水稻覆膜旱作對土壤環境及水稻生長的影響研究進展

趙 龍，張友良, 王 娟, 田承偉，苗恒錄

(1.揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州225009； 2.撫州市水文局，江西 撫州344000； 3.水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020)

1 研究背景

我國是水稻生產大國，2016年我國水稻總產約2.11×108t，占世界的28.5%，居世界第一[1]。但是我國水稻主要種植方式為淹水灌溉，耗水達13 500 m3/hm2，遠高于其生理需水[2]。水稻覆膜旱作技術可以減少水稻生長過程中的水面蒸發和深層滲漏、避免水稻早期的低溫脅迫、能夠抑制雜草、保證產量和提高水分利用效率[3-6]。因此，在水資源日益緊缺的形勢下，研究利用水稻覆膜旱作技術以提高水稻的產量和水分利用效率，對于保障我國水安全和糧食安全具有重要意義。

本文通過總結歸納已有研究文獻，分析水稻覆膜旱作對土壤水肥氣熱的影響機理及對水稻生長、產量和水分利用效率的影響機理，探討水稻覆膜旱作技術存在的問題及未來研究方向，為該技術的進一步研究與應用提供參考。

2 水稻覆膜旱作對土壤水肥氣熱的影響

2.1 水稻覆膜旱作對土壤水熱的影響

覆膜水稻相較于裸地旱種可以有效提高土壤溫度和土壤含水率。覆膜削弱了潛熱交換損失，減弱土壤與外界的熱交換，使土壤熱通量和土壤溫度增加。同時，地膜阻隔了稻田和外界環境的物質與能量交換，使土壤蒸發的水汽被保留到稻田與薄膜形成的氣室中，當晝夜溫度降低時水汽凝結成水滴返回土壤，保持土壤水分，使土壤含水率增加[7]。程旺大等[8-9]研究了水稻覆膜對土壤含水率和土壤溫度的影響，結果表明：0～60 cm土層內，水稻覆膜的土層含水率均高于常規旱作處理下的土層含水率；0～20 cm土層內，日平均最低和最高土壤溫度均高于常規旱作處理。 Li等[10]研究表明水稻覆膜處理的土壤含水率約為飽和含水率的80%，其土壤溫度比常規旱作高約13%，隨著水稻的生長該增溫效應逐漸減弱甚至消失。

2.2 水稻覆膜旱作對土壤養分的影響

土壤養分是水稻生長和產量增加的保障，土壤養分含量和分布受土壤通氣性、土壤水分和溫度等的影響。水稻覆膜旱作通過調控土壤水分溫度和土壤通氣性來影響土壤養分含量及其時空分布。潘臘青等[11]發現水稻覆膜土壤中鐵和錳的有效態含量分別提高了47.8%和19.9%。Liu等[12]研究表明水稻覆膜會增加5～20 a內土壤有機碳(SOC)和氮含量，且能使土壤容重增大。Li等[13]、李永山等[14]研究表明，與常規淹水栽培相比，覆膜處理的土壤有機質含量減少8.3%～24.5%，全氮含量減少5.2%～22%，速效鉀含量減少9.6%～50.4%，全磷含量減少13.5%～27.8%，這主要是因為覆膜增強了水稻根系的生長，使其能從土壤中吸收更多的營養物質，進而減少土壤中有機質和無機質的含量。此外，因為覆膜改善了土壤通氣性，覆膜水稻土壤銨態氮、硝態氮和無機氮的含量要遠高于常規水種和裸地旱種。Yang等[15]在蘭溪實驗發現水稻覆膜會降低土壤有機質、全氮、速效磷和可交換性鉀的含量，這與李永山等[14]的研究結果一致。但是Chen等[16]研究表明水稻覆膜總體上可以維持土壤氮儲量，水稻覆膜能夠促進根系生長，提高氮肥的利用效率，使得C和N返回至土壤中，與土壤硝化和生物固氮的影響抵消，防止了土壤總氮的凈損失。

2.3 水稻覆膜旱作對溫室氣體排放的影響

全球氣候變化越來越受到關注，稻田溫室氣體排放也逐漸成為研究的熱點。土壤中有機質可分解為無機碳和無機氮，無機碳在厭氧環境下產生CH4，無機氮在硝化和反硝化過程中會產生N2O。水稻覆膜旱作通過改變土壤有機質含量、土壤通氣性和土壤水分溫度等來調節溫室氣體排放量。

常規淹水種植的稻田長期存在水層，促進了甲烷菌的生長和活性，使得CH4排放通量增加。與常規淹水種植相比，覆膜旱作可以改善土壤的通氣性，使土壤的氧化還原電位處于一個較高水平，抑制了CH4的產生，但覆膜同時會使土壤水分發生劇烈的變化，使得硝化作用和反硝化作用同時存在，再加上外來肥料的一次性施入，導致N2O急劇增加[17-18]。劉芳等[19]發現覆膜水稻全生育期CH4累計排放通量為2.46 g/m2，較常規淹水處理降低了88%。張怡等[20]在四川中部對覆膜水稻全年CH4排放通量進行研究也得出類似的結論。王玉英等[21]通過對常規淹水、常規旱作、覆膜旱作3種栽培方式對照處理的研究表明，拔節后覆膜旱作栽培的CH4平均排放通量為11.776 mg/(m2·h)，低于常規淹水栽培的14.024 mg/(m2·h)。Zhang等[22]在2010-2014年通過實驗得出，與常規淹水栽培相比，覆膜水稻CH4排放通量降低了45%～85%，但N2O的排放通量增加了2.06～11.53倍。張旭[23]的研究表明，水稻覆膜旱作處理中基本上沒有檢測到CH4的排放，但覆膜水稻N2O的總排放通量的平均值為611 mg/(m2·h)，遠高于常規淹水處理的37 mg/(m2·h)，且水稻排水落干期施肥會對N2O的排放產生促進作用。石將來等[24]研究表明，覆膜處理下CH4和N2O的GWP(全球增溫潛勢)分別為386.05和862.91 kg/hm2，均高于常規處理(262.01和771.95 kg/hm2)。

為減少覆膜產生的溫室效應，有研究表明可以在覆膜稻田中加入穩定性肥料(添加脲酶抑制劑或硝化抑制劑或同時添加兩種抑制劑的肥料)[25-27]。于海洋等[28]將硝化抑制劑(三氯甲基吡啶，CP)與尿素配施加入覆膜水稻系統中發現產量提升0.24 t/hm2且CH4和N2O的排放通量均降低11%。張怡等[29]研究發現在覆膜水稻系統中用控釋肥料代替尿素可以在不影響產量的同時使N2O的排放峰值減少43.6%、總排放量減少52.6%。

綜上所述，前人關于對于覆膜旱作對水稻田間土壤水熱、土壤養分及溫室氣體排放進行了深入研究，得出覆膜旱作相較于常規旱作可以增加土壤水分及土壤溫度，尤其是在水稻生長前期，覆膜的增溫保墑作用明顯。但是覆膜旱作對土壤養分的影響，不同研究者得到的結論不一致，有的認為覆膜旱作可以增加土壤有機質和氮的含量，但也有人發現該技術會減少土壤有機質和氮的含量，這可能是由于不同研究者的水稻覆膜和水稻品種不同，導致其研究的覆膜增溫效益及覆膜對水稻根系生長的影響不同，進而影響了土壤養分的含量。對于溫室氣體排放，研究者認為覆膜旱作可以減少CH4的排放，但是N2O的排放會有一定程度的增加。

迄今為止，前人關于不同顏色的覆膜材料對土壤水熱、土壤養分及溫室氣體排放研究較少，由于不同顏色的薄膜材料光學性質不同，對水稻田間土壤水熱環境的影響不同，從而對土壤養分及溫室氣體排放通量的影響有所不同。目前對于水稻不同生育期覆膜旱作條件下的土壤水熱、土壤養分及溫室氣體排放的研究也較少。

3 水稻覆膜旱作對水稻生理生長及產量和水分利用效率的影響

3.1 水稻覆膜旱作對水稻生理生長的影響

土壤水肥氣熱的變化會影響水稻根系的生長及其對水分和養分的吸收，進而影響水稻的分蘗、冠層生長及地上生物量的形成等。徐俊增等[30]通過建立水稻莖蘗動態模擬模型發現，覆膜水稻分蘗前期莖蘗增長緩于常規處理，分蘗高峰期滯后10～20 d。王曉航等[31]研究發現，灌漿期覆膜水稻的葉面積指數均高于7。張亞男等[32-33]研究表明，覆膜水稻在0～40 cm土層內的根干重、根長密度和根表面積，均顯著高于常規淹水栽培。劉曉菲[34]對覆膜水稻生長特征的研究表明，水稻覆膜可促進更多根系分布于根區深層土壤中。Yang等[35]對水稻抗倒伏性影響的研究表明，覆膜會增加水稻的單株生物量，且倒伏指數較常規種植增加14.68%～17.09%。李森[36]研究了不同覆膜處理下水稻的根系變化，發現生育前期覆膜水稻根系生長和分枝最強,但之后卻受到抑制，這主要是因為在水稻生長前期，覆膜處理可以提高土壤溫度和含水率，對水稻根系生長產生促進作用，但之后隨著覆膜增溫效應和土壤肥力的減弱，使水稻根系生長受到抑制。大量研究表明，與常規淹水栽培相比，在水稻覆膜的基礎上實施直播技術還可以縮短水稻生育期，提高光合生產上的葉面積指數、光合勢和凈同化率[37-39]。

3.2 水稻覆膜旱作對水稻產量的影響

水稻產量形成的過程實際上是干物質積累、分配與轉運的過程[40]。水稻覆膜旱作通過影響土壤水肥氣熱環境間接影響水稻的生理生長及其產量。目前研究表明覆膜水稻的產量明顯高于常規旱作處理，但產量與淹水處理在不同地域和種植時間上差異明顯。王友貞等[41]研究發現水稻覆膜后與裸地旱種相比每公頃產量至少增加2 500 kg，這主要是因為覆膜的增溫保墑作用使水稻在生育前期的生長分蘗速度高于常規旱作處理，從而增加了地上部分干物質的積累。肖海華等[42]2011年4-8月在四川資陽的研究發現，覆膜水稻產量達到8 620 kg/hm2，較常規淹水處理增加18%，其穗長、穗粒數、千粒重、有效穗數、結實率等產量構成因素均高于常規處理。Guo等[43-44]2014年5-9月分別在中國中部海拔500和900 m地區進行實驗，發現水稻在高海拔地區的產量、每平方米的小穗數和籽粒充實率顯著高于低海拔地區。劉美菊[45]2011年4-9月在湖北十堰等多個地方的研究發現，覆膜處理使水稻產量較淹水處理提高18%。Qu等[5]在湖北經過7年的田間試驗也得到了類似的結論。而張自常[46]于實驗期的6-10月在江蘇揚州的實驗發現，覆膜導致水稻減產約10%。崔國賢[47]1998年6-10月在江蘇大豐的實驗發現，覆膜旱作使水稻產量和產量構成因素均有所下降，不同品種對旱作環境的適應性也明顯不同。這可能是因為在春季高海拔地區溫度偏低，覆膜有效提高了前期的土壤溫度和含水量，使其有利于水稻生長；而在夏季低海拔平原地區，過高的溫度反而會抑制水稻的生長。

不同的施氮量和種植方式也會影響覆膜水稻的產量。鄧小強等[48]研究表明，施氮120 kg/hm2時，覆膜水稻產量最高單產9 532.9 kg/hm2。豐大清等[49-50]對水稻產量的研究表明，用150 kg/hm2的控釋肥代替尿素可以使覆膜水稻增產27.3%，另外對覆膜水稻進行廂畦式處理可以使水稻增產28.44%。袁玲等[51]對秸稈還田條件下水稻產量的研究表明，覆膜水稻的產量平均提升3.3%，且能有效提升稻米中的鐵、鋅含量。

由此可見，水稻產量受品種、氣候、土壤肥力和管理措施等多方面因素的制約，外界氣候條件和土壤環境通過影響水稻的生理狀況，進而影響水稻干物質積累和產量。覆膜處理對水稻產量的影響機理還有待進一步探究。

3.3 水稻覆膜旱作對水分利用效率的影響

水稻覆膜旱作田間沒有淹水，可以大量減少棵間蒸發和深層滲漏，從而降低作物需水量和灌水量。張立成等[52]研究表明，覆膜水稻灌溉用水量比常規灌溉低9.54%，灌耗比降低0.1。金欣欣[53]研究表明，覆膜水稻全生育期蒸騰總量降低6.1%～9.7%，深層滲漏和蒸發損失相對常規處理降低80%以上。石建初等[54]研究發現，覆膜水稻的生態耗水較常規淹水減少了57.2%，總耗水量減少了34.6%，且當根區平均土壤含水量保持在田間持水量的80%時，其節水效果更為明顯。朱士江等[55]在黑龍江通過不同灌水條件(淹灌、控灌和間歇灌溉)對覆膜水稻耗水量進行研究，發現與常規處理相比，覆膜淹灌水分利用效率提高31.23%，覆膜控灌提高16.84%，覆膜間歇灌溉提高21.57%，且3種處理下的水分生產效率均提高。

綜上所述，已有研究表明水稻覆膜旱作可以促進水稻的生長，主要體現在生物量、根系等生理生長指標方面，這主要是由于覆膜旱作對水稻田間土壤水熱環境的改善。但是由于產量受氣候、土壤等多方面因素的影響，有的研究表明覆膜旱作可以增加水稻產量，但有的研究表明覆膜旱作會導致水稻產量降低。與水稻常規旱作及常規淹水灌溉相比，覆膜旱作可以顯著提高水分利用效率。由現有研究可以發現水稻覆膜旱作對水稻產量的影響可能是積極的，也有可能是消極的，怎樣根據不同的氣候和土壤等條件，通過覆膜旱作調控土壤水熱、土壤養分等因素，充分發揮覆膜旱作的積極影響，避免其消極影響是未來水稻覆膜旱作研究的一個重要方向。

4 結 論

水稻覆膜旱作技術可以調控水稻生長的水肥氣熱條件，促進水稻的生長，在減少用水的同時，保證其產量，需要通過更多研究充分發揮其潛力。通過分析現有國內外關于覆膜旱作技術對水稻田間土壤水熱、養分和溫室氣體排放及其對水稻生理生長、產量和水分利用效率的影響的研究，可以得出未來水稻覆膜旱作在以下幾個方面需要進一步研究：

(1)現有研究主要關注水稻覆膜旱作技術對土壤水熱環境的影響，但是對水稻覆膜旱作大氣—作物—薄膜—土壤系統的水熱環境傳輸過程研究較少，需要通過進一步的研究明確覆膜旱作水稻的水熱傳輸過程及機理。

(2)關于不同薄膜材料對覆膜旱作水稻的土壤水肥氣熱及水稻生長的影響研究較少。由于不同薄膜材料具有不同的光學性質，它是影響土壤環境的關鍵因素，在水稻生長初期影響最大。因此，需要進一步研究利用薄膜材料調控水稻生長的方法。

(3)關于覆膜旱作對不同地區水稻產量的影響還需進一步研究，需要充分發揮覆膜旱作水稻的積極作用，實現水稻產量的增加，為該技術的推廣應用提供理論依據。

致謝:在本文的寫作過程中，揚州大學水利科學與工程學院的馮紹元教授提供了寶貴的修改意見，在此表示感謝。