降解地膜和渗水地膜覆盖对中国北方主要旱地作物产量和水分利用效率效应的Meta分析

闫乃桐, 张佳丽, 王仕稳,, 马登科, 殷俐娜,, 姚建民, 杨三维, 刘虎林

(1.西北农林科技大学 资源环境学院, 陕西 杨陵 712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨陵 712100; 3.山西省农业科学院农业资源与经济研究所, 山西 太原 030031)

我国北方具有丰富的土地和光照资源，是我国粮食生产的重要区域之一，也是我国主要的后备耕地资源区[1]。但是该地区蒸发量大，降水量少且年际间分布不均，因此干旱缺水，旱灾频繁是该地区农业生产面临的主要问题[2]。所以该地区农业技术的发展始终围绕着降低无效蒸发，提高水分利用效率这一主题。地膜覆盖自20世纪70年代引入我国以来，在我国北方旱区得到广泛应用，并扩大到南方高山寒冷地区，应用作物种类几乎包含全部的粮食作物和经济作物，地膜覆盖的面积已经达到1 840 hm2[3]。和裸地栽培相比，地膜覆盖可以显著提高土壤温度、抑制土壤蒸发、增加作物蒸腾耗水比例；保水保土、减少耕地水土流失；减少氮素淋失、提高氮素利用率；抑制杂草生长[4-6]。地膜覆盖可以显著提高作物产量和水分利用效率，并作为一种有效的农业措施得到了大面积的推广应用，在确保北方旱区的粮食安全中发挥着重要作用。地膜覆盖在旱区增产和提高水分利用效率效果显著，但随着覆盖年限、施用量和覆盖面积的增加，缺点也逐渐显现出来[7]。例如，在整个生长季节的地膜覆盖会由于后期温度过高，加速根系衰老而不利于产量潜力的发挥，而人工揭膜又会增加投入[8-9]。地膜覆盖在减少土壤蒸发的同时，也会减少降雨入渗，尤其是减少小雨入渗土壤；虽然通过垄沟覆盖，将其减少降雨入渗水降低到较低水平，但是如何实现全部降雨有效入渗，尤其是提高占降雨较大比例的小雨入渗，是地膜覆盖进一步提高水分利用效率需要面对的问题[10-11]。更重要的是由于地膜主要由聚乙烯制成，结构稳定，在自然条件下降解缓慢且大面积回收困难，因此残膜在土壤中逐渐累积，如地膜覆盖30 a后土壤中的塑料残留量已达到71.9～259.1 kg/hm2[12]。土壤中积累的塑料残留物会破坏土壤结构，降低养分有效性和微生物活性，减缓根系发育，从而影响作物生产，制约农业的可持续发展[12-13]。为了解决地膜覆盖带来的“白色污染”和改善普通地膜的缺陷，人们发展了降解地膜及渗水地膜，并在此基础上发展了降解渗水地膜。降解地膜主要由淀粉、蛋白和纤维素等天然物质为填充原料生产的半降解地膜和PPC，PBAT等全生物降解树脂生产的全生物降解地膜，和普通地膜相比，容易降解，可以有效缓解地膜带来的环境污染，但是也会带来破裂过早、保水性能不足等问题，在部分地区用来替换普通地膜，可能有减产风险[14-15]。此外，为了解决地膜阻隔小雨入渗的问题，姚建明等学者们开展了渗水地膜的研制与应用研究，在保持普通地膜基本理化性质不变的情况下，采用化学和机械的方法，吹制出具有单向渗水特性的渗水地膜[16]。渗水地膜狭窄的水分通道受到水的重力作用，通道就会变大，在膜面的雨水就能够顺利入渗，当膜面雨水入渗完毕，狭窄的水分通道受膜的弹力作用会关闭，阻止了膜下水分蒸发[16]；同时渗水地膜还有调温功能，使作物生育后期温度比较适宜作物生长，解决了普通地膜温度较高造成作物烧苗的现象[17]。

近年来，又将生物降解地膜和渗水地膜的优势结合起来，开发了生物降解渗水地膜，和普通地膜比，其可完全降解，又具有单向渗水功能。近年来的研究表明，无论是降解地膜还是渗水地膜，在一些单点和普通地膜的比较研究中，大部分情况下其产量和普通地膜接近，但是也有显著减产的报道[18]。由于降解和渗水地膜的增产效果可能会受到作物种类、温度和降雨量等环境条件的影响，因此其效果难以从单个独立的田间试验中确定。全面评价降解地膜和渗水地膜与普通地膜的效果差异及影响因素，是其替代普通地膜并大面积应用的前提。Meta分析是对不同研究结果进行整合分析的统计学方法，能在不同独立研究结果的基础上得出区域尺度上的结论[19-20]。因此，本文应用Meta分析系统地比较降解地膜和渗水地膜与无覆盖裸地栽培和普通地膜覆盖栽培在产量和水分利用效率的差异，以及作物种类和降雨量的影响，以期明确降解地膜和渗水地膜的最佳适宜区域、适宜作物，以及和普通地膜的效应差异，为降解地膜和渗水地膜的应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 数据来源

通过对中国知网和Web of Science中英文数据库进行检索，搜集从2000年1月1日到2020年7月1日国内外公开发表的关于降解地膜和渗水地膜对作物产量、水分利用效率和温度等影响的田间试验研究论文。中文检索词包括渗水、降解、覆盖、地膜、生长、温度、产量及其组合；英文检索词包括mulch，mulching，degradation film，growth，yield及其组合。初步检索后再对文献进行二次筛选，文献须满足以下要求： ①试验区域位于中国北方，试验地点明确，年份清楚； ②试验处理同时包含降解膜覆盖和不覆盖，或降解膜覆盖和普通地膜覆盖，或降解膜覆盖、普通地膜覆盖和不覆盖；渗水膜和不覆盖，或渗水膜和普通地膜覆盖，或渗水膜覆盖、普通地膜覆盖和不覆盖； ③文章包含有相关处理产量、温度及水分利用效率的均值和标准差，或提供了相关处理各重复的产量、温度及水分利用效率； ④试验用降解膜和渗水膜类型、厚度和种植方式清晰，且必须与无覆盖和普通地膜类型、厚度和种植方式一致。经以上严格标准筛选，共获得有关渗水地膜50篇，其中生物降解渗水地膜10篇，降解地膜250篇可用文献。由于生物降解渗水地膜数据量较少，同时考虑到生物降解渗水地膜是在降解地膜的基础上发展起来的，其主要是发挥渗水性能，故在meta分析时归为渗水地膜进行分析。各试验样点分布如图1所示。

1.2 数据分类

为进一步探究渗水地膜和降解地膜在中国北方不同区域及气候环境条件下对作物产量和水分利用效率的影响情况，根据所获得的数据分布，按作物及年降水量对数据进行分类，各分组的样本根据本研究中各独立试验地点年降水量及中国北方降雨特征，分为<400，400～500，500～600，>600 mm共4组。

图1 中国北方干旱区覆膜试验样点分布

1.3 数据分析方法

本研究采用反应比(response ratio，R)作为效应量来刻画降解地膜和渗水地膜对作物产量及水分利用效率的影响[21]，其计算公式为：

lnR=ln(Xe/Xc)=ln(Xe)-ln(Xc)

(1)

式中：Xe，Xc分别为独立研究中试验组和对照组的平均值。上述反应比再转化为百分比变化率[22],其计算公式为:

Y=(elnR-1)×100%

(2)

式中：Y值为正表示覆盖降解地膜或渗水地膜产生了正效应，Y值为负数则表示覆盖降解地膜或渗水地膜产生了负效应。如果Y值的95%置信区间与0重叠，则覆盖降解地膜和渗水地膜的效应不显著，反之效应显著。在各亚组分析中，如果不同分组内各Y值的95%置信区间没有重叠，则组间差异显著，反之组间差异不显著[23]。本研究利用MetaWin 2.1[24]进行整合分析，用SPASS16.0，Excel 2007和SigmaPlot 13.0进行分析及绘图。

2 结 果

2.1 降解地膜覆盖对不同作物产量及水分利用效率的影响

分析图2可以看出，与无覆盖相比，降解地膜的玉米、谷子、高粱、小麦、棉花、马铃薯和烟草的产量分别显著提高20.9%，81.5%，43.4%，12.2%，34.9%，14.0%和7.7%(p<0.05)，其中降解地膜对谷子和高粱的增产效果优于对玉米和小麦的增产效果，且其对谷子的增产效果最为显著；与无覆盖相比，降解地膜覆盖下的玉米、谷子、高粱、小麦、棉花、马铃薯和其他作物的水分利用效率分别显著提高了23.9%，36.8%，17.4%，17.2%，4.6%，18.5%和48.5%，其中对于谷子而言，降解地膜对其水分利用效率提升效果最为显著。降解地膜与普通地膜相比，降解地膜覆盖下的马铃薯产量显著增加2.1%，玉米、小麦和棉花分别减少5.9%，4.6%和2.7%，对谷子、高粱、花生和烟草产量和普通地膜覆盖无显著差异；降解地膜与普通地膜相比，玉米、棉花和其他作物的水分利用效率分别显著降低了5.1%，2.5%和1.5%(p<0.05)，值得注意的是，小麦水分利用效率在降解地膜覆盖和普通地膜覆盖之间无显著差异；但降解地膜与普通地膜相比，显著降低了玉米和棉花的水分利用效率。

注：图中线段附近括号内数字为样点编号。下同。

2.2 渗水地膜覆盖对不同作物产量及水分利用效率的影响

由图3可知，渗水地膜与不覆盖相比，玉米、谷子、高粱、小麦和其他作物的产量分别显著增加了41.4%，66.4%，31.1%，21.3%和41.7%(p<0.05)，渗水地膜覆盖对玉米和谷子增产效果均优于对其他作物的增产效果，且其对谷子的增产效果最为显著；相比不覆盖，渗水地膜覆盖下的玉米、谷子和小麦的水分利用效率分别显著提高了35.0%，56.3%和13.6%(p<0.05)。渗水地膜与普通地膜覆盖相比，玉米、谷子和高粱产量分别显著增加了13.3%，35.4%和13.2%(p<0.05)；相比普通地膜，渗水地膜覆盖下的玉米、谷子和小麦的水分利用效率也有不同程度提高。

2.3 不同年降水量下降解地膜对作物产量及水分利用效率的影响

由图4可见，降解地膜覆盖对不同降雨量下的作物增产效果影响存在较大差异。与无覆盖相比，降解地膜覆盖下作物的平均产量当降雨量从400 mm增加到600 mm以上，其增产效果下降近50%；降解地膜与无覆盖相比，随着降雨量的增加，其对作物水分利用效率的提升效果呈现先增加后减小，然后再增加的趋势。在降雨量<400 mm时，降解地膜覆盖下作物的水分利用效率比无覆盖显著提高了31.0%；当降雨量为400～500 mm时，水分利用效率提高了7.8%；当降雨量>500 mm，其水分利用效率呈现增加趋势。降解地膜与普通地膜覆盖相比，作物产量在降雨量<400,400～500 mm时降低了5.8%和7.5%(p<0.05)，当降雨量大于500 mm时降解地膜和普通地膜覆盖之间无显著差异；与普通地膜相比，当降雨量小于400 mm时，其水分利用效率显著降低，当降雨量大于400 mm时，其与普通地膜无显著差异。

图3 渗水地膜对不同作物产量及水分利用效率(WUE)的影响

注：纵坐标中降水等级1，2，3，4分别表示>600 mm，500～600 mm，400～500 mm，<400 mm等级的降雨量。下同。

2.4 不同年降水量下渗水地膜对作物产量及水分利用效率的影响

由图5分析可知，与无覆盖相比，降雨量在<400，400～500，500～600 mm和>600 mm的地区，渗水地膜覆盖下作物的产量分别比不覆盖显著提高了69.3%，32.4%，32.1%和34.9%(p<0.05)，降雨量越低，其增产效果越显著；降雨量在400～500，500～600 mm和>600 mm的地区，渗水地膜覆盖下作物水分利用效率比无覆盖显著增加了45.3%，27.6%和21.7%(p<0.05)。与普通地膜覆盖相比，降雨量在<400，400～500，500～600 mm的地区，渗水地膜覆盖下作物的产量分别比普通地膜显著提高了32.4%，17.8%和6.8%(p<0.05)，其增产效果随着年降水量的降低而增加；在降雨量400～500 mm的地区，渗水地膜覆盖下作物的水分利用效率比普通地膜高19.2%；在降雨量500～600 mm的地区，渗水地膜覆盖下作物的水分利用效率与普通地膜之间无显著差异；在降雨量>600 mm的地区，渗水地膜覆盖下作物的水分利用效率比普通地膜覆盖降低了7.4%。总之，渗水地膜与普通地膜覆盖相比在大于500 mm地区对水分利用效率无显著影响，小于500 mm则呈现显著增加。

图5 不同年降水量下渗水地膜对不同作物产量和水分利用效率(WUE)的影响

2.5 降解地膜和渗水地膜覆盖对作物不同深度温度的影响

图6为不同覆膜方式对不同深度(5,10,15,20 cm)土壤温度的影响。分析图6可知，与无覆盖相比，降解地膜覆盖下的土壤5 cm温度在作物苗期、中期和后期分别比无覆盖显著提高了13.5%，3.8%和3.3%(p<0.05)；降解地膜覆盖下的土壤10 cm温度在作物苗期、中期和后期温度分别比不覆盖显著增加了12.2%，7.1%和3.8%(p<0.05)；降解地膜覆盖下的土壤15 cm温度在作物苗期和中期温度分别比不覆盖显著提高了8.4%和5.2%(p<0.05)；降解地膜覆盖下的土壤20 cm温度在作物中期比无覆盖显著提高了4.7%。降解地膜相对裸地栽培在作物苗期的增温效果最好，从苗期到后期，增温效果依次递减。与普通地膜相比，降解地膜覆盖下的土壤5 cm温度在作物苗期和中期分别比普通地膜显著降低了1.7%和0.9%(p<0.05)；降解地膜覆盖下的土壤10 cm温度在作物苗期、中期和后期分别比普通地膜覆盖显著降低了1.9%，2.3%和2.8%(p<0.05)；降解地膜覆盖下的土壤15和20 cm温度与普通地膜无显著差异。

与无覆盖相比，渗水地膜覆盖下的土壤5 cm温度在作物苗期和后期分别比无覆盖显著增加了11.9%和5.4%(p<0.05)；渗水地膜覆盖下的土壤10 cm温度在作物苗期、中期和后期分别比不覆盖显著增加了7.4%，6.3%和4.9%(p<0.05)；渗水地膜覆盖下的土壤15 cm温度在作物苗期、中期和后期分别比无覆盖显著增加14.1%，5.6%和3.3%(p<0.05)。渗水地膜覆盖下的土壤20 cm温度在作物苗期、中期和后期分别比无覆盖显著提高9.5%，5.1%和3.9%(p<0.05)。与普通地膜相比，渗水地膜覆盖下土壤5 cm深度的温度在作物苗期和中期与普通地膜覆盖无显著差异，但是在作物后期渗水地膜覆盖下的土壤5 cm温度比普通地膜覆盖显著提高了3.8%(p<0.05)；渗水地膜覆盖下的土壤10 cm温度在作物苗期、中期和后期与普通地膜相比分别有轻微降低；渗水地膜覆盖下的土壤15 cm温度在作物苗期比普通地膜覆盖显著增加了2.3%；渗水地膜覆盖下的土壤20 cm温度与普通地膜覆盖之间无显著差异。可以看出，渗水地膜覆盖在低温下增温显著，而在高温下(生育中期)增温不显著。

注：纵坐标中①，②，③，④分别表示降解地膜相对于裸地，降解地膜相对于普通地膜覆盖，渗水地膜相对于裸地，渗水地膜相对于普通地膜覆盖。

3 讨 论

本研究结果表明，降解地膜和渗水地膜在大多数情况下其增产和保水性能已经接近普通地膜，但是在不同作物、不同的降雨情况下有所不同。降解地膜和普通地膜相比，在玉米上应用有减产风险，而在马铃薯上则可以显著增产，在其他作物上产量和普通地膜无显著差异；在降雨量大于500 mm地区无减产风险，降雨量小于500 mm地区有减产风险；而渗水地膜影响则相反，降雨量越低，其效果越好，当降雨量低于500 mm时，其产量显著高于普通地膜。同时，在玉米、高粱和谷子上效果显著，尤其是对谷子增产效果显著。降解地膜和普通地膜比，其在不同作物，不同降雨量下效果不同[25]。如在玉米上显著减产，而在马铃薯上则可以显著增产，这可能与不同作物的生育期长短、生长特性以及对温度和降雨的需求不同有关[26]。例如玉米和马铃薯相比，玉米有更长的生育期，同时整个生育期对地面的覆盖较低，蒸发强烈；而马铃薯生育期短于玉米，同时在马铃薯中后期有更大的叶面积指数。当前降解地膜最大的问题是过早破裂从而导致保水效果下降，因此在玉米等长生育期作物上如果地膜过早破裂则效果差于普通地膜[27]；而在马铃薯上，由于生育期较短，同时降解地膜破裂的时候马铃薯地上枝叶已经对地面形成有效覆盖，从而弥补了地膜过早破裂带来无效蒸发增加；同时和普通地膜相比，后期地膜破裂，可以延缓后期的根系早衰[28-29]。而在降雨上也表现相同的规律，例如在降雨量大于500 mm地区，其降雨缺乏的程度往往低于降雨量低的地区，降解地膜后期破裂，此时刚好赶上雨季，虽然保水效果下降，但是对产量和水分利用效率影响不大[30]。

在中国的北方地区，大量的降雨以小于5 mm的无效降雨形式存在，占比可达到40%[31]。渗水地膜设计的初衷是为了提高降雨利用效率，增加降雨入渗，尤其是单次小型降雨占比较高地方[32]。本研究结果表明，和普通地膜比，渗水地膜增产和增加水分利用效率效果随着降雨量增加而下降。当降雨量小于500 mm时，渗水地膜的效果好于普通地膜，而降雨量大于500 mm时，和普通地膜比无显著差异。渗水地膜也面临和降解地膜相同的问题，即其会过早破裂，导致后期保水效果差。所以渗水地膜在生育期较短，后期叶面积指数较大，低矮的作物上应用效果好于玉米等高杆作物。本研究结果也表明，和玉米及高粱比，渗水地膜对谷子的正效应更大，这是因为在中国北方旱区，谷子播种一般晚于玉米半个到一个月，而后期其较大的播种量和分蘖，因此对地面覆盖程度远远大于玉米高粱等，因此渗水地膜在谷子上应用效果好于在玉米高粱等高杆作物。

地膜覆盖除了减少蒸发，提高水分利用效率外，还可以有效提高土壤温度，增加有效积温从而来提前播种，延长生育期也是地膜大面积应用及增产的重要原因[33]。但是普通地膜在作物生育前期可以有效提高土壤温度，增加积温，促进作物生长；但是在生育后期覆盖，由于外界气温过高，则会导致土壤温度过高，引起根系早衰，不利于产量潜力的发挥；同时过高的温度，不利用土壤微生物活性和根系活性，从而对养分吸收利用产生不利影响[34]。如需要避免地膜覆盖的这些不利影响，则需要后期揭膜[35]，而后期揭膜则又会增加投入，因此如何降低地膜覆盖造成后期土壤温度过高的不利影响也是地膜覆盖待解决的问题。本研究表明，降解地膜早期对土壤温度影响和普通地膜无差异，生育后期则显著降低了土壤温度。渗水地膜对土壤温度的影响则更符合作物的需求，在生育前期低温时增加温度显著，而高温时增温效果低于普通地膜。其原因主要是渗水地膜在气温较低时，孔径会缩小，会减少土壤热量散失，具有保温效果；当气温过高时，膜下形成较高的蒸汽压，使之孔径变大，利于散热和内外气体交换，同时土壤中水分分布也较为均匀[36]。

4 结 论

当前无论是降解地膜还是渗水地膜，其保水和增产性能虽然不能完全替代普通地膜，但是在一些作物和降雨地区，其性能已经可以替代普通地膜。对于降解地膜来说，当前在玉米等长生育期作物上应用，和普通地膜比，还存在一定的差距，大面积替换有减产的风险；但是在生育期较短，降雨量相对较高的地区(大于500 mm)基本可以替代普通地膜。对于渗水地膜，本研究结果表明渗水地膜在降雨量较低的地区(小于500 mm)有优势，在对土壤温度的影响上更符合作物的需求，但是当前破裂过早问题还有待解决。当前的降解地膜应该优先应用在降雨量较高的短生育期作物上，而渗水地膜应用在降雨量小于500 mm地区的短生育期高叶面积指数作物上效果更好。