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《中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)雜志》2015年第二十三期

中國(guó)北方旱作農(nóng)業(yè)多分布于低山丘陵地區(qū)，四季分明，降水少且分布集中。長(zhǎng)期以來(lái)，旱作農(nóng)業(yè)區(qū)水土流失嚴(yán)重、生產(chǎn)力低下、貧困人口眾多。新中國(guó)建國(guó)以來(lái)堅(jiān)持不懈的農(nóng)田基本建設(shè)、改革開(kāi)放三十多年以來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入的持續(xù)增加及十多年來(lái)陡坡耕地的退耕，使旱作農(nóng)田生產(chǎn)條件得到逐步改善，土壤有機(jī)質(zhì)含量也有所增加[1]。但是，由于地處東南季風(fēng)的邊緣地帶，降水量及其分布波動(dòng)大，在春季和夏初作物生長(zhǎng)常常受到干旱影響；部分區(qū)域由于海拔高而氣溫低，熱量不足也限制作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的形成。從整體來(lái)講，克服水熱條件限制是提高旱作農(nóng)田生產(chǎn)力和資源利用效率、增加農(nóng)民收入和促進(jìn)區(qū)域生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵所在。地膜覆蓋技術(shù)在中國(guó)半干旱區(qū)很早就有應(yīng)用，但是旱作糧食作物中的大面積應(yīng)用僅有十多年的時(shí)間。20世紀(jì)90年代后期，在旱地集水農(nóng)業(yè)思想帶動(dòng)下[2-3]，作為田間微集水技術(shù)的各種地膜覆蓋方式層出不窮，在經(jīng)歷近10余年的比較篩選之后，幾種效果顯著的覆膜栽培方式逐漸成為主流，特別是地膜覆蓋與溝壟栽培技術(shù)相結(jié)合形成了地膜覆蓋溝壟栽培模式，被認(rèn)為是半干旱區(qū)提升耕地生產(chǎn)力的創(chuàng)新性技術(shù)體系[4]，應(yīng)用面積不斷擴(kuò)大。隨著地膜覆蓋技術(shù)的應(yīng)用面積迅速擴(kuò)大，人們對(duì)其與農(nóng)田生態(tài)可持續(xù)性關(guān)系的關(guān)注也越來(lái)越多。本文在筆者團(tuán)隊(duì)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)旱作農(nóng)田地膜覆蓋的增產(chǎn)效果、土壤有機(jī)碳平衡和氮循環(huán)過(guò)程方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為今后進(jìn)一步研究提供借鑒。

1地膜覆蓋的增產(chǎn)效果和機(jī)理

國(guó)外的地膜覆蓋生產(chǎn)系統(tǒng)主要針對(duì)園藝、蔬菜等高附加值作物，針對(duì)大田作物生產(chǎn)的還很少。國(guó)內(nèi)地膜覆蓋也是首先應(yīng)用于溫室大棚生產(chǎn)，從20世紀(jì)90年代才開(kāi)始針對(duì)大田作物開(kāi)展研究和示范推廣。甘肅省以黃土高原為核心的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)先后在小麥、馬鈴薯、玉米等大田作物生產(chǎn)中大規(guī)模采用地膜覆蓋技術(shù)，使該省旱作農(nóng)業(yè)區(qū)糧食生產(chǎn)躍上了一個(gè)新臺(tái)階，制定了5年實(shí)現(xiàn)旱作農(nóng)業(yè)凈增產(chǎn)50億kg糧食生產(chǎn)能力的規(guī)劃。目前溝壟地膜覆蓋種植玉米已經(jīng)成為了主流，其中全膜覆蓋雙壟集水溝播玉米栽培模式是目前推廣面積最大的技術(shù)模式，它是將農(nóng)田整理成寬壟和窄壟相間（所謂的“雙壟”，也有的稱之為“寬窄行”，寬壟主要是方便田間農(nóng)藝操作），然后用聚乙烯膜將地面完全覆蓋（即全膜覆蓋），播種時(shí)將玉米種植于溝內(nèi)（溝播）。溝寬視具體的水熱條件而定，在甘肅半干旱區(qū)水熱條件嚴(yán)重不足的地區(qū)，常采用V型溝，也就是溝寬為零，實(shí)際上是在兩壟相鄰處自然形成的溝。地膜覆蓋溝壟栽培模式的主要功能之一是集水。溝壟本身具有將降水從壟面向溝底部匯集的功能，但是，在未覆膜的情況下，壟面徑流的產(chǎn)生以壟面表層土壤滲吸雨水達(dá)到飽和為前提，所以當(dāng)降水強(qiáng)度小而且持續(xù)時(shí)間短的情況下，溝壟的集水效果是極為有限的，一部分降水將被壟肩土壤所滲吸而后快速蒸發(fā)損失，特別是因溝壟微地形增大了土壤蒸發(fā)面積，從而有加大土壤水分蒸發(fā)損失的可能性。而當(dāng)?shù)啬じ采w以后，由于地膜的疏水性和不透水性，壟面的降水才可以被幾乎全部匯聚到壟的底部，并由滲水孔進(jìn)入土壤。在地膜覆蓋溝壟栽培模式下，玉米是種植在溝內(nèi)的。這樣，所謂的無(wú)效降水（小雨）可以被重新分配疊加到作物根區(qū)土壤中被根系所吸收而成為有效降水。

許多文獻(xiàn)對(duì)半干旱地區(qū)地膜覆蓋溝壟栽培模式的這種集水（降水的重新分配）功能進(jìn)行了描述，最近Jiang和Li利用人工模擬降水和亮藍(lán)染色技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)觀察和說(shuō)明。地膜覆蓋溝壟栽培模式的第二個(gè)功能是抑制土面蒸發(fā)。地膜覆蓋的這一功能是從地膜覆蓋能夠增加土壤含水量而引申出來(lái)的。一般提倡溝壟設(shè)置和地膜覆蓋在先一年的秋季、土壤封凍前進(jìn)行，這樣可以有效減少冬季休閑期土壤蒸發(fā)，使秋季降水在春季被利用。Liu等報(bào)道，在甘肅省榆中縣中連川鄉(xiāng)土壤封凍期之前采用地膜覆蓋與不覆蓋相比較，第二年玉米播種時(shí)2m土壤剖面中多儲(chǔ)存43mm水分。地膜覆蓋對(duì)作物生育期土壤含水量的影響與作物生長(zhǎng)發(fā)育階段有關(guān)。地膜覆蓋一般在玉米苗期到拔節(jié)前可以顯著增加土壤含水量，而在生長(zhǎng)發(fā)育的盛期，這種影響不顯著甚至?xí)档屯寥篮俊＿@是因?yàn)榈啬じ采w下作物生長(zhǎng)發(fā)育加快，冠層覆蓋和葉面積顯著增加，從而顯著增加了蒸騰消耗，苗期因減少土面蒸發(fā)而保蓄的水分在生長(zhǎng)盛期被作物吸收利用。地膜覆蓋降低土面蒸發(fā)的效果被地膜覆蓋下增加的作物蒸騰而掩蓋的這一原理最近被Liu等通過(guò)田間試驗(yàn)而說(shuō)明。在甘肅省榆中縣小康營(yíng)，在未種植作物的情況下，地膜覆蓋的溝壟試驗(yàn)地中，整個(gè)玉米生長(zhǎng)季至收獲時(shí)可以使170cm土層內(nèi)土壤含水量達(dá)到田間持水量，可以比不覆蓋處理多保蓄100mm的降水量。由此說(shuō)明地膜覆蓋溝壟栽培模式的集水抑制土壤蒸發(fā)效果非常顯著。

地膜覆蓋溝壟栽培模式的第三個(gè)功能是增加表土層溫度。用透光地膜覆蓋的增溫效應(yīng)滅除土壤中的蟲(chóng)卵和病菌已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)了。在甘肅黃土高原地區(qū)，覆蓋地膜增加地表土壤溫度的效應(yīng)主要發(fā)生在作物生長(zhǎng)發(fā)育的前期（苗期和拔節(jié)期）。Hai等在甘肅省榆中縣小康營(yíng)發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋與不覆蓋相比較，在不種植玉米情況下，全生育期增加白晝0—15cm土壤溫度3.0℃；而在種植玉米情況下，僅在拔節(jié)期之前增加土壤溫度2.8℃。很顯然，這一結(jié)果說(shuō)明在玉米生長(zhǎng)發(fā)育的后期正是由于冠層的遮蓋使太陽(yáng)直接輻射難以到達(dá)地膜覆蓋的土壤而使地膜覆蓋的增溫效果不明顯。地膜覆蓋的土壤增溫效果是玉米能夠在熱量條件不足的高海拔地區(qū)種植的關(guān)鍵。苗期的土壤增溫作用使玉米在苗期能夠正常生長(zhǎng)、盡早擴(kuò)展冠層進(jìn)行光合積累、形成果實(shí)達(dá)到成熟。一般地，玉米在地膜覆蓋下比不覆蓋早出苗和早成熟1—2周，收獲指數(shù)也顯著增加。地膜覆蓋溝壟栽培模式對(duì)作物的增產(chǎn)效果存在明顯的地域性。在因熱量條件限制不能種植玉米的區(qū)域或者玉米臨界種植區(qū)域增產(chǎn)幅度比較大，而在玉米的傳統(tǒng)種植區(qū)域增產(chǎn)效應(yīng)則比較小。在甘肅省榆中縣中連川鄉(xiāng)（海拔2400m）地膜覆蓋溝壟栽培模式下玉米產(chǎn)量可以數(shù)倍于平作無(wú)覆蓋的玉米或者小麥，在榆中縣小康營(yíng)（海拔2100m）溝壟地膜覆蓋相對(duì)于不覆蓋壟作玉米產(chǎn)量增加70%—102%。在陜西省長(zhǎng)武縣（海拔1200m）地膜覆蓋溝壟比不覆蓋平作玉米產(chǎn)量增加39%—89%。Wang等在甘肅省寧縣（海拔1264m）連續(xù)三年比較了地膜覆蓋對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，溝壟地膜覆蓋與壟作不覆蓋相比較，玉米產(chǎn)量2008和2010年分別增加了50%和25%，而在2009年產(chǎn)量降低了21%。在他們的試驗(yàn)中，2009年玉米生產(chǎn)季的前期降水比一般年份偏少持續(xù)干旱，實(shí)質(zhì)性的降水來(lái)得遲。

地膜覆蓋下玉米生長(zhǎng)發(fā)育速度快，使得花期（需水關(guān)鍵期）與干旱期大部分重疊，生殖生長(zhǎng)受到了干旱脅迫的嚴(yán)重影響，而地膜不覆蓋下玉米生長(zhǎng)速度慢，花期滯后于干旱期，生殖生長(zhǎng)受到的干旱脅迫影響小，從而導(dǎo)致在他們的試驗(yàn)中2009年地膜覆蓋降低了玉米產(chǎn)量。因此，在熱量不是主要限制因素的地區(qū)，地膜覆蓋可能有降低玉米產(chǎn)量的風(fēng)險(xiǎn)。在山西省代縣（海拔869m）和壽陽(yáng)縣（海拔1202m）溝壟地膜覆蓋比不覆蓋平作增加玉米產(chǎn)量14%—59%。地膜覆蓋也應(yīng)用于馬鈴薯和小麥等作物生產(chǎn)。在應(yīng)用于馬鈴薯時(shí)一般也采用壟作，但是馬鈴薯一般種植在壟上或半壟上，也有種植在溝底的。種植在壟上或半壟上時(shí)，要在溝底專(zhuān)門(mén)設(shè)置滲水孔，以利于降水快速入滲于土壤。覆膜與不覆膜相比較可以增產(chǎn)20%以上，有的甚至增產(chǎn)1倍以上。地膜覆蓋應(yīng)用于小麥，大多是平作但也有壟作（壟上覆膜、膜側(cè)種植）。地膜覆蓋的小麥產(chǎn)量效應(yīng)變異非常大，多數(shù)報(bào)道都增產(chǎn)。但是李鳳民報(bào)道1997年在甘肅省定西縣唐家堡地膜覆蓋使春小麥減產(chǎn)40%—50%。王淑娟等于2002—2009年在陜西楊陵研究了地膜覆蓋對(duì)冬小麥生產(chǎn)的影響。在6個(gè)生產(chǎn)周期中3年覆蓋與不覆蓋相比較冬小麥產(chǎn)量增加16%—32%，兩年不增產(chǎn)，而另一年減產(chǎn)7%。近年來(lái)在甘肅省中部地區(qū)試驗(yàn)推廣小麥膜上覆土栽培技術(shù)，與不覆蓋相比較小麥產(chǎn)量增加43%—80%。膜上覆土的目的是利用地膜覆蓋的保水作用而減小其增溫效應(yīng)，因?yàn)樾←溝鄬?duì)于玉米比較耐低溫，在熱量不是限制因子的地區(qū)土壤增溫不一定有利于小麥生產(chǎn)。地膜覆蓋下作物產(chǎn)量和生物量的增加也意味著水分利用效率和養(yǎng)分吸收的增加，因?yàn)榈啬じ采w對(duì)作物耗水總量和生物量中養(yǎng)分濃度的影響很小。

2地膜覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳平衡的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的基礎(chǔ)，地膜覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳的影響是人們關(guān)注的首要問(wèn)題。土壤有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)質(zhì)輸入與礦化相平衡的結(jié)果。地膜覆蓋促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化。這首先可以從地膜覆蓋促進(jìn)土壤氮素礦化得到佐證，因?yàn)橥寥捞嫉V化與土壤養(yǎng)分礦化是耦合在一起的。其次，地膜覆蓋增加土壤微生物活性。一般地，在作物生育期地膜覆蓋下土壤微生物量顯著高于不覆蓋處理。地膜覆蓋增加土壤葡萄糖苷酶、脲酶和磷酸酶活性。地膜覆蓋增加土壤微生物量及酶活性的機(jī)理可能是由于水熱條件的改善促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)、繁殖及代謝活動(dòng)。但是，地膜覆蓋也可能通過(guò)使作物根際過(guò)程（根際碳沉積及根際效應(yīng)）增強(qiáng)而間接地增加土壤微生物活性，因?yàn)榈啬じ采w下玉米根生物量是增加的。

地膜覆蓋還很可能通過(guò)對(duì)土壤微生物群落組成的改變而影響土壤的微生物活性，因?yàn)橐呀?jīng)知道土壤升溫改變土壤的微生物群落組成。Liu等報(bào)道在黃土高原地膜覆蓋3個(gè)月導(dǎo)致AM真菌群落組成發(fā)生變化。地膜覆蓋下土壤微生物活性的增加意味著土壤礦化速度的增加。但是，在田間通過(guò)測(cè)定土壤呼吸來(lái)說(shuō)明地膜覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳礦化速率的影響是困難的。困難不在于土壤微生物呼吸與根呼吸的區(qū)分，而是在于在地膜覆蓋情況下要采集到能夠真正反映土壤呼吸速率的氣體樣品是一個(gè)挑戰(zhàn)。Wang[10]和Liu等用尼龍網(wǎng)袋法測(cè)定了地膜覆蓋對(duì)玉米秸稈腐解速率的影響，發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋顯著促進(jìn)埋置的玉米秸稈碳的丟失，從而間接說(shuō)明地膜覆蓋促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化。Wang等[10]在甘肅省寧縣所進(jìn)行的試驗(yàn)中（三年分別在三塊不同的試驗(yàn)地實(shí)施）每年收獲時(shí)對(duì)土壤采樣測(cè)定地膜覆蓋對(duì)土壤碳水化合物碳（中等強(qiáng)度酸提取）、輕組碳（密度＜1.8g•cm-3）和可礦化有機(jī)碳（10天恒溫培養(yǎng)中的呼吸量）含量的影響。他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)季以后，所測(cè)定的這幾個(gè)土壤有機(jī)碳組分含量在覆蓋處理中都降低了。他們將這一結(jié)果解釋為地膜覆蓋促進(jìn)土壤有機(jī)碳的礦化，因?yàn)檫@些組分是最容易分解的。一般地，根生物量及根際碳沉積物是旱作農(nóng)田土壤有機(jī)碳輸入的主要來(lái)源。Amos和Walters綜合分析了關(guān)于玉米根生物量研究的45篇論文及部分關(guān)于玉米根際碳沉積的研究論文，得出的一般估計(jì)是，玉米一生通過(guò)根生物量生產(chǎn)及根際碳沉積輸入到土壤中的有機(jī)質(zhì)量相當(dāng)于玉米收獲時(shí)地上生物量的29%。根據(jù)這個(gè)估計(jì)，如果玉米籽粒產(chǎn)量為10Mg•hm-2的話，地下有機(jī)質(zhì)輸入總量（根及根際沉積量）約為5.8Mg•hm-2（收獲指數(shù)以0.5計(jì)），這個(gè)量是相當(dāng)可觀的。

根據(jù)Liu和Zhou[36]等及筆者未發(fā)表的從多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)多年獲得的數(shù)據(jù)來(lái)看，地膜覆蓋下玉米收獲時(shí)地下生物量與地上生物量是協(xié)同增加的，也就是說(shuō)，玉米高產(chǎn)的同時(shí)向土壤輸入的有機(jī)質(zhì)量也是同步增加的。最近，An等在遼寧沈陽(yáng)用13C脈沖標(biāo)記技術(shù)清楚地說(shuō)明地膜覆蓋下玉米向土壤中的有機(jī)碳輸入是增加的。vanderMeulen]在西班牙半干旱氣候條件下發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋棄耕5年地塊（棄耕但地膜仍然保留在地面5年）土壤有機(jī)碳含量高于地膜不覆蓋棄耕地土壤。謝駕陽(yáng)等比較了陜西楊陵地膜覆蓋與不覆蓋冬小麥地在土壤有機(jī)質(zhì)含量及生物學(xué)性質(zhì)上的差異。試驗(yàn)于2002年10月開(kāi)始，持續(xù)到2007年10月采樣測(cè)定，發(fā)現(xiàn)0—10cm土層土壤有機(jī)碳含量在地膜覆蓋與不覆蓋之間沒(méi)有顯著差異。梁貽倉(cāng)等[48]研究了陜西省長(zhǎng)武縣地膜覆蓋對(duì)冬小麥地土壤有機(jī)碳含量的影響。試驗(yàn)于2008年9月開(kāi)始，連續(xù)種植小麥，至2012年7月采集土壤樣品進(jìn)行分析，地膜覆蓋與不覆蓋處理0—30cm土壤有機(jī)碳含量差異不顯著。Liu等[15]在甘肅榆中小康營(yíng)地膜覆蓋下連續(xù)種植玉米5年（2008—2012），試驗(yàn)開(kāi)始和每年收獲時(shí)對(duì)土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，與不覆蓋處理相比，地膜覆蓋并不影響土壤有機(jī)碳含量。他們將這一結(jié)果歸結(jié)為地膜覆蓋下土壤有機(jī)碳礦化的增加量被有機(jī)碳輸入的增加量所填補(bǔ)。但是，李世朋等[49]在遼寧沈陽(yáng)研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋對(duì)玉米地土壤有機(jī)碳含量的影響與施用有機(jī)肥（豬廄肥）有關(guān)：在不施用有機(jī)肥的情況下無(wú)論是否施用化肥，與不覆蓋相比較，地膜覆蓋總是增加土壤有機(jī)碳含量；而在施用有機(jī)肥的情況下地膜覆蓋總是降低土壤有機(jī)碳氮含量。該試驗(yàn)于1987年開(kāi)始，連續(xù)種植玉米17年至2004年8月采樣。這說(shuō)明地膜覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響可能與是否施用有機(jī)肥（種類(lèi)及腐解程度）及土壤有機(jī)碳含量背景值等有關(guān)。有機(jī)碳含量高的土壤一般具有高的有機(jī)質(zhì)礦化速率，因?yàn)橥寥赖V物質(zhì)對(duì)有機(jī)質(zhì)的保護(hù)作用是有限的。

3地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田氮素循環(huán)的影響

土壤溫度和水分是影響土壤氮素礦化最重要的環(huán)境因子[53]，地膜覆蓋所導(dǎo)致的土壤水熱變化必然會(huì)加快土壤氮素的礦化、進(jìn)而對(duì)土壤氮素有效性產(chǎn)生影響。但是該方面的研究目前非常少，筆者檢索到的僅是Zhang等[33]和Hai等的工作。Zhang等[33]應(yīng)用原位土壤培養(yǎng)法在山東省蒙陰研究了地膜覆蓋對(duì)花生地（未施氮肥）土壤氮素礦化過(guò)程的影響。他們發(fā)現(xiàn)，花生開(kāi)花期和結(jié)夾期地膜覆蓋處理表層20cm土壤凈氮礦化速率分別是不覆蓋處理的2倍和1.2倍。Hai等[14]于2011和2012年連續(xù)兩個(gè)生長(zhǎng)季在甘肅省榆中縣小康營(yíng)利用原位土壤培養(yǎng)法研究了溝壟栽培下地膜覆蓋對(duì)施用了尿素的玉米地表層15cm土壤氮素礦化的影響。2011年玉米全生長(zhǎng)季無(wú)地膜覆蓋的土壤氮累計(jì)凈礦化量為47—60kg•hm-2，而在地膜覆蓋處理中氮凈礦化量為97—126kg•hm-2；2012年全生長(zhǎng)季無(wú)地膜覆蓋下凈氮礦化量為95—136kg•hm-2，而在地膜覆蓋下的凈氮礦化量為341—354kg•hm-2。這些結(jié)果表明，地膜覆蓋顯著增加土壤氮素礦化，從而貢獻(xiàn)于作物生育期土壤氮素有效性的增加。一些研究發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋能顯著增加作物收獲時(shí)土壤中的無(wú)機(jī)氮?dú)埩鬧11,14,54-55]，這也與地膜覆蓋下氮素礦化增加有關(guān)。地膜覆蓋對(duì)土壤反硝化作用的影響是人們非常關(guān)注的環(huán)境效應(yīng)之一。韓建剛[56]、白紅英[57-58]和閻佩云[59]等報(bào)道在黃土高原地膜覆蓋增加土壤N2O排放通量，但是沒(méi)有報(bào)道全生育期N2O的排放總量。Berger等[60]在韓國(guó)蘿卜菜地發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋降低生長(zhǎng)季N2O排放總量，而Liu等[16]發(fā)現(xiàn)在黃土高原的陜西長(zhǎng)武地膜覆蓋不影響玉米全生育期農(nóng)田土壤N2O排放總量。在Berger和Liu[16]等的研究中，他們所報(bào)告的不同處理下作物生育期N2O累積排放量在氮素?fù)p失總量中所占比例都很小。在Berger等的研究中，覆蓋和不覆蓋的蘿卜和大豆地在4個(gè)月生長(zhǎng)季中的累積N2O-N排放量均小于0.95kg•hm-2，而在Liu等的不覆蓋玉米地N2O-N累積排放量為1.70kg•hm-2，在覆蓋處理的累積排放量為1.57kg•hm-2（P＞0.05）。Kim等用LandscapeDNDC模型模擬得出地膜覆蓋蘿卜地（與Berger等[60]為同一地點(diǎn)）在全年生產(chǎn)中N2O-N排放量為2—3kg•hm-2。這些工作說(shuō)明雖然地膜覆蓋可能影響反硝化作用，但是其氮氧化物排放對(duì)地膜覆蓋下土壤氮素?fù)p失的貢獻(xiàn)非常小。地膜覆蓋顯著增加作物氮素的吸收，但是增加的吸收量是來(lái)自于土壤氮還是肥料氮是一個(gè)重要問(wèn)題，它關(guān)系到氮肥的利用效率及氮肥用量的合理確定。目前該方面的研究文獻(xiàn)也很少。黨廷輝等用15N示蹤法發(fā)現(xiàn)在陜西省長(zhǎng)武縣地膜未覆蓋處理玉米地上部分的尿素氮（用量為120kgN•hm-2）回收率（利用率）為54.6%，而在覆蓋下則為47.5%，但統(tǒng)計(jì)學(xué)差異不顯著（P＞0.05）。Liu等利用15N示蹤技術(shù)于2011和2012年（尿素僅在2011年標(biāo)記）所做的地膜覆蓋對(duì)尿素氮去向影響的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)生長(zhǎng)季（2011），與不覆蓋相比較，地膜覆蓋處理玉米氮素總吸收量增加了53%，而對(duì)化肥氮的吸收量卻降低了19%，這和前面文獻(xiàn)是一致的，說(shuō)明在該試驗(yàn)中地膜覆蓋下增加的氮吸收量不是來(lái)自于當(dāng)季施用的肥料而是來(lái)自于土壤有機(jī)氮的礦化。肥料氮的當(dāng)季利用率（吸收量占施用量的百分比）由不覆蓋下的23%降低為覆蓋下的18%。他們推測(cè)，第一個(gè)生長(zhǎng)季可能由于土壤有機(jī)氮礦化速率的增加而導(dǎo)致氮素有效性的增加，從而稀釋了尿素氮在土壤總有效氮中的摩爾分?jǐn)?shù)，使尿素氮被作物吸收的機(jī)會(huì)降低所致。但是在第二個(gè)生長(zhǎng)季（2012），玉米對(duì)殘留的標(biāo)記尿素氮的吸收量在地膜覆蓋處理中比不覆蓋處理增加了63%。他們推測(cè)這可能也與地膜覆蓋下氮素礦化速率增加有關(guān)。先一年由尿素氮轉(zhuǎn)化的有機(jī)氮應(yīng)該是不穩(wěn)定易礦化的有機(jī)氮；這些有機(jī)氮在地膜覆蓋下因土壤水熱條件的改善在第二年優(yōu)先于土壤中原本存在的較穩(wěn)定的有機(jī)氮組分而礦化，使得與不覆蓋處理相比其殘留的標(biāo)記無(wú)機(jī)氮在土壤總有效氮中的比例增加，因而被玉米吸收的機(jī)會(huì)增加。這些推測(cè)是否正確需要進(jìn)一步研究。Liu等[63]發(fā)現(xiàn)，在第一年（2011）玉米收獲時(shí)，170cm土壤剖面中殘留的標(biāo)記氮含量地膜覆蓋處理顯著大于不覆蓋處理，據(jù)此推斷地膜覆蓋下尿素氮的揮發(fā)損失降低，這是因?yàn)椋海?）在所有處理中至收獲時(shí)標(biāo)記氮還未遷移至170cm深度；（2）反硝化作用對(duì)氮素?fù)p失的貢獻(xiàn)很小。土壤氮素的淋溶損失取決于土壤剖面上部氮的荷載量與土壤剖面內(nèi)下行水流的強(qiáng)弱。Zhang等報(bào)道，地膜覆蓋降低花生地（兩行花生種在60cm寬的壟上，氮礦化和淋洗測(cè)定裝置被埋置在壟里，40cm寬的溝沒(méi)有覆蓋）土壤氮的淋溶損失。Liu等于2010—2012年在陜西長(zhǎng)武研究發(fā)現(xiàn)，在降水量較多的2010和2011年收獲時(shí)，100—200cm土層中NO3-N的增加量地膜覆蓋處理比不覆蓋處理低48%—86%，說(shuō)明地膜覆蓋顯著降低了上層土壤NO3-N的淋溶損失。但是，Hai等[14]通過(guò)對(duì)甘肅省榆中小康營(yíng)兩個(gè)生長(zhǎng)季（2011和2012）不同處理下15cm表層土壤無(wú)機(jī)氮平衡狀況的估算推測(cè)，地膜覆蓋可能增加表層土壤氮的淋溶損失。Liu等[63]通過(guò)15N標(biāo)記尿素氮在土壤剖面上的分布狀況及第二年殘留氮的損失量相對(duì)于不覆蓋處理增加來(lái)推斷，地膜覆蓋可能增加化肥氮的淋溶損失。在Zhang等[33]的研究中對(duì)花生未施氮肥，在Liu等[32]的研究中玉米施氮量為225kg•hm-2，低于地膜覆蓋處理下玉米的氮素吸收總量（約250kg•hm-2），而在Hai[14]和Liu[63]等的研究中，玉米施氮量為276kg•hm-2（農(nóng)技推廣部門(mén)的推薦量），遠(yuǎn)高于地膜覆蓋處理玉米的氮素吸收總量（約200kg•hm-2）。所以上述研究中關(guān)于地膜覆蓋對(duì)氮素淋溶損失影響的不一致性可能與施肥量有關(guān)。

4存在問(wèn)題與今后研究的重點(diǎn)

中國(guó)地膜覆蓋的農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域和區(qū)域都已經(jīng)十分廣泛，但是對(duì)大田作物應(yīng)用最多的可能主要集中在西北的半干旱地區(qū)和干旱地區(qū)的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)。以半干旱和半濕潤(rùn)易旱區(qū)為主的旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展中，地膜覆蓋的增產(chǎn)效應(yīng)發(fā)揮了重大作用，對(duì)于克服旱作農(nóng)業(yè)水熱條件不足導(dǎo)致的糧食生產(chǎn)能力低而不穩(wěn)的被動(dòng)局面、改善農(nóng)民生計(jì)發(fā)揮了重要作用。雖然社會(huì)上對(duì)地膜覆蓋技術(shù)還有一些擔(dān)憂，但是由于中國(guó)耕地少，人口多，對(duì)糧食生產(chǎn)是一個(gè)剛性需求，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，地膜覆蓋技術(shù)的研究和應(yīng)用不僅不會(huì)消弱，反而會(huì)逐步加強(qiáng)。人們對(duì)地膜覆蓋的擔(dān)憂主要是地膜殘留問(wèn)題。目前政府和農(nóng)技推廣部門(mén)對(duì)這一問(wèn)題已經(jīng)十分重視，鼓勵(lì)農(nóng)民和企業(yè)盡可能回收利用，以減少殘留。這方面的工作應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)，同時(shí)，地膜殘留對(duì)土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力的影響應(yīng)是亟待加強(qiáng)的研究領(lǐng)域。對(duì)地膜覆蓋的另一個(gè)擔(dān)憂是該技術(shù)可能會(huì)過(guò)度消耗地力，影響農(nóng)田生產(chǎn)力的可持續(xù)性。然而，盡管地膜覆蓋在世界范圍內(nèi)應(yīng)用于植物生產(chǎn)時(shí)間已經(jīng)很久，但應(yīng)用于旱地糧食作物生產(chǎn)的時(shí)間還很短，現(xiàn)有文獻(xiàn)多是關(guān)于增產(chǎn)效果和水分效應(yīng)，而關(guān)于地膜覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳平衡和氮素循環(huán)影響的研究還很少。已有的文獻(xiàn)[15，47-48]顯示地膜覆蓋對(duì)黃土高原土壤有機(jī)碳含量的影響可能是中性的，輸入與輸出之間基本能夠達(dá)到平衡，但是這一初步結(jié)果還有待于通過(guò)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的田間試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。地膜覆蓋下有機(jī)碳輸入與輸出基本平衡背后的事實(shí)是土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率加快，地膜覆蓋下土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性及其增強(qiáng)機(jī)制是需要研究的重要問(wèn)題。有限的研究結(jié)果表明，地膜覆蓋顯著促進(jìn)土壤氮素的礦化，改變肥料氮的去向[62-63]。當(dāng)然，這些結(jié)果需要長(zhǎng)期多點(diǎn)試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證，并揭示其中的機(jī)理。如何增強(qiáng)地膜覆蓋下土壤氮素礦化與固定之間的耦合（如通過(guò)增加有機(jī)碳輸入），以及適應(yīng)這一過(guò)程的變化以有效地進(jìn)行養(yǎng)分管理，也是需要研究的重要方向。因地膜覆蓋的增產(chǎn)效果具有明顯的地域性，在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，水熱條件限制越強(qiáng)烈的地區(qū)其增產(chǎn)效果越明顯；反之，則增產(chǎn)效果降低。因此，在水熱條件較好的地區(qū)，建議加強(qiáng)與秸稈覆蓋的結(jié)合研究，以減少地膜使用，并促進(jìn)生產(chǎn)力的提高。

作者：李小剛 李鳳民 單位：蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室