不同灌溉模式与新型覆盖材料对农田土壤环境的影响

魏鹏程， 张 芮， 马永保， 张真荣

（1. 甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070； 2. 甘肃省引大入秦水资源利用中心，甘肃 兰州 730300）

0 引言

水是构成并维持生命体存活与运动所必不可少的物质，而且还承担生命体内营养物质的“运输官”与生命体内部环境的“调剂师”等重要角色。然而我国水资源的情况不容乐观，据相关统计，我国水资源人均拥有量仅为2 200 m3，而世界人均水资源占有率达9 000 m3，2030 年时，预计我国人口将增加到16 亿，接踵而来的水资源缺口量将增加到400 亿～600 亿m3，到时我国所面临的缺水情况将更加严峻[1]。在工业用水、城市用水、生活用水、生态用水、农业用水的供需调节中，我国的农业用水量占全国用水量的60%以上，然而根据《全国农业可持续发展规划（2015−2030 年）》，2020 年，农田灌溉用水量应保持在3.720亿m³左右[2]。因此，作为农业大国，发展高效节水型生态农业，开展高效节水灌溉技术，改善种植模式，提高作物高产高质刻不容缓。

大水漫灌不仅造成水资源的大量流失，还会造成土壤表面板结，破坏土壤结构与土壤环境，而且土壤盐分下移会使地下水遭到破坏，在蒸发量大的地方会造成土壤盐碱化，不利于农作物的生长。农作物在不同生育时期所需的水量是不同的，大水漫灌时不宜控制进入田间的水量，会造成作物需水期的“旱涝不调”。因此大水漫灌不宜给农作物营造一个适宜的生长环境。

农作物的发育需要适宜的温度、湿度等条件，而在我国大部分干旱地区，由于气候条件的影响，土壤在作物的最佳发芽期间不能同时满足发芽所需的条件。这使得农作物的出苗率大大降低，并且农作物生长受到较大程度的影响。使用新型的高分子材料作为覆盖材料，在土壤表面与大气之间形成致密的隔离层，使土壤与覆盖材料之间形成一个微小的生态循环系统，不仅能提高土壤水分利用率，同时还起到了保温保墒、抑制杂草、防治病虫害等作用，能更好地为农作物的生长发育提供良好的环境。

目前，研究与应用较多的覆盖材料为普通白色地膜和生物可降解地膜，灌溉模式多为滴灌、沟灌、畦灌，并且关于灌溉模式、新型覆盖材料对农田土壤环境影响的研究已取得大量成果。本文叙述不同灌溉模式、新型覆盖材料等对农田土壤环境方面的研究进展，并分析灌溉模式、农田覆盖中存在的问题，旨在充分发挥不同灌溉模式、农田覆盖在农业生产中的积极效应，为不同灌溉模式、农田覆盖的相关研究提供参考。

1 不同灌溉模式对农田土壤环境的影响

1.1 土壤水热特性

土壤水热环境在影响作物生长发育和产量中扮演着不同寻常的角色，也是近些年来灌溉调控和管理研究方面的热点问题[3]。土壤温度的变化是气温、海拔、纬度等因素共同作用的结果，而且土壤温度是影响作物生长、土壤水盐运移、土壤微生物活性及数量、土壤碳储量的重要因素，同时不同灌溉方式及不同灌溉水源均可改变地表热量平衡[4]。李超[5]在对温室草莓的研究中发现，膜下滴灌的温室草莓在果实膨大期土壤温度平均为14.28 °C，盛果期最高土壤温度达18.59 °C，尾果期土壤温度为22.71 °C，在整个生育期膜下滴灌的土壤温度较高，平均温度18.37 °C，相对提升1.94%～19.48%。马筱建[6]的研究表明，不同的地下滴灌没有引起土壤温度与土壤水分的明显变化，但是在0～10 cm土层，采用常规地下滴灌比地表滴灌土壤温度增加了3.24%，而在10～20 cm 土层，温度却反而降低了1.3%。贾咏霖[4]研究发现，滴灌中的高频次灌水是影响土壤温度变化的主要原因，畦灌由于灌水间隔长，利于土壤积温，而且利用黄河水进行畦灌的土壤积温效果优于利用地下水进行畦灌。

水分是限制作物生长发育的主要因素，也是调节植物体内部环境与土壤环境的重要因子。而水资源的有效利用率对农业种植工艺与种植模式的发展有评判性作用，这也是高标准农田、节水型农业的重要评判指标。土壤含水率也是影响地温的重要一环，畦沟分灌模式能有效提高农作物生长前期的耕层温度，进而有利于加速农作物的生长进程，同时使土壤相对干燥，能够使作物根系得到抗旱锻炼，让根系发育更发达。倪东宁[7]研究发现，与常规哇灌相比，畦沟分灌显著提高了作物水分利用效率，既能高效节水，又有效提高了作物产量。郭安安等[8]在微咸水滴灌对土壤水运移的研究中发现，滴灌的布置形式、灌溉水的矿化度、滴头流量均对土壤含水率有不同程度的影响。李东阳[9]研究发现，不同灌溉强度会引起土壤含水率的变化，在0～2、3～5、6～10 cm 土 壤 含 水 率 分 别 为9.51%、9.34%、10.18%，此时在灌溉水量为600、900 和1 200 m3/hm2时，土壤中含水率分别会达到18%、21%和23%。杨培岭等[10]研究发现，在不同水质与交替灌溉相耦合条件下，同一土层的土壤含水率随着灌溉水矿化度的升高而增加，但是随着灌溉水矿化度的提高，盐分胁迫也会越严重，进而导致农作物难以有效吸收水分，从而使得土壤含水率增高。

1.2 土壤环境

1.2.1 土壤养分

作为土壤养分中主要的营养元素，氮、磷、钾等矿质元素在农作物的整个生长阶段中发挥十分重要的作用，并且这些元素通过参与农作物的光合、呼吸作用等生理过程，间接参与并影响农作物质量的提高[11-12]。土壤中氮、磷等矿质营养元素的养分供给效率对农作物养分元素的吸收累积效率影响十分明显，此外，农作物各生育期汲取土壤矿质营养元素的变化也会影响土壤中氮、磷、钾养分的含量[13]。张敬禹等[14]研究发现，在负压灌溉下农田中的土壤碱解氮、有效磷含量会随着茄子生长发育的进程而呈现前期增加后期减小的趋势，而土壤速效钾含量则是随着生育期的进展而逐渐降低，但土壤有效磷含量随负压供水的压力降低而降低。庞建新[15]研究3 种灌溉方式在夏花生地灌水1、5 和7 d 后土壤0～10 cm土层的速效磷、速效钾、碱解氮含量，结果发现沟灌最高，喷灌次之，滴灌最差。亓沛沛等[16]研究发现，滴灌能够有效保持土壤耕层的铵态氮质量浓度，然而漫灌容易使土壤耕层的铵态氮流失，从而降低氮肥的利用率，灌溉方式能显著影响土壤耕作层的平均速效磷质量浓度；相对于铵态氮和速效磷来说，速效钾的物理化学性状相对比较稳定，所以受灌溉方式的影响并不显著。

1.2.2 土壤酶活性

土壤酶来源于土壤微生物、植物根系及动植物残体腐蚀等，是土壤能量转化和物质循环的催化剂，直接参与动植物残体和土壤腐殖质的分解及其转化等生化反应过程，而土壤酶的活性直接决定作物品质，同时也是一项评价土壤质量的关键指标[17-18]。张敬禹等[14]研究发现，在茄子的生育期，与浇灌相比，负压灌溉后土壤脲酶活性更高且差异性显著，土壤磷酸酶活性随茄子生育期的逐步发展而先升后降，而土壤蔗糖酶活性则是与灌水压力的变化有关，而且与灌水压力的变化趋势一致，同时，负压灌溉时对提高土壤酶活性最有利的情况是压力保持在−3 kPa 时，而当供水压力低于此值时，土壤酶活性会逐渐出现酶活性被抑制的情况。杨宁等[19]在研究黄瓜种植时发现，滴灌相比于沟灌土壤蔗糖酶活性显著提高，而且在前30 cm 土层土壤蔗糖酶效果提高最为显著，同时在该范围内的脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶的活性均有显著提升。而陈宁等[20]研究茄子种植过程中也有同样的发现，相比于畦灌，在0～20、20～40 和40～60 cm 土层，膜下滴灌的蔗糖酶活性分别高58.18%、42.30%、40.66%，说明膜下滴灌比畦灌能有效提高土壤蔗糖酶活性，但其提高效果随土层的深入而减弱，且膜下滴灌还能在0～20 cm 土壤耕作层内更显著提升土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶的活性。庞建新[15]在研究不同灌溉方式对夏花生土壤性质的影响时发现，土壤0～10 cm的过氧化氢酶和转化酶活性表现为滴灌>喷灌>沟灌。

2 新型覆盖材料对农田土壤环境的影响

2.1 土壤水热特性

地膜覆盖种植模式是农业生产中常用的一种种植方式，它能有效起到保温保水的作用，特殊的地膜还有除草抑草的效果。刘长源[21]研究发现，在春玉米种植中，生物可降解地膜覆盖的土壤耕作层保温性能良好，且保温效果与普通PE 地膜相近，与没进行地膜覆盖的土壤相比，明显提高了土壤温度，而且土层深度5 cm与15 cm 相比，覆膜的土壤温度变化幅度明显，其中普通PE 地膜覆盖变化幅度最大，在15 cm 土层时普通PE 地膜和生物可降解地膜的增温效果不如5 cm 土层。通过对不同时期10 cm 处土壤平均温度的调查，陆信娟等[22]研究发现，大蒜在苗期至返青期，红色地膜的保温蓄热效果略高于透明地膜，且显著高于绿色地膜。随着温度的进一步升高，抽薹期不同颜色地膜平均地温无显著差异，膨大期透明地膜平均地温升至最高水平，且与其他同颜色地膜相比呈显著差异（P<0.05）。该项研究表明，与透明膜相比，覆盖有色地膜可以显著降低大蒜生育后期土壤温度。地膜覆盖后土层温度会受到当地天气影响，当地面覆盖后耕作层温度与外界气温变化规律一致时，起到的增温效果则与当地的时间和天气有直接性关联。王琪等[23]研究发现，在玉米播种前后及玉米营养生长前期，不同的天气与生长时期的地膜增温效果不同，而在持续降水天气情况下，地膜覆盖基本无增温效果，但地膜覆盖产生的积温增加效果显著。

地膜覆盖除了能减少农田无效耗水、抗旱外，还能在多雨季节起到疏通农田水运输，保护农田水环境的作用。王琪等[23]发现土壤湿度随时间变化主要是由天气条件决定，在持续的极端阴雨天气条件下，地膜覆盖的表层土壤含水量明显小于裸地，幅度为2%～3% 。地膜覆盖也因地膜的颜色不同会产生不同的效果，罗兴录[24]在研究银黑双色、黑色、白色地膜覆盖对木薯的生长影响时发现，与黑色、白色地膜覆盖和裸地相比，银黑双色地膜覆盖具有更强的保水力，土壤含水量也更高，且与裸地相比差异性显著。地膜的不同材质也会对其产生的效果有不同的影响，在提高土壤含水量作用方面，普通地膜要高于降解地膜，但是对土壤后期环境而言，降解地膜更有利于保护环境[25-26]。

2.2 土壤环境

2.2.1 土壤养分

覆膜对农田土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）影响较小，胡志娥等[27]研究发现，覆膜后显著提高S2[有机肥45.0，复合肥12.0（氮肥3.1、磷肥1.2、钾肥1.8）]和 S4[复合肥14.3（氮肥3.9、磷肥1.0、钾肥1.6）]土壤总氮（total Nitrogen，TN）含量，全磷（total Phosphorus，TP）含量差异不显著；S1[复合肥14.3（氮肥3.9、磷肥1.0、钾肥1.6）]和S3[有机肥36.0，复合肥 12.0（氮肥3.7、磷肥1.2、钾肥1.4）]中TP 含量增加而 TN 含量无明显差异。同时还发现，覆膜对土壤溶解性有机碳（dissolved organic carbon，DOC）和土壤有效磷（Olsen-P）有显著影响，其中，覆膜之后土壤中DOC 是不覆膜土壤的1.2～2.1 倍，S1 和S4的Olsen-P 在覆膜土壤中分别为不覆膜土壤的48.2%和62.3%；而在S2 和S3 样中，覆膜土壤中的Olsen-P 比不覆膜土壤分别提高了203%和144%，各样地中NO3−-N均高于NH4+-N，其中NO3−-N 在S1 和S4 样地的覆膜土壤分别降低至不覆膜土壤的24%和16%；S2 和S3 的覆膜处理使NO3−-N 提高了5.1 倍和1.9 倍，而且覆膜降低土壤中SOC∶TN，尤其在S2 和S3 中分别降低了25.8%和6.6%；然而SOC∶TP 和TN∶TP 分别增加了16.4% ～ 90.7%和56.8%～104.0%。地膜覆盖还有利于保墒，罗兴录[24]研究发现，在木薯生长过程中银黑双色地膜覆盖的耕作层中土壤速效氮、磷、钾含量都是最高，银黑双色地膜覆盖的耕作层能有效防止和减少土壤养分淋溶和无效的挥发损失。

2.2.2 土壤酶活性

土壤酶活性的强弱代表了土壤中各营养元素转化供植物吸收利用的能力。地膜覆盖使土壤脲酶和过氧化氢酶活性降低，而土壤蔗糖酶活性有所升高[28]。刘长源等[29]研究发现，土壤脲酶活性在土壤0～10 cm 土层中，普通PE 地膜覆盖、生物可降解地膜覆盖分别较裸地不覆盖高58.73%、33.65%；10～20 cm 土层，2 种不同覆盖材料相比裸地不覆盖提高26.19%、50.98%，在0～20 cm 土层范围内，2 种不同的覆盖材料均能够促进尿素的水解，改善土壤的氮素状况，同时也发现普通地膜覆盖和生物可降解地膜覆盖都能提高土壤过氧化氢酶活性，并以生物可降解地膜覆盖的效果最为显著。杨鑫等[30]研究发现，在黑色地膜覆盖下，冬作马铃薯在块茎膨大期的土壤蔗糖酶、过氧化氢酶活性相比裸地下种植分别提高158.32%、45.54%。由此可见，覆盖材料能在短时间内很好地起到提高土壤酶活性并改善土壤活力，然而不同材质、颜色的覆盖材料起到的效果也各有差异。

3 存在的问题与发展方向

3.1 存在的问题

3.1.1 白色污染

地膜覆盖技术是一种有效提高农作物产量和质量的种植技术，然而它的双面性也需值得关注。地膜覆盖种植技术在带来友好效益的同时，地膜残留也在深深影响土壤呼吸、污染土壤质地，进而造成更大的农田“白色污染”。仅山东省的地膜年使用量就超过10 万t，覆盖面积达到了187 万hm²左右[31]。可见地膜已经在农业生产中扮演着重要的角色，但从“白色革命”到“白色污染”的改变使得土壤环境遭到破坏，严重破坏了土壤中微生物的生态环境平衡，进而破坏土壤肥力运移系统，影响土壤肥力转换效率，甚至造成土壤发生致命性病变，残膜会阻碍农作物幼苗根系对土壤水分和养分的吸收，从而容易造成种子腐坏、根系发生腐烂等，甚至造成作物幼苗直接死亡，降低农产品质量，严重影响农村农田生态环境[32]。因此农田的“白色污染”成了农业生产中急需重视与解决的问题。

3.1.2 新型覆盖材料推广受阻

目前大部分使用的还是普通白色地膜，这种地膜虽然效果好，但是地膜残渣不易收集，也不宜自然降解，因此造成的危害也是长久性的。而近几年新型材质的生物可降解地膜等，不仅有着跟普通地膜类似的效果，而且该类型的地膜残渣可在较短时间内自然分解转化为对农田土壤环境无害甚至有利的物质，不影响农村生态环境，但由于成本的原因导致售价较贵，使用户的成本增加，进而在推广过程中存在较大困难。

3.1.3 研究模式单一

有关灌溉方式与覆盖材料的研究虽然取得了大量的可实用性与理论性的成果，研究体系也相对完善，但是研究内容过于单一，且大多数研究成果是以单因素为准，这样导致研究的全面性和实用性有所降低。在同一作物的不同覆盖材料之间没有灌溉模式形成最优组合，进而形成特定农作物在一定区域内的最优覆膜种植模式。因此，研究内容的丰富化、研究因素的多元化对农业覆膜种植技术的发展与灌溉方式的高效搭配有重要作用。

3.2 解决措施

3.2.1 科技创新，致力农业“第一生产力”

新型环保地膜目前主要种类包括光降解、生物降解和光−生物双降解地膜、液态地膜和纸地膜，但是由于新型环保地膜在生产工艺及原材料种类等多方面限制，其成本较高，在使用推广方面存在较大阻碍[33]。应全力、大胆地进行科技创新，利用科技的力量使地膜的研发达到全新的高度，为我国的地膜覆盖种植技术提供全新的集科技、材料、环保、高产、低成本的新型环保地膜，致力于我国农业发展，为我国的高效节水农业发展提供科技力量支持。

3.2.2 “双手”推动农业健康发展

地膜的使用有利于提高农业的高质量发展，但应该重视“白色污染”。我国制定了一系列规范标准来应对农田“白色污染”，2016 年国务院颁布《土壤污染防治行动计划》及其考核办法，2020 年9 月农业农村部、工业和信息化部等相关4 部门联合发布《农用薄膜管理办法》并开始实施[31,34]。同时切实做好农业残膜的回收工作，强化监督，做好残膜污染源头管控，加快残膜回收体制机制建设[35]。政策的实施使农用薄膜的使用更加规范、更加合理，但由于农户的种植意识只注重产生的经济效果，环保可持续利用发展观念较差，因此，对农用薄膜的大规模使用户进行意识教育和环保可持续理念的培养尤为重要。在“政策”和“意识”的“双手”把控、实施下，地膜覆盖种植技术将更加完善。为打造“绿水青山”的社会环境，走“绿色、生态、可持续”农业发展道路奠定了坚实的基础。

3.2.3 “双模式、多因素”研究

农作物的生长与种植环境是相互依存、相互影响的，且农作物在生长过程中会在土壤表面、土层与作物群体之间进行一系列的物理生物过程进而形成独特的小范围农田气候环境，而作物同时还会受到稳定性相对较强的大气环境影响。在全球气候的影响下，农业生产所需的水热等基本物质资源受到时空变化的影响[36]。然而农业种植环境主要分为作物生长环境和作物周围的非作物生长环境两部分[37]。因此，研究内容的单一，不利于农业的长久发展。研究时应采用“双模式、多因素”的策略，把不同的灌溉模式与灌溉材料进行耦合，全方位、多层次、多领域的进行研究和对比，进而得出一个系统化、实用化的种植模式，致力于发展节水灌溉的高效现代化农业。

4 结束语

总结了不同材料与灌溉模式对土壤水热特性、养分及酶活性的影响。研究结果表明，地膜覆盖能有效提高土壤温度和保持土壤水分，并且不同的覆盖材料对土壤养分和酶活性的影响不同。灌溉对土壤水热特性、养分及酶活性的影响由不同的灌溉水质、水压和灌溉方式来实现，而覆盖材料的推广和农业的健康高效发展需要各方面的协作努力。