不同地膜取代塑料地膜覆盖棉花的研究

不同地膜取代塑料地膜覆盖棉花的研究

0液体地膜覆盖农田效应[研究意义]自20世纪80年代以来，塑料地膜覆盖种植技术可以显著提高棉花的产量和质量。它被称为三大创新技术之一的棉花生产技术之一。然而，塑料地膜在棉花生产中的应用已造成严重的白色污染。因此，能否开发出新的覆盖材料替代塑料地膜，并阐明其应用机理，是摆在科技工作者面前的一项重要课题。【前人研究进展】有机液体地膜（也称多功能可降解液体地膜）是一种新开发出的高分子有机化合物，兑水喷施后，可在土壤表层形成一层黑色土膜。目前，关于采用该类产品覆盖对作物生长发育影响的研究报道较少。曹元英等研究认为，液态地膜覆盖可明显提高土壤温度，促进大豆生长发育，增产增效显著。闫翠萍研究认为，黑色液膜覆盖具有较好的生物学效应，较好地协调旱地小麦产量构成因素，显著提高水分生产效率。赵海祯等研究认为，普通地膜和黑色液膜覆盖小麦产量最高，与其他处理相比差异均达极显著水平，原因是覆盖可以改善土壤物理环境，提高小麦灌浆高峰期灌浆速率和功能叶光合速率。杨青华等研究认为，液体地膜覆盖可加快棉花前期生长速度，调控和优化棉花株型，加速棉铃干物质积累。【本研究切入点】但是该类产品覆盖农田效应的研究还缺乏系统性和完整性，且研究对象和结果也存在一定的差异，尤其是液体地膜覆盖棉花高产机理的研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】针对上述问题，本文旨在探讨液体地膜覆盖棉花高产形成的机理，以期为液体地膜在棉花生产上的示范推广提供理论依据。1材料和方法1.1田间处理与产量本研究于2001～2003年在河南农业大学科教园区进行，耕作层含有机质12.1g·kg-1，全氮0.96g·kg-1，速效磷24.2mg·kg-1，速效钾115.3mg·kg-1。有机液体地膜由河南农业大学研制与生产，处理为：液体地膜用量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）和露地对照（CK），棉花播种后，液体地膜处理兑水20倍喷洒于播种行地面，各处理最终喷水总量相等。覆盖度60%。试验采取随机区组设计，3次重复，小区面积24m2。供试棉花品种为中棉所41,4月15日大田直播，密度3.75万株/ha，行距1.0m，株距0.27m。播前施入基肥（N、P2O5、K2O含量分别为20%、15%、15%）750kg·ha-1，苗期追施纯氮34.5kg·ha-1，花铃期追施纯氮69.0kg·ha-1。其它管理措施按高产要求进行。1.2项目和测试1.2.1土壤水分含量测定使用上海气象仪器厂生产的曲管地温表测量5cm、10cm土层温度，按气象方法记载，取平均值；使用烘干法测定0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm土壤水分含量；使用环刀法于棉花初蕾期（FBS）、盛蕾期（BS）、初花期（FFS）、盛花期（FS）和吐絮期（BO）测定0～20cm土壤容重。1.2.2光合特性测定使用英国Hansatech公司生产的FMS-2型便携调制式荧光仪，每个处理选定5株，于盛蕾期、盛花期和吐絮期晴天上午10:00～11:00时测定叶片光合特性，测定部位为主茎倒4叶，取平均值；根系伤流量于初蕾期、盛蕾期、初花期、盛花期和吐絮期采用容积收集法收集，伤流液中的氨基酸与无机磷含量分别采用水合茚三酮法和钼蓝法测定，茚三酮由上海恒信化学试剂有限公司生产，分析纯；棉铃蔗糖转化酶活性分别于开花后10、15、20、25和30d采用3、5-二硝基水杨酸法测定，3、5-二硝基水杨酸由北京化工厂生产，化学纯。1.2.3棉花罐分布各处理每小区定15株调查棉花“四桃”；于9月10日调查棉株成铃模式图；收获单株絮铃，测定铃重和衣分；最后小区单收计产。2结果与分析2.1液体土壤覆盖对棉土表面的物理特性的影响2.1.1土壤温度与保水效应表1指出，各处理不同土层间地温差异显著，覆盖处理均不同程度提高土壤温度，且幅度随着时间的延长而变小，随着土层的加深而减弱。塑料地膜覆盖不同土层地温最高，与其它处理差异均达极显著水平，5cm和10cm土层温度较液体地膜处理分别平均增高2.8～3.2℃和2.8～3.2℃。液体地膜处理中，以T2和T3地温较高，整个测定期内，5cm地温较CK分别增高0.6～1.4℃和0.7～1.3℃，10cm地温较CK分别增高0.5～1.1℃和0.3～0.9℃；T1和T4次之，T1的5cm、10cm地温较CK分别增高0.3～1.0℃和0.6～1.2℃，T4的5cm、10cm地温均较CK增高0.1～0.5℃。其机制是液体地膜施用后于土壤表面形成一层固化膜，该膜阻隔了土壤与外界的部分水分交换，从而消除了潜热交换的损失，减弱了湿热交换；同时，黑色的固化膜也有利于吸收较多的太阳能，最终使土壤热通量增大。由于土壤温度不仅直接影响土壤微生物的活动、有机物质的分解矿化等过程，而且还时刻影响着土壤水分、空气和养分等各肥力因素的变化。因此，土壤温度的增高不仅有利于棉花根系生长发育，而且有利于提高土壤肥力。2.1.2对土壤水分的影响土壤含水量是土壤重要的物理性状之一，亦是作物良好生长发育的基础。图1表明，随着土层加深，不同土层含水量受外界影响的程度逐渐减弱。0～10cm土层，塑料地膜覆盖土壤含水量最高，平均为17.4%，较液体地膜处理平均增高3.31%～4.57%；而液体地膜覆盖土壤含水量较CK平均增高0.56%～1.82%，其中T3和T2土壤含水量较CK分别增高1.82%和1.43%。10～20cm土层（除T1外）和20～30cm土层，塑料地膜与液体地膜处理土壤含水量无明显差异，较CK分别提高1.17%～1.55%和1.16%～1.69%，而在30～40cm土层，液体地膜处理土壤含水量明显高于塑料地膜处理，较塑料地膜覆盖平均提高0.97%～1.25%，且液体地膜处理间无明显差异。分析表明，液体地膜覆盖土壤保水效应虽低于塑料地膜处理，但显著高于对照CK。其机制为液体地膜是一种高分子有机化合物，兑水施用后在土壤表面形成了一层固化膜，该膜阻碍了土壤水分的蒸发，与塑料地膜相比，液体地膜覆盖地面后的蒸发，本质上是有机薄膜限定下极低水平水分通量剖面控制的蒸发，是水蒸汽分子缓慢透过液体地膜覆盖地面后形成的有机薄膜，然后散失到大气中。这一点不同于塑料地膜完全隔绝水分，而是和秸秆覆盖后的水分运动情况类似。此外，液体地膜施用量不同，对不同土壤层次含水量影响程度亦有明显差异，其原因是施用量小，成膜质量较差，施用量大，成膜质量虽较高，但棉苗、杂草等出土过程中膜面受损较大。塑料地膜保水效应在0～10cm土层尤为突出，由于作物根系生长的向水性，将影响作物根系下扎，这可能是塑料地膜覆盖作物易早衰、易倒伏的主要原因之一。从图1还可看出，降雨前后各处理的土壤含水量增加幅度不同，如从0～10cm土层含水量在处理后12～15d的增值来看，T1、T2、T3、T4、塑料地膜和CK土壤含水量分别升高9.49%、9.23%、8.67%、9.88%、3.41%和10.69%。表明液体地膜覆盖较塑料地膜更有利于雨水下渗土壤。其原因可能是液体地膜在成膜过程中，由于水分蒸发形成并保留的毛细孔道，成为覆盖后雨水渗透的通道；或者是由于乳液中亲水基团的存在，在接触到有机膜上或下的水分子后，因亲和达到微局部饱和，然后向水分梯度递减的方向逐级传递的结果；或由于毛细孔道和亲水基团的联合作用所致。2.1.3对土壤容重的影响土壤容重是衡量土壤松紧状况的重要指标。图2表明，在棉花不同生育阶段，覆盖处理不同程度地降低了不同土层土壤容重。液体地膜处理中，T2和T3土壤容重较低，且与塑料地膜处理差异不明显，0～20cm土壤容重平均分别为1.2672、1.2593和1.2515g·cm-3，较CK分别降低6.36%、6.95%和7.52%。其机理可能是液体地膜施用后更有利于土壤颗粒间结合，形成较为理想的团聚体，这一问题尚有待进一步探讨。土壤容重的变化，对土壤的多孔性质也产生着影响，表现出有效水分、导热率、气体比例等物理性状发生改变，因此对作物的生长发育也将产生不同的影响。对根系来讲，在一定范围内土壤愈疏松，根系生长就愈好。据研究，苗期玉米根系生长与土壤容重呈负的线性回归关系。因此，土壤容重的降低将有利于棉苗根系生长发育，实现壮苗早发。2.2液体覆盖层对棉花植物的生理活性的影响2.2.1塑料地膜和液体地膜对转化酶活性的影响对不同龄铃中转化酶活性测定结果表明（图3），随着棉铃的生长发育，各处理转化酶活性均呈下降趋势，覆盖处理不同程度提高了棉铃转化酶活性。开花后10d，塑料地膜、液体地膜和CK三者间转化酶活性差异显著。其中，塑料地膜覆盖转化酶活性最高，较液体地膜处理和CK分别提高5.0%～10.1%和13.7%，而T2和T3转化酶活性较CK分别提高8.2%和6.1%。随着棉铃的发育，塑料地膜与液体地膜处理转化酶活性差异不明显，如开花后30d，塑料地膜、T2和T3的转化酶活性分别较CK提高54.3%、57.6%和54.0%。棉铃转化酶活性的提高，使棉铃中蔗糖水平降低，源（叶）库（棉铃）间蔗糖梯度较大，有利于加快蔗糖向棉铃中的运输，促进棉籽和纤维的发育，提高铃重。2.2.2不同处理的根系伤流中氨基酸含量变化规律根系伤流中的无机磷含量，在很大程度上代表着根系吸收矿质营养元素的能力，而伤流中游离氨基酸含量代表着根系的合成能力。图4表明，各处理根系伤流中无机磷含量变化呈单峰曲线，盛蕾期最高。液体地膜处理较CK提高13.1%～19.4%。其中，T2与T3盛蕾期伤流中无机磷含量较CK分别提高16.3%和19.4%，吐絮期较CK分别提高21.3%和11.3%。液体地膜与塑料地膜处理相比，在棉花生育前期二者差异较小，随着棉花生长发育，液体地膜处理与塑料地膜差异显著，尤其在吐絮期，如T2和T3根系伤流中无机磷含量较塑料地膜分别提高21.0%和11.0%，而塑料地膜与CK无明显差异。各处理根系伤流中氨基酸含量变化呈双峰曲线，这可能与棉花生长发育特性有关。液体地膜处理根系伤流中氨基酸含量于盛花期达到最高，T1、T2、T3和T4分别较CK提高7.5%、22.5%、21.2%和8.6%，吐絮期以T2根系伤流中氨基酸含量最高，较CK提高16.4%，处理T4氨基酸含量略低于CK。塑料地膜根系伤流中氨基酸含量于盛蕾期达到最高，且于T2和T3无明显差异，而在初花期根系伤流中氨基酸含量较T2和T3分别提高43.7%和69.6%，此后逐渐下降，至吐絮期较CK反而降低45.2%。表明塑料地膜覆盖显著增强棉花生育前期根系吸收与合成能力，而液体地膜覆盖的这种效应在棉花各生育阶段均较明显，尤其是T2和T3。2.2.3对棉花叶片维持较高ps活性的影响在荧光诱导动力学参数的测定中，经暗适应的叶片，其荧光诱导动力学参数FV/FO代表PSⅡ的潜在光化学活性，FV/Fm代表PSⅡ原初光能转化效率，qP表示光化学淬灭，说明被开放的PSⅡ中心捕获并转化为化学能的那部分能量，qN为非光化学淬灭，代表各种非光化学过程所耗散的能量。从表2可知，覆盖条件下FV/FO和FV/Fm的比值始终显著高于CK，且随着棉花生育进程愈加明显。表明覆盖有利于棉花叶片维持较高的PSⅡ活性和光化学最大效率。T2的FV/FO和FV/Fm的比值较CK分别平均增高1.004和0.0473,T3的比值较CK分别平均增高0.7310和0.037。T2、T3与塑料地膜相比，叶片FV/FO比值除在盛花期无显著差异外，于盛蕾期和吐絮期差异均达显著水平，而二者叶片的FV/Fm比值无显著差异，说明塑料地膜覆盖更有利于棉花叶片维持较高的PSⅡ活性。覆盖处理的叶片qP值在盛蕾期高于对照CK，液体地膜处理与塑料地膜差异显著，随着棉花的生长发育，qp值又低于CK，且塑料地膜与液体地膜处理无显著差异，表明覆盖处理，尤其是塑料地膜更有利于棉花叶片的PSⅡ反应中心在生育前期维持较高比例的开放部分，增强PSⅡ电子传递能力。叶片的qN值表现为在盛蕾期对照CK低于覆盖处理（除T1外），随着棉花的生育，对照CK显著高于覆盖处理，尤其是在吐絮期，对照CK叶片的qN值高于覆盖处理4.0%～54.4%，塑料地膜处理叶片的qN值高于T2达19.1%，且三者差异达极显著水平。表明塑料地膜，尤其是露地CK的叶片因衰老已不能把所捕获的光能充分用于光合作用，增强了非辐射能量的耗散。2.3液体覆盖层对棉花花的时空分布和产量的影响2.3.1影响棉花铃的时空分布2.3.1.地膜覆盖比对棉花茶汁早发期及优质铃数的影响在棉花四桃中，伏前桃、晚秋桃对棉花产量、质量影响最小，伏桃和早秋桃（即优质铃）则是棉花高产优质的主体。表3指出，各处理间四桃差异显著。伏前桃，塑料地膜覆盖最多，较液体地膜处理增多1.4～2.0个/株，T2和T3次之，较CK分别增多0.9个/株和1.0个/株，表明塑料地膜较液体地膜处理更有利于促进棉花早发；晚秋桃，露地CK最多，较液体地膜处理增多1.1～1.9个/株，较塑料地膜增多3.1个/株，表明塑料地膜覆盖棉花较液体地膜处理更易早衰；优质铃，塑料地膜较液体地膜处理增多2.4～5.7个/株，而T2和T3较CK分别增多3.4个/株和3.5个/株，表明塑料地膜较液体地膜处理更有利于增结优质铃数。分析表明，覆盖可增结优质铃数，尤其是塑料地膜，T2和T3次之，从而有利于棉花获得高产优质。2.3.1.塑料地膜覆盖果枝和地膜成铃分布高产优质棉花在成铃空间分布上，表现为成铃主要集中在内围第1～2果节及第6～10果枝上，即多结内围铃是棉花高产优质的重要基础。表4表明，处理间差异达显著水平。塑料地膜覆盖果枝第1～2节间成铃数最多，较液体地膜处理增加1.2～3.0个/株，而T2和T3较CK分别增多2.2个/株和1.7个/株；塑料地膜覆盖果枝第1～2节间成铃率较T1、T2和T3分别增高2.0个、2.0个和4.1个百分点，而T4、T2和T1较CK分别增高6.3个、4.3个和4.3个百分点。6～10果枝成铃，塑料地膜较T2和T3每株分别增多1.6个和3.2个，而T2和T3分别较CK每株增多1.6个和1.4个；6～10果枝成铃率，塑料地膜覆盖最高，较液体地膜和CK分别提高0.6～4.8个和5.5个百分点。表明覆盖处理，尤其是塑料地膜，有利于增结优质铃部位铃数。另从棉株1～5果枝、6～10果枝和11果枝以上3部分成铃分布状况可知，塑料地膜覆盖成铃分布偏重棉株下部，露地CK偏重棉株上部，而液体地膜处理成铃分布相对较为均匀。表明液体地膜覆盖有利于棉株均衡生长发育。2.3.2塑料地膜与液体地膜覆盖棉产量差异不同处理对土壤物理性状与棉花生长发育影响程度的差异，最终体现在产量上。表5指出，各处理产量间差异较大，表现为塑料地膜>T2>T3>T4>T1>CK。统计分析表明，在5%水平下，塑料地膜与T2、T3,T2、T3与T4、T1、CK产量间差异显著，塑料地膜、T2和T3较CK分别增产皮棉34.0%、21.7%和16.0%；在1%水平下，塑料地膜与T2、T3,T4、T1与CK产量间差异不显著。由此说明，塑料地膜覆盖棉花产量优于液体地膜，而适量液体地膜覆盖棉花产量又显著高于露地CK。从产量构成因素来看，覆盖棉花产量的增加主要是铃数增多，铃重较高。如T2，铃数和铃重较CK分别增加158400个/ha和0.24g。3讨论3.1液体地膜覆盖棉田对棉株生长的影响良好的土壤生态环境首先影响作物地下部根系的发育，进而影响到地上部植株的生长，最终实现作物高产。本研究结果表明，棉田覆盖提高土壤温度与含水量，降低土壤容重，从而促进了棉株根系吸收与合成能力。而根系活力的增强，又为地上部棉株健壮生长发育奠定了基础，表现为棉株早发，结桃早，优质铃数多，铃重大，增产效果显著。这些效应表现是液体地膜覆盖低于塑料地膜，但液体地膜覆盖棉田更有利于棉花根系下扎，维持中后期棉株根系较强的吸收与合成能力，从而有利于棉株均衡生长发育，防止棉花早衰。此外，液体地膜不同用量覆盖效应存在一定差异，其原因是用量小（75.0kg·ha