地膜覆蓋對我國干旱半干旱地區土壤溫度及土壤水分的影響

劉 凱，謝英荷，李廷亮，張奇茹，竇 露，柳玉鳳，紀美娟

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

在我國，42%的國土面積為干旱半干旱地區，50%的耕地為旱作農業。在干旱半干旱地區，雖然有良好的光熱資源，農業生產潛力巨大，但水資源缺乏，加之該地區地下水位深，灌溉困難，嚴重制約了當地的農業發展。因此，只有減少水分蒸發，提高土壤水分利用率，才能促使我國干旱半干旱地區農業得到長足發展。

地膜覆蓋技術是通過人工措施為作物提供良好的生長環境，地膜覆蓋技術可改善土壤的溫度條件，抑制土壤水分蒸發，提高土壤水分的利用效率，具有良好的保溫保墑作用，同時也可以減少雨水對土壤的沖刷作用，改善土壤結構，保持土壤肥力，加強光合作用，防止病蟲草害，極大地提高了我國農業生產的效率，增加了糧食產量。自從我國引進地膜覆蓋技術以來，我國在地膜的生產和使用方面都取得了巨大的成就，我國已經成為世界上最大的地膜生產和使用國家，是其他所有國家總和的1.6 倍[1]。但是也有研究表明，地膜覆蓋阻礙了降水的入滲，多年地膜覆蓋會造成土壤板結，土壤結構性能下降[2]，對土壤肥力消耗過大，在極端高溫條件下，會造成土壤溫度過高，從而引起作物根系和葉片早衰，影響作物的產量[3]。地膜的保墑保溫作用并不能在整個生育期都能起到作用，到作物生育后期，地膜在風化、雜草等外力的破壞作用下開始破裂，土壤與外界開始發生水汽和熱量的交換，地膜對土壤的保溫保墑作用逐漸減小，并在一定程度上阻礙植物根系的生長與發育，降低作物的水分利用效率，甚至會造成作物減產。

為明確地膜覆蓋技術的現實作用和發展態勢，通過查閱相關文獻，探討了地膜覆蓋技術對土壤溫度和土壤水分的影響，旨在為干旱半干旱地區合理的地膜覆蓋提供科學參考。

1 地膜覆蓋對土壤溫度的影響

地膜覆蓋技術可以有效改善地表熱量，增加地表有效積溫，從而使得作物適宜種植區域向北推移，使得一些中晚熟高產優質品種可以在我國北方一些積溫不足、無霜期較短的高緯度和高海拔山區推廣種植[4]。

1.1 地膜覆蓋對作物不同生育期土壤溫度的影響

地膜覆蓋對農作物整個生育期都會產生較大的溫度影響。白天，長波輻射不能穿過覆蓋層，被反射到空中轉化為熱能，提高植物周圍溫度，短波輻射可穿透覆蓋層到達地面，提高土壤溫度，部分熱能以熱傳導方式輸送到土壤深處；夜間，地膜可抑制長波輻射，減少熱量損失[2]。

在作物生育前期，地膜覆蓋對土壤會有較好的保溫作用，可顯著提高耕作層的土壤溫度，減輕低溫災害的影響，為作物的生長發育提供良好的溫度條件，為高產奠定良好的基礎。杜妮妮等[5]研究表明，地膜覆蓋在玉米生育初期增溫效果顯著，保溫作用主要表現在作物苗期，5～25 cm 土層的土壤日平均溫度可比對照提高2.2～3.0 ℃，保證了玉米前期生長發育所需要的溫度條件，有利于玉米的壯苗，從而為其高產奠定了良好的基礎。王紅麗等[6]、白秀梅等[7]、霍軼珍等[8]也得出類似的結論。閆妍名等[9]研究發現，在我國河西灌溉區域，每年都會發生“倒春寒”，對玉米的生長發育產生嚴重的危害，地膜覆蓋在玉米的生育前期具有良好的保溫作用，為玉米的生長發育和高產提供良好的溫度保障。王俊等[10]研究發現，在春小麥播種后15 d 覆膜增溫作用最為顯著,覆膜后土壤溫度每日平均提高5.05 ℃。

在作物生育后期，地膜對土壤的保溫作用會逐漸減弱，地膜對土壤溫度的調節有利于作物的生長與發育。杜妮妮等[5]研究表明，到玉米生長后期，當外界溫度高于玉米生長所需的最佳溫度，地膜覆蓋會降低土壤溫度，5～25 cm 土層可降低土壤溫度0.5～1.1 ℃，地膜覆蓋對土壤溫度的調節有利于玉米的生長和發育。胡明芳等[11]研究也發現，在作物生育后期，地膜覆蓋對土壤積溫作用較小甚至產生負增長作用，之后負增長逐漸減弱。崔福柱等[12]研究發現，在玉米生長發育后期的八九月份，由于玉米冠層逐漸增大，葉子之間相互重疊，減弱了陽光對地面的直接照射，導致地膜的保溫作用降低，覆蓋與裸地溫差也減小，8 月中旬二者溫差最小，為0.37 ℃。閆妍名等[9]也得出類似的結論。

1.2 地膜覆蓋對不同深度土壤溫度的影響

地膜覆蓋對土壤有著良好的保溫作用，但保溫效果在不同的土壤深度有著不同的結果。胡明芳等[11]研究發現，地膜覆蓋使各層土壤溫度明顯增加，由于土壤表層受太陽輻射影響大，地膜覆蓋最大的保溫結果出現在土壤表層，增溫效果隨著土層的加深呈下降趨勢，使各土層溫差擴大，地膜覆蓋使得5，10，15，20 cm 處土壤較露地分別提高4.3，3.2，2.7，2.3 ℃，土壤溫差增加了2 ℃。崔福柱等[12]、王紅麗等[6]等有相似的研究結果。張景俊等[13]研究發現，土壤上層（0～20 cm 土層）溫度受太陽輻射影響較大，生育期波動劇烈，覆膜處理0～20 cm 土層在整個生育期的平均地溫比不覆膜處理高1.79 ℃，地膜覆蓋下0～40 cm 土層平均地溫比土層地溫高1.81 ℃。江燕等[14]研究發現，就不同土層來看，覆蓋地膜可顯著提高5～10，10～20 cm 土層的平均溫度1.2～4.0，2.4～5.1 ℃。白秀梅等[7]研究發現，整個生育期種植行間0～20 cm 土層平均地溫，平鋪膜高出露地1.3 ℃，表現出了地膜覆蓋技術在提高土溫方面的優越性。王紅麗等[6]研究發現，地膜覆蓋對土壤的增溫效果主要體現在表層0～25 cm 位置，對于25 cm 以下的深層土影響較小。

1.3 不同類型地膜覆蓋對土壤溫度的影響

在農用地膜中，普通塑料地膜使用量最大，其帶來增產增收的同時，也造成了環境污染，為了減少地膜覆蓋對土壤的污染，近年來，隨著科技的不斷發展，液體地膜、光降解地膜、光生物降解地膜和完全可降解的生物地膜等環保新型可降解地膜不斷出現，但是不同材質地膜在保溫方面有不同的效果。

對于不同顏色地膜研究表明，地膜顏色越淺，增溫效果越好；反之，地膜顏色越深，增溫效果越差。不同顏色地膜對土壤增溫效應的差異，主要與不同顏色地膜對不同波段光的接收能力不同有關。許樹寧等[15]研究表明，不同顏色地膜對土壤增溫效果不同，不同地膜覆蓋處理的土壤日均溫表現為普通無色透明地膜＞乳白色光降解除草地膜＞黑色地膜＞灰黑雙色地膜=露地栽培，其中，普通無色透明地膜和乳白色光降解除草地膜的土壤日均溫分別比對照高0.8，0.7 ℃，黑色地膜比對照高0.3 ℃，灰黑雙色地膜和露地栽培二者差異不顯著。王安等[16]研究表明，不同顏色地膜覆蓋對土壤溫度有顯著的影響，白色地膜處理條件下土壤增溫效果較黑色地膜處理更好，白膜覆蓋處理土壤的平均溫度相對較高，在同一天的5：00，8：00，14：00，黑色地膜的溫度分別為18.49，21.32，24.39 ℃，白色地膜的溫度分別為20.07，25.07，28.81 ℃，分別較黑色地膜提高1.58，3.75，4.42 ℃。

對于不同類型地膜研究表明，生物地膜、液體地膜、光降解地膜等新型地膜，在保溫效果方面與傳統的塑料地膜和秸稈覆蓋有明顯差別。李仙岳等[17]研究表明，與塑料地膜相比，生物地膜的保溫效果在生育前期無顯著差異，在生育后期保溫效果逐漸下降，不同處理地溫大小順序依次為：普通塑料地膜＞生物地膜＞液體地膜＞無膜。胡廣榮等[18]、胡敏等[19]有類似的結論：春玉米生育前期，生物地膜處理與普通地膜覆蓋處理的土壤溫度無顯著性差異，但土壤溫度顯著高于液態地膜和不覆膜處理；生育中后期，生物地膜出現破損，保溫效果減弱，生物地膜處理土壤溫度較普通地膜處理低0.09～1.19 ℃，但是一定的降溫效應避免了春玉米遭受高溫的危害。霍軼珍等[20]研究結果表明，在作物生育前期，液態地膜處理的保溫效果略低于塑料地膜處理，但優于秸稈覆蓋處理，隨著時間的推移，液態地膜覆蓋破損，降低了土壤溫度，與裸地處理間差異不顯著，但該階段氣溫較高，起到了降溫效應，為作物的高產奠定了基礎。何振嘉[21]、李富春等[22]出也得出類似的結論。

2 地膜覆蓋對土壤水分的影響

地膜覆蓋技術具有良好的保水作用，極大地促進了我國干旱半干旱地區的農業生產發展。就地膜覆蓋的保水機制而言，主要有2 個方面：首先，地膜會阻礙土壤和大氣之間的水分交換，有效地將土壤水分保存在土壤中，降低土壤水分的無效蒸發[23]；其次，地膜覆蓋技術可以使地膜和土壤之間形成一個相對獨立的土壤水分循環系統，地膜覆蓋會阻礙土壤水汽的蒸發，土壤水汽遇到地膜后會返回到土壤中，同時加強了土壤水分的橫向運移，從而大大降低了土壤水分的損耗，使得土壤在沒有水分補給的情況下仍能為作物生長發育提供充足水分，同時也能增強作物對于深層水的利用，對農業生產具有重要意義[24]。

2.1 地膜覆蓋對土壤表層水分的影響

地膜覆蓋對土壤各層含水量都有不同程度的提高，其中，對0～40 cm 土壤表層含水量影響最大。馬浩[25]研究發現，在玉米生育期內，地膜覆蓋比不覆蓋處理提高含水量2%，地膜覆蓋在整個玉米生育階段內維持了一個較對照穩定的水分狀況，在降水后，地膜覆蓋會阻礙雨水的下滲，覆蓋措施下土壤含水量較不覆蓋均不同程度減小。崔福柱等[12]研究表明，地膜覆蓋土壤含水量在降水期比對照低，但是在整個玉米生育階段內維持了一個較對照穩定的狀況，使土壤含水量保持在較小的變化范圍內。張瑜等[26]研究發現，地膜覆蓋可以發揮其抑蒸保墑作用，有效調控、優化土壤水分分布，提高土層含水量，地膜覆蓋處理0～20 cm 土層平均含水量分別比CK 增加了7.53%～13.0%。石有太等[27]、張景俊等[13]也得出相似的結論。馬雪琴等[28]研究發現，整個冬小麥生育期內覆膜處理提高了耕層0～20 cm的含水量，尤其在出苗期蓄水保墑作用明顯，平均表層土壤含水量較對照提高4.95%，在干旱少雨時期，地膜覆蓋處理土壤表層0～20 cm 貯水量較CK增加2.3%。張萬文等[29]研究發現，在玉米種植過程中，地膜覆蓋能夠使5，10，20 cm 土層的土壤含水量分別較露地栽培提高19.5%，7.5%，3.6%，地膜內部較高的溫度也使得地下水不斷地向上層移動，提高了土壤表層的含水量。

2.2 地膜覆蓋對土壤深層水分的影響

對于40～200 cm 土壤深層水而言，靳姍姍等[30]研究發現，地膜覆蓋能夠增加深層水的含量，提高作物對于深層水的利用效率，當干旱少雨、表層土壤水分降低時，深層土壤水分在水勢梯度的作用下不斷上移至表層，并參與膜下水分循環，促使土壤水分不斷地聚集在土壤表層，從而起到提墑作用。王紅麗等[31]研究發現，地膜覆蓋能充分利用土壤深層水分以滿足作物生長需求，由于玉米生長旺盛、根系發達，加之膜下深層土壤水分在毛管作用下不斷上升，使得玉米對土壤貯水量的消耗主要在20～120 cm。馬浩[25]研究發現，地膜覆蓋能夠有效地將降雨蓄積在土壤中，提高深層土壤的含水量，在40～80 cm 土層各處理土壤含水量差異不大，在80～200 cm 土層，地膜覆蓋處理土壤含水量顯著高于不覆蓋處理，較不覆蓋處理提高11.5%。

然而也有研究顯示，高生產力旱作農田易產生土壤干燥層[32]。李建奇[33]研究發現，地膜覆蓋的持續高產消耗了大量的深層土壤水分，連續種植2 a 后，地膜覆蓋對20～120 cm 土層土壤貯水量消耗高達88.6 mm，較對照高出16.6 mm；120～200 cm 土層土壤貯水量消耗達72 mm，較對照高出32 mm。地膜覆蓋在抑蒸、集雨和土壤毛細管的共同作用下[34]，以消耗120～200 cm 深層土壤貯水量為代價維持了20～120 cm 土壤貯水量，以滿足翌年作物生長，但是其對深層土壤水分連年不斷地消耗增加了深層土壤干燥化的風險，對土壤水分年際平衡不利。

2.3 不同類型地膜覆蓋對土壤水分的影響

對于不同顏色的地膜來說，江燕等[14]研究發現，黑色地膜比透明地膜有更好的保水效果，黑色地膜處理的相對含水量高于不覆蓋地膜處理6.5%～20.3%，覆蓋黑色地膜比覆蓋透明地膜的土壤相對含水量高1.2%～8.1%。曾秀存等[35]研究也發現，黑膜覆蓋后的含水量最高，保墑效果最好，不同地膜覆蓋方式下的土壤含水量表現為黑膜平鋪穴播＞黑膜微壟溝播＞白膜微壟溝播＞白膜平鋪穴播＞裸地條播。許樹寧等[15]研究表明，不同地膜覆蓋處理的平均土壤含水量由高到低為：灰黑雙色地膜＞普通無色透明地膜＞乳白色光降解除草地膜＞黑色地膜＞露地栽培，平均土壤含水量分別比對照增加17.4%，13.4%，11.5%和10.1%，灰黑雙色地膜保水效果好，可能與該膜厚度較大、顏色較深、對土壤增溫效果較差有關。

對于生物地膜、液體地膜和光降解膜等新型地膜而言，與傳統的塑料地膜和秸稈覆蓋相比，在保水效果方面有明顯的差異。李仙岳等[17]研究表明，生物地膜與普通塑料地膜的保水效果相近，液體地膜整個生育期土壤基質勢均顯著低于其他覆膜處理，不同處理土壤含水量的大小順序依次為：普通塑料地膜>生物地膜>液體地膜>露地栽培。胡敏等[19]也得出類似的結論。胡廣榮等[18]研究發現，隨作物生育期延伸，液體地膜和生物可降解地膜逐漸降解，其保水效果隨之減弱，不同覆蓋處理保墑效果表現為秸稈覆蓋>生物可降解地膜>液體地膜>不覆蓋處理。霍軼珍等[20]研究發現，從全生育期來看，液態地膜降低了農田污染，同時為馬鈴薯的正常生長提供了適宜的土壤水分條件，不同處理土壤含水率整體表現為普通地膜覆蓋>液態地膜覆蓋＞秸稈覆蓋>不覆蓋處理。宗睿等[36]研究發現，可降解白色地膜和可降解黑色地膜的保水性無顯著差異，但都低于普通白色地膜，不同處理土壤體積含水率均值表現為普通白色地膜＞可降解黑色地膜＞可降解白色地膜＞不覆蓋處理。牟鴻燕等[37]也得出類似的結論。

3 結論與展望

3.1 地膜覆蓋技術對農業生產的作用

3.1.1 對作物不同生育期土壤溫度的影響 在作物生育前期，地膜覆蓋具有良好的保溫作用，可顯著提高耕作層土壤溫度，減輕低溫災害影響。在作物生長中后期，地膜的保溫作用逐漸減弱，甚至會降低土壤溫度，地膜對土壤溫度的調節有利于作物的生長發育，為高產提供了良好的溫度條件。

3.1.2 對不同深度土壤的保溫保墑作用 地膜覆蓋對土壤各層都有不同程度的保溫效果，最大保溫效果出現在土壤表層，隨著深度的加深，保溫效果呈現出下降趨勢。地膜覆蓋可顯著提高0～40 cm表層土壤含水量，地膜覆蓋會阻礙雨水的下滲，但在整個生育期內會維持比較穩定的水分狀況。地膜覆蓋可提高作物對深層水的利用，深層水分在水勢梯度的作用下不斷上移至表層，參與膜下水分循環，為作物生長發育提供水分，但作物的持續高產會消耗大量的深層土壤水分，增加了深層土壤干燥化風險，不利于土壤水分年際平衡。

3.1.3 不同類型地膜的保溫保墑作用 對于不同顏色地膜，在保溫方面，顏色越淺保溫效果越好，顏色越深保溫效果越差，這與不同顏色地膜對光的波段吸收有關；在保水效果方面，黑色地膜比白色地膜具有更好的保水效果。對于不同材質地膜，在保溫效果方面，與普通塑料地膜覆蓋處理相比，生物地膜、液態地膜、光降解膜等新型地膜覆蓋的保溫效果在生育前期無差異，但在生育后期由于新型地膜的降解作用，保溫效果低于普通塑料地膜，但一定的降溫效應避免了春玉米遭受高溫的危害；在保水效果方面，在作物生育前期，塑料地膜與生物地膜和液體地膜保水保墑效果相近，在作物生育后期，液體地膜和生物地膜開始降解，保水保墑效果逐漸減弱，新型地膜在降低農田污染的同時，為作物提供了適宜的水分條件。

3.2 地膜覆蓋技術存在的問題

3.2.1 土壤干燥化風險加大 地膜覆蓋技術使作物在生育前期得到了快速生長發育，提高了作物的產量，但在高產化的背后，農作物會大量吸收土壤的水分和養分，導致土壤水分過度消耗，土壤含水量下降，易引起土壤干燥化現象發生或土壤年際水分平衡破壞，干燥化風險增加。

3.2.2 水分入滲受到影響 在降雨后，地膜在一定程度上會阻礙雨水的下滲，地膜覆蓋下的土壤只能通過側向補給水分，使土壤不能及時得到降水補充，從而影響了土壤的含水量。

3.2.3 污染嚴重 普通塑料地膜在自然條件下很難降解，隨著塑料地膜在農業生產中的大量使用，

我國耕地中存在了大量難以分解的塑料地膜，難以被回收利用[37]，殘留地膜在土壤中大量的集聚對我國耕地質量和農業生產造成了嚴重影響，阻礙了土壤水分和養分的運移，影響土壤的通透性和作物的生長發育，不利于農業機械的耕作和土壤生物的生存，降低了土壤的質量，從而使得農作物減產[38]。

3.3 地膜覆蓋技術發展展望

3.3.1 加強塑料地膜替代品的研發 研究和生產新型的無污染地膜來滿足農業生產的需求，加大對光解膜、生物降解膜、雙解膜、液體地膜等新型地膜的研發和改進，提高新型地膜的保溫保墑效果，降低其對土壤和大氣環境的污染，以便有效地解決農膜殘留帶來的環境問題。

3.3.2 積極發展殘膜的機械化回收和再利用技術加強殘膜回收機的研發和改進力度，提高殘膜回收速度和回收率，研發不同作物、不同生育期、不同栽培模式下的殘膜回收技術，降低回收時對作物及土壤的破壞作用。殘膜回收后，可進行集中打包處理，加強對殘膜的利用研究，使其變廢為寶，實現資源的再次利用。

3.3.3 加強科學監測，正確使用地膜 地膜覆蓋不是在任何土壤水分條件下都是有效的，種子萌發的土壤水分臨界值是15%，地膜覆蓋時應加強科學監測，注意土壤水分應不低于臨界水分值，使地膜覆蓋能夠真正起到保墑提墑的預期目的。

3.3.4 發展滲水地膜，提高降水入滲率 地膜覆蓋會阻斷雨水的下滲，地膜覆蓋下的土壤只能通過側向得到水分補給，從而影響了土壤的含水量，發展滲水地膜，在起到保溫保墑作用的同時，也能將降水下滲到土壤當中，提高雨水的利用率和土壤的含水量。