作物覆膜温室效应研究进展

龙 攀,黄 璜

(湖南农业大学农学院,长沙 410128)

覆膜栽培技术在我国已有30多年历史,自1978年从日本引进地膜覆盖栽培技术以来,根据因地制宜的原则进行试验和消化吸收,逐步形成了具有中国特色的地膜覆盖栽培体系[1]。目前,我国的地膜覆盖种植面积已超过300万公顷。地膜覆盖耕作改善了耕层土壤水热状况,活化土壤养分[2,3]。许多研究表明,作物覆膜对土壤温度、水分和养分都有很大的影响,在覆膜小区域内形成一种温室效应[4]。

近年来各种极端性天气的出现对农业生产造成很大的影响。由温室效应引起的气候变暖、特别是冬季气候变暖,已成为不争的事实,它对我国种植业和农作物生产已经或正在产生重要影响[5]。为了应对气候变化对农作物生产的影响,许多利用覆膜模拟增温效应的研究开始兴起。因此研究作物覆膜温室效应所产生的影响,对农业的可持续发展有巨大的推动作用。

1 作物覆膜温室效应对土壤的影响

1.1 作物覆膜对土壤温度的效应

覆膜对土壤具有明显的增温效应。白天,太阳光透过膜照射土壤,土壤获得辐射热使地表温度升高,再经过土壤颗粒的传导作用把热量传递给下层土壤,将热量保存在土壤中;晚间,土壤中的热量又不断以长波辐射的形式向外辐射,在通过膜时被膜下的水气和 CO2吸收,保存在膜下与地面之间的空间。另一方面,地膜隔绝了土壤与外界的水分交换,抑制了潜热散失[6,7]。地膜覆盖增温效果与许多因素有关。王树森等在分析地膜覆盖的5 cm深度的土壤温度时发现,日照时数、土壤含水量和露地土壤温度都影响增温效果,日照时数越长、土壤含水量越大、露地土壤温度越低,覆膜的增温效果越显著[8]。

据研究,油菜覆膜栽培能使土壤日平均温度提高1.7～3.4℃,对不同土层和不同地区的增温效果不一样[9],平均地温提高3.1℃[10]。覆膜玉米的增温效应苗期最为明显,随着植株长高增温效应减弱,苗期 5～10 cm土层平均比裸地温度可提高 2.5～4.2℃[11]。

地膜覆盖对水稻生育前期的耕层土壤有显著的增温效果,而生育后期由于叶面遮盖增温则不显著[12]。据冬小麦出苗至成熟地温测定结果表明,地膜冬小麦全生育期0～5 cm土层较露地提高10.5%;20 cm土层较露地提高 8.9%;其中垂直方向上以 5 cm增温最多[13]。而对春小麦的研究则表明地膜覆盖的增温作用呈“U”型变化,播种后 15 d覆膜增温作用最为显著,中期影响不大[14]。

1.2 作物覆膜对土壤水分的影响

覆膜栽培由于膜的物理阻隔作用有效地减少了土壤水分的蒸发,使水气绝大部分聚积在地表与膜之间的狭小空间内;同时因地膜内温度较高,加大了土壤热梯度的差异,迫使深层土壤水分上移,在上层聚积,形成提水上升的保墒效应,膜内水气增加,到晚间遇冷凝结在膜内壁上,由小变大,再滴落土壤中。如此蒸发再凝结加快了土壤水分的运转,从而提高了土壤湿度。

张雷[15]对玉米旱作研究表明,双垄面全膜覆盖集雨沟播栽培的玉米,生育期土壤含水量平均为 159.4 g/kg,比其它处理高出 14.8%～49.2%。水稻旱作研究表明,覆膜对土壤水分尤其表层土壤水分的保持作用明显,干旱地区稻田覆膜下的土壤含水量显著高于裸地[16]。在油菜生育期间覆膜有利于土壤耕层含水量的提高,且保持相对稳定,比对照要高 0.64%～1.38%[17]。李梅等也有报道,覆膜春小麦的土壤含水量显著提高,增幅达 49.53%[18]。由于覆膜的提墒作用,使得生长后期时作物根层以下土壤含水量比不覆膜的相对要低,在底墒不足或干旱年份则更加突出[19]。

1.3 作物覆膜对土壤微生物及作物根系的影响

微生物是土壤的重要组成部分,为土壤有机物的分解、养分元素及化合物的转化起到重要作用。地膜覆盖提供了一个相对稳定的高温高湿环境,有利于微生物的生长繁殖,数量增多,生物活性加强。据陈锡时[20]在棕壤上的测定,地膜覆盖显著增加了表层土壤微生物的数量,与裸地栽培相比,细菌、放线菌和真菌分别增加22.6%,29.3%和19.7%。同时对水稻覆膜研究表明,同期相比,覆膜栽培方式土壤微生物量高于常规栽培,特别是分蘖期和灌浆期[21]。在土壤微生物种群方面,覆膜对真菌种群影响不大,但对兼厌气性微生物种群有增强作用,对好气性微生物种群起减弱作用[20]。

土壤酶活性体现土壤的综合肥力特征及养分转化进程,是土壤肥力水平高低的较好指标。研究发现对水稻来说,覆膜旱作对蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶等都有不同程度的增加,特别对蔗糖酶与过氧化氢酶影响最大[22]。

由于覆膜改变了土壤的温湿度,土壤微生物活动加强,使土壤的理化性质得到改善,促进了植株根系的发育与形成,改善根系在土壤中的分布及增加根系活力。试验测得冬小麦地膜覆盖能显著增加根系的伤流量、根系对氮素的吸收和根系活性[23]。地膜覆盖棉花,根系对硝态氮的吸收能力比对照提高 35.1%,根系的呼吸强度比对照提高 19.1%,单株干物质积累为对照的 2.3倍[2]。覆膜不仅有利于根系早发早扎且有利于延长作物生长后期部分根系的功能[24];同时覆膜还能抑制光合产物向根系转移,根冠比维持在较低水平,对作物后期的生长有利[25]。

2 作物覆膜温室效应对养分循环的影响

地膜覆盖改善了土壤的水热状况与土壤结构,促进了土壤微生物活动,加快了土壤有机质分解,加速了养分的矿化,使土壤物质循环加快,从而影响各养分元素的代谢转化。

2.1 覆膜对碳素循环的影响

覆膜作物的碳循环主要是通过植物呼吸、光合、有机质分解而起作用。碳的循环与利用对作物正常生长发育与生物量的积累起到了关键的作用。

地膜覆盖后显著增加了土壤中CO2的释放量。李世清 3次测定覆膜春小麦的平均结果表明,覆膜比不覆膜 CO2释放量增加251.5μ g/cm3,差异达极显著[26]。据温祥珍[27]报道,覆盖后土壤微生物数量、植株根量大幅度增加,根际CO2可达21.6%～51.5%,是露地相应土层的3～5倍。据陈永祥等对玉米覆膜研究表明,整个生长期覆膜土壤的 CO2浓度明显高于裸地,平均高32.4%。在垂直分布下,CO2浓度随着深度增加而增加,覆膜条件下在40 cm处出现最大值,50 cm以下降低并稳定在 1%～1.1%,而裸地的最高值出现在 70 cm[28]。

覆膜同样影响 CH4的排放。研究发现在水稻移栽后92 d内覆膜水稻强化栽培的CH4排放通量比不覆膜明显增高,与无膜强化栽培相比,在水稻整个生长期内CH4排放总量增加 36.1%[29]。另有研究发现,在水稻旱作时覆膜栽培所排放的 CH4总量也要高于裸地[30]。这说明覆膜后增加了甲烷细菌的数量与活性,促进了CH4的排放。

2.2 覆膜对氮素循环的影响

地膜覆盖改变了土壤水热状况和生物性质,也必然影响与土壤微生物密切相关的土壤氮素转换[31]。土壤中氮元素的存在形式有多种,主要以速效氮(铵态氮和硝态氮)及结合氮的形式存在,而各种形态的N素最终都以气体形式从土壤中散失。据研究,覆膜减弱土壤微生物对氮的固定作用,而加强矿化作用,不利于维持土壤中的活性有机氮库。对 NH+4-N来说,覆膜对其影响不显著,在不同生育期与不同土层含量基本稳定;但覆膜对 NO-3-N有显著影响,从不同年份来看,都能促进土壤剖面中的残留硝态氮的积累[26]。刘金城等的研究结果表明,覆膜栽培条件下氮素的矿化作用加强,微生物固定作用减弱,而且连续多年覆膜栽培,有效性较高的酸解性氮所占比例减少,非酸解性氮比例增加[32]。

一般认为,土壤N素主要以 N2O的形式逸出。地膜覆盖下土壤微生物的活性增强,同时由于土壤中NO-3-N的积累量增加,N2O的释放明显增加,许多研究也证明了这一结果。朱咏莉等试验表明,覆膜使地表外和耕层土壤N2O的释放通量显著增加[33]。韩建刚等研究表明,地膜覆盖增加了小麦生长土壤不同土层N2O的排放通量,随土层加深 N2O排放通量加大,10 cm处的N2O增幅最高[34]。

2.3 覆膜对有机质的影响及其他养分元素的影响

与促进土壤中速效养分不同,在覆膜条件下,土壤有机质比露地土壤含量低,这主要与微生物加强了土壤矿化作用、增强作物对养分吸收有关。杜守宇等的研究表明,覆膜穴播比露地条播春小麦田耕层(0～20 cm)全氮和有机质在不同生育期的含量要低,且随小麦的生育进程而加剧[35]。另有研究表明,覆膜土壤温度高,有利于土壤有机质矿化,加速有机质分解,使覆膜比露地土壤有机质含量少[36]。

同样覆膜对磷的有效性也有所影响。研究表明,地膜覆盖可以增加土壤速效磷的含量,提高土壤磷的有效性[37,38]。对石灰性土壤 ,温度从 12.5℃到 32.5℃ ,每升高1℃,有效磷增加0.22μ g/g[39]。汪景宽等在研究了长期覆膜对土壤磷素状况的影响后发现,覆膜会加速土壤中磷的消耗[40]。蔡昆争等研究,水稻覆膜旱作土壤中速效钾含量比裸地及常规水作有所降低[22]。

由此可见,长期覆膜会导致土壤养分消耗过快而造成肥力下降。

3 覆膜温室效应对作物的影响

3.1 覆膜温室效应对作物生长发育的影响

由于覆膜改变了土壤的温湿度,土壤微生物活动加强,使土壤的理化性质得到改善,促进了植株的生长发育及适应力。许多对覆膜作物生育期观测记录表明,覆膜能显著加快作物的生长发育,促进作物的早发早熟;对于晚播条件下的作物则能加速生长,缩短物候期,减少晚播对作物产量的影响。洪彬艺研究发现,覆膜加快了花生的出苗速率,显著提高花生的出苗率[41]。地膜覆盖油菜的现蕾期、抽薹期、初花期、盛花期和成熟期较对照提前 3～4 d,全生育期缩短 4 d左右[42]。

提高作物的抗逆性。由于地膜作物植株生长健壮,抗病能力增强;稳定田间温湿度,不利于病虫害的发生;地膜隔断土壤,减轻降雨时带菌泥土飞溅,减少油菜感病机会;同时植株生长整齐不利于病菌侵染[43]。熊双莲对水稻覆膜旱作的试验表明,水稻覆膜栽培纹枯病的发病率远远低于常规栽培和无膜栽培[44]。

3.2 覆膜温室效应对作物理化性状的影响

覆膜处理同样对作物干物质的转化产生影响,合理的地膜覆盖能促进同化物的形成与分配。

郭志利等[45]研究表明,地膜覆盖能显著增加谷子光合效率、净同化率、干物质累积和体内干物质向穗部的转移,导致覆膜穗长增长速度比对照高 8%～21%,同时,穗占总干物质的比例也显著增加。Niu[46]等在研究了地膜覆盖对春小麦开花后产量形成的影响后指出,地膜覆盖春小麦比露地春小麦干物质累积量增加26%,并且在灌浆期会使更多的干物质向穗部转移,最终产量增加36%。然而黄义德等对水稻覆膜旱作研究表明,与常规种植相比,水稻生长前期在光合面积、光合效率等方面具有优势,到中期逐渐减退,到后期反而不如常规种植;在干物质分配方面,覆膜旱作籽粒前期增重较快,但后期干物质分配和运输存在一定的障碍[47]。

3.3 覆膜温室效应对作物产量的影响

许多研究表明,覆膜能有效提高作物的产量。在油菜上,覆盖处理对冬油菜产量具有重要影响,与不同的覆膜处理相比,地膜覆盖产量极显著高于对照[6]。据调查显示,在陕西不同地区的油菜生产中,覆膜油菜比露地油菜增产45%～57.2%[9]。在水稻上,水田覆膜具有一定的增产效果,两年平均单产为8 193 kg/hm2,比对照增产232 kg/hm2,增幅3%[12]。程俊珊在对玉米覆膜试验中得出,与对照相比,覆膜玉米行粒数增加8～8.7粒,每穗粒数增加 112～121.8粒,千粒重增加 40.2～67.0g,单株产量提高 52.7～55.0 g[11]。对冬小麦试验测得对于不同年份适时播种,覆膜小麦产量比露地小麦高16.1%以上[13]。覆膜对大豆也表现出同样的增产效果,与裸地相比,覆膜菜用大豆株高、荚数、分枝数、主茎节数均要比对照多,具有更高的生产潜力[48]。

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