地膜覆蓋對農田N2O排放影響的研究現狀

李曉莎，岳善超，李世清

(1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100)

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地膜覆蓋對農田N2O排放影響的研究現狀

李曉莎1,2，岳善超2*，李世清2

(1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100)

摘要地膜覆蓋通過改善土壤環境，進而影響作物產量和農田土壤N2O的產生與釋放。綜述了地膜覆蓋對農田N2O排放影響的研究現狀。針對目前研究中存在的問題提出建議，并對該領域的研究方向進行展望。

關鍵詞地膜覆蓋；N2O；小麥；水稻；玉米；棉花；大豆

氣候變暖所帶來的一系列問題嚴重威脅了人類的生存與健康。N2O、CO2和CH4是主要的3種溫室氣體，對溫室效應的貢獻率達到了80%[1]。其中，N2O是一種長壽的痕量溫室氣體，在對流層中的存在時間可達114年之久[2]，在100年的尺度上，N2O的增溫潛力是CO2的268倍[3]。據報道，1980～2005年大氣中N2O濃度從270 μg/L增加到319 μg/L，每年以0.25%的速率增長，如果一直以這個速率增長，大氣中N2O的濃度在2050年將達到350～400 μg/L。人類的生產生活引起的溫室氣體排放是全球氣候變暖的主要原因[4]，農田土壤是重要的溫室氣體排放源[5]，各種農藝措施都對農田土壤溫室氣體的排放有重要的影響。土壤中的N2O主要是在微生物參與下通過硝化和反硝化作用產生的。硝化過程是在通氣條件下，亞硝化和硝化微生物將銨鹽轉化為硝酸鹽的過程；反硝化過程則是在缺氧條件下，由反硝化細菌將土壤中的硝酸鹽或硝態氮還原成氮氣(N2)或氧化氮(N2O和NO)的過程。此外，氮素的非生物轉化也可能導致N2O的釋放[6]。地膜覆蓋主要是通過影響土壤溫度、濕度以及作物的生長來影響土壤N2O的產生。地膜覆蓋在我國半干旱區很早就有應用，但是在旱作糧食生產中的大面積應用僅有10多年的時間[7]。自20世紀80年代開始，我國地膜覆蓋面積和使用量一直位居世界第1位[8]。據相關部門統計，2011年我國地膜用量已達120萬t，覆蓋栽培面積達2 330萬hm2，未來10年我國地膜覆蓋面積仍將以每年約10%的速度增長[9]。地膜覆蓋具有保水保墑和調節土壤溫度的作用，同時還可以緩輕極端天氣變化、優化生長條件和延長生育期從而改善作物產量和質量[10]。研究者對于地膜覆蓋對農田生態環境、作物生長、養分利用以及產量的影響已進行了大量的研究，并得出了一定的結論[11-17]，而地膜覆蓋對農田N2O的排放的影響目前沒有研究者給出結論。鑒于此，筆者在查閱國內外相關文獻的基礎上，對地膜覆蓋對農田N2O排放的影響的研究現狀進行概述與分析，并對今后的研究方向提出展望，以期為今后的研究提供借鑒。

1數據來源與研究概況

為全面了解國內外對覆膜農田N2O排放的研究，以地膜覆蓋、N2O為關鍵詞在CNKI和Web of Science進行全文檢索，從中挑出完整生育期測定，并且文中有生育期累積排放量或可以通過文中數據、圖表計算得出生育期累積排放量的中文文獻7篇，英文文獻7篇。運用PicPick、Getdata軟件從文獻的圖中得出數據，然后計算匯總得出表1。

由表1可知，現今國內外對覆膜農田N2O排放的研究還很少，并且主要集中在韓國和中國。韓國的研究主要集中在玉米和大豆2種作物上，而國內研究作物相對較多，主要集中在糧食作物小麥、水稻、玉米和經濟作物棉花上。小麥、玉米、棉花的研究分布在西北干旱半干旱地區，而水稻的研究則分布在四川、江蘇和北京等地。不同作物對于地膜覆蓋農田N2O排放的影響并沒有得出一致的結論。

2作物種植對覆膜農田N2O排放的影響

農田N2O的排放就是作物-土壤系統中N2O的產生與釋放，作物的種植與生長都會改變土壤環境，從而影響N2O的產生與釋放。白紅英等[18]、朱詠莉等[19]的研究表明，地膜覆蓋的休耕地在小麥生育期N2O的累積排放量大于同時期內裸露休耕地的排放量，并且在相同施氮量的情況下，小麥的種植促進了N2O的排放，這可能是因為作物的生長在消耗土壤水分與養分的同時根系通過自身的代謝作用向土壤中分泌有機物及C、N等物質，使得土壤中的硝化和反硝化細菌的活性與數量增加，進而使得硝化與反硝化過程得到加強。而楊蘭芳等[31]對不覆蓋玉米田的研究認為，玉米的生長與土壤微生物競爭土壤有效氮，可以定量地減少土壤N2O的排放。這可能與氮肥水平有關，當氮素不是限制因素時，硝化和反硝化細菌數量與活性增加，促進了N2O的排放，而當氮素不充足時，有效氮的含量成了硝化與反硝化作用的限制條件，則作物的生長吸收消耗氮素，減少了N2O的排放，畢竟土壤中存在多余的有效氮是土壤N2O產生的前提條件之一。

3不同作物對覆膜農田N2O排放的影響

作物的種類有時比施肥更能影響N2O的排放。有研究表明施肥較多的小麥生長季的N2O釋放通量是未施肥的菠菜地的2倍，而僅施少量底肥(施肥量為小麥地13%)的大豆田的N2O的平均釋放通量卻為小麥地的5.8倍[32]。可見豆科作物的生長對N2O的排放有更強的促進作用[33-35]。對于覆膜農田的研究同樣支持這樣的觀點。2011年Berger等[10]對韓國不施肥大豆田進行試驗，發現生育期大豆地N2O累積排放量達到了5.90 mmol/m2，和2010年施用200 kg 純氮的蘿卜田的排放量相近，且不覆膜壟上的累積排放為1 320.4 g/hm2，比覆膜壟上的排放量高50%，這可能是因為韓國屬于溫帶季風氣候區的沙質土壤，地膜覆蓋阻礙了水分的入滲使土壤具有較低的濕度和較高的溫度，從而減少了土壤N2O的排放，降低了帶來的環境風險。現今，覆膜對豆科作物農田N2O排放影響的研究只是在大豆地進行，且在國內并未進行，而非豆科作物的研究則包括了水稻、小麥、玉米、棉花等多種作物，對于不同的作物，地膜覆蓋對農田N2O的排放的影響的研究結果不盡相同。

表1　不同作物對覆膜農田N2O排放的影響

注：表中 / 隔開的為2年試驗結果。

Note：in the table,with the / that separated results of two years.

3.1地膜覆蓋對小麥農田N2O排放的影響小麥是我國三大糧食作物之一，2014年其種植面積達2 500萬hm2[36]，約1/6分布在北方半干旱地區[37]。地膜覆蓋栽培自1978年引入中國，在我國得到大面積推廣，地膜小麥有著超常的增產效果，自20世紀80年代以來，學者已對其進行了較為系統地研究。研究證明，地膜覆蓋可增加小麥生育前期土壤溫度；提高生育期對土壤貯水的利用[38]；改善土壤物理性狀，增加土壤微生物數量，促進小麥的生長發育[39]，從而增加小麥分蘗，提高成穗率、穗粒數和千粒重[40]，使小麥的增產幅度在30%左右[41]。

覆膜小麥農田N2O排放的研究集中在我國陜西、甘肅地區。研究結果表明，地膜覆蓋可以增加農田N2O的排放[18-19]，一方面是由于地膜的覆蓋明顯提高了耕層土壤含水量、溫度以及硝態氮含量[43]，促使地膜覆蓋下的水熱以及養分條件得到了協同改善，同時，土壤微生物的活性和數量迅速增加，并且地膜覆蓋相對減少了土壤中局部氧濃度，增加了厭氧環境，使反硝化作用增強，從而引起土壤N2O排放增加[44]；另一方面，地表的覆蓋使得西北干旱半干旱地區土壤表層較為常見的干濕交替及凍融交替過程被有效地抑制，以此方式固定和耗損的氮素減少，膜下的氮素得到一定程度地累積，在水熱條件合適時，土壤微生物過程加強，氮素作為反硝化的底物，該累積過程可能增加N2O的排放[18]。

3.2地膜覆蓋對水稻農田N2O排放的影響20世紀90年代以來，隨著我國北方持續干旱和南方季節性缺水問題的日趨嚴重及作物地膜覆蓋技術的進一步發展，地膜覆蓋栽培在水稻種植上的應用面積越來越大，2011年達到了65.7萬hm2。一些研究者對水稻地膜覆蓋栽培的節水機理、產量影響及環境效益進行了較為詳細地研究。研究表明，地膜覆蓋可以節水45%～80%，提高水分利用率，改善土壤環境，促進根系生長，從而使水稻產量增加[45]。金千瑜等[46]的多點試驗結果表明，水稻覆膜旱栽的產量比普通水田栽培增產7.6%～25.6%。

有研究認為水稻覆膜栽培(覆膜旱作和覆膜節水栽培)措施最主要的是改變了土壤的含水量，從而改變了土壤中的氧環境，近而影響土壤硝化、反硝化細菌活動，改變土壤N2O的產生與排放。常規水作稻田土壤一直處于浸水狀態，形成嚴格的厭氧環境，使得更多的N2O通過厭氧微生物活動轉變為N2，同時在厭氧條件下，硝化反應減弱，產生了少量的N2O，覆膜稻田的土壤水分和通氣性更有利于N2O的產生與釋放[20]。此外，覆膜旱作使水稻根系的通氣條件有了很大的改善，肥料N和土壤有機N礦化釋放出的NH4+易被土壤硝化細菌氧化成NO3-，從而使水稻生長過程中NH4+和NO3-在土壤中共存，為硝化和反硝化細菌提供了充足的氮源，從而增加了N2O的產生[47]。

3.3 地膜覆蓋對玉米農田N2O排放的影響2012年以來，玉米取代谷物成為我國第一大糧食作物，2014年其種植面積達到了3 598萬hm2，產量增長到了2.08億t，面積、產量分別比2000年增長加56%和103%[36]。地膜覆蓋栽培技術在玉米生產上的應用主要集中在東北、西北和西南的春玉米產區[48]，其種植栽培面積接近1.0億畝。已有研究表明，地膜覆蓋通過改善耕層土壤水肥氣熱狀況進而改善玉米生長的微生態環境；促進土壤微生物活動，增加土壤有效養分供應[49]；促進玉米根系對土壤養分和水分的吸收；增加玉米葉面積系數、平均凈同化率、地上部干物質累積等產量相關生理指標[50]；大幅提高玉米產量、籽粒品質及水分利用效率[51-52]。地膜覆蓋技術的推廣應用大大拓寬了我國玉米的種植范圍，尤其是高寒、干旱和積溫不足地區。對進一步擴大我國玉米種植面積和提高玉米產量發揮了重要作用。

關于地膜覆蓋對玉米農田土壤環境和作物生長的影響研究較多，且已經得出一定的結論，而對農田N2O排放影響的研究并未得出一致的結論。李世清教授課題組在黃土高原半干旱生態系統試驗站進行覆膜春玉米的研究，結果發現地膜覆蓋并未增加農田土壤N2O的排放甚至造成了少量地減少，這可能是因為覆膜雖然顯著增加了土壤含水量，但是在等量施肥的條件下，兩者的硝化底物沒有明顯差異，N2O排放主要受施氮量影響，硝化底物效應掩蓋了水分效應；另一方面，高溫高濕雖有利于土壤中N2O的生成，但是地膜覆蓋同時促進了作物的生長及其對礦質氮的吸收，使得作物與土壤微生物競爭氮素，從而限制了N2O的生成[26-27]。Cuello等[28]在韓國對黑膜覆蓋的玉米田的研究卻得到了相反的結論。2個地區的研究得出不同的結論，可能與當地的氣候條件及土壤理化性質有關，但并未得到驗證。

3.4地膜覆蓋對棉花農田N2O排放的影響棉花是我國主要的經濟作物之一，尤其在新疆，棉花產量的高低直接影響當地的農業產值和經濟收入。膜下滴灌栽培技術由于可以增加土壤中的含水量、提高土層溫度、改善土壤養分條件從而提高作物產量[30,53]，其在干旱的新疆地區受到了人們的青睞。新疆是我國最適宜也是最大的商品棉生產基地，地膜覆蓋面積達到了80%以上，已經到了不覆膜不種棉的地步。

膜下滴灌改變了農田土壤環境必將影響農田N2O的排放。李志國等[29-30]對覆膜滴灌與常規漫灌棉田溫室氣體排放的研究發現，覆膜滴灌的溫度和土壤含水量均顯著高于常規漫灌，而膜下滴灌減少了農田N2O的排放，這與假設推理是不相符的。造成這種結果的原因可能有2個方面，一方面是由于施肥方式不同，覆膜滴灌的棉田，肥料隨著滴灌而進入土壤，能更好地被作物吸收，減少了殘留在土壤中的氮，降低了硝化和反硝化所需要的氮源，從而降低了N2O的排放；常規漫灌的棉田，肥料在灌溉之前撒施在土表，造成了肥料的浪費，特別是作物行間土壤殘留大量氮肥，不能被作物吸收利用，最終通過硝化、反硝化作用產生N2O釋放到大氣中。另一方面，土壤表面被一層地膜覆蓋后，在一定程度上可以阻止或減緩土壤氣體N2O向大氣的擴散與釋放[54]，加之地膜覆蓋可以使地膜下局部土壤產生厭氧狀態，更加劇了土壤的反硝化作用，使滯留在土壤中的N2O在厭氧微生物的作用下進一步轉化為N2[55]，從而降低土壤N2O的產生。郭偉[56]對傳統溝灌棉田和膜下滴灌棉田的研究得出同樣的結論。

4問題與展望

目前，雖然對于地膜覆蓋對農田N2O排放的影響已經開展了一定的研究，但研究存在一些問題，為了更好地了解地膜覆蓋栽培措施對溫室效應的影響，在今后的研究中應針對現存問題進行完善。

(1) 研究針對的作物種類少并且研究地點集中，比如，對于小麥的研究集中在西北地區，在其他地區并未得到研究。因此，今后需要在不同的地區、對于不同作物進行覆膜農田N2O排放的研究。

(2) 大多數的研究只是在一個氮水平上開展的，而在低氮、適量氮、高氮等不同的氮肥水平下，地膜覆蓋對農田N2O排放的影響是否一樣沒有定論。由于我國各地氮肥用量存在一定的差異，開展不同氮肥水平下的研究對于估算我國農田N2O的排放是非常有意義的，并且農田N2O的排放在整個生育期內是動態變化的，氣候環境的變化、氮肥的施用以及作物的生長都會對其排放產生一定的影響，因此，不同施氮條件下，不同生育期地膜覆蓋對農田N2O排放的影響的研究結果對指導合理覆蓋和施肥是非常重要的。

(3) 研究大多只是研究了N2O的排放累積量，很少結合作物產量進行計算研究，雖然人們越來越重視環境問題，但我們也不能忽視糧食問題，所以，研究應該結合作物產量，對地膜覆蓋產生的環境效益和經濟效益進行綜合評價。

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Research Status of the Effects of Plastic Film Mulching on N2O Emission in Farmland

LI Xiao-sha1,2,YUE Shan-chao2*,LI Shi-qing2

(1.College of Resources and Environment,Northwest A & F University,Yangling,Shanxi 712100; 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau,Northwest A & F University,Yangling,Shanxi 712100)

AbstractPlastic film mulching improved the soil environment,which affected the crop yield and soil N2O production and emission.Research status of the effects of plastic film mulching on N2O emission in farmland was reviewed.Suggestions were put forward according to the existing problems in preseant rsearch.Research direction in this field were forcasted.

Key wordsPlastic film mulching; N2O; Wheat; Rice; Maize; Cotton; Soybean

基金項目國家自然科學基金(41401343)；中央高校基本科研業務費專項資金(2452015093，2452015473)。

作者簡介李曉莎(1990- )，女，河南長垣人，碩士研究生，研究方向：旱作農業及植物營養。*通訊作者，助理研究員，博士，從事旱作農業及植物營養研究。

收稿日期2016-03-23

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-078-04