有色地膜覆蓋技術研究進展與應用現狀

劉斌寇燕燕陳亮楊世梅杜雷超

(1.甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400；2.甘肅農業大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省農業工程技術研究院，甘肅 武威 733006)

旱地農業是一種在干旱或半干旱地區通過有效利用自然降水，并結合一系列專門的旱作農業技術，旨在提升土地的生產潛力和自然降水的利用效率，其核心目標在于實現農業的穩定和高產，并推動農業、牧業和林業的綜合發展，從而確保這一區域的農業生產的持續性和高效性[1]。研究證實，地膜覆蓋能節水抗旱、保墑增墑，降低土壤水分的熱能消耗，在一定程度上減少地表徑流和肥料的揮發、淋溶和流失，還具有抑制雜草、增光提溫及改善作物生長的非生物環境因素，從而促進作物生長發育，提高作物產量和品質，提高水分利用效率和肥料利用效率等效果[2-4]，顯著提高了旱作農業地區的農業生產效率。由于地膜覆蓋栽培技術操作簡單易行，廣泛推廣應用于小麥、玉米等糧食作物和蔬菜、果樹等經濟作物，在農業生產中創造了巨大的經濟效益，成為一項不推自廣且應用成果顯著的實用栽培技術[5]。在農業生產中最早應用的為透明地膜和白色地膜，也是目前使用類型最多的地膜，近年來，隨著地膜覆蓋技術的深入研究和廣泛應用，學者發現傳統的普通透明地膜和白色地膜對光的透過率較高，反射較少，盡管普通透明地膜在白天具有顯著的增溫效果，但夜間其保溫性能卻不盡如人意。同時，這種地膜下容易滋生雜草，對作物的生長構成了不利影響，且容易造成白色污染[6]，而且在一定程度上會造成作物出現早衰現象。Zaongo等[7]研究發現，覆蓋白色地膜雖然可以在作物生長初期顯著促進生長，但這也導致了土壤水肥過早消耗，使得作物在生長后期面臨土壤水肥水平低下的困境，從而引發早衰和減產情況。透明地膜與白色地膜所引發的一系列作物生長問題以及環境問題，已經成為制約作物健康生長和農業可持續發展的重要因素。在科技持續進步基礎上，已開發出多種具有不同功能和材質的地膜，如有色地膜[8]、除草地膜[9]、可降解地膜[10]、液態地膜[11]以及營養地膜等，為農業生產提供了更多創新性的解決方案。有色地膜是根據不同顏色對太陽光譜透射、吸收和反射特性，作物與害蟲的響應規律制作的新型地膜。研究顯示，不同顏色地膜吸收和反射太陽光譜具有特定規律，通過吸收和反射不同的太陽光線對作物光敏色素吸收進行調節，進一步優化土壤環境，抑制田間雜草發生及生長，促進作物生長發育及產量形成，為農業生產帶來了更多的可能性和優勢[12]。不同作物生長發育、雜草發生和生長、土壤水熱環境及光環境對不同顏色地膜的響應也不一樣[13]。研究表明，不同顏色地膜對同一種作物的影響效應不一樣，同一顏色地膜對不同作物的影響效應也不一樣，因此農業生產中地膜顏色的選擇會直接影響作物的生長發育和產量品質的形成。目前，我國地膜的使用制度混亂，農民對地膜選擇全靠經驗，沒有科學認識到有色地膜的特性和適用作物和地域。因此在選擇不同顏色地膜時，應針對當地氣候條件和被覆蓋作物生長發育特點，在選擇地膜種類時，應充分考慮當地的地理和氣候條件，選擇適宜顏色地膜，以確保為作物創造一個理想的土壤水熱環境，促進其健康生長。有效促進作物增產，持續提高旱作農業區農業生產效率。

1 地膜覆蓋技術的發展與應用

20世紀50年代初期，隨著塑料工業的蓬勃發展，地膜覆蓋技術應運而生并逐漸興起。人們發現，用高分子化合物聚乙烯薄膜覆蓋后的增溫保墑效果很好，于是在農業生產中很快應用，代替了工作量大且效果差的傳統稻草、沙石等地面覆蓋材料，以有色地膜的應用改變傳統的農業地膜應用方式。日本對地膜覆蓋栽培技術的研究相對比較早，其地膜覆蓋栽培技術在實際應用中，其農作物的生產效益相對比較大[14]。1955年，日本將地膜覆蓋栽培技術應用于瓜果、綠葉菜、水稻、大豆、蘋果等作物種植中，對農作物的產量、品質提升起到了一定的促進作用。隨后，在美國、法國、英國、意大利、以色列、澳大利亞等歐美國家迅速接納并深入研究了地膜覆蓋技術，廣泛將其應用于農業生產中。這一技術的普及不僅有效推動了農作物的增產，還顯著擴大了種植面積，為增強農產品的供給能力和促進農民增收發揮了重要作用，被稱為農業中的“白色革命”[15，16]。在國外，地膜覆蓋栽培技術在實際應用中，則是從地膜覆蓋的角度，改變農作物的栽培方式，從而提高農作物的生長發育水平。意大利從1965年開始，就已經采用地膜覆蓋栽培技術，并將其應用于煙草、菠蘿、草莓等經濟價值相對較高的農作物栽培中，以透明地膜的應用，保持土壤溫度，促進農作物早熟。美國以及蘇聯在對地膜覆蓋栽培技術進行研究中，則是將其應用早春時節的低溫干旱環境，以減少水分的蒸發，并提升地表溫度，這樣做能夠更有效地保護農田中的幼苗，同時保持土壤濕潤和溫度穩定。在歐洲，法國最早開始應用地膜覆蓋技術的作物為玉米，目前在園藝作物中廣泛應用黑色地膜、光降解地膜和生物降解地膜等。

1978年開始，通過國內農業技術的創新發展，從日本引入地膜覆蓋栽培技術，并結合國內土壤環境特征，對地膜覆蓋栽培技術進行改良，在我國14個省份內開展了試點工作，將其應用于蔬菜作物的種植栽培中，在促進早熟、增產、增收等方面取得了良好成效[17]。20世紀80年代，地膜覆蓋技術自引進后，其應用范圍逐漸從最初的蔬菜作物拓展至花生、棉花、水稻、瓜類、果樹等多種作物。至1981年，該技術已覆蓋1.5萬hm2的土地，試驗涉及的作物種類更是多達70余種，顯示出其廣泛的適用性和巨大的發展潛力[18]。隨著地膜覆蓋技術的不斷發展和廣泛應用，我國的研究工作也取得了豐碩的成果。本文深入研究了地膜覆蓋栽培的高產機理，探討了地膜覆蓋小氣候條件下水光熱效應的變化規律，分析了土壤理化性質和水肥利用的田間變化對作物生長發育、產量和品質形成的影響。這些研究為進一步推廣和優化地膜覆蓋技術提供了有力的理論支撐和實踐指導。地膜覆蓋具有節水抗旱，減少地表徑流和肥料的揮發、淋溶和流失，降低土壤水分的熱能消耗，具有保墑增墑，增光提溫，抑制雜草，改善非生物環境因素，促進作物生長發育，提高作物產量和品質，提高水分利用效率和肥料利用效率等效果。

2 有色地膜研究現狀及在農作物應用狀況

隨著國內外對有色地膜的開發研究和在各種農作物中的推廣應用，目前用于農業生產的主要有黑色膜、紅膜、黃膜、綠色膜、銀灰色膜、黑白配色膜、兩色膜等，在農用地膜使用中的占比可達到50%左右[19-22]。日本氣候環境特性下，其農用地膜是以黑色地膜為主，使用量達到90%左右，歐美部分國家采用有色地膜的占比也相對較高。近年來，隨著農業技術研究的逐漸深化，在拓展有色地膜種類、功能的基礎上，有色地膜的實際應用效果得到了明顯提升。有色地膜相較于普通地膜，可以增加土溫和保持土壤水分，抑制田間雜草發生及生長，促進作物生長發育及產量形成，并且操作簡單便捷，不僅節省了人力，還避免了風吹、澆水困難等問題，從而降低農業生產成本。有色地膜還具有調節作物生長環境的光照和溫度條件，抑制雜草生長以及防治病蟲害等多重功能，為農業生產提供了更多的便利和保障[23]。

2.1 有色地膜覆蓋對土壤水熱環境和雜草的影響

有色地膜的顏色變化可改變太陽光譜對作物的透射方式，再加上吸收、反射等方式，對作物生長以及病蟲害防控等會產生直接的影響。因此，在對有色地膜的實際應用進行分析中，可根據有色地膜覆蓋的顏色變化，改變作物地表土壤的光輻射水平，影響土壤溫度的升高或降低。研究表明，地膜的透光性能與其熱輻射能力有直接關系，當地膜透射的光線增多時，其熱輻射量也會隨之增加，地膜顏色的選取是作物和土壤獲取光能和熱量多少的關鍵因素，因此，在選擇地膜時，需要充分考慮其顏色對土壤溫度的影響，以實現更好的農業生產效果。研究發現，地膜顏色的不同，透光率也會存在一定的差異性。透光率相對較高的地膜，則土壤保溫效果更加明顯。這種增溫方式在實際應用中，土壤的含水量也會相對降低。從低溫環境的角度分析，選擇透光率相對較低的地膜，可相對提高作物生長的保溫性能[24]。覆蓋黑膜后，花生全生育期0～15cm土壤溫度增加4.0～5.0℃[25]，馬鈴薯根系集中區域的土層土壤濕度增加27.4%～23.1%[26]。銀灰膜與銀黑雙面膜在透光率方面表現出相似的特性，透光率高于黑膜但低于其他顏色的地膜。同時，這2種地膜的表面都具有強烈的紫外線反射性。因此具有很好的除草性，并能有效驅避蚜蟲、防止白粉虱等病蟲害的發生[27]。黑膜基本不透光，因此在太陽輻射下膜下吸收的熱量較透明膜少，因此土壤的蒸散量較低，土壤水分相對增大。研究發現，在玉米全生育期，黑色地膜覆蓋條件下0～100cm的土壤平均含水率較不覆膜和覆白膜分別高17.95%和4.23%，具有較好的土壤保墑效果[28]。在茄子、西紅柿蹲苗階段，銀灰膜在覆蓋0～20cm土層時的保水性能相較于乳白膜和綠膜具有顯著優勢。這種優勢有助于維持土壤濕度，為作物的生長提供有利的水分條件。白天增溫性和夜間保溫性適中[29]。在越冬洋蔥上試驗發現，銀灰膜覆蓋相比黑膜、白膜或透明膜，其增溫、保墑、保溫綜合效果更優，在強光環境中，較其他色膜表現出更好的“降溫”效果，避免高溫造成根系損傷[30]。黑膜較白膜和透明膜表現為基本不透光，不利于雜草在膜下生長，因此具有很好的除草性，被廣泛應用于雜草叢生和高溫季節栽培的園藝植物。楊世佳等[31]在關于不同顏色地膜覆蓋對玉米雜草生長影響的研究中，發現覆蓋白色地膜能夠顯著抑制玉米生育前中期雜草的生長，而在玉米生育期后期，不能顯著抑制雜草發生，而覆黑膜玉米整個生育期無雜草發生。黑白相間配色地膜白色帶下面可充分吸收太陽光，促進增長，黑色帶下面可抑制雜草的生長，克服了普通地膜不能除草的功能。研究發現，黑白地膜與普通透明地膜相比，雜草防控效果好，并且具有差異調節土壤溫度的特點，在生產實踐中，白膜部分在生育前期可以提溫保苗，生育后期有效減輕高溫脅迫對作物的傷害[32]。銀灰色地膜較透明膜能反射紫外線且自身透光率為60%左右，具有驅避蔬菜和瓜果蚜蟲、保持水土和防除草等功能。實踐證明，銀灰色地膜在夏、秋季節覆蓋黃瓜、西瓜等蔬菜作物，具有良好的防病蟲作用[33]。普通透明地膜相比，黑色地膜植株蚜蟲數量差異不顯著[34]。

2.2 有色地膜覆蓋對作物生長發育、產量和品質的影響

地膜覆蓋可以通過顏色變化改變土壤水熱狀況以及空間分布格局，對作物的生長發育以及光合作用控制等會產生直接的影響。在利用黑色地膜后，氣溫較低環境下，可以通過黑色對光的吸收改變土壤的溫度，土壤的增溫幅度變化相對較小。相較于白膜或透明膜，黑色地膜在保墑保溫方面表現更優，能有效抑制高溫環境下土壤溫度的快速升高，確保土壤溫度的穩定性，為保證農作物根系生長區域的溫度、濕度環境滿足實際需求，則需要從地膜顏色的角度，為農作物的生長提供良好的生長環境。而且，有效的地膜選擇對防止作物雜草以及降低病蟲害的發生概率有促進作用。從現有研究的角度分析，在對地膜顏色變化與作物生長情況的關系進行分析中，花生覆蓋黑白配色地膜以及牽銀灰色地面膜后，可提高花生葉片的光合效率以及熒光參數，且花生的飽果率、單果重量也明顯提升。采用2種地膜后，黑白配色地膜的莢果產量可達到4700.0kg·hm-2，淺銀灰色地膜的花生莢果產量可達到4943.3kg·hm-2。同比普通地膜應用中，2種地膜對花生的增長分別可達到6.09%和14.96%，經濟系數明顯提高。目前，黑色地膜被廣泛應用于大棚草莓的種植生產，提高草莓果實的品質。呂桂菊等[36]則證明，不同作物可適應的地膜顏色存在一定的差異性，青椒在覆蓋銀灰色、無色、黑色地膜的產量也所有不同，分別提升了14.74%、11.95%和8.81%，具有明顯差異。徐康樂等在對地膜選擇及應用進行研究中[37]，黑色地膜與無色透明地膜在應用中，前者可提高馬鈴薯16.29%的產量。這一結果表明，黑色地膜在提高馬鈴薯產量方面具有顯著優勢。研究發現，在果樹行間鋪設銀灰色地膜能有效改善梨、蘋果樹樹冠下部葉片的光照環境，提高了果樹葉片的光合作用，促進梨、蘋果樹的花芽形成，這一過程不僅有助于提高果實的成熟度，還能增加其可溶性固形物的含量，使果實著色更加鮮艷[38]。

3 結語

綜上所述，有色地膜的應用對干旱和半干旱農業地區高效節水用水和作物高產、穩產具有重要的意義。因有色地膜對不同波長的太陽光譜吸收和反射呈現不同的規律，不同作物生長發育、雜草發生和生長、土壤水熱環境及光環境對不同顏色地膜的響應也不一樣，因此在選擇不同顏色地膜時，應針對當地氣候條件和被覆蓋作物生長發育特點，選擇適合的有色地膜，為作物生長發育和增產提供優良的水熱環境，持續提高旱作農業區農業生產效率。不同種類、不同功能有色地膜的研發和推廣應用應該得到更多的關注和研究，為農業生產技術創新提供更多創新的解決方案。