旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)覆膜體系及其土壤生態(tài)環(huán)境效應*

蔣 銳, 郭 升, 馬德帝

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旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)覆膜體系及其土壤生態(tài)環(huán)境效應*

蔣 銳?, 郭 升?, 馬德帝

(西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院 楊凌 712100)

覆膜技術(shù)作為一項有效提高糧食產(chǎn)量的重要手段, 在中國西北地區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)中得到廣泛的推廣應用。本文綜述了地膜覆蓋體系關(guān)于作物產(chǎn)量、土壤水分、土壤溫度、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和遷移以及微生物數(shù)量和活性等方面的研究進展, 以期為旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展和完善覆膜技術(shù)體系提供理論支撐。研究表明: 玉米、小麥和馬鈴薯覆膜處理增產(chǎn)顯著, 其平均增產(chǎn)率分別為26.2%、37.1%和29.8%; 同時, 增產(chǎn)受到覆膜方式影響, 全覆膜處理增產(chǎn)效果最好, 其玉米、小麥和馬鈴薯平均產(chǎn)量分別比半覆膜處理高30.0%、5.1%和26.4%。覆膜下玉米、小麥與馬鈴薯的水分利用效率分別比不覆膜處理高42.8%、10.9%和92.8%。覆膜處理影響硝酸鹽在土體的空間分布, 硝酸鹽在膜下出現(xiàn)表聚現(xiàn)象; 同時覆膜能夠提高氮肥利用效率, 減少氮素淋溶損失, 降低氨揮發(fā)。但關(guān)于覆膜下反硝化過程的研究結(jié)論不一, 還需進一步深入的探討。覆膜對有機碳的影響與氣候、土壤、作物、覆膜年限等有關(guān), 其研究結(jié)論尚有爭議。另外, 覆膜增加了農(nóng)田土壤微生物量, 改變土壤物理性狀。盡管覆膜顯著提高作物產(chǎn)量, 其對生態(tài)環(huán)境卻可能存在一定的影響, 比如“奢侈耗水”現(xiàn)象, 溫室氣體排放增加, 土壤有機質(zhì)耗竭, 農(nóng)膜殘留等問題。因此, 進一步系統(tǒng)研究覆膜對土壤生態(tài)環(huán)境的影響機理, 完善覆膜技術(shù)體系與應用, 全面評估覆膜體系的生態(tài)環(huán)境影響, 對其在中國干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

地膜覆蓋; 作物產(chǎn)量; 土壤環(huán)境; 養(yǎng)分利用效率; 水分利用效率; 養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化; 西北地區(qū)

我國旱地約占耕地總面積的50%, 旱地糧食增產(chǎn)對于保障國家糧食安全至關(guān)重要。但旱地水資源匱乏,嚴重制約其農(nóng)業(yè)發(fā)展[1]。有人預言中國21世紀最大的糧倉在西北, 而提高水分利用效率是實現(xiàn)西北地區(qū)糧食增產(chǎn)潛力的基本前提[2]。覆膜技術(shù)顯著改善水熱條件, 提高糧食產(chǎn)量, 逐步在西北地區(qū)得到推廣與應用, 為解決糧食安全問題提供了新的思路[3-4]。

伴隨著覆膜技術(shù)的推廣, 相關(guān)研究日益增加, 研究內(nèi)容從單一的增產(chǎn)效應衍生發(fā)展到覆膜對土壤溫度、水分、無機鹽、有機質(zhì)、微生物的影響以及覆膜的生態(tài)環(huán)境效應等方面, 逐步形成了圍繞覆膜系統(tǒng)的研究體系。本文主要針對覆膜種植體系, 對覆膜技術(shù)的發(fā)展、覆膜對土壤水熱、養(yǎng)分、生物性質(zhì)、作物產(chǎn)量的影響與作用機理以及覆膜的生態(tài)環(huán)境效應等方面進行概述, 以期對地膜覆蓋長期應用的可持續(xù)性做出綜合評價, 為旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)中覆膜技術(shù)的完善以及地膜覆蓋農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 覆膜技術(shù)體系研究

覆膜技術(shù)在我國的發(fā)展大致經(jīng)過了3個階段: 引進實驗階段、擴大示范階段和全面推廣階段。覆膜技術(shù)最早于1948年由日本人開始研究, 1956年開始應用于實際生產(chǎn), 1978年引入我國, 起初應用于蔬菜種植, 后來逐漸發(fā)展到各種經(jīng)濟作物和糧食作物[5]。由于覆膜技術(shù)具有增產(chǎn)明顯、成本低廉的優(yōu)點, 迅速在全國得到推廣, 我國現(xiàn)已成為世界上覆膜面積最大的國家[6], 至2012年, 中國的覆膜面積已達到2 333億hm2。尤其在西北干旱半干旱地區(qū), 地膜覆蓋技術(shù)表現(xiàn)出了巨大的增產(chǎn)潛力, 因而得到廣泛的推廣應用, 陜西、甘肅、寧夏、新疆等地區(qū)覆膜面積持續(xù)擴大。2010年新疆總覆膜面積為185萬hm2, 達到全疆耕地面積的37.0%[7]; 2013年, 寧夏僅玉米春季覆膜達到3.5萬hm2, 秋季覆膜10.3萬hm2; 2014年, 中央財政撥款10 億元用于支持旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)地膜覆蓋技術(shù)的推廣; 2015年, 甘肅省覆蓋面積達到100萬hm2, 占農(nóng)作物播種面積的27.0%。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 覆膜技術(shù)和方式得到了多方面的發(fā)展, 已經(jīng)在覆膜方式、覆膜與施肥灌溉結(jié)合以及覆膜機械應用等各個方面得到了完善, 逐漸形成了具有中國特色的覆膜技術(shù)體系，在玉米()、馬鈴薯()、小麥()和棉花(spp.)等作物上應用廣泛[8-11]。本文僅就旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)中覆膜涉及的玉米、小麥、馬鈴薯等作物進行總結(jié)。

覆膜方式: 經(jīng)過長期的研究與實踐, 覆膜技術(shù)形成了包括半膜平覆蓋、半膜壟溝覆蓋(溝播、側(cè)播、頂播)、全膜平覆蓋和全膜雙壟溝覆蓋等多種覆膜方式。其中, 全膜雙壟溝覆蓋技術(shù)的膜面集雨、保水保墑性能優(yōu)勢明顯[12], 在降雨量為200~400 mm的地區(qū)推廣較好, 而半膜壟溝覆蓋在降雨量為400~600 mm的地區(qū)應用廣泛。

由圖1可以看出全覆膜和半覆膜處理相對于平作不覆膜處理能夠明顯提高作物產(chǎn)量, 而且全覆膜處理平均增產(chǎn)幅度高于半覆膜, 全覆膜處理下的玉米、小麥和馬鈴薯的平均增產(chǎn)率分別為53.7%、46.7%和52.2%, 半覆膜的平均增產(chǎn)率分別為23.7%、40.6%和25.8%, 全覆膜比半覆膜產(chǎn)量高30.0%、5.1%和26.4%。全膜覆蓋處理下的玉米株高和穗位高明顯高于其他覆膜方式, 差異分別達到顯著和極顯著水平; 穗長、穗粗、穗粒數(shù)和百粒重均最大, 為提高玉米產(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)[9]。

圖1 不同覆膜方式相對于不覆膜處理的作物增產(chǎn)率

玉米 、小麥和馬鈴薯的樣本量分別為36、40和43。箱線圖邊線為25%和75%數(shù)據(jù)范圍, 中線為中位數(shù), “□”為平均數(shù), 箱圖上下“×”為異常值邊界; 采用檢驗判斷顯著性差異, *和**分別表示在0.05、0.01水平上差異顯著。Samples numbers of maize, wheat and potato are 36, 40 and 43, respectively. The boundary lines of boxplot are 25% and 75% of the data range. The center lines are the medians, “□” shows average, and “×” shows the abnormal value. Usingtest to determine significant difference. * and ** mean significant differences at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

由圖2可看出, 覆膜措施明顯縮短玉米生育期, 半覆膜和全覆膜措施分別使玉米生育期平均縮短7.3 d和11.1 d; 小麥生育期分別平均縮短1.5 d和0.2 d, 但各研究之間差異較大, 研究結(jié)果比較分散; 馬鈴薯平均縮短5.3 d和2.0 d, 研究結(jié)果差異也較大。覆膜下作物生育期縮短主要是因為增溫效應和保墑效應共同作用的結(jié)果, 覆膜降低了作物遭受干旱和低溫脅迫的風險, 使整個生育期提前; 尤其在前期, 覆膜的增溫效應和保墑作用為作物種子發(fā)芽提供了更加適宜的溫度和水分條件[13]。

覆膜時期: 覆膜時期影響作物產(chǎn)量。研究表明, 在干旱地區(qū)播種前的土壤水分對作物生長十分重要, 而播種前覆膜能夠有效提高土壤含水量[14]。秋覆膜作為一項有效的保水措施, 有效抑制了秋冬時期土壤水分的蒸發(fā), 保蓄自然降水, 提高了土壤含水率, 有利于第2季玉米在前期的生長, 因此能夠明顯提高水分利用效率和作物產(chǎn)量。崔琳琳[15]研究表明, 秋覆膜處理的玉米產(chǎn)量較春覆膜和播種前覆膜分別高13.0%和21.8%; 劉廣才等[16]提出在甘肅降雨量為250~350 mm的半干旱偏旱旱作農(nóng)業(yè)區(qū)建議采用秋季全覆膜技術(shù), 而在500~600 mm降雨量較為豐富的地區(qū)可采用頂凌覆蓋方式, 而且在水分、肥力條件差的地區(qū)可適當擴大壟寬, 降低種植密度。Li等[17]報道, 春小麥在覆膜20 d處理下產(chǎn)量最高, 分別比覆膜40 d和覆膜60 d處理高360 kg·hm-2和1 505 kg·hm-2, 覆膜時間超過40 d產(chǎn)量反而有所降低。

圖2 不同覆膜方式下相對于不覆膜處理作物生育期縮短時間的差異

玉米 、小麥和馬鈴薯的樣本量分別為22、13和22。箱線圖邊線為25%和75%數(shù)據(jù)范圍, 中線為中位數(shù), “□”為平均數(shù), 箱圖上下“×”為異常值邊界; 采用檢驗判斷顯著性差異, *表示在0.05水平上差異顯著。Samples numbers of maize, wheat and potato are 22, 13 and 22, respectively. The boundary lines of boxplot are 25% and 75% of the data range. The center lines are the medians, “□” shows average, and “×” shows the abnormal value. Usingtest to determine significant difference. * means significant differences at 0.05 probability level.

2 覆膜對作物產(chǎn)量的影響

由圖3可知, 玉米、小麥和馬鈴薯覆膜處理增產(chǎn)顯著, 其平均增產(chǎn)分別為26.2%、37.1%和29.8%。覆膜能夠顯著提高各種農(nóng)作物的經(jīng)濟產(chǎn)量, 特別是在干旱半干旱地區(qū)和寒冷地區(qū)增產(chǎn)效果明顯[18]。覆膜增產(chǎn)機制主要是: 覆膜技術(shù)通過影響農(nóng)田的微地形條件來改變土壤的理化性質(zhì), 減少土壤水分的蒸發(fā), 提高土壤表層溫度和水分利用率, 在良好的水熱條件下, 使作物各個生育期提前, 提高作物的出苗率, 改善作物葉面積指數(shù)等農(nóng)藝性狀, 從而顯著提高作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益[19-21]。Liu等[22]研究證明, 覆膜措施增加玉米穗的籽粒數(shù)和千粒重, 提高玉米種植密度。李尚中等[23]發(fā)現(xiàn)覆膜處理玉米穗粒數(shù)和百粒重分別增加179.4粒和8.4 g; 張睿等[24]卻發(fā)現(xiàn)小麥覆膜雖然提高了成穗率和粒數(shù), 但是千粒重卻有所降低。然而, 個別研究發(fā)現(xiàn)玉米、小麥、馬鈴薯出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象。劉勝堯等[25]發(fā)現(xiàn), 由于華北地區(qū)降雨量相對較高, 平作覆膜處理會造成土壤漬水現(xiàn)象, 通透性差, 使玉米穗位下葉片嚴重早衰, 導致產(chǎn)量低于不覆膜處理; 李鳳民等[26]的研究結(jié)果表明覆膜小麥產(chǎn)量比不覆膜平均低83.2%, 原因是覆膜小麥生長前期消耗大量土壤水分, 后期降水少和深層水分不足導致產(chǎn)量低; 梁東超等[27]發(fā)現(xiàn)早熟馬鈴薯品種在高溫高濕環(huán)境下會對薯塊形成和淀粉積累起到抑制作用; Wang等[28]與其研究結(jié)果相似, 覆膜使土壤溫度升高反而降低了馬鈴薯出苗率, 隨著覆膜時間的增長, 產(chǎn)量和水分利用效率都有所降低。

圖3 覆膜處理對作物產(chǎn)量的影響

玉米、 小麥和馬鈴薯的樣本量分別為45、39和51。箱線圖邊線為25%和75%數(shù)據(jù)范圍, 中線為中位數(shù), “□”為平均數(shù), 箱圖上下“×”為異常值邊界; 采用檢驗判斷顯著性差異, **表示在0.01水平上差異顯著。Samples numbers of maize, wheat and potato are 45, 39 and 51, respectively. The boundary lines of boxplot are 25% and 75% of the data range. The center lines are the medians, “□” shows average, and “×” shows the abnormal value. Usingtest to determine significant difference. ** means significant differences at 0.01 probability level.

3 覆膜對土壤溫度的影響

覆膜措施提高土壤溫度緣于地膜良好的透光性, 既能夠使日光的短波輻射透過薄膜, 防止地表熱量以長波輻射的形式散失, 又能避免地表亂流熱交換和土壤水分蒸發(fā)帶走熱量。覆膜技術(shù)的增溫效應, 對作物前期生長發(fā)育和增產(chǎn)起到了重要的作用[29]。高玉紅等[30]研究表明: 土壤表層溫度升高縮短了玉米籽粒達到最大灌漿速率的時間, 在灌漿期期間, 土壤20 cm和25 cm土層溫度與灌漿的最大速率呈顯著正相關(guān)。

覆膜對玉米地土壤的積溫效應按生長期可分為3個階段[31]: 第1階段, 從玉米播種開始, 隨著溫度不斷升高, 到拔節(jié)期積溫效應達到頂峰。前期溫度升高有利于玉米種子提前萌發(fā), 促進玉米植株的生長, 使各個生育期提前。第2階段, 從拔節(jié)期到大喇叭口期積溫效應減弱, 一直持續(xù)到玉米灌漿前期。造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩個: 一是由于玉米的葉面積增加, 陽光不能照射到地面; 另一個就是日照時間變短, 直接導致地面獲得的熱量減少。第3階段, 玉米灌漿中后期積溫效應有所增強, 這一階段氣溫開始降低, 覆膜處理的農(nóng)田土壤增溫效果更加顯著, 從而有利于提高玉米籽粒的灌漿速率。

研究表明, 覆膜增溫受土壤含水率和光照時間影響。土壤含水率越高, 增溫越明顯, 主要有兩個原因: 一是地膜的下表面凝結(jié)形成水層, 夜間土壤放射的長波輻射受到了水層的阻擋[32]; 二是水具有較高的比熱容, 含水率高的土壤與含水率低的土壤相比, 雖然白天升高相同的溫度數(shù), 但是含水率高的土壤會吸收更多的熱量, 晚上膜內(nèi)的水汽液化會放出熱量, 提高了膜內(nèi)的溫度。同時, 天氣狀況不同會導致光照時間不同, 造成增溫的效果有所差異, 增溫效果依次為: 晴天>多云>陰天>雨天[31]。

另外, 覆膜影響不同深度土壤溫度的日變化。李興等[33]對黃土高原覆膜玉米表層溫度的變化做了細致的研究, 在9:00—23:00覆膜增溫明顯, 在日落之后, 熱量散失較露地慢。王樹森等[32]發(fā)現(xiàn)隨著土層加深, 日平均氣溫溫差卻逐漸減小, 說明覆膜對表層土壤的增溫效果強于較為深層的土壤。熱量由地表向下層土壤傳遞具有明顯的滯后效應, 覆膜不僅能夠延遲土壤溫度的下降, 而且提高地表與下層土壤的溫度變化率, 土壤溫度變化影響土壤中水汽的遷移, 增加了由地內(nèi)向地表移動的水汽數(shù)量, 有助于提墑作用。

4 覆膜對土壤水分的影響

水分是影響作物生長的重要因素之一, 特別是在降水量少、蒸發(fā)量大的干旱和半干旱地區(qū), 土壤水分是限制干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。覆膜具有提高降雨捕獲量、抑制土壤水分無效蒸發(fā)、增加土壤的蓄水和水分回流的能力, 從而提高土壤的水分利用效率[34-37]。劉慶華等[38]研究表明, 當降水量為5~15 mm時, 玉米行間覆膜能夠有效增加集雨量, 有效集雨系數(shù)由0.5增加到0.8, 在行帶為15 cm寬時, 接納的降雨量相當于自然降雨的2.1~3.2倍。王罕博等[39]的研究表明覆膜處理較裸地能顯著保持土壤水分, 全生育期平均增加4.9%, 特別是在玉米生長前期, 增幅達到7.1%, 為玉米的萌發(fā)和出苗提供有利條件。

由圖4可知, 玉米在覆膜處理下平均耗水量比不覆膜處理低1.9%, 而小麥和馬鈴薯覆膜處理比不覆膜高21.5%和1.3%。不覆膜玉米總耗水量高可能是由于玉米生長季期間氣溫高, 田間土壤蒸發(fā)量大, 導致總耗水量升高; 小麥生長季期間溫度較低, 土壤水分蒸發(fā)較弱, 覆膜下小麥的葉面積指數(shù)更高, 反而導致覆膜總耗水量高于平作不覆膜[8]。各作物覆膜處理的水分利用效率均明顯高于不覆膜, 其玉米、小麥與馬鈴薯的水分利用效率分別比不覆膜提高42.8%、10.9%和92.8%, 原因是覆膜作物長勢更好, 加大作物蒸騰量, 同時抑制土壤水分的無效蒸發(fā), 從而提高水分利用效率。楊寧等[40]研究發(fā)現(xiàn)玉米在覆膜條件下的蒸散量明顯低于不覆膜, 水分利用效率更高, 相比較不覆膜分別高出33.3%; 還有研究表明, 全膜覆蓋方式相對于其他覆膜方式更能減少水分損失, 提高水分利用效率[41-43]。

覆膜具有提墑的作用, 白天表層土壤溫度升高, 與中下層土壤形成溫度差異, 水蒸氣不斷向上擴散, 聚集在表土和地膜之間, 到了夜晚溫度降低, 水蒸氣凝結(jié)到地膜的下表面, 凝結(jié)的水滴重新落到表層土壤, 在膜下形成了一個水分內(nèi)循環(huán)系統(tǒng), 有效提高表層土壤含水率, 玉米大部分的根系都在0~30 cm土層, 因此提墑使水分更容易被玉米獲取利用[44]。李世清等[45]研究發(fā)現(xiàn), 覆膜農(nóng)田0~100 cm土壤水分高于不覆膜, 而100~200 cm土壤水分低于不覆膜, 說明覆膜的提墑作用, 同時也說明了覆膜的深層耗水特性[46]。

圖4 覆膜對作物總耗水量(a)和水分利用效率(b)的影響

玉米、 小麥和馬鈴薯的樣本量分別為13、9和7。箱線圖邊線為25%和75%數(shù)據(jù)范圍, 中線為中位數(shù), “□”為平均數(shù), 箱圖上下“×”為異常值邊界。Samples numbers of maize, wheat and potato are 13, 9 and 7, respectively. The boundary lines of boxplot are 25% and 75% of the data range. The center lines are the medians, “□” shows average, and “×” shows the abnormal value.

5 覆膜對土壤養(yǎng)分的影響

研究表明, 覆膜改變土壤中氮、磷、鉀、有機質(zhì)含量及其在土層中的分布特征, 主要原因是覆膜改變了土壤的水熱狀況、微生物的數(shù)量和活性、土壤的理化性質(zhì)和植物生長狀況, 從而影響?zhàn)B分的循環(huán)[47]。

5.1 覆膜對土壤氮素的影響

土壤氮素損失主要包括3個途徑: 硝酸鹽的淋失、土壤侵蝕以及氨氣和氧化亞氮等含氮氣體的排放[48]。覆膜能夠通過影響以上過程, 改變土壤中氮素的含量和分布。但覆膜對氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響非常復雜, 涉及多個過程共同參與、相互影響。

覆膜能夠改變硝酸鹽時空分布, 明顯提高耕層土壤硝酸鹽含量, 在土壤表層出現(xiàn)聚集現(xiàn)象[13,49]。造成這一現(xiàn)象的原因主要是: 1)覆膜避免了降水從土壤表層直接垂直入滲將硝酸鹽直接帶到深層土壤中, 絕大部分水分只能通過溝內(nèi)入滲, 增強了水分的側(cè)向移動, 繼而增加覆膜壟上水分的上行運動[50]; 2)由于起壟的耕作方式, 會使表層土壤撒施的肥料大部分都聚于壟上的土壤, 減弱了氮素的淋溶現(xiàn)象; 3)覆膜通過改善土壤水熱條件促進了土壤表層有機氮的分解和活化[51], 從而提高表層土壤硝酸鹽的含量。

覆膜處理能夠抑制硝酸鹽的淋溶, 減緩硝態(tài)氮向下層遷移的速度, 減少了被淋溶出根區(qū)以外的氮素量,提高了氮素的利用效率[52]。陳小莉等[53]研究認為, 覆膜有效提高氮肥利用效率達18.8%; 研究還發(fā)現(xiàn)全膜覆蓋方式比壟上半覆膜的硝酸鹽淋溶量更少[54]。另外, 地膜覆蓋降低了雨水對土壤的直接沖刷作用, 減少氮素的流失。

覆膜措施改變了土壤中氨揮發(fā)過程, 顯著降低氨的揮發(fā)[55]。有研究指出覆膜使土壤反硝化細菌造成的銨態(tài)氮揮發(fā)損失減少90%左右, 有效提高了氮肥利用率[56]。上官宇先等[55]發(fā)現(xiàn)壟溝覆膜銨態(tài)氮濃度高于平作, 原因可能是壟作氮肥深施和覆膜減少了氨氣的揮發(fā)量。

覆膜下氧化亞氮的排放受到土壤氮含量、水分、溫度、土壤的孔隙度等多種因素的影響, 研究條件不同造成研究結(jié)果有所差異[57]。李世清等[45]認為, 覆膜使耕層水熱條件得到改善, 硝化和反硝化細菌活性加強, 從而增加氧化亞氮的釋放通量; 白紅英等[58]認為覆膜下氮素得到一定積累, 硝態(tài)氮作為反硝化過程的底物, 硝態(tài)氮的積累過程有可能增加氧化亞氮的排放; 閻佩云等[59]提出了不同的觀點: 覆膜對氧化亞氮的排放無顯著影響, 硝化過程是黃土高原旱作玉米區(qū)影響氧化亞氮排放的主要因素, 而土壤中的硝化底物無明顯差異, 施氮量才是影響氧化亞氮排放的重要因素; Liu等[22]認為覆膜下的作物吸收了更多的無機氮, 導致氧化亞氮排放量并沒有升高。

5.2 覆膜對土壤磷素的影響

覆膜提高微生物活性, 加速有機磷的礦化, 玉米產(chǎn)量升高需要消耗更多的速效磷, 導致覆膜處理土壤的速效磷水平低于不覆膜[60]。杜社妮等[61]發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋后土壤速效磷略有下降, 但全磷增加12.5%, 可能是覆膜能夠減弱雨水對土壤的直接接觸和打擊, 從而減少土壤侵蝕[60]。而有研究卻表現(xiàn)出相反的結(jié)果, 覆膜處理下的土壤有效磷有所升高[62-63]。

5.3 覆膜對土壤有機質(zhì)的影響

土壤有機質(zhì)是土壤肥力的基礎(chǔ), 不僅影響土壤的物理化學性質(zhì), 而且對土壤微生物和作物的生長發(fā)育具有重要的作用。覆膜主要通過以下兩種方式影響有機質(zhì)含量: 一方面, 覆膜提高了土壤溫度和水分, 改善了微生物的生長環(huán)境, 促進微生物生長發(fā)育和新陳代謝, 加速有機質(zhì)的分解; 另一方面, 良好的生長環(huán)境會促進植物根系生長, 增加根系分泌物, 使土壤的有機質(zhì)含量升高[64], 并且覆膜一定程度上阻礙土壤與空氣間的氣體交換, 導致膜內(nèi)二氧化碳濃度升高, 抑制土壤呼吸, 減少碳排放, 促進農(nóng)田的碳積累, 而且覆膜會提高表層土壤水分, 也會對土壤呼吸起到一定的抑制作用[65]。另外, 有機碳和C/N存在正反饋機制, 覆膜作物獲得高產(chǎn)必定是以大量氮肥的投入為前提, 而長期施肥會導致土壤中的C/N比下降, 加速有機碳的分解, 從而進一步降低C/N值。

有機質(zhì)含量與氣候狀況、土壤狀況、作物種類、覆膜年限和耕作方式有關(guān)。覆膜通過改變土壤環(huán)境影響有機質(zhì)含量, 其研究雖然較多, 但結(jié)論不一。有研究表明覆膜導致土壤有機質(zhì)含量下降[47]。李利利等[66]發(fā)現(xiàn)覆膜措施會降低0~5 cm表層土壤的有機碳含量, 而且0~40 cm土層的輕質(zhì)有機碳也呈現(xiàn)降低的趨勢。李小剛等[67]研究顯示土壤總有機質(zhì)含量變化并不明顯, 而活性有機質(zhì)含量有所提高, 這與Liu等[68]在連續(xù)5年覆膜玉米種植試驗的結(jié)論一致。覆膜雖然提高微生物和酶的礦化作用, 但是同時增加了根際有機質(zhì)含量和土壤中植物殘體的分解速率, 土壤有機質(zhì)輸入量和礦化量達到持平狀態(tài)。崔志強等[69]得到了不同的結(jié)果, 覆膜處理能顯著提高有機質(zhì)含量, 同時會使表層土壤活性有機質(zhì)含量顯著增加。

6 覆膜對土壤微生物的影響

微生物是土壤最活躍的組成, 是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)的驅(qū)動力, 不僅對分解土壤中的有機質(zhì)、促進腐殖質(zhì)形成和植物生長等具有重要作用[70], 而且能夠優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu), 微生物的分泌物和代謝產(chǎn)物可作為促進土壤團聚體形成的黏合劑。覆膜能夠增加微生物的數(shù)量、提高微生物活性、改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)以及影響其在土壤中的分布狀況, 主要原因是覆膜改善土壤水、熱、肥力條件來直接影響微生物, 同時促進作物根系生長來間接影響微生物的生長。另外, 覆膜改變土壤的pH、通氣狀況、二氧化碳濃度和土壤中酶的活性等條件也會影響微生物的生長。

覆膜土壤微生物類群以細菌最具優(yōu)勢, 其次為放線菌, 真菌最少[71]。研究表明, 覆膜對土壤中的細菌影響最大, 數(shù)量顯著增加, 放線菌和真菌數(shù)量也明顯高于不覆膜, 進而加快有機質(zhì)周轉(zhuǎn)與循環(huán)速度, 促進養(yǎng)分的分解和釋放, 但可能會引起有機質(zhì)的加速耗竭[72-73]。郭樹凡等[71]研究發(fā)現(xiàn), 覆膜會影響放線菌和真菌的垂直分布, 由于覆膜抑制了深層好氣性放線菌和真菌的生長導致大部分都分布在表層土壤, 覆膜顯著增加了0~15 cm土壤中的細菌、放線菌和微生物的數(shù)量, 分別提高22.6%、29.3%和19.7%。覆膜處理不但可以改變微生物數(shù)量和分布狀況, 還能改變土壤微生物種類和生理狀況[63]。郭樹凡等[71]連續(xù)7年研究了覆膜玉米土壤中不同微生物在不同生育期和垂直深度的變化情況, 研究發(fā)現(xiàn)覆膜三大類群微生物數(shù)量無明顯變化, 說明覆膜只影響當季作物的土壤微生物, 無疊加效果。

7 覆膜對土壤性質(zhì)的影響

有研究指出覆膜栽培可以改變土壤pH。施用化肥的情況下, 覆膜改變了土壤水分和鹽基離子運動方向, 覆膜較裸地能夠提高土壤pH; 當施用有機肥時, 覆膜增強了有機質(zhì)的礦化和吸收, 導致pH反而低于傳統(tǒng)種植[74]。

張野等[75]發(fā)現(xiàn)覆膜能夠有效提高0~20 cm土壤團聚體的含量, 團聚體含量高于不覆膜, 可能是由于覆膜使土壤環(huán)境改善, 微生物數(shù)量和活性提高, 分泌物有助于團聚體的形成。但陳永祥等[76]在覆膜玉米的研究中得出相反結(jié)果: 覆膜土壤中粒徑>0.25 mm大團聚體減少, 粒徑<0.001 mm的微團聚體卻增加4.5倍。覆膜能夠改善土壤物理性狀, 增大土壤孔隙度, 使其蓬松多孔, 在作物生長初期明顯有利于根系的伸展和溝內(nèi)的水分側(cè)向入滲到膜下土壤, 阻止了因田間積水流失和蒸發(fā)所造成的損失, 提高土壤含水量。覆膜土壤容重降低主要有兩個原因: 其一, 覆膜減輕降雨對地面的直接拍打、淋洗和沖擊, 避免表土被壓實; 其二, 覆膜的增溫效應使土壤中的水汽膨脹, 使土壤顆粒間距離增大, 當溫度下降時, 水汽濃度降低, 顆粒之間距離收縮, 周而復始, 土壤孔隙度增大[77]。研究[47,78]證明覆膜相對于無膜土壤容重有所下降, 孔隙度增大。有研究發(fā)現(xiàn), 覆膜處理使0~10 cm土層孔隙度明顯增大, 但是覆膜處理的10~30 cm土層總孔隙度比裸地低2.9%, 土壤容重反而較無膜高2.6%[79]。

8 覆膜對土壤生態(tài)環(huán)境的影響

覆膜栽培技術(shù)在提高作物產(chǎn)量、改善作物生長環(huán)境方面體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢, 但對土壤生態(tài)環(huán)境也存在一定的影響。

覆膜抑制水分無效蒸發(fā)的同時, 也使玉米的耗水量增大, 出現(xiàn)“奢侈耗水”現(xiàn)象, 造成這一現(xiàn)象的原因是覆膜改變了土壤的水熱狀況, 促進了作物的生長, 使玉米各生育期提前和葉面積增大, 導致水分的高額消耗[80], 造成對土壤水分和肥力的“透支”。連續(xù)覆膜耕作措施可能會使土壤水分耗竭, 不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。劉勝堯等[81]發(fā)現(xiàn)膜內(nèi)溫度升高, 增加土壤水分的蒸發(fā)潛勢, 水分通過秧孔、破洞噴發(fā)可能加重旱情。謝軍紅等[82]在黃土高原半干旱區(qū)的研究證明了水分過度消耗現(xiàn)象, 經(jīng)過3年的連作之后發(fā)現(xiàn)土壤儲水量低于土壤穩(wěn)定儲水量, 出現(xiàn)水分虧損現(xiàn)象, 在年均降水量320 mm時, 全膜雙壟溝播連作兩年, 全膜平作、半膜平作和露地種植連作3年就會出現(xiàn)土壤干燥化現(xiàn)象。因此, 為保持土壤水分持續(xù)高效利用和避免土壤干層的形成, 研究適合本地區(qū)的種植方式具有重要意義。

汪景寬等[83]研究指出, 覆膜會導致作物出現(xiàn)生理性“早衰”, 原因可能是土壤肥力較弱, 加上作物前期徒長, 使作物后期營養(yǎng)不足, 出現(xiàn)早衰現(xiàn)象。還有研究表明, 覆膜使水分含量和CO2濃度增加[84], 氧化還原電位和pH下降, 導致過氧化氫酶活性降低, 從而使過氧化氫積累, 造成植物根系生長不良, 導致早衰[85]。

9 覆膜下各因素的綜合效應

覆膜通過改變土壤溫度、水分、養(yǎng)分、微生物活性等條件影響土壤理化性質(zhì)與作物生長狀況, 從而影響作物產(chǎn)量。覆膜下各因素共同作用, 對土壤環(huán)境與作物形成綜合效應。

覆膜措施直接影響表層土壤的溫度和含水率, 改善膜下土壤的水熱條件, 不僅有利于微生物和作物生長, 而且具有活化土壤有機質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分的作用[51,86]。微生物的生長繁殖一方面利用土壤有機質(zhì)、氮、磷、鉀元素, 另一方面微生物會分泌維生素和生長激素等物質(zhì), 改變土壤養(yǎng)分狀況[87], 從而促進作物生長, 提高作物產(chǎn)量。同時, 作物生長時根系一邊吸收土壤養(yǎng)分, 一邊分泌有機物質(zhì), 根系的穿插作用也影響根際土壤的通氣性, 而覆膜促進根系生物量增加[88], 為微生物提供良好的生長環(huán)境[72]。

覆膜通過改變膜下土壤環(huán)境條件影響微生物活性, 從而影響氮素去向。覆膜抑制了氮肥的揮發(fā)和降水對氮肥的淋溶作用, 促進了作物對氮素的吸收[89-90], 從而提高了生物量與作物產(chǎn)量; 同時, 覆膜下水熱條件的變化, 影響土壤氮素礦化與有機質(zhì)礦化作用, 最終影響到土壤中氮的累積與有機質(zhì)含量的動態(tài)變化。

10 覆膜體系存在的問題與對策

覆膜技術(shù)在提高作物產(chǎn)量和農(nóng)民經(jīng)濟效益的同時, 農(nóng)膜殘留、覆膜下氮素遷移轉(zhuǎn)化和有機質(zhì)耗損等問題制約著覆膜的可持續(xù)發(fā)展。

10.1 農(nóng)膜殘留問題

傳統(tǒng)地膜是由聚乙烯或聚氯乙烯為原料生產(chǎn)而成的, 這兩種材料在土壤中極難被分解, 能夠長時間存在, 造成“白色污染”, 殘留地膜造成的污染是一個亟待解決的問題。由于殘膜使土壤疏松產(chǎn)生透氣現(xiàn)象[91], 從而使水分蒸發(fā), 土壤含水量下降, 而且土壤容重也有增加趨勢, 影響土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)。地膜的大面積推廣和長年連續(xù)使用, 使土壤中存在大量的殘膜, 妨礙土地的耕作, 不利于作物的生長。針對這一現(xiàn)象, 需要大力提高農(nóng)民的環(huán)保意識, 使農(nóng)田土壤中地膜能夠及時回收, 呼吁使用厚度大、強度高、利于回收的地膜; 推廣可降解地膜和液體地膜等新型地膜。李若帆等[92]的研究證明可降解地膜具有明顯的增產(chǎn)效果, 與普通地膜不存在顯著差異, 為替代普通地膜提供了現(xiàn)實依據(jù); 政府可提出相應的政策, 提高農(nóng)田管理效率, 起到引導和監(jiān)督的作用[93]。

10.2 覆膜氮素表層累積問題

覆膜配合壟溝處理改變土壤水熱性狀與農(nóng)田微地形, 從而影響氮肥的遷移轉(zhuǎn)化與吸收利用。覆膜栽培使根區(qū)的硝酸鹽累積峰提高到了0~40 cm, 形成膜下表層累積, 同時覆膜處理在施肥初期有減緩硝酸鹽向下層遷移的作用。覆膜為作物生長提供了良好的水熱條件, 作物生物量、株高、莖粗、葉面積、根系、穗棒等都相對于不覆膜處理有明顯提高, “庫大源足, 路徑通暢”為作物吸收更多的氮素、減少氮肥損失奠定了基礎(chǔ)。但是, 覆膜下累積的硝酸鹽在休閑期很可能會由于揭膜或膜的破損導致硝酸鹽的加劇淋溶, 而且膜下累積的硝酸鹽也有可能會為反硝化作用提供底物, 增加N2O排放, 從而加劇溫室效應。因此在覆膜條件下, 根據(jù)土壤狀況優(yōu)化氮肥的施用量和施肥次數(shù)、選擇施用控釋肥、在適宜地區(qū)種植填閑作物、利用作物的輪作、套作等管理措施對于提高氮肥利用率, 減少環(huán)境污染意義重大。

10.3 覆膜下土壤有機質(zhì)損耗問題

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中覆膜會使微生物數(shù)量和活性增強, 加速有機質(zhì)的分解, 有利于有機氮的礦化和磷的釋放。但是長期覆膜和不合理的耕作方式會導致土壤有機質(zhì)的耗竭, 通過透支“地力”而獲得高產(chǎn)是難以持續(xù)的, 甚至還有可能出現(xiàn)植株“早衰”現(xiàn)象。因此, 為了農(nóng)田土壤肥力的保持、作物的持續(xù)高產(chǎn), 必須改變農(nóng)田的利用現(xiàn)狀, 改良耕種措施和方式?；屎陀袡C肥配施能夠提高土壤有機質(zhì)含量, 在覆膜條件下, 根據(jù)不同土壤的肥力狀況和理化性質(zhì), 增加有機肥施用量, 選擇合適的施肥量和配施比例, 提高土壤中有機質(zhì)含量[94]; 研究發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋下的免耕地0~20 cm土層有機質(zhì)含量升高, 同時提高0~120 cm土層的水分含量; 一膜兩年用的覆膜措施可以減少土壤擾動和翻耕, 能夠避免耕層土壤暴露在空氣當中, 從而降低有機質(zhì)的氧化分解; 低有機質(zhì)的農(nóng)田可以種植綠肥作物培肥土壤, 提高有機質(zhì)含量。

10.4 完善覆膜技術(shù)體系

覆膜技術(shù)導致土壤水分、溫度、通氣等條件發(fā)生改變, 進一步影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和運移、微生物數(shù)量和活性、作物根系生長和代謝, 彼此相互聯(lián)系, 共同作用, 體系內(nèi)涉及內(nèi)容相對復雜。而目前關(guān)于覆膜體系的系統(tǒng)研究還比較缺乏, 導致單因素研究中所得結(jié)論矛盾較多, 需要理清各因素之間的關(guān)系與邏輯, 用更系統(tǒng)的思維加強對覆膜體系的機理研究。同時, 覆膜技術(shù)的改進和創(chuàng)新, 應該全面評估其對于增產(chǎn)的貢獻以及對土壤生態(tài)環(huán)境的影響。另外, 在推廣過程中更需要根據(jù)土壤性質(zhì)、氣候條件、作物類型等條件差異, 采用適宜的覆膜方式與技術(shù), 使得覆膜體系在旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中得到長期可持續(xù)發(fā)展。

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Review of plastic film mulching system and its impact on soil ecological environment in China’s rainfed drylands*

Jiang Rui?, Guo Sheng?, MA Dedi

(College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Plasticfilm mulching, as an important and effective cultivation mode that improves grain yield, has been widely used in rainfed agricultural areas in Northwest China. This study reviewed crop yield, soil moisture content, soil temperature, soil nutrient transformation and transport, and microbial population and activity under plastic film mulching conditions. The review was designed to provide theoretical support for improving plastic film mulching system in China’s rainfed dry regions. Researches results showed that maize, wheat and potato increased yields significantly under plastic film mulching compared to no mulching condition. Yield increase was influenced by plastic film cover mode, with an average increase rate of 26.2%, 37.1% and 29.8%, respectively. Full-film mulching most significantly increased crop yield. Average yields of maize, wheat and potato were respectively 30.0%, 5.1% and 26.4% higher than ridge and furrow system with ridge mulching. Water use efficiencies of maize, wheat and potato under film mulching increased respectively by 42.8%, 10.9% and 92.8% over no mulching. Film mulching influenced vertical distribution of nitrate in the soil profile, with nitrate accumulation in the topsoil layer under plastic film mulching. Also film mulching improved nitrogen fertilizer use efficiency, and reduced nitrogen leaching and ammonia volatilization. However, there were some different conclusions on denitrification under film mulching system, which required further studies. The influence of film mulching on organic carbon was related to climate, soil, crop and mulching time, which meant that the results were not consistent. In addition, film mulching increased farmland soil microbial biomass and changed soil physical properties. Although film mulching significantly improved crop yields, it certainly affected the ecological environment via such processes as “extravagant water deprivation”, increased greenhouse gas emission, soil organic matter exhaustion, mulch film residues, etc. Thus further systematic research on the controlling mechanisms, improvement strategies of film mulching technology and comprehensive evaluation of the effect of film mulching system on ecological environment needed urgent attention for sustainable development of agricultural production in China’s arid areas.

Plastic film mulching; Crop yield; Soil environment; Nutrient use efficiency; Water use efficiency; Nutrient transport and transformation; Northwest China

, JIANG Rui, E-mail: jiangrui@nwsuaf.edu.cn

10.13930/j.cnki.cjea.170760

S153.6+2

A

1671-3990(2018)03-0317-12

2017-08-23

2017-10-28

* This study was supported by the Natural Science Basic Research Plan of Shaanxi Province of China (2017JM4012), the Science and Technology for Co-ordination and Innovation Project of Shaanxi Province, China (2016KTZDNY03-06) and the National Natural Science Foundation of China (41201279).

? Equal contributors

* 陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃項目(2017JM4012)、陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2016KTZDNY03-06)和國家自然科學基金項目 (41201279)資助

? 同等貢獻者

蔣銳, 主要從事流域與農(nóng)田氮遷移過程與機制、面源污染研究。E-mail: jiangrui@nwsuaf.edu.cn

Aug. 23, 2017; accepted Oct. 28, 2017

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