田间微集雨技术研究及应用.pdf

第 29 卷第 8 期农 业 工 程 学 报Vol.29No.8 2013 年4 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringApr. 20131 田间微集雨技术研究及应用 莫 非 1，周 宏1,2，王建永1，赵 鸿1,3，张恒嘉2，吴 姗1,2，陈应龙4，杨 通1， 邓浩亮 1,2，Asfa Batool1，王润元3，Simon Nzou Nguluu5，李凤民1，熊友才1 （1. 兰州大学生命科学学院干旱农业生态研究所/草地农业生态系统国家重点实验室，兰州 730020；2. 甘肃农业大学工 学院，兰州 730070；3. 中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省气候变化与减灾重点（开放）实验室，兰州 730020； 4. 西澳大学地球与环境学院及农业研究所，澳大利亚珀斯 6009；5. 肯尼亚国家农业研究院 Katumani 研究中心，肯尼亚 马查科斯 340） 摘要：过去 30 a，田间微集雨技术逐渐发展成为黄土高原雨养农业区的主要耕作技术。自上世纪八十年代以来， 不同田间微集雨及覆盖（地膜、砂石和秸秆）栽培技术在黄土高原不断更新换代，先后经历了垄沟无覆盖技术、 平地覆盖技术、垄沟半覆盖技术和垄沟全覆盖技术等发展过程，特别是沟垄地膜全覆盖技术大面积推广和应用， 为西北旱区粮食单产大幅度提高提供了强大的支撑作用。本文综述了田间微集雨技术的演变历程及对农田生态系 统的影响及机理，归纳了垄沟和覆盖模式及播种方式对作物产量形成、水分利用效率、作物生理生态、土壤质量、 土壤微生物、杂草、病虫害、覆盖物残留和作物物候等的影响，并分析了该技术的高产高效和生态风险以及两者 的互作关系。文章最后还对该技术的高效性、可持续性和发展潜力进行了讨论，旨在对雨养农业生态系统的可持 续管理提供理论指导。 关键词：土壤，含水率，降雨，田间微集雨系统，雨养农业，高产高效，可持续性 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.08.001 中图分类号：S314；S344.9文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-08-0001-17 莫非，周宏，王建永，等. 田间微集雨技术研究及应用J. 农业工程学报，2013，29(8)：117. Mo Fei, Zhou Hong, Wang Jianyong, et al. Development and application of micro- field rain- harvesting technologiesJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(8): 117. (in Chinese with English abstract) 0引言 水资源短缺是全球旱地农业面临的共同难题。 在黄土高原为典型代表的中国雨养农业区，年降雨 量在 300550 mm 之间，降雨时空分布不均，与作 物需水期之间出现严重供需错位，是制约该地区粮 食生产和社会经济发展的主要因素1。如何充分利 用天然降雨、确保粮食生产安全和农田生态系统可 持续性是长期以来难以破解的理论难题和实践难 题，解决问题的关键途径是要研发和推广高效、低 收稿日期：2013- 01- 04修订日期：2013- 04- 03 基金项目：国家重大基础研究计划 973 项目（2009CB825101） ；国家公 益性行业（气象）科研专项子课题（GYHY201106029- 2） ；中央高校基 本科研业务费专项资金项目 lzujbky- 2010- k02） ； 科技部国际科技合作项 目 （ 2010DFA32790 ） 和 教 育 部 直 属 高 校 海 外 名 师 项 目 （Ms2011LZDX059） 作者简介：莫非（1987） ，男，博士生，甘肃定西人，研究方向为 干旱农业生态学，兰州兰州大学生命科学学院干旱农业生态研究所/ 草地农业生态系统国家重点实验室，730020。 Email：mofei371 通信作者：熊友才，男，湖北武汉人，主要研究方向为农业生态学， 兰州兰州大学生命科学学院干旱农业生态研究所/草地农业生态系统 国家重点实验室，730020。Email：xiongyc 廉的旱作栽培技术。旱作集雨栽培技术在中国历史 上有两千多年的发展历程，早在公元前 157 年87 年的汉书食货志中就有“代田法”记载：甽 陇相间，苗生甽中。今岁为垄者，明岁作甽；今岁 作甽者，明岁为垄。 自上世纪八十年代地膜引入中国农业生产，经 历了几次更新换代。 中国集水农业创始人- 赵松龄教 授在上个世纪八十年代中期便系统地阐明了适合 中国西北地区集雨农业发展的新思路和新技术2。 上个世纪九十年代中期，李凤民教授提出了生态型 集水农业。最近十年，集水农业在西北雨养农业区 得到了长足发展，其中核心技术就是垄沟集雨全膜 覆盖技术。以甘肃省为例，该技术以及推广到两千 万亩，在玉米、小麦、马铃薯等所有大宗作物及其 他经济作物得到广泛应用。该技术主要利用田间起 垄、沟垄相间、垄面产流、沟内高效集雨，并依靠 增温、抑蒸等生理生态效应，已经作为水分缺乏的 干旱和半干旱地区一项重要的抗旱措施3- 4。 沟垄覆 盖结合的栽培模式可使当季无效和微效的降水形 成径流，叠加到种植沟内，覆盖之后还可抑制下层 综合研究 农业工程学报2013 年 2 土壤水分的无效蒸发，促进降水下渗，改善作物根 区的土壤水分供应状况，进而提高作物产量和水分 利用效率5- 7。 大量的研究表明，垄沟结合地膜、禾草、秸秆 和砾石等覆盖材料通过合理的耕作还具有提高作 物养分利用率8- 9，增加土壤表面积温10，活化土 壤养分11，缓解水土流失12，抑制土壤盐碱13，改 善作物光照条件和提高光合强度14等作用，最终促 进作物生长发育和实现产量品质的提高15。发展至 今，该技术不仅广泛应用于小麦16、玉米17、马铃 薯18等大宗作物上， 如谷子19、苜蓿20等其他小杂 粮和牧草栽培中同样也得以实现。 垄沟覆盖微集雨技术为缓解日益增长的人口与 粮食紧缺的矛盾目前在旱地农业的生产中发挥着至 关重要的作用。然而，当前以追求高产和经济效益最 大化为目的，对该技术，尤其是垄沟地膜覆盖技术进 行多年重复的单一操作势必使潜在可持续问题日益 凸显，如土壤质量下降、地膜残留和土壤底墒下降等 问题。在黄土高原雨养农业区，多年高强度耕作、作 物秸秆难以还田、 降水时空分布不均衡等导致土壤肥 力衰退，土地承载力下降，严重影响该地区农业和环 境的可持续发展21- 22。学术界已经重视并致力于该方 面的研究，但是在生产实践中仍面临较大的挑战。本 文对垄沟覆盖集雨栽培技术的现状进行了总结， 分析 了可能带来的环境恶化和气候变化问题， 为其在未来 的应用和发展提出了一些建议和意见。 1沟垄集雨和覆盖系统的设计 田间微集雨和覆盖技术一般为垄沟相间排列， 垄上产流，沟内集流，在沟内种植作物，两者共同 构成了田间微集雨种植系统，称为沟垄系统23。因 作物类型、当地气候条件、耕作习惯和生产实践等 因素，垄沟覆盖栽培体系设计包含了丰富的内容， 主要包括垄沟尺寸比例、覆盖物类型、覆盖持续时 长等（表 1）。由于不同设计的沟垄和覆盖模式在 不同气候条件和作物栽培下均会产生各异的雨水 收集和利用效率， 进而形成不同的田间气候、 土壤、 水分微环境，最终导致作物产量和水分利用效率的 明显不同。田间设计模式在黄土高原旱地农业区的 种类较多，地域差异也很大。 表 1不同作物配套的垄沟及覆盖设计 Table 1Design of ridge- furrow and mulching materials for crops 最适作物年平均降雨量/mm 垄沟比 /(cm:cm) 垄高/cm种植方式沟覆盖物垄覆盖物参考文献 燕麦381.740:4040沟内种植裸露聚乙烯薄膜24 苜蓿230435.860:7525沟内种植裸露聚乙烯薄膜25 谷子364.960:9020沟内种植聚乙烯薄膜聚乙烯薄膜、厚熟土26 小麦 550 550600 468.5 50:50 25:35 50:50 15 15 15 沟内种植 沟内种植 沟内种植 裸露 裸露 裸露 生物降解膜、液体地膜 聚乙烯薄膜 聚乙烯薄膜 27 28 29 玉米 200300 550600 263 263 578 263 70:30 25:20 60:60 60:60 60:60 60:60 10 20 20 15 25 沟内种植 垄侧种植 沟内种植 沟内种植 沟内种植 沟内种植 聚乙烯薄膜（黑、白） 禾草 卵石，碎石砂子，作物秸秆 卵石，碎石砂子，作物秸秆 小麦秸秆，玉米茎秆 碎石 聚乙烯薄膜 聚乙烯薄膜 聚乙烯薄膜 聚乙烯薄膜 小麦秸秆，玉米茎秆 聚乙烯薄膜 30 31 32 33 34 35 马铃薯 263 310 45:60 45:45 22 25 沟内种植 沟内种植 聚乙烯薄膜 聚乙烯薄膜 聚乙烯薄膜 聚乙烯薄膜 36 37 1.1垄沟比例 对于垄沟规格的设计，依据作物类型、降雨量 等因素的不同，同样有差异性表现（表 1）。以马 铃薯为例，有研究指出通过对经济产量和沟垄的宽 度进行回归分析，发现在年降雨量在 300450 mm 的半干旱地区， 膜垄的最佳沟垄比为 60 cm:40 cm， 马铃薯经济产量最高38，而在降雨量较高的地区没 有发现固定的设计模式。近年来，在各地政府的推 动下，在黄土高原半干旱地区推广全膜双垄沟播高 产玉米栽培技术。该技术按照模式化的垄沟尺寸和 地膜覆盖可以获得较高的产量，垄沟尺寸比例以 30 cm:70 cm 和 60 cm:60 cm 的种植模式较为广泛 （表 1）。 垄沟覆盖栽培技术的种类较多，不同自然条件 对技术的要求均不相同。我们通过总结在不同作物 类型下能带来相对高产和普适性较好的设计模型 发现，对于大宗作物玉米而言，在半干旱偏干旱地 区垄沟宽度比为 60 cm:60 cm 结合多种覆盖类型的 设计是相对较为广泛采取的种植模式。马铃薯属喜 凉作物，较小的垄沟宽度能够很好的形成郁闭的冠 层从而改善地下部分的生物量积累，50 cm:50 cm 的垄沟宽度比例是半干旱和干旱区较为普遍适用 的。对于一些密植作物，如小麦、燕麦、谷子等， 因受种植密度、农业机械的限制，目前尚未发展出 推广成熟的垄沟覆盖栽培模式，但大量的试验性的 沟垄覆盖设计研究已经开展（表 1）。 第 8 期莫非等：田间微集雨技术研究及应用 3 1.2覆盖材料 目前，国内外传统覆盖材料有砂石、卵石、树 叶、畜粪、谷草、秸秆、油纸、瓦片、泥盆、铝箔 和纸浆等39。黄土高原旱地雨养农业生产实践中主 要依靠地膜，这主要是因为地膜抑蒸效果好、增产 效果显著且价格低廉所致。随着保护性耕作农业受 到广泛关注，一些环境友好型的覆盖物如禾草、作 物秸秆、树叶及砾石等材料逐渐被采用。近年来， 随着覆盖技术有利于农田生态环境良性发展的转 变，新型覆盖材料开始问世，例如生物降解膜和液 态膜覆等也正在研发之中40- 41，它们不仅满足普通 地膜蓄水保墒效果和增产增收效应，也能降低对环 境的污染。 1.3配套农具 伴随地膜覆盖栽培技术的日益成熟和完善，与 之相配套的农机设施也得以广泛的发展和推广。因 黄土高原主要农业产区地理条件所限，近年来以发 展中小型机械化，以及半机械化农具等配套设施为 思路的农机创新对促进地膜覆盖技术的高产高效 发挥了至关重要的作用。以全膜双垄沟栽培技术为 例，从播种前土地整理至垄沟修筑，地膜覆盖到播 种，再到中期追肥及后期地膜回收，相配套的农具 依次有：整地机、起垄覆膜机、播种机和残膜回收 机。就整地机而言，一些集灭茬、旋耕和深松于一 体的联合整地机的发展避免了多次扰动土壤给土 壤环境带来的不利，如 1GSZ- 350 型灭茬旋耕联合 整地机42，1LZ 系列联合整地机43。最新研制的起 垄施肥铺膜机，可完成起垄、施肥、喷药、铺膜和 覆土压膜联合作业44，2BFM- 8 玉米全膜双垄沟播 种植施肥起垄覆膜机能一次性完成田间松土整地、 深施化肥、开沟起垄、大小双垄成形和铺膜覆土压 膜作业过程，在该机具上安装开沟器，拆除起垄铺 膜覆土装置后，可实现对小麦、黄豆、糜子、油菜 等作物的机械播种，达到一机多用的功能。为了更 有效地贮存播前水分，目前全膜双垄沟栽培技术在 覆膜时间上较作物播种时间早，如秋覆膜、顶凌覆 膜等，这使得耕作一体化的农具发展较为受限，尽 管目前已经出现了一些集土地整理、起垄覆膜、施 肥和播种等为一体的农具设备，但增产效应不及提 前覆膜后播种的耕作措施明显。针对地膜残留问 题，近年来同样发展的一些回收装置使得这一问题 在很大程度上得以缓解。如 1SM- 地膜回收机， 05- 2 残膜回收机，SMJ- 2 地膜回收集条机， 4JSM- 1800 棉秆还田及残膜回收联合作业机， 4MBCX- 1.5 棉花拔秆清膜旋耕机等， 均针对作物收 获后农田土壤中的地膜残留进行设计45。尽管，一 系列配套于全膜双垄沟栽培技术的农机设备在近 年来得以发展和应用，但对地块地理条件要求高、 一种作物和技术对一种农机、系统化程度低而导致 的未能灵活拆装和组合，实现多子模块协调控制和 综合管理等诸多问题仍亟待解决。 1.4田地选取、施肥和播种问题 全膜双垄沟栽培技术其设计思路围绕建造 农田降雨的产流面和收集区供作物生长所需。 这 便决定了该技术对田块的选择有一定的限制。 目 前的研究表明：选择地势相对平坦，坡度在 15 度以下的地块最为适宜46。 在一些坡度较大的山 区或沟壑地带， 该技术在集雨效率上将受到不同 程度的影响。 全膜双垄沟栽培技术下作物的播种 时间一般取决于当地的气候条件和品种本身特 征，最低的要求是 510 cm 表层土壤温度通过 710被认为是可进行播种操作。播种深度一 般为 35 cm，每穴下籽 23 粒，并用细沙土封 严播种孔，以防散墒和遇雨板结而影响出苗。根 据品种特性和土壤肥力状况确定种植密度， 肥力 较高的地块株距 2730 cm，每公顷保苗 63000 株左右；肥力中等的地块株距 3035 cm，每公 顷保苗 55 000株左右。 肥力稍差的地块株距 35 40 cm，每公顷保苗 48 000 株左右。施肥可分底 肥和追肥两个阶段， 底肥的实施可在起垄覆膜前 进行或利用机械设备实现一体化， 施肥位置在种 子一侧 57 cm，土深 710 cm 为宜47。作物 中后期的追肥可按照作物自身的需肥特征曲线 进行叶面喷施和根旁侧点施。 玉米的需肥期主要 是拔节、孕穗和开花期。 2田间水分动态变化 2.1土壤水分迁移和变化 在黄土高原干旱半干旱区， 降水主要集中在 7、 8、9 月，它占全年降水的 60%左右，造成雨季与春 季作物生长季的严重错位48。而垄沟覆盖系统主要 从时间和空间上拉小了黄土高原作物需水期和雨 水供给期错位的矛盾。 首先沟垄集雨种植建立的垄沟产流、集水、蓄 墒系统，改善了土壤水分生态环境，能够使降水通 过垄面产生的径流首先抵达沟侧，然后通过侧渗逐 渐向沟中央汇集，并同时向垄下扩渗，同时通过重 力作用向深层土壤下渗，使降雨得到有效蓄存，在 农田内部实现作物在时空上对水分的有效调控利 用49- 50。研究指出垄沟覆膜能把小于 5 mm 的无效 降水转化为有效水分贮存于土壤中，平均集水效率 为达到了 90%51。 其次垄沟并辅之以覆盖材料在蓄水基础上实 现了保水， 改变了降雨的空间分布。 沟内覆盖地膜、 农业工程学报2013 年 4 秸秆、禾草、沙石等有效抑制了蒸发，也为垄上顺 利节流创造了条件，尽可能将自然降雨最大化的接 纳到沟内种植区，最大限度的满足作物对各个生育 期水分的摄取。研究指出与露地种植相比较，垄沟 全膜种植模式能够明显的提高土壤水分，表现出随 生育进程的变化土壤水分向深层增加的趋势，这种 土壤水分的增加趋势对于缓解各生育进程的干旱 威胁有一定的作用52。同时它还能改变作物耗水模 式，即减少前期蒸发、增加后期蒸腾，促进了干物 质积累，从而使水分消耗由物理过程向生理过程转 化，由无效消耗向有效消耗转化53- 54。 2.2土壤径流 径流是地表水循环重要过程之一，是地表土壤 侵蚀和物质迁移的主要动力，径流的形成源自于降 雨，当它超过下渗强度时的降雨到达地面以后就会 形成土壤的径流，造成水土流失。坡耕地也是中国 水土流失的主要区域之一，每年的土壤流失量约为 15 亿 t，占全国水土流失总量的三分之一55。 黄土高原是中国乃至全球水土流失最严重的 地区之一，降雨大部分集中在作物生长后期，极易 突发暴雨，土壤表面遭受严重的冲刷破坏，熟土层 减薄、 土壤肥力流失严重， 生态环境极其脆弱56- 57。 垄沟覆盖栽培模式由于垄沟存在改变了地表微地 貌，粗糙度改变，提高土壤抗冲抗蚀能力，特别在 暴雨多发季节，可以通过增加地表粗糙度来减少或 延缓降雨的径流损失58。近年来在黄土高原丘陵沟 壑半干旱雨养农业区坡耕地采用双垄全膜覆盖沟 播栽培，因降低了水分流失率和土壤流失量，具有 良好的减少土壤水土流失的作用56。 杂草、秸秆、沙石等覆盖材料同样是增加土 壤粗糙度的一种有效途径， 可以使雨水不直接落 入土壤表面，阻断了雨水与土壤的直接接触。且 由于土埂起阻碍作用， 使降雨在地里滞留时间更 长，从而增加了水分的渗透量，减少了地表土壤 的流失59。 土壤质量高低是决定农业生产的基础，沟垄覆 盖栽培方式已经为黄土高原改变地表径流，防止水 土流失，提升耕地质量，增加耕地产出做出了很大 的贡献。然而，由于受到地形、资金、生产条件等 多因素制约， 该区以坡耕地为主的现状， 水土流失、 耕地质量退化等环境问题尚需进一步解决。 2.3水分利用效率 在水分资源短缺的黄土高原干旱半干旱地区， 提高作物产量的有效途径便是对有限水分的高效 利用。农田水分利用效率的提高主要可通过栽培措 施的有效集雨和作物本身的高效利用两个方面来 努力得以实现，垄沟覆盖栽培技术对雨水的有效收 集可分为时间和空间两个方面。 空间上， 通过设计田间微集雨场将水分收集 在种植区，即该技术通过垄沟交替布置，以垄面 为田间微集雨面， 雨水通过垄侧的叠加汇集于种 植沟内供作物所需。 垄沟地膜覆盖栽培可将小于 5 mm 的无效降雨叠加汇集转化为作物的有效水 资源，覆膜特别是提高了小于 10 mm 农田降水 资源化程度，改善作物根际土壤水分状况，在干 旱和正常年份均能显著提水分利用效率60- 61。 由 于受黄土高原特殊地貌、 温带大陆性季风气候影 响，降雨存在很大的变率，加之农业生产中技术 投入、推广和生产实践的不同步性等矛盾，致使 大部分地区还存在着自然降水大量流失、 水分利 用效率低等问题。 因此旱作农田的生产潜力还有 提升的空间。 时间上， 秋季覆盖和顶凌覆膜将非生长季的 降雨收集贮存下来用于作物生长季， 它通过对天 然降水的时空调控，达到秋雨春用，实现了降雨 在时间上的就地调节， 以秋前覆膜为例它明显抑 制了土壤冬春季水分散失， 首先可以解决当地春 旱玉米春播难问题，其次在玉米生长中后期（吐 丝期成熟期） 可以将深层水分提到上层供玉米 生长所需，具有保持和提高耕层含水量的作用， 显著改善玉米生长的水分环境， 提高了作物水分 利用效率62。 垄沟覆盖栽培技术在高效雨水收集的基础 上，使作物摆脱了旱季胁迫，保证了播前水分， 改善了雨水渗透作用，协调了水热关系，从而提 高了作物水分利用效率。 但是不同作物之间的水 分利用效率存在着差异，一般来说，C4 植物的 水分利用效率比 C3 作物高出 2.53.0 倍63。以 小麦和玉米对比发现： 在年降雨量比较接近的陕 西杨凌和合阳两地，相比于传统耕作模式，垄沟 覆盖栽培对土壤水分利用效率的提高玉米更为 显著。而受地区间土壤特性、降雨、蒸发、光照 等条件的影响， 相同作物在不同播种区域对水分 利用效率的利用也会呈现较大的差异。 即便在同 一区域，相同的作物和耕作方式，水分利用效率 的提高也不相同， 这时候人为因素起到了主导作 用（表 2）。 然而，单纯的以耗水量和产量来表征作物水分 利用效率是不够的，还应该从叶片水平上揭示垄沟 覆盖栽培体系下植物内在的耗水机制，探究叶片在 作物生长过程的中水分利用效率机理67。最终通过 大田的表观尺度的和作物器官的微观尺度共同调 控，掌握作物在旱作条件下如何提高水分利用效率 的生存适应对策。 第 8 期莫非等：田间微集雨技术研究及应用 5 表 2沟垄覆盖下不同试验点水分利用效率 Table 2Water use efficiency in different studied sites under ridge- furrow planting patterns 作物试验地点全年蒸发/mm全年降雨/mm 传统耕作水分 利效率/ (kg hm- 2 mm 1) 垄沟覆盖水分 利用效率/ (kg hm- 2 mm 1) 提高百分比/%参考文献 玉米陕西省杨凌市993550600204010035 小麦陕西省合阳县1832.85509.512.4430.531 马铃薯甘肃省定西市153141577. 8143. 183.964 大豆甘肃省镇原县1638. 35478. 112. 85865 苜蓿甘肃省永登县12301879230.0435.815.5349.2321866 注：以上水分利用效率（WUE）均按照目前大田作物试验中利用较为广泛的公式 WUE=Y/ETa计算得出，其中 Y 表示作物产量；ETa表示全生育期实 际蒸散量；ETa=播前土壤贮水量+有效降雨量+播前补水量- 收获后土壤贮水量。 3土壤特性效应 3.1土壤温度 土壤温度作为土壤热状况的综合表征指标，是 作物生长的重要环境因子之一68。传统裸露种植存 在土壤升温快降温也快的缺陷。垄沟覆盖栽培技术 能够解决黄土高原干旱半干旱地区温度供需矛盾， 提高产量的稳定性。 在黄土高原旱地农业耕作中覆膜的主要增温 表现为：播前温度提升，保证种子顺利萌发，并在 生长前期增温明显，促进苗期生长节律利于成功建 株。由于三四月份较低的夜温和霜冻会对幼苗建成 带来挑战，研究指出全膜双垄沟种玉米种植能够使 苗期的温度增加 6.134。地膜覆盖显著增加表层 温度的这种特点，对海拔较高，积温不足的地区作 用更为显著69- 70，增温效应重塑了作物种植的区域 性致使作物种植区域向高海拔和寒区移动，从而拓 宽了作物的播种地域。 秸秆、 沙石等覆盖材料最大的优点在于对地表温 度的敏感性调节，满足作物不同生育期对温度的要 求。例如玉米花期要求最适日均温在 2627之间， 如遇高温天气， 覆膜土壤表层温度可达3235， 反 而不利于作物的生长。此时，秸秆、覆草等方式可降 低土壤表层高温，使作物避开高温胁迫。但也有研究 指出， 秸秆覆盖过早使土壤温度低于作物生长最适温 度，造成作物减产71。因此可以通过秸秆和地膜覆盖 相结合的覆盖方式实现高温低调、 低温高调的双重作 用，增强作物对环境的适应性。 3.2土壤碳 土壤碳固定是缓解温室效应加剧的有效方法 之一，已成为陆地生态系统碳循环研究的热点问 题72。土壤有机碳是全球碳循环中重要的碳库， 其含量及其动态平衡是反映土壤质量或土壤健康 的一个重要指标，直接影响土壤肥力和作物的产 量表现73- 74。在黄土高原干旱半干旱地区，土壤含 碳量普遍较低，一般不超过 1.5%， 再加之多年连续 耕作，总的土壤碳储存更是明显地减小。 地膜覆盖由于其良好的水热环境，加速了土壤 有机质的分解速度，表层土壤有机碳含量下降速率 明显。以玉米为例我们发现：地膜覆盖第一个生长 季后土壤碳略有增加，2 年后以每年 0.1 g/kg 数量 减退，如果一膜多年用，连年轮作，品种单一，碳 的流失程度还会加快，达到了 0.2 g/kg。因此，以 地膜为主的耕作方式得不到合理的调控和改善，碳 源无法及时补给，随着播种年限的增加，这种恶化 趋势会进一步扩大（表 3）。 表 3不同垄沟覆盖设计对土壤碳变化的影响 Table 3Affect on the soil carbon change under different types of ridge- furrow patterns 作物类型种植方式土壤碳变化参考文献 玉米垄沟覆膜（收获后移走地膜）连续生长季后由 7.1 降至 6.9 g kg- 175 玉米垄沟覆膜连续两年生长季后由 7.6 降至 7.2 g kg- 122 玉米土垄或着垄上覆膜一个生长季土壤碳增加4 小麦覆草栽培，覆膜栽培五个生长季后覆草增加了表层土壤的轻质有机碳而覆膜降低76 玉米秸秆还田+全面覆盖两个生长后季土壤含碳量增加77 小麦秸秆+地膜覆盖一个生长季后土壤有机碳含量提高24 然而，覆草、作物秸秆覆盖均不同程度提高了 土壤有机碳含量。主要原因可归结为秸秆在覆盖期 间降解产生的有机物质颗粒随降雨下渗到土壤中 增加了土壤有机碳。其次由于秸秆覆盖处理显著的 降温稳温和保水作用又有利于土壤有机碳的积累。 并且通过作物本身地上生物量与地下生物量的增 加以及人为对地表覆盖物输入双向的积累，提高了 潜在的碳源，在短期内可使农田生态系统成为碳 汇。研究指出麦秸秆连续覆盖两年后，可增加土壤 有机质 0.14%78。 农业工程学报2013 年 6 传统的深翻耕作和移走作物接茬，增加了对土 壤团聚体的扰动、减少了有机物对土壤的输入进而 降低了土壤肥力，导致碳含量的减少。而秸秆还田 结合地膜覆盖有利于土壤有机碳积累。研究表明垄 沟秸秆还田和地膜覆盖均增加了土壤中微生物量 碳的含量，秸秆还田增加了土壤中的碳源，而其效 果也比较明显，从当年的收获后的土壤碳指标就能 发现，有机碳含量有所提高（表 3）。因此，秸秆 还田与覆膜的交替耕作使秸秆还田弥补了覆膜带 来的有机碳含量下降问题。 3.3土壤的呼吸 土壤呼吸作用是植物根系和土壤微生物生命 活动的集中体现，而植物和微生物的许多生命活动 都需要水分的直接参与79。农田土壤呼吸释放的二 氧化碳是大气温室气体重要输出源80，垄沟覆盖栽 培体系通过对土壤温度、水分的就地调控，间接或 直接的影响着土壤的呼吸。 首先垄沟覆膜增温促进了微生物的活动，而微 生物活动的加强，也明显改变了土壤微环境及土壤 微生物的活性81，土壤呼吸也随之增加。研究指出 垄沟覆膜栽培条件下垄脊土壤呼吸速率高于平作 栽培，而垄沟部土壤呼吸速率小于平作。冬小麦生 育期内垄脊平均呼吸速率为 (2.06 0.44) mol/(m2 s)，垄沟为 (0.75 0.11) mol/(m2 s) ， 而 平 作 栽 培 为 (1.14 0.20) mol/(m2 s)32（以 CO2计）。 水分对土壤呼吸是一个双向的作用，在水分不 受限制时，增温使土壤呼吸速率显著增加；而当水 分受限时，增温对土壤呼吸的刺激效应会被水分缺 乏导致的负效应抵消82。地膜覆盖虽然同时具有保 水、增温的效果，但作物不同生长阶段对温度、水 分需求不同，会出现水分和温度胁迫，而在此胁迫 下土壤呼吸会出现交替变化。研究指出土壤含水量 在一定范围内能促进土壤呼吸，超过 12%（质量含 水量）后土壤含水量对土壤呼吸由促进作用变为消 减作用83。 其次土壤呼吸不仅受到土壤条件的调控，也可 能受到植物生理活动周期性等生物因素的影响。因 此不同栽培方式下作物生长差异对土壤昼夜呼吸 强度的改变也有所差异，但是垄沟为主体的秸秆覆 盖和地膜覆盖都能显著增加土壤呼吸84- 85。研究表 明全生育期冬小麦农田的土壤呼吸速率较无覆盖 处理平均提高了 163%86。 垄沟覆盖体系下的土壤呼吸改变也对农耕措 施下的碳循环研究有一定的指导意义。土壤呼吸向 大气提供 CO2，是土壤有机碳输出的重要环节，垄 沟栽培技术融入覆膜、覆草等明显的改善了碳的循 环，增加了土壤与大气的交换。但是，农田土壤呼 吸释放CO2过程加强是导致全球气候变暖的重要途 径87，而要实现经济效益与生态效益的双赢，耕作 方式的选择是一个必须面对的问题。 3.4土壤微生物及类型 土壤微生物是土壤中物质转化和养分循环的 驱动力，其数量被认为是土壤活性养分的储存库和 植物生长可利用养分的重要来源，也是农田生态系 统的重要组成部分88。 垄沟覆盖栽培通过对土壤水热条件重新分配， 改变了农田系统原来相对温和的状态，而导致整个 微生物群落结构发生重大变化。研究指出地膜覆盖 的沟垄系统使的土壤细菌、真菌和放线菌的数量分 别增加了 9%、83%、82%，而在丰水的年份，微生 物数量高峰出现得更早，数量也最高69,89。 轻质有机质不仅是土壤微生物极易分解利用 的底物，还是微生物生长和繁殖的养分来源，而覆 草能够增加土壤轻质有机质90，增强微生物对土壤 有机碳矿化过程的参与，间接的提高了微生物的活 性和数量。然而微生物数量的增加和多样性也加剧 了微生物群落的不稳定性，可能影响土壤养分的数 量及形态。 4作物生理及产量效应 4.1作物光合 作物产量的 90%95%来自光合作用，光合作 用强弱可作为判断植物长势的重要指标，水分是影 响植物光合生理特性的一个重要因子，干旱缺水可 降低植物的光合速率91。而作物所接受的光照条 件，对光的截获能力同样对植物光合至关重要。而 沟垄覆盖栽培技术能通过协调水温关系，改善作物 冠层的小气候条件，提高叶片的光合能力，为作物 光合创造适宜的环境。 垄沟覆盖栽培技术提高作物光合作用主要是 通过提高土壤表面受光面积和减小棵间蒸发两个 方面实现的。首先，交替的垄沟设计能够提高地表 接收光面积，改善的光条件为作物光合作用提供了 基础。其次，由于覆盖材料减少了棵间蒸发和作物 棵间的竞争，进而改变了作物群体结构，提高了群 体光合能力。研究表明沟垄集雨种植下谷子的光合 速率要大于平作，表现为沟内边行的光合作用强度 最大92。尤其目前在黄土高原大面积推广玉米、马 铃薯等全膜双垄沟播种植较其他种植方式光合能 力更强，光合物质的形成与积累更加高效93，这得 益于它能够增加的作物冠层，提高其叶面积指数， 延缓叶片衰老，延长叶片功能期，促进光合产物向 籽粒的转移94。 第 8 期莫非等：田间微集雨技术研究及应用 7 另外，垄沟覆盖栽培技术对作物光合生理的促 进作用还依赖于当地水资源状况。在偏旱年份，相 对于其它作物，沟垄集雨覆膜种植更易提高玉米光 合效率。然而，生育期降雨较大时，土壤囤积过多 水分会影响作物根系活动，反而会抑制作物的光合 作用95。因此，依据降雨类型实时实地的判断、选 择最优垄沟覆盖栽培类型是增强作物光合，提高旱 区作物产量的有效途径。 作为反映作物光合能力的一个重要指标，叶绿 素含量在垄沟覆盖栽培中同样有较好的表现。研究 指在小麦拔节期、开花期和灌浆期，地膜覆盖、垄 沟栽培和垄播覆膜栽培模式下，旗叶叶绿素含量分 别较常规栽培增加 5%，7%，10%；6.5%，8.5%， 11.5%；5.3%，8.4%，11.3%94。而全膜双垄沟播 栽培能够在玉米拔节期至抽雄期显著增加玉米功 能叶片叶绿素含量93。 4.2作物蒸腾 研究指出垄作覆盖适度调节作物体内水分代 谢生理活动，可能通过改善根系分布和质量状况， 增强植株汲取营养(水分)能力和叶片持水能力，降 低水分蒸腾的速率，促进作物有效蒸腾，从而导致 蒸发蒸腾比减小，延长叶片光合有效期96，提高 了作物产量。 另外土壤表层由于地膜、麦秸、砂石或残茬等 覆盖材料存在，地表热学性质的随之变化，地面热 量平衡也发生了改变，尤其在地膜覆盖中近地面温 度较高，浅层土壤蒸发强烈，地表的根处于干旱而 地表下层根处于湿润， 这样就调控了根源信号 ABA 向叶片运输，调节部分气孔关闭，降低气孔导度， 蒸腾速率减少，从而减少了植株体内的水分蒸发， 提高了单位叶面积的水分利用效率。而在土壤水分 相对充足时候，垄沟覆盖能够发挥其技术潜能，提 高叶片蒸腾速率。 研究指出在 230 mm 的降雨量下， 蒸腾速率平作与垄作存在显著性差异；在 340 mm 的降雨量下，它们之间无显著性差异30。蒸腾速率 的提高也加速了水分的消耗，一方面提高了作物的 水分利用效率，另一方面在干旱胁迫下，无效的蒸 腾导致植株体内水分大量消耗，影响产量的提高。 4.3作物物候 作物物候反映了作物生长节律的循环，是作物 生长和资源状况协同体现的结果。作物物候的改变 也会对农业生产一定影响，很可能会改变作物产量 的形成过程并最终影响作物总产量97。因此，加强 垄沟覆盖栽培体系农田小气候的改变与作物物候 的关系的研究意义深远。 水、热是物候研究的关键因子，干旱会延缓植 物的生长发育，使物候期推迟。垄沟覆盖系统通过 调控土壤水热关系，改变了作物生长的微环境，进 而影响到作物生育期的进程。在黄土高原大量的理 论实验和实践已经证明，垄沟覆盖尤其是覆膜这种 栽培模式通过保墒、保温、增温、增加土壤有效积 温， 从时间上拉近了作物的各个生育期， 使得玉米、 马铃薯、谷子、绿豆等作物全程生育期都不同程度 的缩短 715 d，促进作物提早成熟。以小麦为例， 覆盖还能使其成熟期维持较长时间，保证了产量的 提高。在旱区，这种物候的改变促使作物在生理上 避开干旱导致的水分亏缺；而在寒区，春季开冻迟 和秋季霜期早是限制该区春播和收获的两大气候 因素，生育期的缩短实现了作物生理上的主动抗 寒，从而获得相对高产（表 4）。 表 4不同种植模式作物物候周期的变化 Table 4Change of phonological phases in different planting pattern 作物种植模式播种期出苗期拨节期抽雄期成熟期生育期/d参考文献 玉米 传统平种 垄沟全膜 04- 21 04- 21 05- 15 05- 04 07- 22 06- 23 08- 16 07- 22 09- 25 157 98 马铃薯 传统平种 垄沟覆膜 04- 25 04- 25 06- 08 05- 25 10- 12 10- 01 171 160 99 小麦 传统平种 平作覆膜 03- 23 03- 23 04- 11 04- 02 05- 22 05- 19 06- 11 06- 05 07- 27 07- 27 123 124 100 绿豆 传统平种 垄作覆膜 05- 20 05- 20 05- 30 05- 25 08- 20 08- 13 90 93 101 谷子 传统平种 垄作覆膜 04- 27 04- 27 05- 15 05- 11 06- 28 06- 20 10- 14 10- 05 137 126 102 4.4产量效应 沟垄覆盖栽培技术对半干旱地区旱作物高产 和稳产起到了巨大推动作用36- 37,103。然而，因垄沟 覆盖技术在不同气候条件下对作物微环境改善的 幅度各异，从而导致了增产效应明显的地区差异。 在缺乏径流源或远离产流区的旱平地和缓坡旱地 中作物的增产效应相对明显104。并且，在生育前 期气温较低或高海拔地区，如甘肃榆中县、陕西长 武县等，因该技术能够很好提升苗期积温和土壤水 分有效性从而带来相对其他地区较高增产幅度。而 对于半干旱地区中降雨量相对充足，播前气温较高 的地区， 沟垄覆盖技术的增产效应不及前者 （表 2） 。 目前，以垄沟覆膜为主体的栽培方式有力的推 动了作物类型由传统单一、固定的模式向多元化的 农业工程学报2013 年 8 转变，在生产实践中通过与施肥、秸秆还田等措施 相结合，实现了玉米、马铃薯、小麦主粮作物在最 优垄沟比例下的产量大幅度提升。以玉米为例我们 发现：全膜双垄沟由于其集雨沟播、覆盖抑蒸和增 加土壤温度等特性，当生育期降雨量为 266.9 mm 时，玉米增产幅度最高达 136%。但在降雨量较好 的年份产量增幅却出现了较大的回落。同样采用全 膜双垄沟播技术，在定西市生育期降雨量比榆中县 高出 92.2 mm 的情况下，马铃薯增产幅度差别却很 小。而小麦、谷子也显示出类似的规律。也就表明 降雨只有在适度的范围内，垄沟覆盖集雨栽培才能 够提高产量，并不是降雨越多越好。苜蓿是一种多 年生的牧草，在生育期降雨和年平均积温较低的永 登县采用 60 cm:60 cm 垄沟比例全膜覆盖栽培技 术，因其抑制蒸发、保水等优点解决了苜蓿因种子 小、播种浅而造成出苗、成苗难的问题，产量提高 了 204.98%。为干旱半干旱区草业高产和可持续发 展奠定了基础（表 5）。 表 5沟垄覆盖体系下不同作物的产量效应 Table 5Yield- increase rate of different crops under ridge- furrow mulching systems 作物类型试验地点垄沟覆盖设计生育期降雨量/mm年平均气温/增产幅度/%参考文献 玉米 甘肃省榆中县 甘肃省榆中县 甘肃镇原县 秸秆还田+双垄全膜覆盖沟播 秸秆还田+双垄全膜覆盖沟播 双垄全膜覆盖沟播 266.9 320 344 6.7 6.7 8.3 136 93 91 77 77 105 小麦 甘肃镇原县 陕西省合阳县 陕西省合阳县 双垄全膜覆盖沟播 垄覆+沟覆秸秆沟播 垄覆+沟覆秸秆沟播 199.9 251.9 221.5 8.3 10.5 10.5 35.9 43.9 38.1 105 33 33 马铃薯 甘肃省榆中县 甘肃省定西市 双垄全膜覆盖沟播 双垄全膜覆盖沟播 186. 6 278.8 6. 4 74.89 75. 9 57 64 谷子 宁夏海原县 宁夏海原县 垄上覆膜，沟内种植 垄上覆膜，沟内种植 224 118.3 132 178.9 92 92 苜蓿 甘肃省榆中县 甘肃省永登县 双垄全膜覆盖沟播 垄覆膜沟播 226.5 211. 9 6.5 5. 9 40.3 204.98 4 66 5杂草及病虫害的控制 5.1杂草 杂草和病虫害的控制和防御一直是农田生态系 统面临的挑战。研究指出免耕及免耕覆盖秸秆均可 显著提高冬小麦田杂草群落的物种多样性和群落均 匀度，降低群落的优势度，这不仅有利于降低某些 优势杂草在群落中的优势地位，控制优势杂草对作 物的危害，也有利于保护非优势杂草的生物多样性， 从而使农业生态系统发挥出最大生态效应106- 107。 禾 草、地膜、碎石，砂子以及作物秸秆都能有效的抑 制杂草的呼吸和光能的获取，例如白膜覆盖增温能 够杀灭低温环境的草类，有效地控制禾本科和阔叶 类等杂草种类；而黑膜的不透光能阻止杂草的光合 作用。垄沟的存在也能抑制杂草群落的形成，从而 遏制了杂草的生长与蔓延，使作物在自然环境竞争 中获得优势。 5.2病虫害 杂草的死亡也在一定的程度上破坏了害虫滋 生的环境，最终使农田生态系统的稳定性向作物生 长有利的方向转移。在作物的整个生长周期，为控 制和消灭病虫害要消耗很大的人力和物力，且这个 过程伴随作物生育期的变化进行适时的调控，因为 受温度和降雨等气候因素的影响，在不同的阶段会 发生不同类型的病虫害。垄沟覆盖栽培也有效的降 低了对除草剂和农药的应用，避免了化学药品的使 用对环境的污染和农田生态系统的危害。节省了人 工除草对劳动力、资金、时间上的投入。有研究指 出与没有覆盖相比，覆盖大大降低了人工除草耗费 的时间， 在2007年， 从1050 h/hm2减少到190 h/hm2； 2008年 ， 相 应 的 值 由1 374 h/hm2降 低 到 170 h/hm2108。 6垄沟覆盖的负面效应 6.1土壤水分和养分过度的消耗 垄沟地膜覆盖技术对作物产量的提高具有明显 效应，但是一定程度上是以消耗大量土壤有机质和 养分、 水分为代价的8。 由于作物生长前期土壤水分 和养分耗竭严重，导致了后期会出现严重的脱水、 脱肥现象109，如果应用不当，长期连续覆膜导致作 物早衰，土壤乏力，产量增幅降低，土壤生态条件 恶化110。黄土高原生产实践已经表明：一方面全生 育期覆膜易造成有机质的大量矿化和 NO3- N 的淋溶 损失，施氮肥使土壤有机碳累积量降低，有机氮累 积量变化较小甚，导致 C/N 比值降低111；另一方面 表现为土壤有机碳和矿化氮含量降低，微生物生物 量碳增加，而两者之间的关系呈负相关22。 高产农田产量的波动性导致黄土高原旱地农 业的土壤干层已经是一种普遍的现象。以垄沟全膜 覆盖玉米种植为例，随着生育期的推进，耗水量和 耗水深度逐渐增加，导致了深层土壤水分过耗和土 壤干燥化现象发生，2 m 以下深层土壤水库贮水量 第 8 期莫非等：田间微集雨技术研究及应用 9 亏缺112，严重阻隔了土壤上下层水分交换和通气 性。尽管在短暂的休耕期可能会得到适当的缓解， 但是它还不足以填补整个生育期留下的水分空白。 因此，随着生产力中对耕地破坏的加深，这种恶性 循环将会越发凸显，农业生产的可持续性也将面临 着更大的挑战。 6.2覆盖物的残留 在黄土高原以垄沟覆盖（地膜覆盖为主）为核 心的微集雨栽培技术极大的拓宽了作物的播种面 积，随之农业生产中对地膜需求也在逐年提高，相 反对环境的破坏范围和力度也在加大。生产实践证 明，如多年覆盖地膜，残膜清除不净，造成土壤污 染，长期存在于土壤中的残膜严重地影响作物根系 的生长发育、水肥的运移，致使农作物减产113。 地膜残留量会随使用年限的增加而逐年积累， 分布在土壤的不同的剖面，破坏土壤团粒结构，影 响土壤微生物的活动。研究指出残留在耕地土壤中 的地膜主要分布在耕作层，集中在 010 cm 的土 壤中，一般要占残留地膜的 2/3 左右，其余则分布 在 1030 cm114。以山西棉田地为例，膜残片的面 积一般在 1015 cm，约占地膜残留量的 73.9%， 其次是小于 5 cm 的残片，约占 13%115。 目前，微集雨旱地农业中地膜的残留量相当严 重，每年残存于土壤中的农膜占很大比例，由于地 膜的原料多为高分子化合物，自然条件下很难在短 期内分解， 导致耕作难度加大， 农田生态环境恶化。 因此，要大力提倡液体膜、生物降解膜，光解膜等 新型覆盖材料逐步取代传统的聚乙烯膜在生产中 的应用。 同时， 为了进一步消弱地膜对环境的危害， 短期内要倡导一膜多年用并实现残留地膜的机械 化处理、回收和再利用，并针对不同的农作物采取 不同的最佳揭膜期，提高地膜的回收率，减少对农 田土壤的污染。 7结语与展望 垄沟覆盖微集雨栽培技术在最近几十年成功 应