旱地雨养农业覆膜体系及其土壤生态环境效应*

蒋 锐, 郭 升, 马德帝



旱地雨养农业覆膜体系及其土壤生态环境效应*

蒋 锐†, 郭 升†, 马德帝

(西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100)

覆膜技术作为一项有效提高粮食产量的重要手段, 在中国西北地区雨养农业中得到广泛的推广应用。本文综述了地膜覆盖体系关于作物产量、土壤水分、土壤温度、土壤养分转化和迁移以及微生物数量和活性等方面的研究进展, 以期为旱地雨养农业发展和完善覆膜技术体系提供理论支撑。研究表明: 玉米、小麦和马铃薯覆膜处理增产显著, 其平均增产率分别为26.2%、37.1%和29.8%; 同时, 增产受到覆膜方式影响, 全覆膜处理增产效果最好, 其玉米、小麦和马铃薯平均产量分别比半覆膜处理高30.0%、5.1%和26.4%。覆膜下玉米、小麦与马铃薯的水分利用效率分别比不覆膜处理高42.8%、10.9%和92.8%。覆膜处理影响硝酸盐在土体的空间分布, 硝酸盐在膜下出现表聚现象; 同时覆膜能够提高氮肥利用效率, 减少氮素淋溶损失, 降低氨挥发。但关于覆膜下反硝化过程的研究结论不一, 还需进一步深入的探讨。覆膜对有机碳的影响与气候、土壤、作物、覆膜年限等有关, 其研究结论尚有争议。另外, 覆膜增加了农田土壤微生物量, 改变土壤物理性状。尽管覆膜显著提高作物产量, 其对生态环境却可能存在一定的影响, 比如“奢侈耗水”现象, 温室气体排放增加, 土壤有机质耗竭, 农膜残留等问题。因此, 进一步系统研究覆膜对土壤生态环境的影响机理, 完善覆膜技术体系与应用, 全面评估覆膜体系的生态环境影响, 对其在中国干旱地区农业生产的可持续发展具有重要意义。

地膜覆盖; 作物产量; 土壤环境; 养分利用效率; 水分利用效率; 养分迁移转化; 西北地区

我国旱地约占耕地总面积的50%, 旱地粮食增产对于保障国家粮食安全至关重要。但旱地水资源匮乏,严重制约其农业发展[1]。有人预言中国21世纪最大的粮仓在西北, 而提高水分利用效率是实现西北地区粮食增产潜力的基本前提[2]。覆膜技术显著改善水热条件, 提高粮食产量, 逐步在西北地区得到推广与应用, 为解决粮食安全问题提供了新的思路[3-4]。

伴随着覆膜技术的推广, 相关研究日益增加, 研究内容从单一的增产效应衍生发展到覆膜对土壤温度、水分、无机盐、有机质、微生物的影响以及覆膜的生态环境效应等方面, 逐步形成了围绕覆膜系统的研究体系。本文主要针对覆膜种植体系, 对覆膜技术的发展、覆膜对土壤水热、养分、生物性质、作物产量的影响与作用机理以及覆膜的生态环境效应等方面进行概述, 以期对地膜覆盖长期应用的可持续性做出综合评价, 为旱地雨养农业中覆膜技术的完善以及地膜覆盖农田生态系统的可持续发展提供理论支撑。

1 覆膜技术体系研究

覆膜技术在我国的发展大致经过了3个阶段: 引进实验阶段、扩大示范阶段和全面推广阶段。覆膜技术最早于1948年由日本人开始研究, 1956年开始应用于实际生产, 1978年引入我国, 起初应用于蔬菜种植, 后来逐渐发展到各种经济作物和粮食作物[5]。由于覆膜技术具有增产明显、成本低廉的优点, 迅速在全国得到推广, 我国现已成为世界上覆膜面积最大的国家[6], 至2012年, 中国的覆膜面积已达到2 333亿hm2。尤其在西北干旱半干旱地区, 地膜覆盖技术表现出了巨大的增产潜力, 因而得到广泛的推广应用, 陕西、甘肃、宁夏、新疆等地区覆膜面积持续扩大。2010年新疆总覆膜面积为185万hm2, 达到全疆耕地面积的37.0%[7]; 2013年, 宁夏仅玉米春季覆膜达到3.5万hm2, 秋季覆膜10.3万hm2; 2014年, 中央财政拨款10 亿元用于支持旱作农业地区地膜覆盖技术的推广; 2015年, 甘肃省覆盖面积达到100万hm2, 占农作物播种面积的27.0%。

经过几十年的发展, 覆膜技术和方式得到了多方面的发展, 已经在覆膜方式、覆膜与施肥灌溉结合以及覆膜机械应用等各个方面得到了完善, 逐渐形成了具有中国特色的覆膜技术体系，在玉米()、马铃薯()、小麦()和棉花(spp.)等作物上应用广泛[8-11]。本文仅就旱地雨养农业中覆膜涉及的玉米、小麦、马铃薯等作物进行总结。

覆膜方式: 经过长期的研究与实践, 覆膜技术形成了包括半膜平覆盖、半膜垄沟覆盖(沟播、侧播、顶播)、全膜平覆盖和全膜双垄沟覆盖等多种覆膜方式。其中, 全膜双垄沟覆盖技术的膜面集雨、保水保墒性能优势明显[12], 在降雨量为200~400 mm的地区推广较好, 而半膜垄沟覆盖在降雨量为400~600 mm的地区应用广泛。

由图1可以看出全覆膜和半覆膜处理相对于平作不覆膜处理能够明显提高作物产量, 而且全覆膜处理平均增产幅度高于半覆膜, 全覆膜处理下的玉米、小麦和马铃薯的平均增产率分别为53.7%、46.7%和52.2%, 半覆膜的平均增产率分别为23.7%、40.6%和25.8%, 全覆膜比半覆膜产量高30.0%、5.1%和26.4%。全膜覆盖处理下的玉米株高和穗位高明显高于其他覆膜方式, 差异分别达到显著和极显著水平; 穗长、穗粗、穗粒数和百粒重均最大, 为提高玉米产量奠定了基础[9]。

图1 不同覆膜方式相对于不覆膜处理的作物增产率

玉米 、小麦和马铃薯的样本量分别为36、40和43。箱线图边线为25%和75%数据范围, 中线为中位数, “□”为平均数, 箱图上下“×”为异常值边界; 采用检验判断显著性差异, *和**分别表示在0.05、0.01水平上差异显著。Samples numbers of maize, wheat and potato are 36, 40 and 43, respectively. The boundary lines of boxplot are 25% and 75% of the data range. The center lines are the medians, “□” shows average, and “×” shows the abnormal value. Usingtest to determine significant difference. * and ** mean significant differences at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

由图2可看出, 覆膜措施明显缩短玉米生育期, 半覆膜和全覆膜措施分别使玉米生育期平均缩短7.3 d和11.1 d; 小麦生育期分别平均缩短1.5 d和0.2 d, 但各研究之间差异较大, 研究结果比较分散; 马铃薯平均缩短5.3 d和2.0 d, 研究结果差异也较大。覆膜下作物生育期缩短主要是因为增温效应和保墒效应共同作用的结果, 覆膜降低了作物遭受干旱和低温胁迫的风险, 使整个生育期提前; 尤其在前期, 覆膜的增温效应和保墒作用为作物种子发芽提供了更加适宜的温度和水分条件[13]。

覆膜时期: 覆膜时期影响作物产量。研究表明, 在干旱地区播种前的土壤水分对作物生长十分重要, 而播种前覆膜能够有效提高土壤含水量[14]。秋覆膜作为一项有效的保水措施, 有效抑制了秋冬时期土壤水分的蒸发, 保蓄自然降水, 提高了土壤含水率, 有利于第2季玉米在前期的生长, 因此能够明显提高水分利用效率和作物产量。崔琳琳[15]研究表明, 秋覆膜处理的玉米产量较春覆膜和播种前覆膜分别高13.0%和21.8%; 刘广才等[16]提出在甘肃降雨量为250~350 mm的半干旱偏旱旱作农业区建议采用秋季全覆膜技术, 而在500~600 mm降雨量较为丰富的地区可采用顶凌覆盖方式, 而且在水分、肥力条件差的地区可适当扩大垄宽, 降低种植密度。Li等[17]报道, 春小麦在覆膜20 d处理下产量最高, 分别比覆膜40 d和覆膜60 d处理高360 kg·hm-2和1 505 kg·hm-2, 覆膜时间超过40 d产量反而有所降低。

图2 不同覆膜方式下相对于不覆膜处理作物生育期缩短时间的差异

玉米 、小麦和马铃薯的样本量分别为22、13和22。箱线图边线为25%和75%数据范围, 中线为中位数, “□”为平均数, 箱图上下“×”为异常值边界; 采用检验判断显著性差异, *表示在0.05水平上差异显著。Samples numbers of maize, wheat and potato are 22, 13 and 22, respectively. The boundary lines of boxplot are 25% and 75% of the data range. The center lines are the medians, “□” shows average, and “×” shows the abnormal value. Usingtest to determine significant difference. * means significant differences at 0.05 probability level.

2 覆膜对作物产量的影响

由图3可知, 玉米、小麦和马铃薯覆膜处理增产显著, 其平均增产分别为26.2%、37.1%和29.8%。覆膜能够显著提高各种农作物的经济产量, 特别是在干旱半干旱地区和寒冷地区增产效果明显[18]。覆膜增产机制主要是: 覆膜技术通过影响农田的微地形条件来改变土壤的理化性质, 减少土壤水分的蒸发, 提高土壤表层温度和水分利用率, 在良好的水热条件下, 使作物各个生育期提前, 提高作物的出苗率, 改善作物叶面积指数等农艺性状, 从而显著提高作物产量和经济效益[19-21]。Liu等[22]研究证明, 覆膜措施增加玉米穗的籽粒数和千粒重, 提高玉米种植密度。李尚中等[23]发现覆膜处理玉米穗粒数和百粒重分别增加179.4粒和8.4 g; 张睿等[24]却发现小麦覆膜虽然提高了成穗率和粒数, 但是千粒重却有所降低。然而, 个别研究发现玉米、小麦、马铃薯出现减产现象。刘胜尧等[25]发现, 由于华北地区降雨量相对较高, 平作覆膜处理会造成土壤渍水现象, 通透性差, 使玉米穗位下叶片严重早衰, 导致产量低于不覆膜处理; 李凤民等[26]的研究结果表明覆膜小麦产量比不覆膜平均低83.2%, 原因是覆膜小麦生长前期消耗大量土壤水分, 后期降水少和深层水分不足导致产量低; 梁东超等[27]发现早熟马铃薯品种在高温高湿环境下会对薯块形成和淀粉积累起到抑制作用; Wang等[28]与其研究结果相似, 覆膜使土壤温度升高反而降低了马铃薯出苗率, 随着覆膜时间的增长, 产量和水分利用效率都有所降低。

图3 覆膜处理对作物产量的影响

玉米、 小麦和马铃薯的样本量分别为45、39和51。箱线图边线为25%和75%数据范围, 中线为中位数, “□”为平均数, 箱图上下“×”为异常值边界; 采用检验判断显著性差异, **表示在0.01水平上差异显著。Samples numbers of maize, wheat and potato are 45, 39 and 51, respectively. The boundary lines of boxplot are 25% and 75% of the data range. The center lines are the medians, “□” shows average, and “×” shows the abnormal value. Usingtest to determine significant difference. ** means significant differences at 0.01 probability level.

3 覆膜对土壤温度的影响

覆膜措施提高土壤温度缘于地膜良好的透光性, 既能够使日光的短波辐射透过薄膜, 防止地表热量以长波辐射的形式散失, 又能避免地表乱流热交换和土壤水分蒸发带走热量。覆膜技术的增温效应, 对作物前期生长发育和增产起到了重要的作用[29]。高玉红等[30]研究表明: 土壤表层温度升高缩短了玉米籽粒达到最大灌浆速率的时间, 在灌浆期期间, 土壤20 cm和25 cm土层温度与灌浆的最大速率呈显著正相关。

覆膜对玉米地土壤的积温效应按生长期可分为3个阶段[31]: 第1阶段, 从玉米播种开始, 随着温度不断升高, 到拔节期积温效应达到顶峰。前期温度升高有利于玉米种子提前萌发, 促进玉米植株的生长, 使各个生育期提前。第2阶段, 从拔节期到大喇叭口期积温效应减弱, 一直持续到玉米灌浆前期。造成这种现象的原因主要有两个: 一是由于玉米的叶面积增加, 阳光不能照射到地面; 另一个就是日照时间变短, 直接导致地面获得的热量减少。第3阶段, 玉米灌浆中后期积温效应有所增强, 这一阶段气温开始降低, 覆膜处理的农田土壤增温效果更加显著, 从而有利于提高玉米籽粒的灌浆速率。

研究表明, 覆膜增温受土壤含水率和光照时间影响。土壤含水率越高, 增温越明显, 主要有两个原因: 一是地膜的下表面凝结形成水层, 夜间土壤放射的长波辐射受到了水层的阻挡[32]; 二是水具有较高的比热容, 含水率高的土壤与含水率低的土壤相比, 虽然白天升高相同的温度数, 但是含水率高的土壤会吸收更多的热量, 晚上膜内的水汽液化会放出热量, 提高了膜内的温度。同时, 天气状况不同会导致光照时间不同, 造成增温的效果有所差异, 增温效果依次为: 晴天>多云>阴天>雨天[31]。

另外, 覆膜影响不同深度土壤温度的日变化。李兴等[33]对黄土高原覆膜玉米表层温度的变化做了细致的研究, 在9:00—23:00覆膜增温明显, 在日落之后, 热量散失较露地慢。王树森等[32]发现随着土层加深, 日平均气温温差却逐渐减小, 说明覆膜对表层土壤的增温效果强于较为深层的土壤。热量由地表向下层土壤传递具有明显的滞后效应, 覆膜不仅能够延迟土壤温度的下降, 而且提高地表与下层土壤的温度变化率, 土壤温度变化影响土壤中水汽的迁移, 增加了由地内向地表移动的水汽数量, 有助于提墒作用。

4 覆膜对土壤水分的影响

水分是影响作物生长的重要因素之一, 特别是在降水量少、蒸发量大的干旱和半干旱地区, 土壤水分是限制干旱地区农业发展的主要原因。覆膜具有提高降雨捕获量、抑制土壤水分无效蒸发、增加土壤的蓄水和水分回流的能力, 从而提高土壤的水分利用效率[34-37]。刘庆华等[38]研究表明, 当降水量为5~15 mm时, 玉米行间覆膜能够有效增加集雨量, 有效集雨系数由0.5增加到0.8, 在行带为15 cm宽时, 接纳的降雨量相当于自然降雨的2.1~3.2倍。王罕博等[39]的研究表明覆膜处理较裸地能显著保持土壤水分, 全生育期平均增加4.9%, 特别是在玉米生长前期, 增幅达到7.1%, 为玉米的萌发和出苗提供有利条件。

由图4可知, 玉米在覆膜处理下平均耗水量比不覆膜处理低1.9%, 而小麦和马铃薯覆膜处理比不覆膜高21.5%和1.3%。不覆膜玉米总耗水量高可能是由于玉米生长季期间气温高, 田间土壤蒸发量大, 导致总耗水量升高; 小麦生长季期间温度较低, 土壤水分蒸发较弱, 覆膜下小麦的叶面积指数更高, 反而导致覆膜总耗水量高于平作不覆膜[8]。各作物覆膜处理的水分利用效率均明显高于不覆膜, 其玉米、小麦与马铃薯的水分利用效率分别比不覆膜提高42.8%、10.9%和92.8%, 原因是覆膜作物长势更好, 加大作物蒸腾量, 同时抑制土壤水分的无效蒸发, 从而提高水分利用效率。杨宁等[40]研究发现玉米在覆膜条件下的蒸散量明显低于不覆膜, 水分利用效率更高, 相比较不覆膜分别高出33.3%; 还有研究表明, 全膜覆盖方式相对于其他覆膜方式更能减少水分损失, 提高水分利用效率[41-43]。

覆膜具有提墒的作用, 白天表层土壤温度升高, 与中下层土壤形成温度差异, 水蒸气不断向上扩散, 聚集在表土和地膜之间, 到了夜晚温度降低, 水蒸气凝结到地膜的下表面, 凝结的水滴重新落到表层土壤, 在膜下形成了一个水分内循环系统, 有效提高表层土壤含水率, 玉米大部分的根系都在0~30 cm土层, 因此提墒使水分更容易被玉米获取利用[44]。李世清等[45]研究发现, 覆膜农田0~100 cm土壤水分高于不覆膜, 而100~200 cm土壤水分低于不覆膜, 说明覆膜的提墒作用, 同时也说明了覆膜的深层耗水特性[46]。

图4 覆膜对作物总耗水量(a)和水分利用效率(b)的影响

玉米、 小麦和马铃薯的样本量分别为13、9和7。箱线图边线为25%和75%数据范围, 中线为中位数, “□”为平均数, 箱图上下“×”为异常值边界。Samples numbers of maize, wheat and potato are 13, 9 and 7, respectively. The boundary lines of boxplot are 25% and 75% of the data range. The center lines are the medians, “□” shows average, and “×” shows the abnormal value.

5 覆膜对土壤养分的影响

研究表明, 覆膜改变土壤中氮、磷、钾、有机质含量及其在土层中的分布特征, 主要原因是覆膜改变了土壤的水热状况、微生物的数量和活性、土壤的理化性质和植物生长状况, 从而影响养分的循环[47]。

5.1 覆膜对土壤氮素的影响

土壤氮素损失主要包括3个途径: 硝酸盐的淋失、土壤侵蚀以及氨气和氧化亚氮等含氮气体的排放[48]。覆膜能够通过影响以上过程, 改变土壤中氮素的含量和分布。但覆膜对氮素迁移转化的影响非常复杂, 涉及多个过程共同参与、相互影响。

覆膜能够改变硝酸盐时空分布, 明显提高耕层土壤硝酸盐含量, 在土壤表层出现聚集现象[13,49]。造成这一现象的原因主要是: 1)覆膜避免了降水从土壤表层直接垂直入渗将硝酸盐直接带到深层土壤中, 绝大部分水分只能通过沟内入渗, 增强了水分的侧向移动, 继而增加覆膜垄上水分的上行运动[50]; 2)由于起垄的耕作方式, 会使表层土壤撒施的肥料大部分都聚于垄上的土壤, 减弱了氮素的淋溶现象; 3)覆膜通过改善土壤水热条件促进了土壤表层有机氮的分解和活化[51], 从而提高表层土壤硝酸盐的含量。

覆膜处理能够抑制硝酸盐的淋溶, 减缓硝态氮向下层迁移的速度, 减少了被淋溶出根区以外的氮素量,提高了氮素的利用效率[52]。陈小莉等[53]研究认为, 覆膜有效提高氮肥利用效率达18.8%; 研究还发现全膜覆盖方式比垄上半覆膜的硝酸盐淋溶量更少[54]。另外, 地膜覆盖降低了雨水对土壤的直接冲刷作用, 减少氮素的流失。

覆膜措施改变了土壤中氨挥发过程, 显著降低氨的挥发[55]。有研究指出覆膜使土壤反硝化细菌造成的铵态氮挥发损失减少90%左右, 有效提高了氮肥利用率[56]。上官宇先等[55]发现垄沟覆膜铵态氮浓度高于平作, 原因可能是垄作氮肥深施和覆膜减少了氨气的挥发量。

覆膜下氧化亚氮的排放受到土壤氮含量、水分、温度、土壤的孔隙度等多种因素的影响, 研究条件不同造成研究结果有所差异[57]。李世清等[45]认为, 覆膜使耕层水热条件得到改善, 硝化和反硝化细菌活性加强, 从而增加氧化亚氮的释放通量; 白红英等[58]认为覆膜下氮素得到一定积累, 硝态氮作为反硝化过程的底物, 硝态氮的积累过程有可能增加氧化亚氮的排放; 阎佩云等[59]提出了不同的观点: 覆膜对氧化亚氮的排放无显著影响, 硝化过程是黄土高原旱作玉米区影响氧化亚氮排放的主要因素, 而土壤中的硝化底物无明显差异, 施氮量才是影响氧化亚氮排放的重要因素; Liu等[22]认为覆膜下的作物吸收了更多的无机氮, 导致氧化亚氮排放量并没有升高。

5.2 覆膜对土壤磷素的影响

覆膜提高微生物活性, 加速有机磷的矿化, 玉米产量升高需要消耗更多的速效磷, 导致覆膜处理土壤的速效磷水平低于不覆膜[60]。杜社妮等[61]发现地膜覆盖后土壤速效磷略有下降, 但全磷增加12.5%, 可能是覆膜能够减弱雨水对土壤的直接接触和打击, 从而减少土壤侵蚀[60]。而有研究却表现出相反的结果, 覆膜处理下的土壤有效磷有所升高[62-63]。

5.3 覆膜对土壤有机质的影响

土壤有机质是土壤肥力的基础, 不仅影响土壤的物理化学性质, 而且对土壤微生物和作物的生长发育具有重要的作用。覆膜主要通过以下两种方式影响有机质含量: 一方面, 覆膜提高了土壤温度和水分, 改善了微生物的生长环境, 促进微生物生长发育和新陈代谢, 加速有机质的分解; 另一方面, 良好的生长环境会促进植物根系生长, 增加根系分泌物, 使土壤的有机质含量升高[64], 并且覆膜一定程度上阻碍土壤与空气间的气体交换, 导致膜内二氧化碳浓度升高, 抑制土壤呼吸, 减少碳排放, 促进农田的碳积累, 而且覆膜会提高表层土壤水分, 也会对土壤呼吸起到一定的抑制作用[65]。另外, 有机碳和C/N存在正反馈机制, 覆膜作物获得高产必定是以大量氮肥的投入为前提, 而长期施肥会导致土壤中的C/N比下降, 加速有机碳的分解, 从而进一步降低C/N值。

有机质含量与气候状况、土壤状况、作物种类、覆膜年限和耕作方式有关。覆膜通过改变土壤环境影响有机质含量, 其研究虽然较多, 但结论不一。有研究表明覆膜导致土壤有机质含量下降[47]。李利利等[66]发现覆膜措施会降低0~5 cm表层土壤的有机碳含量, 而且0~40 cm土层的轻质有机碳也呈现降低的趋势。李小刚等[67]研究显示土壤总有机质含量变化并不明显, 而活性有机质含量有所提高, 这与Liu等[68]在连续5年覆膜玉米种植试验的结论一致。覆膜虽然提高微生物和酶的矿化作用, 但是同时增加了根际有机质含量和土壤中植物残体的分解速率, 土壤有机质输入量和矿化量达到持平状态。崔志强等[69]得到了不同的结果, 覆膜处理能显著提高有机质含量, 同时会使表层土壤活性有机质含量显著增加。

6 覆膜对土壤微生物的影响

微生物是土壤最活跃的组成, 是土壤养分转化和物质循环的驱动力, 不仅对分解土壤中的有机质、促进腐殖质形成和植物生长等具有重要作用[70], 而且能够优化土壤结构, 微生物的分泌物和代谢产物可作为促进土壤团聚体形成的黏合剂。覆膜能够增加微生物的数量、提高微生物活性、改变群落结构以及影响其在土壤中的分布状况, 主要原因是覆膜改善土壤水、热、肥力条件来直接影响微生物, 同时促进作物根系生长来间接影响微生物的生长。另外, 覆膜改变土壤的pH、通气状况、二氧化碳浓度和土壤中酶的活性等条件也会影响微生物的生长。

覆膜土壤微生物类群以细菌最具优势, 其次为放线菌, 真菌最少[71]。研究表明, 覆膜对土壤中的细菌影响最大, 数量显著增加, 放线菌和真菌数量也明显高于不覆膜, 进而加快有机质周转与循环速度, 促进养分的分解和释放, 但可能会引起有机质的加速耗竭[72-73]。郭树凡等[71]研究发现, 覆膜会影响放线菌和真菌的垂直分布, 由于覆膜抑制了深层好气性放线菌和真菌的生长导致大部分都分布在表层土壤, 覆膜显著增加了0~15 cm土壤中的细菌、放线菌和微生物的数量, 分别提高22.6%、29.3%和19.7%。覆膜处理不但可以改变微生物数量和分布状况, 还能改变土壤微生物种类和生理状况[63]。郭树凡等[71]连续7年研究了覆膜玉米土壤中不同微生物在不同生育期和垂直深度的变化情况, 研究发现覆膜三大类群微生物数量无明显变化, 说明覆膜只影响当季作物的土壤微生物, 无叠加效果。

7 覆膜对土壤性质的影响

有研究指出覆膜栽培可以改变土壤pH。施用化肥的情况下, 覆膜改变了土壤水分和盐基离子运动方向, 覆膜较裸地能够提高土壤pH; 当施用有机肥时, 覆膜增强了有机质的矿化和吸收, 导致pH反而低于传统种植[74]。

张野等[75]发现覆膜能够有效提高0~20 cm土壤团聚体的含量, 团聚体含量高于不覆膜, 可能是由于覆膜使土壤环境改善, 微生物数量和活性提高, 分泌物有助于团聚体的形成。但陈永祥等[76]在覆膜玉米的研究中得出相反结果: 覆膜土壤中粒径>0.25 mm大团聚体减少, 粒径<0.001 mm的微团聚体却增加4.5倍。覆膜能够改善土壤物理性状, 增大土壤孔隙度, 使其蓬松多孔, 在作物生长初期明显有利于根系的伸展和沟内的水分侧向入渗到膜下土壤, 阻止了因田间积水流失和蒸发所造成的损失, 提高土壤含水量。覆膜土壤容重降低主要有两个原因: 其一, 覆膜减轻降雨对地面的直接拍打、淋洗和冲击, 避免表土被压实; 其二, 覆膜的增温效应使土壤中的水汽膨胀, 使土壤颗粒间距离增大, 当温度下降时, 水汽浓度降低, 颗粒之间距离收缩, 周而复始, 土壤孔隙度增大[77]。研究[47,78]证明覆膜相对于无膜土壤容重有所下降, 孔隙度增大。有研究发现, 覆膜处理使0~10 cm土层孔隙度明显增大, 但是覆膜处理的10~30 cm土层总孔隙度比裸地低2.9%, 土壤容重反而较无膜高2.6%[79]。

8 覆膜对土壤生态环境的影响

覆膜栽培技术在提高作物产量、改善作物生长环境方面体现出明显的优势, 但对土壤生态环境也存在一定的影响。

覆膜抑制水分无效蒸发的同时, 也使玉米的耗水量增大, 出现“奢侈耗水”现象, 造成这一现象的原因是覆膜改变了土壤的水热状况, 促进了作物的生长, 使玉米各生育期提前和叶面积增大, 导致水分的高额消耗[80], 造成对土壤水分和肥力的“透支”。连续覆膜耕作措施可能会使土壤水分耗竭, 不利于农业的可持续发展。刘胜尧等[81]发现膜内温度升高, 增加土壤水分的蒸发潜势, 水分通过秧孔、破洞喷发可能加重旱情。谢军红等[82]在黄土高原半干旱区的研究证明了水分过度消耗现象, 经过3年的连作之后发现土壤储水量低于土壤稳定储水量, 出现水分亏损现象, 在年均降水量320 mm时, 全膜双垄沟播连作两年, 全膜平作、半膜平作和露地种植连作3年就会出现土壤干燥化现象。因此, 为保持土壤水分持续高效利用和避免土壤干层的形成, 研究适合本地区的种植方式具有重要意义。

汪景宽等[83]研究指出, 覆膜会导致作物出现生理性“早衰”, 原因可能是土壤肥力较弱, 加上作物前期徒长, 使作物后期营养不足, 出现早衰现象。还有研究表明, 覆膜使水分含量和CO2浓度增加[84], 氧化还原电位和pH下降, 导致过氧化氢酶活性降低, 从而使过氧化氢积累, 造成植物根系生长不良, 导致早衰[85]。

9 覆膜下各因素的综合效应

覆膜通过改变土壤温度、水分、养分、微生物活性等条件影响土壤理化性质与作物生长状况, 从而影响作物产量。覆膜下各因素共同作用, 对土壤环境与作物形成综合效应。

覆膜措施直接影响表层土壤的温度和含水率, 改善膜下土壤的水热条件, 不仅有利于微生物和作物生长, 而且具有活化土壤有机质、氮、磷、钾等养分的作用[51,86]。微生物的生长繁殖一方面利用土壤有机质、氮、磷、钾元素, 另一方面微生物会分泌维生素和生长激素等物质, 改变土壤养分状况[87], 从而促进作物生长, 提高作物产量。同时, 作物生长时根系一边吸收土壤养分, 一边分泌有机物质, 根系的穿插作用也影响根际土壤的通气性, 而覆膜促进根系生物量增加[88], 为微生物提供良好的生长环境[72]。

覆膜通过改变膜下土壤环境条件影响微生物活性, 从而影响氮素去向。覆膜抑制了氮肥的挥发和降水对氮肥的淋溶作用, 促进了作物对氮素的吸收[89-90], 从而提高了生物量与作物产量; 同时, 覆膜下水热条件的变化, 影响土壤氮素矿化与有机质矿化作用, 最终影响到土壤中氮的累积与有机质含量的动态变化。

10 覆膜体系存在的问题与对策

覆膜技术在提高作物产量和农民经济效益的同时, 农膜残留、覆膜下氮素迁移转化和有机质耗损等问题制约着覆膜的可持续发展。

10.1 农膜残留问题

传统地膜是由聚乙烯或聚氯乙烯为原料生产而成的, 这两种材料在土壤中极难被分解, 能够长时间存在, 造成“白色污染”, 残留地膜造成的污染是一个亟待解决的问题。由于残膜使土壤疏松产生透气现象[91], 从而使水分蒸发, 土壤含水量下降, 而且土壤容重也有增加趋势, 影响土壤结构和理化性质。地膜的大面积推广和长年连续使用, 使土壤中存在大量的残膜, 妨碍土地的耕作, 不利于作物的生长。针对这一现象, 需要大力提高农民的环保意识, 使农田土壤中地膜能够及时回收, 呼吁使用厚度大、强度高、利于回收的地膜; 推广可降解地膜和液体地膜等新型地膜。李若帆等[92]的研究证明可降解地膜具有明显的增产效果, 与普通地膜不存在显著差异, 为替代普通地膜提供了现实依据; 政府可提出相应的政策, 提高农田管理效率, 起到引导和监督的作用[93]。

10.2 覆膜氮素表层累积问题

覆膜配合垄沟处理改变土壤水热性状与农田微地形, 从而影响氮肥的迁移转化与吸收利用。覆膜栽培使根区的硝酸盐累积峰提高到了0~40 cm, 形成膜下表层累积, 同时覆膜处理在施肥初期有减缓硝酸盐向下层迁移的作用。覆膜为作物生长提供了良好的水热条件, 作物生物量、株高、茎粗、叶面积、根系、穗棒等都相对于不覆膜处理有明显提高, “库大源足, 路径通畅”为作物吸收更多的氮素、减少氮肥损失奠定了基础。但是, 覆膜下累积的硝酸盐在休闲期很可能会由于揭膜或膜的破损导致硝酸盐的加剧淋溶, 而且膜下累积的硝酸盐也有可能会为反硝化作用提供底物, 增加N2O排放, 从而加剧温室效应。因此在覆膜条件下, 根据土壤状况优化氮肥的施用量和施肥次数、选择施用控释肥、在适宜地区种植填闲作物、利用作物的轮作、套作等管理措施对于提高氮肥利用率, 减少环境污染意义重大。

10.3 覆膜下土壤有机质损耗问题

在农业生产中覆膜会使微生物数量和活性增强, 加速有机质的分解, 有利于有机氮的矿化和磷的释放。但是长期覆膜和不合理的耕作方式会导致土壤有机质的耗竭, 通过透支“地力”而获得高产是难以持续的, 甚至还有可能出现植株“早衰”现象。因此, 为了农田土壤肥力的保持、作物的持续高产, 必须改变农田的利用现状, 改良耕种措施和方式。化肥和有机肥配施能够提高土壤有机质含量, 在覆膜条件下, 根据不同土壤的肥力状况和理化性质, 增加有机肥施用量, 选择合适的施肥量和配施比例, 提高土壤中有机质含量[94]; 研究发现地膜覆盖下的免耕地0~20 cm土层有机质含量升高, 同时提高0~120 cm土层的水分含量; 一膜两年用的覆膜措施可以减少土壤扰动和翻耕, 能够避免耕层土壤暴露在空气当中, 从而降低有机质的氧化分解; 低有机质的农田可以种植绿肥作物培肥土壤, 提高有机质含量。

10.4 完善覆膜技术体系

覆膜技术导致土壤水分、温度、通气等条件发生改变, 进一步影响土壤养分转化和运移、微生物数量和活性、作物根系生长和代谢, 彼此相互联系, 共同作用, 体系内涉及内容相对复杂。而目前关于覆膜体系的系统研究还比较缺乏, 导致单因素研究中所得结论矛盾较多, 需要理清各因素之间的关系与逻辑, 用更系统的思维加强对覆膜体系的机理研究。同时, 覆膜技术的改进和创新, 应该全面评估其对于增产的贡献以及对土壤生态环境的影响。另外, 在推广过程中更需要根据土壤性质、气候条件、作物类型等条件差异, 采用适宜的覆膜方式与技术, 使得覆膜体系在旱地雨养农业生产过程中得到长期可持续发展。

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Review of plastic film mulching system and its impact on soil ecological environment in China’s rainfed drylands*

Jiang Rui†, Guo Sheng†, MA Dedi

(College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Plasticfilm mulching, as an important and effective cultivation mode that improves grain yield, has been widely used in rainfed agricultural areas in Northwest China. This study reviewed crop yield, soil moisture content, soil temperature, soil nutrient transformation and transport, and microbial population and activity under plastic film mulching conditions. The review was designed to provide theoretical support for improving plastic film mulching system in China’s rainfed dry regions. Researches results showed that maize, wheat and potato increased yields significantly under plastic film mulching compared to no mulching condition. Yield increase was influenced by plastic film cover mode, with an average increase rate of 26.2%, 37.1% and 29.8%, respectively. Full-film mulching most significantly increased crop yield. Average yields of maize, wheat and potato were respectively 30.0%, 5.1% and 26.4% higher than ridge and furrow system with ridge mulching. Water use efficiencies of maize, wheat and potato under film mulching increased respectively by 42.8%, 10.9% and 92.8% over no mulching. Film mulching influenced vertical distribution of nitrate in the soil profile, with nitrate accumulation in the topsoil layer under plastic film mulching. Also film mulching improved nitrogen fertilizer use efficiency, and reduced nitrogen leaching and ammonia volatilization. However, there were some different conclusions on denitrification under film mulching system, which required further studies. The influence of film mulching on organic carbon was related to climate, soil, crop and mulching time, which meant that the results were not consistent. In addition, film mulching increased farmland soil microbial biomass and changed soil physical properties. Although film mulching significantly improved crop yields, it certainly affected the ecological environment via such processes as “extravagant water deprivation”, increased greenhouse gas emission, soil organic matter exhaustion, mulch film residues, etc. Thus further systematic research on the controlling mechanisms, improvement strategies of film mulching technology and comprehensive evaluation of the effect of film mulching system on ecological environment needed urgent attention for sustainable development of agricultural production in China’s arid areas.

Plastic film mulching; Crop yield; Soil environment; Nutrient use efficiency; Water use efficiency; Nutrient transport and transformation; Northwest China

, JIANG Rui, E-mail: jiangrui@nwsuaf.edu.cn

10.13930/j.cnki.cjea.170760

S153.6+2

A

1671-3990(2018)03-0317-12

2017-08-23

2017-10-28

* This study was supported by the Natural Science Basic Research Plan of Shaanxi Province of China (2017JM4012), the Science and Technology for Co-ordination and Innovation Project of Shaanxi Province, China (2016KTZDNY03-06) and the National Natural Science Foundation of China (41201279).

† Equal contributors

* 陕西省自然科学基础研究计划项目(2017JM4012)、陕西省科技统筹创新工程计划项目(2016KTZDNY03-06)和国家自然科学基金项目 (41201279)资助

† 同等贡献者

蒋锐, 主要从事流域与农田氮迁移过程与机制、面源污染研究。E-mail: jiangrui@nwsuaf.edu.cn

Aug. 23, 2017; accepted Oct. 28, 2017

蒋锐, 郭升, 马德帝. 旱地雨养农业覆膜体系及其土壤生态环境效应[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(3): 317-328

JIANG R, GUO S, MA D D. Review of plastic film mulching system and its impact on soil ecological environment in China’s rainfed drylands[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(3): 317-328