农田覆膜效益、环境影响与监测研究进展分析*

哈斯图亚，陈仲新

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部农业遥感重点实验室，北京 100081)

·研究综述·

农田覆膜效益、环境影响与监测研究进展分析*

哈斯图亚，陈仲新※

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部农业遥感重点实验室，北京 100081)

[目的]通过总结地膜覆盖农田相关研究现状及研究趋势，以期为地膜制造、生产、使用、回收全过程的科学规划管理提供参考依据。[方法]文章为了客观全面掌握国内外地膜覆盖技术研究现状，明确研究重点、前沿问题和热点问题，利用文献计量法，借助CNKI和Web of Science文献库，分析近20年国内外地膜覆盖技术研究进展。主要对地膜覆盖栽培技术的积极作用、负面影响、综合评价研究以及地膜覆盖农田遥感监测等4个方面进行分析。[结果]目前国内外地膜覆盖农田研究主要有两方面，即地膜覆盖栽培技术对农作物增产积极效益研究和地膜覆盖对大气环境(如二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等温室气体排放)和土壤环境的影响以及残留地膜的影响等负面效应研究。然而，对地膜覆盖技术综合影响研究、地膜农田时空格局及变化研究相对较少。[结论]地膜覆盖技术综合效益评估研究、地膜农田时空格局及变化研究，以及地膜覆盖农田定量遥感研究应受到更多关注。

地膜覆盖技术 效益 影响 监测 研究进展 文献计量法

0 引言

地膜覆盖栽培技术是广泛应用于农业生产的园艺技术之一[1]。它具有保温保墒、保肥保药、除草抑盐、促进作物生长发育、扩大适种区、提高产量等积极作用；在中国广泛应用于多种经济作物和粮食作物，对我国粮食安全保障做出了重大贡献。我国使用量和覆盖面积始终居世界首位，并呈持续增长态势。地膜覆盖面积从1981年11.7万hm2增长到2011年1979.1万hm2[2]和2013年2500万hm2[3]。地膜覆盖技术在农业生产中扮演着重要角色。但是由于地膜的易破碎、难降解、难回收性，连续多年使用留下的残膜导致一系列生态环境问题[4-6]。因此，近年来，学者们开展了很多关于地膜覆盖栽培技术的积极作用和负面影响方面的研究，包括作物生长环境调节、促进作物生长发育、增产增收等积极作用，以及残膜、温室气体排放等负面影响。国内研究主要侧重于地膜的正面作用和残留地膜的影响以及回收治理方面；而国外侧重于地膜覆盖对温室气体排放影响研究。但国内外在地膜农田空间分布监测研究相对薄弱。

文献计量法是一种对文献进行量化分析的方法，是情报学分支学科之一。现在广泛应用于各领域科学研究论文统计分析。该方法可以从年份、作者、国家、机构、发文期刊、研究内容、发文量、引用率等进行统计分析； 有助于掌握研究领域最新研究动态和存在问题。近年来，文献计量法的应用领域越来越广，包括地球科学[7]、遥感学科[8]、生态学[9-11]、全球变化研究[12]、气候[13]、湿地研究[14]、地震研究[15]、科学基金评审[16]、农作物[17， 18]、农田土壤碳汇量[19]、稻田甲烷排放及其影响因素[20]、农业面源污染研究[21， 22]等。文章利用文献计量法对地膜覆盖农田相关研究现状及研究趋势等进行总结。

1 材料及研究方法

该文利用文献计量法对近20年普通塑料地膜覆盖技术相关研究现状和趋势进行统计分析。文献数据主要包括英文文献和中文文献两部分，英文文献来源于Web of Science文献库，中文文献来源于CNKI文献库，检索周期为1995～2015年，检索日期为2015年11月2日。分别对地膜覆盖栽培技术的积极作用、负面影响、正负面影响综合评价以及遥感监测等进行分析。检索方式包括下述几种。

由于英文文献中地膜的表达方式有所不同，因此利用不同关键字进行检索。地膜覆盖增产效益研究英文文献检索方式为： ①Title=Plastic Mulch and Topic=Crop、or ②Title=Plastic Film and Topic=Crop、or ③Title=Plastic Cover and Topic=Crop； 中文文献检索方式为：篇名=地膜并且主题=作物。地膜覆盖环境效应研究英文文献检索方式为： ①Title=Plastic Mulch and Topic=Environment，or ②Title=Plastic Film and Topic=Environment，or ③Title=Plastic Cover and Topic=Environment； 中文文献检索方式为：篇名=地膜并且主题=环境。地膜覆盖栽培技术正负面影响综合研究英文文献检索方式为： ①Title=Plastic Mulch and Topic=Crop and Topic=Environment，or ②Title=Plastic Film and Topic=Crop and Topic=Environment，or ③Title=Plastic Cover and Topic=Crop and Topic=Environment； 中文文献检索方式为：篇名=地膜并且主题=作物并且主题=环境。地膜覆盖农田遥感监测英文文献检索方式为： ①Title=Plastic Mulch and Topic=Remote Sensing， ②Title=Plastic Film and Topic=Remote Sensing， ③Title=Plastic Cover and Topic=Remote Sensing，中文文献检索方式为篇名=地膜并且主题=遥感。

对已检索题录中的重复记录、与该研究无关的报道和其他类型地膜(纸地膜、麻地膜、可降解地膜、液态地膜和大棚)研究等内容进行剔除处理。最后分为地膜覆盖技术的正面作用研究、负面影响研究、正负面综合研究和地膜覆盖农田遥感监测研究4个方面的内容(表1)，使用Note Express进行统计分析。

表1 检索文章数量

正面作用研究负面影响研究综合评价研究遥感监测语种英文中文英文中文英文中文英文中文数量669492302612442

2 结果分析

2.1 地膜覆盖技术的正面作用研究

由图1、2能看出，近20年地膜覆盖技术积极作用研究文章发文量不断增加。但高影响因子文章不多，影响因子在0～1之间的文章占6%、1～2之间的文章占7%、2～3之间的文章占9%、大于3的文章仅占4%。SCI文章占9%，SCIE文章占14%、EI文章占4%、CSCD文章占7%、中文核心期刊占7%、中国科技核心期刊占8%。主要研究内容包括地膜覆盖对土壤温度、湿度、土壤微生物、土壤肥力、作物长势、生物量和产量等。已有的研究主要通过田间对比试验方式进行，分别在不同地膜、不同覆膜方式、不同覆膜时间尺度下进行相关参数的讨论研究，包括土壤温湿度、土壤孔隙度、容重、养分、有机质、土壤酶活性和微生物等以及作物出苗率、成苗率、株高、叶面积、叶绿素含量、水分利用率、光合作用率、产量、品质等。地膜覆盖技术的作用因不同地区、不同地膜、不同作物、不同覆膜方式而有所不同。

图1 近20年地膜覆盖技术正面作用研究文章发文量变化趋势

图2 近20年地膜覆盖技术正面作用研究文章影响因子和收录期刊比例(左为影响因子，右为收录期刊)

2.1.1 覆膜与未覆膜

地膜覆盖明显提高农田土壤墒情，促进作物生长发育，避免后期病虫害和干热风害等，大幅提高作物产量，是干旱半干旱地区，低温缺水地区、气温降水变化幅度较大地区的关键栽培技术之一。地膜覆盖提高土壤耕层温度和湿度，阴雨天和晴天提高幅度有所不同[23， 24]； 地膜覆盖降低土壤蒸发、提高水分利用率[25， 26]。增加作物叶绿素含量、叶面积，提高作物氮吸收率[27， 28]。干旱年份保水、增产效果大于湿润年份[29， 30]。地膜覆盖是提高干旱地区土壤固碳能力的重要方式，新疆地膜棉田试验研究表明，地膜覆盖提高土壤有机碳含量和无机碳含量[31]，而中国北方山区土壤矿质氮随着覆膜时间的持续而增加[32]。地膜覆盖也是一种降低土壤表层盐碱化、改良盐荒地和修复弃耕地的有效措施[33， 34]。覆膜条件下40 cm层土壤盐含量下降57%， 100 cm层土壤盐含量下降30.8%[35]。除此之外，地膜覆盖还具有防止水土流失、减轻氮淋失[36]、降低杂草[37， 38]、防止病虫害[39]等作用。

2.1.2 不同地膜覆盖

地膜的理化性质具有重要影响，其中颜色的影响最为明显。研究表明透明地膜的增温效果比白色和黑色地膜显著，而白色地膜地表热积累量显著高于黑色地膜，这主要与不同颜色地膜对不同波段的透射和反射有关[40]。黑色与白色地膜的土壤保水效果相差不大，增温效果有所不同，与白色地膜覆盖相比，黑色地膜能够有效降低0～15cm土壤白天温度，可以使白天0～15cm土壤日均温度降低0.8℃[41]。深色(蓝、黑、红、灰)地膜的日均根层温度、日最大根层温度和日积温度最高，浅色(白色和银色)地膜最低。银色地膜覆盖根层温度昼夜波动最小； 黑膜的除草效果最佳，透明地膜增温效果最佳[42， 43]。也有研究指出黑色地膜更能保根层温度，提高土壤温度，减轻病虫害[44]。普通塑料地膜的保温效果比生物降解地膜好[45]。在新疆石河子棉田对比研究普通地膜和生物降解地膜结果表明，与普通地膜相比，生物降解地膜覆盖的土壤温度低于2～3°C，保水能力降低3%～5%，棉花产量降低20%[46]。

2.1.3 地膜覆盖方式

地膜覆盖技术的作用受覆膜方式的影响。研究表明全膜双垄沟顶凌覆膜、全膜双垄沟播前覆膜、全膜平铺顶凌覆膜分别增产31.3%、9.2%、17.6%、27.4%[47]，其中全膜覆盖方式综合表现优于其他覆膜方式[48-52]。但也有研究表明降水年全膜双垄沟播效果最佳，干旱年半膜双垄沟播效果最佳[53]； 秋季双垄全膜的土壤温度和有效积温最大，早春双垄全膜次之，半膜双垄播前覆膜最小，全膜覆盖高于半膜覆盖[54， 55]。休耕期覆膜有利于集降水，土壤深层水分利用率，提高产量，双垄全膜覆盖增产效果明显高于双垄半膜和半膜平覆，秋季覆膜高于早春覆膜，早春覆膜高于播种期覆膜[56-58]。全膜覆盖是提高旱地作物产量和水分利用率的有效种植方式[59， 60]。

2.2 地膜覆盖技术的负面影响研究

地膜覆盖栽培技术虽然提高了土地资源和水资源等自然资源的利用效率，带动了我国农业生产、提高农业生产力，但随着地膜使用量、覆盖面积、覆膜年限的逐渐增加，地膜覆盖也已对生态环境产生了不良影响。连续多年使用累积的地膜残留不但给田间操作带来不便，而且还破坏土壤结构，影响土壤通透性、水分和养分输导，妨碍种子发芽生长，从而导致作物减产。这对农业可持续发展和生态环境保护构成严重影响。

图3 近20年地膜覆盖技术负面影响研究文章发文量变化趋势

图4 近20年地膜覆盖技术负面影响研究文章影响因子和 收录期刊比例(左为影响因子，右为收录期刊)

由图3、4能看出，近20年地膜覆盖技术负面影响研究文章发文量不断增加。但高影响因子文章不多，影响因子在0～1之间的文章占10%， 1～2之间的文章占7%， 2～3之间的文章占10%，大于3的文章仅占13%。SCI文章占2%，SCIE文章占3%，EI文章占2%，CSCD文章占8%，中文核心期刊占9%，中国科技核心期刊占11%。主要研究内容包括地膜覆盖对土壤温度、湿度、土壤微生物、土壤肥力、作物长势、生物量和产量等； 文献绝大部分是2000年以后发表。中文文献收录范围都为中国科技核心期刊、中文核心期刊和CSCD，英文文献收录范围为SCI和SCIE。

2.2.1 地膜残留

由于地膜的易破碎和难回收性，农田里大量存留残膜对土壤微环境、作物根系的生长发育、水肥的运移造成严重影响，最终导致减产。已有研究表明地膜残留引起的减产可能会抵消地膜覆盖带来的增产效益。目前，地膜残留的影响研究主要包括地膜残留在土壤中的分布形态特征、对土壤理化性质的影响、对作物生长发育及产量的影响、白色污染以及地膜残留防治措施等内容。

地膜残留量主要受残片的大小、地膜厚度、覆膜年限和耕地利用方式的影响。残膜碎片面积越大，田间残留量越小。残膜主要集中在0～20cm土层中，占0～30cm层残膜量的90%左右，占总残留量的82.4%～87.4%；而在20～30cm土层残膜量很少，仅占12.6%～17.6%[61-63]。残膜含量与覆膜年限有关，覆膜年限越长，残留量越多[64， 65]。小于4cm2的小片残膜最多，其次是4～25cm2之间的中片残膜，大于25cm2的大片残膜最少，随着覆膜年限的增加，单位面积片数和重量呈线性递增趋势[66-68]。大量的残留地膜破坏土壤结构，限制作物生长发育，进而造成农作物减产和农业环境污染[69]。随着土壤中地膜残留量的增加，土壤有机质含量、氮、磷、钾含量、抗蚀指数、土壤微生物量、含水量、水分下渗速度、饱和导水率、出苗率和产量均呈下降趋势[70-72]。地膜残留导致土壤理化性质恶化，土壤营养下降。欧美、日本等国家地膜一般用于蔬菜、水果等，很少用于大田作物，覆膜时间较短，地膜较厚(0.015mm)，易于回收，地膜残留污染较轻。我国地膜很薄(0.006～0.008mm)，覆膜时间长，不易回收，地膜残留较严重。完善地膜生产标准和加强监管，增加地膜厚度，提高可回收性，使用降解地膜和液态地膜是解决地膜残留问题的有效方式。但是降解地膜和液态地膜的时间效应很难与作物需求相匹配，而且降解产物对土壤及大气环境的影响不能确定。因此地膜加厚和完善回收技术是防治地膜残留负面影响的理想措施。

2.2.2 温室气体排放

目前，国外对地膜覆盖农田二氧化碳、甲烷、一氧化二氮排放量的研究较多，国内较少。覆膜条件下，一氧化二氮能够逐渐渗透地膜，渗透率会随着周围环境温度增加而呈指数增长，并且夏天多于冬天[73-75]。覆膜增温保湿作用及对土壤与大气间气体传输的阻隔使土壤二氧化碳浓度升高、甲烷浓度降低，二氧化碳浓度与温度呈显著正相关关系、甲烷浓度与温度呈显著负相关关系，土壤二氧化碳与甲烷浓度呈显著负相关关系[76]。研究表明地膜覆盖是强碳源[77]，而且其碳源汇作用随作物生长季而变化[78]。从而增加温室气体排放量，增加全球变暖潜力[79， 80]。但也有研究指出地膜覆盖农田是降低温室气体排放量的有效方式。模型模拟覆膜碳氮通量、一氧化二氮释放、氮淋失研究结果表明覆膜农田氮淋失较严重、氮肥利用率较低，降低氮淋失和一氧化二氮排放量[81-83]。地膜覆盖条件下的土壤一氧化二氮通量和甲烷吸收率低于未覆膜，全生育期内甲烷对温室效应的贡献远远小于一氧化二氮。综合考虑两种温室气体时，地膜覆盖将会减少温室气体排放量而减轻全球变暖[84]。

2.3 地膜覆盖农田遥感监测研究

准确掌握地膜农田时空分布格局、分布面积及其变化特征，对农业物资管理和农业研究具有重要意义，是发展优质、持续农业,保护农业生态环境的需要。统计上报数据缺乏时空信息，受人为主观影响； 野外调查方法耗费大量的人力、物力、财力和时间，且难于实现大规模数据获取，难以保障准确性和实时性。遥感技术能够提供大区域长时间数据获取工具。

目前，基于遥感技术的地膜覆盖农田信息提取研究较少。陈继伟等[85]发现地膜覆盖农田的反照率在作物生长初期和茂盛期都不随土壤湿度变化而变化； 作物生长初期反照率变化表现为地膜覆盖裸土特征，平均值为0.26； 作物生长茂盛期反照率变化表现为植被特征，平均值为0.19；而在作物动态生长过程中，反照率介于0.19～0.26，反照率随土壤湿度增大而增大。Levinet等[86]通过分析地面光谱仪测量数据发现白色和透明塑料膜在1218nm、1732nm、2313nm处有强吸收区，不受灰尘、冲洗和表面因素的影响；再采用1m空间分辨率的AISA-ES高光谱数据提取地膜，透明塑料膜精度达到90%以上，黑色塑料膜提取精度达到70%。陆丽珍[87， 88]等以Landsat 5 TM和时序MODIS数据为基础，利用决策树分类法和阈值法成功提取新疆地区地膜棉花信息。王海慧等[89]利用多角度偏振遥感探测农膜的偏振特征信息，探讨如何在水体背景中区分农膜信息。哈斯图亚[90]等利用Landsat-8 OLI数据光谱特征和纹理特征对地膜覆盖农田进行遥感监测研究，得到较理想的结果。然而，已有的国内外研究不仅成果少，而且仅用一种遥感数据或一种特征来监测地膜农田； 尚无数据之间、特征之间和方法之间的结合利用的成功案例。遥感数据的光谱、纹理、几何形状、时相特征以及多光谱、高光谱、微波遥感数据在地膜农田识别监测研究有待进一步探究。

3 结论

该文以Web of Science和CNKI文献库为基础，利用文献计量法，分析地膜覆盖农田的研究现状和趋势。目前，对地膜覆盖农田的研究主要包括地膜覆盖对土壤水热环境的调节作用、作物增产效率以及一些环境影响的研究，以小区域对比实验方式进行。而对地膜覆盖技术的综合效益评价以及地膜覆盖农田空间分布的监测研究很少。从以上文献分析可知，地膜覆盖栽培技术的应用具有正面作用和负面影响，一方面，地膜覆盖防止水土流失、减少土壤水分蒸发、提高土壤水分利用率、防止土壤盐碱化、适宜的水热条件促进土壤酶活性、提高作物的产量和品质，增加农民经济收入，在可持续农业发展中发挥着积极作用。另一方面，地膜残留和温室气体排放问题的研究，其中地膜残留的负面影响比较明确，而地膜覆盖是否增加温室气体排放尚未明确阐述。地膜残留会影响土壤通透性、减缓水分和养分输导、最终降低土壤肥力和质量、导致作物产量下降。

当前研究以田间对比试验为主，缺乏获取地膜覆盖农田空间信息的研究； 缺乏地膜覆盖农田宏观尺度上的影响机制研究。地膜覆盖农田的影响体现在区域尺度(Local)、地区尺度(Regional)甚至是全球尺度(Global)上，而很难在实验田尺度体现出来。因此农田地膜覆盖的作用和影响应在空间尺度上进行探讨。获取地膜覆盖农田空间分布信息是进行进一步分析的基础，所以获取地膜覆盖农田空间分布具有重要意义。目前的地膜覆盖农田遥感制图处于起步阶段，研究基础较薄弱； 需在深入研究地膜覆盖农田遥感制图限制因素(时空谱尺度)的基础上，提出适宜于区域尺度甚至全球尺度的地膜覆盖农田遥感制图方法。在此基础上，探索地膜覆盖农田的环境影响，如农田系统地表温度的变化、蒸散发的变化、农田碳/氮循环、农作物物候变化、长势监测、耕作结构变化、农作物产量估算等以及温室气体排放情况，均将为合理利用地膜提供客观的参考依据。

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EFFECTS OF PLASTIC-MULCHING ON AGRICULTURAL PRODUCTIONAND ENVIRONMENTAL PROTECTION

Hasituya，Chen Zhongxin※

(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratoryof Agricultural Remote Sensing, Ministry of Agriculture, P.R.China (AGRIRS), Beijing 100081, China)

The plastic mulching technology have been got extensive application quickly in our country and significantly improved the agricultural productivity and made a great contribution to guarantee food safety in China, due to its positive effects of improving hydrothermal conditions in farmland, promoting crop growth, increasing crop yield. Therefore, to obtain a full picture of current research situation and focuses, forefront and hot issues, in this paper, we taken CNKI and Web of Science literature library as the main data source, used bibliometric methods to examine the present situation and the research development of plastic-mulched farmland in recent 20 years. Four aspects were mainly included: the positive effect and negative impacts of plastic mulching practice, comprehensive evaluation of the positive and negative aspects, and monitoring the spatial pattern of plastic-mulched farmland, respectively. The results showedthat the research about plastic-mulched farmland contained positiveand negative effects at home and abroad. However, it lacked the study on the comprehensive effects and the spatial-temporal pattern and changes of plastic mulching. In future, itshouldprovide effective references for the production, uses and scientific planning and management of plastic mulching practice,assess the comprehensive benefits and the spatial-temporal pattern of plastic-mulched farmland, as well as study on the plastic-mulched farmland using quantitative remote sensing.

plastic-mulching technique; effects; impacts; monitoring; research advance; bibliometric analysis

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170401

2016-07-25

哈斯图亚(1984—)，女，内蒙古赤峰人，博士。研究方向：农情遥感监测。※通信作者：陈仲新(1970—)，男，河北唐山人，博士、研究员。研究方向：农业遥感。Email：chenzhongxin@caas.com

*资助项目：国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目“基于定量遥感和数据同化的区域作物监测与评价研究”(61661136006)；农业部“引进国际先进农业科学技术计划”项目“农业遥感监测系统关键技术引进”(2016-X38)；农业部农业科研杰出人才基金和农业部农业信息技术重点实验室开放基金“基于高分辨率光学和雷达数据的地膜覆盖农田遥感识别研究”(2016003)；国家自然科学基金面上项目“区域作物生长模拟遥感数据同化的不确定性研究”(41371396)；国家自然科学基金面上项目“作物种植面积和产量统计数据降尺度空间表达及时空变化分析”(41471364)；国家自然科学基金青年基金项目“集合四维变分作物模型数据同化的区域作物产量估测与不确定性”(2014-96)

S-1

A

1005-9121[2017]04001-09