地膜覆盖对我国干旱半干旱地区土壤温度及土壤水分的影响

刘 凯，谢英荷，李廷亮，张奇茹，窦 露，柳玉凤，纪美娟

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

在我国，42%的国土面积为干旱半干旱地区，50%的耕地为旱作农业。在干旱半干旱地区，虽然有良好的光热资源，农业生产潜力巨大，但水资源缺乏，加之该地区地下水位深，灌溉困难，严重制约了当地的农业发展。因此，只有减少水分蒸发，提高土壤水分利用率，才能促使我国干旱半干旱地区农业得到长足发展。

地膜覆盖技术是通过人工措施为作物提供良好的生长环境，地膜覆盖技术可改善土壤的温度条件，抑制土壤水分蒸发，提高土壤水分的利用效率，具有良好的保温保墒作用，同时也可以减少雨水对土壤的冲刷作用，改善土壤结构，保持土壤肥力，加强光合作用，防止病虫草害，极大地提高了我国农业生产的效率，增加了粮食产量。自从我国引进地膜覆盖技术以来，我国在地膜的生产和使用方面都取得了巨大的成就，我国已经成为世界上最大的地膜生产和使用国家，是其他所有国家总和的1.6 倍[1]。但是也有研究表明，地膜覆盖阻碍了降水的入渗，多年地膜覆盖会造成土壤板结，土壤结构性能下降[2]，对土壤肥力消耗过大，在极端高温条件下，会造成土壤温度过高，从而引起作物根系和叶片早衰，影响作物的产量[3]。地膜的保墒保温作用并不能在整个生育期都能起到作用，到作物生育后期，地膜在风化、杂草等外力的破坏作用下开始破裂，土壤与外界开始发生水汽和热量的交换，地膜对土壤的保温保墒作用逐渐减小，并在一定程度上阻碍植物根系的生长与发育，降低作物的水分利用效率，甚至会造成作物减产。

为明确地膜覆盖技术的现实作用和发展态势，通过查阅相关文献，探讨了地膜覆盖技术对土壤温度和土壤水分的影响，旨在为干旱半干旱地区合理的地膜覆盖提供科学参考。

1 地膜覆盖对土壤温度的影响

地膜覆盖技术可以有效改善地表热量，增加地表有效积温，从而使得作物适宜种植区域向北推移，使得一些中晚熟高产优质品种可以在我国北方一些积温不足、无霜期较短的高纬度和高海拔山区推广种植[4]。

1.1 地膜覆盖对作物不同生育期土壤温度的影响

地膜覆盖对农作物整个生育期都会产生较大的温度影响。白天，长波辐射不能穿过覆盖层，被反射到空中转化为热能，提高植物周围温度，短波辐射可穿透覆盖层到达地面，提高土壤温度，部分热能以热传导方式输送到土壤深处；夜间，地膜可抑制长波辐射，减少热量损失[2]。

在作物生育前期，地膜覆盖对土壤会有较好的保温作用，可显著提高耕作层的土壤温度，减轻低温灾害的影响，为作物的生长发育提供良好的温度条件，为高产奠定良好的基础。杜妮妮等[5]研究表明，地膜覆盖在玉米生育初期增温效果显著，保温作用主要表现在作物苗期，5～25 cm 土层的土壤日平均温度可比对照提高2.2～3.0 ℃，保证了玉米前期生长发育所需要的温度条件，有利于玉米的壮苗，从而为其高产奠定了良好的基础。王红丽等[6]、白秀梅等[7]、霍轶珍等[8]也得出类似的结论。闫妍名等[9]研究发现，在我国河西灌溉区域，每年都会发生“倒春寒”，对玉米的生长发育产生严重的危害，地膜覆盖在玉米的生育前期具有良好的保温作用，为玉米的生长发育和高产提供良好的温度保障。王俊等[10]研究发现，在春小麦播种后15 d 覆膜增温作用最为显著,覆膜后土壤温度每日平均提高5.05 ℃。

在作物生育后期，地膜对土壤的保温作用会逐渐减弱，地膜对土壤温度的调节有利于作物的生长与发育。杜妮妮等[5]研究表明，到玉米生长后期，当外界温度高于玉米生长所需的最佳温度，地膜覆盖会降低土壤温度，5～25 cm 土层可降低土壤温度0.5～1.1 ℃，地膜覆盖对土壤温度的调节有利于玉米的生长和发育。胡明芳等[11]研究也发现，在作物生育后期，地膜覆盖对土壤积温作用较小甚至产生负增长作用，之后负增长逐渐减弱。崔福柱等[12]研究发现，在玉米生长发育后期的八九月份，由于玉米冠层逐渐增大，叶子之间相互重叠，减弱了阳光对地面的直接照射，导致地膜的保温作用降低，覆盖与裸地温差也减小，8 月中旬二者温差最小，为0.37 ℃。闫妍名等[9]也得出类似的结论。

1.2 地膜覆盖对不同深度土壤温度的影响

地膜覆盖对土壤有着良好的保温作用，但保温效果在不同的土壤深度有着不同的结果。胡明芳等[11]研究发现，地膜覆盖使各层土壤温度明显增加，由于土壤表层受太阳辐射影响大，地膜覆盖最大的保温结果出现在土壤表层，增温效果随着土层的加深呈下降趋势，使各土层温差扩大，地膜覆盖使得5，10，15，20 cm 处土壤较露地分别提高4.3，3.2，2.7，2.3 ℃，土壤温差增加了2 ℃。崔福柱等[12]、王红丽等[6]等有相似的研究结果。张景俊等[13]研究发现，土壤上层（0～20 cm 土层）温度受太阳辐射影响较大，生育期波动剧烈，覆膜处理0～20 cm 土层在整个生育期的平均地温比不覆膜处理高1.79 ℃，地膜覆盖下0～40 cm 土层平均地温比土层地温高1.81 ℃。江燕等[14]研究发现，就不同土层来看，覆盖地膜可显著提高5～10，10～20 cm 土层的平均温度1.2～4.0，2.4～5.1 ℃。白秀梅等[7]研究发现，整个生育期种植行间0～20 cm 土层平均地温，平铺膜高出露地1.3 ℃，表现出了地膜覆盖技术在提高土温方面的优越性。王红丽等[6]研究发现，地膜覆盖对土壤的增温效果主要体现在表层0～25 cm 位置，对于25 cm 以下的深层土影响较小。

1.3 不同类型地膜覆盖对土壤温度的影响

在农用地膜中，普通塑料地膜使用量最大，其带来增产增收的同时，也造成了环境污染，为了减少地膜覆盖对土壤的污染，近年来，随着科技的不断发展，液体地膜、光降解地膜、光生物降解地膜和完全可降解的生物地膜等环保新型可降解地膜不断出现，但是不同材质地膜在保温方面有不同的效果。

对于不同颜色地膜研究表明，地膜颜色越浅，增温效果越好；反之，地膜颜色越深，增温效果越差。不同颜色地膜对土壤增温效应的差异，主要与不同颜色地膜对不同波段光的接收能力不同有关。许树宁等[15]研究表明，不同颜色地膜对土壤增温效果不同，不同地膜覆盖处理的土壤日均温表现为普通无色透明地膜＞乳白色光降解除草地膜＞黑色地膜＞灰黑双色地膜=露地栽培，其中，普通无色透明地膜和乳白色光降解除草地膜的土壤日均温分别比对照高0.8，0.7 ℃，黑色地膜比对照高0.3 ℃，灰黑双色地膜和露地栽培二者差异不显著。王安等[16]研究表明，不同颜色地膜覆盖对土壤温度有显著的影响，白色地膜处理条件下土壤增温效果较黑色地膜处理更好，白膜覆盖处理土壤的平均温度相对较高，在同一天的5：00，8：00，14：00，黑色地膜的温度分别为18.49，21.32，24.39 ℃，白色地膜的温度分别为20.07，25.07，28.81 ℃，分别较黑色地膜提高1.58，3.75，4.42 ℃。

对于不同类型地膜研究表明，生物地膜、液体地膜、光降解地膜等新型地膜，在保温效果方面与传统的塑料地膜和秸秆覆盖有明显差别。李仙岳等[17]研究表明，与塑料地膜相比，生物地膜的保温效果在生育前期无显著差异，在生育后期保温效果逐渐下降，不同处理地温大小顺序依次为：普通塑料地膜＞生物地膜＞液体地膜＞无膜。胡广荣等[18]、胡敏等[19]有类似的结论：春玉米生育前期，生物地膜处理与普通地膜覆盖处理的土壤温度无显著性差异，但土壤温度显著高于液态地膜和不覆膜处理；生育中后期，生物地膜出现破损，保温效果减弱，生物地膜处理土壤温度较普通地膜处理低0.09～1.19 ℃，但是一定的降温效应避免了春玉米遭受高温的危害。霍轶珍等[20]研究结果表明，在作物生育前期，液态地膜处理的保温效果略低于塑料地膜处理，但优于秸秆覆盖处理，随着时间的推移，液态地膜覆盖破损，降低了土壤温度，与裸地处理间差异不显著，但该阶段气温较高，起到了降温效应，为作物的高产奠定了基础。何振嘉[21]、李富春等[22]出也得出类似的结论。

2 地膜覆盖对土壤水分的影响

地膜覆盖技术具有良好的保水作用，极大地促进了我国干旱半干旱地区的农业生产发展。就地膜覆盖的保水机制而言，主要有2 个方面：首先，地膜会阻碍土壤和大气之间的水分交换，有效地将土壤水分保存在土壤中，降低土壤水分的无效蒸发[23]；其次，地膜覆盖技术可以使地膜和土壤之间形成一个相对独立的土壤水分循环系统，地膜覆盖会阻碍土壤水汽的蒸发，土壤水汽遇到地膜后会返回到土壤中，同时加强了土壤水分的横向运移，从而大大降低了土壤水分的损耗，使得土壤在没有水分补给的情况下仍能为作物生长发育提供充足水分，同时也能增强作物对于深层水的利用，对农业生产具有重要意义[24]。

2.1 地膜覆盖对土壤表层水分的影响

地膜覆盖对土壤各层含水量都有不同程度的提高，其中，对0～40 cm 土壤表层含水量影响最大。马浩[25]研究发现，在玉米生育期内，地膜覆盖比不覆盖处理提高含水量2%，地膜覆盖在整个玉米生育阶段内维持了一个较对照稳定的水分状况，在降水后，地膜覆盖会阻碍雨水的下渗，覆盖措施下土壤含水量较不覆盖均不同程度减小。崔福柱等[12]研究表明，地膜覆盖土壤含水量在降水期比对照低，但是在整个玉米生育阶段内维持了一个较对照稳定的状况，使土壤含水量保持在较小的变化范围内。张瑜等[26]研究发现，地膜覆盖可以发挥其抑蒸保墒作用，有效调控、优化土壤水分分布，提高土层含水量，地膜覆盖处理0～20 cm 土层平均含水量分别比CK 增加了7.53%～13.0%。石有太等[27]、张景俊等[13]也得出相似的结论。马雪琴等[28]研究发现，整个冬小麦生育期内覆膜处理提高了耕层0～20 cm的含水量，尤其在出苗期蓄水保墒作用明显，平均表层土壤含水量较对照提高4.95%，在干旱少雨时期，地膜覆盖处理土壤表层0～20 cm 贮水量较CK增加2.3%。张万文等[29]研究发现，在玉米种植过程中，地膜覆盖能够使5，10，20 cm 土层的土壤含水量分别较露地栽培提高19.5%，7.5%，3.6%，地膜内部较高的温度也使得地下水不断地向上层移动，提高了土壤表层的含水量。

2.2 地膜覆盖对土壤深层水分的影响

对于40～200 cm 土壤深层水而言，靳姗姗等[30]研究发现，地膜覆盖能够增加深层水的含量，提高作物对于深层水的利用效率，当干旱少雨、表层土壤水分降低时，深层土壤水分在水势梯度的作用下不断上移至表层，并参与膜下水分循环，促使土壤水分不断地聚集在土壤表层，从而起到提墒作用。王红丽等[31]研究发现，地膜覆盖能充分利用土壤深层水分以满足作物生长需求，由于玉米生长旺盛、根系发达，加之膜下深层土壤水分在毛管作用下不断上升，使得玉米对土壤贮水量的消耗主要在20～120 cm。马浩[25]研究发现，地膜覆盖能够有效地将降雨蓄积在土壤中，提高深层土壤的含水量，在40～80 cm 土层各处理土壤含水量差异不大，在80～200 cm 土层，地膜覆盖处理土壤含水量显著高于不覆盖处理，较不覆盖处理提高11.5%。

然而也有研究显示，高生产力旱作农田易产生土壤干燥层[32]。李建奇[33]研究发现，地膜覆盖的持续高产消耗了大量的深层土壤水分，连续种植2 a 后，地膜覆盖对20～120 cm 土层土壤贮水量消耗高达88.6 mm，较对照高出16.6 mm；120～200 cm 土层土壤贮水量消耗达72 mm，较对照高出32 mm。地膜覆盖在抑蒸、集雨和土壤毛细管的共同作用下[34]，以消耗120～200 cm 深层土壤贮水量为代价维持了20～120 cm 土壤贮水量，以满足翌年作物生长，但是其对深层土壤水分连年不断地消耗增加了深层土壤干燥化的风险，对土壤水分年际平衡不利。

2.3 不同类型地膜覆盖对土壤水分的影响

对于不同颜色的地膜来说，江燕等[14]研究发现，黑色地膜比透明地膜有更好的保水效果，黑色地膜处理的相对含水量高于不覆盖地膜处理6.5%～20.3%，覆盖黑色地膜比覆盖透明地膜的土壤相对含水量高1.2%～8.1%。曾秀存等[35]研究也发现，黑膜覆盖后的含水量最高，保墒效果最好，不同地膜覆盖方式下的土壤含水量表现为黑膜平铺穴播＞黑膜微垄沟播＞白膜微垄沟播＞白膜平铺穴播＞裸地条播。许树宁等[15]研究表明，不同地膜覆盖处理的平均土壤含水量由高到低为：灰黑双色地膜＞普通无色透明地膜＞乳白色光降解除草地膜＞黑色地膜＞露地栽培，平均土壤含水量分别比对照增加17.4%，13.4%，11.5%和10.1%，灰黑双色地膜保水效果好，可能与该膜厚度较大、颜色较深、对土壤增温效果较差有关。

对于生物地膜、液体地膜和光降解膜等新型地膜而言，与传统的塑料地膜和秸秆覆盖相比，在保水效果方面有明显的差异。李仙岳等[17]研究表明，生物地膜与普通塑料地膜的保水效果相近，液体地膜整个生育期土壤基质势均显著低于其他覆膜处理，不同处理土壤含水量的大小顺序依次为：普通塑料地膜>生物地膜>液体地膜>露地栽培。胡敏等[19]也得出类似的结论。胡广荣等[18]研究发现，随作物生育期延伸，液体地膜和生物可降解地膜逐渐降解，其保水效果随之减弱，不同覆盖处理保墒效果表现为秸秆覆盖>生物可降解地膜>液体地膜>不覆盖处理。霍轶珍等[20]研究发现，从全生育期来看，液态地膜降低了农田污染，同时为马铃薯的正常生长提供了适宜的土壤水分条件，不同处理土壤含水率整体表现为普通地膜覆盖>液态地膜覆盖＞秸秆覆盖>不覆盖处理。宗睿等[36]研究发现，可降解白色地膜和可降解黑色地膜的保水性无显著差异，但都低于普通白色地膜，不同处理土壤体积含水率均值表现为普通白色地膜＞可降解黑色地膜＞可降解白色地膜＞不覆盖处理。牟鸿燕等[37]也得出类似的结论。

3 结论与展望

3.1 地膜覆盖技术对农业生产的作用

3.1.1 对作物不同生育期土壤温度的影响 在作物生育前期，地膜覆盖具有良好的保温作用，可显著提高耕作层土壤温度，减轻低温灾害影响。在作物生长中后期，地膜的保温作用逐渐减弱，甚至会降低土壤温度，地膜对土壤温度的调节有利于作物的生长发育，为高产提供了良好的温度条件。

3.1.2 对不同深度土壤的保温保墒作用 地膜覆盖对土壤各层都有不同程度的保温效果，最大保温效果出现在土壤表层，随着深度的加深，保温效果呈现出下降趋势。地膜覆盖可显著提高0～40 cm表层土壤含水量，地膜覆盖会阻碍雨水的下渗，但在整个生育期内会维持比较稳定的水分状况。地膜覆盖可提高作物对深层水的利用，深层水分在水势梯度的作用下不断上移至表层，参与膜下水分循环，为作物生长发育提供水分，但作物的持续高产会消耗大量的深层土壤水分，增加了深层土壤干燥化风险，不利于土壤水分年际平衡。

3.1.3 不同类型地膜的保温保墒作用 对于不同颜色地膜，在保温方面，颜色越浅保温效果越好，颜色越深保温效果越差，这与不同颜色地膜对光的波段吸收有关；在保水效果方面，黑色地膜比白色地膜具有更好的保水效果。对于不同材质地膜，在保温效果方面，与普通塑料地膜覆盖处理相比，生物地膜、液态地膜、光降解膜等新型地膜覆盖的保温效果在生育前期无差异，但在生育后期由于新型地膜的降解作用，保温效果低于普通塑料地膜，但一定的降温效应避免了春玉米遭受高温的危害；在保水效果方面，在作物生育前期，塑料地膜与生物地膜和液体地膜保水保墒效果相近，在作物生育后期，液体地膜和生物地膜开始降解，保水保墒效果逐渐减弱，新型地膜在降低农田污染的同时，为作物提供了适宜的水分条件。

3.2 地膜覆盖技术存在的问题

3.2.1 土壤干燥化风险加大 地膜覆盖技术使作物在生育前期得到了快速生长发育，提高了作物的产量，但在高产化的背后，农作物会大量吸收土壤的水分和养分，导致土壤水分过度消耗，土壤含水量下降，易引起土壤干燥化现象发生或土壤年际水分平衡破坏，干燥化风险增加。

3.2.2 水分入渗受到影响 在降雨后，地膜在一定程度上会阻碍雨水的下渗，地膜覆盖下的土壤只能通过侧向补给水分，使土壤不能及时得到降水补充，从而影响了土壤的含水量。

3.2.3 污染严重 普通塑料地膜在自然条件下很难降解，随着塑料地膜在农业生产中的大量使用，

我国耕地中存在了大量难以分解的塑料地膜，难以被回收利用[37]，残留地膜在土壤中大量的集聚对我国耕地质量和农业生产造成了严重影响，阻碍了土壤水分和养分的运移，影响土壤的通透性和作物的生长发育，不利于农业机械的耕作和土壤生物的生存，降低了土壤的质量，从而使得农作物减产[38]。

3.3 地膜覆盖技术发展展望

3.3.1 加强塑料地膜替代品的研发 研究和生产新型的无污染地膜来满足农业生产的需求，加大对光解膜、生物降解膜、双解膜、液体地膜等新型地膜的研发和改进，提高新型地膜的保温保墒效果，降低其对土壤和大气环境的污染，以便有效地解决农膜残留带来的环境问题。

3.3.2 积极发展残膜的机械化回收和再利用技术加强残膜回收机的研发和改进力度，提高残膜回收速度和回收率，研发不同作物、不同生育期、不同栽培模式下的残膜回收技术，降低回收时对作物及土壤的破坏作用。残膜回收后，可进行集中打包处理，加强对残膜的利用研究，使其变废为宝，实现资源的再次利用。

3.3.3 加强科学监测，正确使用地膜 地膜覆盖不是在任何土壤水分条件下都是有效的，种子萌发的土壤水分临界值是15%，地膜覆盖时应加强科学监测，注意土壤水分应不低于临界水分值，使地膜覆盖能够真正起到保墒提墒的预期目的。

3.3.4 发展渗水地膜，提高降水入渗率 地膜覆盖会阻断雨水的下渗，地膜覆盖下的土壤只能通过侧向得到水分补给，从而影响了土壤的含水量，发展渗水地膜，在起到保温保墒作用的同时，也能将降水下渗到土壤当中，提高雨水的利用率和土壤的含水量。