地膜覆盖对旱地作物产量及土壤水分影响的研究概述

柳玉凤，谢英荷，李廷亮，加武斌，高慧洲，李 超，黄 涛，窦 露

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801）

我国干旱面积较大，旱作农田占耕地面积的50%以上[1]，其中,半湿润易旱区（降雨量在550～600 mm）耕地占全国总耕地的4.1%，热量条件较好，适宜发展农业。该区雨量匮乏，蒸发强烈，作物需水期与降水的分配不一致等条件已成为制约农业发展的重要影响因素[2]。因此，采用适当的田间管理措施减少水分无效蒸发，纳雨蓄水是该区域农业节水抗旱的关键。

20世纪中期，覆膜栽培技术逐渐得到发展[3]，在我国主要用于种植粮食作物和经济作物。我国覆膜面积始终居于世界前列，并呈不断增长的趋势[4]。1981—2013年，我国地膜覆盖面积从11.7万hm2[5]增长到2500万hm2[6]。地膜覆盖成为旱地作物生产中一种保温保水、提高产量的重要措施[7]。景东田等[8]研究认为，地膜覆盖可以有效保蓄土壤水分，达到秋雨春用的目的。王俊等[9]研究表明，地膜覆盖可以有效缓解作物生长需水期与降水错位的问题，充分利用有限降雨。但地膜的保墒作用并不能持续整个生育期，在作物生育后期则会抑制根系的生长，降低水分利用效率。国内学者对覆膜栽培技术的研究已取得了一定突破。

笔者将有关地膜覆盖对旱地作物产量及土壤水分影响的研究进行了综述，旨在为给半干旱区生产中地膜覆盖提供科学参考。

1 地膜覆盖对旱地作物产量的影响

地膜覆盖能够满足作物生长发育所需要的水分，提高耕层土壤温度，保持土壤肥力，减少病虫害，促进作物生长发育。因此，较露地而言，地膜覆盖可明显改善作物的生长状况，提高产量[10]。

研究表明，地膜覆盖具有显著的增产效应，且覆盖效果好于不覆盖，全覆盖较半覆盖增产作用更加明显。任新茂等[11]研究表明，与露地相比，覆膜种植可增加穗粒数48.27%，说明覆膜种植产量提高主要是由于穗粒数的增加；同时，由于地膜覆盖减少了土壤水分无效蒸发，增大了单位面积种植密度，因而，覆膜种植在密度为8.25万株/hm2时获得最高产量，为12 778.47 kg/hm2，而露地种植仅在密度为5.25万株/hm2时获得最高产量（8466.02kg/hm2）。张燕青等[12]研究认为，地膜覆盖处理较不覆盖处理可以显著提高玉米产量，平均提高20.8%，且优于秸秆覆盖处理。王秀领等[13-16]均得出类似的结论。张萌等[17]研究发现，全覆盖处理较半覆盖处理具有更优的增产效果，2010—2011年和2011—2012年全覆盖处理较半覆盖处理分别提高518～947，171～815 kg/hm2，但不同年份提高幅度不同，这可能与不同年份的雨量分布不同有关。任爱霞等[18]也有相似的研究结论：地膜覆盖可以显著提高穗数10%～17%，且全覆盖高于半覆盖；最终显著提高产量29%～30%，且全覆盖略高。

在覆盖方式上，大量研究表明，全膜覆土穴播是提高小麦产量的最佳技术途径，而全膜双垄沟播技术则是提高玉米产量的最佳覆盖方式。王红丽等[19]研究发现，全膜覆土穴播由于其增温、促进作物耗水的作用，可以显著增加小麦单株干质量，较CK平均增产432.28%，而且干旱年份增产效应更加明显。穆灵仙等[20]比较不同覆盖栽培方法，结果显示，全膜覆土穴播技术对产量的增加作用更加明显，较露地条播增加51.69%，而宽幅精播增加34.24%，膜侧沟播增加24.87%。杨长刚等[21]研究发现，与露地条播相比，冬小麦产量垄膜沟播增加37.0%～39.3%；全膜覆土穴播增加43.4%～44.4%；全膜穴播增加64.4%～79.1%。但从田间操作难易程度、生产资料的投入及产出效益比较来看，全膜覆土穴播田间操作简单，可反复使用，以减少地膜使用量，降低成本，为最佳栽培模式。柴守玺等[22]试验结果表明，2008—2009年和2009—2010年2个生长季覆膜各处理的产量较CK分别提高39.3%～64.6%和37.0%～79.1%，其中，全膜穴播的增产效应最明显，且显著高于其他处理。但综合考虑劳动力、产量和经济效益，全膜覆土穴播为最优栽培模式。李尚中等[23]研究指出，与露地条播相比，全膜双垄沟播栽培玉米产量平均提高57.8%。闫根海等[24]研究表明，露地条播、垄膜沟播和平膜穴播之间的增产效果大小为全膜双垄沟播＞全膜平作＞露地条播，这与张养利等[25]的研究结果一致。

在覆盖年限上，全年地膜覆盖增产效果显著。杨海迪等[26]研究表明，周年地膜覆盖更有利于旱地麦田土壤扩蓄增容，提高小麦产量。马浩等[27]研究发现，休闲期覆膜和周年覆膜均能显著提高小麦产量，以周年覆膜产量最高，达5 383 kg/hm2，较露地条播增产15.4%。

但也有一些研究表明，地膜覆盖会给作物产量带来负效应。一些学者认为，地膜覆盖易引起作物早衰现象，从而导致产量下降。张剑等[28]研究得出，由于地膜对土壤温度的调控不能随着作物生育期的推进而适时调整，土壤温度难以满足作物生长发育的需要，因此，在作物生长中后期，经常由于地温过高而导致早衰现象。这与李凤民等[29]的研究结果相似。也有学者认为，地膜覆盖是以大量消耗土壤有机质和养分为代价达到增产效果的[30]，因此，地膜覆盖方式不正确会损失土壤中的大量养分，尤其是硝态氮含量的降低，影响土壤肥力状况，使土壤环境条件恶化，作物产量难以提高[31]。还有研究表明，地膜易破碎、难以回收，大量农膜残留于土壤导致土壤生态环境恶化，并影响土壤水肥运移和作物根系的生长发育，最终导致产量下降[4]。毕继业等[32]研究发现，农膜残留对作物产量具有一定的负效应，会导致作物减产，这种减产效应如果延续16 a就完全能够与覆膜引起的增产率相抵消。

2 地膜覆盖对旱地作物土壤贮水量的影响

2.1 地膜覆盖对表层土壤蓄水量的影响

干旱地区覆膜，可在地表形成一层密闭的物理隔层，有效阻断土壤水分垂直向上蒸发，促进土壤水横向运移，改善土壤墒情[33]。

地膜覆盖对土壤各土层贮水量均有提高作用，并且对表层土壤贮水量的影响更大。李青等[34]研究得出，地膜覆盖播前0～100，100～200 cm土层贮水量分别比露地增加20%和13%左右。程宏波等[35]研究发现，与露地对照相比，地膜覆盖可显著增加不同土层土壤蓄水量，增墒幅度为0.3%～1.9%，其中，0～40 cm土层提高幅度最大，覆膜较CK增加1.7%～1.9%，60～200 cm土层，覆膜较CK增加0.3%～1.4%。张平良等[36]研究发现，与裸地相比，双垄全膜沟播处理在降水较少年份可以明显提高0～60 cm土层含水量，而60～200 cm差异并不明显。李爽等[37]研究认为，不同覆膜方式均可以增加表层土壤水分，渗水地膜可以起到良好的蓄水保墒作用。张俊鹏等[38]研究表明，地膜覆盖能够提高0～40 cm土层贮水量，并有效减缓夏玉米生长期间0～40 cm土层贮水量的变幅。这与强秦等[39-40]的研究结果一致。主要是因为覆膜可在地表形成一层密闭的物理隔层，有效阻断表层水分垂直向上蒸发，促使水分平行移动或向开孔处蒸散，减少土壤中水分不必要的散失，大大降低蒸发总量。同时，由于覆盖的保温作用增加了土壤温度差，促进下层水分上移，积聚于表层，大量增加的水汽凝结于膜内侧，受冷凝结成小水滴，渗入土壤，增加了土壤水分。如此循环往复，保证了土壤表层充足的水分含量[41]。有研究表明，与露地对照相比，小麦生长期覆膜可以显著抑制土壤蒸发，日棵间蒸发量下降约15.6%[42]。也有学者认为，地膜覆盖土壤中水分含量的增长程度与季节性降水量相关[43]。

2.2 地膜覆盖对土壤深层水消耗的影响

高效利用降雨资源是旱地农业发展的关键，而加强土壤深层水分的利用是其中的一项重要措施[44]。翟夏斐等[45]研究发现，在降水量较少的拔节—灌浆期，土壤水分含量最低。与30 cm土层相比，地膜覆盖处理60 cm土层贮水量增幅小于无覆盖处理。地膜覆盖处理更多消耗深层水分，可能是因为覆膜能够保证土壤深层水分充足供应，增加作物根系数量，促进根系下扎，加剧了该土层耗水量。柴守玺等[22]研究结果显示，冬小麦孕穗期前覆膜处理90 cm以下土层水分含量低于CK，孕穗后扩展到20～200 cm处含水量状况明显不如对照，只有0～20 cm土层含水量在整个生育期始终高于对照。范颖丹等[46]研究得出，地膜覆盖比对照在0～90 cm土层多耗水6.7 mm，在90～200 cm多耗水19.7 mm，其中，在90～120 cm土层耗水量差异最显著。说明地膜覆盖既增加了深层用水比例，也增加了深层水消耗量。张淑芳等[47-50]研究认为，高效利用土壤深层水分，同时把深层水分提升至作物可利用层是旱作农业提高水分利用效率、增产增收的重要保障。

然而，也有研究显示，随着种植时间的累积，深层用水比例不断加大，长期种植可能对旱作区水分持续利用和生态保持造成负面影响。冯晨等[51]研究表明，春季地膜覆盖处理不同土层土壤水分含量变化幅度较大，土壤深层水亏缺。宋婷等[52]研究发现，全膜覆土穴播能有效改善土壤水热状况，促进小麦对土壤深层水分的利用。谢军红等[53]通过研究不同覆膜方式下连作玉米有利于土壤水分持续高效利用的连作年限也得出类似结论。研究发现，由于单季耗水量较高，导致在连作第2年收获期3种覆盖处理的土壤贮水量比连作开始时分别降低了30.9%，37.3%和 33.5%，第 3年降低了 23.9%，29.6%和27.5%，造成土壤水分缺失严重；随着连作年限增加，土壤水分亏缺日益严重，出现土壤干化现象，不利于土壤水分的持续利用和产量的稳定增加。

2.3 休闲期地膜覆盖对旱地作物土壤蓄水量的影响

休闲期是土壤蓄水量的恢复、补充时段，这一阶段水分的恢复对播前土壤含水量的提高具有重要作用，是保证作物增产增收的关键。许多研究显示，休闲期覆膜有利于强化休闲期雨水的田间保蓄，补充作物生育阶段耗水，充分利用休闲期自然降水，改善下季作物土壤水分环境，解决土壤干化和水分可持续利用等问题[54]。

一些研究显示，休闲期覆膜对播前土壤底墒的提高具有显著效果。郭媛等[55]研究发现，夏闲期覆膜能够使播前80～300 cm土层贮水量增加70～80 mm，表明夏闲期地膜覆盖对80 cm以下土壤蓄水量提高有突出作用。邓妍等[56]研究表明，夏闲期深翻覆盖表现出良好的蓄水保墒效果，可以充分利用休闲期自然降水为小麦生育后期生长提供良好的水分条件，尤其提高了120～240 cm土层土壤蓄水量。而乔灵芝等[57]研究认为，秋季覆盖为冬闲期（大约半年时间）的裸露地表提供了一层保护屏障,能有效提高土壤蓄水量和蓄水效率，为春玉米前期生长提供有利条件。与露地对照相比，平覆地膜、垄覆地膜玉米播前0～200 cm土壤水分含量分别提高21.22，20.49 mm（P＜0.05），贮水效率分别提高26.1%和25.2%，各处理间差异不显著。

也有一些研究表明，休闲期地膜覆盖的蓄水效果可延续至孕穗期甚至开花期，达到“伏雨春用”的目的。任爱霞等[18]研究认为，休闲期覆盖可充分利用休闲期降雨，其中，播种期0～300 cm土层内土壤水分覆盖较不覆盖增加28～42 mm，全覆盖较半覆盖增加14 mm，且蓄水效果可延续至孕穗期，达到“伏雨春用”的目的。王帅等[58]研究认为，旱地麦田休闲期覆盖可显著增加播前底墒，且可将蓄水延用至孕穗期。任新茂等[11]研究得出，由于休闲期覆膜能够在生育前期形成适宜的水分环境，植株生长旺盛，导致作物前期水分过度消耗，特别是加大了孕穗至开花期耗水量，花后土壤蓄水量减少。故休闲期覆膜的蓄水保墒效果可一直持续到扬花期，许多研究均得出类似结论[56，59-60]。

还有一些学者认为，休闲期地膜覆盖在欠水年更有利于水分蓄积于深层。陈梦楠等[61]研究发现，休闲期地膜覆盖能明显提高播种期0～300 cm土层含水量，丰水年提高35%，平水年提高48%，欠水年提高101%，显著提高了不同降水年型休闲期土壤蓄水效率，且欠水年土壤蓄水效率更高。高艳梅等[62]研究认为，休闲期覆膜较不覆膜处理能够明显增加播种期0～300 cm土层含水量，显著提高休闲期土壤蓄水效率，丰水年土壤蓄水量增加40～41mm，平水年土壤蓄水量增加55～58 mm，欠水年土壤蓄水量增加70 mm，且欠水年更有利于水分蓄积于深层，土壤蓄水量增加20%以上。

3 展望

覆膜措施能够显著提高表层土壤水分，促进深层水分利用，且休闲期覆膜也可明显增加土壤水分含量，具有良好的纳雨蓄水效果。然而，随种植时间的累积，深层用水比例不断加大，长期种植对旱作区水分持续利用和生态保持有无负面影响尚待进一步研究。就地膜覆盖对作物产量的影响而言，其优良的保墒增温效应使得它对旱地作物产量具有一定的作用。但也有研究显示，由于其大量消耗土壤有机质和养分，以及引起的作物早衰、农膜残留等问题导致后期产量不稳定甚至减产。因此，虽然覆膜栽培技术对作物产量、土壤水分等方面研究已初具规模和成效，但有些技术和理论等方面仍需进一步深入研究：（1）重视土壤肥力、水分、温度和作物产量之间耦合关系的研究[28]。在旱作农业区水分是制约当地农业发展的首要因素，水肥之间的耦合尤为重要。应重视土壤水、肥、气、热与产量之间耦合关系的研究，避免作物早衰、过度消耗土壤贮水和有机质等问题。（2）加强地膜替代品的开发与研制。要降低农膜残留对农作物产量的负面影响，就必须在合理应用覆盖栽培技术的同时，加强现代绿色多功能可降解材料的适应性推广研究。（3）加强地膜回收技术、措施和机具的研发与改进。从长远来看，地膜残留造成的减产率可能会大于地膜覆盖的增产率，而且液态地膜和降解地膜的时间效应与作物需求难以吻合，降解产物对大气及土壤生态有无负面作用不能确定。因此，提高残膜清理效率和完善回收技术是解决农膜残留问题的重要措施。目前，采用人工捡拾或耙子清理残膜仍是主要措施，其残留率较高。因此，在今后的研究工作中，应加强地膜回收技术、措施和机具的研发与改进。积极推行作物生长中期适期揭膜技术，同时研制新型地膜回收机具，最大限度地减少塑料地膜在土壤中的残留[33]。

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