起垄覆膜栽培方式的效果和发展方向
作者：admin 来源：未知 日期：2020-05-22 08:15人气：
摘 要： 我国北方水资源短缺限制着农业的可持续发展。作物起垄覆膜栽培可以显着提高产量及水分利用效率。本文从起垄覆膜栽培技术的发展与现状、对几种主要作物的增产效果及其原因、未来发展等几个方面进行了综述, 期望为推动起垄覆膜技术的进一步发展、缓解北方水资源紧缺提供指导。作物起垄覆膜栽培是垄作与薄膜覆盖的有机结合, 是将地面修整成垄台、地膜覆盖于垄台之上, 在双垄之间或双垄之上种植作物的一种栽培方式。其增产原因主要包括: 1)提高土壤水的有效性。地膜覆盖抑制地表蒸发, 通过集雨、水汽凝结提高土壤含水量。2)调节地温。垄作覆膜能够提高土壤温度, 尤其是作物苗期的土壤温度, 增加出苗率、成苗率, 促进作物生长发育; 提高昼温差, 降低高温期地温, 有利于作物产量的提高。3)改善土壤理化性质, 改善土壤结构, 调整土壤酶的活性, 为作物生长提供良好的土壤环境。起垄覆膜栽培模式在华北地区未来发展方向: 提高农机配套、新型无害地膜应用、构建不同作物技术规程。
关键词： 起垄覆膜栽培; 作物产量; 水分利用; 增温保湿; 技术规程;
Abstract： The shortage of water resources in northern China limits the sustainable development of agriculture. The crop cultivation technique of ridge-furrow with plastic film mulching can significantly increase the yield and water-use efficiency. This paper reviewed the development and current situation of technology of ridge-furrow cultivation with plastic film mulching, discussed its effects on the yield of several major crops and its mechanisms, and proposed the future development. It was expected to promote the further development of the technology and provide reference for the relevant researches. In the technique of ridge-furrow cultivation with plastic film mulching, a ridge is created, then covered with plastic film; crops are planted between the ridges. The advantages of this technique promotes its application, which are: 1) it improves the effectiveness of soil water. Film mulching over the ridge inhibits surface evaporation and increases soil water content by collecting rain water and condensation of soil water. 2) It regulates the ground temperature. Ridge mulching increases soil temperature, especially at the crop seedling stage, increasing emergence and seedling rates; it also decreases soil temperature during high temperature period, promoting crop growth and development. 3) It improves soil physical and chemical properties, improves soil structure, adjusts soil enzyme activity, and provides a good soil environment for crop growth. However, the mulching film cultivation mode also has certain deficiencies: 1) the development and promotion of the ridge laminating machine is relatively backward. 2) Mulch film creates pollution; this is becoming an increasingly serious problem, and it is laborious to reverse. 3) The technical specifications of ridge mulching technology lack specific standards. The future development directions of the ridge-furrow cultivation with plastic film mulching mode in North China are as follows: 1) improving the agricultural machinery needed to implement this technique; 2) applying a new harmless film; and 3) constructing different crop technical regulations. An in-depth study of the basis of high-efficiency water-saving agricultural cultivation techniques, further research and development of new technologies for agricultural planting methods, and full use of water resources are all necessary for the future.
Keyword： Ridge-furrow cultivation with plastic film mulching; Crop yield; Water use; Warming and moisturizing; Technical regulation;
我国农业水资源缺乏, 随着工农业的疾速发展和人口快速增长, 我国对粮食总量的需求不断增加, 农业生产所面临的供水危机也将更加严峻。中国农业用水约占全国平均年用水总量的70%, 农业缺水达到80%以上, 为了提高作物产量, 生产上多抽取地下水进行灌溉, 造成了诸如地下水漏斗、河流湖泊水量减少等许多环境问题, 使地表水大量流失, 地下水位下降[1,2]。据统计, 我国地面灌溉面积达95%以上, 因田间灌水技术和灌溉管理水平落后, 导致灌溉水利用率低, 水资源浪费十分严重[3]。发展节水农业是缓解我国水资源缺乏现状的重要途径。节水农业指充分利用自然降水和有限灌溉水的农业, 其特点是灌溉农业与旱地农业的有效结合。
节水农业主要包括农艺节水、生物节水、管理节水以及工程节水, 其中农艺节水是指通过调整农业结构、作物结构, 改善耕作制度等手段进行高效节水。起垄覆膜栽培模式作为地膜覆盖技术的一种, 属于农艺节水的范畴。起垄覆膜是一种将地面修整成垄台, 并将地膜覆盖于垄台之上, 在双垄之间种植作物的作物栽培方式。起垄覆膜栽培模式通过起垄改变田间微地形, 增加土壤表面积, 通过两垄之间的沟灌水或者垄上覆膜的微集水, 改变土壤光、热、水条件, 为作物创造良好的水分利用条件。
目前, 国内外对起垄覆膜栽培模式的试验研究不断取得进展。本文综述了起垄覆膜栽培方式对作物生长及产量的影响, 分析了起垄覆膜栽培方式的增产增效原因, 提出了华北地区起垄覆膜栽培技术发展的方向。期望为推动起垄覆膜技术研究的进一步发展抛砖引玉, 为缓解农业用水危机做出努力。
1、 地膜覆盖技术及起垄覆膜技术简介
为了缓解我国水资源短缺的问题, 覆膜种植通过40年的研究与示范, 已在新疆、甘肃、山西等干旱半干旱地区取得了良好的效果, 并得以大面积的推广。
地膜覆盖是用农用塑料薄膜覆盖地表的一种农艺措施。在众多农艺措施中, 地膜覆盖是保持最佳土壤水热条件, 降低蒸腾提高水分利用效率及获得高产的有效措施之一[4]。20世纪50年代, 塑料工业发展迅速, 地膜覆盖技术也随之兴起。日本从1948年开始研究利用, 1955年研究的精力主要集中在水稻(Oryza sativa)覆盖栽培方面, 并进行推广, 1965年正式开展了研究工作[5]。1961年欧洲等国开始将其用于蔬菜等作物, 美国于60年代末开始用黑色薄膜栽培棉花(Gossypium spp.)[6]。我国在70年代初期利用废旧薄膜进行小面积的平畦覆盖, 1979年开始在华北等地区进行试验示范与推广。
覆膜技术是通过农膜农业基础设施建设使作物规避寒冷、干旱等不利的气候条件, 以达到增积温、增湿度的主要目的, 创造出适合生产的、可控的、新的农业生态小气候, 从而延长农业生产时限, 扩展农业发展空间, 是改造自然的一项具体措施, 是高投入、高产出、高效益的一种经济活动[7]。其优点众多, 例如: 有效减少土壤水分蒸发, 显着提高土壤储水量[8], 提高雨后作物水分利用效率; 使土壤保持适宜的温度、湿度, 提高作物出芽率[9]; 缩短作物的生育期, 增加作物产量[10]等。除此之外, 如果在休耕期覆膜, 也可以增加土壤蓄水量和作物产量[11]。
但是地膜覆盖技术也有缺点。首先就是废弃地膜对农田生态环境的污染, 地膜覆盖虽然短时间内在保墒增产方面具有较好的优势, 但可能会降低土壤肥力, 加剧水土流失[12], 并且地膜的残留会污染土壤环境, 不利于耕作; 也有一些研究表明全生育期覆膜会使冬小麦(Triticum aestivum)在生育后期受到高温胁迫降低产量[13,14]等。土下覆膜穴播栽培技术更进一步解决了传统全膜覆盖出现的覆膜困难、苗穴错位、易于被人畜踩破以及应用过程中对作物造成早期保温低效、末期膜下温度过高导致作物早衰的问题, 并且高效保水、适度增温, 在西北干旱半干旱地区作物产量明显高于传统平作[15,16]。
基于对地膜覆盖优缺点的认识, 前人提出了一种新型的覆膜技术——起垄覆膜栽培模式, 它是一种将地面修整成垄台, 并将地膜覆盖于垄台之上, 在双垄之间种植作物的作物栽培方式, 集合了垄作与覆膜两种技术的优点, 在提高作物水分利用效率, 保持地温等方面具有更好的效果。起垄覆膜栽培模式多应用于甘薯(Ipomoea batatas)[17]、马铃薯(Solanum tuberosum)[18]、玉米(Zea mays)[19]等农作物, 尤其是在陕西、甘肃等半干旱地区, 聚水保墒效果显着。起垄覆膜栽培技术集雨效果显着, 降雨时雨水滴落到膜上, 由于膜面光滑, 且垄台倾斜, 雨水顺势流入土壤中, 与降落到土壤中的雨水混合, 使双垄之间的土壤存储的水分高于降雨量。此外, 田间垄台旁的作物发育良好, 边行效应显着。
2 、起垄覆膜栽培模式对几种主要作物增产增效(水分利用效率)的作用
2.1、 对马铃薯产量与水分利用效率的提升
起垄覆膜技术在欧美日等国家被广泛应用于甘薯、果树的栽培, 极大促进了薯类、蔬果产业的发展[20]。薯类作物产量高, 营养丰富, 对环境适应性强。影响旱作马铃薯产量性状的因素有很多, 其中种植模式对旱作马铃薯产量性状有显着影响[21]。目前存在以下几种马铃薯的栽培方式, 分别是平畦不覆膜、平畦覆膜、全膜双垄沟播、全膜双垄垄播、半膜膜侧种植等[21]。
起垄覆膜栽培模式下的马铃薯根系发达, 分布范围广, 生长势强, 叶面积指数较高, 生育期较长, 不仅减少了土壤的水分蒸发, 还加快了马铃薯的生长发育进程。Zhao等[22]研究称, 在马铃薯生长早期降雨稀少的条件下, 在垄沟上全覆盖塑料薄膜是提高马铃薯产量和水分利用效率的有效技术, 全覆盖提高了表层土壤的温度和水分, 且使出苗率提高9.3%~14.4%, 全覆盖在出苗期间可减少蒸发蒸腾量24.0%~45.0%, 但之后增加18.7%, 这主要是由于叶面积指数在马铃薯快速发育时期的快速增加及根冠比的增加; 全覆盖产量比对照高57.4%~78.2%, 水分利用效率比对照增加56.8%~70.3%。Qin等[23]在甘肃农业大学雨养农业研究所实验站所做研究表明, 与平作相比, 垄沟完全覆盖种植的马铃薯块茎产量在2010年和2011年分别提高50.1%~86.8%和36.3%~60.5%; 与对照相比, 2010年和2011年水分利用效率的最高增幅为65.8%~83.9%; 这是因为覆盖处理比其他处理产生更高的干物质和相对生长速率, 并且从地上到块茎的干物质输出效率更高。Zhao等[24]研究表明, 在干旱气象研究所定西气象生态环境实验站所进行的试验中, 与非覆盖地块相比, 2009年和2010年马铃薯覆膜地块的产量分别增加33.9%~92.5%和62.9%~77.8%, 水分利用效率分别提高41.4%~112.6%和45.9%~70.6%; 在早期生长季节, 覆膜垄收获了小于5 mm的降水, 增加了沟槽的土壤含水量, 使沟内表层土保持潮湿, 从而增加出苗率, 并确保在早期生长季节种子块茎更快生长。Tian等[25]在兰州进行的试验表明, 垄作马铃薯的块茎产量比平作高56.8%。垄作覆膜在收集雨水方面起着重要作用, 用垄沟收集雨水可以显着改善土壤水分储存能力, 延长水分可用时间, 沟槽内的种植带不仅可以在其表面接收降雨, 还可以接收垄上径流, 垄沟和沟灌雨水方法可显着提高马铃薯块茎产量。
关于薯类作物垄作栽培的研究有很多, 并且在农场种植中已经得到一定程度的推广。由于薯类作物的产量形成主要集中在地下部, 所以土壤环境对其影响比较大。覆膜有助于改善土壤耕层情况, 提高土壤储水量, 在中国西北半干旱地区, 马铃薯耕作方式采用双垄沟全覆盖以及垄沟全覆盖, 对土壤温度、水分影响最大, 出苗率提高9.3%~14.4%[24]。在垄作栽培的基础上, 能够进一步提高马铃薯的产量。
2.2 、对小麦产量与水分利用效率的提升
垄作栽培对小麦群体与个体间关系的优化起到了重要作用, 并且促进小麦发挥边行优势, 使小麦群体适宜、个体健壮, 最终达到穗足、穗重、穗大的目的, 在自然条件下可使小麦增产10%左右[26]。在中国黄土高原东部的洪洞地区, 利用垄作栽培与地膜覆盖系统, 可使小麦粮食产量增加24.7%~42.1%[27]; 在休耕季节, 覆膜处理增加了土壤剖面深度2 m的蓄水量, 夏季休耕期土壤蓄水量在地膜覆盖处理中比对照增加27%~30%; 薄膜覆盖增加的水可以提供额外的水分, 增加小麦产量。
研究[28]报道, 2009—2010年在陕西杨凌进行的冬小麦覆膜沟播和传统平作播种对比试验中, 起垄覆膜沟播栽培方式因起垄导致小麦播种面积减少, 小麦穗数有所降低, 但是穗粒数、千粒重却显着高于传统平作, 籽粒产量平均提高2 200 kg?hm-2; 除此之外, 小麦干物质在起垄覆膜模式下也明显高于传统平作。因为覆膜后, 土壤有效水增加, 小麦叶片衰老缓慢, 绿叶面积大, 从而光合时间加长; 且起垄覆膜减缓了叶片叶绿素的降解速度, 延长了叶片的功能时期, 最终籽粒产量与对照相比增加15.3%左右; 同时, 起垄覆膜沟播栽培模式下的小麦水分利用效率高于传统平作5.06%。李吾强等[29]研究报道, 在陕西杨凌, 起垄覆膜沟播冬小麦比传统平作栽培增产幅度高达19.3%, 具体原因为小麦地上部分叶片发育速度加快, 叶绿体合成能力强, 延迟了叶片的衰老期; 在冬小麦越冬初期、拔节期0~50 cm土壤储水量起垄覆膜沟播处理比传统平作处理分别高6.1 mm、5.2 mm, 小麦收获后0~2 m土壤储水量起垄覆膜沟播处理比传统平作和起垄沟播处理分别高27.9 mm和12.2 mm。叶胜兰[30]研究表明, 在陕西中部的富平县, 起垄覆膜栽培模式能够有效缩短小麦的生育周期, 提高生物量和小麦产量, 在苗期, 传统平作的土壤含水量最低; 在作物大量需水期的拔节期和抽穗期, 起垄覆膜处理能有效促进小麦的生长, 提高水分的利用效率; 起垄覆膜处理的小麦穗粒数和千粒重显着高于对照, 其中使用液体地膜处理的穗粒数及千粒重为24.44粒和41.00 g, 分别较对照提高19.3%和5.4%, 产量较传统平作提高29.37%。
2.3 、对玉米产量与水分利用效率的提升
地膜覆盖加速了玉米的生长发育, 提高了玉米生长早期植株高度和叶面积指数[31]。起垄覆膜栽培模式对玉米的影响也比较大, 玉米行距基本为50~80 cm, 在双行之间起垄, 不会影响玉米的种植密度, 并且提高了玉米的边行优势。垄两侧种植玉米, 垄上覆膜, 集雨减蒸, 抗逆抑草, 提高地温, 在干旱少雨的地区保证了玉米的需水量, 有利于玉米的正常生长。
田间试验研究报道, 3年间起垄覆膜的玉米水分利用效率和产量明显高于传统平作。该种植模式能够促进无效水转换为有效水, 改善作物的耗水结构[32]; 蒸腾量的增加和蒸发量的减少使起垄覆膜处理蒸发量占总蒸发蒸腾量的比值比传统平作处理低25.5%; 起垄覆膜处理3年平均增产5.3%, 水分利用效率提高15.2%, 并且田间耗水量减少2.8%。白秀梅等[33]报道称, 在晋北地区, 由于起垄覆膜微集水技术加快了玉米的生育进程, 改善了株高、叶面积等植物性状, 所以从玉米穗部性状及籽粒产量分析得出, 起垄覆膜技术平均产量为7 237.26 kg?hm-2, 比对照增产73.26%。刘胜尧等[34]研究称, 自春玉米播种到成苗期覆膜保水效应显着, 水分利用效率较裸地提高81.61%~136.43%, 但是成苗到拔节期正值区域稳定干旱期, 水分胁迫使水分利用效率较对照降低16.96%~21.64%, 产生奢侈耗水; 春玉米小喇叭口期后进入雨季各处理土壤先后复水, 收获期土体水分持平播期, 储水丰富; 河北省春玉米全生育期垄作覆膜经济产量较对照提高9.47%, 水分利用效率提高8.12%。
3、 起垄覆膜栽培增产增效机理
3.1、 起垄覆膜栽培模式对土壤温度的影响
3.1.1、 增温作用
土壤热量影响着种子萌发、幼苗生长、根系发育, 直接或间接影响作物产量, 是作物生长的重要环境因素[35,36]。有研究表明, 覆盖种植方式具有调节地温、提高水热利用效率、改善土壤结构等作用[37,38,39,40,41]。覆膜可以显着提升土壤温度。覆盖地膜后, 由于地膜透光率较高, 白天阳光充足, 光能转化为热能, 地膜上凝结露珠可以阻隔长波通过, 因而地面升温。贴地气层因乱流或平流储存的一部分热能输送到下层土壤, 所以, 地膜下面各土层温度都高于露地。夜间, 土壤多储存的热量源源不断地输送到膜内地面, 从而使覆膜地面温度的下降速度减慢, 同时因为夜间低温, 土壤中的水汽沿膜面大量凝结成露, 又放散少量凝结热, 最终夜间膜内地面温度与各土层地面温度也明显高于露地。根据王成刚等[42]的研究, 在岭东南高寒区, 覆膜土壤在大豆(Glycine max)分枝期温度高于裸地, 5 cm处土壤温度增加4.53℃, 耕层20 cm处日平均地温比裸地提高1.35℃。据报道[4], 覆膜可以提高0~15 cm土层温度, 缩短出苗时间, 促进小麦苗期生长。
不止覆膜能够提高土壤地温, 垄作栽培也具有一定的增温效应。地面实施垄作栽培后, 地表面积比平作增加1/5左右, 土壤受光面积增加, 吸热与散热速率皆高于平作, 昼间土壤温度可比平地增加2~3℃, 夜间散热快, 土温低于平地。由于昼夜温差大, 有利于作物光合产物的积累[43]。有研究表明, 起垄覆膜可提高白天和夜间的表土温度1.0~2.5℃[44]。
3.1.2、 降温作用
覆盖耕作的种植模式主要有保留作物残茬覆盖、秸秆粉碎铺地覆盖、果园和茶园裸地种植豆科作物覆盖以及利用地膜覆盖地面等方法, 每种方法对于作物来说有不同的温度效果, 覆盖所引起的降温[45]也会对作物产量的增加起到一定作用。王有宁等[46]研究表明, 地膜覆盖在生育前期能提高土壤温度和保持土壤湿度, 在旺盛生育期有降温效应, 因而能显着提高作物产量。陈玉章等[47]研究表明, 覆膜和秸秆覆盖均有明显增温和降温效应; 与对照相比, 二者的增温效应主要集中在拔节前, 覆膜增温效果大于秸秆覆盖; 拔节后有明显的降温效应, 秸秆覆盖降温效果大于覆膜; 覆盖处理冬小麦全生育期5~25 cm土层平均温度以碎秆夏覆盖降温效应最明显, 较对照低0.68℃; 覆盖的增温效应主要出现在早晨, 而降温效应主要在中午和傍晚, 覆盖处理对于温度的调控可显着提高冬小麦单位面积籽粒产量(5.0%~29.0%, P<0.05), 覆膜处理比秸秆覆盖提高幅度更大。王有宁等[48]研究称, 在夏季作物旺长期如棉花开花—吐絮期、玉米抽雄穗—乳熟期、大豆开花—结荚期, 地膜覆盖作物枝叶茂盛, 白天所截留的太阳总辐射量多, 作物中下部光照强度小于对照, 导致地膜覆盖作物农田土壤温度低于对照地, 其中白天地面最高温度降温较明显, 棉花、玉米和大豆农田土壤温度比对照分别降低3.1℃、2.7℃和2.5℃, 光温效应可有效减轻夏季高温对作物的危害而利于增产。
3.1.3、 温度效应因季节而不同
除增温、降温比较明显的温度调控作用外, 覆膜在作物生长的某些时期, 对土壤温度的影响作用不明显[49]。根据夏自强等[50]的研究, 在高温季节, 由于受作物郁闭影响, 覆膜与对照的土壤温度差别不大, 土壤温度主要取决于作物的郁闭度。在外界温度起点较低且持续增长的情况下, 秸秆覆盖由于秸秆阻档了太阳辐射, 土壤温度上升缓慢, 日平均温度比无覆盖低2~3℃, 剧烈升温时比无覆盖时低5~10℃; 而在剧烈降温季节, 秸秆覆盖下温度高于无覆盖, 土壤失热速度慢于无覆盖的土壤, 土壤20 cm以上土层日平均温度高于无覆盖。孙万仓等[51]研究称, 随油菜(Brassica napus)生长发育, 生长后期地膜覆盖对土壤温度的影响逐渐减弱, 6—7月(初花—终花期)地膜覆盖温度与裸地接近, 无明显差异。
覆膜的温度效应有时具有特殊的生态效应, 温度变化一定影响到作物的生长发育。地温的提高可能也会对作物生长后期产生负面影响, 尤其是在冬小麦生长后期, 造成作物早衰。因此深入研究还需继续。
3.2、 起垄覆膜模式对土壤水分的影响
土壤湿度受农田水量平衡的各种组成因素制约。起垄覆膜栽培可以集雨、降低作物棵间无效蒸发, 显着改善作物生育期的土壤水分状况[52,53,54]。由于垄作栽培使地面形成波浪形, 垄台与垄沟之间存在一定的高度差, 在湿润多雨的季节, 有利于田间排水防涝, 在干旱少雨的季节, 可以顺沟灌溉, 以免作物受旱。同时, 波浪形的土面改善了田间的气候, 又降低了田间湿度[55]。起垄覆膜影响土壤水分方式可以归为以下3种。
3.2.1、 抑制地表蒸发
覆膜抑制了作物生育期内土壤水分蒸发损失, 调控土壤水分, 增加土壤湿度。Zhang等[56]在中国科学院南皮生态农业试验站的研究表明, 土下覆膜显着改善了土壤上层的水分状况, 在小麦返青期显着增加0~60 cm土层的土壤含水量, 两年度分别增加6.1%(2015—2016年)和6.4%(2016—2017年), 促进了冬小麦的水分利用, 这与覆膜后较低的土壤蒸发和小麦较高的水分利用效率有关。白秀梅等[33]研究称, 在玉米整个生育期内, 起垄覆膜技术使0~60 cm土壤平均含水量分别比对照和平铺膜提高1.81%~2.12%。Li等[57]的研究表明覆膜处理可使蒸发占蒸发蒸腾量的比值(E/ET)从0.32降到0.06。起垄覆膜相对于平作推动了土壤湿润和干燥的时空交替, 增强了水渗透, 抑制了蒸发并减少了热量损失[44]。
3.2.2、 凝结水汽提高表层土壤水分
覆膜后, 土壤中水分气化后在膜上凝结淡化, 为作物出苗提供了有利条件。侯慧芝等[52]研究表明, 覆膜能有效改善冬小麦土壤水分环境, 阻止水蒸汽进入大气, 并可通过凝结深层水蒸汽改善表层土壤水分状况。起垄覆膜在覆膜的基础上, 又进一步改善了土壤水分状况。降雨后, 起垄覆膜的微集水作用使土壤水分含量增加的程度高于降水量, 湿气凝结成露, 流入土壤中, 也增加了土壤水分含量。
3.2.3、 土壤有效水增加
起垄后, 垄与土壤侧面形成弧形切面, 覆膜时膜与垄紧密贴合后, 盖土压实, 防止膜遇风后翻飞, 增加地膜与地表的紧密接触, 降雨后促进地膜集水, 从而实现土壤水分高效利用的目标。起垄覆膜后, 土壤水分供应情况优于平作, 在保持叶片含水率以及供水方面具有明显的优势, 从而提高了叶片的气体交换和光合能力[58]。例如垄作栽培明显改善了玉米的光合特性以及土壤供水和玉米植株的吸水, 使叶片气孔导度增大, 有利于气体交换[59,60], 并且有效提高了降水利用率和利用效率[59,61,62], 解决因春旱胁迫玉米无法播种和出苗的问题, 最终达到增产目的[63,64], 现在已经成为旱地农作物高产栽培的突破性技术[65]。
3.3、 起垄覆膜模式对土壤理化性质的影响
土壤理化性质除受自然成土因素的影响, 人类的耕作活动也能使之发生深刻变化。由于人类活动对土壤侵蚀的影响加剧, 大量土壤资源被破坏, 耕地面积日益减少, 而垄作可以改善土壤侵蚀的现状。何超等[66]研究表明, 在黑龙江省, 与无垄作处理相比, 垄作使坡面径流量和侵蚀量平均减少66.4%~92.4%和72.2%~98.3%。垄作栽培可以改变砂土结构, 增加砂粒直径之间的附着力, 或保持较强的砂土附着力, 并具有很强的抗风蚀能力[67]。根据高明等[68]的研究, 垄作能够明显增加土壤孔隙度、降低土壤容重, 特别是表层土壤容重, 增加土壤熟化层的厚度, 形成上虚下实, 有利于水分和养分的吸收。在0~30 cm土层, 垄面土壤容重比平作降低4.38%~7.95%[69]。除此之外, 垄作栽培对土壤酶活性也有一定的影响。李勇军等[70]研究称, 垄作与平作留茬免耕相比, 可以提高土壤磷酸酶活性和过氧化氢酶活性。张东升等[71]研究称, 垄作免耕下土壤团聚体中的脲酶活性最高, 整体上高于常规耕作。根据Gu等[72]的研究, 在中国西北半干旱地区冬油菜田, 起垄覆膜栽培0~20 cm土壤有机碳含量和酶活性以及0~30 cm土层硝态氮含量均显着高于平作覆膜。
4、 起垄覆膜栽培技术的进一步发展
随着我国人口增加, 工农业发展, 农业可用的水资源量将越来越少, 农业高效用水势在必行[73]。目前, 西北地区对甘薯、马铃薯等作物的起垄覆膜栽培技术已形成规范、系统模式, 在西北地区薯类作物栽培中发挥了巨大的产量优势。但在我国最重要的粮食产区华北平原, 其应用并不广泛, 例如华北平原的黑龙港地区, 旱涝灾害频繁, 某些地方不具备灌溉条件, 导致部分土地撂荒, 严重浪费了土地资源。作为一种农业节水栽培措施, 起垄覆膜栽培技术在缺水的华北雨养旱作区还缺乏系统研究, 应在以下几个方面加强。
4.1、 提高起垄覆膜栽培技术的机械化程度
随着旱作农业机械化水平不断提高, 起垄覆膜栽培技术已日趋完善, 然而与之相配套的农机具尚需全面发展[74]。起垄覆膜栽培技术的推广, 在一定程度上依赖于起垄覆膜机的研发与使用, 目前甘薯、马铃薯的研究较多, 小麦、玉米起垄覆膜机具的研究较少。起垄覆膜栽培技术中使用较广的起垄覆膜机主要有两个。2MBL-2/6型小麦起垄覆膜沟播机是西北农林科技大学自主研发的新型播种机具, 在耕整过的土地上可一次完成起垄、垄上覆膜、沟内3行条播、施肥和播后镇压等多项作业, 尤其能够满足旱地小麦全生育期起垄覆膜沟播的播种要求[75], 可增加粮食产量10%左右[76]。1QLFM-2型甘薯起垄覆膜机是北京市大兴区农业机械研究所研制的甘薯起垄机。它可一次性完成碎土、灭茬、施肥、起垄、镇压、打药和覆膜等作业, 而且垄距可调, 起垄覆膜效果理想[77]。推进机械一体化, 不仅仅包括起垄覆膜播种机的创新与研究, 作物收割机的研究也同样重要, 笔者认为促进起垄覆膜收割一体化关系到起垄覆膜栽培技术的推广。此外, 还有一些配套的整地机、播种机和残膜回收机等。农机机械化是推动作物生产进度、种植模式进步以及经济效益提高的重要一步, 在改善作物种植方式的同时, 针对我国的粮食需求, 我们需要把农用机械与农业生产需求结合, 加强小麦、玉米起垄覆膜机的研究与创新, 在国家大力支持农业机械发展的背景下, 通过制定系统的起垄覆膜机械的标准和技术规程, 将起垄覆膜机推广到农业生产中去。
4.2、 新型无害地膜的应用
目前起垄覆膜所用地膜基本上是一次性地膜, 不仅会对土壤产生污染, 收集残膜还比较费时费力。我们在中国科学院南皮生态农业试验站进行的小麦起垄覆膜研究, 使用的地膜为三层抗老化黑膜, 在自然状况下可以使用3~5年, 并且容易收集, 可以减少对土壤的危害。
不论是土下覆膜还是起垄覆膜, 膜的使用关系着土壤生态环境的变化。目前地膜按功能分为普通地膜和特殊地膜两大类, 普通地膜包括广谱地膜和微薄地膜; 特殊地膜包括黑色地膜、黑白两面地膜、银黑两面地膜、绿色地膜、微孔地膜、切口地膜、银灰(避蚜)地膜、(化学)除草地膜、配色地膜、可控降解地膜、浮膜等。其中黑色地膜主要作用为分隔阳光, 使膜下杂草难以进行光合作用, 具有限草功能, 增温功能有限; 黑白两色地膜主要作用为增加光反射和作物中下部功能叶片光合作用强度、降低地温、保墒、除草, 适用于高温季节覆盖栽培。银黑两面地膜不仅可以反射可见光, 而且能反射红外线和紫外线降温、保墒功能更强, 还有很强的驱避蚜虫、预防病毒功能, 对花青素和维生素丙的合成也有一定的促进作用, 以上3种地膜功能齐全, 使用范围较广, 但地膜都会对土壤造成生态污染。可控降解地膜的使用在一定程度上缓解了这种状况。
目前所研发的可控降解地膜主要包括光降解地膜、生物降解地膜和双降解地膜。在地面部分引入光降解技术, 埋土部分引入生物降解技术, 使用后无论地面还是地下部分均可降解[78]。垄作覆膜栽培技术中, 垄两侧埋地部分在耕翻后可均匀破碎, 降解后的膜片不阻碍作物根系伸长生长, 不影响土壤水分运动。地膜的使用带来了经济效益的同时, 对生态环境的破坏也日趋严重。防止废弃地膜对环境造成污染的方法有回收和使用可降解地膜等方法。但地膜回收的要求较高, 需要大量的人力物力。2006年, 国家提出建立环境友好型社会, 人们对环境污染越来越重视, 在农业栽培方式上, 使用可降解地膜既能保证经济效益, 又能减少对生态的污染。深入研究无害地膜, 大力推广可降解地膜, 是我国发展可持续性农业的重要一步。
4.3、 起垄覆膜栽培模式在不同作物上的具体技术规范
起垄覆膜栽培技术的应用目前主要集中在甘薯、马铃薯等作物的种植上, 在小麦、玉米等重要粮食作物上应用较少。目前对于垄作栽培技术, 尚未对特定作物制作出规范, 以华北平原小麦为例, 小麦作为我国重要的粮食作物, 垄宽和沟宽设定对充分利用降水、达到较高产量至关重要。笔者认为未来关于起垄覆膜的研究应该集中完善覆膜垄与露地沟的宽度配置、起垄覆膜技术的集水能力、保水保温增产机理、不同作物的垄作栽培技术规程等。作物的生长发育离不开地下淡水、雨水、地表水等水资源[70], 通过起垄覆膜, 最大限度地收集与利用雨水, 构建不同作物起垄覆膜栽培技术规范, 是今后重要方向之一。
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