趙 龍，張友良, 王 娟, 田承偉，苗恒錄

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225009； 2.撫州市水文局，江西 撫州344000； 3.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

1 研究背景

我國是水稻生產(chǎn)大國，2016年我國水稻總產(chǎn)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(dá)13 500 m3/hm2，遠(yuǎn)高于其生理需水[2]。水稻覆膜旱作技術(shù)可以減少水稻生長過程中的水面蒸發(fā)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(chǎn)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(shù)以提高水稻的產(chǎn)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(jié)歸納已有研究文獻(xiàn)，分析水稻覆膜旱作對土壤水肥氣熱的影響機(jī)理及對水稻生長、產(chǎn)量和水分利用效率的影響機(jī)理，探討水稻覆膜旱作技術(shù)存在的問題及未來研究方向，為該技術(shù)的進(jìn)一步研究與應(yīng)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(shí)，地膜阻隔了稻田和外界環(huán)境的物質(zhì)與能量交換，使土壤蒸發(fā)的水汽被保留到稻田與薄膜形成的氣室中，當(dāng)晝夜溫度降低時(shí)水汽凝結(jié)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(jié)果表明：0～60 cm土層內(nèi)，水稻覆膜的土層含水率均高于常規(guī)旱作處理下的土層含水率；0～20 cm土層內(nèi)，日平均最低和最高土壤溫度均高于常規(guī)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(guī)旱作高約13%，隨著水稻的生長該增溫效應(yīng)逐漸減弱甚至消失。

2.2 水稻覆膜旱作對土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是水稻生長和產(chǎn)量增加的保障，土壤養(yǎng)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(diào)控土壤水分溫度和土壤通氣性來影響土壤養(yǎng)分含量及其時(shí)空分布。潘臘青等[11]發(fā)現(xiàn)水稻覆膜土壤中鐵和錳的有效態(tài)含量分別提高了47.8%和19.9%。Liu等[12]研究表明水稻覆膜會(huì)增加5～20 a內(nèi)土壤有機(jī)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(guī)淹水栽培相比，覆膜處理的土壤有機(jī)質(zhì)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?yàn)楦材ぴ鰪?qiáng)了水稻根系的生長，使其能從土壤中吸收更多的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而減少土壤中有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)的含量。此外，因?yàn)楦材じ纳屏送寥劳庑?，覆膜水稻土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無機(jī)氮的含量要遠(yuǎn)高于常規(guī)水種和裸地旱種。Yang等[15]在蘭溪實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水稻覆膜會(huì)降低土壤有機(jī)質(zhì)、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(jié)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(chǔ)量，水稻覆膜能夠促進(jìn)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(guān)注，稻田溫室氣體排放也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。土壤中有機(jī)質(zhì)可分解為無機(jī)碳和無機(jī)氮，無機(jī)碳在厭氧環(huán)境下產(chǎn)生CH4，無機(jī)氮在硝化和反硝化過程中會(huì)產(chǎn)生N2O。水稻覆膜旱作通過改變土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤通氣性和土壤水分溫度等來調(diào)節(jié)溫室氣體排放量。

常規(guī)淹水種植的稻田長期存在水層，促進(jìn)了甲烷菌的生長和活性，使得CH4排放通量增加。與常規(guī)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(gè)較高水平，抑制了CH4的產(chǎn)生，但覆膜同時(shí)會(huì)使土壤水分發(fā)生劇烈的變化，使得硝化作用和反硝化作用同時(shí)存在，再加上外來肥料的一次性施入，導(dǎo)致N2O急劇增加[17-18]。劉芳等[19]發(fā)現(xiàn)覆膜水稻全生育期CH4累計(jì)排放通量為2.46 g/m2，較常規(guī)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(jìn)行研究也得出類似的結(jié)論。王玉英等[21]通過對常規(guī)淹水、常規(guī)旱作、覆膜旱作3種栽培方式對照處理的研究表明，拔節(jié)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(guī)淹水栽培的14.024 mg/(m2·h)。Zhang等[22]在2010-2014年通過實(shí)驗(yàn)得出，與常規(guī)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(yuǎn)高于常規(guī)淹水處理的37 mg/(m2·h)，且水稻排水落干期施肥會(huì)對N2O的排放產(chǎn)生促進(jìn)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(guī)處理(262.01和771.95 kg/hm2)。

為減少覆膜產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，有研究表明可以在覆膜稻田中加入穩(wěn)定性肥料(添加脲酶抑制劑或硝化抑制劑或同時(shí)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(tǒng)中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)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(fā)現(xiàn)在覆膜水稻系統(tǒng)中用控釋肥料代替尿素可以在不影響產(chǎn)量的同時(shí)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(guān)于對于覆膜旱作對水稻田間土壤水熱、土壤養(yǎng)分及溫室氣體排放進(jìn)行了深入研究，得出覆膜旱作相較于常規(guī)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(yǎng)分的影響，不同研究者得到的結(jié)論不一致，有的認(rèn)為覆膜旱作可以增加土壤有機(jī)質(zhì)和氮的含量，但也有人發(fā)現(xiàn)該技術(shù)會(huì)減少土壤有機(jī)質(zhì)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(dǎo)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(jìn)而影響了土壤養(yǎng)分的含量。對于溫室氣體排放，研究者認(rèn)為覆膜旱作可以減少CH4的排放，但是N2O的排放會(huì)有一定程度的增加。

迄今為止，前人關(guān)于不同顏色的覆膜材料對土壤水熱、土壤養(yǎng)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(xué)性質(zhì)不同，對水稻田間土壤水熱環(huán)境的影響不同，從而對土壤養(yǎng)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(yǎng)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(chǎn)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(huì)影響水稻根系的生長及其對水分和養(yǎng)分的吸收，進(jìn)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(dòng)態(tài)模擬模型發(fā)現(xiàn)，覆膜水稻分蘗前期莖蘗增長緩于常規(guī)處理，分蘗高峰期滯后10～20 d。王曉航等[31]研究發(fā)現(xiàn)，灌漿期覆膜水稻的葉面積指數(shù)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(nèi)的根干重、根長密度和根表面積，均顯著高于常規(guī)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(jìn)更多根系分布于根區(qū)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(huì)增加水稻的單株生物量，且倒伏指數(shù)較常規(guī)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(fā)現(xiàn)生育前期覆膜水稻根系生長和分枝最強(qiáng),但之后卻受到抑制，這主要是因?yàn)樵谒旧L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(chǎn)生促進(jìn)作用，但之后隨著覆膜增溫效應(yīng)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(guī)淹水栽培相比，在水稻覆膜的基礎(chǔ)上實(shí)施直播技術(shù)還可以縮短水稻生育期，提高光合生產(chǎn)上的葉面積指數(shù)、光合勢和凈同化率[37-39]。

3.2 水稻覆膜旱作對水稻產(chǎn)量的影響

水稻產(chǎn)量形成的過程實(shí)際上是干物質(zhì)積累、分配與轉(zhuǎn)運(yùn)的過程[40]。水稻覆膜旱作通過影響土壤水肥氣熱環(huán)境間接影響水稻的生理生長及其產(chǎn)量。目前研究表明覆膜水稻的產(chǎn)量明顯高于常規(guī)旱作處理，但產(chǎn)量與淹水處理在不同地域和種植時(shí)間上差異明顯。王友貞等[41]研究發(fā)現(xiàn)水稻覆膜后與裸地旱種相比每公頃產(chǎn)量至少增加2 500 kg，這主要是因?yàn)楦材さ脑鰷乇勛饔檬顾驹谏捌诘纳L分蘗速度高于常規(guī)旱作處理，從而增加了地上部分干物質(zhì)的積累。肖海華等[42]2011年4-8月在四川資陽的研究發(fā)現(xiàn)，覆膜水稻產(chǎn)量達(dá)到8 620 kg/hm2，較常規(guī)淹水處理增加18%，其穗長、穗粒數(shù)、千粒重、有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率等產(chǎn)量構(gòu)成因素均高于常規(guī)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(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水稻在高海拔地區(qū)的產(chǎn)量、每平方米的小穗數(shù)和籽粒充實(shí)率顯著高于低海拔地區(qū)。劉美菊[45]2011年4-9月在湖北十堰等多個(gè)地方的研究發(fā)現(xiàn)，覆膜處理使水稻產(chǎn)量較淹水處理提高18%。Qu等[5]在湖北經(jīng)過7年的田間試驗(yàn)也得到了類似的結(jié)論。而張自常[46]于實(shí)驗(yàn)期的6-10月在江蘇揚(yáng)州的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，覆膜導(dǎo)致水稻減產(chǎn)約10%。崔國賢[47]1998年6-10月在江蘇大豐的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，覆膜旱作使水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素均有所下降，不同品種對旱作環(huán)境的適應(yīng)性也明顯不同。這可能是因?yàn)樵诖杭靖吆０蔚貐^(qū)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(qū)，過高的溫度反而會(huì)抑制水稻的生長。

不同的施氮量和種植方式也會(huì)影響覆膜水稻的產(chǎn)量。鄧小強(qiáng)等[48]研究表明，施氮120 kg/hm2時(shí)，覆膜水稻產(chǎn)量最高單產(chǎn)9 532.9 kg/hm2。豐大清等[49-50]對水稻產(chǎn)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(chǎn)27.3%，另外對覆膜水稻進(jìn)行廂畦式處理可以使水稻增產(chǎn)28.44%。袁玲等[51]對秸稈還田條件下水稻產(chǎn)量的研究表明，覆膜水稻的產(chǎn)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(chǎn)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(huán)境通過影響水稻的生理狀況，進(jìn)而影響水稻干物質(zhì)積累和產(chǎn)量。覆膜處理對水稻產(chǎn)量的影響機(jī)理還有待進(jìn)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(fā)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(guī)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(fā)損失相對常規(guī)處理降低80%以上。石建初等[54]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜水稻的生態(tài)耗水較常規(guī)淹水減少了57.2%，總耗水量減少了34.6%，且當(dāng)根區(qū)平均土壤含水量保持在田間持水量的80%時(shí)，其節(jié)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(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)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(chǎn)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(jìn)水稻的生長，主要體現(xiàn)在生物量、根系等生理生長指標(biāo)方面，這主要是由于覆膜旱作對水稻田間土壤水熱環(huán)境的改善。但是由于產(chǎn)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(chǎn)量，但有的研究表明覆膜旱作會(huì)導(dǎo)致水稻產(chǎn)量降低。與水稻常規(guī)旱作及常規(guī)淹水灌溉相比，覆膜旱作可以顯著提高水分利用效率。由現(xiàn)有研究可以發(fā)現(xiàn)水稻覆膜旱作對水稻產(chǎn)量的影響可能是積極的，也有可能是消極的，怎樣根據(jù)不同的氣候和土壤等條件，通過覆膜旱作調(diào)控土壤水熱、土壤養(yǎng)分等因素，充分發(fā)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(gè)重要方向。

4 結(jié) 論

水稻覆膜旱作技術(shù)可以調(diào)控水稻生長的水肥氣熱條件，促進(jìn)水稻的生長，在減少用水的同時(shí)，保證其產(chǎn)量，需要通過更多研究充分發(fā)揮其潛力。通過分析現(xiàn)有國內(nèi)外關(guān)于覆膜旱作技術(shù)對水稻田間土壤水熱、養(yǎng)分和溫室氣體排放及其對水稻生理生長、產(chǎn)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(gè)方面需要進(jìn)一步研究：

(1)現(xiàn)有研究主要關(guān)注水稻覆膜旱作技術(shù)對土壤水熱環(huán)境的影響，但是對水稻覆膜旱作大氣—作物—薄膜—土壤系統(tǒng)的水熱環(huán)境傳輸過程研究較少，需要通過進(jìn)一步的研究明確覆膜旱作水稻的水熱傳輸過程及機(jī)理。

(2)關(guān)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(xué)性質(zhì)，它是影響土壤環(huán)境的關(guān)鍵因素，在水稻生長初期影響最大。因此，需要進(jìn)一步研究利用薄膜材料調(diào)控水稻生長的方法。

(3)關(guān)于覆膜旱作對不同地區(qū)水稻產(chǎn)量的影響還需進(jìn)一步研究，需要充分發(fā)揮覆膜旱作水稻的積極作用，實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)量的增加，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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