸稈覆蓋后的水分運動情況類似。此外，液體地膜施用量不同，對不同土壤層次含水量影響程度亦有明顯差異，其原因是施用量小，成膜質量較差，施用量大，成膜質量雖較高，但棉苗、雜草等出土過程中膜面受損較大。塑料地膜保水效應在0～10cm土層尤為突出，由于作物根系生長的向水性，將影響作物根系下扎，這可能是塑料地膜覆蓋作物易早衰、易倒伏的主要原因之一。從圖1還可看出，降雨前后各處理的土壤含水量增加幅度不同，如從0～10cm土層含水量在處理后12～15d的增值來看，T1、T2、T3、T4、塑料地膜和CK土壤含水量分別升高9.49%、9.23%、8.67%、9.88%、3.41%和10.69%。表明液體地膜覆蓋較塑料地膜更有利于雨水下滲土壤。其原因可能是液體地膜在成膜過程中，由于水分蒸發(fā)形成并保留的毛細孔道，成為覆蓋后雨水滲透的通道；或者是由于乳液中親水基團的存在，在接觸到有機膜上或下的水分子后，因親和達到微局部飽和，然后向水分梯度遞減的方向逐級傳遞的結果；或由于毛細孔道和親水基團的聯(lián)合作用所致。2.1.3對土壤容重的影響土壤容重是衡量土壤松緊狀況的重要指標。圖2表明，在棉花不同生育階段，覆蓋處理不同程度地降低了不同土層土壤容重。液體地膜處理中，T2和T3土壤容重較低，且與塑料地膜處理差異不明顯，0～20cm土壤容重平均分別為1.2672、1.2593和1.2515g·cm-3，較CK分別降低6.36%、6.95%和7.52%。其機理可能是液體地膜施用后更有利于土壤顆粒間結合，形成較為理想的團聚體，這一問題尚有待進一步探討。土壤容重的變化，對土壤的多孔性質也產生著影響，表現(xiàn)出有效水分、導熱率、氣體比例等物理性狀發(fā)生改變，因此對作物的生長發(fā)育也將產生不同的影響。對根系來講，在一定范圍內土壤愈疏松，根系生長就愈好。據(jù)研究，苗期玉米根系生長與土壤容重呈負的線性回歸關系。因此，土壤容重的降低將有利于棉苗根系生長發(fā)育，實現(xiàn)壯苗早發(fā)。2.2液體覆蓋層對棉花植物的生理活性的影響2.2.1塑料地膜和液體地膜對轉化酶活性的影響對不同齡鈴中轉化酶活性測定結果表明（圖3），隨著棉鈴的生長發(fā)育，各處理轉化酶活性均呈下降趨勢，覆蓋處理不同程度提高了棉鈴轉化酶活性。開花后10d，塑料地膜、液體地膜和CK三者間轉化酶活性差異顯著。其中，塑料地膜覆蓋轉化酶活性最高，較液體地膜處理和CK分別提高5.0%～10.1%和13.7%，而T2和T3轉化酶活性較CK分別提高8.2%和6.1%。隨著棉鈴的發(fā)育，塑料地膜與液體地膜處理轉化酶活性差異不明顯，如開花后30d，塑料地膜、T2和T3的轉化酶活性分別較CK提高54.3%、57.6%和54.0%。棉鈴轉化酶活性的提高，使棉鈴中蔗糖水平降低，源（葉）庫（棉鈴）間蔗糖梯度較大，有利于加快蔗糖向棉鈴中的運輸，促進棉籽和纖維的發(fā)育，提高鈴重。2.2.2不同處理的根系傷流中氨基酸含量變化規(guī)律根系傷流中的無機磷含量，在很大程度上代表著根系吸收礦質營養(yǎng)元素的能力，而傷流中游離氨基酸含量代表著根系的合成能力。圖4表明，各處理根系傷流中無機磷含量變化呈單峰曲線，盛蕾期最高。液體地膜處理較CK提高13.1%～19.4%。其中，T2與T3盛蕾期傷流中無機磷含量較CK分別提高16.3%和19.4%，吐絮期較CK分別提高21.3%和11.3%。液體地膜與塑料地膜處理相比，在棉花生育前期二者差異較小，隨著棉花生長發(fā)育，液體地膜處理與塑料地膜差異顯著，尤其在吐絮期，如T2和T3根系傷流中無機磷含量較塑料地膜分別提高21.0%和11.0%，而塑料地膜與CK無明顯差異。各處理根系傷流中氨基酸含量變化呈雙峰曲線，這可能與棉花生長發(fā)育特性有關。液體地膜處理根系傷流中氨基酸含量于盛花期達到最高，T1、T2、T3和T4分別較CK提高7.5%、22.5%、21.2%和8.6%，吐絮期以T2根系傷流中氨基酸含量最高，較CK提高16.4%，處理T4氨基酸含量略低于CK。塑料地膜根系傷流中氨基酸含量于盛蕾期達到最高，且于T2和T3無明顯差異，而在初花期根系傷流中氨基酸含量較T2和T3分別提高43.7%和69.6%，此后逐漸下降，至吐絮期較CK反而降低45.2%。表明塑料地膜覆蓋顯著增強棉花生育前期根系吸收與合成能力，而液體地膜覆蓋的這種效應在棉花各生育階段均較明顯，尤其是T2和T3。2.2.3對棉花葉片維持較高ps活性的影響在熒光誘導動力學參數(shù)的測定中，經暗適應的葉片，其熒光誘導動力學參數(shù)FV/FO代表PSⅡ的潛在光化學活性，F(xiàn)V/Fm代表PSⅡ原初光能轉化效率，qP表示光化學淬滅，說明被開放的PSⅡ中心捕獲并轉化為化學能的那部分能量，qN為非光化學淬滅，代表各種非光化學過程所耗散的能量。從表2可知，覆蓋條件下FV/FO和FV/Fm的比值始終顯著高于CK，且隨著棉花生育進程愈加明顯。表明覆蓋有利于棉花葉片維持較高的PSⅡ活性和光化學最大效率。T2的FV/FO和FV/Fm的比值較CK分別平均增高1.004和0.0473,T3的比值較CK分別平均增高0.7310和0.037。T2、T3與塑料地膜相比，葉片F(xiàn)V/FO比值除在盛花期無顯著差異外，于盛蕾期和吐絮期差異均達顯著水平，而二者葉片的FV/Fm比值無顯著差異，說明塑料地膜覆蓋更有利于棉花葉片維持較高的PSⅡ活性。覆蓋處理的葉片qP值在盛蕾期高于對照CK，液體地膜處理與塑料地膜差異顯著，隨著棉花的生長發(fā)育，qp值又低于CK，且塑料地膜與液體地膜處理無顯著差異，表明覆蓋處理，尤其是塑料地膜更有利于棉花葉片的PSⅡ反應中心在生育前期維持較高比例的開放部分，增強PSⅡ電子傳遞能力。葉片的qN值表現(xiàn)為在盛蕾期對照CK低于覆蓋處理（除T1外），隨著棉花的生育，對照CK顯著高于覆蓋處理，尤其是在吐絮期，對照CK葉片的qN值高于覆蓋處理4.0%～54.4%，塑料地膜處理葉片的qN值高于T2達19.1%，且三者差異達極顯著水平。表明塑料地膜，尤其是露地CK的葉片因衰老已不能把所捕獲的光能充分用于光合作用，增強了非輻射能量的耗散。2.3液體覆蓋層對棉花花的時空分布和產量的影響2.3.1影響棉花鈴的時空分布2.3.1.地膜覆蓋比對棉花茶汁早發(fā)期及優(yōu)質鈴數(shù)的影響在棉花四桃中，伏前桃、晚秋桃對棉花產量、質量影響最小，伏桃和早秋桃（即優(yōu)質鈴）則是棉花高產優(yōu)質的主體。表3指出，各處理間四桃差異顯著。伏前桃，塑料地膜覆蓋最多，較液體地膜處理增多1.4～2.0個/株，T2和T3次之，較CK分別增多0.9個/株和1.0個/株，表明塑料地膜較液體地膜處理更有利于促進棉花早發(fā)；晚秋桃，露地CK最多，較液體地膜處理增多1.1～1.9個/株，較塑料地膜增多3.1個/株，表明塑料地膜覆蓋棉花較液體地膜處理更易早衰；優(yōu)質鈴，塑料地膜較液體地膜處理增多2.4～5.7個/株，而T2和T3較CK分別增多3.4個/株和3.5個/株，表明塑料地膜較液體地膜處理更有利于增結優(yōu)質鈴數(shù)。分析表明，覆蓋可增結優(yōu)質鈴數(shù)，尤其是塑料地膜，T2和T3次之，從而有利于棉花獲得高產優(yōu)質。2.3.1.塑料地膜覆蓋果枝和地膜成鈴分布高產優(yōu)質棉花在成鈴空間分布上，表現(xiàn)為成鈴主要集中在內圍第1～2果節(jié)及第6～10果枝上，即多結內圍鈴是棉花高產優(yōu)質的重要基礎。表4表明，處理間差異達顯著水平。塑料地膜覆蓋果枝第1～2節(jié)間成鈴數(shù)最多，較液體地膜處理增加1.2～3.0個/株，而T2和T3較CK分別增多2.2個/株和1.7個/株；塑料地膜覆蓋果枝第1～2節(jié)間成鈴率較T1、T2和T3分別增高2.0個、2.0個和4.1個百分點，而T4、T2和T1較CK分別增高6.3個、4.3個和4.3個百分點。6～10果枝成鈴，塑料地膜較T2和T3每株分別增多1.6個和3.2個，而T2和T3分別較CK每株增多1.6個和1.4個；6～10果枝成鈴率，塑料地膜覆蓋最高，較液體地膜和CK分別提高0.6～4.8個和5.5個百分點。表明覆蓋處理，尤其是塑料地膜，有利于增結優(yōu)質鈴部位鈴數(shù)。另從棉株1～5果枝、6～10果枝和11果枝以上3部分成鈴分布狀況可知，塑料地膜覆蓋成鈴分布偏重棉株下部，露地CK偏重棉株上部，而液體地膜處理成鈴分布相對較為均勻。表明液體地膜覆蓋有利于棉株均衡生長發(fā)育。2.3.2塑料地膜與液體地膜覆蓋棉產量差異不同處理對土壤物理性狀與棉花生長發(fā)育影響程度的差異，最終體現(xiàn)在產量上。表5指出，各處理產量間差異較大，表現(xiàn)為塑料地膜>T2>T3>T4>T1>CK。統(tǒng)計分析表明，在5%水平下，塑料地膜與T2、T3,T2、T3與T4、T1、CK產量間差異顯著，塑料地膜、T2和T3較CK分別增產皮棉34.0%、21.7%和16.0%；在1%水平下，塑料地膜與T2、T3,T4、T1與CK產量間差異不顯著。由此說明，塑料地膜覆蓋棉花產量優(yōu)于液體地膜，而適量液體地膜覆蓋棉花產量又顯著高于露地CK。從產量構成因素來看，覆蓋棉花產量的增加主要是鈴數(shù)增多，鈴重較高。如T2，鈴數(shù)和鈴重較CK分別增加158400個/ha和0.24g。3討論3.1液體地膜覆蓋棉田對棉株生長的影響良好的土壤生態(tài)環(huán)境首先影響作物地下部根系的發(fā)育，進而影響到地上部植株的生長，最終實現(xiàn)作物高產。本研究結果表明，棉田覆蓋提高土壤溫度與含水量，降低土壤容重，從而促進了棉株根系吸收與合成能力。而根系活力的增強，又為地上部棉株健壯生長發(fā)育奠定了基礎，表現(xiàn)為棉株早發(fā)，結桃早，優(yōu)質鈴數(shù)多，鈴重大，增產效果顯著。這些效應表現(xiàn)是液體地膜覆蓋低于塑料地膜，但液體地膜覆蓋棉田更有利于棉花根系下扎，維持中后期棉株根系較強的吸收與合成能力，從而有利于棉株均衡生長發(fā)育，防止棉花早衰。此外，液體地膜不同用量覆蓋效應存在一定差異，其原因是用量?。?5.0kg·ha