水稻覆膜栽培技術(shù)研究進(jìn)展

熊家歡，陳惠哲，徐一成，向鏡，張義凱，王亞梁，王志剛，張玉屏

(中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311401)

20 世紀(jì)60 年代，日本首先探索出水稻覆膜栽培模式并進(jìn)行研究和推廣。80 年代，我國通過交流學(xué)習(xí)并引進(jìn)該項(xiàng)栽培模式，開始利用PE 地膜開展水稻覆膜栽培技術(shù)研究，改變了水稻的淹水栽培，對水稻生長有節(jié)水增溫等有諸多好處，在部分地區(qū)推廣應(yīng)用，特別是我國的南、北方一些缺水、高寒類型稻田和東北冷寒地區(qū)稻田推廣效果較好，達(dá)到了水稻增產(chǎn)增效目的。覆膜技術(shù)因其顯著的效果，得到迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于玉米和大豆等作物生產(chǎn)中，我國現(xiàn)已成為農(nóng)用地膜使用和生產(chǎn)最多的國家[1-3]。眾多研究表明，水稻覆膜技術(shù)有增溫保墑、節(jié)水節(jié)肥、除草等作用[4-5]。胡國輝等[6]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜能夠增加土壤日均溫2～3 ℃。邢春秋等[7]研究表明，寒地覆膜能夠提高稻田溫度3～5 ℃。張立成等[8]發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)灌溉相比，覆膜防滲灌溉能顯著降低水分滲漏，提高水分利用率。董瑜皎等[9]研究了長期免耕覆膜栽培對稻—油輪作體系油菜季雜草群落多樣性的影響，發(fā)現(xiàn)覆膜降低了油菜季雜草物種數(shù)和田間雜草總密度。多項(xiàng)研究說明覆膜對解決干旱缺水、低溫等因素有重要作用。但該技術(shù)需人工鋪膜、打孔插秧，聚乙烯膜需要回收操作程序，增加了勞動用工及生產(chǎn)成本，且對環(huán)境造成污染，限制了其發(fā)展和應(yīng)用。

近些年，隨著覆膜同步機(jī)插、有機(jī)稻、降解膜和水稻綠色高效生產(chǎn)等概念的出現(xiàn)，水稻覆膜栽培再次受到關(guān)注。該技術(shù)是在水稻移栽時(shí)，將覆膜裝置安裝在高速插秧機(jī)上，生物可降解膜掛在覆膜裝置上，邊覆膜邊機(jī)插，利用生物降解膜覆蓋稻田土壤表面，實(shí)現(xiàn)增溫、保墑、抑制雜草、減少甲烷氣體排放等功能。水稻覆膜機(jī)插技術(shù)能破解有機(jī)水稻生產(chǎn)關(guān)鍵難題，為水稻生產(chǎn)上的肥藥減施提供新技術(shù)。2021年國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布文件，將配合有關(guān)部門“加強(qiáng)全生物降解地膜替代等技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供有力科技支撐，繼續(xù)推進(jìn)可降解地膜的評價(jià)與推廣應(yīng)用，加大政策扶持力度，加強(qiáng)產(chǎn)品技術(shù)跟蹤”。這為水稻覆膜栽培技術(shù)的發(fā)展提供了重要的政策支持。為系統(tǒng)闡述水稻覆膜栽培生產(chǎn)上的變化，本文從覆膜對稻田及水稻生產(chǎn)的影響、膜的材質(zhì)、覆膜方式、覆膜需求以及目前水稻生物降解膜機(jī)插種植的經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行分析，并展望了水稻覆膜栽培技術(shù)的發(fā)展方向，以期為水稻覆膜機(jī)插技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 覆膜對稻田環(huán)境和水稻生長的影響

從已有的研究來看，覆膜對稻田環(huán)境和水稻生長的影響主要集中于土壤理化性質(zhì)變化、稻田溫室氣體排放、水稻生長和產(chǎn)量及氮肥利用這幾個(gè)方面，且大多呈現(xiàn)出良好的效果(表1)。

表1 覆膜處理后稻田環(huán)境和水稻生長的效果Table1 Effect of rice field environment and rice growth after plastic film mulching

眾多研究表明，覆膜能提高土壤的溫度和濕度，這有利于促進(jìn)土壤有機(jī)碳的礦化[22]，同時(shí)增加土壤微生物數(shù)量，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活和土壤養(yǎng)分的有效性[23-25]。黨昆等[26]研究表明，覆膜能提高土壤pH，增加土壤養(yǎng)分含量，最終提高作物籽粒產(chǎn)量。雖然覆膜促進(jìn)了水稻的生長，提高了產(chǎn)量，但長期覆膜對土壤有不利影響。有研究表明，覆膜會降低土壤有機(jī)碳含量[27]；Yang 等[28]發(fā)現(xiàn)水稻覆膜會降低土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀的含量；Yu等[29]的研究也表明，覆膜降低了灌溉旱地土壤有機(jī)碳含量，不利于土壤的可持續(xù)發(fā)展。

為緩解有機(jī)質(zhì)下降的問題，多項(xiàng)研究從有機(jī)質(zhì)輸入入手。施肥能影響土壤有機(jī)碳積累和礦化分解過程，在一定范圍內(nèi)調(diào)控土壤有機(jī)質(zhì)的輸入[30]。焦曉光等[31]研究施用不同的肥料下的土壤養(yǎng)分特征，發(fā)現(xiàn)施肥顯著地增加了土壤有機(jī)質(zhì)和N、P、K 養(yǎng)分的含量。王永鵬等[32]研究秸稈還田與地膜覆蓋對土壤的影響，發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋栽培模式下的有機(jī)碳礦化量可被增加的有機(jī)碳輸入量抵消。王曉航等[10]發(fā)現(xiàn)，不同的秸稈還田量與覆膜結(jié)合，能夠提高土壤溫度、全氮、有機(jī)質(zhì)含量，在40%秸稈還田量條件下表現(xiàn)最優(yōu)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，大規(guī)模的秸稈粉碎還田和覆膜所需成本較高且技術(shù)尚不成熟，高效低耗、適用性廣的秸稈還田機(jī)械設(shè)備的制造和秸稈還田后快速腐解技術(shù)都需進(jìn)一步加強(qiáng)[33]。也有研究通過施用有機(jī)肥來提高土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤。但Farmer 等[34]發(fā)現(xiàn)，在長期(28 年)地膜覆蓋試驗(yàn)中，有機(jī)肥和氮肥聯(lián)合施用略微降低了土壤有機(jī)碳含量。所以，覆膜水稻技術(shù)發(fā)展可以結(jié)合新型肥料進(jìn)一步考慮土壤可持續(xù)性問題。

2 水稻覆膜技術(shù)的發(fā)展變化

2.1 覆膜方式的轉(zhuǎn)變

水稻覆膜技術(shù)在我國應(yīng)用多年，自20 世紀(jì)80年代引入，因其良好的節(jié)水保墑性，得到迅速應(yīng)用。其應(yīng)用方式經(jīng)歷了由手工覆膜到人力牽引式覆膜，再到機(jī)插一體化覆膜3 個(gè)階段。

早期的覆膜栽培技術(shù)簡單，薄膜由人工覆蓋，沒有相關(guān)配套的機(jī)械[35-36]。在發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)中，水稻采用的覆膜栽培技術(shù)由人工開溝、覆膜、打孔等，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低[37]。在大面積應(yīng)用覆膜技術(shù)時(shí)，因人工覆膜效率較低，作業(yè)強(qiáng)度大，導(dǎo)致水稻插秧延后，影響水稻生長發(fā)育。為提高覆膜效率，發(fā)展出牽引式覆膜機(jī)。主要覆膜機(jī)構(gòu)有3 種，分別是定軸被動覆膜、半定心被動覆膜、無定心隨動覆膜[38]。覆膜方式由手工覆膜轉(zhuǎn)變?yōu)榘霗C(jī)械化覆膜—手工牽引式覆膜。牽引式覆膜在一定程度上解決了覆膜效率問題，但在完成覆膜過程中，還需不停地在田間行走，容易造成地膜與地面不能緊密貼合，塑料膜不能完全覆蓋，影響效果[39-40]。因此，為進(jìn)一步提高效率和解決費(fèi)人工的問題，覆膜方式由人力牽引式覆膜轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械化的機(jī)械動力牽引覆膜。

近些年，隨著水稻機(jī)械化種植的突飛猛進(jìn)，研發(fā)了水稻覆膜機(jī)插一體化栽培技術(shù)。該技術(shù)將覆膜裝置安裝在高速插秧機(jī)上，生物可降解膜掛在覆膜裝置上，邊覆膜邊機(jī)插，利用生物降解膜覆蓋稻田土壤表面，實(shí)現(xiàn)增溫、保墑、抑制雜草、減少甲烷排放等多種功能，能實(shí)現(xiàn)覆膜、打孔、機(jī)插移栽一次完成，提高了作業(yè)效率[7，41]。水稻覆膜機(jī)插一體化栽培技術(shù)對田塊的要求較高，需要田面平整，在高山山地、丘陵地帶、種植面積分散等不適合應(yīng)用機(jī)械化生產(chǎn)的地區(qū)，機(jī)械動力牽引覆膜受到一定的限制，而人力牽引式覆膜就較適合這些地區(qū)。所以，水稻覆膜栽培一體化技術(shù)要不斷改進(jìn)，需應(yīng)對不同的田間環(huán)境，因地制宜，在覆膜完好的同時(shí)提高效率。

2.2 農(nóng)用地膜材質(zhì)的變化

我國地膜使用量自1991 年的30 多萬噸至2017年的140 多萬噸，增長了4.5 倍。地膜的覆蓋面積在2017 年到達(dá)1 800 多萬公頃，增長了近4 倍[42]。地膜的巨大需求，導(dǎo)致了地膜制造業(yè)的快速發(fā)展。

地膜材質(zhì)的變化是隨著塑料工業(yè)的發(fā)展而變化的。早期應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地膜都是由聚氯乙烯和聚乙烯組成，同時(shí)根據(jù)不同需求，加入不同的染料或試劑制成不同的地膜[43]。一般來說，無色地膜因其增溫保墑效果明顯，多用于春季增溫和保墑。有色地膜除有增溫效果外，由于其對太陽光有不同的反射效果，還具有影響害蟲和改善作物品質(zhì)的功效。但隨著覆膜技術(shù)的推廣，農(nóng)膜污染變得越發(fā)嚴(yán)重，PE 膜造成了巨大的環(huán)境污染[44]。

因此，農(nóng)用地膜的使用開始朝綠色可降解方向發(fā)展[45]。降解地膜的降解可分為生物、光和化學(xué)降解[46]。光降解膜在生產(chǎn)中有很大的限制，農(nóng)用地膜需要鋪設(shè)在地下，受到植株的遮光，不利于降解。化學(xué)降解膜因其添加可降解化學(xué)材料，受到環(huán)境和膜本身限制。生物可降解膜是一類在微生物作用下能夠?qū)⒛ね耆纸獬啥趸?、水等物質(zhì)的膜，由于其獨(dú)特的特性越來越受到歡迎。

目前，生物可降解膜普遍應(yīng)用的聚酯材料為PBAT 和PLA[47]。在生產(chǎn)使用過程中，由于可降解膜還存在材料和制作工藝等限制，導(dǎo)致化學(xué)性能差、耐水性不好、價(jià)格高等問題都需進(jìn)一步研究解決[48]。目前來看，生物可降解膜還需進(jìn)一步改進(jìn)，尚不能夠完全替代常規(guī)材質(zhì)農(nóng)用地膜的使用，有一個(gè)漸進(jìn)的過程。根據(jù)用途的不同，農(nóng)膜的使用將會出現(xiàn)不降解、部分降解、完全降解膜并存的局面。

2.3 覆膜需求的轉(zhuǎn)變

在我國，北方稻區(qū)水稻生產(chǎn)面臨著早期低溫的影響，而在南方稻區(qū)則面臨一些季節(jié)性缺水，如何提高水分利用效率成為急需解決的問題，這些問題極大地限制了水稻生產(chǎn)[6，18]。自覆膜技術(shù)應(yīng)用在水稻生產(chǎn)后，這些問題都得到了很好的解決。諸多試驗(yàn)表明，水稻覆膜種植能夠有效地防止雜草、減少氮肥、農(nóng)藥的使用，是一項(xiàng)優(yōu)良的水稻綠色高效生產(chǎn)技術(shù)[49-50]。隨著地膜材料技術(shù)的改進(jìn)，生物可降解膜的出現(xiàn)使得覆膜水稻栽培技術(shù)再次受到廣泛的關(guān)注[51]。胡國輝等[6，20，52]研究表明，生物可降解膜水稻栽培技術(shù)能夠顯著提高水稻產(chǎn)量、減少溫室氣體排放、提高氮素利用效率等，同時(shí)，由于生物可降解膜能在田間完全降解，充分證明了其優(yōu)質(zhì)、增產(chǎn)增效、資源高效利用、綠色生態(tài)環(huán)保的效果。

當(dāng)前覆膜水稻栽培技術(shù)也越來越受一些農(nóng)場及稻米企業(yè)的歡迎，成為巢湖、洱海邊水稻種植的首選方式。中國水稻研究所、河南清源天仁生物技術(shù)有限公司的試驗(yàn)示范基地、黑龍江濃江農(nóng)場等于2017—2020 年采用該技術(shù)，與傳統(tǒng)機(jī)插對照比較，每公頃平均增產(chǎn)390 kg，按照當(dāng)?shù)赜袡C(jī)水稻6.0 元/kg，每公頃可增加收入2 340 元；減少人工除草費(fèi)用3 900 元，除去膜的成本等費(fèi)用，每公頃可新增效益1 740 元。該技術(shù)具有除草、節(jié)水、增溫、節(jié)肥、提質(zhì)、增效、可降解減排等七大優(yōu)勢，切實(shí)將生態(tài)綠色、提質(zhì)、節(jié)本、增效落到實(shí)處。

3 水稻覆膜機(jī)插的經(jīng)濟(jì)效益

從表2、3 看，覆膜栽培減少了農(nóng)資及除草費(fèi)用，增加了插秧及膜的費(fèi)用。膜成本按4 200 元/hm2計(jì)算，北方水稻生產(chǎn)成本覆膜機(jī)插為13 908 元/hm2，比對照減少2 524.5 元/hm2，主要是覆膜機(jī)插大大降低了人工除草費(fèi)用；在南方因是化學(xué)除草，覆膜機(jī)插比對照生產(chǎn)成本高306 元/hm2，但覆膜處理產(chǎn)量高于對照。2020 年北方受3 次臺風(fēng)影響，覆膜機(jī)插稻穗大粒多，造成倒伏，機(jī)收損失大，產(chǎn)量低于對照，但有機(jī)稻價(jià)格高于對照，綜合純收益覆膜處理比對照增加7 417.5元/hm2；南方水稻產(chǎn)量高，但價(jià)格沒有優(yōu)勢，綜合純收益覆膜處理比對照增加447.0 元/hm2。覆膜機(jī)插北方種植經(jīng)濟(jì)效益更明顯，南方主要有環(huán)保綠色作用。

表2 水稻覆膜機(jī)插生產(chǎn)成本Table 2 Production cost of rice mulching technology 元·hm-2

表3 水稻覆膜機(jī)插生產(chǎn)效益Table 3 Production benefits of rice mulching technology

4 研究前景與展望

水稻生物降解膜覆膜機(jī)插技術(shù)具有節(jié)水抗旱、增溫保墑、減肥增效、抑制雜草、防治病蟲害、減排固碳等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前該技術(shù)在我國發(fā)展較快，2018年以來在浙江、黑龍江、吉林、江蘇、上海等地都有應(yīng)用。2018—2020 年，在吉林國信米業(yè)公司通化柳河試驗(yàn)基地，采用該技術(shù)小面積實(shí)收水稻增產(chǎn)8.7%，對稻田溫室氣體排放強(qiáng)度降幅達(dá)56.0%；有機(jī)碳含量增加27.1%，CH4排放量降幅52.4%。在生產(chǎn)應(yīng)用中，該項(xiàng)技術(shù)還需進(jìn)一步完善，應(yīng)逐步完善其機(jī)械設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，以適應(yīng)更廣地區(qū)的需要。關(guān)于水稻覆膜栽培技術(shù)，還需加強(qiáng)以下方面的研究:

第一，可降解膜與水稻生長期相匹配的特性。未來可降解膜會逐步取代常規(guī)的普通地膜。但隨著研究的深入，生物可降解膜本身的特性需要進(jìn)一步了解，其降解特性需符合作物生長的周期與規(guī)律。

第二，覆膜插秧機(jī)械的逐步完善。大田生產(chǎn)機(jī)械化和輕簡化，尤其是機(jī)械化種植是未來發(fā)展方向。我國覆膜插秧機(jī)基本都是由普通的插秧機(jī)改裝和加裝覆膜機(jī)而成。在覆膜過程中，覆膜機(jī)對田塊的平整度要求較高，且覆膜插秧較常規(guī)機(jī)插速度要慢，通過農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合改進(jìn)和完善覆膜插秧機(jī)有重要的影響。

第三，水稻覆膜栽培技術(shù)應(yīng)盡可能降低生產(chǎn)成本。其成本不僅體現(xiàn)在膜的成本上，還體現(xiàn)在生產(chǎn)中人力、時(shí)間等的增加，因而需持續(xù)加強(qiáng)覆膜栽培機(jī)械的改進(jìn)，進(jìn)一步改進(jìn)膜的生產(chǎn)工藝，降低膜的價(jià)格。

第四，水稻覆膜栽培技術(shù)與其他新技術(shù)的綜合應(yīng)用。覆膜能夠提高地溫，加速土壤有機(jī)質(zhì)的礦化和氮的釋放，還可通過施用新型肥料如生物炭與覆膜相結(jié)合，覆膜由于其濕潤栽培，能有效緩解生物炭在施用中的流失，使該栽培技術(shù)能夠持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。