水稻覆膜旱作對(duì)土壤環(huán)境及水稻生長(zhǎng)的影響研究進(jìn)展

趙 龍，張友良, 王 娟, 田承偉，苗恒錄

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225009； 2.撫州市水文局，江西 撫州344000； 3.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

1 研究背景

我國(guó)是水稻生產(chǎn)大國(guó)，2016年我國(guó)水稻總產(chǎn)約2.11×108t，占世界的28.5%，居世界第一[1]。但是我國(guó)水稻主要種植方式為淹水灌溉，耗水達(dá)13 500 m3/hm2，遠(yuǎn)高于其生理需水[2]。水稻覆膜旱作技術(shù)可以減少水稻生長(zhǎng)過(guò)程中的水面蒸發(fā)和深層滲漏、避免水稻早期的低溫脅迫、能夠抑制雜草、保證產(chǎn)量和提高水分利用效率[3-6]。因此，在水資源日益緊缺的形勢(shì)下，研究利用水稻覆膜旱作技術(shù)以提高水稻的產(chǎn)量和水分利用效率，對(duì)于保障我國(guó)水安全和糧食安全具有重要意義。

本文通過(guò)總結(jié)歸納已有研究文獻(xiàn)，分析水稻覆膜旱作對(duì)土壤水肥氣熱的影響機(jī)理及對(duì)水稻生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響機(jī)理，探討水稻覆膜旱作技術(shù)存在的問(wèn)題及未來(lái)研究方向，為該技術(shù)的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供參考。

2 水稻覆膜旱作對(duì)土壤水肥氣熱的影響

2.1 水稻覆膜旱作對(duì)土壤水熱的影響

覆膜水稻相較于裸地旱種可以有效提高土壤溫度和土壤含水率。覆膜削弱了潛熱交換損失，減弱土壤與外界的熱交換，使土壤熱通量和土壤溫度增加。同時(shí)，地膜阻隔了稻田和外界環(huán)境的物質(zhì)與能量交換，使土壤蒸發(fā)的水汽被保留到稻田與薄膜形成的氣室中，當(dāng)晝夜溫度降低時(shí)水汽凝結(jié)成水滴返回土壤，保持土壤水分，使土壤含水率增加[7]。程旺大等[8-9]研究了水稻覆膜對(duì)土壤含水率和土壤溫度的影響，結(jié)果表明：0～60 cm土層內(nèi)，水稻覆膜的土層含水率均高于常規(guī)旱作處理下的土層含水率；0～20 cm土層內(nèi)，日平均最低和最高土壤溫度均高于常規(guī)旱作處理。 Li等[10]研究表明水稻覆膜處理的土壤含水率約為飽和含水率的80%，其土壤溫度比常規(guī)旱作高約13%，隨著水稻的生長(zhǎng)該增溫效應(yīng)逐漸減弱甚至消失。

2.2 水稻覆膜旱作對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量增加的保障，土壤養(yǎng)分含量和分布受土壤通氣性、土壤水分和溫度等的影響。水稻覆膜旱作通過(guò)調(diào)控土壤水分溫度和土壤通氣性來(lái)影響土壤養(yǎng)分含量及其時(shí)空分布。潘臘青等[11]發(fā)現(xiàn)水稻覆膜土壤中鐵和錳的有效態(tài)含量分別提高了47.8%和19.9%。Liu等[12]研究表明水稻覆膜會(huì)增加5～20 a內(nèi)土壤有機(jī)碳(SOC)和氮含量，且能使土壤容重增大。Li等[13]、李永山等[14]研究表明，與常規(guī)淹水栽培相比，覆膜處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量減少8.3%～24.5%，全氮含量減少5.2%～22%，速效鉀含量減少9.6%～50.4%，全磷含量減少13.5%～27.8%，這主要是因?yàn)楦材ぴ鰪?qiáng)了水稻根系的生長(zhǎng)，使其能從土壤中吸收更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而減少土壤中有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)的含量。此外，因?yàn)楦材じ纳屏送寥劳庑?，覆膜水稻土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無(wú)機(jī)氮的含量要遠(yuǎn)高于常規(guī)水種和裸地旱種。Yang等[15]在蘭溪實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水稻覆膜會(huì)降低土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和可交換性鉀的含量，這與李永山等[14]的研究結(jié)果一致。但是Chen等[16]研究表明水稻覆膜總體上可以維持土壤氮儲(chǔ)量，水稻覆膜能夠促進(jìn)根系生長(zhǎng)，提高氮肥的利用效率，使得C和N返回至土壤中，與土壤硝化和生物固氮的影響抵消，防止了土壤總氮的凈損失。

2.3 水稻覆膜旱作對(duì)溫室氣體排放的影響

全球氣候變化越來(lái)越受到關(guān)注，稻田溫室氣體排放也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。土壤中有機(jī)質(zhì)可分解為無(wú)機(jī)碳和無(wú)機(jī)氮，無(wú)機(jī)碳在厭氧環(huán)境下產(chǎn)生CH4，無(wú)機(jī)氮在硝化和反硝化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生N2O。水稻覆膜旱作通過(guò)改變土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤通氣性和土壤水分溫度等來(lái)調(diào)節(jié)溫室氣體排放量。

常規(guī)淹水種植的稻田長(zhǎng)期存在水層，促進(jìn)了甲烷菌的生長(zhǎng)和活性，使得CH4排放通量增加。與常規(guī)淹水種植相比，覆膜旱作可以改善土壤的通氣性，使土壤的氧化還原電位處于一個(gè)較高水平，抑制了CH4的產(chǎn)生，但覆膜同時(shí)會(huì)使土壤水分發(fā)生劇烈的變化，使得硝化作用和反硝化作用同時(shí)存在，再加上外來(lái)肥料的一次性施入，導(dǎo)致N2O急劇增加[17-18]。劉芳等[19]發(fā)現(xiàn)覆膜水稻全生育期CH4累計(jì)排放通量為2.46 g/m2，較常規(guī)淹水處理降低了88%。張怡等[20]在四川中部對(duì)覆膜水稻全年CH4排放通量進(jìn)行研究也得出類似的結(jié)論。王玉英等[21]通過(guò)對(duì)常規(guī)淹水、常規(guī)旱作、覆膜旱作3種栽培方式對(duì)照處理的研究表明，拔節(jié)后覆膜旱作栽培的CH4平均排放通量為11.776 mg/(m2·h)，低于常規(guī)淹水栽培的14.024 mg/(m2·h)。Zhang等[22]在2010-2014年通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，與常規(guī)淹水栽培相比，覆膜水稻CH4排放通量降低了45%～85%，但N2O的排放通量增加了2.06～11.53倍。張旭[23]的研究表明，水稻覆膜旱作處理中基本上沒(méi)有檢測(cè)到CH4的排放，但覆膜水稻N2O的總排放通量的平均值為611 mg/(m2·h)，遠(yuǎn)高于常規(guī)淹水處理的37 mg/(m2·h)，且水稻排水落干期施肥會(huì)對(duì)N2O的排放產(chǎn)生促進(jìn)作用。石將來(lái)等[24]研究表明，覆膜處理下CH4和N2O的GWP(全球增溫潛勢(shì))分別為386.05和862.91 kg/hm2，均高于常規(guī)處理(262.01和771.95 kg/hm2)。

為減少覆膜產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，有研究表明可以在覆膜稻田中加入穩(wěn)定性肥料(添加脲酶抑制劑或硝化抑制劑或同時(shí)添加兩種抑制劑的肥料)[25-27]。于海洋等[28]將硝化抑制劑(三氯甲基吡啶，CP)與尿素配施加入覆膜水稻系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量提升0.24 t/hm2且CH4和N2O的排放通量均降低11%。張怡等[29]研究發(fā)現(xiàn)在覆膜水稻系統(tǒng)中用控釋肥料代替尿素可以在不影響產(chǎn)量的同時(shí)使N2O的排放峰值減少43.6%、總排放量減少52.6%。

綜上所述，前人關(guān)于對(duì)于覆膜旱作對(duì)水稻田間土壤水熱、土壤養(yǎng)分及溫室氣體排放進(jìn)行了深入研究，得出覆膜旱作相較于常規(guī)旱作可以增加土壤水分及土壤溫度，尤其是在水稻生長(zhǎng)前期，覆膜的增溫保墑作用明顯。但是覆膜旱作對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，不同研究者得到的結(jié)論不一致，有的認(rèn)為覆膜旱作可以增加土壤有機(jī)質(zhì)和氮的含量，但也有人發(fā)現(xiàn)該技術(shù)會(huì)減少土壤有機(jī)質(zhì)和氮的含量，這可能是由于不同研究者的水稻覆膜和水稻品種不同，導(dǎo)致其研究的覆膜增溫效益及覆膜對(duì)水稻根系生長(zhǎng)的影響不同，進(jìn)而影響了土壤養(yǎng)分的含量。對(duì)于溫室氣體排放，研究者認(rèn)為覆膜旱作可以減少CH4的排放，但是N2O的排放會(huì)有一定程度的增加。

迄今為止，前人關(guān)于不同顏色的覆膜材料對(duì)土壤水熱、土壤養(yǎng)分及溫室氣體排放研究較少，由于不同顏色的薄膜材料光學(xué)性質(zhì)不同，對(duì)水稻田間土壤水熱環(huán)境的影響不同，從而對(duì)土壤養(yǎng)分及溫室氣體排放通量的影響有所不同。目前對(duì)于水稻不同生育期覆膜旱作條件下的土壤水熱、土壤養(yǎng)分及溫室氣體排放的研究也較少。

3 水稻覆膜旱作對(duì)水稻生理生長(zhǎng)及產(chǎn)量和水分利用效率的影響

3.1 水稻覆膜旱作對(duì)水稻生理生長(zhǎng)的影響

土壤水肥氣熱的變化會(huì)影響水稻根系的生長(zhǎng)及其對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而影響水稻的分蘗、冠層生長(zhǎng)及地上生物量的形成等。徐俊增等[30]通過(guò)建立水稻莖蘗動(dòng)態(tài)模擬模型發(fā)現(xiàn)，覆膜水稻分蘗前期莖蘗增長(zhǎng)緩于常規(guī)處理，分蘗高峰期滯后10～20 d。王曉航等[31]研究發(fā)現(xiàn)，灌漿期覆膜水稻的葉面積指數(shù)均高于7。張亞男等[32-33]研究表明，覆膜水稻在0～40 cm土層內(nèi)的根干重、根長(zhǎng)密度和根表面積，均顯著高于常規(guī)淹水栽培。劉曉菲[34]對(duì)覆膜水稻生長(zhǎng)特征的研究表明，水稻覆膜可促進(jìn)更多根系分布于根區(qū)深層土壤中。Yang等[35]對(duì)水稻抗倒伏性影響的研究表明，覆膜會(huì)增加水稻的單株生物量，且倒伏指數(shù)較常規(guī)種植增加14.68%～17.09%。李森[36]研究了不同覆膜處理下水稻的根系變化，發(fā)現(xiàn)生育前期覆膜水稻根系生長(zhǎng)和分枝最強(qiáng),但之后卻受到抑制，這主要是因?yàn)樵谒旧L(zhǎng)前期，覆膜處理可以提高土壤溫度和含水率，對(duì)水稻根系生長(zhǎng)產(chǎn)生促進(jìn)作用，但之后隨著覆膜增溫效應(yīng)和土壤肥力的減弱，使水稻根系生長(zhǎng)受到抑制。大量研究表明，與常規(guī)淹水栽培相比，在水稻覆膜的基礎(chǔ)上實(shí)施直播技術(shù)還可以縮短水稻生育期，提高光合生產(chǎn)上的葉面積指數(shù)、光合勢(shì)和凈同化率[37-39]。

3.2 水稻覆膜旱作對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

水稻產(chǎn)量形成的過(guò)程實(shí)際上是干物質(zhì)積累、分配與轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程[40]。水稻覆膜旱作通過(guò)影響土壤水肥氣熱環(huán)境間接影響水稻的生理生長(zhǎng)及其產(chǎn)量。目前研究表明覆膜水稻的產(chǎn)量明顯高于常規(guī)旱作處理，但產(chǎn)量與淹水處理在不同地域和種植時(shí)間上差異明顯。王友貞等[41]研究發(fā)現(xiàn)水稻覆膜后與裸地旱種相比每公頃產(chǎn)量至少增加2 500 kg，這主要是因?yàn)楦材さ脑鰷乇勛饔檬顾驹谏捌诘纳L(zhǎng)分蘗速度高于常規(guī)旱作處理，從而增加了地上部分干物質(zhì)的積累。肖海華等[42]2011年4-8月在四川資陽(yáng)的研究發(fā)現(xiàn)，覆膜水稻產(chǎn)量達(dá)到8 620 kg/hm2，較常規(guī)淹水處理增加18%，其穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、千粒重、有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率等產(chǎn)量構(gòu)成因素均高于常規(guī)處理。Guo等[43-44]2014年5-9月分別在中國(guó)中部海拔500和900 m地區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水稻在高海拔地區(qū)的產(chǎn)量、每平方米的小穗數(shù)和籽粒充實(shí)率顯著高于低海拔地區(qū)。劉美菊[45]2011年4-9月在湖北十堰等多個(gè)地方的研究發(fā)現(xiàn)，覆膜處理使水稻產(chǎn)量較淹水處理提高18%。Qu等[5]在湖北經(jīng)過(guò)7年的田間試驗(yàn)也得到了類似的結(jié)論。而張自常[46]于實(shí)驗(yàn)期的6-10月在江蘇揚(yáng)州的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，覆膜導(dǎo)致水稻減產(chǎn)約10%。崔國(guó)賢[47]1998年6-10月在江蘇大豐的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，覆膜旱作使水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素均有所下降，不同品種對(duì)旱作環(huán)境的適應(yīng)性也明顯不同。這可能是因?yàn)樵诖杭靖吆０蔚貐^(qū)溫度偏低，覆膜有效提高了前期的土壤溫度和含水量，使其有利于水稻生長(zhǎng)；而在夏季低海拔平原地區(qū)，過(guò)高的溫度反而會(huì)抑制水稻的生長(zhǎng)。

不同的施氮量和種植方式也會(huì)影響覆膜水稻的產(chǎn)量。鄧小強(qiáng)等[48]研究表明，施氮120 kg/hm2時(shí)，覆膜水稻產(chǎn)量最高單產(chǎn)9 532.9 kg/hm2。豐大清等[49-50]對(duì)水稻產(chǎn)量的研究表明，用150 kg/hm2的控釋肥代替尿素可以使覆膜水稻增產(chǎn)27.3%，另外對(duì)覆膜水稻進(jìn)行廂畦式處理可以使水稻增產(chǎn)28.44%。袁玲等[51]對(duì)秸稈還田條件下水稻產(chǎn)量的研究表明，覆膜水稻的產(chǎn)量平均提升3.3%，且能有效提升稻米中的鐵、鋅含量。

由此可見，水稻產(chǎn)量受品種、氣候、土壤肥力和管理措施等多方面因素的制約，外界氣候條件和土壤環(huán)境通過(guò)影響水稻的生理狀況，進(jìn)而影響水稻干物質(zhì)積累和產(chǎn)量。覆膜處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響機(jī)理還有待進(jìn)一步探究。

3.3 水稻覆膜旱作對(duì)水分利用效率的影響

水稻覆膜旱作田間沒(méi)有淹水，可以大量減少棵間蒸發(fā)和深層滲漏，從而降低作物需水量和灌水量。張立成等[52]研究表明，覆膜水稻灌溉用水量比常規(guī)灌溉低9.54%，灌耗比降低0.1。金欣欣[53]研究表明，覆膜水稻全生育期蒸騰總量降低6.1%～9.7%，深層滲漏和蒸發(fā)損失相對(duì)常規(guī)處理降低80%以上。石建初等[54]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜水稻的生態(tài)耗水較常規(guī)淹水減少了57.2%，總耗水量減少了34.6%，且當(dāng)根區(qū)平均土壤含水量保持在田間持水量的80%時(shí)，其節(jié)水效果更為明顯。朱士江等[55]在黑龍江通過(guò)不同灌水條件(淹灌、控灌和間歇灌溉)對(duì)覆膜水稻耗水量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)處理相比，覆膜淹灌水分利用效率提高31.23%，覆膜控灌提高16.84%，覆膜間歇灌溉提高21.57%，且3種處理下的水分生產(chǎn)效率均提高。

綜上所述，已有研究表明水稻覆膜旱作可以促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)，主要體現(xiàn)在生物量、根系等生理生長(zhǎng)指標(biāo)方面，這主要是由于覆膜旱作對(duì)水稻田間土壤水熱環(huán)境的改善。但是由于產(chǎn)量受氣候、土壤等多方面因素的影響，有的研究表明覆膜旱作可以增加水稻產(chǎn)量，但有的研究表明覆膜旱作會(huì)導(dǎo)致水稻產(chǎn)量降低。與水稻常規(guī)旱作及常規(guī)淹水灌溉相比，覆膜旱作可以顯著提高水分利用效率。由現(xiàn)有研究可以發(fā)現(xiàn)水稻覆膜旱作對(duì)水稻產(chǎn)量的影響可能是積極的，也有可能是消極的，怎樣根據(jù)不同的氣候和土壤等條件，通過(guò)覆膜旱作調(diào)控土壤水熱、土壤養(yǎng)分等因素，充分發(fā)揮覆膜旱作的積極影響，避免其消極影響是未來(lái)水稻覆膜旱作研究的一個(gè)重要方向。

4 結(jié) 論

水稻覆膜旱作技術(shù)可以調(diào)控水稻生長(zhǎng)的水肥氣熱條件，促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)，在減少用水的同時(shí)，保證其產(chǎn)量，需要通過(guò)更多研究充分發(fā)揮其潛力。通過(guò)分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外關(guān)于覆膜旱作技術(shù)對(duì)水稻田間土壤水熱、養(yǎng)分和溫室氣體排放及其對(duì)水稻生理生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響的研究，可以得出未來(lái)水稻覆膜旱作在以下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步研究：

(1)現(xiàn)有研究主要關(guān)注水稻覆膜旱作技術(shù)對(duì)土壤水熱環(huán)境的影響，但是對(duì)水稻覆膜旱作大氣—作物—薄膜—土壤系統(tǒng)的水熱環(huán)境傳輸過(guò)程研究較少，需要通過(guò)進(jìn)一步的研究明確覆膜旱作水稻的水熱傳輸過(guò)程及機(jī)理。

(2)關(guān)于不同薄膜材料對(duì)覆膜旱作水稻的土壤水肥氣熱及水稻生長(zhǎng)的影響研究較少。由于不同薄膜材料具有不同的光學(xué)性質(zhì)，它是影響土壤環(huán)境的關(guān)鍵因素，在水稻生長(zhǎng)初期影響最大。因此，需要進(jìn)一步研究利用薄膜材料調(diào)控水稻生長(zhǎng)的方法。

(3)關(guān)于覆膜旱作對(duì)不同地區(qū)水稻產(chǎn)量的影響還需進(jìn)一步研究，需要充分發(fā)揮覆膜旱作水稻的積極作用，實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)量的增加，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

致謝:在本文的寫作過(guò)程中，揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院的馮紹元教授提供了寶貴的修改意見，在此表示感謝。