王麗麗　余海龍　黃菊瑩

摘要：干旱、缺水是困擾我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的兩大難題之一，地表覆蓋措施是解決旱作農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)缺水的有效途徑。就旱作農(nóng)業(yè)常用的3類覆蓋措施（地膜覆蓋、秸稈覆蓋、礫石覆蓋）的土壤生態(tài)環(huán)境效應和作物增產(chǎn)效應進行了述評。實際應用中，為實現(xiàn)更好的土壤生態(tài)環(huán)境效應以及達到最佳的作物增產(chǎn)效果，需要注意覆蓋的方式、時間以及覆蓋時間的長短。

關鍵詞：秸稈覆蓋；礫石覆蓋；地膜覆蓋；土壤生態(tài)環(huán)境；作物增產(chǎn)

中圖分類號： S151.9 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0011-04

干旱、缺水是困擾我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的兩大難題之一[1]，集雨、蓄水、減少水分無效蒸發(fā)等是促進我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑。地表覆蓋作為一種土壤調(diào)控技術，不僅能提高水分利用效率，促進土壤溫度升高，起到保水保墑的作用，而且能夠改善土壤物理性狀，起到抑制雜草、減輕土壤鹽堿化程度、提高土壤微生物活性等作用，并且能夠減少水土流失、保護土壤結(jié)構，為作物生長提供適宜的水、肥、熱等條件，從而提高作物產(chǎn)量[2-3]。如何選擇合適的地表覆蓋方式及材料對于滿足不同地區(qū)作物生長所需要的濕度、溫度等條件至關重要。因覆蓋材料、作物品種、生態(tài)區(qū)域不同，國內(nèi)外學者關于覆蓋措施的土壤環(huán)境效應和增產(chǎn)效應研究結(jié)果存在較大差異。我國耕地面積廣闊，各地區(qū)之間自然條件差異大，各地的種植制度也存在差異[4]。本研究從土壤環(huán)境、土壤肥力、土壤水分利用效率以及作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量等方面入手，對我國旱作農(nóng)業(yè)區(qū)常用的3類地表覆蓋措施（秸稈覆蓋、礫石覆蓋、地膜覆蓋）的土壤生態(tài)環(huán)境效應及增產(chǎn)效應原理進行比較分析，旨在為合理選擇和應用地表覆蓋材料提供參考。

1 不同覆蓋措施對土壤環(huán)境和肥力的影響

1.1 不同覆蓋措施對土壤溫度的影響

研究表明，秸稈覆蓋、礫石覆蓋、地膜覆蓋這3類地表覆蓋措施都可以起到調(diào)節(jié)土壤溫度的作用。于曉蕾等通過研究不同秸稈覆蓋量對不同土層深度土壤溫度的影響發(fā)現(xiàn)，深度為0～15 cm的土層土溫變化明顯，15～25 cm土層土溫變化不明顯[5]。崔向新等研究表明，礫石覆蓋條件下土壤的降溫速率要明顯低于未經(jīng)過礫石覆蓋的降溫速率。地膜覆蓋能顯著增加耕層5 cm處的土壤溫度[6]。李曉黎通過田間育苗試驗，認為覆膜區(qū)的地溫要比未經(jīng)過覆膜處理的小區(qū)高0.5～7.5 ℃[7]。王樹森總結(jié)了地膜的增溫機制主要源于以下原因：（1）地膜隔絕土壤與外界的水分交換，抑制了潛熱交換；（2） 地膜減弱了土壤與外界的顯熱交換；（3）地膜及其表面附著的水層對長波反輻射有削弱作用，導致夜間土壤溫度下降速度減緩[8]。當外界溫度較高時，覆蓋在地表的秸稈能吸收一定的太陽輻射，使地表的溫度不超過作物生長的上限溫度，保證植物正常生長；白天秸稈覆蓋具有降低地溫的作用，覆蓋處理地溫的最高值低于對照，主要原因是秸稈吸收太陽輻射后，由于秸稈的導熱率較小，導致熱量不易向地表傳遞；夜晚溫度降低時，秸稈層阻擋了地面的長波輻射，減少了土壤散失的熱量，能量的釋放減緩，有效阻礙了地溫降低。礫石覆蓋增加了地表粗糙度，且礫石顏色深，增加了礫石對太陽輻射的吸收能力，加之礫石熱容量和導熱率均小于土粒，因此具有升溫快、散熱快的特點。礫石覆蓋下土壤溫度增幅大于土田，顯著改善了土壤熱狀況。在這3類覆蓋措施中，地膜的增溫速度最快，且呈持續(xù)增溫狀態(tài)[9]。由此可見，若覆蓋的主要目的是增溫，應選擇地膜覆蓋。秸稈覆蓋和礫石覆蓋在高溫時可以調(diào)節(jié)土壤表層的溫度[10]，使土壤溫度的變化比較平穩(wěn)[11]，更有利于作物生長。

1.2 不同覆蓋措施對土壤含水量的影響

秸稈覆蓋、礫石覆蓋、地膜覆蓋這3類不同的覆蓋措施均能起到保持土壤水分的作用。秸稈覆蓋增加了雨水入滲率，提高了土壤的蓄水保水能力。宋鳳斌等研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋在干旱年份能夠顯著增加玉米生長發(fā)育期土壤的含水量[12]。礫石覆蓋能夠通過增加水分入滲量和抑制水分蒸發(fā)而蓄水保墑[13]。雒煥炘研究發(fā)現(xiàn)，新、中、老沙田土壤含水量均高于土田，說明沙田土壤有保墑作用，這主要是由增加入滲量的同時降低蒸發(fā)量所致[14]。地膜覆蓋的保墑效應主要是由于地膜在土壤表面起到不透氣的物理阻隔作用，使土壤水分垂直蒸發(fā)直接受阻，迫使水分橫向運移，土壤水分蒸發(fā)速度相對減緩，總蒸發(fā)量大幅度下降。同時，因地膜內(nèi)溫度較高，加大了土壤熱梯度的差異，導致土壤深層水分向上移動，并在上層聚積，形成提水上升的保墑效應，地膜內(nèi)水氣增加，大量凝結(jié)在膜內(nèi)壁上，到了夜晚或低溫天氣，膜下水汽遇冷凝結(jié)成小水珠，由小變大，滴落地表，再滲入土中，又提高了土壤濕度，以后再蒸發(fā)再凝結(jié)，如此進行液相和氣相循環(huán)，保證土壤耕層含水量較高。由于覆膜限制了降水及灌溉水直接進入土壤，因此在覆膜后期，隨著地膜內(nèi)溫度的持續(xù)升高，土壤濕度不斷降低[9]。秸稈覆蓋在土壤表層增加了保護層，水分在上升過程中受到阻力而返回到土壤中，并且秸稈覆蓋能減小風帶來的水分蒸發(fā)量，因此顯著提高了土壤含水量。礫石覆蓋地表增加了土壤滲水力，與土田相比，礫石覆蓋地表處理下土壤水分下滲率增加了9倍[14]，加之礫石阻攔了土壤水汽向外擴散，進一步降低了土壤表層水分損失量。

1.3 不同覆蓋措施對土壤密度的影響

土壤密度影響土壤蓄水能力[15]，并最終影響農(nóng)作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量[16]。地表覆蓋能夠改善土壤結(jié)構，對地表進行不同覆蓋處理能不同程度地影響土壤密度[11]。覆蓋秸稈后，土壤有機質(zhì)含量提高，隨著腐殖質(zhì)含量的增多，土壤團聚體數(shù)量增多，總孔隙度提高，土壤密度下降[17]。研究表明，當土壤中礫石含量增加時，土壤密度隨之增加，當?shù)[石含量增加到一定的程度時，土壤密度隨著礫石含量的增加而減小[18]。地膜覆蓋后期，破碎的地膜殘留在土壤中，或形成機械斷層，或把小塊土壤包裹起來從而影響作物根系正常生長，不利于作物吸收養(yǎng)分和水分。殘膜還會阻礙土壤中毛管水和自然水的滲透，增加土壤密度[19]。

1.4 不同覆蓋措施對土壤侵蝕的影響

秸稈覆蓋、礫石覆蓋、地膜覆蓋這3類不同地表覆蓋措施均能顯著提高土壤流失通用方程式A=R×K×Ls×C×P和風蝕通用方程式E=f（I×K×C×L×V）中的植物覆蓋因素C、V，有效減輕土壤水蝕和風蝕損失，對防止水土流失和防護農(nóng)田具有重要意義。秸稈覆蓋影響地表徑流，可阻截部分降水量，使土壤表面免受雨滴濺蝕，起到減輕土壤顆粒分離和擴散的作用。同時，秸稈覆蓋地表增加了地表的粗糙程度，減少徑流總量并降低地表徑流的流速[20]。王安等研究表明：秸稈覆蓋條件下，最大產(chǎn)沙量比無覆蓋減少75%[21]。有研究表明，秸稈覆蓋下年均徑流量和年均侵蝕量比無覆蓋處理分別減少67.60%、93.29%，地膜覆蓋下年均徑流量和年均侵蝕量比秸稈覆蓋處理分別高15.41%、5.83%[22-23]。礫石覆蓋與秸稈覆蓋一樣，在土壤的表層形成了保護層，延緩了表層土壤結(jié)皮的形成速度，增加了降雨入滲，提高了雨水下滲速度，減弱地表徑流，保護表層土壤，抑制了土壤侵蝕的發(fā)生[24]。沙田具有較好的抗風蝕和降塵作用。風洞試驗結(jié)果表明，不同風速下，未壓沙農(nóng)田都是以風蝕為主，隨著風速的增大，風蝕的速率也不斷增大；在礫石的阻風作用下，沙田表面的風速變化不大，礫石覆蓋在地表，增加了地表的粗糙程度，實現(xiàn)了風蝕和風積的平衡[25]。秸稈覆蓋和礫石覆蓋一樣，都是通過增加地表的粗糙度來減弱風蝕作用。地膜覆蓋、秸稈覆蓋、礫石覆蓋都提高了土壤的濕度[26]，且避免了表層土壤直接受到風力吹蝕[27]，但地膜覆蓋抵抗風蝕的作用要明顯弱于礫石覆蓋和秸稈覆蓋。

1.5 不同覆蓋措施對土壤蒸發(fā)的影響

秸稈覆蓋、礫石覆蓋、地膜覆蓋這3類不同地表覆蓋措施都能通過抑制蒸發(fā)來提高水分利用效率。這3類覆蓋材料在表層土壤與大氣之間形成不透水層，阻止水分蒸發(fā)[28]。秸稈覆蓋可使地面層顯熱通量增大，潛熱通量和土壤熱通量均明顯減小，土壤蒸發(fā)受限[29]。陳素英等研究了玉米秸稈覆蓋對麥田土壤溫度和土壤蒸發(fā)的影響，結(jié)果表明覆蓋處理下棵間蒸發(fā)量遠遠小于不覆蓋處理，且覆蓋量大的處理對土壤蒸發(fā)的抑制率高于覆蓋量少的處理[30]。秸稈覆蓋能提高農(nóng)田水分利用效率[10]。礫石覆蓋可在土體表面形成一個干土層從而阻止毛細管水的上升，切斷了土壤中毛細管向土壤表層的水汽輸送，抑制了土壤中水分的蒸發(fā)[11]。關紅杰等研究了沙石覆蓋厚度和粒徑對土壤蒸發(fā)的影響，結(jié)果表明當?shù)[石粒徑在0.25～4.00 cm 范圍內(nèi)時，礫石覆蓋厚度越大，對土壤蒸發(fā)的抑制作用越大。但同一覆蓋厚度條件下，隨著沙石粒徑的增大，土壤累積蒸發(fā)量增加，沙石覆蓋對蒸發(fā)的抑制作用降低[27]。

1.6 不同覆蓋措施對土壤鹽分的影響

地表覆蓋通過抑制土壤蒸發(fā)從而對土壤含鹽量產(chǎn)生影響。研究表明，秸稈覆蓋、地膜覆蓋、礫石覆蓋都能不同程度地抑制土壤中水分的蒸發(fā)。地膜覆蓋作為一種新型的節(jié)水洗鹽技術，能阻滯鹽分向土表聚積[31]。秸稈覆蓋可明顯抑制土壤鹽分表聚，隨著覆蓋量的增加，土壤鹽分表聚現(xiàn)象逐漸減輕。秸稈覆蓋可以減少地面徑流，增加雨水的入滲量，加速了土壤鹽分淋洗，使得表層土壤脫鹽；而且覆蓋秸稈能夠延緩土壤中水分的上移速度，抑制鹽分的表聚[32]。鄧力群等認為，在鹽堿土表面，以5 cm厚度進行秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理后，5 cm厚度秸稈覆蓋下的土壤表層含鹽量明顯下降[33]。在地膜覆蓋處理下，鹽分是否表聚取決于地下水位的高低，地下水位高時，會出現(xiàn)鹽分表聚現(xiàn)象，地下水位降低時，表層土壤的鹽分含量降低[34]。但也有學者認為，地膜覆蓋在抑制鹽分積累方面的作用要優(yōu)于秸稈覆蓋和礫石覆蓋[35]。礫石覆蓋地表增加了地表粗糙度，可增加降水下滲，水重力下滲作用大于毛管上升作用，可淋洗耕層鹽分，降低土壤溶液中鹽分濃度，起到改良鹽堿土的作用。此外，礫石層具有毛細管作用和減少水分蒸發(fā)的功效，有效抑制了可溶性鹽類隨蒸發(fā)而上升地表聚積，防止鹽堿化。

1.7 不同覆蓋措施對土壤肥力的影響

地表覆蓋顯著影響土壤水、熱狀況和生物活性，土壤中微生物數(shù)量和酶活性高低對土壤的肥力有重要影響[36]。地表覆蓋地膜調(diào)節(jié)了土壤的水、氣、熱等條件，有利于土壤中全氮的轉(zhuǎn)化和有機質(zhì)的礦化，在一定程度上提高了土壤養(yǎng)分利用效率[37]。礫石覆蓋的農(nóng)田中，0～20 cm土層范圍內(nèi)，土壤養(yǎng)分含量隨著壓沙時間的延長而逐漸降低[38]。這是由于在壓沙前期，土壤的水熱條件發(fā)生變化，促進了土壤中有機質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化以及肥力的有效利用，但是隨著壓沙時間的延長，表層礫石不斷進入土壤，導致沙田增溫保墑功能逐漸下降，在不施肥情況下，沙田土壤肥力逐漸降低[39]。秸稈覆蓋促進了土壤酶活性的提高和微生物數(shù)量的增加，由此促進了土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，增加了土壤中腐殖質(zhì)的含量，提高了土壤肥力[40]。與上述2種覆蓋方式相比，秸稈覆蓋不僅能提高土壤養(yǎng)分的利用效率，而且還可以培肥土壤，調(diào)節(jié)土壤的養(yǎng)分供給，卜玉山等研究表明，秸稈覆蓋還能夠不同程度增加土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量，地膜覆蓋降低了表層土壤中有機質(zhì)含量[41]。土壤0～10 cm土 層的有機質(zhì)、速效養(yǎng)分含量與秸稈覆蓋量呈極顯著回歸關系[42]。

1.8 不同覆蓋措施對土壤微生物和酶活性的影響

旱區(qū)農(nóng)田采用不同的地表覆蓋物，可不同程度地改變土壤濕度、溫度，進而影響土壤酶活性與微生物群落發(fā)育[43]。吳宏亮等研究表明，礫石覆蓋改善了農(nóng)田水分和溫度條件，首先影響土壤微生物類群組成及數(shù)量，進而影響土壤酶的酶促反應，從而加速土壤潛在養(yǎng)分的分解，土壤供肥能力增強[44]。礫石覆蓋減少了外界有機物質(zhì)直接進入土壤的途徑，在施肥困難的情況下，土壤中的有機質(zhì)含量隨著壓沙年限的增加而不斷降低，因此土壤中微生物的數(shù)量會隨著礫石覆蓋年限的增加而減少，生理活性也隨之下降；土壤中酶活性呈現(xiàn)上高下低的分層現(xiàn)象[45-46]。地膜覆蓋措施下保墑作用可促進土壤養(yǎng)分釋放，從而提高了土壤酶活性。同時，地膜覆蓋可有效減少土壤水分蒸發(fā)，保持并穩(wěn)定土壤溫度，有利于細菌和真菌的生長[47]。地表覆蓋的礫石層阻斷了外界有機物進入土壤的途徑，從而改變了土壤微生境，導致土壤中微生物的數(shù)量發(fā)生變化。與此同時，土壤的酶活性也以礫石覆蓋11年為界，呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當?shù)[石覆蓋的年限超過15年時，土壤的酶活性已不適宜作物生長，造成作物減產(chǎn)[48]。秸稈覆蓋和地膜覆蓋2種覆蓋措施與無覆蓋相比雖然都能提高土壤中微生物數(shù)量和土壤的酶活性，但是，地膜覆蓋的作用不明顯[44]。秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理下，土壤中微生物的數(shù)量和土壤的酶活性總體上表現(xiàn)出上多下少的現(xiàn)象[47]。這是由于秸稈覆蓋還田改善了土壤原有的有機質(zhì)條件，土壤的水、氣、熱狀況也逐漸改善，從而使土壤微生境發(fā)生了變化；表層土壤與下層土壤相比，能更好地與外界進行水分、物質(zhì)、熱量交換，更有利于微生物生存[27]。綜上所述，在提高土壤的酶活性和微生物數(shù)量以及微生物功能方面，礫石覆蓋和秸稈覆蓋都優(yōu)于地膜覆蓋。

2 不同覆蓋措施對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響

2.1 對作物生長發(fā)育的影響

秸稈覆蓋、地膜覆蓋、礫石覆蓋都能起到增溫、保墑的作用，對作物的生長發(fā)育產(chǎn)生一定影響。在地膜覆蓋和秸稈覆蓋條件下，作物的株高、莖粗、葉片面積、根系活力以及干物質(zhì)積累量都較無覆蓋條件明顯增高[49-50]。與秸稈覆蓋相比，地膜覆蓋對玉米生長發(fā)育的影響主要表現(xiàn)在玉米生長前期，秸稈覆蓋在玉米生長的中后期促進作用較大，在地膜覆蓋條件下，玉米表現(xiàn)出早衰現(xiàn)象[51]。在秸稈覆蓋條件下，玉米的出苗期較無覆蓋條件下延遲，但是在玉米生長后期，與無覆蓋相比，秸稈覆蓋下玉米的生長發(fā)育具有明顯的優(yōu)勢[52]，這是由于當外界溫度較低時，秸稈吸收了一定的太陽輻射，導致秸稈覆蓋下的溫度低于無覆蓋條件，從而延長了玉米的出苗期。但是秸稈覆蓋能增強玉米根系活力，顯著增強玉米對土壤中水分、養(yǎng)分的吸收能力[53]，有利于玉米生長發(fā)育。

2.2 對作物產(chǎn)量的影響

地表覆蓋作為一種土壤調(diào)控技術，不僅能提高水分利用效率，促進土壤溫度升高，起到保水保墑的作用，而且能夠改善土壤物理性狀，起到抑制雜草生長、減輕土壤鹽堿化程度、改善土壤微生物環(huán)境等作用，為作物生長提供了適宜的水、肥、熱等條件，從而提高作物產(chǎn)量[3]。地表覆蓋改善了耕層及近地面的微環(huán)境，這3類地表覆蓋材料均具有顯著的增溫保墑作用，活化土壤養(yǎng)分，提高了土壤養(yǎng)分有效性和水分利用效率，有利于早出苗和促進苗期生長。由于降水的不均衡性，地膜覆蓋在不同年份的增產(chǎn)作用差別很大，在干旱嚴重的年份，不適當?shù)母材蚋材ず笃谠鰷厮俣冗^快而導致作物減產(chǎn)。秸稈覆蓋能延緩作物綠葉衰亡，延長光合作用有效時長，從而顯著提高作物產(chǎn)量[54]。在高溫干旱地區(qū)，秸稈覆蓋條件下的增產(chǎn)效果要明顯好于地膜覆蓋[55]。寧南山區(qū)春玉米整秸稈覆蓋條件下產(chǎn)量增加了130.98 kg/hm2，而黃淮海地區(qū)夏玉米在秸稈覆蓋條件下能顯著增加籽粒產(chǎn)量[56]。礫石覆蓋對作物產(chǎn)量的影響主要受到壓沙年限的影響，壓沙初期，礫石對土壤的增溫、保墑效果好，壓沙5年，西瓜的產(chǎn)量最高，但隨著壓沙年限的增加，土壤肥力逐漸下降，西瓜的產(chǎn)量隨著壓沙年限的增加而逐年降低，當壓沙年限超過20年時，土壤不再適宜種植西瓜[57]。無論是秸稈覆蓋、地膜覆蓋還是礫石覆蓋，要想達到增產(chǎn)的效果，需要結(jié)合當?shù)氐臍鉁?、降水等條件，選擇覆蓋的方式、秸稈的覆蓋量、覆蓋的時間以及覆蓋時間的長短等。

3 結(jié)論與討論

作為土壤管理技術之一的地表覆蓋技術具有蓄水保墑、培肥地力、減少水土流失、調(diào)節(jié)微域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境等生態(tài)功能，現(xiàn)已成為世界上許多國家和地區(qū)廣泛采用的土壤管理調(diào)控技術之一。目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的覆蓋材料為秸稈、地膜、礫石。地表覆蓋為作物生長提供了特殊的土壤生態(tài)環(huán)境，促使土壤物理、化學性質(zhì)和生物學性狀發(fā)生變化，使植株早發(fā)快長，并能有效延長作物生長期。地表覆蓋可以改善土壤結(jié)構、增加土壤蓄水保墑能力，使有效土壤水更多地用于植物生長，從而擴大葉面積，有助于作物的生長和產(chǎn)量的形成。其中，秸稈覆蓋措施對提高土壤孔隙度、減緩土壤有機質(zhì)和速效鉀含量下降速率、促進作物生長和提高產(chǎn)量具有很好的效果，明顯優(yōu)于其他地表覆蓋方法。地膜覆蓋能夠提高地溫、抑制土壤表層水分的蒸發(fā)、抑制土壤鹽漬化的發(fā)生，縮短了作物出苗期，促進了作物生長發(fā)育，提高了農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。與秸稈覆蓋和地膜覆蓋相比，礫石覆蓋不僅能減少土壤蒸發(fā)，增加降雨入滲，減弱土壤侵蝕，提高和調(diào)節(jié)土壤溫度，而且不會對土壤造成污染，在我國的旱作農(nóng)業(yè)中能夠起到重要的抗旱保墑作用。地膜覆蓋、秸稈覆蓋、礫石覆蓋3種覆蓋措施在各個區(qū)域的適應性以及局限性還有待于進一步研究，尤其是如何選擇覆蓋的方式、時間以及覆蓋時間的長短等以達到最佳的增產(chǎn)效果還需要更加深入的研究。

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