第一章 地膜覆盖技术的现状与特点
第一节 地膜覆盖技术的研究与发展
一、地膜覆盖技术的发展历程
地膜覆盖技术于20世纪50年代由日本科学家发明并*早用于草莓生产。在地膜覆盖技术发明初期，重点覆盖作物是蔬菜，尤其是保护地的地膜覆盖比例非常高。由于该技术具有良好的增温保墒和防除杂草作用，在日本得到迅速发展和应用。我国地膜覆盖技术研究应用可以分为4个阶段，首先是引进试验阶段（1979～1984年）， 1978年6月原农业部副部长朱荣访问日本，参观了日本地膜覆盖技术试验基地，回国后向有关农业科研和管理单位介绍了日本塑料薄膜地面覆盖技术，并开展小面积蔬菜和棉花平畦覆膜等相关研究，国产低密度聚乙烯（ LDPE）地膜新产品开始出现；其次是技术完善阶段（1985～1992年），地膜产品薄型化且应用具有了一定规模，应用对象主要为经济作物，小型覆膜机具研发出现突破，其中中国农业科学院蔬菜花卉研究所王耀林研究员的科技成果“聚乙烯地膜及地膜覆盖栽培技术”获1985年国家科技进步奖一等奖，我国第一部地膜方面的国标《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》（GB 13735—1992）于1992年颁布实施；再次是技术应用阶段（1993～2012年），地膜产品基本成熟稳定，区域应用模式成熟，覆盖作物由单一经济作物扩大到大宗粮食和经济作物，配套覆膜机具出现重大突破且规模应用，现石河子大学陈学庚教授的科技成果“棉花精量铺膜播种机具的研究与推广”获 2008年国家科技进步奖二等奖；*后是技术升级阶段（2012年至今），新型功能地膜、Bio-film逐渐被重视，农业农村部农业生态与资源保护总站的科技成果“全生物降解地膜替代技术应用评价与示范推广”获2019年全国农林牧渔业丰收奖，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所的科技成果“全生物降解地膜产品研发与应用”获2021年北京市科技进步奖二等奖，地膜新国标《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》（GB 13735—2017）和Bio-film国标《全生物降解农用地面覆盖薄膜》（GB/T 35795—2017）均于2017年颁布。
二、国外地膜覆盖技术的应用概况
日本是世界上研究应用地膜覆盖栽培*早的国家之一，始于20世纪50年代初，*初在草莓上开展试验研究，并很快实现了推广应用。在此基础上，从1956年到 1968年相继开展了洋葱、番茄、甘薯、烟草和花生等多种作物的地膜覆盖栽培试验研究，取得了一系列的成果，并迅速在各种经济作物、粮食作物种植上广泛应用。美国虽然在覆盖作物种类和面积上不如日本，但在地膜覆盖栽培技术研究及新覆盖材料的开发方面做了大量的研究工作，如研究应用了改变地面覆盖小气候和土壤条件的农田保苗覆盖膜，加入杀菌剂制成的防病杀菌膜，还有遇水能分解的由纤维素材料组成的多孔性薄膜片，可保护种植作物及土壤不受侵蚀。地膜覆盖技术在欧洲的许多国家也得到了广泛的应用，如法国、西班牙、葡萄牙、意大利等，总体而言，欧洲地膜覆盖的农作物主要是蔬菜和花卉，全欧洲覆盖面积大概在640万亩a，而日本近年来则在200多万亩（严昌荣等，2015）。
三、我国地膜覆盖技术的应用概况
（一）地膜用量持续增加，覆膜面积进一步上升
统计数据显示（中华人民共和国农业农村部，1982-2019），我国地膜使用量从1982年的0.6万t已增加到2018年的140.4万t，增加了200多倍，未来仍有继续增加的趋势。地膜覆盖面积也一直保持持续增长态势，1982年农作物覆盖面积仅为11.7万hm2，1991年达到490.9万hm2，2001年上升到1096.1万hm2，2011年农作物覆盖面积达1651.2万hm2，2018年之后农作物地膜覆盖面积稳定在1700万hm2以上，主要分布在冷凉和干旱区域。
（二）地膜应用作物种类扩大，技术模式日臻完善
地膜覆盖应用的作物种类急剧增加，地膜覆盖栽培技术*初主要用于经济价值比较高的蔬菜、花卉上，经过几十年的理论研究与生产实践，地膜覆盖栽培技术应用得到了飞速发展，现已扩大到花生、西瓜、甘蔗、烟草、棉花等多种经济作物，以及玉米、小麦、水稻等大宗粮食作物上。在新疆维吾尔自治区、山西省、内蒙古自治区、陕西省和甘肃省等高寒冷凉、干旱及半干旱地区，地膜覆盖已推广应用到大部分农作物的种植上，并且面积呈现持续增长的趋势，其中以玉米、蔬菜、棉花、薯类、花生地膜应用面积*大。
此外，随着应用作物种类增加、覆盖面积扩大和机械化程度提高，与区域相适应的各种地膜覆盖技术模式在不断完善，如依托一体化作业机具形成的新疆地区的铺管、覆膜、播种一体化棉花地膜覆盖技术，黄土高原地区的起垄、覆膜播种一体化玉米全膜双垄沟栽培技术等，很好地考虑了农业生产的区域特点、作物种植方式，为大规模应用奠定了良好基础。
第二节 地膜覆盖的作用机制
一、地膜覆盖对作物水分利用的影响
地膜覆盖作为一项重要的农田土壤保墒技术，对提高作物水分利用效率具有显著效果。从全国50多种作物使用地膜覆盖的效果来看，地膜覆盖可使作物水分利用效率平均提高58.0%左右。地膜覆盖对作物水分利用效率的提升效果受到区域水分状况的影响较大，旱作条件下地膜覆盖可提高62.5%，而灌溉条件下仅提高25.5%。区域降水量也显著影响地膜覆盖的应用效果，随着降水量的降低，地膜覆盖提升作物水分利用效率的效果逐渐增加。在年降水量＜400mm区域，地膜覆盖对水分利用效率的提升作用*为显著，提高近一倍，在年降水量400～500mm、500～600mm和＞600mm区域，地膜覆盖种植水分利用效率较露地种植分别提高32.9%、33.5%和30.8%。
不同地膜覆盖方式对作物水分利用效率的提升效果不同。平作条件下地膜覆盖种植较露地种植水分利用效率提高45.3%，而垄作条件下覆膜种植较露地种植提高71.3%；半膜覆盖条件下作物水分利用效率提高43.4%，而全膜覆盖可使作物水分利用效率提高100%。不同时期覆膜对作物水分利用效率也有显著影响，如对于春玉米地膜覆盖对土壤水分利用效率的提升效果从高到低依次为秋季全覆膜、顶凌全覆膜、播前全覆膜（柴守玺等，2015）。
地膜覆盖可提高作物水分利用效率主要是由于地膜覆盖能有效抑制土壤蒸发，增强了土壤水分的有效性。地膜覆盖使土壤水分蒸发受阻，蒸发速度相对减缓，总蒸发量显著降低，作物可用水量增加，水分利用效率提高。山西寿阳连续观测结果表明，地膜覆盖使旱地春玉米全生育期土壤蒸发量减少60～70mm，作物蒸腾量增加70～85mm，水分利用效率提高 72%（冯禹等， 2018）；西北地区冬小麦幼苗期地膜覆盖种植比露地种植平均多储水18.5mm，全生育期耕层土壤含水量可增加 1%～4%，全生育期可减少蒸发量100mm以上。
二、地膜覆盖对土壤温度的影响
地膜覆盖对土壤温度具有重要的调节作用。地膜能有效地透过太阳辐射，被土壤吸收转化为热能，同时地膜可阻止近地层冷空气流动造成的膜下土壤热量散失，阻断了热能以长波向外辐射，减少了水分蒸发时所需热能，从而减少了由近地表空气对流而造成的热量散失，具有显著的增温和保温作用。尤其是在我国西北干旱和半干旱地区及高海拔地区，作物生育前期较低的空气温度和土壤温度影响了作物出苗，阻碍植株生长，采用地膜覆盖具有显著的增温效果。地膜覆盖在不同区域均具有很好的增温效果，在春季地膜覆盖可提高土壤温度（5cm）1.8～2.7℃，某些条件下可高达6.8℃。地膜覆盖具有普遍的增温效果，但地膜覆盖增温效果在相对温暖和光照条件较好的区域更为显著。由于土壤温度增加，促进了作物种子萌发和出苗，玉米提前出苗1～3d，小麦提前出苗3d，马铃薯提前出苗12d左右（王立华和孙桂杰，2010）。
地膜覆盖对土壤温度的调节作用受到覆盖材料、地膜颜色、覆膜方式和覆盖时期等因素影响。生物降解地膜与普通地膜均可以明显提高玉米生育前期的土壤温度，尤其对5cm和10cm土层的土壤温度影响较大，而液态膜对不同土层的增温效果均不显著。透明地膜对土壤的增温效果比白色地膜和黑色地膜显著，黑色地膜比白色地膜下土壤温度低1～2℃。覆盖方式也显著影响地膜增温效果，如旱地冬小麦在不同覆盖、播种模式下，地膜增温效果以全膜穴播*明显、全膜穴播覆土次之、膜侧沟播*小（党占平等，2007）。
三、地膜覆盖对农田碳循环的影响
地膜覆盖由于改变了土壤有机碳转化相关的土壤温湿度条件和作物光合产物向土壤的碳输出，会对土壤有机碳库产生影响，但当前关于地膜覆盖条件下土壤有机碳库含量变化的研究尚存一定的争议。Zhou等（2012）和Li等（2004）的研究结果显示，长期地膜覆盖后，农田土壤的有机碳有下降趋势，土壤有机碳下降的原因是地膜覆盖改善了土壤水热条件，加快了微生物对有机碳的矿化和分解，导致有机碳含量的降低。而 Liu等（ 2014）研究指出，长期地膜覆盖会导致土壤有机质含量呈现上升趋势，主要原因是地膜覆盖改变了土壤水热条件，促进了作物根系的生长，根际碳沉积及根际效应得到增强，同时间接地增加了土壤微生物活性和土壤微生物量（Kuzyakov，2006）。An等（2015）利用13C-脉冲标记（13C pulse-labeling）的研究结果显示，在标记15d内12%～15%的植物固定13C被运输到土壤中，并且地膜覆盖提高了作物通过光合作用固定的13C向土壤中转运的比例，增加了植株光合产物在土壤中的固存。也有研究结果显示，地膜覆盖对土壤有机质含量的影响是中性的，其原因是地膜覆盖促进土壤有机碳矿化和增加作物根系有机碳输入的作用基本相互抵消了，尤其是在土壤有机质本底值较高的情况下（李世朋等，2009；谢驾阳等， 2010；梁贻仓等，2014）。
相比于常规覆膜栽培，免耕一膜多用对土壤碳循环的影响更为复杂。对全球保护性耕作措施进行 Meta分析指出，在裸地栽培下，单纯采取免耕措施通常会带来作物产量的降低（Pittelkow et al.，2015），这可能会减少作物光合向土壤的碳输入。在覆膜免耕条件下，作物光合合成碳向土壤中根系和根系分泌物迁移的过程会受到哪些影响尚未得到揭示。另外，先前研究表明免耕对土壤呼吸的影响会因为土壤和环境条件不同而有比较大的分歧（álvaro-Fuentes et al.，2007；Omonode et al.， 2007；Pandey et al.，2012；Oorts et al.，2006），在地膜覆盖条件下，免耕对土壤呼吸的影响及地膜覆盖与免耕对土壤呼吸的交互影响仍需要通过系统试验进行阐述。
农田生态系统是陆地生态系统碳循环过程中*活跃的碳库。农田系统对大气 CO2库呈碳汇还是碳源效应取决于土壤有机碳固定和温室气体释放之间的平衡，而不同农田管理措施会改变土壤有机碳含量和储量，影响农田系统的碳循环与碳平衡（张恒恒等，2015；Han et al.，2014；张前兵，2013；王小彬等，2011；黄斌等， 2006）。农田生态系统碳平衡的研究方法主要有基于实际测量碳库和碳通量变化的方法，如 NEP（净生态系统生产力）估算法、农田耕作系统能流 /碳流平衡法等；基于过程的模型方法，如CENTURY模型、DNDC模型（Sansoulet et al.，2014；Han et al.，2014；韩娟，2013）、APSIM模型、EPIC模型等（刘昱等，2015；赵德华等，2006；李银坤等，2013；李旭东，2011；崔凤娟，2011）。Gong等（2015）通过涡度结合微气象的方法对覆膜玉米农田进行了研究，认为地膜覆盖能够促进土壤碳库储量增加，使其成为碳汇。同样地，Li等（2012）采用静态暗箱结合作物生物量，通过NEP估算法研究了棉花农田净生态系统生产力，也认为地膜覆盖措施能够增加土壤碳库储量，使其成为碳汇。而关于免耕一膜多用如何通过影响土壤碳输入与碳输出过程来影响农田生态系统碳平衡，以及免耕一膜多用农田的
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