不同覆膜宽度对棉花土壤水分及地温的影响研究

王东旺，吕廷波，何新林，王萌萌，徐 强，白 蒙

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子832000)

玛纳斯河流域平原灌区位于新疆天山北麓，准葛尔盆地南缘，属典型温带大陆性气候，多年平均降水量仅有200 mm左右，而且时空分布不均[1,2]。水分是棉花生长的基本条件之一，农田水分状况不仅直接影响作物的生理活动，而且会通过农田小气候和农业技术措施等影响作物产量[3]。土壤的水、热条件是影响作物生长和产量形成的重要因素[4]。在玛河灌区等降水量稀少的地区，水分显得更为重要，提高水分的利用效率是玛河灌区农业可持续发展的重要问题。研究表明不同覆膜宽度处理对土壤水分和土壤温度有显著影响，两者对作物的生长发育均有显著的影响，并最终影响作物的产量。田间土壤水分的变化过程不仅与土壤特性有关还与覆膜宽度、地温等有关，各因素之间相互影响、相互制约[5]。地膜覆盖后,可以有效的将太阳能转化为热能，调节和改善作物根区环境，有利于种子的萌发及作物前期的生长发育[6, 7]；地膜覆盖阻断了土壤与大气间的直接联系，从而有效抑制了土壤水分的蒸发，使得根层能有效的保蓄水分，提高了水分利用效率[8, 9]；部分学者从地膜覆盖对作物生理生化指标影响进行了分析研究[10, 11]；这些研究通常是在棉花窄膜覆盖的情况下研究的，而超宽膜覆盖下对棉花土壤水分及地温的影响研究还不是很充分，本研究在窄膜(1.4 m)棉花种植的基础上，增加超宽膜(2.05 m)机采棉种植，研究覆膜宽度对棉花土壤水分及地温的影响，同时对棉花生长情况和增产特性进行研究分析，为适合北疆棉花种植的覆膜宽度提供科学的依据。因此，对不同覆膜宽度对棉花土壤水分及地温的影响研究很有必要。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4-10月在新疆石河子市石河子大学农试场二连现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地(85°59′47″E，44°19′29″N，海拔412 m)进行。该地区降雨量少蒸发量大，0 ℃以上的活动积温为4 070 ℃，10 ℃以上的活动积温为3 649 ℃，无霜期为171 d，多年平均降水量在200 mm左右，多年平均蒸发量1 600 mm[12]，地下水埋深5 m以下，石河子地区日照时数充沛，多年平均日照时数为2 700 h，土壤为中壤土，属于西北干旱区典型的温带大陆性气候[13]。试验区前茬均为棉花。试验区土壤物理状况如见表1。

表1 试验区土壤物理状况Tab. 1 soil physical conditions in the test area

1.2 试验设计

根据当地的气候条件和种植经验选择棉花供试品种：“农丰133号”，试验区前茬种植为棉花；采取测坑试验：测坑面积为3 m×2 m，深2.3 m，四周用水泥砌筑而成。试验共分为2个处理，处理1采用超宽膜(2.05 m)机采棉布置：行距为10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm，株距为10 cm，理论种植密度为25.75 万株/hm2，滴灌带采用一膜三管六行方式布置；处理2采用窄膜(1.4 m)布置，行距为30 cm+60 cm+30 cm，理论种植密度为22.2万株/hm2，滴灌带采用一膜两管4行方式布置；其他布置同处理1，每个处理设置3次重复，棉花干播湿出，合理密植。全生育期灌水11次，灌溉定额3 600 m3/hm2，采用膜下滴灌方式进行灌水，灌水周期为7～10 d,苗期灌水2次(含定苗水)，蕾期灌水2次，花铃期灌水6次，吐絮期灌水1次，灌水的同时将肥料溶解在水中进行滴灌施肥。打顶、除草等田间管理措施随大田统一管理。

1.3 试验测定内容与方法

生长指标：每个测坑选取5株标记的有代表性的棉花植株，从苗期开始每隔10 d用精度为1 mm的钢尺测量其株高、叶长和叶宽，采用经验系数法(0.75×叶长×叶宽)获得叶面积；用游标卡尺测量其株径并取其平均值。土壤水分：土壤水分的测量采用2种方法，一是采用土钻取土烘干称重法测量土壤含水率，每个测坑棉花窄行和宽行各取2个点，每个点取土深度为100 cm，每10 cm土层取一个样，烘干称重求其土壤层含水率。二是采用中子仪配合之前埋在地下的中子管进行土壤水分的测量，中子管的长度为1.5 m，地上留有20 cm，中子管观测深度为100 cm，每10 cm土层测定一个含水率，测量前用烘干法对中子仪进行标定(中子仪采用美国CPN公司生产的503DR.9)。

地温：土壤地温的测量采用金属直角管地温计，分别在测坑棉花窄行和宽行埋入(包括膜中、膜边、膜间、揭膜处)，观测地表下5、10、15、20和25 cm处的地温。观测时间为每日16∶00，每个小区测3个点取其平均值。另外，根据棉花生育阶段，分别读取苗期、蕾期、花铃期、吐絮期8∶00-20∶00时间段的地温日变化(每隔2h测量一次地温数据)。膜中指处于宽膜的正中；膜边指距离覆膜边缘2 cm处的位置；膜间指未覆膜地块；揭膜指先覆膜并于出苗后将部分棉苗去膜，去膜面积为0.2 m2的矩形区。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS20.0和Origin9.0进行作图和数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜宽度下棉花各生育期内地温动态变化

2.1.1 不同处理方式各生育期的地温日变化

由图1可以看出，超宽膜和窄膜覆盖在棉花苗期和蕾期相同土层深度土壤温度随时间的变化趋势一致。5 cm和10 cm深度土壤温度都随时间的延迟先上升后下降，日变化幅度较大。超宽膜和窄膜两种处理5 cm处地温最高值均出现在16∶00(此时太阳辐射强度高，土壤表层吸热大)。膜下15～25 cm深度处土壤温度变动幅度较小，相比表层土壤温度而言，深层土壤温度的变化有一定的延迟效果，现以棉花整个生育期为例，分析不同覆膜宽度下棉花各生育期内地温日变化规律。

对比两种处理而言，棉花整个生育期内超宽膜5～10 cm土壤温度高于窄膜土壤温度，此时，土壤温度主要与大气温度有关。土壤受到太阳光的辐射，当土壤吸收的热量大于土壤散失的热量时土壤温度升高，反之土壤温度下降。说明相比窄膜而言，超宽膜对土壤的温度影响更大。超宽膜能更好的提高土壤的温度并保持土壤的温度。棉花苗期至蕾期阶段，棉花植株矮小，土壤可以直接得到阳光的辐射，这种情况下，超宽膜能更好的获得阳光的辐射进而提高土壤的温度并具有良好的保温效果。超宽膜各时段5 cm处土壤温度较窄膜5 cm处土壤温度高0.4～4 ℃，增温幅度高0.4～2 ℃。棉花到达花铃期阶段后，超宽膜覆盖下的棉花长势良好，棉花枝叶茂盛，阻碍了阳光对地面的辐射，12∶00-14∶00后超宽膜下土壤温度低于窄膜下土壤温度，石河子地区7、8、9月份温度较高，降低了高温对土壤水分的蒸发；18∶00-20∶00，表层5 cm处土壤温度处于下降阶段，而10 cm处土壤温度先上升后下降，而窄膜5 cm处土壤温度下降幅度高于超宽膜，这是膜内温度与大气温度间的温度差不同所致，当膜内温度与大气温度之间温度差别越大时，短时间内土壤温度降低幅度越大[14]。5～10 cm处土壤温度在12∶00-14∶00之间有显著的交集，10 cm处土壤温度相比5 cm处土壤温度有明显的滞后效果，这主要受太阳辐射和土壤温度梯度的影响。总的来说，棉花生育前期随覆膜宽度增加，土壤温度增加效果显著，而到棉花生育后期，由于大气温度、水分、肥料、管理等方面的因素，棉花株高和叶面积增大，地温变化幅度受覆膜宽度的影响减弱。

图1 两种覆膜宽度下棉花全生育期内地温变化规律Fig.1 The change of ground temperature in cotton during the whole period of cotton under two kinds of covering width

2.1.2 棉花不同生育期土壤最高地温的变化

由上述两种覆膜宽度下棉花全生育期内地温变化规律可知，不同覆膜宽度对棉花全生育期地温变化有很大的影响。而在超宽膜覆盖下棉花土壤最高地温在不同位置处也有很大的不同，图2显示了超宽膜覆盖下棉花不同生育期膜中、膜间、膜边、揭膜处土壤最高地温的变化。由图2可知，棉花不同生育期膜中、膜间、膜边、揭膜处土壤最高地温的变化大体上趋势相近，但在覆膜不同位置处最高地温有很大的不同。不同位置处土壤最高地温在10∶00-16∶00处于上升趋势，8∶00-10∶00趋势相对稳定，18∶00-20∶00土壤最高地温处于下降趋势，土壤最高地温随膜中、膜边、揭膜、膜间呈现明显的递减趋势，说明覆膜情况下土壤温度比揭膜后和不覆膜情况下温度高，覆膜对土壤温度有明显的升温和保温效果。尤其对于新疆地区来说，春季播种后大气温度依然较低，覆膜能很好的增加土壤的温度[15]，有利于提高种子的出苗率和成活率。另外，一天之中土壤最高地温随着时间推移所处的土壤层深度也在发生变化，白天土壤最高地温位于土壤表层，晚上土壤最高地温位于深层土壤处。以棉花苗期为例，土壤最高温度在12∶00-20∶00均在土壤表层5 cm处，其他时刻，土壤剖面最高温度随时间下移，土壤剖面最高温度随膜中、膜边、揭膜、膜间逐渐降低，相比膜间土壤剖面最高温度而言，膜中和膜边分别高了2.1 ℃和0.8 ℃。

图2 超宽膜下棉花不同生育期土壤最高地温的变化Fig.2 Changes of soil maximum temperature in different growth periods of cotton under super wide film

2.2 不同覆膜宽度棉花生育期各阶段不同深度土壤含水率变化

不同覆膜宽度下土壤含水率分布如图3所示，从图3中可以看出，相同灌水处理下，不同覆膜宽度生育期各土层土壤水分分布存在差异，土壤质量含水率随土层深度的增加而增大，变化范围为9.29%～19.37%。

图3 不同时期两种覆膜宽度棉花田间0～100 cm层土壤含水率Fig.3 Soil moisture content of 0～100 cm layer in cotton field with two kinds of mulching width at different periods

对比不同覆膜宽度下不同土层土壤质量含水率的分布变化进行分析可知。在苗期，不同覆膜宽度下土壤含水率变化趋势基本一致，土壤水分分布较一致，含水率相差不大，两种覆膜下土壤表层含水率最低，10～60 cm 土层含水率较低，呈波动变化，60 cm 深度以下，土壤含水率波动较小，总体处于上升趋势，处于一个稳定的状态，主要是因为棉花植株处于生长开始阶段，主要消耗浅层土壤水分，故表层土壤水分变化较大，中间土壤次之，深层土壤最小；进入蕾期和花铃期，不同覆膜宽度下土壤含水率变化存在差异，土壤水分分布较一致，两种覆膜下 0～100 cm 土壤含水率整体呈先减后增趋势，主要是因为棉花植株生长加快，蒸散发加剧，水分消耗较快以满足棉花的生长需要，故表层到中层整体处于减小趋势，同时说明在该深度内棉花植株水分消耗多，根系分布集中；进入吐絮期后，不同覆膜宽度下土壤质量含水率变化趋势基本一致，土壤水分分布较一致，两种覆膜宽度下从表层到深层整体处于上升趋势，主要是因为生育末期， 灌水停止后，气温较高，蒸发强烈，棉花植株对水分的需求较小，故表层水分较低，随着深度的增加，水分逐渐增大。结合上述分析，超宽膜覆盖下土壤平均含水率满足棉花生长需要并高于窄膜，说明其耕层上部保水能力更优，其土壤水分分布对棉花吸收利用水分更为有利。

2.3 棉花全生育期内不同土层温度与土壤含水率的关系

棉花不同生育期土壤平均温度与土壤平均含水率之间存在一定的相互关系；棉花生育初期，植株较小，土壤受太阳光的辐射较大，超宽膜土壤温度较窄膜土壤温度高，说明超宽膜较窄膜有较好的增温效果。棉花生育后期长势茂盛，棉叶阻挡了太阳光对地面的辐射，覆膜宽度对土壤温度的影响减小。由图4可以得出，在浅层5 cm处土壤平均含水率超宽膜高于窄膜，而土壤平均温度差别不大，原因是此时间段土壤平均温度主要受大气温度的影响，受土壤平均含水率的影响较弱。随着土壤层加深，外界因素不再是影响土壤平均温度的主要因素，棉花各生育期超宽膜20 cm处土壤平均含水率较窄膜高0.95%，1.17%，1.73%，1.66%，土壤平均地温较窄膜低0.6、1.1、2.1、1.5 ℃，土壤平均含水率与土壤平均温度呈负相关，土壤含水率高时土壤温度低，且超宽膜覆盖条件下具有高度相关性，相关系数均在0.83以上；窄膜覆盖条件下土壤含水率与土壤温度的相关系数低于超宽膜处理，说明使用超宽膜覆盖改善了土壤的水热条件，使土壤温度和土壤含水率达到最佳耦合，进而使作物生长发育加快。

图4 不同覆膜宽度下5、20 cm处土壤平均含水率和土壤平均温度Fig.4 Soil average water content and soil average temperature at 5 cm and 20 cm under different plastic film width

3 结 论

本文通过对棉花各生育期不同覆膜宽度下土壤温度、土壤水分状况的监测，得出如下结论。

(1)不同覆膜宽度下棉花全生育期内地温日变化规律分析表明超宽膜在棉花初期有更好的增温、保温效果，有利于棉花早期的出苗，在棉花生育后期土壤温度受覆膜宽度的影响减弱。

(2)通过对土壤最高地温变化的分析可知，土壤最高温度在12∶00-20∶00在土壤表层5 cm处，其他时刻，土壤最高温度随时间下移，土壤最高温度随膜中、膜边、揭膜、膜间逐渐降低。

(3)棉花生育期不同土层含水率变化规律分析表明超宽膜覆盖下土壤含水、保水效果较好，土壤25 cm土层以上，土壤含水率与土壤温度呈负相关，且超宽膜条件下相关性高于窄膜，此阶段土壤温度主要与土壤含水率有关，土壤含水率高则土壤温度低。这些研究可为北疆棉花种植提供科学的指导。