有色地膜覆蓋技術(shù)研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

劉斌寇燕燕陳亮楊世梅杜雷超

(1.甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅 武威 733006)

旱地農(nóng)業(yè)是一種在干旱或半干旱地區(qū)通過有效利用自然降水，并結(jié)合一系列專門的旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)，旨在提升土地的生產(chǎn)潛力和自然降水的利用效率，其核心目標(biāo)在于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定和高產(chǎn)，并推動農(nóng)業(yè)、牧業(yè)和林業(yè)的綜合發(fā)展，從而確保這一區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)性和高效性[1]。研究證實，地膜覆蓋能節(jié)水抗旱、保墑增墑，降低土壤水分的熱能消耗，在一定程度上減少地表徑流和肥料的揮發(fā)、淋溶和流失，還具有抑制雜草、增光提溫及改善作物生長的非生物環(huán)境因素，從而促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，提高水分利用效率和肥料利用效率等效果[2-4]，顯著提高了旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。由于地膜覆蓋栽培技術(shù)操作簡單易行，廣泛推廣應(yīng)用于小麥、玉米等糧食作物和蔬菜、果樹等經(jīng)濟(jì)作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，成為一項不推自廣且應(yīng)用成果顯著的實用栽培技術(shù)[5]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最早應(yīng)用的為透明地膜和白色地膜，也是目前使用類型最多的地膜，近年來，隨著地膜覆蓋技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用，學(xué)者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的普通透明地膜和白色地膜對光的透過率較高，反射較少，盡管普通透明地膜在白天具有顯著的增溫效果，但夜間其保溫性能卻不盡如人意。同時，這種地膜下容易滋生雜草，對作物的生長構(gòu)成了不利影響，且容易造成白色污染[6]，而且在一定程度上會造成作物出現(xiàn)早衰現(xiàn)象。Zaongo等[7]研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋白色地膜雖然可以在作物生長初期顯著促進(jìn)生長，但這也導(dǎo)致了土壤水肥過早消耗，使得作物在生長后期面臨土壤水肥水平低下的困境，從而引發(fā)早衰和減產(chǎn)情況。透明地膜與白色地膜所引發(fā)的一系列作物生長問題以及環(huán)境問題，已經(jīng)成為制約作物健康生長和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在科技持續(xù)進(jìn)步基礎(chǔ)上，已開發(fā)出多種具有不同功能和材質(zhì)的地膜，如有色地膜[8]、除草地膜[9]、可降解地膜[10]、液態(tài)地膜[11]以及營養(yǎng)地膜等，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了更多創(chuàng)新性的解決方案。有色地膜是根據(jù)不同顏色對太陽光譜透射、吸收和反射特性，作物與害蟲的響應(yīng)規(guī)律制作的新型地膜。研究顯示，不同顏色地膜吸收和反射太陽光譜具有特定規(guī)律，通過吸收和反射不同的太陽光線對作物光敏色素吸收進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步優(yōu)化土壤環(huán)境，抑制田間雜草發(fā)生及生長，促進(jìn)作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了更多的可能性和優(yōu)勢[12]。不同作物生長發(fā)育、雜草發(fā)生和生長、土壤水熱環(huán)境及光環(huán)境對不同顏色地膜的響應(yīng)也不一樣[13]。研究表明，不同顏色地膜對同一種作物的影響效應(yīng)不一樣，同一顏色地膜對不同作物的影響效應(yīng)也不一樣，因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中地膜顏色的選擇會直接影響作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的形成。目前，我國地膜的使用制度混亂，農(nóng)民對地膜選擇全靠經(jīng)驗，沒有科學(xué)認(rèn)識到有色地膜的特性和適用作物和地域。因此在選擇不同顏色地膜時，應(yīng)針對當(dāng)?shù)貧夂驐l件和被覆蓋作物生長發(fā)育特點，在選擇地膜種類時，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐牡乩砗蜌夂驐l件，選擇適宜顏色地膜，以確保為作物創(chuàng)造一個理想的土壤水熱環(huán)境，促進(jìn)其健康生長。有效促進(jìn)作物增產(chǎn)，持續(xù)提高旱作農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

1 地膜覆蓋技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

20世紀(jì)50年代初期，隨著塑料工業(yè)的蓬勃發(fā)展，地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)運而生并逐漸興起。人們發(fā)現(xiàn)，用高分子化合物聚乙烯薄膜覆蓋后的增溫保墑效果很好，于是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中很快應(yīng)用，代替了工作量大且效果差的傳統(tǒng)稻草、沙石等地面覆蓋材料，以有色地膜的應(yīng)用改變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)地膜應(yīng)用方式。日本對地膜覆蓋栽培技術(shù)的研究相對比較早，其地膜覆蓋栽培技術(shù)在實際應(yīng)用中，其農(nóng)作物的生產(chǎn)效益相對比較大[14]。1955年，日本將地膜覆蓋栽培技術(shù)應(yīng)用于瓜果、綠葉菜、水稻、大豆、蘋果等作物種植中，對農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)提升起到了一定的促進(jìn)作用。隨后，在美國、法國、英國、意大利、以色列、澳大利亞等歐美國家迅速接納并深入研究了地膜覆蓋技術(shù)，廣泛將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。這一技術(shù)的普及不僅有效推動了農(nóng)作物的增產(chǎn)，還顯著擴(kuò)大了種植面積，為增強農(nóng)產(chǎn)品的供給能力和促進(jìn)農(nóng)民增收發(fā)揮了重要作用，被稱為農(nóng)業(yè)中的“白色革命”[15，16]。在國外，地膜覆蓋栽培技術(shù)在實際應(yīng)用中，則是從地膜覆蓋的角度，改變農(nóng)作物的栽培方式，從而提高農(nóng)作物的生長發(fā)育水平。意大利從1965年開始，就已經(jīng)采用地膜覆蓋栽培技術(shù)，并將其應(yīng)用于煙草、菠蘿、草莓等經(jīng)濟(jì)價值相對較高的農(nóng)作物栽培中，以透明地膜的應(yīng)用，保持土壤溫度，促進(jìn)農(nóng)作物早熟。美國以及蘇聯(lián)在對地膜覆蓋栽培技術(shù)進(jìn)行研究中，則是將其應(yīng)用早春時節(jié)的低溫干旱環(huán)境，以減少水分的蒸發(fā)，并提升地表溫度，這樣做能夠更有效地保護(hù)農(nóng)田中的幼苗，同時保持土壤濕潤和溫度穩(wěn)定。在歐洲，法國最早開始應(yīng)用地膜覆蓋技術(shù)的作物為玉米，目前在園藝作物中廣泛應(yīng)用黑色地膜、光降解地膜和生物降解地膜等。

1978年開始，通過國內(nèi)農(nóng)業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，從日本引入地膜覆蓋栽培技術(shù)，并結(jié)合國內(nèi)土壤環(huán)境特征，對地膜覆蓋栽培技術(shù)進(jìn)行改良，在我國14個省份內(nèi)開展了試點工作，將其應(yīng)用于蔬菜作物的種植栽培中，在促進(jìn)早熟、增產(chǎn)、增收等方面取得了良好成效[17]。20世紀(jì)80年代，地膜覆蓋技術(shù)自引進(jìn)后，其應(yīng)用范圍逐漸從最初的蔬菜作物拓展至花生、棉花、水稻、瓜類、果樹等多種作物。至1981年，該技術(shù)已覆蓋1.5萬hm2的土地，試驗涉及的作物種類更是多達(dá)70余種，顯示出其廣泛的適用性和巨大的發(fā)展?jié)摿18]。隨著地膜覆蓋技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，我國的研究工作也取得了豐碩的成果。本文深入研究了地膜覆蓋栽培的高產(chǎn)機(jī)理，探討了地膜覆蓋小氣候條件下水光熱效應(yīng)的變化規(guī)律，分析了土壤理化性質(zhì)和水肥利用的田間變化對作物生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成的影響。這些研究為進(jìn)一步推廣和優(yōu)化地膜覆蓋技術(shù)提供了有力的理論支撐和實踐指導(dǎo)。地膜覆蓋具有節(jié)水抗旱，減少地表徑流和肥料的揮發(fā)、淋溶和流失，降低土壤水分的熱能消耗，具有保墑增墑，增光提溫，抑制雜草，改善非生物環(huán)境因素，促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，提高水分利用效率和肥料利用效率等效果。

2 有色地膜研究現(xiàn)狀及在農(nóng)作物應(yīng)用狀況

隨著國內(nèi)外對有色地膜的開發(fā)研究和在各種農(nóng)作物中的推廣應(yīng)用，目前用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要有黑色膜、紅膜、黃膜、綠色膜、銀灰色膜、黑白配色膜、兩色膜等，在農(nóng)用地膜使用中的占比可達(dá)到50%左右[19-22]。日本氣候環(huán)境特性下，其農(nóng)用地膜是以黑色地膜為主，使用量達(dá)到90%左右，歐美部分國家采用有色地膜的占比也相對較高。近年來，隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)研究的逐漸深化，在拓展有色地膜種類、功能的基礎(chǔ)上，有色地膜的實際應(yīng)用效果得到了明顯提升。有色地膜相較于普通地膜，可以增加土溫和保持土壤水分，抑制田間雜草發(fā)生及生長，促進(jìn)作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成，并且操作簡單便捷，不僅節(jié)省了人力，還避免了風(fēng)吹、澆水困難等問題，從而降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。有色地膜還具有調(diào)節(jié)作物生長環(huán)境的光照和溫度條件，抑制雜草生長以及防治病蟲害等多重功能，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了更多的便利和保障[23]。

2.1 有色地膜覆蓋對土壤水熱環(huán)境和雜草的影響

有色地膜的顏色變化可改變太陽光譜對作物的透射方式，再加上吸收、反射等方式，對作物生長以及病蟲害防控等會產(chǎn)生直接的影響。因此，在對有色地膜的實際應(yīng)用進(jìn)行分析中，可根據(jù)有色地膜覆蓋的顏色變化，改變作物地表土壤的光輻射水平，影響土壤溫度的升高或降低。研究表明，地膜的透光性能與其熱輻射能力有直接關(guān)系，當(dāng)?shù)啬ね干涞墓饩€增多時，其熱輻射量也會隨之增加，地膜顏色的選取是作物和土壤獲取光能和熱量多少的關(guān)鍵因素，因此，在選擇地膜時，需要充分考慮其顏色對土壤溫度的影響，以實現(xiàn)更好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效果。研究發(fā)現(xiàn)，地膜顏色的不同，透光率也會存在一定的差異性。透光率相對較高的地膜，則土壤保溫效果更加明顯。這種增溫方式在實際應(yīng)用中，土壤的含水量也會相對降低。從低溫環(huán)境的角度分析，選擇透光率相對較低的地膜，可相對提高作物生長的保溫性能[24]。覆蓋黑膜后，花生全生育期0～15cm土壤溫度增加4.0～5.0℃[25]，馬鈴薯根系集中區(qū)域的土層土壤濕度增加27.4%～23.1%[26]。銀灰膜與銀黑雙面膜在透光率方面表現(xiàn)出相似的特性，透光率高于黑膜但低于其他顏色的地膜。同時，這2種地膜的表面都具有強烈的紫外線反射性。因此具有很好的除草性，并能有效驅(qū)避蚜蟲、防止白粉虱等病蟲害的發(fā)生[27]。黑膜基本不透光，因此在太陽輻射下膜下吸收的熱量較透明膜少，因此土壤的蒸散量較低，土壤水分相對增大。研究發(fā)現(xiàn)，在玉米全生育期，黑色地膜覆蓋條件下0～100cm的土壤平均含水率較不覆膜和覆白膜分別高17.95%和4.23%，具有較好的土壤保墑效果[28]。在茄子、西紅柿蹲苗階段，銀灰膜在覆蓋0～20cm土層時的保水性能相較于乳白膜和綠膜具有顯著優(yōu)勢。這種優(yōu)勢有助于維持土壤濕度，為作物的生長提供有利的水分條件。白天增溫性和夜間保溫性適中[29]。在越冬洋蔥上試驗發(fā)現(xiàn)，銀灰膜覆蓋相比黑膜、白膜或透明膜，其增溫、保墑、保溫綜合效果更優(yōu)，在強光環(huán)境中，較其他色膜表現(xiàn)出更好的“降溫”效果，避免高溫造成根系損傷[30]。黑膜較白膜和透明膜表現(xiàn)為基本不透光，不利于雜草在膜下生長，因此具有很好的除草性，被廣泛應(yīng)用于雜草叢生和高溫季節(jié)栽培的園藝植物。楊世佳等[31]在關(guān)于不同顏色地膜覆蓋對玉米雜草生長影響的研究中，發(fā)現(xiàn)覆蓋白色地膜能夠顯著抑制玉米生育前中期雜草的生長，而在玉米生育期后期，不能顯著抑制雜草發(fā)生，而覆黑膜玉米整個生育期無雜草發(fā)生。黑白相間配色地膜白色帶下面可充分吸收太陽光，促進(jìn)增長，黑色帶下面可抑制雜草的生長，克服了普通地膜不能除草的功能。研究發(fā)現(xiàn)，黑白地膜與普通透明地膜相比，雜草防控效果好，并且具有差異調(diào)節(jié)土壤溫度的特點，在生產(chǎn)實踐中，白膜部分在生育前期可以提溫保苗，生育后期有效減輕高溫脅迫對作物的傷害[32]。銀灰色地膜較透明膜能反射紫外線且自身透光率為60%左右，具有驅(qū)避蔬菜和瓜果蚜蟲、保持水土和防除草等功能。實踐證明，銀灰色地膜在夏、秋季節(jié)覆蓋黃瓜、西瓜等蔬菜作物，具有良好的防病蟲作用[33]。普通透明地膜相比，黑色地膜植株蚜蟲數(shù)量差異不顯著[34]。

2.2 有色地膜覆蓋對作物生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

地膜覆蓋可以通過顏色變化改變土壤水熱狀況以及空間分布格局，對作物的生長發(fā)育以及光合作用控制等會產(chǎn)生直接的影響。在利用黑色地膜后，氣溫較低環(huán)境下，可以通過黑色對光的吸收改變土壤的溫度，土壤的增溫幅度變化相對較小。相較于白膜或透明膜，黑色地膜在保墑保溫方面表現(xiàn)更優(yōu)，能有效抑制高溫環(huán)境下土壤溫度的快速升高，確保土壤溫度的穩(wěn)定性，為保證農(nóng)作物根系生長區(qū)域的溫度、濕度環(huán)境滿足實際需求，則需要從地膜顏色的角度，為農(nóng)作物的生長提供良好的生長環(huán)境。而且，有效的地膜選擇對防止作物雜草以及降低病蟲害的發(fā)生概率有促進(jìn)作用。從現(xiàn)有研究的角度分析，在對地膜顏色變化與作物生長情況的關(guān)系進(jìn)行分析中，花生覆蓋黑白配色地膜以及牽銀灰色地面膜后，可提高花生葉片的光合效率以及熒光參數(shù)，且花生的飽果率、單果重量也明顯提升。采用2種地膜后，黑白配色地膜的莢果產(chǎn)量可達(dá)到4700.0kg·hm-2，淺銀灰色地膜的花生莢果產(chǎn)量可達(dá)到4943.3kg·hm-2。同比普通地膜應(yīng)用中，2種地膜對花生的增長分別可達(dá)到6.09%和14.96%，經(jīng)濟(jì)系數(shù)明顯提高。目前，黑色地膜被廣泛應(yīng)用于大棚草莓的種植生產(chǎn)，提高草莓果實的品質(zhì)。呂桂菊等[36]則證明，不同作物可適應(yīng)的地膜顏色存在一定的差異性，青椒在覆蓋銀灰色、無色、黑色地膜的產(chǎn)量也所有不同，分別提升了14.74%、11.95%和8.81%，具有明顯差異。徐康樂等在對地膜選擇及應(yīng)用進(jìn)行研究中[37]，黑色地膜與無色透明地膜在應(yīng)用中，前者可提高馬鈴薯16.29%的產(chǎn)量。這一結(jié)果表明，黑色地膜在提高馬鈴薯產(chǎn)量方面具有顯著優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)，在果樹行間鋪設(shè)銀灰色地膜能有效改善梨、蘋果樹樹冠下部葉片的光照環(huán)境，提高了果樹葉片的光合作用，促進(jìn)梨、蘋果樹的花芽形成，這一過程不僅有助于提高果實的成熟度，還能增加其可溶性固形物的含量，使果實著色更加鮮艷[38]。

3 結(jié)語

綜上所述，有色地膜的應(yīng)用對干旱和半干旱農(nóng)業(yè)地區(qū)高效節(jié)水用水和作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要的意義。因有色地膜對不同波長的太陽光譜吸收和反射呈現(xiàn)不同的規(guī)律，不同作物生長發(fā)育、雜草發(fā)生和生長、土壤水熱環(huán)境及光環(huán)境對不同顏色地膜的響應(yīng)也不一樣，因此在選擇不同顏色地膜時，應(yīng)針對當(dāng)?shù)貧夂驐l件和被覆蓋作物生長發(fā)育特點，選擇適合的有色地膜，為作物生長發(fā)育和增產(chǎn)提供優(yōu)良的水熱環(huán)境，持續(xù)提高旱作農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。不同種類、不同功能有色地膜的研發(fā)和推廣應(yīng)用應(yīng)該得到更多的關(guān)注和研究，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新提供更多創(chuàng)新的解決方案。