殘膜污染對滴灌玉米土壤水分和根冠生長的影響

胡 琦,李仙岳,史海濱,陳 寧,張月紅

殘膜污染對滴灌玉米土壤水分和根冠生長的影響

胡 琦,李仙岳*,史海濱,陳 寧,張月紅

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

為充分分析殘膜量對河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,進一步認(rèn)識和評價殘膜污染的負(fù)面效應(yīng),制定合理的田間殘膜防治措施.2019～2020年在河套灌區(qū)九莊農(nóng)業(yè)綜合節(jié)水試驗站開展了2年田間試驗,設(shè)置0(CK)、150(T1)、300(T2)、450(T3)和600kg/hm2(T4)5個殘膜量處理,研究不同殘膜量對土壤水分、玉米葉片光合特性、根冠生長及產(chǎn)量的影響.結(jié)果表明,當(dāng)殘膜量在0～300kg/hm2范圍內(nèi),殘膜以阻滯水分入滲為主,增加了0～30cm土壤含水率;當(dāng)殘膜量3450kg/hm2時,水分阻隔效益減弱,同時產(chǎn)生優(yōu)先流,導(dǎo)致0～30cm土壤含水率減少.殘膜量增加還會降低玉米的光合性能,減少玉米根干重和冠層干物質(zhì)量,破壞根冠生長平衡,特別是在生育前期,與0kg/hm2處理相比,600kg/hm2處理苗期的根干重、干物質(zhì)量和根冠比分別平均減小48.66%、34.63%和18.17%.另外,殘膜污染的加劇嚴(yán)重影響了玉米產(chǎn)量形成和水分有效利用,600kg/hm2處理的產(chǎn)量和水分利用效率較0kg/hm2處理分別平均下降34.05%和28.85%.研究表明,殘膜污染持續(xù)加劇的情況下,會影響土壤水分入滲,降低玉米光合能力,抑制玉米生長,最終導(dǎo)致玉米減產(chǎn).因此,采取適當(dāng)?shù)霓r(nóng)田殘膜污染治理措施,有利于平衡根冠生長,改善光合性能,推進河套灌區(qū)膜下滴灌玉米農(nóng)田綠色可持續(xù)發(fā)展.

玉米；殘膜；土壤水分；光合作用；根系；干物質(zhì)積累

干旱半干旱地區(qū)采用地膜覆蓋技術(shù)已成為節(jié)水、保墑、高產(chǎn)的主要措施[1-3],隨著地膜覆蓋技術(shù)的推廣,農(nóng)用地膜使用量和覆膜面積逐年增加[4],從1992年到2019年,我國農(nóng)用地膜使用量增加了72.42%,地膜覆蓋面積增加了66.33%.由于農(nóng)用地膜的回收率較低,大多數(shù)殘留農(nóng)膜積累在土壤耕層[5].此外,農(nóng)用地膜主要原料為聚乙烯,這類材料特點是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,短期內(nèi)在土壤中難以降解[6].隨著覆膜連作年限的增加,土壤中殘膜累積量增加,污染面積不斷擴大[7],造成地力下降和環(huán)境污染等問題[8],對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一系列負(fù)面影響[9].

目前國內(nèi)外關(guān)于殘膜量對土壤水分和作物生長的影響開展大量研究[10-15].研究表明,殘膜量的增加會導(dǎo)致0～30cm土層的土壤含水率降低[10-13],如675kg/hm2殘膜量的土壤含水率下降9.04%[16],另外,過量的殘膜會增加土壤大孔隙比例,造成土壤水分優(yōu)先流現(xiàn)象的發(fā)生[17-18],進一步降低了土壤保水能力[10].同時,殘膜的存在也會改變根區(qū)環(huán)境[19],抑制根系擴展和分布[20],過量殘膜(3450kg/hm2)會降低根質(zhì)量密度、根長密度和根表面積密度等根系特征指標(biāo)[16,21].殘膜對根系的抑制作用會影響作物對水分和養(yǎng)分的吸收[22],影響地上部植株正常生長[23],降低干物質(zhì)積累量[20,24].當(dāng)殘膜量范圍在90～720kg/ hm2之間地上干物質(zhì)積累量降幅達到12.42%～ 38.94%[24].

光合作用是作物生長發(fā)育的基礎(chǔ),合成的有機物質(zhì)占作物總干重的90%左右,因此光合能力也影響了作物最終產(chǎn)量[25-27].殘膜對根系的影響大于冠層[23],導(dǎo)致根冠生長不均衡,潛在影響光合作用強弱[28].李卓然[29]等發(fā)現(xiàn)殘膜還會通過改變地溫間接影響光合速率.另外,過量的殘膜會產(chǎn)生水分脅迫,減弱作物的光合作用,最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)[30-31].林濤等[16]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)殘膜量達到900kg/hm2,籽棉產(chǎn)量和水分利用效率分別減小18.50%和13.69%.畢繼業(yè)等[32]通過模型評價分析表明當(dāng)?shù)啬じ采w技術(shù)連續(xù)使用36a后,地膜覆蓋的增產(chǎn)率將小于地膜殘留造成的減產(chǎn)率.雖然目前關(guān)于殘膜對產(chǎn)量效應(yīng)的直觀影響研究的比較多,但是從光合特性角度闡釋殘膜量與產(chǎn)量之間關(guān)系的研究較少.此外,造成作物減產(chǎn)的殘膜閾值會因作物類型、種植方式和種植區(qū)域的不同而產(chǎn)生較大差異[16,21,33],因此,需要探究河套灌區(qū)滴灌玉米土壤水分和生長生理特征對不同農(nóng)膜殘留量的響應(yīng)機制,提出適用于河套灌區(qū)的殘膜量閾值.

土壤水分與作物根冠生長密不可分,目前多集中于殘膜對土壤水分、根系或地上部生長影響的單一研究,對土壤水分及根冠互作的綜合研究較少,本研究考慮不同殘膜量水平下土壤水分狀況,分析殘膜對不同生育期玉米葉片光合性能的影響,通過描述根系與冠層在不同生育階段的動態(tài)變化,定量化分析殘膜對根冠生長的影響,旨在為揭示殘留地膜污染對作物生長及產(chǎn)量形成的影響提供理論依據(jù).

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在河套灌區(qū)巴彥淖爾市九莊農(nóng)業(yè)綜合節(jié)水試驗站進行(107°18′E,40°41′N),該地區(qū)屬于半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均降水量約為138mm,年平均潛在蒸發(fā)量超過1900mm,晝夜溫差大,日照時間長,多年日照時間平均為3229.9h,是中國日照時數(shù)較長的地區(qū)之一,該地區(qū)種植的主要農(nóng)作物是玉米和小麥.試驗區(qū)土壤類型為粉砂壤土,0～100cm土層平均容重為1.42g/cm3,2019和2020年播種前初始土壤體積含水率分別為0.32和0.31cm3/cm3,平均地下水位分別為2.28和1.48cm.5-9月降雨量分別為64.9和151mm(圖1).

1.2 試驗材料與設(shè)計

2019年和2020年分別在5月5日和5月4日播種,在9月24日和9月25日收獲.兩年種植作物均為玉米(鈞凱918),試驗小區(qū)田間管理、灌溉施肥措施均一致,均采用膜下滴灌灌水施肥,采用一膜一管兩行植株的種植模式,滴灌帶為單翼迷宮式,滴頭間距30cm,滴頭流量2.5L/h,覆蓋地膜寬80cm,厚度0.01mm,株距30cm,行距40cm,兩年灌水定額均為22.5mm,灌水次數(shù)均為8次,滴灌施肥采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常用肥.分別為尿素(N:46%)、過磷酸鈣(P2O5:12%)、硫酸鉀(K2O:50%),追肥為液體肥(尿素硝酸銨溶液,N:32%).參考當(dāng)?shù)赝扑]玉米滴灌施肥量300-200- 150kg/hm2(N-P2O5-K2O) ,基肥(尿素)通過覆膜施肥種植一體機撒施在土壤中,追肥通過施肥罐施用尿素硝酸銨溶液,整個生育期共施肥4次,每次施肥量占總施肥量分別為20%(苗期)、30%(拔節(jié)期)、30%(抽雄期)、20%(灌漿期).

通過對該區(qū)域的調(diào)查并參考文獻[12,26-27],覆膜滴灌區(qū)農(nóng)膜殘留主要分布在土壤耕層(0～30cm),殘膜可大致分為小膜(殘膜碎片面積<4cm2)、中膜(殘膜碎片面積為4～25m2)和大膜(殘膜碎片面積>25cm2)3個尺寸等級,分配比例約為7:2:1,殘膜量變化范圍為40～400kg/hm2,平均殘膜量為110kg/hm2,為了預(yù)測長期覆膜對土壤水分和作物生長的影響,參考?xì)埬ち颗c覆膜年限之間的線性關(guān)系= 5.55+47.84(2=0.871)[12],設(shè)置5個殘膜量處理,分別為0kg/hm2(CK),150kg/hm2(T1)、300kg/hm2(T2)、450kg/hm2(T3)和600kg/hm2(T4),模擬膜下滴灌玉米農(nóng)田連續(xù)覆膜0,18,45,72,100a的耕層殘膜量,每個處理設(shè)置3次重復(fù),采用隨機區(qū)組排列,每個處理試驗小區(qū)面積為75m2(長×寬為10m×7.5m).為了處理的一致性,選用新的白色聚乙烯塑料地膜(厚度為0.01mm),將地膜分割為4cm2(2cm×2cm)、25cm2(5cm×5cm)和64cm2(8cm× 8cm)3種大小的正方形,并根據(jù)小區(qū)面積計算對應(yīng)的殘膜量,以7:2:1的比例進行混合,然后用電子秤(精度:0.01g)稱重待用,在整地前先將碎膜均勻鋪撒在小區(qū)表面,再利用動力驅(qū)動耙將碎膜與0～30cm耕層土壤混勻,然后,通過人工檢查將混合不均勻的地方進行充分混勻,并利用土壤緊實度儀(型號:SC-900)測0～30cm土壤的緊實度,保證與田間土壤性質(zhì)基本一致.

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水率 玉米全生育期內(nèi)每7d測定1次,降雨或灌水后加測,采用土鉆分別在各處理小區(qū)膜間滴頭正下方的0～10、10～30、30～50、50～70和70～100cm處取樣,采用烘干稱質(zhì)量法進行土壤含水率測定.

1.3.2 葉片光合參數(shù) 在玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期的晴朗典型日,每個處理選擇生長狀態(tài)良好的玉米5株,每株玉米穗位選定3片葉子在上午09:00～11:00采用LI-6400便攜式光合作用測量系統(tǒng)測定葉光合特性,包括凈光合速率(n)、蒸騰速率(r)、氣孔導(dǎo)度(s),重復(fù)3次.葉片水分利用效率(WUEL)通過凈光合速率和蒸騰速率計算得到(WUEL=n/r).

1.3.3 根系、干物質(zhì)積累量及根冠比的測定 分別在苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期采用根鉆法取樣,采集不同垂直位置的根系樣本,根鉆內(nèi)徑為10cm.每小區(qū)隨機選取5株,從莖基部切除地上部植株,植株基部作為中心取樣點,隨后以植株基部為中心在植株左右各設(shè)置1個取樣點,共3個水平位置,垂直方向上以10cm為一層,分別取至無根系土層.將根系樣本中的雜物清除,裝入保鮮袋中保存后帶回室內(nèi),用水沖洗根系,掃描分析后將根系擦干水分裝進檔案袋后放入烘箱,在80℃下干燥至恒重,取出后用電子天平(精度:0.0001g)對根系進行稱重,得到根干重.

每個生育期將根系取樣時切除5株完整玉米作為地上部植株樣本,放入檔案袋,在烘箱內(nèi),105 ℃干燥0.5h殺青后,在80℃下烘干至恒重,用電子天平(精度:0.01g)稱取干物質(zhì)量.然后,將玉米地下根干重與地上干物質(zhì)量的比值作為根冠比.

1.3.4 產(chǎn)量測定 收獲時,每個處理選取一處樣方(樣方面積為3m×3m)進行考種,分別測量果穗數(shù)、穗行數(shù)、行粒數(shù),自然風(fēng)干后脫粒,測定百粒重和每株玉米的籽粒重,并折算為小區(qū)產(chǎn)量.

1.3.5 土壤水分利用效率的計算 通過測定土壤含水量計算全生育階段土壤儲水減少量(Δ):

式中:為總土層數(shù);為土層編號;為第層土壤容重,g/cm3;H為第層土壤厚度,cm;θ1和θ2分別為階段初和階段末的土壤質(zhì)量含水率,%.

根據(jù)水量平衡法計算田間耗水量(ET):

式中:ET為全生育期內(nèi)作物耗水量,mm;為降雨量,mm;為灌溉量,mm;Δ為土壤儲水量的變化量,mm;為地下水補給量和滲漏量,mm,通過負(fù)壓計進行監(jiān)測并運用達西公式計算.

最終計算水分利用效率(WUE):

式中:WUE為水分利用效率,kg/(mm·hm2);為玉米產(chǎn)量,kg/hm2.

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理,SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和檢驗,用Origin 8.5軟件制圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同殘膜量對土壤含水率的影響

土壤中隨機分布的殘膜改變了土壤水分,2019和2020年不同殘膜處理土壤含水率變化趨勢基本一致(表1),0～30cm土層,除了成熟期,土壤含水率均隨著殘膜量增加先增大后減小,但均高于無殘膜處理,T1、T2、T3和T4處理的土壤含水率較CK處理分別平均增加1.82%、9.25%、5.69%和5.00%,從450kg/hm2(T3)殘膜處理開始,土壤含水率雖然仍高于CK處理,但有所下降.成熟期,4個殘膜處理的土壤含水率均低于無殘膜處理,分別平均減少0.25%、2.55%、6.43%和6.85%,這是由于生育末期停止灌溉,棵間蒸發(fā)量增大,造成殘膜處理的土壤含水率均低于無殘膜處理;30～100cm土層,殘膜量增加,土壤含水率下降,T1、T2、T3和T4處理全生育階段的土壤含水率較CK處理分別平均減小1.17%、4.71%、11.30%和14.01%.另外,2020年的降雨量遠(yuǎn)高于2019年,且多集中在玉米生育后期,其中8月份降雨量高達81.1mm,水分的集中入滲增加了其自身的重力勢能,會通過殘膜-土壤空隙產(chǎn)生優(yōu)先流,向深層土壤運輸水分,2020年灌漿期表現(xiàn)最明顯,T3和T4處理在0～30cm土壤含水率與CK處理差異不顯著(>0.05),分別增加1.98%和1.13%,在30～100cm土壤含水率與CK處理差異減小,降幅分別為6.19%和7.09%,表明當(dāng)土壤中殘膜增加到一定程度,過量的水分入滲會產(chǎn)生優(yōu)勢水流,將水分更多的運移到深層土壤.

表1 2019和2020年不同殘膜量水平下土壤含水率(%)

注:VE、V6、VT、R3和R6分別代表玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期,下同.

2.2 不同殘膜量對玉米葉片光合特性的影響

不同殘膜量水平下玉米葉片凈光合速率(n)、蒸騰速率(r)、氣孔導(dǎo)度(s)和葉片水分利用率(WUEL)均呈單峰變化規(guī)律(圖2).隨著殘膜量增加,n、r、s和WUEL均有不同程度的降低,殘膜處理(T1、T2、T3、T4)的n、r、s和WUEL較CK處理分別平均下降22.68%、17.34%、18.68%和6.81%.雖然殘膜的阻滯作用增加土壤表層水分,但當(dāng)殘膜量達到一定程度,增幅并不顯著,同時因為殘膜與根系直接接觸,嚴(yán)重阻礙了根系生長,影響根系對水分的吸收,不利于光合作用,因此殘膜處理的光合能力下降.苗期至抽雄期,殘膜顯著減少了n、r、s,與CK處理相比,T1處理的n、r、s分別平均減少6.98%、6.63%和5.69%;T2處理分別平均減少15.56%、12.75和15.01%;T3處理分別平均減少30.81%、22.17%和24.68%;T4處理分別平均減少36.90%、27.75%和11.66%,此時,當(dāng)殘膜量為150kg/hm2(T1)時,光合性能就出現(xiàn)明顯下降,而當(dāng)殘膜量增加為450和600kg/hm2時,n和r在抽雄期出現(xiàn)了斷層式下降.另外,不同殘膜處理的WUEL均在灌漿期達到峰值,因為該時期是籽粒形成期,WUEL的增大有利于產(chǎn)生更多的光合產(chǎn)物并將其轉(zhuǎn)移到籽粒庫,T1、T2、T3和T4處理的WUEL較CK處理分別平均降低-0.75%、4.17%、11.60%和15.88%,說明輕度的殘膜脅迫可能會促使玉米產(chǎn)生抗逆性,維持作物正常生長,但過高的殘膜量導(dǎo)致作物產(chǎn)生不可逆的生理脅迫反應(yīng).玉米從抽雄期至成熟期,玉米光合性能逐漸降低,在成熟期降至最低,該時期殘膜處理的水分明顯低于無殘膜處理,且較高殘膜量處理的玉米出現(xiàn)早衰,提前停止光合作用,T4處理的n、r、s和WUEL分別減小37.17%、29.92%、31.30%和10.83%.

圖2 2019和2020年殘膜對玉米光合性能的影響

2.3 不同殘膜量對玉米根冠生長的影響

2.3.1 不同殘膜量對玉米根干重的影響不同殘膜處理均減少玉米根干重(圖3),特別是在0～30cm土層,T1、T2、T3和T4殘膜處理較CK處理分別平均降低6.14%、13.95%、28.46%和32.35%,當(dāng)殘膜量高于300kg/hm2(T2),根干重會出現(xiàn)大幅下降,對作物根長產(chǎn)生不可逆的脅迫影響.在不同生育階段,殘膜對根干重的影響略有不同,總體上,2年均表現(xiàn)為殘膜對生育前期根干重的影響大于生育后期,且在抽雄期根干重受殘膜影響最小.不同殘膜處理的根干重在苗期差異最大,T1、T2、T3和T4處理的根干重較CK處理分別平均減少16.99%、28.63%、41.51%和48.66%,苗期根系弱小,隨機分布的殘膜會包裹根系,細(xì)小的根系無法穿透殘膜繼續(xù)生長,導(dǎo)致根干重下降.生育期推進到抽雄期,與CK處理相比,T1、T2、T3和T4處理的根干重分別平均減小2.88%、7.57%、19.57%和23.44%,T1處理的根干重與CK處理之間無顯著差異(>0.05),其它殘膜處理的根干重降幅雖然有所減小,但仍保持顯著水平(<0.05),這是因為殘膜處理(T2、T3、T4)光合能力的下降無法保障根系干物質(zhì)的有效積累.玉米進入成熟期后,T1、T2、T3和T4處理根干重分別平均減小7.18%、17.02%、31.72%和37.37%,根系受殘膜影響會出現(xiàn)早衰,根干重再次出現(xiàn)大幅下降,但降幅小于苗期殘膜處理的降幅,說明殘膜對生育初期根系的負(fù)面影響最大,隨著作物生長,低殘膜量處理(150kg/hm2)根系會產(chǎn)生抗逆性維持正常生長,而高殘膜量處理(450,600kg/hm2)根系受殘膜長期脅迫,抑制生長.

圖3 2019和2020年不同殘膜量水平下玉米根干重分布

圖4 2019和2020年殘膜對玉米干物質(zhì)量的影響

2.3.2 不同殘膜量對玉米干物質(zhì)積累的影響 不同殘膜量處理的干物質(zhì)量均隨著生育期的推進而增大,這表明殘膜并沒有改變玉米冠層生長的總體趨勢.隨著殘膜量增加,玉米干物質(zhì)量呈下降趨勢(圖4),T1、T2、T3和T4處理較CK處理分別平均下降3.99%、7.79%、13.45%和15.82%.不同殘膜量處理在苗期差異最大,T1、T2、T3和T4處理的地上部干物質(zhì)量較CK處理分別平均減小6.99%、17.97%、30.25%和34.63%,苗期玉米根系受殘膜脅迫影響降低了對水肥的吸收能力.隨著生育期推進,不同殘膜處理間干物質(zhì)量的差異逐漸減小,其中在抽雄期差異最小,與CK處理相比,T1、T2、T3和T4處理分別平均減小2.73%、4.51%、8.87%和10.94%,而在成熟期,與無殘膜處理(CK)相比,殘膜處理的干物質(zhì)量降幅增加,分別為4.24%、7.47%、12.61%和15.03%,該時期殘膜處理的土壤水分降低,光合能力減弱,導(dǎo)致地上干物質(zhì)量大幅下降.

2.3.3 不同殘膜量對玉米根冠比的影響 根冠比反映了根冠之間平衡狀態(tài),殘膜打破根冠生長平衡,降低玉米根冠比(圖5),T1、T2、T3和T4處理的根冠比較CK處理分別平均下降2.95%、7.00%、15.59%和18.17%.苗期,T1、T2、T3和T4處理的根冠比較CK處理分別平均下降10.97%、13.21%、16.42%和21.59%,T1處理僅在該時期與CK處理存在顯著差異(<0.05),該時期是根系生長主要階段,由于殘膜的阻礙作用,根系無法正常生長,最終導(dǎo)致根冠比的顯著下降.抽雄期至成熟期,T3和T4處理的根冠比下降幅度持續(xù)增加,并在成熟期達到最大,分別為21.91%和26.33%.

圖5 2019和2020年不同殘膜量水平下玉米根冠比動態(tài)變化

2.4 不同殘膜量對玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

玉米產(chǎn)量隨著殘膜量增加而減少,殘膜量越大,降低幅度越大(表2).T1、T2、T3和T4處理較CK處理分別平均下降3.61%、17.35%、29.84%和34.05%.發(fā)現(xiàn)殘膜量為300kg/hm2(T2)時產(chǎn)量開始出現(xiàn)顯著下降.對于玉米行數(shù)和行粒數(shù),僅當(dāng)殘膜量為450kg/hm2(T3)和600kg/hm2(T4)時與CK處理出現(xiàn)了顯著差異(<0.05),行數(shù)分別降低10.51%和12.20%,行粒數(shù)分別降低9.07%和10.73%,T2處理的百粒重較CK處理下降8.72%(<0.05),表明T2處理產(chǎn)量降低的主要原因是由于百粒重的顯著下降.另外,殘膜減小了玉米的耗水量和水分利用效率(WUE),T3和T4處理的耗水量較CK處理顯著下降,分別降低6.29%和7.24%.與CK處理相比,T1處理的WUE平均減小2.54%(>0.05),T2、T3和T4處理的WUE分別平均減少14.42.%、25.10%和28.85%(<0.05).

表2 2019和2020年殘膜對玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

3 討論

3.1 殘膜污染對土壤水分的影響

殘膜在土壤中的隨機分布會改變土壤原有結(jié)構(gòu)[10],影響土壤水分的入滲和分布[12],劉子涵等[11]研究表明殘膜量的增加會明顯減小土壤濕潤體,增強殘膜的阻水效應(yīng),當(dāng)殘膜量超過100kg/hm2時,殘膜對土壤水分的阻滯作用會顯著增強[10].另外,Li等[18]研究發(fā)現(xiàn),殘膜量高達720kg/hm2時,增加了土壤的大孔隙占比,濕潤鋒的運移速率加快,土壤優(yōu)先流現(xiàn)象明顯.本研究通過田間試驗得出結(jié)果表明,殘膜對土壤水分存在阻滯和優(yōu)先流動雙重影響,當(dāng)殘膜量在0～300kg/hm2區(qū)間,殘膜對水分主要是阻滯作用,增加了殘膜區(qū)(0～30cm)土壤含水率;當(dāng)殘膜量達到450,600kg/hm2,殘膜對水分仍存在阻滯作用,但是也產(chǎn)生了優(yōu)先流,殘膜區(qū)土壤含水率的增加幅度降低,表明高殘膜量情況下易發(fā)生水分滲漏.制定農(nóng)膜殘留農(nóng)田灌溉用水管理措施時,應(yīng)該少量多次滿足根區(qū)水分需求,防止水分滲漏.本文出現(xiàn)優(yōu)先流現(xiàn)象的殘膜量與Li等[18]得出的結(jié)論(720kg/hm2)有所不同,具體原因是本研究進行的是田間試驗,與其滴頭流量有所不同,同時還存在降雨的影響,由于入滲水量的不同也會對優(yōu)先流的發(fā)育程度產(chǎn)生影響[35],故出現(xiàn)優(yōu)先流的殘膜臨界值有所不同.

3.2 殘膜污染對玉米光合性能的影響

在自然條件下,玉米的光合作用隨外部環(huán)境的變化而變化,具有明顯的不穩(wěn)定性[36].于文穎等[37]在東北地區(qū)研究發(fā)現(xiàn),玉米葉片為適應(yīng)水分虧缺,選擇關(guān)閉或暫時關(guān)閉氣孔,導(dǎo)致玉米葉片整體光合速率、氣孔導(dǎo)度等指標(biāo)均較對照顯著下降.

本研究中也有相似的結(jié)論,殘膜作為一種外界物質(zhì)進入土壤后,對土壤環(huán)境和作物生長產(chǎn)生了雙重脅迫效應(yīng),降低根區(qū)土壤水分分布均勻性,抑制根系生長,影響冠層生長,從而導(dǎo)致光合能力下降.殘膜處理(T1、T2、T3、T4)的n、r、s和WUEL較CK處理分別平均下降22.68%、17.34%、18.68%和6.81%.此外,本研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)殘膜量￡300kg/hm2時,玉米植株在生育后期出現(xiàn)了補償效應(yīng)[38],光合性能有所改善,而當(dāng)殘膜量3450kg/hm2,玉米的光合性能會持續(xù)下降,尤其在抽雄期,n和r會出現(xiàn)斷層式下降,因為該時期根系最大深度為80cm,深層土壤水分虧缺,根系在水分和殘膜雙重脅迫下無法正常生長,關(guān)閉氣孔,光合作用停止[38],打破了植株體內(nèi)的生理平衡.

3.3 殘膜污染對玉米根冠生長及產(chǎn)量的影響

土壤中的殘膜柔韌性較強,易與作物根系發(fā)生纏繞,降低根系對水肥的吸收能力,影響作物冠層生長和產(chǎn)量形成.林濤等[16]通過殘膜對根系構(gòu)型的研究發(fā)現(xiàn)殘膜量增加會顯著降低0～30cm土層棉花根系質(zhì)量、根長密度、根系體積等形態(tài)指標(biāo).本研究發(fā)現(xiàn)150kg/hm2殘膜處理玉米根干重就表現(xiàn)出顯著降低,且殘膜對苗期的根系生長影響最大,根干重降幅高達16.99%.殘膜對玉米冠層的影響與根系相似,不同之處在于150,300kg/hm2殘膜處理隨著玉米植株逐漸強壯,對殘膜產(chǎn)生了一種適應(yīng)性變化[23],縮小了與無殘膜處理的干物質(zhì)量差異,450,600kg/hm2殘膜處理無法進行逆境調(diào)節(jié),干物質(zhì)量顯著下降.高維常等[39]也有類似的結(jié)論,殘膜量為450kg/hm2,烤煙地上部干物質(zhì)量顯著降低.殘膜根系和冠層生長的影響導(dǎo)致根冠比失衡,表現(xiàn)為降低玉米根冠比,尤其在抽雄期以后,450,600kg/hm2殘膜處理根冠比降幅持續(xù)增加[40],從而降低作物產(chǎn)量和水分利用效率,當(dāng)殘膜量3300kg/hm2時,雖然減少了玉米耗水量,但是產(chǎn)量和水分利用效率也顯著減少,原因可能是殘膜增加了土壤表層水分蒸發(fā),不利于水分的有效利用[40].綜上表明,需要采取合理的膜下滴灌玉米農(nóng)田凈土措施,將殘膜量控制在150kg/hm2以內(nèi),降低殘膜污染對作物生長的負(fù)面影響,減輕河套灌區(qū)發(fā)展為重度殘膜污染區(qū)的風(fēng)險[34].

雖然本研究是基于兩年田間試驗的試驗結(jié)果,且有一定的規(guī)律性,但本研究中的殘膜是采用新的塑料地膜裁剪后直接放置在土壤中,未考慮到實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中殘膜受到自身降解、風(fēng)化、農(nóng)機具破壞等因素影響.因此,本研究未來將開展長期定位試驗,進一步驗證真實農(nóng)膜殘留對土壤水分及根冠生長對殘膜的影響.另外,本研究僅開展了殘膜對膜下滴灌玉米農(nóng)田影響的研究,對此,將在今后的研究中進一步完善殘膜對不同作物種類及灌溉方式的相關(guān)研究.

4 結(jié)論

4.1 苗期-灌漿期,殘膜處理0～30cm土壤含水率高于無殘膜處理,150、300、450和600kg/hm2處理較0kg/hm2處理分別平均增加1.82%、9.25%、5.69%和5.00%.成熟期,土壤含水率隨著殘膜量增加而降低.此外,降雨和灌溉水的集中入滲使得450和600kg/hm2處理產(chǎn)生優(yōu)先流,降低0～30cm土壤含水率增幅,2020年灌漿期,僅分別增加1.98%和1.13%.

4.2 殘膜量增加會降低玉米葉片光合速率(n)、蒸騰速率(r)、氣孔導(dǎo)度(s)和葉片水分利用率(WUEL),4個殘膜處理的n、r、s和WUEL較0kg/hm2處理分別平均下降22.68%、17.34%、18.68%和6.81%.當(dāng)殘膜量￡300kg/hm2時,隨著玉米植株生長,生育后期會出現(xiàn)補償效應(yīng),光合性能有所改善;當(dāng)殘膜量3450kg/hm2,玉米光合性能在抽雄期出現(xiàn)斷層式下降后持續(xù)減弱.

4.3 殘膜對生育前期根干重和地上部干物質(zhì)量的影響大于生育后期,特別是在苗期,150,300,450, 600kg/hm2處理的根干重較0kg/hm2處理分別平均減少16.99%、28.63%、41.51%和48.66%,干物質(zhì)量分別減小6.99%、17.97%、30.25%和34.63%.另外,殘膜降低了玉米根冠比,4個殘膜處理分別平均下降2.95%、7.00%、15.59%和18.17%.

4.4 當(dāng)殘膜量3300kg/hm2,殘膜顯著降低玉米產(chǎn)量和水分利用效率,與0kg/hm2處理相比.300、450和600kg/hm2處理的產(chǎn)量分別平均下降17.35%、29.84%和34.05%,水分利用效率分別平均下降14.42%、25.10%和28.85%.

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Effects of residual plastic film pollution on soil water content and root-shoot growth of maize under drip irrigation condition.

HU Qi, LI Xian-yue*, SHI Hai-bin, CHEN Ning, ZHANG Yue-hong

(College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China)., 2023,43(11)：5944～5953

To evaluate the impact ofthe residual plastic film (RPF) amounts on agricultural production, a two-year field experiment was conducted during 2019 and 2020 in Jiuzhuang Agricultural Comprehensive Water-saving Experimental Station, Hetao Irrigation District. The variations of SWC, photosynthetic performance, root-shoot growth, and crop yield were analyzed under different RPF amounts with 0 (CK), 150 (T1), 300 (T2), 450 (T3), and 600kg/hm2(T4). Moreover, a reasonable field management strategy was formulated. The results showed that SWC in the 0～30cm soil layer under the RPF amount of 0～300kg/hm2was increased due to the reduction of water infiltration caused by the RPF. However, SWC in the 0～30cm soil layer under the RPF amount with3450kg/hm2was decreased due to the formation of preferential flow. Meanwhile, the maize photosynthetic performance, maize root-shoot dry weight, and the root-shoot growth rate were decreased under high RPF amount (3450kg/hm2), especially in the early crop growth stage. The root dry weight, shoot dry weight, and the root-shoot ratio under the T4 treatment were 48.66%, 34.63%, and 18.17% lower than that of the CK, respectively. Additionally, crop yield and water use efficiency (WUE) were limited by the RPF. Crop yield and WUE under the T4treatment decreased by 34.05% and 28.85% compared with that of the CK, respectively. In general, the increase of RPF amount resulted in the decreases of soil water infiltration, maize photosynthetic capacity, maize growth, and maize yield. Therefore, it is of great necessity to determine a reason management strategy for RPF pollution. The reason management strategy would increase root and shoot growth, improve photosynthetic performance, and promote the green sustainable development of the dripped irrigation field under plastic film mulching in Hetao Irrigation District.

maize；residual plastic film；soil water content；photosynthesis；root；dry matter accumulation

X171.5

A

1000-6923(2023)11-5944-10

胡 琦(1994-),女,內(nèi)蒙古莫旗人,內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究.huqi94@126.com.

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Hu Q, Li X Y, Shi H B, et al. Effects of residual plastic film pollution on soil water content and root-shoot growth of maize under drip irrigation condition [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):5944-5953.

2023-03-10

內(nèi)蒙古科技計劃項目(2022YFHH0039);國家自然科學(xué)基金資助項目(52079064,51969024);內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)杰出青年科學(xué)基金培育項目(BR220302);內(nèi)蒙古自治區(qū)草原英才項目(CYYC012048)

* 責(zé)任作者, 教授, lixianyue80@126.com