起壟覆膜栽培技術的增產增效作用與發(fā)展*

靳樂樂, 喬勻周, 董寶娣, 楊 紅, 王亞凱, 劉孟雨**

起壟覆膜栽培技術的增產增效作用與發(fā)展*

靳樂樂1,2, 喬勻周1, 董寶娣1, 楊 紅1,2, 王亞凱1,2, 劉孟雨1**

(1. 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心/中國科學院農業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農業(yè)重點實驗室 石家莊 050022; 2. 中國科學院大學 北京 100049)

我國北方水資源短缺限制著農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。作物起壟覆膜栽培可以顯著提高產量及水分利用效率。本文從起壟覆膜栽培技術的發(fā)展與現(xiàn)狀、對幾種主要作物的增產效果及其原因、未來發(fā)展等幾個方面進行了綜述, 期望為推動起壟覆膜技術的進一步發(fā)展、緩解北方水資源緊缺提供指導。作物起壟覆膜栽培是壟作與薄膜覆蓋的有機結合, 是將地面修整成壟臺、地膜覆蓋于壟臺之上, 在雙壟之間或雙壟之上種植作物的一種栽培方式。其增產原因主要包括: 1)提高土壤水的有效性。地膜覆蓋抑制地表蒸發(fā), 通過集雨、水汽凝結提高土壤含水量。2)調節(jié)地溫。壟作覆膜能夠提高土壤溫度, 尤其是作物苗期的土壤溫度, 增加出苗率、成苗率, 促進作物生長發(fā)育; 提高晝夜溫差, 降低高溫期地溫, 有利于作物產量的提高。3)改善土壤理化性質, 改善土壤結構, 調整土壤酶的活性, 為作物生長提供良好的土壤環(huán)境。起壟覆膜栽培模式在華北地區(qū)未來發(fā)展方向: 提高農機配套、新型無害地膜應用、構建不同作物技術規(guī)程。

起壟覆膜栽培; 作物產量; 水分利用; 增溫保濕; 技術規(guī)程

我國農業(yè)水資源缺乏, 隨著工、農業(yè)的疾速發(fā)展和人口快速增長, 我國對糧食總量的需求不斷增加, 農業(yè)生產所面臨的供水危機也將更加嚴峻。中國農業(yè)用水約占全國平均年用水總量的70%, 農業(yè)缺水達到80%以上, 為了提高作物產量, 生產上多抽取地下水進行灌溉, 造成了諸如地下水漏斗、河流湖泊水量減少等許多環(huán)境問題, 使地表水大量流失, 地下水位下降[1-2]。據(jù)統(tǒng)計, 我國地面灌溉面積達95%以上, 因田間灌水技術和灌溉管理水平落后, 導致灌溉水利用率低, 水資源浪費十分嚴重[3]。發(fā)展節(jié)水農業(yè)是緩解我國水資源缺乏現(xiàn)狀的重要途徑。節(jié)水農業(yè)指充分利用自然降水和有限灌溉水的農業(yè), 其特點是灌溉農業(yè)與旱地農業(yè)的有效結合。

節(jié)水農業(yè)主要包括農藝節(jié)水、生物節(jié)水、管理節(jié)水以及工程節(jié)水, 其中農藝節(jié)水是指通過調整農業(yè)結構、作物結構, 改善耕作制度等手段進行高效節(jié)水。起壟覆膜栽培模式作為地膜覆蓋技術的一種, 屬于農藝節(jié)水的范疇。起壟覆膜是一種將地面修整成壟臺, 并將地膜覆蓋于壟臺之上, 在雙壟之間種植作物的作物栽培方式。起壟覆膜栽培模式通過起壟改變田間微地形, 增加土壤表面積, 通過兩壟之間的溝灌水或者壟上覆膜的微集水, 改變土壤光、熱、水條件, 為作物創(chuàng)造良好的水分利用條件。

目前, 國內外對起壟覆膜栽培模式的試驗研究不斷取得進展。本文綜述了起壟覆膜栽培方式對作物生長及產量的影響, 分析了起壟覆膜栽培方式的增產增效原因, 提出了華北地區(qū)起壟覆膜栽培技術發(fā)展的方向。期望為推動起壟覆膜技術研究的進一步發(fā)展拋磚引玉, 為緩解農業(yè)用水危機做出努力。

1 地膜覆蓋技術及起壟覆膜技術簡介

為了緩解我國水資源短缺的問題, 覆膜種植通過40年的研究與示范, 已在新疆、甘肅、山西等干旱半干旱地區(qū)取得了良好的效果, 并得以大面積的推廣。

地膜覆蓋是用農用塑料薄膜覆蓋地表的一種農藝措施。在眾多農藝措施中, 地膜覆蓋是保持最佳土壤水熱條件, 降低蒸騰提高水分利用效率及獲得高產的有效措施之一[4]。20世紀50年代, 塑料工業(yè)發(fā)展迅速, 地膜覆蓋技術也隨之興起。日本從1948年開始研究利用, 1955年研究的精力主要集中在水稻()覆蓋栽培方面, 并進行推廣, 1965年正式開展了研究工作[5]。1961年歐洲等國開始將其用于蔬菜等作物, 美國于60年代末開始用黑色薄膜栽培棉花(spp.)[6]。我國在70年代初期利用廢舊薄膜進行小面積的平畦覆蓋, 1979年開始在華北等地區(qū)進行試驗示范與推廣。

覆膜技術是通過農膜農業(yè)基礎設施建設使作物規(guī)避寒冷、干旱等不利的氣候條件, 以達到增積溫、增濕度的主要目的, 創(chuàng)造出適合生產的、可控的、新的農業(yè)生態(tài)小氣候, 從而延長農業(yè)生產時限, 擴展農業(yè)發(fā)展空間, 是改造自然的一項具體措施, 是高投入、高產出、高效益的一種經濟活動[7]。其優(yōu)點眾多, 例如: 有效減少土壤水分蒸發(fā), 顯著提高土壤儲水量[8], 提高雨后作物水分利用效率; 使土壤保持適宜的溫度、濕度, 提高作物出芽率[9]; 縮短作物的生育期, 增加作物產量[10]等。除此之外, 如果在休耕期覆膜, 也可以增加土壤蓄水量和作物產量[11]。

但是地膜覆蓋技術也有缺點。首先就是廢棄地膜對農田生態(tài)環(huán)境的污染, 地膜覆蓋雖然短時間內在保墑增產方面具有較好的優(yōu)勢, 但可能會降低土壤肥力, 加劇水土流失[12], 并且地膜的殘留會污染土壤環(huán)境, 不利于耕作; 也有一些研究表明全生育期覆膜會使冬小麥()在生育后期受到高溫脅迫降低產量[13-14]等。土下覆膜穴播栽培技術更進一步解決了傳統(tǒng)全膜覆蓋出現(xiàn)的覆膜困難、苗穴錯位、易于被人畜踩破以及應用過程中對作物造成早期保溫低效、末期膜下溫度過高導致作物早衰的問題, 并且高效保水、適度增溫, 在西北干旱半干旱地區(qū)作物產量明顯高于傳統(tǒng)平作[15-16]。

基于對地膜覆蓋優(yōu)缺點的認識, 前人提出了一種新型的覆膜技術——起壟覆膜栽培模式, 它是一種將地面修整成壟臺, 并將地膜覆蓋于壟臺之上, 在雙壟之間種植作物的作物栽培方式, 集合了壟作與覆膜兩種技術的優(yōu)點, 在提高作物水分利用效率, 保持地溫等方面具有更好的效果。起壟覆膜栽培模式多應用于甘薯()[17]、馬鈴薯()[18]、玉米()[19]等農作物, 尤其是在陜西、甘肅等半干旱地區(qū), 聚水保墑效果顯著。起壟覆膜栽培技術集雨效果顯著, 降雨時雨水滴落到膜上, 由于膜面光滑, 且壟臺傾斜, 雨水順勢流入土壤中, 與降落到土壤中的雨水混合, 使雙壟之間的土壤存儲的水分高于降雨量。此外, 田間壟臺旁的作物發(fā)育良好, 邊行效應顯著。

2 起壟覆膜栽培模式對幾種主要作物增產增效(水分利用效率)的作用

2.1 對馬鈴薯產量與水分利用效率的提升

起壟覆膜技術在歐美日等國家被廣泛應用于甘薯、果樹的栽培, 極大促進了薯類、蔬果產業(yè)的發(fā)展[20]。薯類作物產量高, 營養(yǎng)豐富, 對環(huán)境適應性強。影響旱作馬鈴薯產量性狀的因素有很多, 其中種植模式對旱作馬鈴薯產量性狀有顯著影響[21]。目前存在以下幾種馬鈴薯的栽培方式, 分別是平畦不覆膜、平畦覆膜、全膜雙壟溝播、全膜雙壟壟播、半膜膜側種植等[21]。

起壟覆膜栽培模式下的馬鈴薯根系發(fā)達, 分布范圍廣, 生長勢強, 葉面積指數(shù)較高, 生育期較長, 不僅減少了土壤的水分蒸發(fā), 還加快了馬鈴薯的生長發(fā)育進程。Zhao等[22]研究稱, 在馬鈴薯生長早期降雨稀少的條件下, 在壟溝上全覆蓋塑料薄膜是提高馬鈴薯產量和水分利用效率的有效技術, 全覆蓋提高了表層土壤的溫度和水分, 且使出苗率提高9.3%~14.4%, 全覆蓋在出苗期間可減少蒸發(fā)蒸騰量24.0%~45.0%, 但之后增加18.7%, 這主要是由于葉面積指數(shù)在馬鈴薯快速發(fā)育時期的快速增加及根冠比的增加; 全覆蓋產量比對照高57.4%~78.2%, 水分利用效率比對照增加56.8%~70.3%。Qin等[23]在甘肅農業(yè)大學雨養(yǎng)農業(yè)研究所實驗站所做研究表明, 與平作相比, 壟溝完全覆蓋種植的馬鈴薯塊莖產量在2010年和2011年分別提高50.1%~86.8%和36.3%~60.5%; 與對照相比, 2010年和2011年水分利用效率的最高增幅為65.8%~83.9%; 這是因為覆蓋處理比其他處理產生更高的干物質和相對生長速率, 并且從地上到塊莖的干物質輸出效率更高。Zhao等[24]研究表明,在干旱氣象研究所定西氣象生態(tài)環(huán)境實驗站所進行的試驗中, 與非覆蓋地塊相比, 2009年和2010年馬鈴薯覆膜地塊的產量分別增加33.9%~92.5%和62.9%~77.8%, 水分利用效率分別提高41.4%~112.6%和45.9%~70.6%; 在早期生長季節(jié), 覆膜壟收獲了小于5 mm的降水, 增加了溝槽的土壤含水量, 使溝內表層土保持潮濕, 從而增加出苗率, 并確保在早期生長季節(jié)種子塊莖更快生長。Tian等[25]在蘭州進行的試驗表明, 壟作馬鈴薯的塊莖產量比平作高56.8%。壟作覆膜在收集雨水方面起著重要作用, 用壟溝收集雨水可以顯著改善土壤水分儲存能力, 延長水分可用時間, 溝槽內的種植帶不僅可以在其表面接收降雨, 還可以接收壟上徑流, 壟溝和溝灌雨水方法可顯著提高馬鈴薯塊莖產量。

關于薯類作物壟作栽培的研究有很多, 并且在農場種植中已經得到一定程度的推廣。由于薯類作物的產量形成主要集中在地下部, 所以土壤環(huán)境對其影響比較大。覆膜有助于改善土壤耕層情況, 提高土壤儲水量, 在中國西北半干旱地區(qū), 馬鈴薯耕作方式采用雙壟溝全覆蓋以及壟溝全覆蓋, 對土壤溫度、水分影響最大, 出苗率提高9.3%~14.4%[24]。在壟作栽培的基礎上, 能夠進一步提高馬鈴薯的產量。

2.2 對小麥產量與水分利用效率的提升

壟作栽培對小麥群體與個體間關系的優(yōu)化起到了重要作用, 并且促進小麥發(fā)揮邊行優(yōu)勢, 使小麥群體適宜、個體健壯, 最終達到穗足、穗重、穗大的目的, 在自然條件下可使小麥增產10%左右[26]。在中國黃土高原東部的洪洞地區(qū), 利用壟作栽培與地膜覆蓋系統(tǒng), 可使小麥糧食產量增加24.7%~ 42.1%[27]; 在休耕季節(jié), 覆膜處理增加了土壤剖面深度2 m的蓄水量, 夏季休耕期土壤蓄水量在地膜覆蓋處理中比對照增加27%~30%; 薄膜覆蓋增加的水可以提供額外的水分, 增加小麥產量。

研究[28]報道, 2009—2010年在陜西楊凌進行的冬小麥覆膜溝播和傳統(tǒng)平作播種對比試驗中, 起壟覆膜溝播栽培方式因起壟導致小麥播種面積減少, 小麥穗數(shù)有所降低, 但是穗粒數(shù)、千粒重卻顯著高于傳統(tǒng)平作, 籽粒產量平均提高2 200 kg?hm-2; 除此之外, 小麥干物質在起壟覆膜模式下也明顯高于傳統(tǒng)平作。因為覆膜后, 土壤有效水增加, 小麥葉片衰老緩慢, 綠葉面積大, 從而光合時間加長; 且起壟覆膜減緩了葉片葉綠素的降解速度, 延長了葉片的功能時期, 最終籽粒產量與對照相比增加15.3%左右; 同時, 起壟覆膜溝播栽培模式下的小麥水分利用效率高于傳統(tǒng)平作5.06%。李吾強等[29]研究報道, 在陜西楊凌, 起壟覆膜溝播冬小麥比傳統(tǒng)平作栽培增產幅度高達19.3%, 具體原因為小麥地上部分葉片發(fā)育速度加快, 葉綠體合成能力強, 延遲了葉片的衰老期; 在冬小麥越冬初期、拔節(jié)期0~50 cm土壤儲水量起壟覆膜溝播處理比傳統(tǒng)平作處理分別高6.1 mm、5.2 mm, 小麥收獲后0~2 m土壤儲水量起壟覆膜溝播處理比傳統(tǒng)平作和起壟溝播處理分別高27.9 mm和12.2 mm。葉勝蘭[30]研究表明, 在陜西中部的富平縣, 起壟覆膜栽培模式能夠有效縮短小麥的生育周期, 提高生物量和小麥產量, 在苗期, 傳統(tǒng)平作的土壤含水量最低; 在作物大量需水期的拔節(jié)期和抽穗期, 起壟覆膜處理能有效促進小麥的生長, 提高水分的利用效率; 起壟覆膜處理的小麥穗粒數(shù)和千粒重顯著高于對照, 其中使用液體地膜處理的穗粒數(shù)及千粒重為24.44粒和41.00 g, 分別較對照提高19.3%和5.4%, 產量較傳統(tǒng)平作提高29.37%。

2.3 對玉米產量與水分利用效率的提升

地膜覆蓋加速了玉米的生長發(fā)育, 提高了玉米生長早期植株高度和葉面積指數(shù)[31]。起壟覆膜栽培模式對玉米的影響也比較大, 玉米行距基本為50~80 cm, 在雙行之間起壟, 不會影響玉米的種植密度, 并且提高了玉米的邊行優(yōu)勢。壟兩側種植玉米, 壟上覆膜, 集雨減蒸, 抗逆抑草, 提高地溫, 在干旱少雨的地區(qū)保證了玉米的需水量, 有利于玉米的正常生長。

田間試驗研究報道, 3年間起壟覆膜的玉米水分利用效率和產量明顯高于傳統(tǒng)平作。該種植模式能夠促進無效水轉換為有效水, 改善作物的耗水結構[32]; 蒸騰量的增加和蒸發(fā)量的減少使起壟覆膜處理蒸發(fā)量占總蒸發(fā)蒸騰量的比值比傳統(tǒng)平作處理低25.5%; 起壟覆膜處理3年平均增產5.3%, 水分利用效率提高15.2%, 并且田間耗水量減少2.8%。白秀梅等[33]報道稱, 在晉北地區(qū), 由于起壟覆膜微集水技術加快了玉米的生育進程, 改善了株高、葉面積等植物性狀, 所以從玉米穗部性狀及籽粒產量分析得出, 起壟覆膜技術平均產量為7 237.26 kg?hm-2, 比對照增產73.26%。劉勝堯等[34]研究稱, 自春玉米播種到成苗期覆膜保水效應顯著, 水分利用效率較裸地提高81.61%~136.43%, 但是成苗到拔節(jié)期正值區(qū)域穩(wěn)定干旱期, 水分脅迫使水分利用效率較對照降低16.96%~21.64%, 產生奢侈耗水; 春玉米小喇叭口期后進入雨季各處理土壤先后復水, 收獲期土體水分持平播期, 儲水豐富; 河北省春玉米全生育期壟作覆膜經濟產量較對照提高9.47%, 水分利用效率提高8.12%。

3 起壟覆膜栽培增產增效機理

3.1 起壟覆膜栽培模式對土壤溫度的影響

3.1.1 增溫作用

土壤熱量影響著種子萌發(fā)、幼苗生長、根系發(fā)育, 直接或間接影響作物產量, 是作物生長的重要環(huán)境因素[35-36]。有研究表明, 覆蓋種植方式具有調節(jié)地溫、提高水熱利用效率、改善土壤結構等作用[37-41]。覆膜可以顯著提升土壤溫度。覆蓋地膜后, 由于地膜透光率較高, 白天陽光充足, 光能轉化為熱能, 地膜上凝結露珠可以阻隔長波通過, 因而地面升溫。貼地氣層因亂流或平流儲存的一部分熱能輸送到下層土壤, 所以, 地膜下面各土層溫度都高于露地。夜間, 土壤多儲存的熱量源源不斷地輸送到膜內地面, 從而使覆膜地面溫度的下降速度減慢, 同時因為夜間低溫, 土壤中的水汽沿膜面大量凝結成露, 又放散少量凝結熱, 最終夜間膜內地面溫度與各土層地面溫度也明顯高于露地。根據(jù)王成剛等[42]的研究, 在嶺東南高寒區(qū), 覆膜土壤在大豆()分枝期溫度高于裸地, 5 cm處土壤溫度增加4.53 ℃, 耕層20 cm處日平均地溫比裸地提高1.35 ℃。據(jù)報道[4], 覆膜可以提高0~15 cm土層溫度, 縮短出苗時間, 促進小麥苗期生長。

不止覆膜能夠提高土壤地溫, 壟作栽培也具有一定的增溫效應。地面實施壟作栽培后, 地表面積比平作增加1/5左右, 土壤受光面積增加, 吸熱與散熱速率皆高于平作, 晝間土壤溫度可比平地增加2~3 ℃, 夜間散熱快, 土溫低于平地。由于晝夜溫差大, 有利于作物光合產物的積累[43]。有研究表明, 起壟覆膜可提高白天和夜間的表土溫度1.0~2.5 ℃[44]。

3.1.2 降溫作用

覆蓋耕作的種植模式主要有保留作物殘茬覆蓋、秸稈粉碎鋪地覆蓋、果園和茶園裸地種植豆科作物覆蓋以及利用地膜覆蓋地面等方法, 每種方法對于作物來說有不同的溫度效果, 覆蓋所引起的降溫[45]也會對作物產量的增加起到一定作用。王有寧等[46]研究表明, 地膜覆蓋在生育前期能提高土壤溫度和保持土壤濕度, 在旺盛生育期有降溫效應, 因而能顯著提高作物產量。陳玉章等[47]研究表明, 覆膜和秸稈覆蓋均有明顯增溫和降溫效應; 與對照相比, 二者的增溫效應主要集中在拔節(jié)前, 覆膜增溫效果大于秸稈覆蓋; 拔節(jié)后有明顯的降溫效應, 秸稈覆蓋降溫效果大于覆膜; 覆蓋處理冬小麥全生育期5~25 cm土層平均溫度以碎稈夏覆蓋降溫效應最明顯, 較對照低0.68 ℃; 覆蓋的增溫效應主要出現(xiàn)在早晨, 而降溫效應主要在中午和傍晚, 覆蓋處理對于溫度的調控可顯著提高冬小麥單位面積籽粒產量(5.0%~29.0%,<0.05), 覆膜處理比秸稈覆蓋提高幅度更大。王有寧等[48]研究稱, 在夏季作物旺長期如棉花開花—吐絮期、玉米抽雄穗—乳熟期、大豆開花—結莢期, 地膜覆蓋作物枝葉茂盛, 白天所截留的太陽總輻射量多, 作物中下部光照強度小于對照, 導致地膜覆蓋作物農田土壤溫度低于對照地, 其中白天地面最高溫度降溫較明顯, 棉花、玉米和大豆農田土壤溫度比對照分別降低3.1 ℃、2.7 ℃和2.5 ℃, 光溫效應可有效減輕夏季高溫對作物的危害而利于增產。

3.1.3 溫度效應因季節(jié)而不同

除增溫、降溫比較明顯的溫度調控作用外, 覆膜在作物生長的某些時期, 對土壤溫度的影響作用不明顯[49]。根據(jù)夏自強等[50]的研究, 在高溫季節(jié), 由于受作物郁閉影響, 覆膜與對照的土壤溫度差別不大, 土壤溫度主要取決于作物的郁閉度。在外界溫度起點較低且持續(xù)增長的情況下, 秸稈覆蓋由于秸稈阻檔了太陽輻射, 土壤溫度上升緩慢, 日平均溫度比無覆蓋低2~3 ℃, 劇烈升溫時比無覆蓋時低5~10 ℃; 而在劇烈降溫季節(jié), 秸稈覆蓋下溫度高于無覆蓋, 土壤失熱速度慢于無覆蓋的土壤, 土壤20 cm以上土層日平均溫度高于無覆蓋。孫萬倉等[51]研究稱, 隨油菜()生長發(fā)育, 生長后期地膜覆蓋對土壤溫度的影響逐漸減弱, 6—7月(初花—終花期)地膜覆蓋溫度與裸地接近, 無明顯差異。

覆膜的溫度效應有時具有特殊的生態(tài)效應, 溫度變化會影響到作物的生長發(fā)育。地溫的提高可能也會對作物生長后期產生負面影響, 尤其是在冬小麥生長后期, 造成作物早衰。因此深入研究還需繼續(xù)。

3.2 起壟覆膜模式對土壤水分的影響

土壤濕度受農田水量平衡的各種組成因素制約。起壟覆膜栽培可以集雨、降低作物棵間無效蒸發(fā), 顯著改善作物生育期的土壤水分狀況[52-54]。由于壟作栽培使地面形成波浪形, 壟臺與壟溝之間存在一定的高度差, 在濕潤多雨的季節(jié), 有利于田間排水防澇, 在干旱少雨的季節(jié), 可以順溝灌溉, 以免作物受旱。同時, 波浪形的土面改善了田間的氣候, 又降低了田間濕度[55]。起壟覆膜影響土壤水分方式可以歸為以下3種。

3.2.1 抑制地表蒸發(fā)

覆膜抑制了作物生育期內土壤水分蒸發(fā)損失, 調控土壤水分, 增加土壤濕度。Zhang等[56]在中國科學院南皮生態(tài)農業(yè)試驗站的研究表明, 土下覆膜顯著改善了土壤上層的水分狀況, 在小麥返青期顯著增加0~60 cm土層的土壤含水量, 兩年度分別增加6.1%(2015—2016年)和6.4%(2016—2017年), 促進了冬小麥的水分利用, 這與覆膜后較低的土壤蒸發(fā)和小麥較高的水分利用效率有關。白秀梅等[33]研究稱, 在玉米整個生育期內, 起壟覆膜技術使0~60 cm土壤平均含水量分別比對照和平鋪膜提高1.81%~ 2.12%。Li等[57]的研究表明覆膜處理可使蒸發(fā)占蒸發(fā)蒸騰量的比值(E/ET)從0.32降到0.06。起壟覆膜相對于平作推動了土壤濕潤和干燥的時空交替, 增強了水滲透, 抑制了蒸發(fā)并減少了熱量損失[44]。

3.2.2 凝結水汽提高表層土壤水分

覆膜后, 土壤中水分氣化后在膜上凝結淡化, 為作物出苗提供了有利條件。侯慧芝等[52]研究表明, 覆膜能有效改善冬小麥土壤水分環(huán)境, 阻止水蒸汽進入大氣, 并可通過凝結深層水蒸汽改善表層土壤水分狀況。起壟覆膜在覆膜的基礎上, 又進一步改善了土壤水分狀況。降雨后, 起壟覆膜的微集水作用使土壤水分含量增加的程度高于降水量, 濕氣凝結成露, 流入土壤中, 也增加了土壤水分含量。

3.2.3 土壤有效水增加

起壟后, 壟與土壤側面形成弧形切面, 覆膜時膜與壟緊密貼合后, 蓋土壓實, 防止膜遇風后翻飛, 增加地膜與地表的緊密接觸, 降雨后促進地膜集水, 從而實現(xiàn)土壤水分高效利用的目標。起壟覆膜后, 土壤水分供應情況優(yōu)于平作, 在保持葉片含水率以及供水方面具有明顯的優(yōu)勢, 從而提高了葉片的氣體交換和光合能力[58]。例如壟作栽培明顯改善了玉米的光合特性以及土壤供水和玉米植株的吸水, 使葉片氣孔導度增大, 有利于氣體交換[59-60], 并且有效提高了降水利用率和利用效率[59,61-62], 解決因春旱脅迫玉米無法播種和出苗的問題, 最終達到增產目的[63-64], 現(xiàn)在已經成為旱地農作物高產栽培的突破性技術[65]。

3.3 起壟覆膜模式對土壤理化性質的影響

土壤理化性質除受自然成土因素的影響, 人類的耕作活動也能使之發(fā)生深刻變化。由于人類活動對土壤侵蝕的影響加劇, 大量土壤資源被破壞, 耕地面積日益減少, 而壟作可以改善土壤侵蝕的現(xiàn)狀。何超等[66]研究表明, 在黑龍江省, 與無壟作處理相比, 壟作使坡面徑流量和侵蝕量平均減少66.4%~92.4%和72.2%~98.3%。壟作栽培可以改變砂土結構, 增加砂粒直徑之間的附著力, 或保持較強的砂土附著力, 并具有很強的抗風蝕能力[67]。根據(jù)高明等[68]的研究, 壟作能夠明顯增加土壤孔隙度、降低土壤容重, 特別是表層土壤容重, 增加土壤熟化層的厚度, 形成上虛下實, 有利于水分和養(yǎng)分的吸收。在0~30 cm土層, 壟面土壤容重比平作降低4.38%~7.95%[69]。除此之外, 壟作栽培對土壤酶活性也有一定的影響。李勇軍等[70]研究稱, 壟作與平作留茬免耕相比, 可以提高土壤磷酸酶活性和過氧化氫酶活性。張東升等[71]研究稱, 壟作免耕下土壤團聚體中的脲酶活性最高, 整體上高于常規(guī)耕作。根據(jù)Gu等[72]的研究, 在中國西北半干旱地區(qū)冬油菜田, 起壟覆膜栽培0~20 cm土壤有機碳含量和酶活性以及0~30 cm土層硝態(tài)氮含量均顯著高于平作覆膜。

4 起壟覆膜栽培技術的進一步發(fā)展

隨著我國人口增加, 工農業(yè)發(fā)展, 農業(yè)可用的水資源量將越來越少, 農業(yè)高效用水勢在必行[73]。目前, 西北地區(qū)對甘薯、馬鈴薯等作物的起壟覆膜栽培技術已形成規(guī)范、系統(tǒng)模式, 在西北地區(qū)薯類作物栽培中發(fā)揮了巨大的產量優(yōu)勢。但在我國最重要的糧食產區(qū)華北平原, 其應用并不廣泛, 例如華北平原的黑龍港地區(qū), 旱澇災害頻繁, 某些地方不具備灌溉條件, 導致部分土地撂荒, 嚴重浪費了土地資源。作為一種農業(yè)節(jié)水栽培措施, 起壟覆膜栽培技術在缺水的華北雨養(yǎng)旱作區(qū)還缺乏系統(tǒng)研究, 應在以下幾個方面加強。

4.1 提高起壟覆膜栽培技術的機械化程度

隨著旱作農業(yè)機械化水平不斷提高, 起壟覆膜栽培技術已日趨完善, 然而與之相配套的農機具尚需全面發(fā)展[74]。起壟覆膜栽培技術的推廣, 在一定程度上依賴于起壟覆膜機的研發(fā)與使用, 目前甘薯、馬鈴薯的研究較多, 小麥、玉米起壟覆膜機具的研究較少。起壟覆膜栽培技術中使用較廣的起壟覆膜機主要有兩個。2MBL-2/6型小麥起壟覆膜溝播機是西北農林科技大學自主研發(fā)的新型播種機具, 在耕整過的土地上可一次完成起壟、壟上覆膜、溝內3行條播、施肥和播后鎮(zhèn)壓等多項作業(yè), 尤其能夠滿足旱地小麥全生育期起壟覆膜溝播的播種要求[75], 可增加糧食產量10%左右[76]。1QLFM-2型甘薯起壟覆膜機是北京市大興區(qū)農業(yè)機械研究所研制的甘薯起壟機。它可一次性完成碎土、滅茬、施肥、起壟、鎮(zhèn)壓、打藥和覆膜等作業(yè), 而且壟距可調, 起壟覆膜效果理想[77]。推進機械一體化, 不僅僅包括起壟覆膜播種機的創(chuàng)新與研究, 作物收割機的研究也同樣重要, 筆者認為促進起壟覆膜收割一體化關系到起壟覆膜栽培技術的推廣。此外, 還有一些配套的整地機、播種機和殘膜回收機等。農機機械化是推動作物生產進度、種植模式進步以及經濟效益提高的重要一步, 在改善作物種植方式的同時, 針對我國的糧食需求, 我們需要把農用機械與農業(yè)生產需求結合, 加強小麥、玉米起壟覆膜機的研究與創(chuàng)新, 在國家大力支持農業(yè)機械發(fā)展的背景下, 通過制定系統(tǒng)的起壟覆膜機械的標準和技術規(guī)程, 將起壟覆膜機推廣到農業(yè)生產中去。

4.2 新型無害地膜的應用

目前起壟覆膜所用地膜基本上是一次性地膜, 不僅會對土壤產生污染, 收集殘膜還比較費時費力。我們在中國科學院南皮生態(tài)農業(yè)試驗站進行的小麥起壟覆膜研究, 使用的地膜為三層抗老化黑膜, 在自然狀況下可以使用3~5年, 并且容易收集, 可以減少對土壤的危害。

不論是土下覆膜還是起壟覆膜, 膜的使用關系著土壤生態(tài)環(huán)境的變化。目前地膜按功能分為普通地膜和特殊地膜兩大類, 普通地膜包括廣譜地膜和微薄地膜; 特殊地膜包括黑色地膜、黑白兩面地膜、銀黑兩面地膜、綠色地膜、微孔地膜、切口地膜、銀灰(避蚜)地膜、(化學)除草地膜、配色地膜、可控降解地膜、浮膜等。其中黑色地膜主要作用為分隔陽光, 使膜下雜草難以進行光合作用, 具有限草功能, 增溫功能有限; 黑白兩色地膜主要作用為增加光反射和作物中下部功能葉片光合作用強度、降低地溫、保墑、除草, 適用于高溫季節(jié)覆蓋栽培。銀黑兩面地膜不僅可以反射可見光, 而且能反射紅外線和紫外線降溫、保墑功能更強, 還有很強的驅避蚜蟲、預防病毒功能, 對花青素和維生素丙的合成也有一定的促進作用, 以上3種地膜功能齊全, 使用范圍較廣, 但地膜都會對土壤造成生態(tài)污染?？煽亟到獾啬さ氖褂迷谝欢ǔ潭壬暇徑饬诉@種狀況。

目前所研發(fā)的可控降解地膜主要包括光降解地膜、生物降解地膜和雙降解地膜。在地面部分引入光降解技術, 埋土部分引入生物降解技術, 使用后無論地面還是地下部分均可降解[78]。壟作覆膜栽培技術中, 壟兩側埋地部分在耕翻后可均勻破碎, 降解后的膜片不阻礙作物根系伸長生長, 不影響土壤水分運動。地膜的使用帶來了經濟效益的同時, 對生態(tài)環(huán)境的破壞也日趨嚴重。防止廢棄地膜對環(huán)境造成污染的方法有回收和使用可降解地膜等方法。但地膜回收的要求較高, 需要大量的人力物力。2006年, 國家提出建立環(huán)境友好型社會, 人們對環(huán)境污染越來越重視, 在農業(yè)栽培方式上, 使用可降解地膜既能保證經濟效益, 又能減少對生態(tài)的污染。深入研究無害地膜, 大力推廣可降解地膜, 是我國發(fā)展可持續(xù)性農業(yè)的重要一步。

4.3 起壟覆膜栽培模式在不同作物上的具體技術規(guī)范

起壟覆膜栽培技術的應用目前主要集中在甘薯、馬鈴薯等作物的種植上, 在小麥、玉米等重要糧食作物上應用較少。目前對于壟作栽培技術, 尚未對特定作物制作出規(guī)范, 以華北平原小麥為例, 小麥作為我國重要的糧食作物, 壟寬和溝寬設定對充分利用降水、達到較高產量至關重要。筆者認為未來關于起壟覆膜的研究應該集中完善覆膜壟與露地溝的寬度配置、起壟覆膜技術的集水能力、保水保溫增產機理、不同作物的壟作栽培技術規(guī)程等。作物的生長發(fā)育離不開地下淡水、雨水、地表水等水資源[70], 通過起壟覆膜, 最大限度地收集與利用雨水, 構建不同作物起壟覆膜栽培技術規(guī)范, 是今后重要方向之一。

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Crop yield increasing and efficiency improving effects and development of technology of ridge-furrow cultivation with plastic film mulching*

JIN Lele1,2, QIAO Yunzhou1, DONG Baodi1, YANG Hong1,2, WANG Yakai1,2, LIU Mengyu1**

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Water-saving Agriculture, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The shortage of water resources in northern China limits the sustainable development of agriculture. The crop cultivation technique of ridge-furrow with plastic film mulching can significantly increase the yield and water-use efficiency. This paper reviewed the development and current situation of technology of ridge-furrow cultivation with plastic film mulching, discussed its effects on the yield of several major crops and its mechanisms, and proposed the future development. It was expected to promote the further development of the technology and provide reference for the relevant researches. In the technique of ridge-furrow cultivation with plastic film mulching, a ridge is created, then covered with plastic film; crops are planted between the ridges. The advantages of this technique promote its application, which are: 1) it improves the effectiveness of soil water. Film mulching over the ridge inhibits surface evaporation and increases soil water content by collecting rain water and condensation of soil water. 2) It regulates the ground temperature. Ridge mulching increases soil temperature, especially at the crop seedling stage, increasing emergence and seedling rates; it also decreases soil temperature during high temperature period, promoting crop growth and development. 3) It improves soil physical and chemical properties, improves soil structure, adjusts soil enzyme activity, and provides a good soil environment for crop growth. However, the mulching film cultivation mode also has certain deficiencies: 1) the development and promotion of the ridge laminating machine is relatively backward. 2) Mulch film creates pollution; this is becoming an increasingly serious problem, and it is laborious to reverse. 3) The technical specifications of ridge mulching technology lack specific standards. The future development directions of the ridge-furrow cultivation with plastic film mulching mode in North China are as follows: 1) improving the agricultural machinery needed to implement this technique; 2) applying a new harmless film; and 3) constructing different crop technical regulations. An in-depth study of the basis of high-efficiency water-saving agricultural cultivation techniques, further research and development of new technologies for agricultural planting methods, and full use of water resources are all necessary for the future.

Ridge-furrow cultivation with plastic film mulching; Crop yield; Water use; Warming and moisturizing; Technical regulation

Mar. 1, 2019;

Apr. 24, 2019

, E-mail: mengyuliu@sjziam.ac.cn

* 國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFD0300503)資助

S344.9

2096-6237(2019)09-1364-11

10.13930/j.cnki.cjea.190153

劉孟雨, 主要研究方向為作物高效用水生理生態(tài)研究。E-mail: mengyuliu@sjziam.ac.cn 靳樂樂, 主要研究方向為作物水分生理生態(tài)。E-mail:jinlele17@mails.ucas.ac.cn

2019-03-01

2019-04-24

* The study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFD0300503). **

靳樂樂, 喬勻周, 董寶娣, 楊紅, 王亞凱, 劉孟雨. 起壟覆膜栽培技術的增產增效作用與發(fā)展[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報(中英文), 2019, 27(9): 1364-1374

JIN L L, QIAO Y Z, DONG B D,YANG H, WANG Y K, LIU M Y. Crop yield increasing and efficiency improving effects and development of technology of ridge-furrow cultivation with plastic film mulching[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(9): 1364-1374