地膜覆蓋對旱地作物產量及土壤水分影響的研究概述

柳玉鳳，謝英荷，李廷亮，加武斌，高慧洲，李 超，黃 濤，竇 露

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷 030801）

我國干旱面積較大，旱作農田占耕地面積的50%以上[1]，其中,半濕潤易旱區（降雨量在550～600 mm）耕地占全國總耕地的4.1%，熱量條件較好，適宜發展農業。該區雨量匱乏，蒸發強烈，作物需水期與降水的分配不一致等條件已成為制約農業發展的重要影響因素[2]。因此，采用適當的田間管理措施減少水分無效蒸發，納雨蓄水是該區域農業節水抗旱的關鍵。

20世紀中期，覆膜栽培技術逐漸得到發展[3]，在我國主要用于種植糧食作物和經濟作物。我國覆膜面積始終居于世界前列，并呈不斷增長的趨勢[4]。1981—2013年，我國地膜覆蓋面積從11.7萬hm2[5]增長到2500萬hm2[6]。地膜覆蓋成為旱地作物生產中一種保溫保水、提高產量的重要措施[7]。景東田等[8]研究認為，地膜覆蓋可以有效保蓄土壤水分，達到秋雨春用的目的。王俊等[9]研究表明，地膜覆蓋可以有效緩解作物生長需水期與降水錯位的問題，充分利用有限降雨。但地膜的保墑作用并不能持續整個生育期，在作物生育后期則會抑制根系的生長，降低水分利用效率。國內學者對覆膜栽培技術的研究已取得了一定突破。

筆者將有關地膜覆蓋對旱地作物產量及土壤水分影響的研究進行了綜述，旨在為給半干旱區生產中地膜覆蓋提供科學參考。

1 地膜覆蓋對旱地作物產量的影響

地膜覆蓋能夠滿足作物生長發育所需要的水分，提高耕層土壤溫度，保持土壤肥力，減少病蟲害，促進作物生長發育。因此，較露地而言，地膜覆蓋可明顯改善作物的生長狀況，提高產量[10]。

研究表明，地膜覆蓋具有顯著的增產效應，且覆蓋效果好于不覆蓋，全覆蓋較半覆蓋增產作用更加明顯。任新茂等[11]研究表明，與露地相比，覆膜種植可增加穗粒數48.27%，說明覆膜種植產量提高主要是由于穗粒數的增加；同時，由于地膜覆蓋減少了土壤水分無效蒸發，增大了單位面積種植密度，因而，覆膜種植在密度為8.25萬株/hm2時獲得最高產量，為12 778.47 kg/hm2，而露地種植僅在密度為5.25萬株/hm2時獲得最高產量（8466.02kg/hm2）。張燕青等[12]研究認為，地膜覆蓋處理較不覆蓋處理可以顯著提高玉米產量，平均提高20.8%，且優于秸稈覆蓋處理。王秀領等[13-16]均得出類似的結論。張萌等[17]研究發現，全覆蓋處理較半覆蓋處理具有更優的增產效果，2010—2011年和2011—2012年全覆蓋處理較半覆蓋處理分別提高518～947，171～815 kg/hm2，但不同年份提高幅度不同，這可能與不同年份的雨量分布不同有關。任愛霞等[18]也有相似的研究結論：地膜覆蓋可以顯著提高穗數10%～17%，且全覆蓋高于半覆蓋；最終顯著提高產量29%～30%，且全覆蓋略高。

在覆蓋方式上，大量研究表明，全膜覆土穴播是提高小麥產量的最佳技術途徑，而全膜雙壟溝播技術則是提高玉米產量的最佳覆蓋方式。王紅麗等[19]研究發現，全膜覆土穴播由于其增溫、促進作物耗水的作用，可以顯著增加小麥單株干質量，較CK平均增產432.28%，而且干旱年份增產效應更加明顯。穆靈仙等[20]比較不同覆蓋栽培方法，結果顯示，全膜覆土穴播技術對產量的增加作用更加明顯，較露地條播增加51.69%，而寬幅精播增加34.24%，膜側溝播增加24.87%。楊長剛等[21]研究發現，與露地條播相比，冬小麥產量壟膜溝播增加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%。但從田間操作難易程度、生產資料的投入及產出效益比較來看，全膜覆土穴播田間操作簡單，可反復使用，以減少地膜使用量，降低成本，為最佳栽培模式。柴守璽等[22]試驗結果表明，2008—2009年和2009—2010年2個生長季覆膜各處理的產量較CK分別提高39.3%～64.6%和37.0%～79.1%，其中，全膜穴播的增產效應最明顯，且顯著高于其他處理。但綜合考慮勞動力、產量和經濟效益，全膜覆土穴播為最優栽培模式。李尚中等[23]研究指出，與露地條播相比，全膜雙壟溝播栽培玉米產量平均提高57.8%。閆根海等[24]研究表明，露地條播、壟膜溝播和平膜穴播之間的增產效果大小為全膜雙壟溝播＞全膜平作＞露地條播，這與張養利等[25]的研究結果一致。

在覆蓋年限上，全年地膜覆蓋增產效果顯著。楊海迪等[26]研究表明，周年地膜覆蓋更有利于旱地麥田土壤擴蓄增容，提高小麥產量。馬浩等[27]研究發現，休閑期覆膜和周年覆膜均能顯著提高小麥產量，以周年覆膜產量最高，達5 383 kg/hm2，較露地條播增產15.4%。

但也有一些研究表明，地膜覆蓋會給作物產量帶來負效應。一些學者認為，地膜覆蓋易引起作物早衰現象，從而導致產量下降。張劍等[28]研究得出，由于地膜對土壤溫度的調控不能隨著作物生育期的推進而適時調整，土壤溫度難以滿足作物生長發育的需要，因此，在作物生長中后期，經常由于地溫過高而導致早衰現象。這與李鳳民等[29]的研究結果相似。也有學者認為，地膜覆蓋是以大量消耗土壤有機質和養分為代價達到增產效果的[30]，因此，地膜覆蓋方式不正確會損失土壤中的大量養分，尤其是硝態氮含量的降低，影響土壤肥力狀況，使土壤環境條件惡化，作物產量難以提高[31]。還有研究表明，地膜易破碎、難以回收，大量農膜殘留于土壤導致土壤生態環境惡化，并影響土壤水肥運移和作物根系的生長發育，最終導致產量下降[4]。畢繼業等[32]研究發現，農膜殘留對作物產量具有一定的負效應，會導致作物減產，這種減產效應如果延續16 a就完全能夠與覆膜引起的增產率相抵消。

2 地膜覆蓋對旱地作物土壤貯水量的影響

2.1 地膜覆蓋對表層土壤蓄水量的影響

干旱地區覆膜，可在地表形成一層密閉的物理隔層，有效阻斷土壤水分垂直向上蒸發，促進土壤水橫向運移，改善土壤墑情[33]。

地膜覆蓋對土壤各土層貯水量均有提高作用，并且對表層土壤貯水量的影響更大。李青等[34]研究得出，地膜覆蓋播前0～100，100～200 cm土層貯水量分別比露地增加20%和13%左右。程宏波等[35]研究發現，與露地對照相比，地膜覆蓋可顯著增加不同土層土壤蓄水量，增墑幅度為0.3%～1.9%，其中，0～40 cm土層提高幅度最大，覆膜較CK增加1.7%～1.9%，60～200 cm土層，覆膜較CK增加0.3%～1.4%。張平良等[36]研究發現，與裸地相比，雙壟全膜溝播處理在降水較少年份可以明顯提高0～60 cm土層含水量，而60～200 cm差異并不明顯。李爽等[37]研究認為，不同覆膜方式均可以增加表層土壤水分，滲水地膜可以起到良好的蓄水保墑作用。張俊鵬等[38]研究表明，地膜覆蓋能夠提高0～40 cm土層貯水量，并有效減緩夏玉米生長期間0～40 cm土層貯水量的變幅。這與強秦等[39-40]的研究結果一致。主要是因為覆膜可在地表形成一層密閉的物理隔層，有效阻斷表層水分垂直向上蒸發，促使水分平行移動或向開孔處蒸散，減少土壤中水分不必要的散失，大大降低蒸發總量。同時，由于覆蓋的保溫作用增加了土壤溫度差，促進下層水分上移，積聚于表層，大量增加的水汽凝結于膜內側，受冷凝結成小水滴，滲入土壤，增加了土壤水分。如此循環往復，保證了土壤表層充足的水分含量[41]。有研究表明，與露地對照相比，小麥生長期覆膜可以顯著抑制土壤蒸發，日棵間蒸發量下降約15.6%[42]。也有學者認為，地膜覆蓋土壤中水分含量的增長程度與季節性降水量相關[43]。

2.2 地膜覆蓋對土壤深層水消耗的影響

高效利用降雨資源是旱地農業發展的關鍵，而加強土壤深層水分的利用是其中的一項重要措施[44]。翟夏斐等[45]研究發現，在降水量較少的拔節—灌漿期，土壤水分含量最低。與30 cm土層相比，地膜覆蓋處理60 cm土層貯水量增幅小于無覆蓋處理。地膜覆蓋處理更多消耗深層水分，可能是因為覆膜能夠保證土壤深層水分充足供應，增加作物根系數量，促進根系下扎，加劇了該土層耗水量。柴守璽等[22]研究結果顯示，冬小麥孕穗期前覆膜處理90 cm以下土層水分含量低于CK，孕穗后擴展到20～200 cm處含水量狀況明顯不如對照，只有0～20 cm土層含水量在整個生育期始終高于對照。范穎丹等[46]研究得出，地膜覆蓋比對照在0～90 cm土層多耗水6.7 mm，在90～200 cm多耗水19.7 mm，其中，在90～120 cm土層耗水量差異最顯著。說明地膜覆蓋既增加了深層用水比例，也增加了深層水消耗量。張淑芳等[47-50]研究認為，高效利用土壤深層水分，同時把深層水分提升至作物可利用層是旱作農業提高水分利用效率、增產增收的重要保障。

然而，也有研究顯示，隨著種植時間的累積，深層用水比例不斷加大，長期種植可能對旱作區水分持續利用和生態保持造成負面影響。馮晨等[51]研究表明，春季地膜覆蓋處理不同土層土壤水分含量變化幅度較大，土壤深層水虧缺。宋婷等[52]研究發現，全膜覆土穴播能有效改善土壤水熱狀況，促進小麥對土壤深層水分的利用。謝軍紅等[53]通過研究不同覆膜方式下連作玉米有利于土壤水分持續高效利用的連作年限也得出類似結論。研究發現，由于單季耗水量較高，導致在連作第2年收獲期3種覆蓋處理的土壤貯水量比連作開始時分別降低了30.9%，37.3%和 33.5%，第 3年降低了 23.9%，29.6%和27.5%，造成土壤水分缺失嚴重；隨著連作年限增加，土壤水分虧缺日益嚴重，出現土壤干化現象，不利于土壤水分的持續利用和產量的穩定增加。

2.3 休閑期地膜覆蓋對旱地作物土壤蓄水量的影響

休閑期是土壤蓄水量的恢復、補充時段，這一階段水分的恢復對播前土壤含水量的提高具有重要作用，是保證作物增產增收的關鍵。許多研究顯示，休閑期覆膜有利于強化休閑期雨水的田間保蓄，補充作物生育階段耗水，充分利用休閑期自然降水，改善下季作物土壤水分環境，解決土壤干化和水分可持續利用等問題[54]。

一些研究顯示，休閑期覆膜對播前土壤底墑的提高具有顯著效果。郭媛等[55]研究發現，夏閑期覆膜能夠使播前80～300 cm土層貯水量增加70～80 mm，表明夏閑期地膜覆蓋對80 cm以下土壤蓄水量提高有突出作用。鄧妍等[56]研究表明，夏閑期深翻覆蓋表現出良好的蓄水保墑效果，可以充分利用休閑期自然降水為小麥生育后期生長提供良好的水分條件，尤其提高了120～240 cm土層土壤蓄水量。而喬靈芝等[57]研究認為，秋季覆蓋為冬閑期（大約半年時間）的裸露地表提供了一層保護屏障,能有效提高土壤蓄水量和蓄水效率，為春玉米前期生長提供有利條件。與露地對照相比，平覆地膜、壟覆地膜玉米播前0～200 cm土壤水分含量分別提高21.22，20.49 mm（P＜0.05），貯水效率分別提高26.1%和25.2%，各處理間差異不顯著。

也有一些研究表明，休閑期地膜覆蓋的蓄水效果可延續至孕穗期甚至開花期，達到“伏雨春用”的目的。任愛霞等[18]研究認為，休閑期覆蓋可充分利用休閑期降雨，其中，播種期0～300 cm土層內土壤水分覆蓋較不覆蓋增加28～42 mm，全覆蓋較半覆蓋增加14 mm，且蓄水效果可延續至孕穗期，達到“伏雨春用”的目的。王帥等[58]研究認為，旱地麥田休閑期覆蓋可顯著增加播前底墑，且可將蓄水延用至孕穗期。任新茂等[11]研究得出，由于休閑期覆膜能夠在生育前期形成適宜的水分環境，植株生長旺盛，導致作物前期水分過度消耗，特別是加大了孕穗至開花期耗水量，花后土壤蓄水量減少。故休閑期覆膜的蓄水保墑效果可一直持續到揚花期，許多研究均得出類似結論[56，59-60]。

還有一些學者認為，休閑期地膜覆蓋在欠水年更有利于水分蓄積于深層。陳夢楠等[61]研究發現，休閑期地膜覆蓋能明顯提高播種期0～300 cm土層含水量，豐水年提高35%，平水年提高48%，欠水年提高101%，顯著提高了不同降水年型休閑期土壤蓄水效率，且欠水年土壤蓄水效率更高。高艷梅等[62]研究認為，休閑期覆膜較不覆膜處理能夠明顯增加播種期0～300 cm土層含水量，顯著提高休閑期土壤蓄水效率，豐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積于深層，土壤蓄水量增加20%以上。

3 展望

覆膜措施能夠顯著提高表層土壤水分，促進深層水分利用，且休閑期覆膜也可明顯增加土壤水分含量，具有良好的納雨蓄水效果。然而，隨種植時間的累積，深層用水比例不斷加大，長期種植對旱作區水分持續利用和生態保持有無負面影響尚待進一步研究。就地膜覆蓋對作物產量的影響而言，其優良的保墑增溫效應使得它對旱地作物產量具有一定的作用。但也有研究顯示，由于其大量消耗土壤有機質和養分，以及引起的作物早衰、農膜殘留等問題導致后期產量不穩定甚至減產。因此，雖然覆膜栽培技術對作物產量、土壤水分等方面研究已初具規模和成效，但有些技術和理論等方面仍需進一步深入研究：（1）重視土壤肥力、水分、溫度和作物產量之間耦合關系的研究[28]。在旱作農業區水分是制約當地農業發展的首要因素，水肥之間的耦合尤為重要。應重視土壤水、肥、氣、熱與產量之間耦合關系的研究，避免作物早衰、過度消耗土壤貯水和有機質等問題。（2）加強地膜替代品的開發與研制。要降低農膜殘留對農作物產量的負面影響，就必須在合理應用覆蓋栽培技術的同時，加強現代綠色多功能可降解材料的適應性推廣研究。（3）加強地膜回收技術、措施和機具的研發與改進。從長遠來看，地膜殘留造成的減產率可能會大于地膜覆蓋的增產率，而且液態地膜和降解地膜的時間效應與作物需求難以吻合，降解產物對大氣及土壤生態有無負面作用不能確定。因此，提高殘膜清理效率和完善回收技術是解決農膜殘留問題的重要措施。目前，采用人工撿拾或耙子清理殘膜仍是主要措施，其殘留率較高。因此，在今后的研究工作中，應加強地膜回收技術、措施和機具的研發與改進。積極推行作物生長中期適期揭膜技術，同時研制新型地膜回收機具，最大限度地減少塑料地膜在土壤中的殘留[33]。

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