龍 攀,黃 璜
(湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,長沙 410128)
覆膜栽培技術在我國已有30多年歷史,自1978年從日本引進地膜覆蓋栽培技術以來,根據(jù)因地制宜的原則進行試驗和消化吸收,逐步形成了具有中國特色的地膜覆蓋栽培體系[1]。目前,我國的地膜覆蓋種植面積已超過300萬公頃。地膜覆蓋耕作改善了耕層土壤水熱狀況,活化土壤養(yǎng)分[2,3]。許多研究表明,作物覆膜對土壤溫度、水分和養(yǎng)分都有很大的影響,在覆膜小區(qū)域內(nèi)形成一種溫室效應[4]。
近年來各種極端性天氣的出現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大的影響。由溫室效應引起的氣候變暖、特別是冬季氣候變暖,已成為不爭的事實,它對我國種植業(yè)和農(nóng)作物生產(chǎn)已經(jīng)或正在產(chǎn)生重要影響[5]。為了應對氣候變化對農(nóng)作物生產(chǎn)的影響,許多利用覆膜模擬增溫效應的研究開始興起。因此研究作物覆膜溫室效應所產(chǎn)生的影響,對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有巨大的推動作用。
覆膜對土壤具有明顯的增溫效應。白天,太陽光透過膜照射土壤,土壤獲得輻射熱使地表溫度升高,再經(jīng)過土壤顆粒的傳導作用把熱量傳遞給下層土壤,將熱量保存在土壤中;晚間,土壤中的熱量又不斷以長波輻射的形式向外輻射,在通過膜時被膜下的水氣和 CO2吸收,保存在膜下與地面之間的空間。另一方面,地膜隔絕了土壤與外界的水分交換,抑制了潛熱散失[6,7]。地膜覆蓋增溫效果與許多因素有關。王樹森等在分析地膜覆蓋的5 cm深度的土壤溫度時發(fā)現(xiàn),日照時數(shù)、土壤含水量和露地土壤溫度都影響增溫效果,日照時數(shù)越長、土壤含水量越大、露地土壤溫度越低,覆膜的增溫效果越顯著[8]。
據(jù)研究,油菜覆膜栽培能使土壤日平均溫度提高1.7~3.4℃,對不同土層和不同地區(qū)的增溫效果不一樣[9],平均地溫提高3.1℃[10]。覆膜玉米的增溫效應苗期最為明顯,隨著植株長高增溫效應減弱,苗期 5~10 cm土層平均比裸地溫度可提高 2.5~4.2℃[11]。
地膜覆蓋對水稻生育前期的耕層土壤有顯著的增溫效果,而生育后期由于葉面遮蓋增溫則不顯著[12]。據(jù)冬小麥出苗至成熟地溫測定結(jié)果表明,地膜冬小麥全生育期0~5 cm土層較露地提高10.5%;20 cm土層較露地提高 8.9%;其中垂直方向上以 5 cm增溫最多[13]。而對春小麥的研究則表明地膜覆蓋的增溫作用呈“U”型變化,播種后 15 d覆膜增溫作用最為顯著,中期影響不大[14]。
覆膜栽培由于膜的物理阻隔作用有效地減少了土壤水分的蒸發(fā),使水氣絕大部分聚積在地表與膜之間的狹小空間內(nèi);同時因地膜內(nèi)溫度較高,加大了土壤熱梯度的差異,迫使深層土壤水分上移,在上層聚積,形成提水上升的保墑效應,膜內(nèi)水氣增加,到晚間遇冷凝結(jié)在膜內(nèi)壁上,由小變大,再滴落土壤中。如此蒸發(fā)再凝結(jié)加快了土壤水分的運轉(zhuǎn),從而提高了土壤濕度。
張雷[15]對玉米旱作研究表明,雙壟面全膜覆蓋集雨溝播栽培的玉米,生育期土壤含水量平均為 159.4 g/kg,比其它處理高出 14.8%~49.2%。水稻旱作研究表明,覆膜對土壤水分尤其表層土壤水分的保持作用明顯,干旱地區(qū)稻田覆膜下的土壤含水量顯著高于裸地[16]。在油菜生育期間覆膜有利于土壤耕層含水量的提高,且保持相對穩(wěn)定,比對照要高 0.64%~1.38%[17]。李梅等也有報道,覆膜春小麥的土壤含水量顯著提高,增幅達 49.53%[18]。由于覆膜的提墑作用,使得生長后期時作物根層以下土壤含水量比不覆膜的相對要低,在底墑不足或干旱年份則更加突出[19]。
微生物是土壤的重要組成部分,為土壤有機物的分解、養(yǎng)分元素及化合物的轉(zhuǎn)化起到重要作用。地膜覆蓋提供了一個相對穩(wěn)定的高溫高濕環(huán)境,有利于微生物的生長繁殖,數(shù)量增多,生物活性加強。據(jù)陳錫時[20]在棕壤上的測定,地膜覆蓋顯著增加了表層土壤微生物的數(shù)量,與裸地栽培相比,細菌、放線菌和真菌分別增加22.6%,29.3%和19.7%。同時對水稻覆膜研究表明,同期相比,覆膜栽培方式土壤微生物量高于常規(guī)栽培,特別是分蘗期和灌漿期[21]。在土壤微生物種群方面,覆膜對真菌種群影響不大,但對兼厭氣性微生物種群有增強作用,對好氣性微生物種群起減弱作用[20]。
土壤酶活性體現(xiàn)土壤的綜合肥力特征及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化進程,是土壤肥力水平高低的較好指標。研究發(fā)現(xiàn)對水稻來說,覆膜旱作對蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶等都有不同程度的增加,特別對蔗糖酶與過氧化氫酶影響最大[22]。
由于覆膜改變了土壤的溫濕度,土壤微生物活動加強,使土壤的理化性質(zhì)得到改善,促進了植株根系的發(fā)育與形成,改善根系在土壤中的分布及增加根系活力。試驗測得冬小麥地膜覆蓋能顯著增加根系的傷流量、根系對氮素的吸收和根系活性[23]。地膜覆蓋棉花,根系對硝態(tài)氮的吸收能力比對照提高 35.1%,根系的呼吸強度比對照提高 19.1%,單株干物質(zhì)積累為對照的 2.3倍[2]。覆膜不僅有利于根系早發(fā)早扎且有利于延長作物生長后期部分根系的功能[24];同時覆膜還能抑制光合產(chǎn)物向根系轉(zhuǎn)移,根冠比維持在較低水平,對作物后期的生長有利[25]。
地膜覆蓋改善了土壤的水熱狀況與土壤結(jié)構(gòu),促進了土壤微生物活動,加快了土壤有機質(zhì)分解,加速了養(yǎng)分的礦化,使土壤物質(zhì)循環(huán)加快,從而影響各養(yǎng)分元素的代謝轉(zhuǎn)化。
覆膜作物的碳循環(huán)主要是通過植物呼吸、光合、有機質(zhì)分解而起作用。碳的循環(huán)與利用對作物正常生長發(fā)育與生物量的積累起到了關鍵的作用。
地膜覆蓋后顯著增加了土壤中CO2的釋放量。李世清 3次測定覆膜春小麥的平均結(jié)果表明,覆膜比不覆膜 CO2釋放量增加251.5μ g/cm3,差異達極顯著[26]。據(jù)溫祥珍[27]報道,覆蓋后土壤微生物數(shù)量、植株根量大幅度增加,根際CO2可達21.6%~51.5%,是露地相應土層的3~5倍。據(jù)陳永祥等對玉米覆膜研究表明,整個生長期覆膜土壤的 CO2濃度明顯高于裸地,平均高32.4%。在垂直分布下,CO2濃度隨著深度增加而增加,覆膜條件下在40 cm處出現(xiàn)最大值,50 cm以下降低并穩(wěn)定在 1%~1.1%,而裸地的最高值出現(xiàn)在 70 cm[28]。
覆膜同樣影響 CH4的排放。研究發(fā)現(xiàn)在水稻移栽后92 d內(nèi)覆膜水稻強化栽培的CH4排放通量比不覆膜明顯增高,與無膜強化栽培相比,在水稻整個生長期內(nèi)CH4排放總量增加 36.1%[29]。另有研究發(fā)現(xiàn),在水稻旱作時覆膜栽培所排放的 CH4總量也要高于裸地[30]。這說明覆膜后增加了甲烷細菌的數(shù)量與活性,促進了CH4的排放。
地膜覆蓋改變了土壤水熱狀況和生物性質(zhì),也必然影響與土壤微生物密切相關的土壤氮素轉(zhuǎn)換[31]。土壤中氮元素的存在形式有多種,主要以速效氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)及結(jié)合氮的形式存在,而各種形態(tài)的N素最終都以氣體形式從土壤中散失。據(jù)研究,覆膜減弱土壤微生物對氮的固定作用,而加強礦化作用,不利于維持土壤中的活性有機氮庫。對 NH+4-N來說,覆膜對其影響不顯著,在不同生育期與不同土層含量基本穩(wěn)定;但覆膜對 NO-3-N有顯著影響,從不同年份來看,都能促進土壤剖面中的殘留硝態(tài)氮的積累[26]。劉金城等的研究結(jié)果表明,覆膜栽培條件下氮素的礦化作用加強,微生物固定作用減弱,而且連續(xù)多年覆膜栽培,有效性較高的酸解性氮所占比例減少,非酸解性氮比例增加[32]。
一般認為,土壤N素主要以 N2O的形式逸出。地膜覆蓋下土壤微生物的活性增強,同時由于土壤中NO-3-N的積累量增加,N2O的釋放明顯增加,許多研究也證明了這一結(jié)果。朱詠莉等試驗表明,覆膜使地表外和耕層土壤N2O的釋放通量顯著增加[33]。韓建剛等研究表明,地膜覆蓋增加了小麥生長土壤不同土層N2O的排放通量,隨土層加深 N2O排放通量加大,10 cm處的N2O增幅最高[34]。
與促進土壤中速效養(yǎng)分不同,在覆膜條件下,土壤有機質(zhì)比露地土壤含量低,這主要與微生物加強了土壤礦化作用、增強作物對養(yǎng)分吸收有關。杜守宇等的研究表明,覆膜穴播比露地條播春小麥田耕層(0~20 cm)全氮和有機質(zhì)在不同生育期的含量要低,且隨小麥的生育進程而加劇[35]。另有研究表明,覆膜土壤溫度高,有利于土壤有機質(zhì)礦化,加速有機質(zhì)分解,使覆膜比露地土壤有機質(zhì)含量少[36]。
同樣覆膜對磷的有效性也有所影響。研究表明,地膜覆蓋可以增加土壤速效磷的含量,提高土壤磷的有效性[37,38]。對石灰性土壤 ,溫度從 12.5℃到 32.5℃ ,每升高1℃,有效磷增加0.22μ g/g[39]。汪景寬等在研究了長期覆膜對土壤磷素狀況的影響后發(fā)現(xiàn),覆膜會加速土壤中磷的消耗[40]。蔡昆爭等研究,水稻覆膜旱作土壤中速效鉀含量比裸地及常規(guī)水作有所降低[22]。
由此可見,長期覆膜會導致土壤養(yǎng)分消耗過快而造成肥力下降。
由于覆膜改變了土壤的溫濕度,土壤微生物活動加強,使土壤的理化性質(zhì)得到改善,促進了植株的生長發(fā)育及適應力。許多對覆膜作物生育期觀測記錄表明,覆膜能顯著加快作物的生長發(fā)育,促進作物的早發(fā)早熟;對于晚播條件下的作物則能加速生長,縮短物候期,減少晚播對作物產(chǎn)量的影響。洪彬藝研究發(fā)現(xiàn),覆膜加快了花生的出苗速率,顯著提高花生的出苗率[41]。地膜覆蓋油菜的現(xiàn)蕾期、抽薹期、初花期、盛花期和成熟期較對照提前 3~4 d,全生育期縮短 4 d左右[42]。
提高作物的抗逆性。由于地膜作物植株生長健壯,抗病能力增強;穩(wěn)定田間溫濕度,不利于病蟲害的發(fā)生;地膜隔斷土壤,減輕降雨時帶菌泥土飛濺,減少油菜感病機會;同時植株生長整齊不利于病菌侵染[43]。熊雙蓮對水稻覆膜旱作的試驗表明,水稻覆膜栽培紋枯病的發(fā)病率遠遠低于常規(guī)栽培和無膜栽培[44]。
覆膜處理同樣對作物干物質(zhì)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響,合理的地膜覆蓋能促進同化物的形成與分配。
郭志利等[45]研究表明,地膜覆蓋能顯著增加谷子光合效率、凈同化率、干物質(zhì)累積和體內(nèi)干物質(zhì)向穗部的轉(zhuǎn)移,導致覆膜穗長增長速度比對照高 8%~21%,同時,穗占總干物質(zhì)的比例也顯著增加。Niu[46]等在研究了地膜覆蓋對春小麥開花后產(chǎn)量形成的影響后指出,地膜覆蓋春小麥比露地春小麥干物質(zhì)累積量增加26%,并且在灌漿期會使更多的干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)移,最終產(chǎn)量增加36%。然而黃義德等對水稻覆膜旱作研究表明,與常規(guī)種植相比,水稻生長前期在光合面積、光合效率等方面具有優(yōu)勢,到中期逐漸減退,到后期反而不如常規(guī)種植;在干物質(zhì)分配方面,覆膜旱作籽粒前期增重較快,但后期干物質(zhì)分配和運輸存在一定的障礙[47]。
許多研究表明,覆膜能有效提高作物的產(chǎn)量。在油菜上,覆蓋處理對冬油菜產(chǎn)量具有重要影響,與不同的覆膜處理相比,地膜覆蓋產(chǎn)量極顯著高于對照[6]。據(jù)調(diào)查顯示,在陜西不同地區(qū)的油菜生產(chǎn)中,覆膜油菜比露地油菜增產(chǎn)45%~57.2%[9]。在水稻上,水田覆膜具有一定的增產(chǎn)效果,兩年平均單產(chǎn)為8 193 kg/hm2,比對照增產(chǎn)232 kg/hm2,增幅3%[12]。程俊珊在對玉米覆膜試驗中得出,與對照相比,覆膜玉米行粒數(shù)增加8~8.7粒,每穗粒數(shù)增加 112~121.8粒,千粒重增加 40.2~67.0g,單株產(chǎn)量提高 52.7~55.0 g[11]。對冬小麥試驗測得對于不同年份適時播種,覆膜小麥產(chǎn)量比露地小麥高16.1%以上[13]。覆膜對大豆也表現(xiàn)出同樣的增產(chǎn)效果,與裸地相比,覆膜菜用大豆株高、莢數(shù)、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)均要比對照多,具有更高的生產(chǎn)潛力[48]。
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