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摘要：干旱、缺水是困扰我国农业生产的两大难题之一，地表覆盖措施是解决旱作农业区农业缺水的有效途径。就旱作农业常用的3类覆盖措施（地膜覆盖、秸秆覆盖、砾石覆盖）的土壤生态环境效应和作物增产效应进行了述评。实际应用中，为实现更好的土壤生态环境效应以及达到最佳的作物增产效果，需要注意覆盖的方式、时间以及覆盖时间的长短。
关键词：秸秆覆盖；砾石覆盖；地膜覆盖；土壤生态环境；作物增产
中图分类号： S151.9 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0011-04
干旱、缺水是困扰我国农业生产的两大难题之一[1]，集雨、蓄水、减少水分无效蒸发等是促进我国北方地区农业发展的重要途径。地表覆盖作为一种土壤调控技术，不仅能提高水分利用效率，促进土壤温度升高，起到保水保墒的作用，而且能够改善土壤物理性状，起到抑制杂草、减轻土壤盐碱化程度、提高土壤微生物活性等作用，并且能够减少水土流失、保护土壤结构，为作物生长提供适宜的水、肥、热等条件，从而提高作物产量[2-3]。如何选择合适的地表覆盖方式及材料对于满足不同地区作物生长所需要的湿度、温度等条件至关重要。因覆盖材料、作物品种、生态区域不同，国内外学者关于覆盖措施的土壤环境效应和增产效应研究结果存在较大差异。我国耕地面积广阔，各地区之间自然条件差异大，各地的种植制度也存在差异[4]。本研究从土壤环境、土壤肥力、土壤水分利用效率以及作物的生长发育和产量等方面入手，对我国旱作农业区常用的3类地表覆盖措施（秸秆覆盖、砾石覆盖、地膜覆盖）的土壤生态环境效应及增产效应原理进行比较分析，旨在为合理选择和应用地表覆盖材料提供参考。
1 不同覆盖措施对土壤环境和肥力的影响
1.1 不同覆盖措施对土壤温度的影响
研究表明，秸秆覆盖、砾石覆盖、地膜覆盖这3类地表覆盖措施都可以起到调节土壤温度的作用。于晓蕾等通过研究不同秸秆覆盖量对不同土层深度土壤温度的影响发现，深度为0～15 cm的土层土温变化明显，15～25 cm土层土温变化不明显[5]。崔向新等研究表明，砾石覆盖条件下土壤的降温速率要明显低于未经过砾石覆盖的降温速率。地膜覆盖能显著增加耕层5 cm处的土壤温度[6]。李晓黎通过田间育苗试验，认为覆膜区的地温要比未经过覆膜处理的小区高0.5～7.5 ℃[7]。王树森总结了地膜的增温机制主要源于以下原因：（1）地膜隔绝土壤与外界的水分交换，抑制了潜热交换；（2） 地膜减弱了土壤与外界的显热交换；（3）地膜及其表面附着的水层对长波反辐射有削弱作用，导致夜间土壤温度下降速度减缓[8]。当外界温度较高时，覆盖在地表的秸秆能吸收一定的太阳辐射，使地表的温度不超过作物生长的上限温度，保证植物正常生长；白天秸秆覆盖具有降低地温的作用，覆盖处理地温的最高值低于对照，主要原因是秸秆吸收太阳辐射后，由于秸秆的导热率较小，导致热量不易向地表传递；夜晚温度降低时，秸秆层阻挡了地面的长波辐射，减少了土壤散失的热量，能量的释放减缓，有效阻碍了地温降低。砾石覆盖增加了地表粗糙度，且砾石颜色深，增加了砾石对太阳辐射的吸收能力，加之砾石热容量和导热率均小于土粒，因此具有升温快、散热快的特点。砾石覆盖下土壤温度增幅大于土田，显著改善了土壤热状况。在这3类覆盖措施中，地膜的增温速度最快，且呈持续增温状态[9]。由此可见，若覆盖的主要目的是增温，应选择地膜覆盖。秸秆覆盖和砾石覆盖在高温时可以调节土壤表层的温度[10]，使土壤温度的变化比较平稳[11]，更有利于作物生长。
1.2 不同覆盖措施对土壤含水量的影响
秸秆覆盖、砾石覆盖、地膜覆盖这3类不同的覆盖措施均能起到保持土壤水分的作用。秸秆覆盖增加了雨水入渗率，提高了土壤的蓄水保水能力。宋凤斌等研究发现，秸秆覆盖在干旱年份能够显著增加玉米生长发育期土壤的含水量[12]。砾石覆盖能够通过增加水分入渗量和抑制水分蒸发而蓄水保墒[13]。雒焕炘研究发现，新、中、老沙田土壤含水量均高于土田，说明沙田土壤有保墒作用，这主要是由增加入渗量的同时降低蒸发量所致[14]。地膜覆盖的保墒效应主要是由于地膜在土壤表面起到不透气的物理阻隔作用，使土壤水分垂直蒸发直接受阻，迫使水分横向运移，土壤水分蒸发速度相对减缓，总蒸发量大幅度下降。同时，因地膜内温度较高，加大了土壤热梯度的差异，导致土壤深层水分向上移动，并在上层聚积，形成提水上升的保墑效应，地膜内水气增加，大量凝结在膜内壁上，到了夜晚或低温天气，膜下水汽遇冷凝结成小水珠，由小变大，滴落地表，再渗入土中，又提高了土壤湿度，以后再蒸发再凝结，如此进行液相和气相循环，保证土壤耕层含水量较高。由于覆膜限制了降水及灌溉水直接进入土壤，因此在覆膜后期，随着地膜内温度的持续升高，土壤湿度不断降低[9]。秸秆覆盖在土壤表层增加了保护层，水分在上升过程中受到阻力而返回到土壤中，并且秸秆覆盖能减小风带来的水分蒸发量，因此显著提高了土壤含水量。砾石覆盖地表增加了土壤渗水力，与土田相比，砾石覆盖地表处理下土壤水分下渗率增加了9倍[14]，加之砾石阻拦了土壤水汽向外扩散，进一步降低了土壤表层水分损失量。
1.3 不同覆盖措施对土壤密度的影响
土壤密度影响土壤蓄水能力[15]，并最终影响农作物的生长发育和产量[16]。地表覆盖能够改善土壤结构，对地表进行不同覆盖处理能不同程度地影响土壤密度[11]。覆盖秸秆后，土壤有机质含量提高，随着腐殖质含量的增多，土壤团聚体数量增多，总孔隙度提高，土壤密度下降[17]。研究表明，当土壤中砾石含量增加时，土壤密度随之增加，当砾石含量增加到一定的程度时，土壤密度随着砾石含量的增加而减小[18]。地膜覆盖后期，破碎的地膜残留在土壤中，或形成机械断层，或把小块土壤包裹起来从而影响作物根系正常生长，不利于作物吸收养分和水分。残膜还会阻碍土壤中毛管水和自然水的渗透，增加土壤密度[19]。 [11]冀 宏，黄 雄，郑 健，等. 不同覆盖条件对土壤水分蒸发的影响[J]. 节水灌溉，2010（4）：29-32.
[12]宋凤斌，戴俊英. 干旱胁迫下秸秆覆盖增强玉米耐旱性的研究[J]. 中国沙漠，2001，21（增刊1）：58-62.
[13]Cerda A. Effects of rock fragment cover on soil in filtration，interrill run off an derosion[J]. European Journal of Soil Science，2001，52（1）：59-68.
[14]雒焕炘. 白银地区砂田的防旱作用及其耕作[J]. 干旱地区农业研究，1991（1）：37-45.
[15]李 卓，吴普特，冯 浩，等. 容重对土壤水分蓄持能力影响模拟试验研究[J]. 土壤学报，2010，47（4）：611-620.
[16]陈学文，张晓平，梁爱珍，等. 耕作方式对黑土硬度和容重的影响[J]. 应用生态学报，2012，23（2）：439-444.
[17]李凤博，牛永志，高文玲，等. 耕作方式和秸秆还田对直播稻田土壤理化性质及其产量的影响[J]. 土壤通报，2008，39（3）：549-552.
[18]余海龙，黄菊莹. 砂田砾石覆盖对土壤大孔隙特征及其土壤水文过程的影响研究进展[J]. 水土保持研究，2012，19（4）：284-288.
[19]解红娥，李永山，杨淑巧，等. 农田残膜对土壤环境及作物生长发育的影响研究[J]. 农业环境科学学报，2007，26（增刊1）：153-156.
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[21]王 安，郝明德，臧逸飞，等. 秸秆覆盖和留茬的田间水土保持效应[J]. 水土保持研究，2013，20（1）：47-51.
[22]王 畅，李永梅，王自林，等. 稻草编织物覆盖对坡耕地红壤侵蚀及理化性质的影响[J]. 水土保持学报，2013，27（5）：68-72，83.
[23]邢向欣，郑 毅，汤 利. 稻草编织物覆盖对坡耕地红壤土壤侵蚀和养分流失的控制作用[J]. 土壤通报，2012，43（5）：1237-1241.
[24]Shi P J，Liu L Y. Influence of pebble size and cover on rainfall interception by gravel mulch[J]. Journal of Hydrology，2005，312：70-79.
[25]刘小平，董治宝. 砾石床面的空气动力学粗糙度[J]. 中国沙漠，2003，23（1）：38-45.
[26]闻 杰，王聪翔，侯立白，等. 秸秆还田对农田土壤风蚀影响的试验研究[J]. 土壤学报，2005，42（4）：678-681.
[27]Inoue M. Effects of gravel mulch on water vapor transfer above and below the soil surface[J]. Agricultural Water Management，2004，67（2）：145-155.
[28]段義忠，亢福仁. 不同覆盖材料对旱地马铃薯土壤水热状况及其水分利用效率的影响[J]. 水土保持通报，2014，34（5）：55-59，66.
[29]Huang Y L，Chen L D，Fu B J，et al. The wheat yields and water-use efficiency in the Loess Plateau：straw mulch and irrigation effects[J]. Agricultural Water Management，2005，72（3）：209-222.
[30]陈素英，张喜英，裴 冬. 玉米秸秆覆盖对麦田土壤温度和土壤蒸发的影响[J]. 农业工程学报，2005，21（10）：171-173.
[31]刘毓中. 对地膜覆盖棉田增温，保墒，提墒和地面水入渗补给作用机理的探讨[J]. 灌溉排水学报，1989（3）：55-59.
[32]Ungerb P W. Soil water accumulation underdifferent precipitation，potential evaporation，and strawmulch conditions[J]. Soil Science Society of America Journal，2001，65（2）：442-448.
[33]邓力群，陈铭达，刘兆普，等. 地面覆盖对盐渍土水热盐运动及作物生长的影响[J]. 土壤通报，2003，34（2）：93-97.
[34]刘 铭，吴良欢. 覆膜旱作稻田土壤有效N、P、K及盐分分层变化研究[J]. 土壤通报，2004，35（5）：570-573.
[35]黄 强，殷志刚，田长彦，等. 两种覆盖方式下的土壤溶液盐分含量变化[J]. 干旱区地理，2001，24（1）：52-56.
[36]刘建新. 不同农田土壤酶活性与土壤养分相关关系研究[J]. 土壤通报，2004，35（4）：523-525. [37]Liu J L，Zhu L，Luo S S，et al. Response of nitrous oxide emission to soil mulching and nitrogen fertilization in semi-arid farmland[J]. Agriculture Ecosystems
关键词：秸秆覆盖；砾石覆盖；地膜覆盖；土壤生态环境；作物增产
中图分类号： S151.9 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0011-04
干旱、缺水是困扰我国农业生产的两大难题之一[1]，集雨、蓄水、减少水分无效蒸发等是促进我国北方地区农业发展的重要途径。地表覆盖作为一种土壤调控技术，不仅能提高水分利用效率，促进土壤温度升高，起到保水保墒的作用，而且能够改善土壤物理性状，起到抑制杂草、减轻土壤盐碱化程度、提高土壤微生物活性等作用，并且能够减少水土流失、保护土壤结构，为作物生长提供适宜的水、肥、热等条件，从而提高作物产量[2-3]。如何选择合适的地表覆盖方式及材料对于满足不同地区作物生长所需要的湿度、温度等条件至关重要。因覆盖材料、作物品种、生态区域不同，国内外学者关于覆盖措施的土壤环境效应和增产效应研究结果存在较大差异。我国耕地面积广阔，各地区之间自然条件差异大，各地的种植制度也存在差异[4]。本研究从土壤环境、土壤肥力、土壤水分利用效率以及作物的生长发育和产量等方面入手，对我国旱作农业区常用的3类地表覆盖措施（秸秆覆盖、砾石覆盖、地膜覆盖）的土壤生态环境效应及增产效应原理进行比较分析，旨在为合理选择和应用地表覆盖材料提供参考。
1 不同覆盖措施对土壤环境和肥力的影响
1.1 不同覆盖措施对土壤温度的影响
研究表明，秸秆覆盖、砾石覆盖、地膜覆盖这3类地表覆盖措施都可以起到调节土壤温度的作用。于晓蕾等通过研究不同秸秆覆盖量对不同土层深度土壤温度的影响发现，深度为0～15 cm的土层土温变化明显，15～25 cm土层土温变化不明显[5]。崔向新等研究表明，砾石覆盖条件下土壤的降温速率要明显低于未经过砾石覆盖的降温速率。地膜覆盖能显著增加耕层5 cm处的土壤温度[6]。李晓黎通过田间育苗试验，认为覆膜区的地温要比未经过覆膜处理的小区高0.5～7.5 ℃[7]。王树森总结了地膜的增温机制主要源于以下原因：（1）地膜隔绝土壤与外界的水分交换，抑制了潜热交换；（2） 地膜减弱了土壤与外界的显热交换；（3）地膜及其表面附着的水层对长波反辐射有削弱作用，导致夜间土壤温度下降速度减缓[8]。当外界温度较高时，覆盖在地表的秸秆能吸收一定的太阳辐射，使地表的温度不超过作物生长的上限温度，保证植物正常生长；白天秸秆覆盖具有降低地温的作用，覆盖处理地温的最高值低于对照，主要原因是秸秆吸收太阳辐射后，由于秸秆的导热率较小，导致热量不易向地表传递；夜晚温度降低时，秸秆层阻挡了地面的长波辐射，减少了土壤散失的热量，能量的释放减缓，有效阻碍了地温降低。砾石覆盖增加了地表粗糙度，且砾石颜色深，增加了砾石对太阳辐射的吸收能力，加之砾石热容量和导热率均小于土粒，因此具有升温快、散热快的特点。砾石覆盖下土壤温度增幅大于土田，显著改善了土壤热状况。在这3类覆盖措施中，地膜的增温速度最快，且呈持续增温状态[9]。由此可见，若覆盖的主要目的是增温，应选择地膜覆盖。秸秆覆盖和砾石覆盖在高温时可以调节土壤表层的温度[10]，使土壤温度的变化比较平稳[11]，更有利于作物生长。
1.2 不同覆盖措施对土壤含水量的影响
秸秆覆盖、砾石覆盖、地膜覆盖这3类不同的覆盖措施均能起到保持土壤水分的作用。秸秆覆盖增加了雨水入渗率，提高了土壤的蓄水保水能力。宋凤斌等研究发现，秸秆覆盖在干旱年份能够显著增加玉米生长发育期土壤的含水量[12]。砾石覆盖能够通过增加水分入渗量和抑制水分蒸发而蓄水保墒[13]。雒焕炘研究发现，新、中、老沙田土壤含水量均高于土田，说明沙田土壤有保墒作用，这主要是由增加入渗量的同时降低蒸发量所致[14]。地膜覆盖的保墒效应主要是由于地膜在土壤表面起到不透气的物理阻隔作用，使土壤水分垂直蒸发直接受阻，迫使水分横向运移，土壤水分蒸发速度相对减缓，总蒸发量大幅度下降。同时，因地膜内温度较高，加大了土壤热梯度的差异，导致土壤深层水分向上移动，并在上层聚积，形成提水上升的保墑效应，地膜内水气增加，大量凝结在膜内壁上，到了夜晚或低温天气，膜下水汽遇冷凝结成小水珠，由小变大，滴落地表，再渗入土中，又提高了土壤湿度，以后再蒸发再凝结，如此进行液相和气相循环，保证土壤耕层含水量较高。由于覆膜限制了降水及灌溉水直接进入土壤，因此在覆膜后期，随着地膜内温度的持续升高，土壤湿度不断降低[9]。秸秆覆盖在土壤表层增加了保护层，水分在上升过程中受到阻力而返回到土壤中，并且秸秆覆盖能减小风带来的水分蒸发量，因此显著提高了土壤含水量。砾石覆盖地表增加了土壤渗水力，与土田相比，砾石覆盖地表处理下土壤水分下渗率增加了9倍[14]，加之砾石阻拦了土壤水汽向外扩散，进一步降低了土壤表层水分损失量。
1.3 不同覆盖措施对土壤密度的影响
土壤密度影响土壤蓄水能力[15]，并最终影响农作物的生长发育和产量[16]。地表覆盖能够改善土壤结构，对地表进行不同覆盖处理能不同程度地影响土壤密度[11]。覆盖秸秆后，土壤有机质含量提高，随着腐殖质含量的增多，土壤团聚体数量增多，总孔隙度提高，土壤密度下降[17]。研究表明，当土壤中砾石含量增加时，土壤密度随之增加，当砾石含量增加到一定的程度时，土壤密度随着砾石含量的增加而减小[18]。地膜覆盖后期，破碎的地膜残留在土壤中，或形成机械断层，或把小块土壤包裹起来从而影响作物根系正常生长，不利于作物吸收养分和水分。残膜还会阻碍土壤中毛管水和自然水的渗透，增加土壤密度[19]。 [11]冀 宏，黄 雄，郑 健，等. 不同覆盖条件对土壤水分蒸发的影响[J]. 节水灌溉，2010（4）：29-32.
[12]宋凤斌，戴俊英. 干旱胁迫下秸秆覆盖增强玉米耐旱性的研究[J]. 中国沙漠，2001，21（增刊1）：58-62.
[13]Cerda A. Effects of rock fragment cover on soil in filtration，interrill run off an derosion[J]. European Journal of Soil Science，2001，52（1）：59-68.
[14]雒焕炘. 白银地区砂田的防旱作用及其耕作[J]. 干旱地区农业研究，1991（1）：37-45.
[15]李 卓，吴普特，冯 浩，等. 容重对土壤水分蓄持能力影响模拟试验研究[J]. 土壤学报，2010，47（4）：611-620.
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[17]李凤博，牛永志，高文玲，等. 耕作方式和秸秆还田对直播稻田土壤理化性质及其产量的影响[J]. 土壤通报，2008，39（3）：549-552.
[18]余海龙，黄菊莹. 砂田砾石覆盖对土壤大孔隙特征及其土壤水文过程的影响研究进展[J]. 水土保持研究，2012，19（4）：284-288.
[19]解红娥，李永山，杨淑巧，等. 农田残膜对土壤环境及作物生长发育的影响研究[J]. 农业环境科学学报，2007，26（增刊1）：153-156.
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[22]王 畅，李永梅，王自林，等. 稻草编织物覆盖对坡耕地红壤侵蚀及理化性质的影响[J]. 水土保持学报，2013，27（5）：68-72，83.
[23]邢向欣，郑 毅，汤 利. 稻草编织物覆盖对坡耕地红壤土壤侵蚀和养分流失的控制作用[J]. 土壤通报，2012，43（5）：1237-1241.
[24]Shi P J，Liu L Y. Influence of pebble size and cover on rainfall interception by gravel mulch[J]. Journal of Hydrology，2005，312：70-79.
[25]刘小平，董治宝. 砾石床面的空气动力学粗糙度[J]. 中国沙漠，2003，23（1）：38-45.
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[28]段義忠，亢福仁. 不同覆盖材料对旱地马铃薯土壤水热状况及其水分利用效率的影响[J]. 水土保持通报，2014，34（5）：55-59，66.
[29]Huang Y L，Chen L D，Fu B J，et al. The wheat yields and water-use efficiency in the Loess Plateau：straw mulch and irrigation effects[J]. Agricultural Water Management，2005，72（3）：209-222.
[30]陈素英，张喜英，裴 冬. 玉米秸秆覆盖对麦田土壤温度和土壤蒸发的影响[J]. 农业工程学报，2005，21（10）：171-173.
[31]刘毓中. 对地膜覆盖棉田增温，保墒，提墒和地面水入渗补给作用机理的探讨[J]. 灌溉排水学报，1989（3）：55-59.
[32]Ungerb P W. Soil water accumulation underdifferent precipitation，potential evaporation，and strawmulch conditions[J]. Soil Science Society of America Journal，2001，65（2）：442-448.
[33]邓力群，陈铭达，刘兆普，等. 地面覆盖对盐渍土水热盐运动及作物生长的影响[J]. 土壤通报，2003，34（2）：93-97.
[34]刘 铭，吴良欢. 覆膜旱作稻田土壤有效N、P、K及盐分分层变化研究[J]. 土壤通报，2004，35（5）：570-573.
[35]黄 强，殷志刚，田长彦，等. 两种覆盖方式下的土壤溶液盐分含量变化[J]. 干旱区地理，2001，24（1）：52-56.
[36]刘建新. 不同农田土壤酶活性与土壤养分相关关系研究[J]. 土壤通报，2004，35（4）：523-525. [37]Liu J L，Zhu L，Luo S S，et al. Response of nitrous oxide emission to soil mulching and nitrogen fertilization in semi-arid farmland[J]. Agriculture Ecosystems