北方旱作区降水稀少,水分不足是限制作物生长的主要因素,沟垄二元覆盖技术可进一步提高降水的利用效率和作物生产水平,在国内外已备受关注.为深刻理解中国北方旱作区沟垄二元覆盖技术模式及研究进展,本文就沟垄二元覆盖技术的概念、研究现状、配套农机具、技术模式及其土壤生态与作物效应进行了综述;在总结现有研究的基础上,归纳了典型旱作区沟垄二元覆盖技术模式的类型、作业操作及应用效果;科学评价不同沟垄二元覆盖技术下土壤与作物的生态效应;指出了目前沟垄二元覆盖技术研究中所存在的问题,并提出相应的建议.综合国内外沟垄集雨栽培技术的研究进展,提出沟垄二元覆盖模式及技术体系今后的重点研究方向:1)建立适合北方不同旱作类型区及不同作物的垄沟比;2)重视土壤水分与温度、肥力等其他因子耦合性研究;3)探索最佳环保型覆盖材料;4)加强沟垄二元覆盖模式及体系的技术评价、技术推广与配套机具设计等方面的研究.
The precipitation exiguity and water deficiency are the major factors limiting crop growth in dry farming regions of northern China. Dual-mulching of ridges and furrows, which have been widely concerned both domestically and internationally, could increase the utilization efficiency of precipitation and crop yield. In this paper, we reviewed the concept and model of dual-mulching of ridges and furrows, its supporting farm machinery and implements as well as its ecological effects on soil and crops. Based on the current research progress of cultivation techniques using harvested rainfall in ridge and furrow, priority of future research aspects of the dual-mulching of ridges and furrows were suggested as follows: 1) to establish the suitable ridge-furrow ratios for different crops in different types of dry farming regions of northern China; 2) to pay more attention to the study of coupling effects of soil moisture with temperature, fertility and other factors; 3) to explore better environmentfriendly mulching materials; 4) to enhance the research on technical evaluation and popularization, and the design of supporting farm machinery and implements.
全 文 :北方旱作区沟垄二元覆盖技术研究进展
李 荣1 侯贤清1∗ 王晓敏1 贾志宽2 韩清芳2
( 1宁夏大学农学院,银川 750021;2西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院 /农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重
点实验室, 陕西杨凌 712100)
摘 要 北方旱作区降水稀少,水分不足是限制作物生长的主要因素,沟垄二元覆盖技术可
进一步提高降水的利用效率和作物生产水平,在国内外已备受关注.为深刻理解中国北方旱
作区沟垄二元覆盖技术模式及研究进展,本文就沟垄二元覆盖技术的概念、研究现状、配套农
机具、技术模式及其土壤生态与作物效应进行了综述;在总结现有研究的基础上,归纳了典型
旱作区沟垄二元覆盖技术模式的类型、作业操作及应用效果;科学评价不同沟垄二元覆盖技
术下土壤与作物的生态效应;指出了目前沟垄二元覆盖技术研究中所存在的问题,并提出相
应的建议.综合国内外沟垄集雨栽培技术的研究进展,提出沟垄二元覆盖模式及技术体系今
后的重点研究方向:1)建立适合北方不同旱作类型区及不同作物的垄沟比;2)重视土壤水分
与温度、肥力等其他因子耦合性研究;3)探索最佳环保型覆盖材料;4)加强沟垄二元覆盖模式
及体系的技术评价、技术推广与配套机具设计等方面的研究.
关键词 旱作区; 沟垄二元覆盖技术
Research progress on the dual⁃mulching of ridge and furrow technology in dry farming re⁃
gions of northern China: A review. LI Rong1, HOU Xian⁃qing1∗, WANG Xiao⁃min1, JIA Zhi⁃
kuan2, HAN Qing⁃fang2 ( 1 School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;
2Chinese Institute of Water⁃saving Agriculture / Ministry of Agriculture Key Laboratory of Crop Physi⁃
Ecology and Tillage Science in Northwestern Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling
712100, Shaanxi, China) .
Abstract: The precipitation exiguity and water deficiency are the major factors limiting crop growth
in dry farming regions of northern China. Dual⁃mulching of ridges and furrows, which have been
widely concerned both domestically and internationally, could increase the utilization efficiency of
precipitation and crop yield. In this paper, we reviewed the concept and model of dual⁃mulching of
ridges and furrows, its supporting farm machinery and implements as well as its ecological effects on
soil and crops. Based on the current research progress of cultivation techniques using harvested rain⁃
fall in ridge and furrow, priority of future research aspects of the dual⁃mulching of ridges and fur⁃
rows were suggested as follows: 1) to establish the suitable ridge⁃furrow ratios for different crops in
different types of dry farming regions of northern China; 2) to pay more attention to the study of
coupling effects of soil moisture with temperature, fertility and other factors; 3) to explore better
environment⁃friendly mulching materials; 4) to enhance the research on technical evaluation and
popularization, and the design of supporting farm machinery and implements.
Key words: dry farming regions; dual⁃mulching of ridges and furrows.
本文由国家自然科学基金项目(31301280)和宁夏自然科学基金项
目(NZ14012)资助 This work was supported by the National Natural Sci⁃
ence Foundation of China ( 31301280) and Natural Science Fund of
Ningxia (NZ14012).
2015⁃10⁃23 Received, 2016⁃02⁃03 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: houxianqing1981@ 126.com
中国北方旱作区面积约占国土面积的 51.0%, 据 2010年水利部统计,1.2 亿 hm2耕地中无灌溉条
件的旱地占 52.5%,其中以黄土高原为中心的半干
旱区是中国旱作农业的主要分布区.自然降水是该
区农业生产的唯一水分来源[1],20% ~ 25%的自然
降水形成初级生产力,10% ~ 15%发生水土流失,
60%~ 70%成为无效蒸发.因此,为进一步提高旱地
应 用 生 态 学 报 2016年 4月 第 27卷 第 4期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2016, 27(4): 1314-1322 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201604.038
的土壤温度和降水利用效率,以达到增加作物产量
的目的,采取必要的保护性耕作技术及集水补灌措
施,将对旱作区的农业生产起到积极的作用.传统的
覆盖技术虽具有良好的增温保墒作用[2],但在旱作
区降雨稀少,年降水时空变率大,土壤水分蒸发强
烈,且早春时微效降雨(小于 10 mm 的降雨)多,不
能有效集蓄利用,致使作物棵间蒸发量大、生育期降
水保蓄率及利用率低导致作物减产等问题[3],因此
必须探索一种新的保墒抑蒸技术模式,以实现农民
的增产增收.微集雨技术能够有效改善旱作区土壤
的水、热状况,促进作物的生长,以垄沟为典型的二
元覆盖技术,基于传统的沟垄微集水栽培技术并加
以改进和创新,利用地膜覆盖垄实现降水在空间上
的叠加,沟内覆盖不同材料,以减少土壤蒸发,可有
效提高降水利用率和作物产量[4] .该技术因其良好
的抑蒸保墒增温效果倍受关注,已成为目前研究的
热点.在旱作区深入开展沟垄二元覆盖技术的研究
将对提高农田降水利用率及完善微集水种植技术有
着极为重要的意义.
1 沟垄二元覆盖技术的提出
沟垄二元覆盖技术主要针对作物生产上单纯地
膜覆盖消耗地力过重、单纯秸秆覆盖又导致地温下
降的问题,通过在田间修筑沟垄、垄面覆盖和种植沟
内覆盖相结合的沟垄集雨种植技术[5] .该技术能有
效改善作物水分供应状况,促进作物生长,提高产量
和水分利用效率,已成为提高北方旱作区作物生产
力的重要措施之一[6-8] .沟垄集雨种植技术利用田间
人工产流,形成降水迭加,可改善作物水分环境,提
高水分利用效率.丁瑞霞[9]在宁南旱区研究垄膜条
件下土壤水分调控及作物生理生态效应时发现,对
玉米、向日葵等高秆作物采用沟垄微集水种植技术,
可改善沟内土壤水分状况,但棵间蒸发占作物耗水
量的比重加大,尤其在降雨之后,因此应根据当地实
际情况,把沟垄集水种植技术和覆盖措施结合起来
进行深入系统研究.在已有研究的基础上,西北农林
科技大学韩思明教授提出了全程微型聚水沟垄二元
覆盖技术的概念[10],主要应用于中国北方一些典型
旱作区.沟垄二元覆盖技术是将沟垄集雨栽培措施
和地膜 /秸秆覆盖措施相组合的一项新技术,起垄覆
膜聚集降雨,沟内覆盖蓄水保墒、减少土壤蒸发,作
物种植在膜侧沟内[11],这不仅能最大限度的利用自
然降水,而且能培肥地力、缓减伏旱高温胁迫,也可
根据作物类型来调整沟垄比,是一项在旱作区适应
性较广的综合性增产技术[12] .
2 沟垄二元覆盖技术的研究现状
旱作区农业生产主要依靠天然降水,年降水的
60%以上主要集中在 7—9月,10 mm无效降水的发
生频率占降雨次数的 70%以上,有限的降水却不能
有效地转化,大多以径流和蒸发损失.沟垄集雨技术
(多为垄上覆盖沟内不覆盖)的蓄水功效一方面通
过垄上覆膜抑制垄下土壤水分蒸发,从而减少农田
总蒸发面积,但另一方面,雨量迭加使沟内可蒸发的
水量激增,致使农田局部蒸发强度加大,因而垄上覆
盖沟内不覆盖在利用自然降水、提高作物水分利用
率方面受到一定的限制[13] .因此,采用沟垄二元覆
盖技术可抑制土壤水分蒸发,对进一步提高降水利
用率具有重要意义.
沟垄二元覆盖技术即将垄上覆盖集雨与沟内覆
盖保水相结合,垄上和沟内覆盖不同材料.该技术集
垄沟种植、垄面覆膜抑蒸集雨、宽窄行种植技术于一
体,使降雨在农田内就地实现空间再分配,将有限的
降水尽量保留和集中到沟内种植区,增加土壤含水
率,具有增温、保墒和集雨的作用,从而达到提高降
雨资源利用率和作物产量的目的[13] .在垄上覆膜的
基础上,沟内覆盖秸秆或地膜,可进一步减少土壤蒸
发,将无效的棵间蒸发转化为有效的植株蒸腾,提高
水分利用效率[11,14] .目前,沟垄二元覆盖技术在完全
依靠降雨的西北半干旱地区、半湿润偏旱地区应用
较广,研究涉及的作物涵盖了春小麦、春玉米、夏玉
米、谷子、豌豆、糜子、冬小麦、苜蓿和马铃薯等[6-15] .
沟垄二元覆盖技术因种植模式、覆盖措施、技术
组合方式等不同,其表现类型亦不同.刘正辉[16]在
研究沟垄集雨覆盖技术时,根据不同覆盖方式将沟
垄集水技术分为一元覆盖(如“膜盖垄、不盖沟”及
“膜盖垄、半盖沟”)和二元覆盖(如“膜盖垄,秸秆盖
沟”)(图 1),又可根据沟垄覆盖材料不同进一步划
分为 3种:垄作为集雨区覆盖地膜,而沟作为种植区
覆盖不同材料[11];垄作为种植区覆盖不同材料,沟
作为集雨区覆盖不同材料[17];沟垄全膜覆盖即垄和
沟均覆盖塑料地膜[18] .
沟垄二元覆盖的沟垄比设计和覆盖模式在北方
旱作区不同气候条件和作物栽培下的雨水收集和利
用效率不同,进而影响土壤微环境,使作物产量和水
分利用效率存在一定的差异(表 1).沟垄二元覆盖
技术的沟垄比设计可依据作物类型、当地气候条件、
耕作习惯和生产实践等因素(主要包括垄沟尺寸比
51314期 李 荣等: 北方旱作区沟垄二元覆盖技术研究进展
图 1 沟垄集雨覆盖技术种植示意图
Fig.1 Schematic diagram of field planting under mulching on ridges and furrows.
a)垄覆地膜沟覆不同材料 Plastic⁃covered ridges and different materials mulched furrows; b)垄覆地膜沟不覆盖 Plastic⁃covered ridges and bare fur⁃
rows.
表 1 不同沟垄二元覆盖模式下垄沟及覆盖设计
Table 1 Design of ridge⁃furrow and mulching under dual⁃mulching of ridge and furrow patterns
旱作区
Dry farming
region
作物类型
Crop
type
年平均降水量
Annual mean
rainfall
(mm)
垄沟比
Ridge /
furrow ratio
垄高
Ridge height
(cm)
种植方式
Planting
mode
沟覆盖物
Mulching
material
of furrow
垄覆盖物
Mulching
material
of ridge
参考文献
Reference
半干旱偏旱区 马铃薯 300 40 ∶ 10 10 一垄双沟 地膜 地膜 [21]
Semi⁃arid drought⁃ 春玉米 263 60 ∶ 60 40 沟内膜侧 地膜、砾石、秸秆 地膜 [22]
prone region 紫花苜蓿 260 60 ∶ 30
60 ∶ 45
60 ∶ 60
60 ∶ 75
20 一垄四沟 小麦秸秆 地膜 [12]
半干旱区
Semi⁃arid region
沙棘 379.4 40 ∶ 60
40 ∶ 40
15 沟播一行 砾石 地膜 [23]
春玉米 402.2 60 ∶ 40 15 沟内膜侧 玉米秸秆 地膜 [24]
春玉米 300~500 40 ∶ 80 15 沟内膜侧 地膜、玉米秸秆 地膜 [19]
半湿润偏旱区 冬小麦 550 50 ∶ 50 15 沟内三行 液膜、玉米秸秆 地膜、液膜 [17, 25-26]
Semi⁃humid 春玉米 550 60 ∶ 40 15 沟内膜侧 地膜、降解膜、秸秆 地膜 [20]
drought⁃prone region 烟草 606 40 ∶ 10 15 一垄双沟 小麦秸秆 地膜 [27]
例、覆盖物类型、覆盖持续时长等).前人对旱作区沟
垄二元覆盖模式下秸秆与地膜覆盖比例及覆盖度等
方面都有研究.肖继兵等[19]在辽西半干旱区将垄上
覆膜沟内覆盖秸秆种植模式的垄沟比设为 40 ∶ 80,
地膜宽度及厚度参数为:60 cm 宽,8 μm 厚,玉米秸
秆覆盖量为 6000 kg·hm-2 .李儒[17]在渭北旱塬区
研究不同沟垄覆盖方式对冬小麦生长发育及土壤环
境的影响时,设垄覆地膜+沟覆秸秆模式的垄沟比
为 60 ∶ 60,地膜宽度及厚度参数为:80 cm 宽,8 μm
厚,小麦秸秆覆盖量为 6000 kg·hm-2;而李荣等[20]
在该区研究玉米沟垄全覆盖时,将垄覆地膜+沟覆
秸秆模式垄沟比设为 60 ∶ 60,地膜宽度及厚度参数
为:80 cm宽,8 μm厚,玉米秸秆被切成 15 cm长,以
9000 kg·hm-2的覆盖量均匀覆于沟内.买自珍等[15]
在宁南旱区旱地玉米采用垄面覆膜、沟覆不同量麦
草进行研究,试验采用沟垄二元覆盖(垄面覆膜+垄
沟覆草)模式,麦草覆盖量设 9750、7500、5250、3000
kg·hm-2和未覆盖麦草处理.垄沟宽45 ∶ 45,地膜宽
度及厚度参数为:60 cm 宽,8 μm 厚,播后整平垄沟
内覆草.可见,不同地区、不同作物其地膜覆盖宽度
及秸秆覆盖量有所不同,其选择依据主要为当地降
雨量和种植的作物类型,而对地膜厚度的研究却鲜
见报道.
3 沟垄二元覆盖技术的配套农机具
沟垄集雨栽培种植是旱作农业的重要技术,随
着该技术的大面积推广和应用,与之相配套的农机
具也得到相应的发展和完善.2009 年张欣悦等[28]研
制的联合整地机可一次完成灭茬、旋耕、深松、起垄、
镇压等多项作业,主要与大中型拖拉机配套的复式
作业机械大大提高了作业效率,如 1GSZ⁃350型灭茬
旋耕联合整地机;针对沟垄二元覆盖种植的农艺要
求,2012 年史增录等[29]研制出可完成起垄、施肥、
喷药、覆膜等联合作业的一种起垄施肥铺膜机.沟垄
二元覆盖技术为有效保蓄休闲期降雨,可在作物播
种前进行覆膜(如秋覆膜、春覆膜等),但也使该技
术集整地、起垄、施肥、覆膜、播种等全程配套机械的
使用受到限制.由于地膜的大量使用,地膜残留问题
日益严重,近年来一些残膜回收机的出现缓解了土
壤污染问题.国内目前拥有气吸式、滚筒弹齿式、偏
6131 应 用 生 态 学 报 27卷
心伸缩杆弹齿式等种类残膜回收机,均是针对作物
收获后农田地膜残留问题而设计的,但也存在结构
复杂、造价高、拾净率低等问题[30] .可见,一系列沟
垄集雨技术的配套农机设备在近年来得以发展和应
用,但对地域条件、作物种类等要求高,而农机全程
机械化程度低及栽培技术中综合管理的协调控制等
问题仍需进一步研究.
4 北方旱作区典型沟垄二元覆盖技术模式
旱作农业区范围由半干旱地区扩大到半湿润偏
旱区,半湿润偏旱地区是中国的主要农业生产区之
一,由于受季风气候影响,夏季多雨湿润,而冬春明
显干旱,年降水量虽可达 600 mm,但多集中于 6—8
月,其他季节则降水量很小,而蒸发量较大.对该区
农业生产来讲,也必须采用沟垄二元覆盖措施以更
有效地保蓄降水,提高降水利用效率,才能获得高产
与收益.因此,中国北方旱作区的划分,以 80%保证
率的年降水量为主要依据,小于 200 mm 地区为干
旱区,200 ~ 300 mm 地区为半干旱偏旱区,300 ~
500 mm的地区为半干旱区,500 ~ 600 mm 地区为半
湿润偏旱区,600~750 mm 地区为半湿润区.在 5 个
类型区中,干旱区降水量过少而不能实行旱作农业,
半湿润区降水较多而无需实行旱作农业,因此,中国
北方旱作区包括半干旱偏旱区、半干旱区和半湿润
偏旱区[31] .根据旱作区地域及气候特征,采用沟垄
二元覆盖技术辅以配套农机具,是中国北方旱作区
今后作物、牧草及树木栽培种植的发展趋势,也是持
续和效益农业的最佳选择.笔者通过前人相关研究
发现,北方不同旱作区沟垄二元覆盖种植模式均为
垄上覆盖地膜,但沟内覆盖不同材料;不同区域、不
同作物其沟垄二元覆盖模式下沟垄比不同,其在农
业生产中的应用效果也存在明显差异.根据旱作区
气候特征及所存在的问题,现将前人研究北方不同
典型旱作区沟垄二元覆盖模式的类型及应用效果归
纳如下.
4 1 半干旱偏旱区沟垄二元覆盖技术模式
阴山北部丘陵半干旱偏旱区年降水量 300 mm
左右,近年来气温逐渐升高,降水量逐年减少,造成
农作物明显减产,甚至绝收.因此,对有限降雨的高
效利用尤为重要.妥德宝等[21]研究了地膜垄沟集雨
对土壤耕层水分含量的影响,采用的技术模式为垄
沟全覆膜.覆膜 24 h 后采用喷雾器分别进行人工降
雨 3.14、6. 28、9. 42、12. 56、15. 70 mm,垄面坡度为
45°.应用效果表明,覆膜结合人工降雨各处理土壤
贮水量显著高于单纯覆膜处理.
陇中黄土高原西北部半干旱偏旱区年降水量
260~280 mm,年 70%的降水主要分布在 6—9 月,
70%~80%的雨水以径流形式流失掉,仅有 20% ~
30%的雨水被作物利用.为提高降水利用效率,李小
雁等[22]通过垄上覆膜沟内覆盖秸秆、砾石或地膜等
材料,研究了沟垄微型集雨结合覆盖对玉米水分利
用及产量的影响,采用技术模式为:垄覆膜沟覆砾石
(粒径 4~11 cm)、垄覆膜沟覆粗砂(粒径 0.74 cm)、
垄覆膜沟覆细绵砂(粒径 0.5 cm)、垄覆膜沟覆秸杆
(小麦)、垄覆膜沟覆膜等技术模式.塑料薄膜厚
8 μm,沟垄宽均为 60 cm,垄高 40 cm,坡度 40°,垄
侧种植玉米,株距为 25 cm.研究表明,垄上覆膜结合
沟覆盖处理的玉米产量比平地不覆盖处理增加
44%~143%.
陇东半干旱偏旱区年降水量 260 mm 左右,生
态系统极度脆弱,干旱和水土流失最为突出,生态环
境恶化,农业生产力低下,区域经济发展水平仍十分
落后,如何改善生态环境,提高土地生产力及当年的
降水利用效率等问题尤为重要.尹国丽[12]研究了不
同覆盖方式、不同覆盖材料与不同沟垄比对紫花苜
蓿产量、品质及土壤质量等的影响.采用的技术模式
为垄覆地膜沟覆秸秆结合 4 种沟垄比(60 cm ∶ 30
cm、60 cm ∶ 45 cm、60 cm ∶ 60 cm、60 cm ∶ 75 cm),
地膜厚度 0. 08 mm,小麦秸秆覆盖量 6600 ~ 6750
kg·hm-2,垄高 20 cm,顶部成弧形,坡度 45°.研究表
明,沟垄比为 60 cm ∶ 60 cm 和 60 cm ∶ 75 cm 处理
增加了土壤养分含量,改善了紫花苜蓿田间生态环
境和水分利用率,提高了苜蓿产量.
半干旱偏旱区农业生产主要依赖 250 ~ 300 mm
的天然降水,干旱缺水一直是制约该区旱农生产和
生态环境改善的首要因子.集雨技术可增加单位空
间内作物灌水量及灌溉次数,地膜垄沟集雨技术既
可增温保墒,显著提高作物水分利用效率,还可增加
集雨面,充分收集自然降水,增加植株微环境内土壤
水分含量.该区研究工作重点在于集雨垄沟比的确
立,这是集雨系统构建的难点,垄沟比的确立首先需
保证单位土地面积经济效益的最大化,综合考虑集
雨面的效率.作物、降水量、降水时差等可能会对垄
沟比的设定产生一定的影响,其间也可能产生互作,
所以作物高产种植模式的确立仍需进一步研究.
4 2 半干旱区沟垄二元覆盖技术模式
高寒半干旱区年降水量 380 mm 左右,温度低、
降水少、风速大、蒸发强,沟垄集雨结合砾石覆盖措
71314期 李 荣等: 北方旱作区沟垄二元覆盖技术研究进展
施有利于该区生态环境的保护与恢复.马育军等[23]
在青海湖流域沙柳河下游地区研究了沟垄集雨结合
砾石覆盖对沙棘生长的影响.采用技术模式为:垄覆
地膜沟覆砾石(沟垄比 40 cm ∶ 40 cm)和垄覆地膜
沟覆砾石(沟垄比 40 cm ∶ 60 cm),采用拱形面,坡
度均为 40°,砾石覆盖厚度为 15 cm.结果表明,沟垄
集雨结合砾石覆盖可促进沙棘的成活和生长.
宁南黄土丘陵区年降水量 400 mm 左右,干旱
频发、春旱突出,春播作物播期土壤墒情不足、苗期
干旱等问题严重影响作物的播种、出苗及生长发育.
李华等[24]进行了微集水技术模式在玉米生产上的
应用研究.采用的技术模式为垄上覆膜沟覆秸秆,垄
沟比 60 cm ∶ 40 cm.研究表明,垄上覆膜及沟内覆秸
秆处理在保持地膜增温、保墒的基础上,能提高天然
降水的利用率,较半覆膜处理增产 3%~10%.
辽西半干旱区年降水量 300 ~ 500 mm 左右,是
典型的雨养农业区,降水主要集中在夏季,春季降雨
偏少,对春播保苗和幼苗生长极为不利,是限制本区
农业生产的主要因素.肖继兵等[19]研究了不同垄膜
沟种模式对土壤水分、玉米产量和农田水分利用效
率的影响.采用的技术模式为垄覆地膜沟覆秸秆和
垄覆地膜沟覆地膜,垄沟种植玉米,一沟两行,行距
50 cm,沟宽 80 cm,垄宽 40 cm,垄高 15 cm.结果表
明,垄上覆膜集雨保墒的同时,沟内覆盖秸秆或地膜
可有效抑制棵间蒸发,提高了降雨资源利用率和水
分利用效率.
半干旱区存在年降水量少,季节分布不均,特别
是作物苗期干旱等问题,从改善旱地作物生长环境
及提高降水的高效利用出发,农田垄膜沟种微集雨
结合覆盖技术模式能有效地利用垄膜的集雨、抑蒸
和沟覆盖的保墒功能,使无效或微效降雨充分有效
化,改变降雨的空间分布,使有限降雨集中在沟内种
植区,强化降雨入渗深度,从而起到蓄水保墒的效
果.垄上覆膜集雨保墒的同时,沟内覆盖秸秆或地膜
可有效抑制棵间蒸发,使“集、蓄、保”各技术环节紧
密结合起来,最大限度满足植株对水分的需求,提高
了降雨资源利用率和水分利用效率.将该项技术广
泛应用于半干旱区,可有效提高作物产量,促进该区
旱作农业健康、可持续发展,同时对旱作集水农业的
发展有重要的借鉴意义.
4 3 半湿润偏旱区沟垄二元覆盖技术模式
渭北旱塬区属暖温带半湿润易旱区,该区年降
水量 550 mm,季节性降水不足且与作物的需水规律
不相吻合,严重限制了该区的农业生产.如何提高自
然降水的保蓄和利用效率,解决水分供需矛盾是促
进渭北旱塬区农业生产的技术关键.刘艳红等[14]研
究了沟垄不同覆盖方式下的土壤水分变化及对冬小
麦产量的影响.采用技术模式为:垄覆地膜+沟覆小
麦秸秆、垄覆地膜 +沟覆液膜,播前起垄 (垄宽
50 cm,沟宽 50 cm,垄高 15 cm),垄上覆膜,膜侧沟
播.研究表明,垄覆地膜沟覆秸秆、垄覆液膜沟覆秸
秆可以起到抑蒸保墒的作用,提高小麦产量和水分
利用效率.李荣等[20]研究了沟垄二元覆盖模式对春
玉米土壤温度、水分及产量的影响.采用技术模式
为:垄覆地膜沟覆地膜、垄覆地膜沟覆生物降解膜、
垄覆地膜沟覆玉米秸秆、垄覆地膜沟覆液膜,播前起
垄(垄宽60 cm,沟宽 60 cm,垄高 15 cm),垄上覆膜,
膜侧沟播.结果表明,垄覆地膜沟覆秸秆和垄覆地膜
沟覆生物降解膜处理在改善土壤水温效应的同时可
显著增产增收.
豫西黄土丘陵区年降水量 600 mm 左右,冬春
少雨,夏季降水变率大,干旱频发,易遭受春旱和伏
旱,灌溉条件较差,灌溉成本高.水分是限制该区烤
烟稳定发展的因素之一,推广沟垄二元覆盖技术具
有重要意义.王丽萍[27]研究了不同集水覆盖栽培措
施对土壤水温、养分时空变化及烤烟产量和品质的
影响.采用技术模式为:低起垄,垄上栽烟覆盖地膜;
低起垄,垄下栽烟覆盖秸秆;低起垄,垄下栽烟,垄上
盖膜,烟行覆盖秸秆.常规垄高为 25 cm,垄底宽
80 cm,低起垄垄高 15 cm,垄底宽 40 cm,垄面均呈
拱形,小麦秸秆覆盖厚度为 5 cm,所用地膜宽
70 cm,全垄覆盖.结果表明,单一秸秆和秸秆地膜共
同覆盖可显著提高表层土壤的含水量,在烤烟生长
前中期,其深层土壤含水量低于普通起垄不覆盖处
理,秸秆地膜共同覆盖处理的产量和水分利用效率
高于单一秸秆覆盖处理.
半湿润偏旱区年均降水量 550 ~ 600 mm,降水
年际变化大且季节分配不均是该区降水的最大特
点,夏季 7—9 月降水集中、时间短且强度大,难以充
分利用,12—5月无效或微效降水次数多且降水量
最少,年际间连旱频发.降水的分布与作物需水关键
期不相吻合,严重限制了该区农作物的生长.通过垄
上覆膜作为集水面改变降雨的空间分布,不仅可以
收集暴雨,还可以收集无效和微效降雨,沟内接纳垄
上径流并作为种植区,同时沟内覆盖以抑制土壤水
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.通过试验研究确定膜垄的集水效率,
需结合各地的降水特征及不同作物需水特征确定合
8131 应 用 生 态 学 报 27卷
适的沟垄比和覆盖措施,并对沟内不同覆盖措施的
保温保墒效应进行系统研究,研究结果可为集水农
业技术的发展提供新的思路和科学依据.
5 沟垄二元覆盖技术的土壤与作物效应
5 1 对土壤水分的影响
沟垄二元覆盖技术可从时空上缓解作物需水与
自然降水供需错位矛盾,使降水通过垄面产生的径
流向垄下扩渗,促进降水向深层土壤入渗,从而能有
效蓄存降雨.在降雨强度小且多为无效降水的干旱
半干旱区,沟垄二元覆盖技术通过垄膜集雨与沟覆
盖相结合,把小于 5 mm 的无效降水转化为有效水
分蓄存于土壤,能显著增加降雨的有效性,集雨效率
可达 90%[32-33] .在夏闲期采用地膜秸秆二元覆盖技
术,可将冬小麦年 50%的降水最大限度地保蓄于土
壤,比传统耕作多蓄水 108. 4 mm, 蓄水率达
73 2%[34] .在冬小麦全生育期实施垄覆地膜沟覆秸
秆模式下土壤的蓄水保墒作用最好,能有效改善土
壤的水分状况[14] .在玉米各生育期,沟垄微型集雨
结合沟覆地膜、粗砂、砾石等处理土壤贮水量比沟不
覆盖处理显著提高,尤其干旱年份效果更为显
著[22] .
5 2 对土壤温度的影响
传统种植方式存在土壤升温和降温快的缺陷,
而沟垄二元覆盖技术能够解决旱作区土壤温度变率
大等问题.田间起垄覆膜垄沟覆盖后,增加了田面粗
糙度,使地表面积增大,可接收更多的有效辐射,使
土壤温度升高[35] .地积温的提高补偿了作物生长过
程中气积温的不足,从而有利于作物的生长发育.秸
秆、稻草及沙石等覆盖材料能调节地表温度,满足作
物在不同生育期对温度的要求.因此,垄上覆膜与沟
内覆盖相结合的技术模式可实现高温低调、低温高
调的双重作用,增强作物对环境的适应性.垄覆地膜
的增温效果在一定程度上可弥补沟覆秸秆的低温效
应对玉米生长的影响,保证作物高产[11] .有研究表
明,垄上覆膜沟内覆盖模式下沟内土壤温度在作物
生长期间均低于传统平作,但较好的水分条件有利
于玉米出苗及生长发育[33] .
5 3 对土壤肥力的影响
沟垄二元覆盖系统下土壤水温状况的改善,促
进土壤缓效养分的速效化和有机质的矿质化、腐殖
化过程,从而使土壤肥力得到有效改善[36] .将垄沟
栽培技术融入地膜、秸秆、稻草等覆盖材料能改善土
壤碳氮循环,增加了土壤与大气的交换[37] .秸秆本
身富含大量有机质及营养元素,因而垄覆地膜沟覆
秸秆和垄覆液膜沟覆秸秆处理的土壤养分含量相对
较高,促进作物地上部的干物质积累,增加地上部养
分的携出量,进而实现作物高产[17] .垄覆膜沟覆秸
秆与常规平作相比,增加了土壤养分含量,尤其是增
加了土壤全氮含量,抑制了有机质的下降速度.长期
进行垄覆地膜沟内覆草可显著增加磷、钾元素的累
积,表现为逐年增加的趋势[38] .沟垄二元覆盖结合
秸秆还田可通过对土壤水温的调控,明显改善土壤
微生物活性,土壤呼吸也随之增加[39],从而影响土
壤有效养分的转化和供肥能力.
5 4 对作物生长发育的影响
沟垄二元覆盖技术的蓄水保墒作用及增温效应
可缩短作物出苗时间,提高出苗率,但沟内覆盖秸秆
降低了土壤温度,较传统平作模式延迟了玉米出苗
时间[40] .沟垄二元覆盖技术的蓄水保墒作用及增温
效应能显著改善作物生长微环境,这必然会影响作
物的生长发育.相关研究结果表明,垄覆膜沟覆膜和
垄覆膜沟覆降解膜模式的水温效应使玉米株高、地
上生物量均高于沟不覆盖种植,而垄覆膜沟覆秸秆
模式的降温效应促进玉米中后期生长,其相应的生
长指标均显著高于沟不覆盖种植[20] .垄覆膜沟覆膜
种植由于生育进程提前和高温等原因,出现了作物
叶片早衰、叶绿素含量迅速下降的现象,而垄覆膜沟
覆秸秆种植则能降低叶绿素含量下降的速度,延缓
叶片衰老[41] .但也有研究认为,沟垄集雨结合砾石
覆盖,在丰水年由于沟内贮存的水分过多,可能会抑
制沙棘的生长[23] .
5 5 对作物产量与水分利用效率的影响
沟垄二元覆盖技术能显著改善土壤的水、温、肥
状况,促进作物的生长发育,从而提高作物的产量和
水分利用效率.沟垄集雨结合覆盖技术可抑制棵间
蒸发进而促进蒸腾,使作物产量和水分利用效率显
著增加[42] .垄作和秸秆覆盖能改善旱作区农田土壤
水分状况,减少行间土面无效蒸发量,夏玉米水分利
用效率有较大提高,增产效果明显[43] .刘艳红等[14]
和李儒等[17]的研究认为,垄覆地膜沟覆秸秆能显著
提高小麦产量和水分利用效率,较沟垄均不覆盖增
产 35.9%,水分利用效率提高 28.7%.这是由于垄上
覆膜在集雨保墒的同时,沟内覆盖秸秆或地膜可有
效抑制棵间蒸发,提高了降雨资源利用率和水分利
用效率,增产效果显著[19-20,24] .
6 存在问题、建议与展望
近年来,沟垄种植技术已实现集耕作、起垄、覆
91314期 李 荣等: 北方旱作区沟垄二元覆盖技术研究进展
膜、开沟、播种等功能一机多用的农业机械化,经济
效益得到显著提高,其推广应用前景广阔,在北方旱
作区得到成功应用和迅速发展,使土地经济生产力
大幅度提高,在旱区农业生产中发挥着至关重要的
作用.然而多年单一的垄沟覆盖栽培模式势必会造
成土壤质量下降、地膜残留和土壤底墒不足等问题,
沟垄二元覆盖辅以施肥、秸秆覆盖还田等保护性耕作
技术及配套农机具的推广应用,是今后旱作区微集水
技术发展的新趋势,是持续和效益农业的最佳选择.
6 1 存在问题及建议
以垄沟覆膜为主的栽培方式有力地推动了作物
类型由单一固定模式向多元化转变,同时在旱区农
业生产实践中与施肥、秸秆覆盖还田等措施相结合,
实现了粮食作物在最优垄沟比例下产量的大幅度提
升.但垄沟地膜覆盖技术的这种增产效应一定程度
上是以消耗大量土壤水肥为代价的[43],如果应用不
当,连年覆膜会导致作物早衰,土壤质量下降[44] .大
力推行垄沟覆盖技术与免耕、休耕、草田轮作、作物
间套作等保护性耕作方式的结合使用势在必行.
塑料地膜具有显著的增温保墒和增产增收作
用,已成为中国目前广泛应用的覆盖材料,垄沟覆盖
栽培技术在广泛应用的同时,对地膜需求也在逐年
提高,这势必会造成土壤中残膜增多,使耕层土壤透
气性降低,并阻碍作物根系发育及对水分、养分的吸
收,从而影响作物产量,其长期使用所带来的“白色
污染”也会成为人们普遍担忧的环境问题[27,45-46] .因
此,应开发和利用液体地膜、生物降解膜、光降解膜、
麻类植物纤维膜等环保型覆盖材料,逐步取代传统
塑料地膜应用于生产.为减弱地膜对环境的危害,可
针对不同作物在最佳时期进行揭膜,利用残膜回收
机实行残膜回收,提高残膜回收率.
近年来,中国有关学者及研究单位对沟垄二元
覆盖栽培技术的推广及其配套的农机具也进行了部
分研究,并取得一定的进展.但受旱作区降水条件和
地域特征的限制,主要发展中小型机械和半机械化
农具为配套的农机具可基本满足农艺各方面的要
求,但还有相当一部分农机具设计不合理,还存在一
些问题,甚至有些技术还没有与之相配套的适宜机
具.因此,亟待设计出与沟垄集雨覆盖栽培技术在农
艺上相配套的农机具,以充分发挥沟垄集雨覆盖栽
培技术农艺与农机相结合的综合效益.
6 2 展 望
目前关于沟垄二元覆盖技术对作物产量、土壤
水温等方面的研究已取得了重要进展,在北方部分
旱作区已初具规模和成效,但有些技术和理论等仍
需进一步研究:1)建立适合不同旱作类型区及不同
作物的垄沟比.中国北方旱作区面积广,气候多样,
年降雨量差别较大.不同旱区类型适合不同作物种
植,不同作物适合不同的沟垄二元覆盖种植模式,这
方面的研究应大力加强.2)重视土壤水分与温度、肥
力等其他因子耦合性研究.在旱作区一定的光热前
提下,水分是限制当地农业发展的重要因素,水肥的
耦合与制约尤为突出,应加强土壤水分、温度、肥力
和作物产量形成之间的耦合研究,并建立适宜沟垄
二元覆盖技术体系下的作物生长模型,从机理上揭
示沟垄二元覆盖技术体系的生态效应.3)探索最佳
环保型覆盖材料.除传统的秸秆覆盖外,可降解膜是
有望替代聚乙烯膜的环保型覆盖材料,但可降解膜
的类型和品种多样,其土壤环境和作物效应也不尽
相同,应着重沟垄二元覆盖模式下环保型降解材料
的土壤环境(土壤质量和病虫草害)及作物生理生
态机制方面的研究,探索适合不同旱作区作物栽培
的覆盖材料,以解决地膜对土壤的污染问题.4)加强
沟垄二元覆盖模式的技术评价、技术推广与配套机
具设计等方面的研究.沟垄二元覆盖模式的一些关
键性技术和相应的配套农机具仍需进一步完善,并
应根据现有的研究成果,制定相应的操作规程和标
准,指导农民进行科学的农事操作,从而推动该项技
术的大面积推广应用.
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作者简介 李 荣,女,1984年生,博士. 主要从事旱地农业
水分高效利用研究. E⁃mail: lironge_mail@ 126.com
责任编辑 张凤丽
李荣, 侯贤清, 王晓敏, 等. 北方旱作区沟垄二元覆盖技术研究进展. 应用生态学报, 2016, 27(4): 1314-1322
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