農(nóng)用薄膜研發(fā)及應(yīng)用研究進(jìn)展
2016.10 專題論述20 世 紀(jì)中期 ,隨著高分子化合物的深入研究 ,塑料薄膜逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 , 應(yīng)用于日光溫室和塑料大棚等設(shè)施環(huán)境 , 實(shí)現(xiàn)了果 、 蔬作物的周年生產(chǎn) ,轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 ,地膜覆蓋所起到的保肥 、保墑 、增溫 、防草等作用 ,促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的快速發(fā)展1-2。 我 國于 1978 年 從日本引進(jìn)薄膜覆蓋技術(shù) ,最初應(yīng)用于蔬菜栽培 ,現(xiàn)在已有蔬菜 、果樹 、苗木 、花卉 、大田作物等百余種作物應(yīng)用地膜覆蓋栽培技術(shù) ,并開展了地膜覆蓋栽培條件下土壤理化特性 、水肥變化規(guī)律 、作物生長發(fā)育及增產(chǎn)機(jī)制研究3-5。 目前 ,我 國農(nóng)膜的產(chǎn)量和覆蓋面積均居世界首位 ,農(nóng)膜已經(jīng)成為繼化肥和農(nóng)藥后的第三大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料 ,被譽(yù)為繼良種 、化肥之后的第三次農(nóng)業(yè)技術(shù)革命 。 但絕大部分農(nóng)膜為高分子的塑料 ,難以降解 ,農(nóng)田中多年積累的殘膜污染農(nóng)業(yè)環(huán)境 ,導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降 ,抑制作物生長發(fā)育 ,減產(chǎn)達(dá) 15%30%,已 經(jīng)造成了 “白色污染 ”。 因此 ,在發(fā)展高光效多功能農(nóng)用膜的基礎(chǔ)上 ,研制可降解的環(huán)保型生態(tài)農(nóng)用膜工作迫在眉睫 ,對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義 。1 傳 統(tǒng)塑料農(nóng)膜根 據(jù)樹脂原料的不同 , 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的塑料薄膜主要有聚氯乙烯 (PVC)薄 膜 、聚乙烯 (PE)薄 膜 、乙烯 -酯 酸乙烯共聚物 (EVA)薄 膜等 。 首先將樹脂材料 、母料核 、改性劑 、偶聯(lián)層和分散層制成塑料母料 ,通過壓延或吹塑工藝制成不同類型的薄膜 。 農(nóng)膜覆蓋在生產(chǎn)中的主要作用為增溫 、保墑 、調(diào)節(jié)光照 、防草以及調(diào)控土壤鹽堿度等方面 。 最早使用的農(nóng)膜為PVC 膜 ,其 保溫性 、耐候性較好 ,但比重較大 ,膜面易吸灰塵 ,透光性差 ,且燃燒時(shí)產(chǎn)生 HCl 等 有毒氣體 ;PE 膜 質(zhì)量輕 ,柔軟易造型 ,透光性好 ,是我國主要使用的農(nóng)膜之一 ,但耐候性 、保溫性差 ,易形成水滴 ;E-VA 膜 的透光性 、 保溫性 、 耐候性均優(yōu)于 PVC 和 PE膜 ,是 近年來應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中的新型薄膜材料6-8。 幾 十年來 ,地膜覆蓋技術(shù)促進(jìn)了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 ,但塑料農(nóng)膜的降解過程緩慢 ,需要 100 年 以上 ,由此帶來的土壤質(zhì)量下降與環(huán)境污染問題也逐漸突出 。2 功 能性農(nóng)膜隨 著設(shè)施栽培的快速發(fā)展 , 對(duì)農(nóng)膜功能的要求不斷提高 ,功能性農(nóng)膜應(yīng)運(yùn)而生 。 其以聚烯烴 (PO)、低密度聚乙烯 (LDPE)或 PVC 樹 脂為主要原料 ,添加功能性助劑 ,經(jīng)混合 、擠出 、吹塑工藝制成 。 功能性農(nóng)膜的增產(chǎn) 、早熟及改善品質(zhì)效果更顯著 。 目前主要以高耐候 、高透光 、長效流滴防霧及改善光質(zhì)的多功能膜為研究熱點(diǎn)9。2.1 耐 候性農(nóng)膜農(nóng)膜的耐老化性是其他所有功能的前提 , 棚膜的耐老化要求高于地膜 。 通過優(yōu)化樹脂材料和穩(wěn)定劑可適度延長農(nóng)膜的使用年限 , 一般采用高分子量及支鏈較少的材料做為基礎(chǔ)樹脂 , 選擇高效耐老化劑 ,使用多層共擠技術(shù)生產(chǎn)耐老化農(nóng)膜 。 20 世 紀(jì) 80 年基 金項(xiàng)目 :濰坊市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 “熱輻射調(diào)控膜研究與農(nóng)業(yè)應(yīng)用 ”(2015ZJ1027)。作者簡介 :厲廣輝 (1983-),山東棗莊人 ,博士 ,農(nóng)藝師 ,研究方向?yàn)樽魑锟鼓娓弋a(chǎn)生理生態(tài) 。 E-mail:ghli66126.com農(nóng)用薄膜研發(fā)及應(yīng)用研究進(jìn)展厲 廣輝 于繼慶 魏永陽(山東省濰坊市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 濰坊 261071)摘 要 :農(nóng)膜是繼化肥和農(nóng)藥之后的第三大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料 ,但高分子塑料農(nóng)膜難以降解 ,長期使用會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降與農(nóng)業(yè)環(huán)境污染 。 筆者歸納了傳統(tǒng)塑料農(nóng)膜對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的促進(jìn)作用 ,綜述了耐候性膜 、轉(zhuǎn)光膜 、防霧無滴膜 、除草地膜等功能性農(nóng)膜的研究歷程及作用機(jī)理 ,認(rèn)為生物降解膜 、植物纖維膜 、多功能可降解液態(tài)膜等可降解農(nóng)膜是農(nóng)用膜的發(fā)展趨勢(shì) 。關(guān)鍵詞 :農(nóng)用膜 ;功能性農(nóng)膜 ;可降解農(nóng)膜 ;研究進(jìn)展24- -專題論述 2016.10代 耐老化農(nóng)膜樹脂主要為 LDPE;20 世 紀(jì) 90 年 代采用 LDPE 和 線性低密度聚乙烯 (LLDPE)共 混樹脂 ;目前采用共混樹脂添加 mLLDPE 為 基礎(chǔ)樹脂 。 目前已知的性能最優(yōu)的耐老化劑為受阻胺光穩(wěn)定劑 ,20 世紀(jì) 80 年 代主要用 GW-540+2002,20 世 紀(jì) 90 年 代以后開始利用復(fù)配抗氧化劑配方 , 目前國外采用無毒聚合型受阻胺作為主要的耐老化劑 , 并且進(jìn)入國內(nèi)市場(chǎng) ,但價(jià)格較高 ,國產(chǎn)的 BW6911 和 6911/B215 耐老 化劑價(jià)格便宜 ,性能與國外產(chǎn)品相當(dāng)10-12。2.2 轉(zhuǎn) 光膜由太陽輻射到地表的太陽能中 ,300750 nm 的光 譜輻射能所占比例約為 50%, 而 能被葉綠素大量吸 收而有效提 高 光 合 作 用 的 光 主 要 是 藍(lán) 紫 光 區(qū)(400480 nm)和 紅橙光區(qū) (600680 nm),290350 nm的 紫外光和 510580 nm 的 黃綠光對(duì)光合作用影響較小 ,作物所需的光譜強(qiáng)度不足 ,還要吸收不利于生長的大部分光譜 ,限制了光合速率的提高13。在 農(nóng)用膜中添加轉(zhuǎn)光劑可實(shí)現(xiàn)透過光光譜的轉(zhuǎn)換 , 可將紫外光或黃綠光轉(zhuǎn)換成光合作用所需的藍(lán)紫光及紅橙光 , 從而增加葉片葉綠素的含量和葉片面積 ,促進(jìn)作物生長 。 目前使用的轉(zhuǎn)光劑主要有稀土無機(jī)轉(zhuǎn)光劑 、稀土有機(jī)轉(zhuǎn)光劑 、堿土金屬硫化物和熒光染料轉(zhuǎn)光劑等 ,通過附染法 、母料法 、三層共擠法等工藝制備農(nóng)用轉(zhuǎn)光膜 。 轉(zhuǎn)光膜的基本原理是體系中存在不穩(wěn)定的離子或磷電子 , 可被紫外光或綠光的光能激發(fā) ,處于高能狀態(tài) ,能量傳給中心離子后 ,電子由不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)回到穩(wěn)定的基態(tài) , 伴隨一定波長光譜的發(fā)出 ,發(fā)射光的能量低于激發(fā)光的能量 。較使用普通農(nóng)用膜的設(shè)施蔬菜 , 轉(zhuǎn)光膜可增加溫度35,增 產(chǎn) 20%左 右 ,提前 710 d 上 市14-16。2.3 防 霧無滴膜普通棚膜內(nèi)表面易凝結(jié)水滴 ,易引起作物病害 ,且降低了設(shè)施內(nèi)的透光率 , 限制了設(shè)施栽培作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高 。 20 世 紀(jì) 90 年 代 ,國內(nèi)外農(nóng)膜行業(yè)通過試驗(yàn)和應(yīng)用研究 ,選擇 EVA 基 礎(chǔ)樹脂添加流滴劑和消霧劑造母粒 , 通過三層共擠吹塑技術(shù)研制出防霧無滴膜 。 流滴劑以脂肪酸多醇酯 、有機(jī)胺類和聚氧乙烯類等多種非離子表面活性劑復(fù)配物 , 采用特殊型高表面活性劑作為消霧劑 , 主要有氟和硅表面活性劑 ,其中 ,氟系消霧劑的消霧性能優(yōu)于硅系 。 基礎(chǔ)樹脂 、流滴劑 、消霧劑及其他活性劑之間有 “配合效應(yīng) ”, 不同功能性助劑并用存在顯著的差異性 ,必須篩選出最佳流滴 -消 霧體系 。 但是 ,這種添加型防霧流滴膜中的功能性助劑 ,易從膜分子中析出流失 ,膜的功能持續(xù)期較短17-18。 近 年來 ,國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn) ,采用涂覆流滴 、 消霧助劑的方法可實(shí)現(xiàn)流滴持效期與膜耐老化性基本同步 , 并已開發(fā)出良好的外涂流滴 、消霧體系19。目 前 ,國內(nèi)塑料大棚和日光溫室使用的防霧無滴膜 ,初始透光率 90%,初 始霧度 25%,流 滴持效期可達(dá) 18 個(gè) 月以上 ,使用效果顯著優(yōu)于有滴膜20。2.4 其 他功能性農(nóng)膜農(nóng)用膜的透光率是評(píng)價(jià)膜質(zhì)量的重要參數(shù) ,也是農(nóng)民選擇棚膜的首先指標(biāo) 。 因此 ,高透光率的塑料薄膜將是農(nóng)膜市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品 。 選擇高透光 、添加劑少的基礎(chǔ)樹脂 ,并在樹脂材料中添加增透劑 ,增加體系內(nèi)的晶核數(shù) ,減少晶核粒徑 ,可有效提高透光率 ,降低霧度 。 有研究發(fā)現(xiàn) ,先將納米無機(jī)復(fù)合粒子與其他功能助劑制成母粒 , 利用三層共擠技術(shù)生產(chǎn)的納米無機(jī) 粒子 改 性 棚 膜 , 以 及 添 加 成 核 透 明 劑 的LLDPE 棚 膜 ,結(jié)晶均勻細(xì)密 ,透光率較普通棚膜提高2%,霧 度降低 38%46%,有 較好保溫性能 ,且耐老化性顯著優(yōu)于普通棚膜21-22。膜 下雜草防除問題是限制地膜覆蓋栽培技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素 , 除草地膜的應(yīng)用可有效防除膜下雜草 。 主要有 2 種 除草地膜 ,一種是物理除草地膜 ,主要是綠色 、黑色等有色地膜 ,通過抑制植物的光合作用達(dá)到除草目的23;另 一種是化學(xué)除草地膜 ,將除草劑添加至地膜中 ,利用除草劑的緩慢擴(kuò)散 ,在土壤表面形成滅草層 ,添加改良系除草母粒 (GXML)的 PE地 膜除草效果較好24。日 本通過浸入植物精油的方法開發(fā)出了具有防蟲 、殺菌作用的多功能農(nóng)用地膜 。 隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高 ,農(nóng)膜行業(yè)在耐候 、流滴 、防蟲除草等功能的基礎(chǔ)上 , 又生產(chǎn)出了利用光質(zhì)調(diào)節(jié)的專色膜 。3 生 態(tài)可降解型農(nóng)膜農(nóng) 膜覆蓋技術(shù)推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展 ,同時(shí) ,由于其自然降解十分緩慢 ,也導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的 “白色污染 ”,造成土壤質(zhì)量下降 ,降低了作物產(chǎn)量和品質(zhì) 。 因此 ,開發(fā)利用可降解的環(huán)保型農(nóng)膜 ,是今后農(nóng)膜行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì) , 國內(nèi)外已經(jīng)研制出了一系列可降解農(nóng)膜25。3.1 生 物降解農(nóng)膜生物降解膜分為完全生物降解膜和添加型生物25- -2016.10 專題論述降 解膜 。 完全降解膜來源于淀粉 、纖維素 、殼聚糖及其他多糖類天然材料 ,以玉米淀粉基農(nóng)膜為主 ,可完全自然降解 ,不會(huì)造成環(huán)境污染 。 降解的機(jī)理是微生物侵入薄膜后 ,使聚合物水解 ,分裂成低聚物 ,微生物分泌的酶可降解聚合物生成水溶性的小分子化合物 ,最終分解為 CO2和 水26。 添 加型生物降解地膜是生物降解膜的研發(fā)重點(diǎn) , 它是由天然高分子與合成高分子混合加工而成 , 其代表產(chǎn)品為聚乙烯淀粉生物降解地膜 。 美國采用 40%60%淀 粉與改性聚乙烯醇共混生產(chǎn)出生物降解農(nóng)膜 ; 日本制成淀粉含量高達(dá) 40%85%的 PE 生 物降解塑料 ; 國內(nèi)生產(chǎn)的添加型生物降解農(nóng)膜淀粉含量一般為 10%30%27。 目 前生產(chǎn)的生物降解農(nóng)膜還屬于不完全降解膜 , 僅其中添加的少量天然高分子能夠降解 , 大部分 PE、PVC等 合成高分子聚酯無法生物降解而殘留在土壤中 ,長期積累易造成農(nóng)業(yè)環(huán)境污染 。3.2 植 物纖維農(nóng)膜植物纖維農(nóng)膜是利用植物纖維作物原料生產(chǎn)的農(nóng)膜 ,它可在自然環(huán)境中被微生物降解 ,生成有機(jī)廢料 ,改善土壤結(jié)構(gòu)和培肥地力 ,有效解決了農(nóng)膜的環(huán)境污染問題 ,是發(fā)展可降解農(nóng)膜的主要方向之一 。 目前生產(chǎn)的植物纖維地膜有紙地膜 、麻纖維地膜 、草漿地膜等 。 植物纖維地膜的透光性低于塑料薄膜 ,但不影響作物正常生長 ,保溫 、保水性較好 ,且抗撕裂強(qiáng)度 ,干 、濕斷裂強(qiáng)度等強(qiáng)力指標(biāo)均滿足使用要求 。 日本和歐美國家已推廣使用利用殼聚糖和植物纖維素生產(chǎn)的紙地膜 。 我國以麻類纖維為主要原料 ,利用無紡布制造工藝和特有的后整理工藝 、 梳理成網(wǎng)與氣流成網(wǎng)相結(jié)合的工藝 , 生產(chǎn)出了符合使用要求的環(huán)保型麻纖維地膜 , 其降解的最終產(chǎn)物為有機(jī)質(zhì) 、CO2和 水 ,基本沒有污染28。3.3 多 功能可降解液態(tài)農(nóng)膜多功能可降解液態(tài)膜是以植物纖維 、秸稈 、殼聚糖等天然高分子材料為原料的新型液態(tài)農(nóng)膜 。 這種膜噴灑地面后可形成特殊的土膜結(jié)構(gòu) , 抑制土表蒸發(fā) ,提高土壤的持水保水能力 ,還可與土壤顆粒聯(lián)結(jié)成理想的團(tuán)聚體 , 改良土壤團(tuán)里結(jié)構(gòu) , 促進(jìn)植株生長 ,提高產(chǎn)量 ,改善品質(zhì) ,可完全降解 ,不會(huì)造成環(huán)境污染29-30。 日 本和歐洲一些國家已經(jīng)將多功能可降解液態(tài)膜應(yīng)用于蔬菜 、果樹和花卉種植 。 近年來 ,我國研發(fā)了腐殖酸液態(tài)營養(yǎng)地膜 ,并在馬鈴薯 、花生 、玉米種植中起到了顯著效果 。參 考文獻(xiàn)1Nederhoff E M, Rijsdijk A A, Graaf 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Ridge-furrow with full plastic film mulchingimproves water use efficiency and tuber yields of potato in asemiarid rainfed ecosystem J. Field Crops Research, 2014,161(5): 137-148.6謝 振羽 .日 本 、南朝鮮農(nóng)用棚膜及基礎(chǔ)樹脂發(fā)展概況 J.金 山油化纖 ,1992(1):70-75.7王 亞娟 .農(nóng)膜的種類與選擇 J.北 京農(nóng)業(yè) ,2012(24): 57-58.8王 小軍 ,王 強(qiáng) ,扈 新民 ,等 .不 同類型 EVA 棚 膜對(duì)西北地區(qū)溫室環(huán)境條件的影響 J.蔬 菜 ,2014(2):17-19.9Mugnozza G S, Schettini E, Vox G. Effects of Solar Radiationon the Radiometric Properties of Biodegradable Films for A-gricultural Applications J. Biosystems Engineering, 2004, 87(4):479-487.10陳 祖欣 ,孫 書適 .抗 氧化劑在聚乙烯耐老化農(nóng)膜中的應(yīng)用 J.中 國塑料 ,1997,11(4):74-78.11田 巖 .中國聚烯烴功能性農(nóng)膜研究及應(yīng)用進(jìn)展 J. 中 國塑料 ,2004, 18(11):1-7.12Han J, lPerez M E C, Moreira R G. The influence of electronbeam irradiation of antimicrobial -coated LDPE/polyamidefilms on antimicrobial activity and film properties J. 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Effect of -ray on optical characteristics of dyedPVA films J.Journal of Radiation Research and Applied Sci-ences, 2014, 7(1): 129-134.17陶 婉蓉 ,王 旭美 ,石 秀強(qiáng) ,等 .農(nóng) 用無滴膜的研究 J.上 ?;?,26- -專題論述 2016.10隨 著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷深入 ,近年來 ,濟(jì)源市按照突出特色 、培育品牌 、壯大規(guī)模 、提升質(zhì)量的指導(dǎo)思想 ,深入挖掘地方傳統(tǒng)特色產(chǎn)業(yè) ,大力實(shí)施農(nóng)業(yè)示范區(qū)建設(shè) ,使傳統(tǒng)特色產(chǎn)業(yè)更加富有生機(jī) ,重點(diǎn)打造培育富硒蘋果種植示范園 。 經(jīng)過引進(jìn)新品種 、推廣新技術(shù) 、探索新模式 ,推行標(biāo)準(zhǔn)化種植 ,不僅取得了明顯成效 ,也存在諸多深層次的矛盾和問題 。 現(xiàn)結(jié)合濟(jì)源市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際 ,2015 年 ,市 農(nóng)科院啟動(dòng)了富硒健康農(nóng)業(yè)科技工程 , 力爭(zhēng)用 35 年 時(shí)間將濟(jì)源市建成全省最具影響力的生態(tài)富硒農(nóng)產(chǎn)品基地 ,叫響 “富硒濟(jì)源 ,生態(tài)之城 ”名片 ,促進(jìn)健康生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)建設(shè) ,推動(dòng)全市社會(huì)經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展 ,并針對(duì)富硒蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出一些建議 。1 產(chǎn) 業(yè)現(xiàn)狀1.1 生 產(chǎn)面積逐年擴(kuò)大 ,效益穩(wěn)步增長富硒蘋果的發(fā)展起步于 2013 年 ,濟(jì) 源開始嘗試種植富硒蘋果 , 在全市農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整政策的驅(qū)動(dòng)下 ,種植面積由當(dāng)初的 20 畝 ,到 2015 年 全市富硒蘋果生產(chǎn)示范基地達(dá)到 1 080 余 畝 ,而邵原崔家莊就有 500 畝 綠色富硒蘋果科技示范基地 。 富硒蘋果自2013 年 起實(shí)行科學(xué)管理 , 確保果品硒含量和質(zhì)量安全 , 富硒蘋果上市后每年都得到消費(fèi)者的廣泛認(rèn)同和普遍歡迎 ,果農(nóng)平均收入增加了三分之一 。2015 年在 果品價(jià)格普遍不高的情況下 , 全市富硒蘋果供不應(yīng)求 ,為農(nóng)戶開辟了一條致富途徑 ,為濟(jì)源市富硒蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 。濟(jì)源市富硒蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策摘 要 :針對(duì)濟(jì)源富硒蘋果產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 ,找出了富硒蘋果產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中存在的問題 ,并提出了富硒蘋果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展決策 。關(guān)鍵詞 :富硒 ;蘋果 ;現(xiàn)狀 ;對(duì)策王 梅 趙立旗 李 銘 牛小沛 陳 麗(河南省濟(jì)源市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 濟(jì)源 459002)基 金項(xiàng)目 :河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目 (編號(hào) :152102110042)。作者簡介 :王梅 (1984-),女 ,助理研究員 ,主要從事設(shè)施園藝方面的工作 。1995,20(2):21-24.18Plasman V,Caulier T, Boulos N. 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Production andcharacterization of thick, thin and ultra -thin chitosan/PEOfilmsJ.Carbohydrate Polymers, 2011, 83(2): 375-382.27崔 永生 ,王 訓(xùn)遒 ,寧 卓遠(yuǎn) .淀粉基生物降解塑料制備研究進(jìn)展 J.中 國塑料 ,2014,28(8):1-6.28周 文春 .環(huán)保型麻纖維紙 地膜的研究開發(fā)分析 J.中 國麻業(yè) ,2002,24(2):22-25.29張 潔 ,姚 宇卿 ,呂 軍杰 ,等 .液態(tài)地膜對(duì)土壤物理性狀的影響及 增產(chǎn)效果 J.土 壤通報(bào) ,2005,36(4): 638-640.30王 小彬 , 蔡 典雄 .旱作農(nóng)田保護(hù)性耕作 -液 膜 -施 肥綜合技術(shù)研究 J.農(nóng) 業(yè)工程學(xué)報(bào) , 2005,21(6):22-25.27- -