地膜覆蓋對旱地作物產(chǎn)量及土壤水分影響的研究概述

柳玉鳳，謝英荷，李廷亮，加武斌，高慧洲，李 超，黃 濤，竇 露

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801）

我國干旱面積較大，旱作農(nóng)田占耕地面積的50%以上[1]，其中,半濕潤易旱區(qū)（降雨量在550～600 mm）耕地占全國總耕地的4.1%，熱量條件較好，適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)。該區(qū)雨量匱乏，蒸發(fā)強(qiáng)烈，作物需水期與降水的分配不一致等條件已成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要影響因素[2]。因此，采用適當(dāng)?shù)奶镩g管理措施減少水分無效蒸發(fā)，納雨蓄水是該區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水抗旱的關(guān)鍵。

20世紀(jì)中期，覆膜栽培技術(shù)逐漸得到發(fā)展[3]，在我國主要用于種植糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物。我國覆膜面積始終居于世界前列，并呈不斷增長的趨勢[4]。1981—2013年，我國地膜覆蓋面積從11.7萬hm2[5]增長到2500萬hm2[6]。地膜覆蓋成為旱地作物生產(chǎn)中一種保溫保水、提高產(chǎn)量的重要措施[7]。景東田等[8]研究認(rèn)為，地膜覆蓋可以有效保蓄土壤水分，達(dá)到秋雨春用的目的。王俊等[9]研究表明，地膜覆蓋可以有效緩解作物生長需水期與降水錯位的問題，充分利用有限降雨。但地膜的保墑作用并不能持續(xù)整個生育期，在作物生育后期則會抑制根系的生長，降低水分利用效率。國內(nèi)學(xué)者對覆膜栽培技術(shù)的研究已取得了一定突破。

筆者將有關(guān)地膜覆蓋對旱地作物產(chǎn)量及土壤水分影響的研究進(jìn)行了綜述，旨在為給半干旱區(qū)生產(chǎn)中地膜覆蓋提供科學(xué)參考。

1 地膜覆蓋對旱地作物產(chǎn)量的影響

地膜覆蓋能夠滿足作物生長發(fā)育所需要的水分，提高耕層土壤溫度，保持土壤肥力，減少病蟲害，促進(jìn)作物生長發(fā)育。因此，較露地而言，地膜覆蓋可明顯改善作物的生長狀況，提高產(chǎn)量[10]。

研究表明，地膜覆蓋具有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)，且覆蓋效果好于不覆蓋，全覆蓋較半覆蓋增產(chǎn)作用更加明顯。任新茂等[11]研究表明，與露地相比，覆膜種植可增加穗粒數(shù)48.27%，說明覆膜種植產(chǎn)量提高主要是由于穗粒數(shù)的增加；同時，由于地膜覆蓋減少了土壤水分無效蒸發(fā)，增大了單位面積種植密度，因而，覆膜種植在密度為8.25萬株/hm2時獲得最高產(chǎn)量，為12 778.47 kg/hm2，而露地種植僅在密度為5.25萬株/hm2時獲得最高產(chǎn)量（8466.02kg/hm2）。張燕青等[12]研究認(rèn)為，地膜覆蓋處理較不覆蓋處理可以顯著提高玉米產(chǎn)量，平均提高20.8%，且優(yōu)于秸稈覆蓋處理。王秀領(lǐng)等[13-16]均得出類似的結(jié)論。張萌等[17]研究發(fā)現(xiàn)，全覆蓋處理較半覆蓋處理具有更優(yōu)的增產(chǎn)效果，2010—2011年和2011—2012年全覆蓋處理較半覆蓋處理分別提高518～947，171～815 kg/hm2，但不同年份提高幅度不同，這可能與不同年份的雨量分布不同有關(guān)。任愛霞等[18]也有相似的研究結(jié)論：地膜覆蓋可以顯著提高穗數(shù)10%～17%，且全覆蓋高于半覆蓋；最終顯著提高產(chǎn)量29%～30%，且全覆蓋略高。

在覆蓋方式上，大量研究表明，全膜覆土穴播是提高小麥產(chǎn)量的最佳技術(shù)途徑，而全膜雙壟溝播技術(shù)則是提高玉米產(chǎn)量的最佳覆蓋方式。王紅麗等[19]研究發(fā)現(xiàn)，全膜覆土穴播由于其增溫、促進(jìn)作物耗水的作用，可以顯著增加小麥單株干質(zhì)量，較CK平均增產(chǎn)432.28%，而且干旱年份增產(chǎn)效應(yīng)更加明顯。穆靈仙等[20]比較不同覆蓋栽培方法，結(jié)果顯示，全膜覆土穴播技術(shù)對產(chǎn)量的增加作用更加明顯，較露地條播增加51.69%，而寬幅精播增加34.24%，膜側(cè)溝播增加24.87%。楊長剛等[21]研究發(fā)現(xiàn)，與露地條播相比，冬小麥產(chǎn)量壟膜溝播增加37.0%～39.3%；全膜覆土穴播增加43.4%～44.4%；全膜穴播增加64.4%～79.1%。但從田間操作難易程度、生產(chǎn)資料的投入及產(chǎn)出效益比較來看，全膜覆土穴播田間操作簡單，可反復(fù)使用，以減少地膜使用量，降低成本，為最佳栽培模式。柴守璽等[22]試驗(yàn)結(jié)果表明，2008—2009年和2009—2010年2個生長季覆膜各處理的產(chǎn)量較CK分別提高39.3%～64.6%和37.0%～79.1%，其中，全膜穴播的增產(chǎn)效應(yīng)最明顯，且顯著高于其他處理。但綜合考慮勞動力、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，全膜覆土穴播為最優(yōu)栽培模式。李尚中等[23]研究指出，與露地條播相比，全膜雙壟溝播栽培玉米產(chǎn)量平均提高57.8%。閆根海等[24]研究表明，露地條播、壟膜溝播和平膜穴播之間的增產(chǎn)效果大小為全膜雙壟溝播＞全膜平作＞露地條播，這與張養(yǎng)利等[25]的研究結(jié)果一致。

在覆蓋年限上，全年地膜覆蓋增產(chǎn)效果顯著。楊海迪等[26]研究表明，周年地膜覆蓋更有利于旱地麥田土壤擴(kuò)蓄增容，提高小麥產(chǎn)量。馬浩等[27]研究發(fā)現(xiàn)，休閑期覆膜和周年覆膜均能顯著提高小麥產(chǎn)量，以周年覆膜產(chǎn)量最高，達(dá)5 383 kg/hm2，較露地條播增產(chǎn)15.4%。

但也有一些研究表明，地膜覆蓋會給作物產(chǎn)量帶來負(fù)效應(yīng)。一些學(xué)者認(rèn)為，地膜覆蓋易引起作物早衰現(xiàn)象，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。張劍等[28]研究得出，由于地膜對土壤溫度的調(diào)控不能隨著作物生育期的推進(jìn)而適時調(diào)整，土壤溫度難以滿足作物生長發(fā)育的需要，因此，在作物生長中后期，經(jīng)常由于地溫過高而導(dǎo)致早衰現(xiàn)象。這與李鳳民等[29]的研究結(jié)果相似。也有學(xué)者認(rèn)為，地膜覆蓋是以大量消耗土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分為代價達(dá)到增產(chǎn)效果的[30]，因此，地膜覆蓋方式不正確會損失土壤中的大量養(yǎng)分，尤其是硝態(tài)氮含量的降低，影響土壤肥力狀況，使土壤環(huán)境條件惡化，作物產(chǎn)量難以提高[31]。還有研究表明，地膜易破碎、難以回收，大量農(nóng)膜殘留于土壤導(dǎo)致土壤生態(tài)環(huán)境惡化，并影響土壤水肥運(yùn)移和作物根系的生長發(fā)育，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降[4]。畢繼業(yè)等[32]研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)膜殘留對作物產(chǎn)量具有一定的負(fù)效應(yīng)，會導(dǎo)致作物減產(chǎn)，這種減產(chǎn)效應(yīng)如果延續(xù)16 a就完全能夠與覆膜引起的增產(chǎn)率相抵消。

2 地膜覆蓋對旱地作物土壤貯水量的影響

2.1 地膜覆蓋對表層土壤蓄水量的影響

干旱地區(qū)覆膜，可在地表形成一層密閉的物理隔層，有效阻斷土壤水分垂直向上蒸發(fā)，促進(jìn)土壤水橫向運(yùn)移，改善土壤墑情[33]。

地膜覆蓋對土壤各土層貯水量均有提高作用，并且對表層土壤貯水量的影響更大。李青等[34]研究得出，地膜覆蓋播前0～100，100～200 cm土層貯水量分別比露地增加20%和13%左右。程宏波等[35]研究發(fā)現(xiàn)，與露地對照相比，地膜覆蓋可顯著增加不同土層土壤蓄水量，增墑幅度為0.3%～1.9%，其中，0～40 cm土層提高幅度最大，覆膜較CK增加1.7%～1.9%，60～200 cm土層，覆膜較CK增加0.3%～1.4%。張平良等[36]研究發(fā)現(xiàn)，與裸地相比，雙壟全膜溝播處理在降水較少年份可以明顯提高0～60 cm土層含水量，而60～200 cm差異并不明顯。李爽等[37]研究認(rèn)為，不同覆膜方式均可以增加表層土壤水分，滲水地膜可以起到良好的蓄水保墑作用。張俊鵬等[38]研究表明，地膜覆蓋能夠提高0～40 cm土層貯水量，并有效減緩夏玉米生長期間0～40 cm土層貯水量的變幅。這與強(qiáng)秦等[39-40]的研究結(jié)果一致。主要是因?yàn)楦材た稍诘乇硇纬梢粚用荛]的物理隔層，有效阻斷表層水分垂直向上蒸發(fā)，促使水分平行移動或向開孔處蒸散，減少土壤中水分不必要的散失，大大降低蒸發(fā)總量。同時，由于覆蓋的保溫作用增加了土壤溫度差，促進(jìn)下層水分上移，積聚于表層，大量增加的水汽凝結(jié)于膜內(nèi)側(cè)，受冷凝結(jié)成小水滴，滲入土壤，增加了土壤水分。如此循環(huán)往復(fù)，保證了土壤表層充足的水分含量[41]。有研究表明，與露地對照相比，小麥生長期覆膜可以顯著抑制土壤蒸發(fā)，日棵間蒸發(fā)量下降約15.6%[42]。也有學(xué)者認(rèn)為，地膜覆蓋土壤中水分含量的增長程度與季節(jié)性降水量相關(guān)[43]。

2.2 地膜覆蓋對土壤深層水消耗的影響

高效利用降雨資源是旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，而加強(qiáng)土壤深層水分的利用是其中的一項(xiàng)重要措施[44]。翟夏斐等[45]研究發(fā)現(xiàn)，在降水量較少的拔節(jié)—灌漿期，土壤水分含量最低。與30 cm土層相比，地膜覆蓋處理60 cm土層貯水量增幅小于無覆蓋處理。地膜覆蓋處理更多消耗深層水分，可能是因?yàn)楦材つ軌虮ＷC土壤深層水分充足供應(yīng)，增加作物根系數(shù)量，促進(jìn)根系下扎，加劇了該土層耗水量。柴守璽等[22]研究結(jié)果顯示，冬小麥孕穗期前覆膜處理90 cm以下土層水分含量低于CK，孕穗后擴(kuò)展到20～200 cm處含水量狀況明顯不如對照，只有0～20 cm土層含水量在整個生育期始終高于對照。范穎丹等[46]研究得出，地膜覆蓋比對照在0～90 cm土層多耗水6.7 mm，在90～200 cm多耗水19.7 mm，其中，在90～120 cm土層耗水量差異最顯著。說明地膜覆蓋既增加了深層用水比例，也增加了深層水消耗量。張淑芳等[47-50]研究認(rèn)為，高效利用土壤深層水分，同時把深層水分提升至作物可利用層是旱作農(nóng)業(yè)提高水分利用效率、增產(chǎn)增收的重要保障。

然而，也有研究顯示，隨著種植時間的累積，深層用水比例不斷加大，長期種植可能對旱作區(qū)水分持續(xù)利用和生態(tài)保持造成負(fù)面影響。馮晨等[51]研究表明，春季地膜覆蓋處理不同土層土壤水分含量變化幅度較大，土壤深層水虧缺。宋婷等[52]研究發(fā)現(xiàn)，全膜覆土穴播能有效改善土壤水熱狀況，促進(jìn)小麥對土壤深層水分的利用。謝軍紅等[53]通過研究不同覆膜方式下連作玉米有利于土壤水分持續(xù)高效利用的連作年限也得出類似結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)，由于單季耗水量較高，導(dǎo)致在連作第2年收獲期3種覆蓋處理的土壤貯水量比連作開始時分別降低了30.9%，37.3%和 33.5%，第 3年降低了 23.9%，29.6%和27.5%，造成土壤水分缺失嚴(yán)重；隨著連作年限增加，土壤水分虧缺日益嚴(yán)重，出現(xiàn)土壤干化現(xiàn)象，不利于土壤水分的持續(xù)利用和產(chǎn)量的穩(wěn)定增加。

2.3 休閑期地膜覆蓋對旱地作物土壤蓄水量的影響

休閑期是土壤蓄水量的恢復(fù)、補(bǔ)充時段，這一階段水分的恢復(fù)對播前土壤含水量的提高具有重要作用，是保證作物增產(chǎn)增收的關(guān)鍵。許多研究顯示，休閑期覆膜有利于強(qiáng)化休閑期雨水的田間保蓄，補(bǔ)充作物生育階段耗水，充分利用休閑期自然降水，改善下季作物土壤水分環(huán)境，解決土壤干化和水分可持續(xù)利用等問題[54]。

一些研究顯示，休閑期覆膜對播前土壤底墑的提高具有顯著效果。郭媛等[55]研究發(fā)現(xiàn)，夏閑期覆膜能夠使播前80～300 cm土層貯水量增加70～80 mm，表明夏閑期地膜覆蓋對80 cm以下土壤蓄水量提高有突出作用。鄧妍等[56]研究表明，夏閑期深翻覆蓋表現(xiàn)出良好的蓄水保墑效果，可以充分利用休閑期自然降水為小麥生育后期生長提供良好的水分條件，尤其提高了120～240 cm土層土壤蓄水量。而喬靈芝等[57]研究認(rèn)為，秋季覆蓋為冬閑期（大約半年時間）的裸露地表提供了一層保護(hù)屏障,能有效提高土壤蓄水量和蓄水效率，為春玉米前期生長提供有利條件。與露地對照相比，平覆地膜、壟覆地膜玉米播前0～200 cm土壤水分含量分別提高21.22，20.49 mm（P＜0.05），貯水效率分別提高26.1%和25.2%，各處理間差異不顯著。

也有一些研究表明，休閑期地膜覆蓋的蓄水效果可延續(xù)至孕穗期甚至開花期，達(dá)到“伏雨春用”的目的。任愛霞等[18]研究認(rèn)為，休閑期覆蓋可充分利用休閑期降雨，其中，播種期0～300 cm土層內(nèi)土壤水分覆蓋較不覆蓋增加28～42 mm，全覆蓋較半覆蓋增加14 mm，且蓄水效果可延續(xù)至孕穗期，達(dá)到“伏雨春用”的目的。王帥等[58]研究認(rèn)為，旱地麥田休閑期覆蓋可顯著增加播前底墑，且可將蓄水延用至孕穗期。任新茂等[11]研究得出，由于休閑期覆膜能夠在生育前期形成適宜的水分環(huán)境，植株生長旺盛，導(dǎo)致作物前期水分過度消耗，特別是加大了孕穗至開花期耗水量，花后土壤蓄水量減少。故休閑期覆膜的蓄水保墑效果可一直持續(xù)到揚(yáng)花期，許多研究均得出類似結(jié)論[56，59-60]。

還有一些學(xué)者認(rèn)為，休閑期地膜覆蓋在欠水年更有利于水分蓄積于深層。陳夢楠等[61]研究發(fā)現(xiàn)，休閑期地膜覆蓋能明顯提高播種期0～300 cm土層含水量，豐水年提高35%，平水年提高48%，欠水年提高101%，顯著提高了不同降水年型休閑期土壤蓄水效率，且欠水年土壤蓄水效率更高。高艷梅等[62]研究認(rèn)為，休閑期覆膜較不覆膜處理能夠明顯增加播種期0～300 cm土層含水量，顯著提高休閑期土壤蓄水效率，豐水年土壤蓄水量增加40～41mm，平水年土壤蓄水量增加55～58 mm，欠水年土壤蓄水量增加70 mm，且欠水年更有利于水分蓄積于深層，土壤蓄水量增加20%以上。

3 展望

覆膜措施能夠顯著提高表層土壤水分，促進(jìn)深層水分利用，且休閑期覆膜也可明顯增加土壤水分含量，具有良好的納雨蓄水效果。然而，隨種植時間的累積，深層用水比例不斷加大，長期種植對旱作區(qū)水分持續(xù)利用和生態(tài)保持有無負(fù)面影響尚待進(jìn)一步研究。就地膜覆蓋對作物產(chǎn)量的影響而言，其優(yōu)良的保墑增溫效應(yīng)使得它對旱地作物產(chǎn)量具有一定的作用。但也有研究顯示，由于其大量消耗土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分，以及引起的作物早衰、農(nóng)膜殘留等問題導(dǎo)致后期產(chǎn)量不穩(wěn)定甚至減產(chǎn)。因此，雖然覆膜栽培技術(shù)對作物產(chǎn)量、土壤水分等方面研究已初具規(guī)模和成效，但有些技術(shù)和理論等方面仍需進(jìn)一步深入研究：（1）重視土壤肥力、水分、溫度和作物產(chǎn)量之間耦合關(guān)系的研究[28]。在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)水分是制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的首要因素，水肥之間的耦合尤為重要。應(yīng)重視土壤水、肥、氣、熱與產(chǎn)量之間耦合關(guān)系的研究，避免作物早衰、過度消耗土壤貯水和有機(jī)質(zhì)等問題。（2）加強(qiáng)地膜替代品的開發(fā)與研制。要降低農(nóng)膜殘留對農(nóng)作物產(chǎn)量的負(fù)面影響，就必須在合理應(yīng)用覆蓋栽培技術(shù)的同時，加強(qiáng)現(xiàn)代綠色多功能可降解材料的適應(yīng)性推廣研究。（3）加強(qiáng)地膜回收技術(shù)、措施和機(jī)具的研發(fā)與改進(jìn)。從長遠(yuǎn)來看，地膜殘留造成的減產(chǎn)率可能會大于地膜覆蓋的增產(chǎn)率，而且液態(tài)地膜和降解地膜的時間效應(yīng)與作物需求難以吻合，降解產(chǎn)物對大氣及土壤生態(tài)有無負(fù)面作用不能確定。因此，提高殘膜清理效率和完善回收技術(shù)是解決農(nóng)膜殘留問題的重要措施。目前，采用人工撿拾或耙子清理殘膜仍是主要措施，其殘留率較高。因此，在今后的研究工作中，應(yīng)加強(qiáng)地膜回收技術(shù)、措施和機(jī)具的研發(fā)與改進(jìn)。積極推行作物生長中期適期揭膜技術(shù)，同時研制新型地膜回收機(jī)具，最大限度地減少塑料地膜在土壤中的殘留[33]。

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