不同残膜量对土壤环境及玉米生长发育的影响

2018-08-01李援农陈朋朋王凯瑜李昱鹏

节水灌溉 2018年7期

杜利，李援农，陈朋朋，王凯瑜，李昱鹏

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

地膜覆盖具有增温保墒、防治杂草、防治病虫害等效果[1,2]，在农业生产中被广泛应用。然而随着地膜使用历史时间延续和地膜覆盖面积的不断增加，残留在土壤中的地膜增多且逐渐碎片化。地膜是一种分子结构非常稳定的聚乙烯材料，可在土壤中残留200～400 a[3]。地膜难以降解的特性及其不合理的利用，造成了土壤中残膜的大量累积，长此以往必然会影响农业的健康发展。因此，研究残膜对作物生长发育影响具有重要意义。研究发现，残膜破坏土壤孔隙的连续性，使土壤密度增加，造成土壤板结，同时水分下渗速度减慢[4-6]。高青海等[7]通过盆栽试验研究发现，残膜减小了番茄幼苗的株高、茎粗、地上部和根系鲜重，降低了根系代谢水平。解红娥等[8]发现，随残膜量的增加，小麦产量降低0.8%～22.1%，玉米产量降低2.1%～27.5%，棉花产量降低1%～7.5%。前人关于残膜对作物生长的危害进行了一系列研究，但多集中于残膜对作物株高、茎粗和产量等方面，多数是局部的，而关于残膜对作物不同生育期生理特性影响的研究鲜有报道。

本文结合前人的研究，设置不同的残膜梯度，探究不同农田残膜量对土壤物理性状、玉米叶片抗逆性生理生化指标和作物根系特征等方面的影响，从残留地膜对土壤性状、作物逆性指标及作物根系的响应来阐释残膜对作物的影响机理。旨在为预测未来残留地膜对作物生长发育和土壤的影响，同时可为防治残膜污染敲响警钟。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

盆栽试验于2017年06月17日至2017年10月1日在陕西杨凌西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室试验站的遮雨棚内进行。该区位于108°04′E，34°20′N，海拔高度为521 m，属于暖温带半干旱半湿润气候，年均辐射总量475.5 kJ/m2，多年平均气温13.0 ℃，多年平均蒸发量1 500 mm，年平均降水量632 mm，主要集中在7-9月。

供试土壤为重壤土，选自试验站大田0～20 cm土壤。将其风干、研碎，过5 mm筛后混合均匀。土壤基本的理化性状为：田间持水量25.5%，pH值为7.8，有机质6.18 g/kg，全氮0.81 g/kg，全磷0.42 g/kg，全钾13.8 g/kg，碱解氮10.93 mg/kg，速效磷4.18 mg/kg和速效钾102.3 mg/kg。供试玉米品种为吉祥1号，于2017年06月17日播种，10月1日收获，持续时间109 d。试验采用0.8 mm厚有机玻璃土箱，土箱高100 cm，长宽均为60 cm，控制装土容重为1.35 g/cm，深度90 cm。为防止滞水，土箱底部装有5 cm河沙，土箱一侧面每隔10 cm均匀打9个小孔。施肥量为尿素(纯N 160 kg/hm2)，基追比2∶3，追肥时期为大喇叭口期，磷肥过磷酸钙(P2O5120 kg/hm2)和钾肥硫酸钾(K2O 60 kg/hm2)。实验所用地膜为陕西省杨凌瑞丰环保科技有限公司生产，厚度为0.008 mm。播种前先灌透土箱中土壤，放置2 d后，每箱按株距30 cm播种两穴，每穴播种5粒玉米种子，待玉米长出两叶一心时，每个土箱定苗2株，生育期内在侧面预先打的9个小孔内，插设法国Parrot公司生产的无线植物监测器Flower Power监测土壤含水率，控制土壤水分为田间持水量的60%～80%。

1.2 试验设计

为研究地膜残留对玉米生长发育的影响趋势，预测现有耕作方式下，0～121 a的残膜发展状况。根据已有研究[9-11]，在多年连续覆膜条件下，残膜量Mf(kg/hm2)与残膜年限X(a)之间存在线性关系：Mf=5.546X+47.840(R2=0.871)。根据该研究结果，将试验设置5个处理，T0、T1、T2、T3、T4分别代表土壤残膜量为0、90、180、360、720 kg/hm2，每个处理重复7次，随机排列。

由于多年覆膜耕作后，残留在土壤中的农膜会逐渐呈现碎片化[2]，根据土箱的横截面积和土壤中地膜的大小，将地膜裁剪成0～4和4～25 cm2两种规格，两种残膜的质量比例为1∶7，并按1.35 g/cm3容重将土-膜-肥混合物均匀装入土箱上部30 cm土壤中。

1.3 测定指标与方法

(1)土壤含水量。采用烘干法测定土壤含水量。玉米生育期内每隔20 d(在播种后20、40、60、80、100 d)测定。测定深度为90 cm，每隔10 cm在土箱中心区域取1个土样，在105 ℃下烘干至恒重，计算土壤质量含水量。

(2)土壤容重与土壤孔隙度。在收获期，各处理每隔10 cm用环刀法测定容重，0～90 cm土壤容重由加权平均值计算见下式。

(1)

土壤孔隙度计算公式为：

(2)

式中：ρ容为土壤容重；ρ密为土壤密度，一般取2.65 g/cm3。

(3)株高和茎粗。定苗后，各处理选取长势一致的5株玉米植株，每隔10 d测量株高和茎粗。株高用卷尺从植株靠近地表处起测量，茎粗用数显游标卡尺在主茎基部测量。

(4)玉米生物量、根冠比和根重比。各处理在播种后每隔20 d取样一次，按10 cm分层收集根系，同时收集玉米地上部分，在105 ℃下杀青30 min后，在80 ℃下烘干至恒重，用电子秤称量各器官干重，根重比计算见下式。

根重比=M30/M总

(3)

式中：M总为玉米植株根总干重；M30为玉米植株0～30 cm土层根干重。

(5)脯氨酸与丙二醛含量的测定。参考《植物生理学实验技术》[12]脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮显色法，丙二醛含量测定采用硫代巴比妥酸 (TBA) 比色法。

1.4 Logistic生长模型

多数作物的生长符合Logistic生长模型。该模型的表达式为：

(4)

式中：t为玉米生长发育的时间，d；K为一定环境下玉米植株株高生长的最大值；a为玉米生长初期的状态参数；b为玉米的增长速率系数；e为自然对数的底数。

2 结果与分析

2.1 不同残膜量对土壤容重和土壤孔隙性状的影响

表1为不同残膜量下0～90 cm层土壤容重和土壤孔隙度。

表1 不同残膜量下0～90 cm层土壤容重和土壤孔隙度Tab.1 Soil bulk density，soil porosity at 0～90 cm depth under different residual film

由表1分析知，不同残膜处理的0～10、10～20、20～30和0～90 cm土层的土壤容重较T0均有所增加，土壤孔隙度较T0均有所降低，且残膜量越多，土壤容重越大，土壤孔隙度越小。残膜处理下，0～90 cm的平均土壤容重较T0增幅可达2.03%～5.41%，0～90 cm的平均土壤孔隙度较T0降低2.36%～6.76%。在5种处理中，随着土层深度的增加，土壤容重随之增加。在0～10 cm土层，T1、T2、T3和T4处理的土壤容重较T0分别增加了0.65%、2.78%、4.13%和4.83%，土壤孔隙度较T0分别降低了0.73%、3.13%、4.77%和5.54%，其中处理T0和T1 与处理T3和T4之间差异不显著。在10～20 cm土层，4种残膜处理的土壤容重较T0增加了0.68%～4.08%、土壤孔隙度降低了0.54%～5.51%。20～30土层的土壤容重与土壤孔隙度变化规律与0～10 cm和10～20 cm土层基本一致。与播种前相比，处理T4的0～90 cm土层土壤容重和土壤孔隙度变化最大，其中土壤容重(1.35 g/cm3)增加了15.6%，土壤孔隙度(49.06%)下降了16.2%。

2.2 不同残膜量对玉米生育期土壤水分的影响

图1为0～90 cm土层剖面含水量分布及变化情况。

图1 不同残膜处理下0～90 cm土层剖面含水量分布及变化情况Fig.1 The distribution and variation of water content in 0～90 cm soil profile under different treatments of residual plastic film amounts

从图1分析知，各处理苗期和成熟期不同残膜含量0～90 cm剖面含水量变化基本一致，随土层深度的增加，含水量逐渐增大，呈现为“S”形变化规律，且随残膜量的增加，土壤含水量呈下降趋势。可见，残膜改变了土壤孔隙连续性，使得土壤孔隙减少，阻碍土壤水分下渗。各处理苗期0～30 cm平均土壤含水量T0分别较T1、T2、T3、T4增加2.1%、2.88%、3.85%、4.72%，而下层30～90 cm土壤含水量差异不大。生育期结束，玉米根系对土壤水分吸收减弱及灌溉水减少，各处理含水量变化不大。

2.3 不同残膜量对玉米生育期株高的影响

图2为不同残膜量对玉米株高的影响。

由图2(a)分析知，不同残膜处理下，玉米全生育期内的株高变化规律基本一致，随生育期推进，呈慢—快—慢的变化规律。与处理CK相比，4种残膜处理的玉米株高不同程度的有所减小，且随残膜量的增多，减小幅度加大。处理T0下，玉米株高的最大值为241.2 cm，较处理T1、T2、T3和T4分别提高了10.4%、14.8%、22.9%和35.2% ，差异显著(P<0.05)。

由图2(b)分析知，株高增长速率与残膜量呈负相关关系，尤其在播种后60 d。在播种后20、40和60 d，处理90、180、360和720 kg/hm2的株高增长速率分别较CK降低了8%、9%、9.5%、19.6，4%、8.7%、12.8%、17.3%和16.7%、31.6%、32.9%、42.3%，处理T1、T2、T3和T4的株高增长速率均显著低于处理T0(P<0.05)。在播种后80和100 d，各处理株高增长速率的差异不显著或仅部分达到显著性水平。整个玉米生育期内，株高增长速率的最大值为4.32 cm/d，较最小值3.05 cm/d，提高了41.6%。可见，残膜对玉米的生长阻碍作用随残膜量的增加而增强，但随着玉米生长发育的推进，其抗逆性增强，残膜对植株的危害作用降低。

图2 不同残膜处理下玉米株高的变化情况Fig.2 Variation of maize height under different treatments of residual plastic film amounts

不同残膜量处理下玉米株高的Logistic生长模型拟合参数见表2。

表2 不同残膜量处理下玉米株高的Logistic生长模型拟合参数Tab.2 Logistic model fitting parameters of maize height under different treatments of residual plastic film amounts

由表2分析知，运用Logistic方程对各处理的玉米株高进行拟合，拟合方程的决定系数R均大于0.995，说明Logistic方程能较好地反映玉米株高的生长过程。其中，参数Km值随着残膜量的增加而减小，说明玉米的潜在最大株高随着残膜量的增多而降低。a值也随着残膜量的增加而降低，同时各处理玉米的增长速率系数b值均小于CK，表明随着残膜量的增多，其对玉米生长的阻碍作用增强。

比较不同残膜处理对株高生长特性参数的影响，可看出不同残膜处理在播种后44～46 d左右进入玉米旺盛生长期，但均较处理CK有所提前，分别提前0.86、2.03、3.19和3.92 d，差异显著。各残膜处理在65～67 d结束生长旺盛期，较CK分别缩短0.61、0.58、2.41和2.78 d。且随着残膜量的增多，残膜处理的最大生长速度Vmax逐渐降低，残膜处理T1、T2、T3和T4的Vmax较CK分别下降9.95%、18.06%、21.76%和29.40%。说明残膜影响株高的生长发育，且使玉米的生育期提前。

2.4 不同残膜量对玉米叶片丙二醛和脯氨酸含量的影响

玉米叶片中丙二醛含量和游离的脯氨酸含量的变化情况见图3。

由图3分析知，玉米叶片中丙二醛含量和游离的脯氨酸含量的变化情况基本一致，在播种后20 d含量达到最大，其中处理T4、T3、T2和T1的丙二醛含量较T0分别增加了153.65%、136.03%、120.16%和43.49%，而处理T4、T3、T2和T1的脯氨酸含量较T0分别增加了139.72%、87.62%、57.30%和25.84%，差异显著(P<0.05)。可见，随残膜量的增多，玉米植株所受的胁迫作用越大，丙二醛含量和脯氨酸含量越大。在播种后40 d，玉米叶片中游离的丙二醛含量和脯氨酸含量均有所降低，但处理T4、T3、T2和T1的丙二醛含量仍显著高于T0。在播种后60 d，T0处理的丙二醛含量虽略低于T1，差异不显著，T0处理的丙二醛含量与T3和T4差异显著，但差异有所减小，各处理脯氨酸的变化情况与丙二醛类似，随生育期的推进，处理间脯氨酸含量的差异有所减小，但T0处理始终低于其余处理。播种后80 d，各处理丙二醛含量和脯氨酸含量较播种后60 d有所增加，但T4、T3、T2、T1的丙二醛含量和脯氨酸含量与T0差异不显著。可见，残膜作为一种外来物质，将会胁迫植株的生长发育。随着残膜量的增大，会促使丙二醛和脯氨酸在植株内积累，且注意表现在玉米生育前期。

图3 不同残膜量处理对玉米叶片丙二醛含量和游离脯氨酸含量的影响Fig.3 Effects of different residual film treatments on the contents of proline and malondialdehyde in the in maize leaves

2.5 不同残膜处理对玉米生长特征的影响

表3为不同残膜量条件下玉米生物量变化情况。

表3 不同残膜量处理下玉米生物量动态变化Tab.3 Changes of biomass of maize under different residual film treatments

由表3分析知，残膜处理会影响玉米的地上部干重，根干重，根冠比及根重比。总体上玉米地上部干重随残膜量的增多而减少，无残膜时地上部干重达到最大，其中在播种后20和40 d受残膜的影响较为显著；在播种后80和100 d，T0处理的地上部干重大于其余处理，但差异不显著。在播种后20 d， T4、T3、T2和T1地上部干重分别比T0减少35.07%、31.75%、19.91%和9.00%，处理间差异显著，T3和T4差异不显著。在播种后40 d， T4、T3、T2和T1地上部干重分别比T0减少38.94%、29.35%、22.48%和12.42%，其中T0处理与其他处理差异显著，T3和T2差异不显著。玉米根干重与地上部分干重变化趋势相似，即残膜量越大，玉米根干重越小；在播种后20和40 d，处理间差异显著；在播种后80和100 d，T0处理的根干重仍大于其他处理。根系干物质随着玉米生长阶段的推进增幅很大，但到成熟期时，有降低的趋势。

在玉米生长前期，随着残膜量的增加，根冠比有增大的趋势。在播种后20 d，T4处理分别比T0处理增大14.03%，T4和T0之间差异显著。而随玉米生长发育的推进，处理之间根冠比变化规律不显著。在成熟阶段，随残膜量的增大，根冠比反而有降低的趋势。可能是由于残膜处理的玉米植株根系更早的衰老，导致根干重减少，根冠比下降。

从表3分析知，在不同残膜处理下，玉米根重比有不同程度地提高，在播种后20和40 d，受残膜的影响尤为显著。在播种后20 d，根重比由0.892 3提高至0.955 7，提高了7.11%；在播种后40 d，根重比由0.751 1提高至0.842 4，提高了12.16%。随着生长阶段的推进，各处理的根重比均下降，但在成熟期，有增大的趋势。可见，残膜通过阻碍玉米根系的生长进而影响玉米地上部的发育。在前期，由于残膜的抑制作用，玉米根系的穿透能力较弱，更多的滞留在0～30 cm土层，而在生育后期，随着根系发育的增强，其对残膜具有更高的抗逆性，玉米根重比有上升趋势，根重的增加，可以更多地吸收水分和养分，从而促进地上部的生长发育，因此后期各处理之间的地上部干重，根干重无显著差异。

3 讨论

残膜作为一种外源物质，在常年地膜覆盖的地块，若土壤中的残膜得不到及时的捡拾，就会使土壤容重增加，影响土壤的通气性、透水性和导热性。解红娥等[8]研究发现，残膜处理的土壤容重均高于无残膜处理，大于360 kg/hm2的处理，土壤容重较对照高5.8%～7.2%，本研究发现，大于360 kg/hm2的处理，土壤容重较对照提高4.1%～5.4%，土壤孔隙度较对照高5.3%～6.8%。本研究还发现，随残膜量的增加，土壤含水量呈下降趋势。苗期0～30 cm土层含水量表现为，无残膜处理较残膜处理增加了2.1%～4.72%。这与邹小阳等[11]的研究结果一致，分布在表层的残膜，阻碍了水分向深层入渗，使水分集中分布在表层，在强烈的大气蒸发条件下，灌溉水变为无效水，降低土壤的保水能力。王志超等[13]也研究发现，随着残膜量增大，土壤保水能力下降。可见残膜通过提高土壤容重，降低土壤孔隙度，切断孔隙的连续性，阻碍土壤水分的下渗，从而使土壤含水量和保水能力下降。

根系是植物体的重要器官，植株通过根系吸收土壤中的养分和水分。根系的生长代谢和活力变化直接影响地上部的生长发育。作物根系的生长及分布与根区土壤含水量的变化有关[14]。马旭凤等[15]研究发现，表土层水分亏缺，会使根的中柱面积和导管直径减少，导致根系长度缩短，根直径变细，总生物量降低。辛静静等[16]研究发现残膜量越多，根系干质量越少，其中苗期和拔节期受残膜的影响更为明显，当残膜强度达到720 kg/hm2时，与无残膜处理相比玉米根系生物量降低12.5%。本研究发现无残膜处理根干重最大，根干重随残膜量的增多而减少，减少量最多可达36.2%，在播种后20和40 d差异最为显著。同时，含残膜处理的根重比显著低于无残膜处理。随着玉米的生长发育，根重比减少，处理间差异减小。原因可能是残膜通过改变土壤孔隙度，降低土壤含水量，造成根系缺水，进而阻碍根系的生长发育。而前期植株弱小，根系的穿透能力较弱，更多的滞留在0～30 cm土层，所以残膜处理的根重比较无残膜处理大，玉米在生育后期随着根系发育的增强，其对残膜作用具有更高的抗逆性，根系穿透能力更强，根系受残膜的影响减弱，所以玉米根重增加，玉米根重比下降。

脯氨酸是植物体内的一种渗透调节物质，其含量的变化是植物对逆境条件的一种适应性变化或者自卫反应，植物体内脯氨酸含量在一定程度上反映了植物的抗逆性[17]。丙二醛(丙二醛)被认为是逆境胁迫下膜脂过氧化的最终产物，对植物细胞有毒害作用，植株通过积累脯氨酸来抵御干旱、盐渍等逆境胁迫，它的含量可以反映植物遭受逆境伤害的程度[18]。本研究发现，在玉米生长发育前期，玉米叶片中游离脯氨酸和丙二醛含量均随着残膜量增加而增多。这是因为土壤质量含水量随残膜量的增加而减少，前期植株弱小，对水分较为敏感，含残膜处理的玉米植株形成了水分亏缺，受到干旱胁迫，导致脯氨酸和丙二醛在植物体内累积。在播种后80 d，玉米叶片中游离脯氨酸和丙二醛含量有上升趋势，可能是气温过高，玉米植株受到了高温胁迫，玉米叶片中游离脯氨酸和丙二醛再次累积。

土壤物理及化学结构的变化会直接影响作物根系的生长及分布，从而影响地上部生长发育[19]。本研究结果表明，残留在土壤中的地膜不仅影响了玉米根系的生长与分布，同时玉米地上部干重和株高均随残膜量的增多而减少。原因可能是残膜作为一种柔韧性较强的物质，易缠绕在作物根系的周围，阻碍作物根系的养分吸收与利用[20,21]，同时残膜使玉米植株形成水分亏缺，且水分亏缺程度随残膜量增加而增大[11]，玉米叶片收缩，总气孔密度和关闭气孔数增加，导致CO2亏缺，光合速率降低，减弱了玉米的光合作用[22,23]。光合作用产物是干物质形成的基础，而残膜引起的水分亏缺，降低了叶绿素含量，阻碍了光合作用产物的积累与转运，进而引起干物质积累量的减少[24]。