閆乃桐, 張佳麗, 王仕穩(wěn),, 馬登科, 殷俐娜,, 姚建民, 楊三維, 劉虎林

(1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊陵 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊陵 712100; 3.山西省農業(yè)科學院農業(yè)資源與經(jīng)濟研究所, 山西 太原 030031)

我國北方具有豐富的土地和光照資源，是我國糧食生產(chǎn)的重要區(qū)域之一，也是我國主要的后備耕地資源區(qū)[1]。但是該地區(qū)蒸發(fā)量大，降水量少且年際間分布不均，因此干旱缺水，旱災頻繁是該地區(qū)農業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題[2]。所以該地區(qū)農業(yè)技術的發(fā)展始終圍繞著降低無效蒸發(fā)，提高水分利用效率這一主題。地膜覆蓋自20世紀70年代引入我國以來，在我國北方旱區(qū)得到廣泛應用，并擴大到南方高山寒冷地區(qū)，應用作物種類幾乎包含全部的糧食作物和經(jīng)濟作物，地膜覆蓋的面積已經(jīng)達到1 840 hm2[3]。和裸地栽培相比，地膜覆蓋可以顯著提高土壤溫度、抑制土壤蒸發(fā)、增加作物蒸騰耗水比例；保水保土、減少耕地水土流失；減少氮素淋失、提高氮素利用率；抑制雜草生長[4-6]。地膜覆蓋可以顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，并作為一種有效的農業(yè)措施得到了大面積的推廣應用，在確保北方旱區(qū)的糧食安全中發(fā)揮著重要作用。地膜覆蓋在旱區(qū)增產(chǎn)和提高水分利用效率效果顯著，但隨著覆蓋年限、施用量和覆蓋面積的增加，缺點也逐漸顯現(xiàn)出來[7]。例如，在整個生長季節(jié)的地膜覆蓋會由于后期溫度過高，加速根系衰老而不利于產(chǎn)量潛力的發(fā)揮，而人工揭膜又會增加投入[8-9]。地膜覆蓋在減少土壤蒸發(fā)的同時，也會減少降雨入滲，尤其是減少小雨入滲土壤；雖然通過壟溝覆蓋，將其減少降雨入滲水降低到較低水平，但是如何實現(xiàn)全部降雨有效入滲，尤其是提高占降雨較大比例的小雨入滲，是地膜覆蓋進一步提高水分利用效率需要面對的問題[10-11]。更重要的是由于地膜主要由聚乙烯制成，結構穩(wěn)定，在自然條件下降解緩慢且大面積回收困難，因此殘膜在土壤中逐漸累積，如地膜覆蓋30 a后土壤中的塑料殘留量已達到71.9～259.1 kg/hm2[12]。土壤中積累的塑料殘留物會破壞土壤結構，降低養(yǎng)分有效性和微生物活性，減緩根系發(fā)育，從而影響作物生產(chǎn)，制約農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[12-13]。為了解決地膜覆蓋帶來的“白色污染”和改善普通地膜的缺陷，人們發(fā)展了降解地膜及滲水地膜，并在此基礎上發(fā)展了降解滲水地膜。降解地膜主要由淀粉、蛋白和纖維素等天然物質為填充原料生產(chǎn)的半降解地膜和PPC，PBAT等全生物降解樹脂生產(chǎn)的全生物降解地膜，和普通地膜相比，容易降解，可以有效緩解地膜帶來的環(huán)境污染，但是也會帶來破裂過早、保水性能不足等問題，在部分地區(qū)用來替換普通地膜，可能有減產(chǎn)風險[14-15]。此外，為了解決地膜阻隔小雨入滲的問題，姚建明等學者們開展了滲水地膜的研制與應用研究，在保持普通地膜基本理化性質不變的情況下，采用化學和機械的方法，吹制出具有單向滲水特性的滲水地膜[16]。滲水地膜狹窄的水分通道受到水的重力作用，通道就會變大，在膜面的雨水就能夠順利入滲，當膜面雨水入滲完畢，狹窄的水分通道受膜的彈力作用會關閉，阻止了膜下水分蒸發(fā)[16]；同時滲水地膜還有調溫功能，使作物生育后期溫度比較適宜作物生長，解決了普通地膜溫度較高造成作物燒苗的現(xiàn)象[17]。

近年來，又將生物降解地膜和滲水地膜的優(yōu)勢結合起來，開發(fā)了生物降解滲水地膜，和普通地膜比，其可完全降解，又具有單向滲水功能。近年來的研究表明，無論是降解地膜還是滲水地膜，在一些單點和普通地膜的比較研究中，大部分情況下其產(chǎn)量和普通地膜接近，但是也有顯著減產(chǎn)的報道[18]。由于降解和滲水地膜的增產(chǎn)效果可能會受到作物種類、溫度和降雨量等環(huán)境條件的影響，因此其效果難以從單個獨立的田間試驗中確定。全面評價降解地膜和滲水地膜與普通地膜的效果差異及影響因素，是其替代普通地膜并大面積應用的前提。Meta分析是對不同研究結果進行整合分析的統(tǒng)計學方法，能在不同獨立研究結果的基礎上得出區(qū)域尺度上的結論[19-20]。因此，本文應用Meta分析系統(tǒng)地比較降解地膜和滲水地膜與無覆蓋裸地栽培和普通地膜覆蓋栽培在產(chǎn)量和水分利用效率的差異，以及作物種類和降雨量的影響，以期明確降解地膜和滲水地膜的最佳適宜區(qū)域、適宜作物，以及和普通地膜的效應差異，為降解地膜和滲水地膜的應用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

通過對中國知網(wǎng)和Web of Science中英文數(shù)據(jù)庫進行檢索，搜集從2000年1月1日到2020年7月1日國內外公開發(fā)表的關于降解地膜和滲水地膜對作物產(chǎn)量、水分利用效率和溫度等影響的田間試驗研究論文。中文檢索詞包括滲水、降解、覆蓋、地膜、生長、溫度、產(chǎn)量及其組合；英文檢索詞包括mulch，mulching，degradation film，growth，yield及其組合。初步檢索后再對文獻進行二次篩選，文獻須滿足以下要求： ①試驗區(qū)域位于中國北方，試驗地點明確，年份清楚； ②試驗處理同時包含降解膜覆蓋和不覆蓋，或降解膜覆蓋和普通地膜覆蓋，或降解膜覆蓋、普通地膜覆蓋和不覆蓋；滲水膜和不覆蓋，或滲水膜和普通地膜覆蓋，或滲水膜覆蓋、普通地膜覆蓋和不覆蓋； ③文章包含有相關處理產(chǎn)量、溫度及水分利用效率的均值和標準差，或提供了相關處理各重復的產(chǎn)量、溫度及水分利用效率； ④試驗用降解膜和滲水膜類型、厚度和種植方式清晰，且必須與無覆蓋和普通地膜類型、厚度和種植方式一致。經(jīng)以上嚴格標準篩選，共獲得有關滲水地膜50篇，其中生物降解滲水地膜10篇，降解地膜250篇可用文獻。由于生物降解滲水地膜數(shù)據(jù)量較少，同時考慮到生物降解滲水地膜是在降解地膜的基礎上發(fā)展起來的，其主要是發(fā)揮滲水性能，故在meta分析時歸為滲水地膜進行分析。各試驗樣點分布如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)分類

為進一步探究滲水地膜和降解地膜在中國北方不同區(qū)域及氣候環(huán)境條件下對作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響情況，根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)分布，按作物及年降水量對數(shù)據(jù)進行分類，各分組的樣本根據(jù)本研究中各獨立試驗地點年降水量及中國北方降雨特征，分為<400，400～500，500～600，>600 mm共4組。

圖1 中國北方干旱區(qū)覆膜試驗樣點分布

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本研究采用反應比(response ratio，R)作為效應量來刻畫降解地膜和滲水地膜對作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響[21]，其計算公式為：

lnR=ln(Xe/Xc)=ln(Xe)-ln(Xc)

(1)

式中：Xe，Xc分別為獨立研究中試驗組和對照組的平均值。上述反應比再轉化為百分比變化率[22],其計算公式為:

Y=(elnR-1)×100%

(2)

式中：Y值為正表示覆蓋降解地膜或滲水地膜產(chǎn)生了正效應，Y值為負數(shù)則表示覆蓋降解地膜或滲水地膜產(chǎn)生了負效應。如果Y值的95%置信區(qū)間與0重疊，則覆蓋降解地膜和滲水地膜的效應不顯著，反之效應顯著。在各亞組分析中，如果不同分組內各Y值的95%置信區(qū)間沒有重疊，則組間差異顯著，反之組間差異不顯著[23]。本研究利用MetaWin 2.1[24]進行整合分析，用SPASS16.0，Excel 2007和SigmaPlot 13.0進行分析及繪圖。

2 結 果

2.1 降解地膜覆蓋對不同作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響

分析圖2可以看出，與無覆蓋相比，降解地膜的玉米、谷子、高粱、小麥、棉花、馬鈴薯和煙草的產(chǎn)量分別顯著提高20.9%，81.5%，43.4%，12.2%，34.9%，14.0%和7.7%(p<0.05)，其中降解地膜對谷子和高粱的增產(chǎn)效果優(yōu)于對玉米和小麥的增產(chǎn)效果，且其對谷子的增產(chǎn)效果最為顯著；與無覆蓋相比，降解地膜覆蓋下的玉米、谷子、高粱、小麥、棉花、馬鈴薯和其他作物的水分利用效率分別顯著提高了23.9%，36.8%，17.4%，17.2%，4.6%，18.5%和48.5%，其中對于谷子而言，降解地膜對其水分利用效率提升效果最為顯著。降解地膜與普通地膜相比，降解地膜覆蓋下的馬鈴薯產(chǎn)量顯著增加2.1%，玉米、小麥和棉花分別減少5.9%，4.6%和2.7%，對谷子、高粱、花生和煙草產(chǎn)量和普通地膜覆蓋無顯著差異；降解地膜與普通地膜相比，玉米、棉花和其他作物的水分利用效率分別顯著降低了5.1%，2.5%和1.5%(p<0.05)，值得注意的是，小麥水分利用效率在降解地膜覆蓋和普通地膜覆蓋之間無顯著差異；但降解地膜與普通地膜相比，顯著降低了玉米和棉花的水分利用效率。

注：圖中線段附近括號內數(shù)字為樣點編號。下同。

2.2 滲水地膜覆蓋對不同作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由圖3可知，滲水地膜與不覆蓋相比，玉米、谷子、高粱、小麥和其他作物的產(chǎn)量分別顯著增加了41.4%，66.4%，31.1%，21.3%和41.7%(p<0.05)，滲水地膜覆蓋對玉米和谷子增產(chǎn)效果均優(yōu)于對其他作物的增產(chǎn)效果，且其對谷子的增產(chǎn)效果最為顯著；相比不覆蓋，滲水地膜覆蓋下的玉米、谷子和小麥的水分利用效率分別顯著提高了35.0%，56.3%和13.6%(p<0.05)。滲水地膜與普通地膜覆蓋相比，玉米、谷子和高粱產(chǎn)量分別顯著增加了13.3%，35.4%和13.2%(p<0.05)；相比普通地膜，滲水地膜覆蓋下的玉米、谷子和小麥的水分利用效率也有不同程度提高。

2.3 不同年降水量下降解地膜對作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由圖4可見，降解地膜覆蓋對不同降雨量下的作物增產(chǎn)效果影響存在較大差異。與無覆蓋相比，降解地膜覆蓋下作物的平均產(chǎn)量當降雨量從400 mm增加到600 mm以上，其增產(chǎn)效果下降近50%；降解地膜與無覆蓋相比，隨著降雨量的增加，其對作物水分利用效率的提升效果呈現(xiàn)先增加后減小，然后再增加的趨勢。在降雨量<400 mm時，降解地膜覆蓋下作物的水分利用效率比無覆蓋顯著提高了31.0%；當降雨量為400～500 mm時，水分利用效率提高了7.8%；當降雨量>500 mm，其水分利用效率呈現(xiàn)增加趨勢。降解地膜與普通地膜覆蓋相比，作物產(chǎn)量在降雨量<400,400～500 mm時降低了5.8%和7.5%(p<0.05)，當降雨量大于500 mm時降解地膜和普通地膜覆蓋之間無顯著差異；與普通地膜相比，當降雨量小于400 mm時，其水分利用效率顯著降低，當降雨量大于400 mm時，其與普通地膜無顯著差異。

圖3 滲水地膜對不同作物產(chǎn)量及水分利用效率(WUE)的影響

注：縱坐標中降水等級1，2，3，4分別表示>600 mm，500～600 mm，400～500 mm，<400 mm等級的降雨量。下同。

2.4 不同年降水量下滲水地膜對作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由圖5分析可知，與無覆蓋相比，降雨量在<400，400～500，500～600 mm和>600 mm的地區(qū)，滲水地膜覆蓋下作物的產(chǎn)量分別比不覆蓋顯著提高了69.3%，32.4%，32.1%和34.9%(p<0.05)，降雨量越低，其增產(chǎn)效果越顯著；降雨量在400～500，500～600 mm和>600 mm的地區(qū)，滲水地膜覆蓋下作物水分利用效率比無覆蓋顯著增加了45.3%，27.6%和21.7%(p<0.05)。與普通地膜覆蓋相比，降雨量在<400，400～500，500～600 mm的地區(qū)，滲水地膜覆蓋下作物的產(chǎn)量分別比普通地膜顯著提高了32.4%，17.8%和6.8%(p<0.05)，其增產(chǎn)效果隨著年降水量的降低而增加；在降雨量400～500 mm的地區(qū)，滲水地膜覆蓋下作物的水分利用效率比普通地膜高19.2%；在降雨量500～600 mm的地區(qū)，滲水地膜覆蓋下作物的水分利用效率與普通地膜之間無顯著差異；在降雨量>600 mm的地區(qū)，滲水地膜覆蓋下作物的水分利用效率比普通地膜覆蓋降低了7.4%。總之，滲水地膜與普通地膜覆蓋相比在大于500 mm地區(qū)對水分利用效率無顯著影響，小于500 mm則呈現(xiàn)顯著增加。

圖5 不同年降水量下滲水地膜對不同作物產(chǎn)量和水分利用效率(WUE)的影響

2.5 降解地膜和滲水地膜覆蓋對作物不同深度溫度的影響

圖6為不同覆膜方式對不同深度(5,10,15,20 cm)土壤溫度的影響。分析圖6可知，與無覆蓋相比，降解地膜覆蓋下的土壤5 cm溫度在作物苗期、中期和后期分別比無覆蓋顯著提高了13.5%，3.8%和3.3%(p<0.05)；降解地膜覆蓋下的土壤10 cm溫度在作物苗期、中期和后期溫度分別比不覆蓋顯著增加了12.2%，7.1%和3.8%(p<0.05)；降解地膜覆蓋下的土壤15 cm溫度在作物苗期和中期溫度分別比不覆蓋顯著提高了8.4%和5.2%(p<0.05)；降解地膜覆蓋下的土壤20 cm溫度在作物中期比無覆蓋顯著提高了4.7%。降解地膜相對裸地栽培在作物苗期的增溫效果最好，從苗期到后期，增溫效果依次遞減。與普通地膜相比，降解地膜覆蓋下的土壤5 cm溫度在作物苗期和中期分別比普通地膜顯著降低了1.7%和0.9%(p<0.05)；降解地膜覆蓋下的土壤10 cm溫度在作物苗期、中期和后期分別比普通地膜覆蓋顯著降低了1.9%，2.3%和2.8%(p<0.05)；降解地膜覆蓋下的土壤15和20 cm溫度與普通地膜無顯著差異。

與無覆蓋相比，滲水地膜覆蓋下的土壤5 cm溫度在作物苗期和后期分別比無覆蓋顯著增加了11.9%和5.4%(p<0.05)；滲水地膜覆蓋下的土壤10 cm溫度在作物苗期、中期和后期分別比不覆蓋顯著增加了7.4%，6.3%和4.9%(p<0.05)；滲水地膜覆蓋下的土壤15 cm溫度在作物苗期、中期和后期分別比無覆蓋顯著增加14.1%，5.6%和3.3%(p<0.05)。滲水地膜覆蓋下的土壤20 cm溫度在作物苗期、中期和后期分別比無覆蓋顯著提高9.5%，5.1%和3.9%(p<0.05)。與普通地膜相比，滲水地膜覆蓋下土壤5 cm深度的溫度在作物苗期和中期與普通地膜覆蓋無顯著差異，但是在作物后期滲水地膜覆蓋下的土壤5 cm溫度比普通地膜覆蓋顯著提高了3.8%(p<0.05)；滲水地膜覆蓋下的土壤10 cm溫度在作物苗期、中期和后期與普通地膜相比分別有輕微降低；滲水地膜覆蓋下的土壤15 cm溫度在作物苗期比普通地膜覆蓋顯著增加了2.3%；滲水地膜覆蓋下的土壤20 cm溫度與普通地膜覆蓋之間無顯著差異。可以看出，滲水地膜覆蓋在低溫下增溫顯著，而在高溫下(生育中期)增溫不顯著。

注：縱坐標中①，②，③，④分別表示降解地膜相對于裸地，降解地膜相對于普通地膜覆蓋，滲水地膜相對于裸地，滲水地膜相對于普通地膜覆蓋。

3 討 論

本研究結果表明，降解地膜和滲水地膜在大多數(shù)情況下其增產(chǎn)和保水性能已經(jīng)接近普通地膜，但是在不同作物、不同的降雨情況下有所不同。降解地膜和普通地膜相比，在玉米上應用有減產(chǎn)風險，而在馬鈴薯上則可以顯著增產(chǎn)，在其他作物上產(chǎn)量和普通地膜無顯著差異；在降雨量大于500 mm地區(qū)無減產(chǎn)風險，降雨量小于500 mm地區(qū)有減產(chǎn)風險；而滲水地膜影響則相反，降雨量越低，其效果越好，當降雨量低于500 mm時，其產(chǎn)量顯著高于普通地膜。同時，在玉米、高粱和谷子上效果顯著，尤其是對谷子增產(chǎn)效果顯著。降解地膜和普通地膜比，其在不同作物，不同降雨量下效果不同[25]。如在玉米上顯著減產(chǎn)，而在馬鈴薯上則可以顯著增產(chǎn)，這可能與不同作物的生育期長短、生長特性以及對溫度和降雨的需求不同有關[26]。例如玉米和馬鈴薯相比，玉米有更長的生育期，同時整個生育期對地面的覆蓋較低，蒸發(fā)強烈；而馬鈴薯生育期短于玉米，同時在馬鈴薯中后期有更大的葉面積指數(shù)。當前降解地膜最大的問題是過早破裂從而導致保水效果下降，因此在玉米等長生育期作物上如果地膜過早破裂則效果差于普通地膜[27]；而在馬鈴薯上，由于生育期較短，同時降解地膜破裂的時候馬鈴薯地上枝葉已經(jīng)對地面形成有效覆蓋，從而彌補了地膜過早破裂帶來無效蒸發(fā)增加；同時和普通地膜相比，后期地膜破裂，可以延緩后期的根系早衰[28-29]。而在降雨上也表現(xiàn)相同的規(guī)律，例如在降雨量大于500 mm地區(qū)，其降雨缺乏的程度往往低于降雨量低的地區(qū)，降解地膜后期破裂，此時剛好趕上雨季，雖然保水效果下降，但是對產(chǎn)量和水分利用效率影響不大[30]。

在中國的北方地區(qū)，大量的降雨以小于5 mm的無效降雨形式存在，占比可達到40%[31]。滲水地膜設計的初衷是為了提高降雨利用效率，增加降雨入滲，尤其是單次小型降雨占比較高地方[32]。本研究結果表明，和普通地膜比，滲水地膜增產(chǎn)和增加水分利用效率效果隨著降雨量增加而下降。當降雨量小于500 mm時，滲水地膜的效果好于普通地膜，而降雨量大于500 mm時，和普通地膜比無顯著差異。滲水地膜也面臨和降解地膜相同的問題，即其會過早破裂，導致后期保水效果差。所以滲水地膜在生育期較短，后期葉面積指數(shù)較大，低矮的作物上應用效果好于玉米等高桿作物。本研究結果也表明，和玉米及高粱比，滲水地膜對谷子的正效應更大，這是因為在中國北方旱區(qū)，谷子播種一般晚于玉米半個到一個月，而后期其較大的播種量和分蘗，因此對地面覆蓋程度遠遠大于玉米高粱等，因此滲水地膜在谷子上應用效果好于在玉米高粱等高桿作物。

地膜覆蓋除了減少蒸發(fā)，提高水分利用效率外，還可以有效提高土壤溫度，增加有效積溫從而來提前播種，延長生育期也是地膜大面積應用及增產(chǎn)的重要原因[33]。但是普通地膜在作物生育前期可以有效提高土壤溫度，增加積溫，促進作物生長；但是在生育后期覆蓋，由于外界氣溫過高，則會導致土壤溫度過高，引起根系早衰，不利于產(chǎn)量潛力的發(fā)揮；同時過高的溫度，不利用土壤微生物活性和根系活性，從而對養(yǎng)分吸收利用產(chǎn)生不利影響[34]。如需要避免地膜覆蓋的這些不利影響，則需要后期揭膜[35]，而后期揭膜則又會增加投入，因此如何降低地膜覆蓋造成后期土壤溫度過高的不利影響也是地膜覆蓋待解決的問題。本研究表明，降解地膜早期對土壤溫度影響和普通地膜無差異，生育后期則顯著降低了土壤溫度。滲水地膜對土壤溫度的影響則更符合作物的需求，在生育前期低溫時增加溫度顯著，而高溫時增溫效果低于普通地膜。其原因主要是滲水地膜在氣溫較低時，孔徑會縮小，會減少土壤熱量散失，具有保溫效果；當氣溫過高時，膜下形成較高的蒸汽壓，使之孔徑變大，利于散熱和內外氣體交換，同時土壤中水分分布也較為均勻[36]。

4 結 論

當前無論是降解地膜還是滲水地膜，其保水和增產(chǎn)性能雖然不能完全替代普通地膜，但是在一些作物和降雨地區(qū)，其性能已經(jīng)可以替代普通地膜。對于降解地膜來說，當前在玉米等長生育期作物上應用，和普通地膜比，還存在一定的差距，大面積替換有減產(chǎn)的風險；但是在生育期較短，降雨量相對較高的地區(qū)(大于500 mm)基本可以替代普通地膜。對于滲水地膜，本研究結果表明滲水地膜在降雨量較低的地區(qū)(小于500 mm)有優(yōu)勢，在對土壤溫度的影響上更符合作物的需求，但是當前破裂過早問題還有待解決。當前的降解地膜應該優(yōu)先應用在降雨量較高的短生育期作物上，而滲水地膜應用在降雨量小于500 mm地區(qū)的短生育期高葉面積指數(shù)作物上效果更好。