不同殘膜量對土壤水鹽運移及棉花生長發(fā)育的影響

李玉環(huán),何新林,楊麗莉,王禹植,徐 陽

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室,新疆 石河子 832000)

農(nóng)田中應(yīng)用薄膜覆蓋具有增溫保墑、提高水分利用率和光利用率、保持土壤養(yǎng)分、提高微生物活性、抑制雜草和防治病蟲害等作用，可促進作物增產(chǎn)增收[1-6]。20世紀(jì)70年代，我國首次引入地膜覆蓋栽培技術(shù)[7-8]，其廣泛應(yīng)用提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，使我國農(nóng)業(yè)得到了快速發(fā)展[9]。地膜覆蓋栽培技術(shù)使糧食作物增產(chǎn)20%～35%左右，經(jīng)濟作物增產(chǎn)20%～60%[10]。隨著地膜覆蓋技術(shù)的廣泛應(yīng)用，中國已經(jīng)成為地膜覆蓋面積最大、使用量最多的國家之一[11]，尤其是在我國干旱半干旱地區(qū)更是大面積用于作物栽培，并呈現(xiàn)逐漸增長趨勢[12]。

隨著地膜覆蓋技術(shù)的廣泛應(yīng)用，一些環(huán)境問題也逐漸產(chǎn)生。由于地膜是高分子有機聚合物，分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在自然條件下很難降解[13]，且地膜回收效率低，導(dǎo)致其大量殘留在土壤中，對農(nóng)田土壤環(huán)境造成污染[14]，降低農(nóng)民收益。新疆地區(qū)地處我國干旱區(qū)，目前是我國地膜使用最多的地區(qū)[15]，因此研究新疆殘膜污染具有代表性。據(jù)1998—2018年《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)顯示，1998年新疆地膜使用量為8.67×104t，2018年上升到2.38×105t；1998年新疆地膜覆蓋面積為1 305萬hm2，2018年增至3 511萬hm2。新疆地膜殘留量在42～540 kg·hm-2之間，平均殘留量在200 kg·hm-2以上。殘膜在土壤中不斷累積，破壞了耕作層土壤結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，影響土壤通透性，阻礙水肥運移，影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和降低微生物活性，進而阻礙了作物的生長發(fā)育，已經(jīng)對農(nóng)業(yè)環(huán)境和作物生長構(gòu)成重大威脅[17-19]。

已有大量學(xué)者針對殘膜影響下的土壤理化性質(zhì)和作物生長開展大量研究。郭彥芬等[20]研究認(rèn)為殘膜嚴(yán)重影響土壤水分運移，尤其是0～40 cm 土層含水量受殘膜影響更為明顯。常芳紅[21]研究指出，當(dāng)殘膜量達到1 020 kg·hm-2時20～30 cm 土層中水分降低7.2%，且0～30 cm水分均勻性降低。吳鳳全等[22]研究表明，殘膜致使土壤水鹽分布不均，灌水后第1、3、5 d土壤鹽分特性表現(xiàn)為無殘膜處理鹽分隨時間逐漸降低，且分布均勻，而225 kg·hm-2殘膜量處理鹽分均勻性最差。耿智廣等[23]研究認(rèn)為殘膜可降低玉米和胡麻的出苗率，玉米的株高和葉面積在殘膜量0～540 kg·hm-2時逐漸升高，而胡麻的株高先增大后減小；殘膜量為 720 kg·hm-2時顯著降低了作物干物質(zhì)積累。同時眾多研究表明，高殘膜量會造成作物減產(chǎn)，例如，辛靜靜等[24]研究結(jié)果表明，180～720 kg·hm-2殘膜量可導(dǎo)致玉米產(chǎn)量降低2.2%～10.9%。蔣兆霞[25]對新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團棉田殘膜污染調(diào)查結(jié)果顯示，殘膜降低了棉花出苗率、單位面積鈴數(shù)、單鈴重，籽棉產(chǎn)量。

為了探究不同殘膜量對棉田土壤水鹽遷移分布的影響及其對棉花株高、莖粗、葉面積和產(chǎn)量影響差異顯著的殘膜量閾值，本文設(shè)置不同殘膜量梯度，對棉花各個生育階段土壤水分、株高、莖粗、葉面積、產(chǎn)量及花鈴期灌水后1、3、5 d土壤鹽分分布特征進行研究，為提高棉花產(chǎn)量、防治殘膜的污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

大田試驗于2019年4月1日—2021年10月1日在石河子大學(xué)干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉重點實驗室進行，位于85°59′47″E，44°19′28″N，海拔412 m，平均地面坡度6‰；多年平均降雨量207 mm，平均蒸發(fā)量1 660 mm，年平均風(fēng)速1.5 m·s-1；試驗小區(qū)面積11.6 m×16.2 m，試驗田地下水埋深大于5 m，土壤質(zhì)地為中壤土，物理粘粒含量(粒徑<0.01 mm)大于20%。

1.2 試驗設(shè)計

課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，在多年連續(xù)覆膜條件下，殘膜量Mf(kg·hm-2)與殘膜年限X之間存在線性關(guān)系：Mf=15.69X+72.54。根據(jù)該研究結(jié)果，設(shè)置8個殘膜量梯度，即150 kg·hm-2(T1，覆膜年限為5 a)、230 kg·hm-2(T2, 覆膜年限為10 a)、465 kg·hm-2(T3, 覆膜年限為25 a)、512 kg·hm-2(CK1, 覆膜年限為28 a)、857 kg·hm-2(T4, 覆膜年限為50 a)、1 250 kg·hm-2(T5, 覆膜年限為75 a)、1 640 kg·hm-2(T6, 覆膜年限為100 a)、0 kg·hm-2(CK2, 覆膜年限為0 a)；分析不同殘膜量對棉田土壤水鹽、株高、莖粗、葉面積及產(chǎn)量的影響。每個處理中設(shè)置3個微小區(qū)，作為試驗的3次重復(fù)。試驗所用地膜均為新疆天業(yè)公司生產(chǎn), 厚度0.008 mm，為高分子有機聚合物材料，其分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在自然條件下很難降解，降解周期為200～400 a，很難與土壤發(fā)生反應(yīng)[26]，故摻入人工裁剪的地膜可與實際環(huán)境相當(dāng)。經(jīng)過調(diào)查，研究區(qū)殘留地膜主要集中在0～40 cm土層，其中殘膜面積為4 cm2及以下的數(shù)量最多，占總量的80%以上，殘膜單片面積越大，其殘膜數(shù)量越少，0～10、10～30 cm和30～40 cm土層殘膜所占比率分別約為29%、60%和11%[27]。因此，本試驗中將地膜統(tǒng)一裁剪成面積為2 cm×2 cm的方形殘膜，以消除地膜尺寸對試驗的影響，試驗前將地里原來殘留的地膜撿拾干凈，0～10、10～30和30～40 cm土層按3∶6∶1將人工剪碎的殘膜分量均勻混入土壤中。處理之間埋設(shè)50 cm深度的防水帆布，以消除各處理之間的水肥相互干擾及作物根系纏繞的影響。

殘膜量與覆膜年限的線性關(guān)系及殘膜分布特征由課題組于2019年7月—2020年2月在瑪納斯流域取樣測得，該流域棉田歸屬兵團下屬團場統(tǒng)一管理,連續(xù)覆膜種植棉花，灌水施肥制度相同，農(nóng)藝措施、種植方式和地膜回收情況均一致；人工裁剪的地膜在2019年3月?lián)饺氪筇?，?月播種，并于2019年10月收獲，第二年3月再次摻膜，4月播種，并于2021年10月收獲，本試驗周期為2 a，本試驗數(shù)據(jù)分析均為兩年試驗數(shù)據(jù)平均值。種植棉花品種為‘東盛1442號’，種植模式示意圖如圖1所示，采用膜下滴灌一膜兩管四行的種植模式，膜寬1.6 m，行間60 cm，膜間30 cm。所有處理施肥量與灌水量取同一水平，灌溉定額為4 500 m3·hm-2。在生長期間分別追施尿素、磷酸二氨、硫酸鉀3種肥料，灌水次數(shù)以及3種肥料的滴施次數(shù)、時間和比例見表1。每株棉花在花鈴期打頂，其他管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民日常方法相同。

表1 棉花各生育期灌水施肥次數(shù)與比例

圖1 棉花種植模式示意圖

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分和鹽分 在棉花各生育期灌水前1 d利用德國IMKO公司TRIME TDR系列土壤水分儀TRIME-PICO-IPH TDR剖面土壤水鹽測量儀在預(yù)先埋設(shè)好的Trime管中分層測定各處理膜間寬行、膜間窄行及裸地0～60 cm土層的土壤含水率和含鹽率。

1.3.2 株高和莖粗 定苗后，每隔7 d用卷尺測定各處理3個微小區(qū)標(biāo)記樣株的株高(從莖基部到生長點)；用游標(biāo)卡尺定期測定莖粗。

1.3.3 葉面積 定苗后，每隔7 d測量各處理3個微小區(qū)中標(biāo)記樣株的葉面積。測定植株完全展開的葉片最長和最寬處，并釆用長寬系數(shù)法進行計算，即將葉片長與寬相乘，累加求和后再乘以折算系數(shù)0.75。單株葉面積計算公式：

S=∑(L×B)×0.75

(1)

式中,S為單株葉面積(cm2)；∑為葉片總和；L為葉長(cm)；B為葉寬(cm)。

1.3.4 棉花產(chǎn)量 棉花吐絮期測定各處理籽棉重量，將小區(qū)產(chǎn)量換算成公頃產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 26軟件的方差分析對作物生長指標(biāo)及產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行顯著性差異分析，使用Origin 9.0軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同殘膜量對棉田土壤水分的影響

從圖2可知，不同生育時期各處理0～60 cm土層土壤剖面體積含水率變化規(guī)律基本一致，即隨著土層深度的增加土壤體積含水率增加；同一土層深度殘膜量越多體積含水率越少，其中0～20 cm土層體積含水率減少幅度較大，苗期T1、T2、T3、CK1、T4、T5、T6處理0～20 cm土壤體積含水率較CK2分別減少0.84%、3.00%、5.17%、6.87%、8.82%、10.73%、13.2%，蕾期分別減少2.01%、5.06%、9.94%、12.59%、14.32%、19.32%、22.35%，花鈴期分別減少3.83%、8.09%、11.63%、13.45%、16.12%、18.98%、22.16%，吐絮期分別減少2.22%、5.02%、7.22%、9.21%、11.10%、12.56%、14.99%；而20～60 cm土壤體積含水率差異不大。

圖2 不同殘膜量棉花各生育期土壤體積含水率變化情況

2.2 不同殘膜量對棉田土壤鹽分的影響

由于土壤鹽分降低主要時期在苗期及花鈴后期[28]，故本研究以花鈴期為例。由圖3可知，隨著土層的加深土壤含鹽量逐漸增多，至40 cm時達到最大；同一深度土層隨著殘膜量的增加含鹽量逐漸增加；隨著花鈴期灌水后天數(shù)的增加，土壤含鹽量表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢。在灌水后1 d,CK2、T1、T2、T3、T4和CK1處理土壤鹽分分布較均勻，T5、T6處理土壤鹽分均勻性差，即殘膜量為1 250 kg·hm-2及以上時，明顯影響土壤鹽分分布的均勻性；灌水后3 d，CK2、T1、T2、T3、CK1、T4、T5和T6處理土壤鹽分較灌水后1 d分別增加14.48%、8.04%、38.99%、32.49%、31.39%、28.40%、20.51%和12.90%，CK2、T1和T2處理鹽分分布較均勻；灌水后5 d，CK2、T1、T2、T3、CK1、T4、T5和T6處理土壤鹽分較灌水后3 d分別增加66.80%、60.62%、28.49%、24.14%、11.88%、1.70%、5.64%和8.81%；灌水后5 d內(nèi)CK2處理各土層深度含鹽量變化幅度較小，為2.16～7.76 g·kg-1，T1處理為1.98～8.09 g·kg-1，T2處理為2.17～7.37 g·kg-1，T3處理為2.15～8.88 g·kg-1，CK1處理為2.6～8.91 g·kg-1，T4處理為3.03～8.36 g·kg-1，T5處理為2.82～8.87 g·kg-1，T6處理為3.86～8.87 g·kg-1。

圖3 花鈴期不同殘膜量對棉田灌水后1、3、5 d土壤鹽分的影響

2.3 不同殘膜量對棉花株高、莖粗和葉面積的影響

由圖4A可知，殘膜量對棉花株高有顯著影響。各生育期T1(150 kg ·hm-2)處理棉花的株高最高，隨著殘膜量的增加株高逐漸減小。棉花苗期和蕾期CK2處理棉花株高較T2、T3、CK1、T4、T5、T6平均高7.91%、19.56%、27.94%、36.91%、44.39%、55.10%和1.83%、5.12%、8.51%、15.16%、27.89%、33.35%，苗期中各處理株高差異顯著，蕾期、花鈴期至吐絮期處理T1、T2、T3、CK1、CK2株高無顯著性差異或部分達到顯著性差異，處理T4、T5、T6株高差異顯著(P<0.05)。

圖4 不同殘膜量對棉花株高、莖粗和葉面積的影響

由圖4B可知，各生育期棉花莖粗隨殘膜量的增加逐漸減小，T1處理棉花莖粗最大。苗期各處理莖粗差異達到顯著性水平(P<0.05)。苗期和蕾期CK2處理莖粗分別比T2、T3、CK1、T4、T5、T6處理平均高4.44%、7.81%、11.86%、26.25%、35.98%、48.78%和0.46%、1.20%、3.88%、11.84%、17.98%、21.39%；蕾期、花鈴期至吐絮期T1、T2、T3、CK1、CK2處理莖粗無顯著性差異或部分達到顯著性差異，處理T4、T5、T6莖粗差異顯著(P<0.05)。

由圖4C可知，棉花生育前期生長速率快，生育中后期棉花由生殖生長轉(zhuǎn)為營養(yǎng)生長，葉面積減小，且全生育期隨殘膜量增加，棉花葉面積逐漸減小，T1處理棉花葉面積最大。苗期和蕾期T2、T3、CK1、T4、T5、T6處理較CK2處理葉面積平均低2.99%、6.91%、9.86%、18.43%、36.81%、57.62%和0.30%、1.64%、2.63%、9.73%、13.40%、19.54%；苗期各處理葉面積差異顯著(P<0.05)，蕾期、花鈴期至吐絮期T1、T2、T3、CK1、CK2處理葉面積無顯著性差異或部分達到顯著性差異，T4、T5、T6處理葉面積差異顯著(P<0.05)。全生育期來看，T1、T2、T3、CK1、CK2處理葉面積減小幅度較小，而T4、T5、T6處理葉面積減小幅度較大，表明高強度殘膜量對棉花葉面積影響較大。

2.4 不同殘膜量對棉花產(chǎn)量的影響

由表2可知，殘膜對棉花產(chǎn)量有顯著影響。T1處理產(chǎn)量顯著高于其他處理，T2、T3、CK1、T4、T5、T6處理產(chǎn)量分別較CK2處理降低0.47%、5.08%、7.04%、15.85%、26.32%、33.79%，CK2處理與T2處理無顯著差異，與CK1、T3、T4、T5、T6差異性顯著(P<0.05)。通過相關(guān)性分析，殘膜量與棉花產(chǎn)量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)(r=-0.987)。

表2 不同殘膜量對棉花產(chǎn)量的影響

3 討 論

3.1 不同殘膜量對棉田土壤水分的影響

殘膜的存在改變了土壤結(jié)構(gòu)，阻礙水分的運移，影響了土壤水分的均勻性。隨著土層深度的增加土壤體積含水率增加；同一土層殘膜量越多，體積含水率越少，其中0～20 cm土層體積含水率減少幅度較大，這是因為本試驗殘膜主要集中在0～20 cm土層，殘膜改變了土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤孔隙度，增大土壤容重，使土壤水分滯留在淺表層，在同等覆膜開孔率和蒸發(fā)強度下，棵間蒸發(fā)增加[29]，導(dǎo)致含水量減少；由于CK2處理為無殘膜處理，沒有殘膜的阻礙，土壤水分隨重力向下運移，0～20 cm土層體積含水率變化幅度不大。郭彥芬等[20]、杜利等[30]研究結(jié)果也表明不同殘膜處理條件下各生育期不同土層剖面含水量隨著土層深度的增加而逐漸增加，呈現(xiàn)出“S”形曲線的變化趨勢。

棉花生長初期0～20 cm土層土壤含水率較大，而到了棉花生長后期土壤表層體積含水率減少，這是因為生長初期由于作物需水較多，所以灌溉水量大，0～20 cm土層含水量高且變化幅度大；生育期結(jié)束后，棉花對土壤水分的需求減弱，灌溉水量減少，且由于殘膜的存在阻礙下層水分向上的運移，使得各處理20～60 cm土層體積含水率增大。

3.2 不同殘膜量對棉田土壤鹽分的影響

殘膜量越多，鹽分分布越不均勻，且隨殘膜量的增多土壤鹽分逐漸增多。分析認(rèn)為，殘膜的存在改變了土壤結(jié)構(gòu)，降低了水分分布的均勻性，進而導(dǎo)致土層中鹽分分布不均勻；殘膜量越多，土壤水分就越少，加上土壤水分對鹽分的淋洗作用[22]，殘膜處理的土層中土壤鹽分分布也不均勻，這與吳鳳全等[22]研究結(jié)果隨著殘膜量的增加土壤表層鹽分更易累積較為一致。

3.3 不同殘膜量對棉花株高、莖粗和葉面積的影響

全生育期棉花的株高、莖粗、葉面積表現(xiàn)為隨殘膜量的增加逐漸減小，各生長指標(biāo)在殘膜量為150 kg·hm-2達到最大，T1、T2、T3、CK1、CK2處理各指標(biāo)減小幅度較小，而T4、T5、T6處理其減小幅度較大，表明高強度殘膜量對棉花生長影響較大。當(dāng)殘膜量為150 kg ·hm-2時，殘膜的適度脅迫刺激了下層根系的生長[31]，根系分泌物增多，且適量的殘膜會增加抗逆性酶的含量，提高了土壤營養(yǎng)的轉(zhuǎn)化[32]，刺激根系生長，根系產(chǎn)生適應(yīng)性變化并逐漸發(fā)達，進而促進棉花生長；但當(dāng)殘膜量大于150 kg ·hm-2時，作物根系生長受到阻礙，且土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及微生物活性均受到抑制，進而影響棉花株高、莖粗、葉面積。這一發(fā)現(xiàn)與胡燦等[33]殘膜量大于200 kg ·hm-2時對棉花生長影響顯著類似；而李元橋等[31]試驗結(jié)果表明，當(dāng)殘膜量為90 kg·hm-2時，玉米株高最大，這可能是因為玉米是須根系作物，苗期須根多，與殘膜接觸面積大，因此受殘膜影響顯著；而棉花是直根系作物，苗期側(cè)根細小，與殘膜接觸面積小，故受殘膜的影響較小。苗期各處理株高、莖粗、葉面積差異顯著，蕾期、花鈴期至吐絮期T1、T2、T3、CK1、CK2處理各生長指標(biāo)差異無顯著性水平或部分達到顯著性水平，T4、T5、T6處理則差異顯著。分析認(rèn)為，棉花根系通過與土壤耕作層接觸，從土壤中吸收營養(yǎng)供棉花生長，棉花苗期作物根系不發(fā)達，抗逆性弱，對殘膜的穿透能力較差，根系生長受到抑制，無法從土壤中獲取大量營養(yǎng)，進而影響棉花生長發(fā)育[34]；生育后期棉花根系逐漸強壯，對殘膜的穿透性及抗逆性增強，可以正常吸取土壤營養(yǎng)進而對棉花生長的抑制減弱[20]。

3.4 不同殘膜量對棉花產(chǎn)量的影響

當(dāng)殘膜量為150 kg·hm-2時，棉花產(chǎn)量最大，說明少量殘膜存在可提高土壤含水率從而促進土壤微生物活性及酶活性，加上適度脅迫刺激了作物生長，因此提高了作物產(chǎn)量[32]；當(dāng)殘膜量大于150 kg·hm-2時，棉花產(chǎn)量逐漸降低，一方面是由于殘膜的影響，在不同程度上影響到了出苗率，出現(xiàn)缺苗斷壟現(xiàn)象[23]，另一方面殘膜在棉花生育前期抑制棉花根系的生長伸長，影響了根系對營養(yǎng)的吸收及水分的利用，從而阻礙了棉花的正常生長，進而降低了產(chǎn)量[34]。

4 結(jié) 論

(1)各生育期不同殘膜量處理0～60 cm土層剖面體積含水率隨土層深度的增加逐漸增大，且在同一土層深度，隨殘膜量的增加，土壤體積含水率呈下降趨勢；殘膜處理0～20 cm體積含水率較無殘膜處理變化幅度大，生育初期0～20 cm體積含水率較生育后期大。

(2)同一深度隨著殘膜量的增加土壤鹽分逐漸增加，殘膜量越多土壤鹽分分布越不均勻，且花鈴期灌水后1、3、5 d土壤鹽分表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢。

(3)全生育期棉花株高、莖粗、葉面積產(chǎn)量均隨殘膜量增加逐漸減小，當(dāng)殘膜量為150 kg·hm-2時棉花的株高、莖粗、葉面積最大，產(chǎn)量最高。

綜上所述，殘膜影響了土壤水分、鹽分的分布特性，影響土壤水分、鹽分含量及其均勻性；少量的殘膜會促進棉花的生長，使棉花產(chǎn)量得到提高，而當(dāng)殘膜量大于150 kg·hm-2時，棉花的生長發(fā)育受到抑制，產(chǎn)量降低，且土壤中殘膜越多，影響越大。因此，應(yīng)提高殘膜回收意識，重視殘膜污染問題，加強對地膜使用的管理，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。