作物覆膜溫室效應(yīng)研究進(jìn)展

龍 攀,黃 璜

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410128)

覆膜栽培技術(shù)在我國(guó)已有30多年歷史,自1978年從日本引進(jìn)地膜覆蓋栽培技術(shù)以來,根據(jù)因地制宜的原則進(jìn)行試驗(yàn)和消化吸收,逐步形成了具有中國(guó)特色的地膜覆蓋栽培體系[1]。目前,我國(guó)的地膜覆蓋種植面積已超過300萬公頃。地膜覆蓋耕作改善了耕層土壤水熱狀況,活化土壤養(yǎng)分[2,3]。許多研究表明,作物覆膜對(duì)土壤溫度、水分和養(yǎng)分都有很大的影響,在覆膜小區(qū)域內(nèi)形成一種溫室效應(yīng)[4]。

近年來各種極端性天氣的出現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大的影響。由溫室效應(yīng)引起的氣候變暖、特別是冬季氣候變暖,已成為不爭(zhēng)的事實(shí),它對(duì)我國(guó)種植業(yè)和農(nóng)作物生產(chǎn)已經(jīng)或正在產(chǎn)生重要影響[5]。為了應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的影響,許多利用覆膜模擬增溫效應(yīng)的研究開始興起。因此研究作物覆膜溫室效應(yīng)所產(chǎn)生的影響,對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有巨大的推動(dòng)作用。

1 作物覆膜溫室效應(yīng)對(duì)土壤的影響

1.1 作物覆膜對(duì)土壤溫度的效應(yīng)

覆膜對(duì)土壤具有明顯的增溫效應(yīng)。白天,太陽光透過膜照射土壤,土壤獲得輻射熱使地表溫度升高,再經(jīng)過土壤顆粒的傳導(dǎo)作用把熱量傳遞給下層土壤,將熱量保存在土壤中;晚間,土壤中的熱量又不斷以長(zhǎng)波輻射的形式向外輻射,在通過膜時(shí)被膜下的水氣和 CO2吸收,保存在膜下與地面之間的空間。另一方面,地膜隔絕了土壤與外界的水分交換,抑制了潛熱散失[6,7]。地膜覆蓋增溫效果與許多因素有關(guān)。王樹森等在分析地膜覆蓋的5 cm深度的土壤溫度時(shí)發(fā)現(xiàn),日照時(shí)數(shù)、土壤含水量和露地土壤溫度都影響增溫效果,日照時(shí)數(shù)越長(zhǎng)、土壤含水量越大、露地土壤溫度越低,覆膜的增溫效果越顯著[8]。

據(jù)研究,油菜覆膜栽培能使土壤日平均溫度提高1.7～3.4℃,對(duì)不同土層和不同地區(qū)的增溫效果不一樣[9],平均地溫提高3.1℃[10]。覆膜玉米的增溫效應(yīng)苗期最為明顯,隨著植株長(zhǎng)高增溫效應(yīng)減弱,苗期 5～10 cm土層平均比裸地溫度可提高 2.5～4.2℃[11]。

地膜覆蓋對(duì)水稻生育前期的耕層土壤有顯著的增溫效果,而生育后期由于葉面遮蓋增溫則不顯著[12]。據(jù)冬小麥出苗至成熟地溫測(cè)定結(jié)果表明,地膜冬小麥全生育期0～5 cm土層較露地提高10.5%;20 cm土層較露地提高 8.9%;其中垂直方向上以 5 cm增溫最多[13]。而對(duì)春小麥的研究則表明地膜覆蓋的增溫作用呈“U”型變化,播種后 15 d覆膜增溫作用最為顯著,中期影響不大[14]。

1.2 作物覆膜對(duì)土壤水分的影響

覆膜栽培由于膜的物理阻隔作用有效地減少了土壤水分的蒸發(fā),使水氣絕大部分聚積在地表與膜之間的狹小空間內(nèi);同時(shí)因地膜內(nèi)溫度較高,加大了土壤熱梯度的差異,迫使深層土壤水分上移,在上層聚積,形成提水上升的保墑效應(yīng),膜內(nèi)水氣增加,到晚間遇冷凝結(jié)在膜內(nèi)壁上,由小變大,再滴落土壤中。如此蒸發(fā)再凝結(jié)加快了土壤水分的運(yùn)轉(zhuǎn),從而提高了土壤濕度。

張雷[15]對(duì)玉米旱作研究表明,雙壟面全膜覆蓋集雨溝播栽培的玉米,生育期土壤含水量平均為 159.4 g/kg,比其它處理高出 14.8%～49.2%。水稻旱作研究表明,覆膜對(duì)土壤水分尤其表層土壤水分的保持作用明顯,干旱地區(qū)稻田覆膜下的土壤含水量顯著高于裸地[16]。在油菜生育期間覆膜有利于土壤耕層含水量的提高,且保持相對(duì)穩(wěn)定,比對(duì)照要高 0.64%～1.38%[17]。李梅等也有報(bào)道,覆膜春小麥的土壤含水量顯著提高,增幅達(dá) 49.53%[18]。由于覆膜的提墑作用,使得生長(zhǎng)后期時(shí)作物根層以下土壤含水量比不覆膜的相對(duì)要低,在底墑不足或干旱年份則更加突出[19]。

1.3 作物覆膜對(duì)土壤微生物及作物根系的影響

微生物是土壤的重要組成部分,為土壤有機(jī)物的分解、養(yǎng)分元素及化合物的轉(zhuǎn)化起到重要作用。地膜覆蓋提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高溫高濕環(huán)境,有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖,數(shù)量增多,生物活性加強(qiáng)。據(jù)陳錫時(shí)[20]在棕壤上的測(cè)定,地膜覆蓋顯著增加了表層土壤微生物的數(shù)量,與裸地栽培相比,細(xì)菌、放線菌和真菌分別增加22.6%,29.3%和19.7%。同時(shí)對(duì)水稻覆膜研究表明,同期相比,覆膜栽培方式土壤微生物量高于常規(guī)栽培,特別是分蘗期和灌漿期[21]。在土壤微生物種群方面,覆膜對(duì)真菌種群影響不大,但對(duì)兼厭氣性微生物種群有增強(qiáng)作用,對(duì)好氣性微生物種群起減弱作用[20]。

土壤酶活性體現(xiàn)土壤的綜合肥力特征及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化進(jìn)程,是土壤肥力水平高低的較好指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)水稻來說,覆膜旱作對(duì)蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶等都有不同程度的增加,特別對(duì)蔗糖酶與過氧化氫酶影響最大[22]。

由于覆膜改變了土壤的溫濕度,土壤微生物活動(dòng)加強(qiáng),使土壤的理化性質(zhì)得到改善,促進(jìn)了植株根系的發(fā)育與形成,改善根系在土壤中的分布及增加根系活力。試驗(yàn)測(cè)得冬小麥地膜覆蓋能顯著增加根系的傷流量、根系對(duì)氮素的吸收和根系活性[23]。地膜覆蓋棉花,根系對(duì)硝態(tài)氮的吸收能力比對(duì)照提高 35.1%,根系的呼吸強(qiáng)度比對(duì)照提高 19.1%,單株干物質(zhì)積累為對(duì)照的 2.3倍[2]。覆膜不僅有利于根系早發(fā)早扎且有利于延長(zhǎng)作物生長(zhǎng)后期部分根系的功能[24];同時(shí)覆膜還能抑制光合產(chǎn)物向根系轉(zhuǎn)移,根冠比維持在較低水平,對(duì)作物后期的生長(zhǎng)有利[25]。

2 作物覆膜溫室效應(yīng)對(duì)養(yǎng)分循環(huán)的影響

地膜覆蓋改善了土壤的水熱狀況與土壤結(jié)構(gòu),促進(jìn)了土壤微生物活動(dòng),加快了土壤有機(jī)質(zhì)分解,加速了養(yǎng)分的礦化,使土壤物質(zhì)循環(huán)加快,從而影響各養(yǎng)分元素的代謝轉(zhuǎn)化。

2.1 覆膜對(duì)碳素循環(huán)的影響

覆膜作物的碳循環(huán)主要是通過植物呼吸、光合、有機(jī)質(zhì)分解而起作用。碳的循環(huán)與利用對(duì)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育與生物量的積累起到了關(guān)鍵的作用。

地膜覆蓋后顯著增加了土壤中CO2的釋放量。李世清 3次測(cè)定覆膜春小麥的平均結(jié)果表明,覆膜比不覆膜 CO2釋放量增加251.5μ g/cm3,差異達(dá)極顯著[26]。據(jù)溫祥珍[27]報(bào)道,覆蓋后土壤微生物數(shù)量、植株根量大幅度增加,根際CO2可達(dá)21.6%～51.5%,是露地相應(yīng)土層的3～5倍。據(jù)陳永祥等對(duì)玉米覆膜研究表明,整個(gè)生長(zhǎng)期覆膜土壤的 CO2濃度明顯高于裸地,平均高32.4%。在垂直分布下,CO2濃度隨著深度增加而增加,覆膜條件下在40 cm處出現(xiàn)最大值,50 cm以下降低并穩(wěn)定在 1%～1.1%,而裸地的最高值出現(xiàn)在 70 cm[28]。

覆膜同樣影響 CH4的排放。研究發(fā)現(xiàn)在水稻移栽后92 d內(nèi)覆膜水稻強(qiáng)化栽培的CH4排放通量比不覆膜明顯增高,與無膜強(qiáng)化栽培相比,在水稻整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)CH4排放總量增加 36.1%[29]。另有研究發(fā)現(xiàn),在水稻旱作時(shí)覆膜栽培所排放的 CH4總量也要高于裸地[30]。這說明覆膜后增加了甲烷細(xì)菌的數(shù)量與活性,促進(jìn)了CH4的排放。

2.2 覆膜對(duì)氮素循環(huán)的影響

地膜覆蓋改變了土壤水熱狀況和生物性質(zhì),也必然影響與土壤微生物密切相關(guān)的土壤氮素轉(zhuǎn)換[31]。土壤中氮元素的存在形式有多種,主要以速效氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)及結(jié)合氮的形式存在,而各種形態(tài)的N素最終都以氣體形式從土壤中散失。據(jù)研究,覆膜減弱土壤微生物對(duì)氮的固定作用,而加強(qiáng)礦化作用,不利于維持土壤中的活性有機(jī)氮庫。對(duì) NH+4-N來說,覆膜對(duì)其影響不顯著,在不同生育期與不同土層含量基本穩(wěn)定;但覆膜對(duì) NO-3-N有顯著影響,從不同年份來看,都能促進(jìn)土壤剖面中的殘留硝態(tài)氮的積累[26]。劉金城等的研究結(jié)果表明,覆膜栽培條件下氮素的礦化作用加強(qiáng),微生物固定作用減弱,而且連續(xù)多年覆膜栽培,有效性較高的酸解性氮所占比例減少,非酸解性氮比例增加[32]。

一般認(rèn)為,土壤N素主要以 N2O的形式逸出。地膜覆蓋下土壤微生物的活性增強(qiáng),同時(shí)由于土壤中NO-3-N的積累量增加,N2O的釋放明顯增加,許多研究也證明了這一結(jié)果。朱詠莉等試驗(yàn)表明,覆膜使地表外和耕層土壤N2O的釋放通量顯著增加[33]。韓建剛等研究表明,地膜覆蓋增加了小麥生長(zhǎng)土壤不同土層N2O的排放通量,隨土層加深 N2O排放通量加大,10 cm處的N2O增幅最高[34]。

2.3 覆膜對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響及其他養(yǎng)分元素的影響

與促進(jìn)土壤中速效養(yǎng)分不同,在覆膜條件下,土壤有機(jī)質(zhì)比露地土壤含量低,這主要與微生物加強(qiáng)了土壤礦化作用、增強(qiáng)作物對(duì)養(yǎng)分吸收有關(guān)。杜守宇等的研究表明,覆膜穴播比露地條播春小麥田耕層(0～20 cm)全氮和有機(jī)質(zhì)在不同生育期的含量要低,且隨小麥的生育進(jìn)程而加劇[35]。另有研究表明,覆膜土壤溫度高,有利于土壤有機(jī)質(zhì)礦化,加速有機(jī)質(zhì)分解,使覆膜比露地土壤有機(jī)質(zhì)含量少[36]。

同樣覆膜對(duì)磷的有效性也有所影響。研究表明,地膜覆蓋可以增加土壤速效磷的含量,提高土壤磷的有效性[37,38]。對(duì)石灰性土壤 ,溫度從 12.5℃到 32.5℃ ,每升高1℃,有效磷增加0.22μ g/g[39]。汪景寬等在研究了長(zhǎng)期覆膜對(duì)土壤磷素狀況的影響后發(fā)現(xiàn),覆膜會(huì)加速土壤中磷的消耗[40]。蔡昆爭(zhēng)等研究,水稻覆膜旱作土壤中速效鉀含量比裸地及常規(guī)水作有所降低[22]。

由此可見,長(zhǎng)期覆膜會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分消耗過快而造成肥力下降。

3 覆膜溫室效應(yīng)對(duì)作物的影響

3.1 覆膜溫室效應(yīng)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

由于覆膜改變了土壤的溫濕度,土壤微生物活動(dòng)加強(qiáng),使土壤的理化性質(zhì)得到改善,促進(jìn)了植株的生長(zhǎng)發(fā)育及適應(yīng)力。許多對(duì)覆膜作物生育期觀測(cè)記錄表明,覆膜能顯著加快作物的生長(zhǎng)發(fā)育,促進(jìn)作物的早發(fā)早熟;對(duì)于晚播條件下的作物則能加速生長(zhǎng),縮短物候期,減少晚播對(duì)作物產(chǎn)量的影響。洪彬藝研究發(fā)現(xiàn),覆膜加快了花生的出苗速率,顯著提高花生的出苗率[41]。地膜覆蓋油菜的現(xiàn)蕾期、抽薹期、初花期、盛花期和成熟期較對(duì)照提前 3～4 d,全生育期縮短 4 d左右[42]。

提高作物的抗逆性。由于地膜作物植株生長(zhǎng)健壯,抗病能力增強(qiáng);穩(wěn)定田間溫濕度,不利于病蟲害的發(fā)生;地膜隔斷土壤,減輕降雨時(shí)帶菌泥土飛濺,減少油菜感病機(jī)會(huì);同時(shí)植株生長(zhǎng)整齊不利于病菌侵染[43]。熊雙蓮對(duì)水稻覆膜旱作的試驗(yàn)表明,水稻覆膜栽培紋枯病的發(fā)病率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)栽培和無膜栽培[44]。

3.2 覆膜溫室效應(yīng)對(duì)作物理化性狀的影響

覆膜處理同樣對(duì)作物干物質(zhì)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響,合理的地膜覆蓋能促進(jìn)同化物的形成與分配。

郭志利等[45]研究表明,地膜覆蓋能顯著增加谷子光合效率、凈同化率、干物質(zhì)累積和體內(nèi)干物質(zhì)向穗部的轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致覆膜穗長(zhǎng)增長(zhǎng)速度比對(duì)照高 8%～21%,同時(shí),穗占總干物質(zhì)的比例也顯著增加。Niu[46]等在研究了地膜覆蓋對(duì)春小麥開花后產(chǎn)量形成的影響后指出,地膜覆蓋春小麥比露地春小麥干物質(zhì)累積量增加26%,并且在灌漿期會(huì)使更多的干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)移,最終產(chǎn)量增加36%。然而黃義德等對(duì)水稻覆膜旱作研究表明,與常規(guī)種植相比,水稻生長(zhǎng)前期在光合面積、光合效率等方面具有優(yōu)勢(shì),到中期逐漸減退,到后期反而不如常規(guī)種植;在干物質(zhì)分配方面,覆膜旱作籽粒前期增重較快,但后期干物質(zhì)分配和運(yùn)輸存在一定的障礙[47]。

3.3 覆膜溫室效應(yīng)對(duì)作物產(chǎn)量的影響

許多研究表明,覆膜能有效提高作物的產(chǎn)量。在油菜上,覆蓋處理對(duì)冬油菜產(chǎn)量具有重要影響,與不同的覆膜處理相比,地膜覆蓋產(chǎn)量極顯著高于對(duì)照[6]。據(jù)調(diào)查顯示,在陜西不同地區(qū)的油菜生產(chǎn)中,覆膜油菜比露地油菜增產(chǎn)45%～57.2%[9]。在水稻上,水田覆膜具有一定的增產(chǎn)效果,兩年平均單產(chǎn)為8 193 kg/hm2,比對(duì)照增產(chǎn)232 kg/hm2,增幅3%[12]。程俊珊在對(duì)玉米覆膜試驗(yàn)中得出,與對(duì)照相比,覆膜玉米行粒數(shù)增加8～8.7粒,每穗粒數(shù)增加 112～121.8粒,千粒重增加 40.2～67.0g,單株產(chǎn)量提高 52.7～55.0 g[11]。對(duì)冬小麥試驗(yàn)測(cè)得對(duì)于不同年份適時(shí)播種,覆膜小麥產(chǎn)量比露地小麥高16.1%以上[13]。覆膜對(duì)大豆也表現(xiàn)出同樣的增產(chǎn)效果,與裸地相比,覆膜菜用大豆株高、莢數(shù)、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)均要比對(duì)照多,具有更高的生產(chǎn)潛力[48]。

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