Sci. Total Environ.丨减少地膜覆盖和优化农艺管理可确保玉米灌区粮食安全并减少碳排放

论文内容

研究背景：

地膜覆盖（PFM ）已广泛应用于主要作物(玉米、小麦、水稻和马铃薯)的生产中。然而，世界上种植最广泛的作物玉米也是中国使用 PFM 面积最大的作物。许多研究表明，PFM 在半干旱地区提高了玉米产量。然而，表明 PFM 降低了旱地玉米产量。此外报告称，在中国东北>平均日温度为 10°C，积温(Ta)高于 3000°C 的地区，由于 PFM 而导致的产量和利润增长并没有实现。在西辽河流域，滴灌条件下地膜覆盖玉米的粮食产量和经济效益没有比不覆盖提高。此外，报道，由于短季棉花的晚季叶片衰老速度比不覆盖加快，覆膜并没有增加棉种产量。因此，PFM 能否提高作物产量取决于环境和作物本身。此外，作物育种和栽培管理技术的进步，扩大了作物种植区划，提高了产量，为减少甚至取消地膜使用提供了有利条件。那么，新的栽培管理技术能否取代地膜的增产效果呢?在什么条件下我们可以用新技术来代替塑料薄膜。这是一个亟待解决的问题。在这里，我们以中国灌区生长的玉米为研究对象。本研究的目的是 (1)阐明干旱灌区免覆盖对玉米产量和经济的影响，(2)确定如何通过农艺技术有 效降低 PFM，同时提高玉米产量和减少温室气体排放。研究结果为干旱地区减少地膜污染、提高农业生产效率提供了新的思路，最终实现促进绿色生产和农业可持续发展的目标。

研究内容：

为了阐明无膜种植的 Ta 条件以及进一步提高玉米产量和经济效益所需的措施，我们在 2018 年和 2019 年在三个海拔不同的灌区进行了大田试验:共青团、七台和半街沟。共青团为高积温区(HAT); 奇台，中间积温区(MAT);低积温区(LAT)为半街沟。我们采用 PFM 或 NM 方 法 ， 在 所 有 3 个 位 点 的 TD 和 HD 上 都 种 植 了 KWS2030 (EM)、KWS9384 (MM)和 KWS3564 (LM, Ta≥3000°C)。XY77 (LM)也在 奇台进行了两种密度的种植。然后，在 2020 年，我们通过复制 2017 年 的处理，验证了无膜栽培技术在 MAT 地区(奇台)的效果。每个试验点采 用分块设计，以品种、种植密度和覆盖方式为主要因素、侧边因素和辅 助因素。每个试验小区 88 m2 (10 m × 8.8 m)，每个小区重复 3 次。

在玉米生产中，PFM 主要用于提高温度和节水，从而提高产量。本研究在共青团 (HAT)，在 Ta 资源相对丰富的地区，与 NM 相比，PFM 并没有显著提高玉米产量，反而降低了经济收益。因此，当环境中的 Ta 单独满足作物生长需求时，PFM 不会产生积极的影响，这与之前的研究结果一致。在 MAT 地区(奇台)， 与 NM 的结果相比，PFM 显著提高了晚熟玉米的产量和经济效益，这与 之前的研究结果一致，即 PFM 既提高了温度，又提高了产量。然而，与 NM 结果相比，PFM 并没有显著提高该地区早熟和中熟玉米品种的产量，也降低了这些品种的经济收益。但在我国高海拔地区(半街沟)，低 Ta 不足以促进玉米的良好生长，且由于 PFM 具有明显的增温效应，玉米产量和经济效益显著。对于该区域，PFM 明显优于 NM(图 1C, 2C)。因此，我们的结果表明，不同 Ta 地区对 Ta 资源的利用方式是导致 PFM 和 NM 玉米产量差异的主要原因(图 3A)。对于所有成熟等级(早熟、中熟和晚熟)的玉米品种，当 Ta 需求量比当地Ta 高 86.6%时，PFM 提高了温度，从而提高了产量(图 3A)。而当一个玉米品种的URAT <当地 Ta 的 86.6%时，仅使用 Ta 可以满足该品种的正常 Ta 需求，而 PFM 不会增加产量。此外，使用 PFM 与 urat 低于 88.8%的玉米品种相比，由于塑料薄膜和残膜回收成本降低了经济收益(图 3B)。在粮食严重短缺时期，在Ta 不足的地区使用 PFM 可以提高玉米产量。因此，作物品种的成熟时间可与当地 Tas (Ta >每生长季 10°C)匹 配，以有效利用环境 Ta 资源，在不使用 PFM 的情况下提高作物产量。然而，PFM 还能保持土壤水分，从而提高水分利用效率。对玉米而言，PFM 的保水效应主要发生在封岭前期。由于玉米幼苗的水分需求量相对较小，土壤水分蒸发是水分消耗的主要来源。一旦生长的作物冠层关闭山脊，土壤水分蒸发减少到最小在我们的技术农业系统中，滴灌技术的广泛应用有效地减少了土壤水分蒸发，节约了灌溉用水。PFM 对不同成熟期玉米品种水分利用效率的影响很可能是不同的， 我们计划在未来的研究中调查这些影响和变化。

研究结论：

研究表明，当西北灌区玉米 URAT 低于 86.6%时，PFM 对玉米产量无影响。此外，与 PFM+TD 相比，无膜种植增加 3 株 m−2 可提高玉米产量和经济效益，温室气体排放量减少 33.1%。由于 URATs 含量在88.2% ~ 89.2%之间的玉米品种温室气体排放量最低，合理利用 Ta 资源也可减少温室气体排放。因此，为了减少地膜的使用和减少地膜对环境的污染， 农民应考虑其生态区域的 Ta 资源，选择与这些可用热资源相适应的玉米品种。采用适宜的无膜种植品种，合理增加种植密度，采用水肥一体化技术，可有效提高作物产量，提高经济效益。农艺管理方面的这些进展是减少污染和温室气体排放的重要步骤。我们的研究成果为促进绿色和可持续农业发展，帮助实现碳峰值和碳中和目标提供了战略。

转自：“农科学术圈”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！