有色地膜覆盖技术研究进展与应用现状

2024-06-10 14:21刘斌寇燕燕陈亮杨世梅杜雷超
农业与技术 2024年9期
关键词:有色杂草作物

刘斌寇燕燕陈亮杨世梅杜雷超

(1.甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心,甘肃 景泰 730400;2.甘肃农业大学园艺学院,甘肃 兰州 730070;3.甘肃省农业工程技术研究院,甘肃 武威 733006)

旱地农业是一种在干旱或半干旱地区通过有效利用自然降水,并结合一系列专门的旱作农业技术,旨在提升土地的生产潜力和自然降水的利用效率,其核心目标在于实现农业的稳定和高产,并推动农业、牧业和林业的综合发展,从而确保这一区域的农业生产的持续性和高效性[1]。研究证实,地膜覆盖能节水抗旱、保墒增墒,降低土壤水分的热能消耗,在一定程度上减少地表径流和肥料的挥发、淋溶和流失,还具有抑制杂草、增光提温及改善作物生长的非生物环境因素,从而促进作物生长发育,提高作物产量和品质,提高水分利用效率和肥料利用效率等效果[2-4],显著提高了旱作农业地区的农业生产效率。由于地膜覆盖栽培技术操作简单易行,广泛推广应用于小麦、玉米等粮食作物和蔬菜、果树等经济作物,在农业生产中创造了巨大的经济效益,成为一项不推自广且应用成果显著的实用栽培技术[5]。在农业生产中最早应用的为透明地膜和白色地膜,也是目前使用类型最多的地膜,近年来,随着地膜覆盖技术的深入研究和广泛应用,学者发现传统的普通透明地膜和白色地膜对光的透过率较高,反射较少,尽管普通透明地膜在白天具有显著的增温效果,但夜间其保温性能却不尽如人意。同时,这种地膜下容易滋生杂草,对作物的生长构成了不利影响,且容易造成白色污染[6],而且在一定程度上会造成作物出现早衰现象。Zaongo等[7]研究发现,覆盖白色地膜虽然可以在作物生长初期显著促进生长,但这也导致了土壤水肥过早消耗,使得作物在生长后期面临土壤水肥水平低下的困境,从而引发早衰和减产情况。透明地膜与白色地膜所引发的一系列作物生长问题以及环境问题,已经成为制约作物健康生长和农业可持续发展的重要因素。在科技持续进步基础上,已开发出多种具有不同功能和材质的地膜,如有色地膜[8]、除草地膜[9]、可降解地膜[10]、液态地膜[11]以及营养地膜等,为农业生产提供了更多创新性的解决方案。有色地膜是根据不同颜色对太阳光谱透射、吸收和反射特性,作物与害虫的响应规律制作的新型地膜。研究显示,不同颜色地膜吸收和反射太阳光谱具有特定规律,通过吸收和反射不同的太阳光线对作物光敏色素吸收进行调节,进一步优化土壤环境,抑制田间杂草发生及生长,促进作物生长发育及产量形成,为农业生产带来了更多的可能性和优势[12]。不同作物生长发育、杂草发生和生长、土壤水热环境及光环境对不同颜色地膜的响应也不一样[13]。研究表明,不同颜色地膜对同一种作物的影响效应不一样,同一颜色地膜对不同作物的影响效应也不一样,因此农业生产中地膜颜色的选择会直接影响作物的生长发育和产量品质的形成。目前,我国地膜的使用制度混乱,农民对地膜选择全靠经验,没有科学认识到有色地膜的特性和适用作物和地域。因此在选择不同颜色地膜时,应针对当地气候条件和被覆盖作物生长发育特点,在选择地膜种类时,应充分考虑当地的地理和气候条件,选择适宜颜色地膜,以确保为作物创造一个理想的土壤水热环境,促进其健康生长。有效促进作物增产,持续提高旱作农业区农业生产效率。

1 地膜覆盖技术的发展与应用

20世纪50年代初期,随着塑料工业的蓬勃发展,地膜覆盖技术应运而生并逐渐兴起。人们发现,用高分子化合物聚乙烯薄膜覆盖后的增温保墒效果很好,于是在农业生产中很快应用,代替了工作量大且效果差的传统稻草、沙石等地面覆盖材料,以有色地膜的应用改变传统的农业地膜应用方式。日本对地膜覆盖栽培技术的研究相对比较早,其地膜覆盖栽培技术在实际应用中,其农作物的生产效益相对比较大[14]。1955年,日本将地膜覆盖栽培技术应用于瓜果、绿叶菜、水稻、大豆、苹果等作物种植中,对农作物的产量、品质提升起到了一定的促进作用。随后,在美国、法国、英国、意大利、以色列、澳大利亚等欧美国家迅速接纳并深入研究了地膜覆盖技术,广泛将其应用于农业生产中。这一技术的普及不仅有效推动了农作物的增产,还显著扩大了种植面积,为增强农产品的供给能力和促进农民增收发挥了重要作用,被称为农业中的“白色革命”[15,16]。在国外,地膜覆盖栽培技术在实际应用中,则是从地膜覆盖的角度,改变农作物的栽培方式,从而提高农作物的生长发育水平。意大利从1965年开始,就已经采用地膜覆盖栽培技术,并将其应用于烟草、菠萝、草莓等经济价值相对较高的农作物栽培中,以透明地膜的应用,保持土壤温度,促进农作物早熟。美国以及苏联在对地膜覆盖栽培技术进行研究中,则是将其应用早春时节的低温干旱环境,以减少水分的蒸发,并提升地表温度,这样做能够更有效地保护农田中的幼苗,同时保持土壤湿润和温度稳定。在欧洲,法国最早开始应用地膜覆盖技术的作物为玉米,目前在园艺作物中广泛应用黑色地膜、光降解地膜和生物降解地膜等。

1978年开始,通过国内农业技术的创新发展,从日本引入地膜覆盖栽培技术,并结合国内土壤环境特征,对地膜覆盖栽培技术进行改良,在我国14个省份内开展了试点工作,将其应用于蔬菜作物的种植栽培中,在促进早熟、增产、增收等方面取得了良好成效[17]。20世纪80年代,地膜覆盖技术自引进后,其应用范围逐渐从最初的蔬菜作物拓展至花生、棉花、水稻、瓜类、果树等多种作物。至1981年,该技术已覆盖1.5万hm2的土地,试验涉及的作物种类更是多达70余种,显示出其广泛的适用性和巨大的发展潜力[18]。随着地膜覆盖技术的不断发展和广泛应用,我国的研究工作也取得了丰硕的成果。本文深入研究了地膜覆盖栽培的高产机理,探讨了地膜覆盖小气候条件下水光热效应的变化规律,分析了土壤理化性质和水肥利用的田间变化对作物生长发育、产量和品质形成的影响。这些研究为进一步推广和优化地膜覆盖技术提供了有力的理论支撑和实践指导。地膜覆盖具有节水抗旱,减少地表径流和肥料的挥发、淋溶和流失,降低土壤水分的热能消耗,具有保墒增墒,增光提温,抑制杂草,改善非生物环境因素,促进作物生长发育,提高作物产量和品质,提高水分利用效率和肥料利用效率等效果。

2 有色地膜研究现状及在农作物应用状况

随着国内外对有色地膜的开发研究和在各种农作物中的推广应用,目前用于农业生产的主要有黑色膜、红膜、黄膜、绿色膜、银灰色膜、黑白配色膜、两色膜等,在农用地膜使用中的占比可达到50%左右[19-22]。日本气候环境特性下,其农用地膜是以黑色地膜为主,使用量达到90%左右,欧美部分国家采用有色地膜的占比也相对较高。近年来,随着农业技术研究的逐渐深化,在拓展有色地膜种类、功能的基础上,有色地膜的实际应用效果得到了明显提升。有色地膜相较于普通地膜,可以增加土温和保持土壤水分,抑制田间杂草发生及生长,促进作物生长发育及产量形成,并且操作简单便捷,不仅节省了人力,还避免了风吹、浇水困难等问题,从而降低农业生产成本。有色地膜还具有调节作物生长环境的光照和温度条件,抑制杂草生长以及防治病虫害等多重功能,为农业生产提供了更多的便利和保障[23]。

2.1 有色地膜覆盖对土壤水热环境和杂草的影响

有色地膜的颜色变化可改变太阳光谱对作物的透射方式,再加上吸收、反射等方式,对作物生长以及病虫害防控等会产生直接的影响。因此,在对有色地膜的实际应用进行分析中,可根据有色地膜覆盖的颜色变化,改变作物地表土壤的光辐射水平,影响土壤温度的升高或降低。研究表明,地膜的透光性能与其热辐射能力有直接关系,当地膜透射的光线增多时,其热辐射量也会随之增加,地膜颜色的选取是作物和土壤获取光能和热量多少的关键因素,因此,在选择地膜时,需要充分考虑其颜色对土壤温度的影响,以实现更好的农业生产效果。研究发现,地膜颜色的不同,透光率也会存在一定的差异性。透光率相对较高的地膜,则土壤保温效果更加明显。这种增温方式在实际应用中,土壤的含水量也会相对降低。从低温环境的角度分析,选择透光率相对较低的地膜,可相对提高作物生长的保温性能[24]。覆盖黑膜后,花生全生育期0~15cm土壤温度增加4.0~5.0℃[25],马铃薯根系集中区域的土层土壤湿度增加27.4%~23.1%[26]。银灰膜与银黑双面膜在透光率方面表现出相似的特性,透光率高于黑膜但低于其他颜色的地膜。同时,这2种地膜的表面都具有强烈的紫外线反射性。因此具有很好的除草性,并能有效驱避蚜虫、防止白粉虱等病虫害的发生[27]。黑膜基本不透光,因此在太阳辐射下膜下吸收的热量较透明膜少,因此土壤的蒸散量较低,土壤水分相对增大。研究发现,在玉米全生育期,黑色地膜覆盖条件下0~100cm的土壤平均含水率较不覆膜和覆白膜分别高17.95%和4.23%,具有较好的土壤保墒效果[28]。在茄子、西红柿蹲苗阶段,银灰膜在覆盖0~20cm土层时的保水性能相较于乳白膜和绿膜具有显著优势。这种优势有助于维持土壤湿度,为作物的生长提供有利的水分条件。白天增温性和夜间保温性适中[29]。在越冬洋葱上试验发现,银灰膜覆盖相比黑膜、白膜或透明膜,其增温、保墒、保温综合效果更优,在强光环境中,较其他色膜表现出更好的“降温”效果,避免高温造成根系损伤[30]。黑膜较白膜和透明膜表现为基本不透光,不利于杂草在膜下生长,因此具有很好的除草性,被广泛应用于杂草丛生和高温季节栽培的园艺植物。杨世佳等[31]在关于不同颜色地膜覆盖对玉米杂草生长影响的研究中,发现覆盖白色地膜能够显著抑制玉米生育前中期杂草的生长,而在玉米生育期后期,不能显著抑制杂草发生,而覆黑膜玉米整个生育期无杂草发生。黑白相间配色地膜白色带下面可充分吸收太阳光,促进增长,黑色带下面可抑制杂草的生长,克服了普通地膜不能除草的功能。研究发现,黑白地膜与普通透明地膜相比,杂草防控效果好,并且具有差异调节土壤温度的特点,在生产实践中,白膜部分在生育前期可以提温保苗,生育后期有效减轻高温胁迫对作物的伤害[32]。银灰色地膜较透明膜能反射紫外线且自身透光率为60%左右,具有驱避蔬菜和瓜果蚜虫、保持水土和防除草等功能。实践证明,银灰色地膜在夏、秋季节覆盖黄瓜、西瓜等蔬菜作物,具有良好的防病虫作用[33]。普通透明地膜相比,黑色地膜植株蚜虫数量差异不显著[34]。

2.2 有色地膜覆盖对作物生长发育、产量和品质的影响

地膜覆盖可以通过颜色变化改变土壤水热状况以及空间分布格局,对作物的生长发育以及光合作用控制等会产生直接的影响。在利用黑色地膜后,气温较低环境下,可以通过黑色对光的吸收改变土壤的温度,土壤的增温幅度变化相对较小。相较于白膜或透明膜,黑色地膜在保墒保温方面表现更优,能有效抑制高温环境下土壤温度的快速升高,确保土壤温度的稳定性,为保证农作物根系生长区域的温度、湿度环境满足实际需求,则需要从地膜颜色的角度,为农作物的生长提供良好的生长环境。而且,有效的地膜选择对防止作物杂草以及降低病虫害的发生概率有促进作用。从现有研究的角度分析,在对地膜颜色变化与作物生长情况的关系进行分析中,花生覆盖黑白配色地膜以及牵银灰色地面膜后,可提高花生叶片的光合效率以及荧光参数,且花生的饱果率、单果重量也明显提升。采用2种地膜后,黑白配色地膜的荚果产量可达到4700.0kg·hm-2,浅银灰色地膜的花生荚果产量可达到4943.3kg·hm-2。同比普通地膜应用中,2种地膜对花生的增长分别可达到6.09%和14.96%,经济系数明显提高。目前,黑色地膜被广泛应用于大棚草莓的种植生产,提高草莓果实的品质。吕桂菊等[36]则证明,不同作物可适应的地膜颜色存在一定的差异性,青椒在覆盖银灰色、无色、黑色地膜的产量也所有不同,分别提升了14.74%、11.95%和8.81%,具有明显差异。徐康乐等在对地膜选择及应用进行研究中[37],黑色地膜与无色透明地膜在应用中,前者可提高马铃薯16.29%的产量。这一结果表明,黑色地膜在提高马铃薯产量方面具有显著优势。研究发现,在果树行间铺设银灰色地膜能有效改善梨、苹果树树冠下部叶片的光照环境,提高了果树叶片的光合作用,促进梨、苹果树的花芽形成,这一过程不仅有助于提高果实的成熟度,还能增加其可溶性固形物的含量,使果实着色更加鲜艳[38]。

3 结语

综上所述,有色地膜的应用对干旱和半干旱农业地区高效节水用水和作物高产、稳产具有重要的意义。因有色地膜对不同波长的太阳光谱吸收和反射呈现不同的规律,不同作物生长发育、杂草发生和生长、土壤水热环境及光环境对不同颜色地膜的响应也不一样,因此在选择不同颜色地膜时,应针对当地气候条件和被覆盖作物生长发育特点,选择适合的有色地膜,为作物生长发育和增产提供优良的水热环境,持续提高旱作农业区农业生产效率。不同种类、不同功能有色地膜的研发和推广应用应该得到更多的关注和研究,为农业生产技术创新提供更多创新的解决方案。

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