水稻生物可降解膜覆蓋機(jī)插技術(shù)研究與應(yīng)用

胡國輝 陳惠哲 向鏡 張義凱 王亞梁 王軍可 張玉屏

（中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310006；*通訊作者：cnrrizyp@163.com）

1 發(fā)展生物可降解膜覆蓋機(jī)插技術(shù)的背景與意義

水稻是我國重要的口糧作物，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，水稻生產(chǎn)的目標(biāo)已由單一追求高產(chǎn)向優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)并重轉(zhuǎn)變。在水稻生產(chǎn)中常常面臨低溫冷害、季節(jié)性干旱等逆境脅迫，嚴(yán)重威脅水稻產(chǎn)量。20 世紀(jì)60 年代，日本首先探索出水稻覆膜栽培模式并進(jìn)行研究和推廣[1]，我國于80 年代引進(jìn)該項(xiàng)栽培模式，并利用聚乙烯地膜開展水稻覆膜栽培技術(shù)研究。水稻覆膜栽培方式是采用育秧移栽，先整田施肥，然后覆膜，在膜上打孔，將水稻秧苗種在膜下的一種栽培方式，其水分管理可分為覆膜旱作和覆膜濕潤栽培，改變了以往水稻生產(chǎn)中采用的淹水栽培[2]。覆膜栽培具有節(jié)水抗旱、增溫保墑、抑制雜草和防治病蟲害等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。因此，在部分地區(qū)，特別是我國的一些缺水地區(qū)以及東北冷寒地區(qū)進(jìn)行了推廣示范[4-5]。該技術(shù)在季節(jié)性缺水和水稻生長季節(jié)會遭遇低溫冷害的地區(qū)推廣效果會更好[6-8]。但由于需人工鋪設(shè)地膜、打孔插秧、地膜回收等增加了生產(chǎn)成本，并且聚乙烯地膜殘留會造成環(huán)境污染，加上覆膜帶來的節(jié)水和增溫效應(yīng)在水熱條件優(yōu)越地區(qū)起到的效果不明顯，限制了水稻覆膜栽培的應(yīng)用，導(dǎo)致這項(xiàng)技術(shù)沒能像旱地作物覆膜栽培一樣大面積推廣。近些年，隨著有機(jī)稻、降解膜和水稻綠色高效生產(chǎn)等概念的興起，水稻覆膜栽培再次被廣泛關(guān)注，而且，為了符合當(dāng)前水稻生產(chǎn)輕簡化和綠色化的趨勢，將生物可降解地膜與水稻機(jī)插技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，產(chǎn)生了生物可降解膜覆蓋機(jī)插技術(shù)，其在減肥減藥和降低溫室氣體排放上的作用越來越突出。近年，中國水稻研究所在水稻生物可降解膜覆蓋機(jī)插技術(shù)研究與應(yīng)用方面做了大量工作。

2 生物可降解膜覆蓋機(jī)插技術(shù)的應(yīng)用效果

2.1 水稻分蘗動態(tài)、葉齡動態(tài)及株高變化

覆膜栽培通過影響土壤溫度及其理化屬性，進(jìn)而影響水稻分蘗的生長。如圖1 所示，北方單季稻在覆膜條件下（EF），由于增溫效應(yīng)的影響，促進(jìn)了水稻分蘗的早發(fā)快長，單叢莖蘗數(shù)在生育期內(nèi)顯著大于對照（CK），且最終單叢有效莖蘗數(shù)比CK 多2.6 個，分蘗成穗率（57.9%）略低于CK；而南方單季稻在覆膜條件下，由于提高了土壤表層溫度，其返青速度較慢，水稻分蘗初期的生長相對緩慢，在水稻分蘗盛期過后，分蘗生長加快，EF 處理的單叢莖蘗數(shù)逐漸大于CK，但隨著無效分蘗的死亡，最終EF 處理單叢有效莖蘗數(shù)比CK 多1.0 個，分蘗成穗率EF 處理（55.9%） 略低于CK（61.7%）。對于葉齡進(jìn)程，在南北生態(tài)區(qū)表現(xiàn)出相對一致的趨勢，EF 栽培促進(jìn)了水稻葉片生長，提高出葉速率，且北方生態(tài)區(qū)相較南方生態(tài)區(qū)表現(xiàn)更加明顯，特別是在生育前期，北方單季稻EF 處理的出葉速率與CK相比快了0.47～0.85 葉。在南北生態(tài)區(qū)，EF 處理水稻的株高與CK 相比都有所增加，但差異未達(dá)到顯著水平。

2.2 水稻各生育期地上部干物質(zhì)積累

如圖2 所示，南北生態(tài)區(qū)EF 處理水稻的單叢地上部干質(zhì)量在水稻穗分化期、齊穗期和成熟期均大于CK，北方單季稻在這3 個時期都呈顯著增加趨勢，在成熟期水稻的單叢地上部干質(zhì)量比CK 顯著增加12.8 g，南方單季稻在齊穗期和成熟期的干物質(zhì)量增加也達(dá)到顯著水平，在成熟期水稻的單叢地上部干質(zhì)量比CK顯著增加20.3 g。

2.3 甲烷排放

由圖3 可見，稻田甲烷排放通量具有明顯一致的階段性變化規(guī)律，南北生態(tài)區(qū)的甲烷排放大部分均集中在水稻生育前期和中期，不同處理間的差異表現(xiàn)為峰值大小和相對應(yīng)移栽時間有所不同；北方單季稻在生育期內(nèi)EF 處理的水稻甲烷排放通量都小于CK，覆膜水稻僅在移栽后66 d 有一明顯的排放高峰，甲烷排放通量為29.7 mg/（m2·h），而CK 在移栽后38 d 和52 d 均出現(xiàn)明顯的排放高峰，甲烷排放通量分別為50.6 mg/（m2·h）和88.2 mg/（m2·h）；南方單季稻甲烷排放通量變化規(guī)律較為復(fù)雜，EF 處理和CK 在生育期內(nèi)出現(xiàn)了3 個明顯的排放高峰；在移栽后15 d，EF 處理與CK出現(xiàn)第1 個排放高峰，甲烷排放通量分別為7.8 mg/（m2·h）和24.0 mg/（m2·h）；在移栽后27 d，EF 處理與CK 出現(xiàn)第2 個排放高峰，甲烷排放通量分別為19.5 mg（/m2·h）和33.7 mg（/m2·h）；在移栽后57 d，EF 處理和CK 出現(xiàn)第3 個排放高峰，甲烷排放通量分別為15.5 mg（/m·2h）和9.6 mg（/m·2h）。前2 個排放高峰的甲烷排放通量CK 均大于EF 處理，而第3 個排放高峰甲烷排放通量EF 處理大于CK，在這之后，甲烷排放沒有出現(xiàn)明顯的排放高峰，且排放通量都相對較低。

圖1 不同生態(tài)區(qū)覆膜栽培對分蘗、葉齡及株高的影響（2018）

圖2 不同生態(tài)區(qū)覆膜栽培對地上部干物質(zhì)積累的影響（2018）

圖3 不同生態(tài)區(qū)水稻生育期甲烷日排放通量變化規(guī)律（2018）

2.4 病蟲草害發(fā)生情況

如表1、表2 所示，南北生態(tài)區(qū)覆膜栽培均能顯著減少雜草群落的種類和密度。南方單季稻在移栽后20 d，EF 處理基本上沒有雜草發(fā)生，而CK 稻田中有荸薺、鴨舌草和稗草等雜草發(fā)生；在移栽后40 d，EF 處理有一定的惡性雜草從秧苗栽插中的孔穴和降解膜降解破損的地方生長出來，CK 稻田惡性雜草呈爆發(fā)的生長趨勢；北方單季稻在移栽后50 d，由于膜降解破裂和栽插孔穴的原因，EF 處理稻田有稗草、鴨舌草、莎草和丁香蓼等雜草的發(fā)生，但能夠抑制其不像CK 稻田那樣雜草爆發(fā)式的生長。

2.5 氮肥利用和產(chǎn)量

生物可降解膜覆蓋機(jī)插種植能提高水稻氮肥利用率和產(chǎn)量，甚至在減氮18.8%條件下也有增產(chǎn)效果。如表3 所示，同一施氮量水平，與CK 相比，EF 處理的水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥干物質(zhì)生產(chǎn)效率分別提高20.5%、6.0%和11.2%，差異顯著；覆膜種植條件下，EF 減氮處理與EF 處理相比，水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力分別提高16.0%和20.7%，差異顯著；與CK 相比，EF 處理和EF 減氮處理分別增產(chǎn)6.1%和4.4%，差異顯著。

2.6 生育期內(nèi)用水量比較

覆膜種植能夠減少水稻生育期內(nèi)的耗水量，提高水分利用率。如表4 所示，與CK 相比，EF 處理減少了水稻移栽后各環(huán)節(jié)的耗水量，特別是在封閉除草上，覆膜種植能有效抑制雜草生長，不需要封閉除草，最后耗水量比CK 少32.2%。

2.7 生產(chǎn)效益比較

有機(jī)稻覆膜種植能夠降低生產(chǎn)成本，提高水稻生產(chǎn)效益。如表5 所示，與CK 相比，EF 處理主要降低了人工除草的成本，在農(nóng)資和水費(fèi)上也有所減少，但增加了降解膜的費(fèi)用和機(jī)插作業(yè)費(fèi)用。最終覆膜種植每hm2比CK降低生產(chǎn)成本1 162.5 元。

表1 南方覆膜稻田和常規(guī)栽培稻田雜草群落密度（浙江富陽，2019） （單位：莖/m2）

表2 北方覆膜稻田和常規(guī)栽培稻田雜草群落密度（吉林通化，2019） （單位：莖/m2）

表3 覆膜栽培對水稻氮肥利用和產(chǎn)量的影響（浙江富陽，2019）

表4 覆膜栽培與對照的用水量比較（黑龍江農(nóng)江農(nóng)場，2019） （單位：m3/hm2）

表5 有機(jī)稻覆膜栽培與對照的成本比較（2019） （單位：元/hm2）

3 生物可降解膜覆蓋機(jī)插技術(shù)的要點(diǎn)

3.1 精細(xì)整地

灌水泡田后進(jìn)行翻耕，翻地深度要適宜，土壤要細(xì)碎無土塊、耙后平整，并清理出田面稻茬和秸稈，防止其頂破地膜。

3.2 機(jī)插

采用覆膜機(jī)插，播種、育秧及插秧環(huán)節(jié)與普通機(jī)插相同，不同的是需要在插秧機(jī)上掛覆膜機(jī)，覆膜的同時完成機(jī)插。

3.3 膜的選擇

生物可降解膜的寬度為1.85 m，厚度為0.01 mm，45～65 d 開始降解，最終生成二氧化碳和水。

3.4 科學(xué)施肥

在覆膜機(jī)插前需要按照品種類型一次性施足生物肥或者緩控釋肥，肥料用量按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)的施肥量減少10.0%～15.0%。

3.5 合理管水

覆膜在插秧前，將稻田水排干，及時進(jìn)行覆膜機(jī)插作業(yè)。覆膜插秧后水分管理：根據(jù)膜下土壤含水情況進(jìn)行灌水，膜下泥土軟，則不灌水，膜下泥土硬，則灌2～3 cm 淺水層，一般保持溝中有水即可。

4 目前存在的問題及展望

4.1 存在問題

一是種植適用性和成本問題。該技術(shù)主要適用于北方單季稻、南方早稻及單季稻，高溫季節(jié)應(yīng)慎用，覆膜易燒傷稻苗。從生產(chǎn)效益考慮，非常適合有機(jī)稻的生產(chǎn)，對于種植普通水稻來說，生產(chǎn)成本過高。

二是種植管理問題。覆膜機(jī)插種植對田塊整地要求較高，需要精細(xì)整地，犁底層較硬，適宜帶覆膜插秧機(jī)作業(yè)，且水分管理與常規(guī)田塊不同，覆膜田里淹水會降低覆膜效果，因此一般只需要保持溝中有水即可。

4.2 展望

從土壤營養(yǎng)角度，可以深入的研究生物可降解膜覆蓋對土壤有機(jī)質(zhì)的影響及其機(jī)理，為覆膜栽培體系模式制定合理的用地養(yǎng)地制度。

從植物營養(yǎng)的角度，可以深入研究覆膜栽培產(chǎn)生的節(jié)氮效應(yīng)及其機(jī)理，根據(jù)水稻吸肥規(guī)律和生物可降解膜的降解特性，配以適宜覆膜水稻生長的緩控釋肥，闡明覆膜種植減氮增效的技術(shù)和機(jī)理。