水稻覆膜栽培技術研究進展

熊家歡，陳惠哲，徐一成，向鏡，張義凱，王亞梁，王志剛，張玉屏

(中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，浙江 杭州 311401)

20 世紀60 年代，日本首先探索出水稻覆膜栽培模式并進行研究和推廣。80 年代，我國通過交流學習并引進該項栽培模式，開始利用PE 地膜開展水稻覆膜栽培技術研究，改變了水稻的淹水栽培，對水稻生長有節水增溫等有諸多好處，在部分地區推廣應用，特別是我國的南、北方一些缺水、高寒類型稻田和東北冷寒地區稻田推廣效果較好，達到了水稻增產增效目的。覆膜技術因其顯著的效果，得到迅速發展，并廣泛應用于玉米和大豆等作物生產中，我國現已成為農用地膜使用和生產最多的國家[1-3]。眾多研究表明，水稻覆膜技術有增溫保墑、節水節肥、除草等作用[4-5]。胡國輝等[6]研究發現，覆膜能夠增加土壤日均溫2～3 ℃。邢春秋等[7]研究表明，寒地覆膜能夠提高稻田溫度3～5 ℃。張立成等[8]發現，與常規灌溉相比，覆膜防滲灌溉能顯著降低水分滲漏，提高水分利用率。董瑜皎等[9]研究了長期免耕覆膜栽培對稻—油輪作體系油菜季雜草群落多樣性的影響，發現覆膜降低了油菜季雜草物種數和田間雜草總密度。多項研究說明覆膜對解決干旱缺水、低溫等因素有重要作用。但該技術需人工鋪膜、打孔插秧，聚乙烯膜需要回收操作程序，增加了勞動用工及生產成本，且對環境造成污染，限制了其發展和應用。

近些年，隨著覆膜同步機插、有機稻、降解膜和水稻綠色高效生產等概念的出現，水稻覆膜栽培再次受到關注。該技術是在水稻移栽時，將覆膜裝置安裝在高速插秧機上，生物可降解膜掛在覆膜裝置上，邊覆膜邊機插，利用生物降解膜覆蓋稻田土壤表面，實現增溫、保墑、抑制雜草、減少甲烷氣體排放等功能。水稻覆膜機插技術能破解有機水稻生產關鍵難題，為水稻生產上的肥藥減施提供新技術。2021年國家農業農村部發布文件，將配合有關部門“加強全生物降解地膜替代等技術研發應用，為農業綠色發展提供有力科技支撐，繼續推進可降解地膜的評價與推廣應用，加大政策扶持力度，加強產品技術跟蹤”。這為水稻覆膜栽培技術的發展提供了重要的政策支持。為系統闡述水稻覆膜栽培生產上的變化，本文從覆膜對稻田及水稻生產的影響、膜的材質、覆膜方式、覆膜需求以及目前水稻生物降解膜機插種植的經濟效益等方面進行分析，并展望了水稻覆膜栽培技術的發展方向，以期為水稻覆膜機插技術的應用提供參考。

1 覆膜對稻田環境和水稻生長的影響

從已有的研究來看，覆膜對稻田環境和水稻生長的影響主要集中于土壤理化性質變化、稻田溫室氣體排放、水稻生長和產量及氮肥利用這幾個方面，且大多呈現出良好的效果(表1)。

表1 覆膜處理后稻田環境和水稻生長的效果Table1 Effect of rice field environment and rice growth after plastic film mulching

眾多研究表明，覆膜能提高土壤的溫度和濕度，這有利于促進土壤有機碳的礦化[22]，同時增加土壤微生物數量，改善土壤結構，提高土壤酶活和土壤養分的有效性[23-25]。黨昆等[26]研究表明，覆膜能提高土壤pH，增加土壤養分含量，最終提高作物籽粒產量。雖然覆膜促進了水稻的生長，提高了產量，但長期覆膜對土壤有不利影響。有研究表明，覆膜會降低土壤有機碳含量[27]；Yang 等[28]發現水稻覆膜會降低土壤有機質、有效磷和速效鉀的含量；Yu等[29]的研究也表明，覆膜降低了灌溉旱地土壤有機碳含量，不利于土壤的可持續發展。

為緩解有機質下降的問題，多項研究從有機質輸入入手。施肥能影響土壤有機碳積累和礦化分解過程，在一定范圍內調控土壤有機質的輸入[30]。焦曉光等[31]研究施用不同的肥料下的土壤養分特征，發現施肥顯著地增加了土壤有機質和N、P、K 養分的含量。王永鵬等[32]研究秸稈還田與地膜覆蓋對土壤的影響，發現地膜覆蓋栽培模式下的有機碳礦化量可被增加的有機碳輸入量抵消。王曉航等[10]發現，不同的秸稈還田量與覆膜結合，能夠提高土壤溫度、全氮、有機質含量，在40%秸稈還田量條件下表現最優。但在實際生產中，大規模的秸稈粉碎還田和覆膜所需成本較高且技術尚不成熟，高效低耗、適用性廣的秸稈還田機械設備的制造和秸稈還田后快速腐解技術都需進一步加強[33]。也有研究通過施用有機肥來提高土壤有機質，改善土壤。但Farmer 等[34]發現，在長期(28 年)地膜覆蓋試驗中，有機肥和氮肥聯合施用略微降低了土壤有機碳含量。所以，覆膜水稻技術發展可以結合新型肥料進一步考慮土壤可持續性問題。

2 水稻覆膜技術的發展變化

2.1 覆膜方式的轉變

水稻覆膜技術在我國應用多年，自20 世紀80年代引入，因其良好的節水保墑性，得到迅速應用。其應用方式經歷了由手工覆膜到人力牽引式覆膜，再到機插一體化覆膜3 個階段。

早期的覆膜栽培技術簡單，薄膜由人工覆蓋，沒有相關配套的機械[35-36]。在發展節水農業中，水稻采用的覆膜栽培技術由人工開溝、覆膜、打孔等，費時費力、效率低[37]。在大面積應用覆膜技術時，因人工覆膜效率較低，作業強度大，導致水稻插秧延后，影響水稻生長發育。為提高覆膜效率，發展出牽引式覆膜機。主要覆膜機構有3 種，分別是定軸被動覆膜、半定心被動覆膜、無定心隨動覆膜[38]。覆膜方式由手工覆膜轉變為半機械化覆膜—手工牽引式覆膜。牽引式覆膜在一定程度上解決了覆膜效率問題，但在完成覆膜過程中，還需不停地在田間行走，容易造成地膜與地面不能緊密貼合，塑料膜不能完全覆蓋，影響效果[39-40]。因此，為進一步提高效率和解決費人工的問題，覆膜方式由人力牽引式覆膜轉變為機械化的機械動力牽引覆膜。

近些年，隨著水稻機械化種植的突飛猛進，研發了水稻覆膜機插一體化栽培技術。該技術將覆膜裝置安裝在高速插秧機上，生物可降解膜掛在覆膜裝置上，邊覆膜邊機插，利用生物降解膜覆蓋稻田土壤表面，實現增溫、保墑、抑制雜草、減少甲烷排放等多種功能，能實現覆膜、打孔、機插移栽一次完成，提高了作業效率[7，41]。水稻覆膜機插一體化栽培技術對田塊的要求較高，需要田面平整，在高山山地、丘陵地帶、種植面積分散等不適合應用機械化生產的地區，機械動力牽引覆膜受到一定的限制，而人力牽引式覆膜就較適合這些地區。所以，水稻覆膜栽培一體化技術要不斷改進，需應對不同的田間環境，因地制宜，在覆膜完好的同時提高效率。

2.2 農用地膜材質的變化

我國地膜使用量自1991 年的30 多萬噸至2017年的140 多萬噸，增長了4.5 倍。地膜的覆蓋面積在2017 年到達1 800 多萬公頃，增長了近4 倍[42]。地膜的巨大需求，導致了地膜制造業的快速發展。

地膜材質的變化是隨著塑料工業的發展而變化的。早期應用于農業生產的地膜都是由聚氯乙烯和聚乙烯組成，同時根據不同需求，加入不同的染料或試劑制成不同的地膜[43]。一般來說，無色地膜因其增溫保墑效果明顯，多用于春季增溫和保墑。有色地膜除有增溫效果外，由于其對太陽光有不同的反射效果，還具有影響害蟲和改善作物品質的功效。但隨著覆膜技術的推廣，農膜污染變得越發嚴重，PE 膜造成了巨大的環境污染[44]。

因此，農用地膜的使用開始朝綠色可降解方向發展[45]。降解地膜的降解可分為生物、光和化學降解[46]。光降解膜在生產中有很大的限制，農用地膜需要鋪設在地下，受到植株的遮光，不利于降解。化學降解膜因其添加可降解化學材料，受到環境和膜本身限制。生物可降解膜是一類在微生物作用下能夠將膜完全分解成二氧化碳、水等物質的膜，由于其獨特的特性越來越受到歡迎。

目前，生物可降解膜普遍應用的聚酯材料為PBAT 和PLA[47]。在生產使用過程中，由于可降解膜還存在材料和制作工藝等限制，導致化學性能差、耐水性不好、價格高等問題都需進一步研究解決[48]。目前來看，生物可降解膜還需進一步改進，尚不能夠完全替代常規材質農用地膜的使用，有一個漸進的過程。根據用途的不同，農膜的使用將會出現不降解、部分降解、完全降解膜并存的局面。

2.3 覆膜需求的轉變

在我國，北方稻區水稻生產面臨著早期低溫的影響，而在南方稻區則面臨一些季節性缺水，如何提高水分利用效率成為急需解決的問題，這些問題極大地限制了水稻生產[6，18]。自覆膜技術應用在水稻生產后，這些問題都得到了很好的解決。諸多試驗表明，水稻覆膜種植能夠有效地防止雜草、減少氮肥、農藥的使用，是一項優良的水稻綠色高效生產技術[49-50]。隨著地膜材料技術的改進，生物可降解膜的出現使得覆膜水稻栽培技術再次受到廣泛的關注[51]。胡國輝等[6，20，52]研究表明，生物可降解膜水稻栽培技術能夠顯著提高水稻產量、減少溫室氣體排放、提高氮素利用效率等，同時，由于生物可降解膜能在田間完全降解，充分證明了其優質、增產增效、資源高效利用、綠色生態環保的效果。

當前覆膜水稻栽培技術也越來越受一些農場及稻米企業的歡迎，成為巢湖、洱海邊水稻種植的首選方式。中國水稻研究所、河南清源天仁生物技術有限公司的試驗示范基地、黑龍江濃江農場等于2017—2020 年采用該技術，與傳統機插對照比較，每公頃平均增產390 kg，按照當地有機水稻6.0 元/kg，每公頃可增加收入2 340 元；減少人工除草費用3 900 元，除去膜的成本等費用，每公頃可新增效益1 740 元。該技術具有除草、節水、增溫、節肥、提質、增效、可降解減排等七大優勢，切實將生態綠色、提質、節本、增效落到實處。

3 水稻覆膜機插的經濟效益

從表2、3 看，覆膜栽培減少了農資及除草費用，增加了插秧及膜的費用。膜成本按4 200 元/hm2計算，北方水稻生產成本覆膜機插為13 908 元/hm2，比對照減少2 524.5 元/hm2，主要是覆膜機插大大降低了人工除草費用；在南方因是化學除草，覆膜機插比對照生產成本高306 元/hm2，但覆膜處理產量高于對照。2020 年北方受3 次臺風影響，覆膜機插稻穗大粒多，造成倒伏，機收損失大，產量低于對照，但有機稻價格高于對照，綜合純收益覆膜處理比對照增加7 417.5元/hm2；南方水稻產量高，但價格沒有優勢，綜合純收益覆膜處理比對照增加447.0 元/hm2。覆膜機插北方種植經濟效益更明顯，南方主要有環保綠色作用。

表2 水稻覆膜機插生產成本Table 2 Production cost of rice mulching technology 元·hm-2

表3 水稻覆膜機插生產效益Table 3 Production benefits of rice mulching technology

4 研究前景與展望

水稻生物降解膜覆膜機插技術具有節水抗旱、增溫保墑、減肥增效、抑制雜草、防治病蟲害、減排固碳等諸多優點。目前該技術在我國發展較快，2018年以來在浙江、黑龍江、吉林、江蘇、上海等地都有應用。2018—2020 年，在吉林國信米業公司通化柳河試驗基地，采用該技術小面積實收水稻增產8.7%，對稻田溫室氣體排放強度降幅達56.0%；有機碳含量增加27.1%，CH4排放量降幅52.4%。在生產應用中，該項技術還需進一步完善，應逐步完善其機械設備，提高生產效率，以適應更廣地區的需要。關于水稻覆膜栽培技術，還需加強以下方面的研究:

第一，可降解膜與水稻生長期相匹配的特性。未來可降解膜會逐步取代常規的普通地膜。但隨著研究的深入，生物可降解膜本身的特性需要進一步了解，其降解特性需符合作物生長的周期與規律。

第二，覆膜插秧機械的逐步完善。大田生產機械化和輕簡化，尤其是機械化種植是未來發展方向。我國覆膜插秧機基本都是由普通的插秧機改裝和加裝覆膜機而成。在覆膜過程中，覆膜機對田塊的平整度要求較高，且覆膜插秧較常規機插速度要慢，通過農機農藝結合改進和完善覆膜插秧機有重要的影響。

第三，水稻覆膜栽培技術應盡可能降低生產成本。其成本不僅體現在膜的成本上，還體現在生產中人力、時間等的增加，因而需持續加強覆膜栽培機械的改進，進一步改進膜的生產工藝，降低膜的價格。

第四，水稻覆膜栽培技術與其他新技術的綜合應用。覆膜能夠提高地溫，加速土壤有機質的礦化和氮的釋放，還可通過施用新型肥料如生物炭與覆膜相結合，覆膜由于其濕潤栽培，能有效緩解生物炭在施用中的流失，使該栽培技術能夠持續穩定發展。