不同残膜量对土壤水盐运移及棉花生长发育的影响

李玉环,何新林,杨丽莉,王禹植,徐 阳

(1.石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832000；2.石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室,新疆 石河子 832000)

农田中应用薄膜覆盖具有增温保墒、提高水分利用率和光利用率、保持土壤养分、提高微生物活性、抑制杂草和防治病虫害等作用，可促进作物增产增收[1-6]。20世纪70年代，我国首次引入地膜覆盖栽培技术[7-8]，其广泛应用提高了农业生产力，使我国农业得到了快速发展[9]。地膜覆盖栽培技术使粮食作物增产20%～35%左右，经济作物增产20%～60%[10]。随着地膜覆盖技术的广泛应用，中国已经成为地膜覆盖面积最大、使用量最多的国家之一[11]，尤其是在我国干旱半干旱地区更是大面积用于作物栽培，并呈现逐渐增长趋势[12]。

随着地膜覆盖技术的广泛应用，一些环境问题也逐渐产生。由于地膜是高分子有机聚合物，分子结构稳定，在自然条件下很难降解[13]，且地膜回收效率低，导致其大量残留在土壤中，对农田土壤环境造成污染[14]，降低农民收益。新疆地区地处我国干旱区，目前是我国地膜使用最多的地区[15]，因此研究新疆残膜污染具有代表性。据1998—2018年《中国农村统计年鉴》数据显示，1998年新疆地膜使用量为8.67×104t，2018年上升到2.38×105t；1998年新疆地膜覆盖面积为1 305万hm2，2018年增至3 511万hm2。新疆地膜残留量在42～540 kg·hm-2之间，平均残留量在200 kg·hm-2以上。残膜在土壤中不断累积，破坏了耕作层土壤结构，降低孔隙率，影响土壤通透性，阻碍水肥运移，影响土壤养分的转化和降低微生物活性，进而阻碍了作物的生长发育，已经对农业环境和作物生长构成重大威胁[17-19]。

已有大量学者针对残膜影响下的土壤理化性质和作物生长开展大量研究。郭彦芬等[20]研究认为残膜严重影响土壤水分运移，尤其是0～40 cm 土层含水量受残膜影响更为明显。常芳红[21]研究指出，当残膜量达到1 020 kg·hm-2时20～30 cm 土层中水分降低7.2%，且0～30 cm水分均匀性降低。吴凤全等[22]研究表明，残膜致使土壤水盐分布不均，灌水后第1、3、5 d土壤盐分特性表现为无残膜处理盐分随时间逐渐降低，且分布均匀，而225 kg·hm-2残膜量处理盐分均匀性最差。耿智广等[23]研究认为残膜可降低玉米和胡麻的出苗率，玉米的株高和叶面积在残膜量0～540 kg·hm-2时逐渐升高，而胡麻的株高先增大后减小；残膜量为 720 kg·hm-2时显著降低了作物干物质积累。同时众多研究表明，高残膜量会造成作物减产，例如，辛静静等[24]研究结果表明，180～720 kg·hm-2残膜量可导致玉米产量降低2.2%～10.9%。蒋兆霞[25]对新疆生产建设兵团棉田残膜污染调查结果显示，残膜降低了棉花出苗率、单位面积铃数、单铃重，籽棉产量。

为了探究不同残膜量对棉田土壤水盐迁移分布的影响及其对棉花株高、茎粗、叶面积和产量影响差异显著的残膜量阈值，本文设置不同残膜量梯度，对棉花各个生育阶段土壤水分、株高、茎粗、叶面积、产量及花铃期灌水后1、3、5 d土壤盐分分布特征进行研究，为提高棉花产量、防治残膜的污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

大田试验于2019年4月1日—2021年10月1日在石河子大学干旱区绿洲农业节水灌溉重点实验室进行，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，平均蒸发量1 660 mm，年平均风速1.5 m·s-1；试验小区面积11.6 m×16.2 m，试验田地下水埋深大于5 m，土壤质地为中壤土，物理粘粒含量(粒径<0.01 mm)大于20%。

1.2 试验设计

课题组前期研究发现，在多年连续覆膜条件下，残膜量Mf(kg·hm-2)与残膜年限X之间存在线性关系：Mf=15.69X+72.54。根据该研究结果，设置8个残膜量梯度，即150 kg·hm-2(T1，覆膜年限为5 a)、230 kg·hm-2(T2, 覆膜年限为10 a)、465 kg·hm-2(T3, 覆膜年限为25 a)、512 kg·hm-2(CK1, 覆膜年限为28 a)、857 kg·hm-2(T4, 覆膜年限为50 a)、1 250 kg·hm-2(T5, 覆膜年限为75 a)、1 640 kg·hm-2(T6, 覆膜年限为100 a)、0 kg·hm-2(CK2, 覆膜年限为0 a)；分析不同残膜量对棉田土壤水盐、株高、茎粗、叶面积及产量的影响。每个处理中设置3个微小区，作为试验的3次重复。试验所用地膜均为新疆天业公司生产, 厚度0.008 mm，为高分子有机聚合物材料，其分子结构稳定，在自然条件下很难降解，降解周期为200～400 a，很难与土壤发生反应[26]，故掺入人工裁剪的地膜可与实际环境相当。经过调查，研究区残留地膜主要集中在0～40 cm土层，其中残膜面积为4 cm2及以下的数量最多，占总量的80%以上，残膜单片面积越大，其残膜数量越少，0～10、10～30 cm和30～40 cm土层残膜所占比率分别约为29%、60%和11%[27]。因此，本试验中将地膜统一裁剪成面积为2 cm×2 cm的方形残膜，以消除地膜尺寸对试验的影响，试验前将地里原来残留的地膜捡拾干净，0～10、10～30和30～40 cm土层按3∶6∶1将人工剪碎的残膜分量均匀混入土壤中。处理之间埋设50 cm深度的防水帆布，以消除各处理之间的水肥相互干扰及作物根系缠绕的影响。

残膜量与覆膜年限的线性关系及残膜分布特征由课题组于2019年7月—2020年2月在玛纳斯流域取样测得，该流域棉田归属兵团下属团场统一管理,连续覆膜种植棉花，灌水施肥制度相同，农艺措施、种植方式和地膜回收情况均一致；人工裁剪的地膜在2019年3月掺入大田，于4月播种，并于2019年10月收获，第二年3月再次掺膜，4月播种，并于2021年10月收获，本试验周期为2 a，本试验数据分析均为两年试验数据平均值。种植棉花品种为‘东盛1442号’，种植模式示意图如图1所示，采用膜下滴灌一膜两管四行的种植模式，膜宽1.6 m，行间60 cm，膜间30 cm。所有处理施肥量与灌水量取同一水平，灌溉定额为4 500 m3·hm-2。在生长期间分别追施尿素、磷酸二氨、硫酸钾3种肥料，灌水次数以及3种肥料的滴施次数、时间和比例见表1。每株棉花在花铃期打顶，其他管理措施与当地农民日常方法相同。

表1 棉花各生育期灌水施肥次数与比例

图1 棉花种植模式示意图

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分和盐分 在棉花各生育期灌水前1 d利用德国IMKO公司TRIME TDR系列土壤水分仪TRIME-PICO-IPH TDR剖面土壤水盐测量仪在预先埋设好的Trime管中分层测定各处理膜间宽行、膜间窄行及裸地0～60 cm土层的土壤含水率和含盐率。

1.3.2 株高和茎粗 定苗后，每隔7 d用卷尺测定各处理3个微小区标记样株的株高(从茎基部到生长点)；用游标卡尺定期测定茎粗。

1.3.3 叶面积 定苗后，每隔7 d测量各处理3个微小区中标记样株的叶面积。测定植株完全展开的叶片最长和最宽处，并釆用长宽系数法进行计算，即将叶片长与宽相乘，累加求和后再乘以折算系数0.75。单株叶面积计算公式：

S=∑(L×B)×0.75

(1)

式中,S为单株叶面积(cm2)；∑为叶片总和；L为叶长(cm)；B为叶宽(cm)。

1.3.4 棉花产量 棉花吐絮期测定各处理籽棉重量，将小区产量换算成公顷产量。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2016软件进行数据处理，采用SPSS 26软件的方差分析对作物生长指标及产量数据进行显著性差异分析，使用Origin 9.0软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同残膜量对棉田土壤水分的影响

从图2可知，不同生育时期各处理0～60 cm土层土壤剖面体积含水率变化规律基本一致，即随着土层深度的增加土壤体积含水率增加；同一土层深度残膜量越多体积含水率越少，其中0～20 cm土层体积含水率减少幅度较大，苗期T1、T2、T3、CK1、T4、T5、T6处理0～20 cm土壤体积含水率较CK2分别减少0.84%、3.00%、5.17%、6.87%、8.82%、10.73%、13.2%，蕾期分别减少2.01%、5.06%、9.94%、12.59%、14.32%、19.32%、22.35%，花铃期分别减少3.83%、8.09%、11.63%、13.45%、16.12%、18.98%、22.16%，吐絮期分别减少2.22%、5.02%、7.22%、9.21%、11.10%、12.56%、14.99%；而20～60 cm土壤体积含水率差异不大。

图2 不同残膜量棉花各生育期土壤体积含水率变化情况

2.2 不同残膜量对棉田土壤盐分的影响

由于土壤盐分降低主要时期在苗期及花铃后期[28]，故本研究以花铃期为例。由图3可知，随着土层的加深土壤含盐量逐渐增多，至40 cm时达到最大；同一深度土层随着残膜量的增加含盐量逐渐增加；随着花铃期灌水后天数的增加，土壤含盐量表现为逐渐增加的趋势。在灌水后1 d,CK2、T1、T2、T3、T4和CK1处理土壤盐分分布较均匀，T5、T6处理土壤盐分均匀性差，即残膜量为1 250 kg·hm-2及以上时，明显影响土壤盐分分布的均匀性；灌水后3 d，CK2、T1、T2、T3、CK1、T4、T5和T6处理土壤盐分较灌水后1 d分别增加14.48%、8.04%、38.99%、32.49%、31.39%、28.40%、20.51%和12.90%，CK2、T1和T2处理盐分分布较均匀；灌水后5 d，CK2、T1、T2、T3、CK1、T4、T5和T6处理土壤盐分较灌水后3 d分别增加66.80%、60.62%、28.49%、24.14%、11.88%、1.70%、5.64%和8.81%；灌水后5 d内CK2处理各土层深度含盐量变化幅度较小，为2.16～7.76 g·kg-1，T1处理为1.98～8.09 g·kg-1，T2处理为2.17～7.37 g·kg-1，T3处理为2.15～8.88 g·kg-1，CK1处理为2.6～8.91 g·kg-1，T4处理为3.03～8.36 g·kg-1，T5处理为2.82～8.87 g·kg-1，T6处理为3.86～8.87 g·kg-1。

图3 花铃期不同残膜量对棉田灌水后1、3、5 d土壤盐分的影响

2.3 不同残膜量对棉花株高、茎粗和叶面积的影响

由图4A可知，残膜量对棉花株高有显著影响。各生育期T1(150 kg ·hm-2)处理棉花的株高最高，随着残膜量的增加株高逐渐减小。棉花苗期和蕾期CK2处理棉花株高较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%，苗期中各处理株高差异显著，蕾期、花铃期至吐絮期处理T1、T2、T3、CK1、CK2株高无显著性差异或部分达到显著性差异，处理T4、T5、T6株高差异显著(P<0.05)。

图4 不同残膜量对棉花株高、茎粗和叶面积的影响

由图4B可知，各生育期棉花茎粗随残膜量的增加逐渐减小，T1处理棉花茎粗最大。苗期各处理茎粗差异达到显著性水平(P<0.05)。苗期和蕾期CK2处理茎粗分别比T2、T3、CK1、T4、T5、T6处理平均高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、花铃期至吐絮期T1、T2、T3、CK1、CK2处理茎粗无显著性差异或部分达到显著性差异，处理T4、T5、T6茎粗差异显著(P<0.05)。

由图4C可知，棉花生育前期生长速率快，生育中后期棉花由生殖生长转为营养生长，叶面积减小，且全生育期随残膜量增加，棉花叶面积逐渐减小，T1处理棉花叶面积最大。苗期和蕾期T2、T3、CK1、T4、T5、T6处理较CK2处理叶面积平均低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%；苗期各处理叶面积差异显著(P<0.05)，蕾期、花铃期至吐絮期T1、T2、T3、CK1、CK2处理叶面积无显著性差异或部分达到显著性差异，T4、T5、T6处理叶面积差异显著(P<0.05)。全生育期来看，T1、T2、T3、CK1、CK2处理叶面积减小幅度较小，而T4、T5、T6处理叶面积减小幅度较大，表明高强度残膜量对棉花叶面积影响较大。

2.4 不同残膜量对棉花产量的影响

由表2可知，残膜对棉花产量有显著影响。T1处理产量显著高于其他处理，T2、T3、CK1、T4、T5、T6处理产量分别较CK2处理降低0.47%、5.08%、7.04%、15.85%、26.32%、33.79%，CK2处理与T2处理无显著差异，与CK1、T3、T4、T5、T6差异性显著(P<0.05)。通过相关性分析，残膜量与棉花产量呈极显著负相关(P<0.01)，相关系数(r=-0.987)。

表2 不同残膜量对棉花产量的影响

3 讨 论

3.1 不同残膜量对棉田土壤水分的影响

残膜的存在改变了土壤结构，阻碍水分的运移，影响了土壤水分的均匀性。随着土层深度的增加土壤体积含水率增加；同一土层残膜量越多，体积含水率越少，其中0～20 cm土层体积含水率减少幅度较大，这是因为本试验残膜主要集中在0～20 cm土层，残膜改变了土壤结构，降低土壤孔隙度，增大土壤容重，使土壤水分滞留在浅表层，在同等覆膜开孔率和蒸发强度下，棵间蒸发增加[29]，导致含水量减少；由于CK2处理为无残膜处理，没有残膜的阻碍，土壤水分随重力向下运移，0～20 cm土层体积含水率变化幅度不大。郭彦芬等[20]、杜利等[30]研究结果也表明不同残膜处理条件下各生育期不同土层剖面含水量随着土层深度的增加而逐渐增加，呈现出“S”形曲线的变化趋势。

棉花生长初期0～20 cm土层土壤含水率较大，而到了棉花生长后期土壤表层体积含水率减少，这是因为生长初期由于作物需水较多，所以灌溉水量大，0～20 cm土层含水量高且变化幅度大；生育期结束后，棉花对土壤水分的需求减弱，灌溉水量减少，且由于残膜的存在阻碍下层水分向上的运移，使得各处理20～60 cm土层体积含水率增大。

3.2 不同残膜量对棉田土壤盐分的影响

残膜量越多，盐分分布越不均匀，且随残膜量的增多土壤盐分逐渐增多。分析认为，残膜的存在改变了土壤结构，降低了水分分布的均匀性，进而导致土层中盐分分布不均匀；残膜量越多，土壤水分就越少，加上土壤水分对盐分的淋洗作用[22]，残膜处理的土层中土壤盐分分布也不均匀，这与吴凤全等[22]研究结果随着残膜量的增加土壤表层盐分更易累积较为一致。

3.3 不同残膜量对棉花株高、茎粗和叶面积的影响

全生育期棉花的株高、茎粗、叶面积表现为随残膜量的增加逐渐减小，各生长指标在残膜量为150 kg·hm-2达到最大，T1、T2、T3、CK1、CK2处理各指标减小幅度较小，而T4、T5、T6处理其减小幅度较大，表明高强度残膜量对棉花生长影响较大。当残膜量为150 kg ·hm-2时，残膜的适度胁迫刺激了下层根系的生长[31]，根系分泌物增多，且适量的残膜会增加抗逆性酶的含量，提高了土壤营养的转化[32]，刺激根系生长，根系产生适应性变化并逐渐发达，进而促进棉花生长；但当残膜量大于150 kg ·hm-2时，作物根系生长受到阻碍，且土壤养分的转化及微生物活性均受到抑制，进而影响棉花株高、茎粗、叶面积。这一发现与胡灿等[33]残膜量大于200 kg ·hm-2时对棉花生长影响显著类似；而李元桥等[31]试验结果表明，当残膜量为90 kg·hm-2时，玉米株高最大，这可能是因为玉米是须根系作物，苗期须根多，与残膜接触面积大，因此受残膜影响显著；而棉花是直根系作物，苗期侧根细小，与残膜接触面积小，故受残膜的影响较小。苗期各处理株高、茎粗、叶面积差异显著，蕾期、花铃期至吐絮期T1、T2、T3、CK1、CK2处理各生长指标差异无显著性水平或部分达到显著性水平，T4、T5、T6处理则差异显著。分析认为，棉花根系通过与土壤耕作层接触，从土壤中吸收营养供棉花生长，棉花苗期作物根系不发达，抗逆性弱，对残膜的穿透能力较差，根系生长受到抑制，无法从土壤中获取大量营养，进而影响棉花生长发育[34]；生育后期棉花根系逐渐强壮，对残膜的穿透性及抗逆性增强，可以正常吸取土壤营养进而对棉花生长的抑制减弱[20]。

3.4 不同残膜量对棉花产量的影响

当残膜量为150 kg·hm-2时，棉花产量最大，说明少量残膜存在可提高土壤含水率从而促进土壤微生物活性及酶活性，加上适度胁迫刺激了作物生长，因此提高了作物产量[32]；当残膜量大于150 kg·hm-2时，棉花产量逐渐降低，一方面是由于残膜的影响，在不同程度上影响到了出苗率，出现缺苗断垄现象[23]，另一方面残膜在棉花生育前期抑制棉花根系的生长伸长，影响了根系对营养的吸收及水分的利用，从而阻碍了棉花的正常生长，进而降低了产量[34]。

4 结 论

(1)各生育期不同残膜量处理0～60 cm土层剖面体积含水率随土层深度的增加逐渐增大，且在同一土层深度，随残膜量的增加，土壤体积含水率呈下降趋势；残膜处理0～20 cm体积含水率较无残膜处理变化幅度大，生育初期0～20 cm体积含水率较生育后期大。

(2)同一深度随着残膜量的增加土壤盐分逐渐增加，残膜量越多土壤盐分分布越不均匀，且花铃期灌水后1、3、5 d土壤盐分表现为逐渐增大的趋势。

(3)全生育期棉花株高、茎粗、叶面积产量均随残膜量增加逐渐减小，当残膜量为150 kg·hm-2时棉花的株高、茎粗、叶面积最大，产量最高。

综上所述，残膜影响了土壤水分、盐分的分布特性，影响土壤水分、盐分含量及其均匀性；少量的残膜会促进棉花的生长，使棉花产量得到提高，而当残膜量大于150 kg·hm-2时，棉花的生长发育受到抑制，产量降低，且土壤中残膜越多，影响越大。因此，应提高残膜回收意识，重视残膜污染问题，加强对地膜使用的管理，促进农业可持续发展。