农用地膜残留对土壤氮素运移及烤烟根系生长的影响*

高维常，蔡 凯，曾陨涛，林叶春，吴 思，罗小宝，潘文杰，李 震

（1. 贵州省烟草科学研究院，烟草行业山地烤烟品质与生态重点实验室，贵阳 550081；2. 贵州省烟草公司，贵阳 550004；3. 南京农业大学资源与环境科学学院，南京 210095；4. 黔西南州烟草公司，贵州兴义 562400）

土壤是人类赖以生存和发展的基石。当前土壤污染除农药[1]、重金属[2]污染外，由于大量使用的农用地膜降解难、循环利用难度大和成本高，导致其在农田土壤中大量累积而造成土壤污染[3]。诸多研究表明，残膜会增大农事作业阻力，恶化农田土壤质量，造成作物减产，引起次生环境污染[4-6]。近年来，为积极应对土壤污染问题，广大研究者正在积极探寻解决方案[7-8]。

我国是世界第一植烟大国，常年植烟面积约140万 hm2，地膜是我国烟草栽培必要的生产资料，已广泛使用多年，几乎所有烟田均要覆膜，地膜用量一般约80 kg·hm-2。由于以往使用的几乎全为非降解膜，因此残膜在我国烟田中广泛存在。据苏国樟等[9]对贵州毕节烟区26个代表性烟田的残膜调查发现，0～25 cm土层残膜平均总重量为194.3 kg·hm-2，残膜片数高约49万张，92.2%的残膜分布于地表和10 cm以上土层。虽然我国烟田残膜现象普遍，但对烟田地膜的已有研究主要集中于地膜覆盖及其方式对土壤理化性质、烤烟根系发育、产量和品质的影响上[10]，而关于残膜对土壤中物质迁移以及残留于土壤中对烤烟生长发育的影响迄今鲜有报道。氮素在所有营养元素中对烤烟产量、质量影响最大[11]。硝态氮及铵态氮是烤烟能够吸收的主要有效氮源，不同形态的氮素营养（铵态氮、硝态氮）影响着烤烟的某些有机成分的含量和烟叶产量[12]。为此，本文通过贵州代表性烟田土壤淋溶试验和盆栽试验，初步探明不同残膜量对土壤硝态氮和铵态氮迁移及烤烟根系生长的影响，旨在为我国烟田的残膜防治、土壤健康和可持续利用提供科学建议。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自位于贵州省开阳县龙岗镇的典型黄壤表土（0～20 cm），基础地力为pH 5.72，有机质44.06 g·kg-1，全氮2.2 g·kg-1，碱解氮126.6 mg·kg-1，硝态氮33.79 mg·kg-1，铵态氮21.28 mg·kg-1，有效磷58.06 mg·kg-1，速效钾554.5 mg·kg-1，总体上属于植烟肥力略高的土壤[13]。所取土壤经自然风干、去杂和研磨后，过20目筛（0.85 mm）用于淋溶试验和盆栽试验。

供试地膜为贵州科泰天兴农业科技有限公司生产的厚0.08 mm的烟用无色地膜。

供试烤烟品种为贵州省烟草科学研究院良种繁育研究中心提供的K326，采用漂浮育苗。

1.2 试验设计

残膜量和大小设置：烟田地膜残膜量和大小组成依据课题组前期的调查结果确定，淋溶试验和盆栽试验均设置4个残膜量：无地膜（CK），地膜残留量分别为450 kg·hm-2（T1）、900 kg·hm-2（T2）和1 350 kg·hm-2（T3），各处理3次重复。残片大小构成为：小于10 cm2、20 cm2左右和30 cm2左右的膜片分别占残膜总量的20%、60%和20%。

淋溶试验：采用间歇淋溶法，用200目（0.075 mm）滤布封住PVC（聚氯乙烯）管（内径7 cm、长35 cm）底口，将混有残膜的土壤均匀装入管中，土壤高度保持30 cm，土表放置2 cm厚的石英砂，以防加水时扰乱土层，再留3 cm高度空间作为灌水用。装填完成后，在各PVC管中分别加去离子水200 mL，平衡48 h。然后加137.4 mg·L-1的氮（N）营养液各150 mL，入渗24 h后，分别用450 mL的去离子水分3次进行淋溶，每次淋溶间隔时间为24 h。最后按0～5 cm、5～10 cm、l0～l5 cm、15～20 cm、20～25 cm及大于25 cm的深度取出淋溶后PVC管中土壤测定分析。

盆栽试验：采用盆底直径30 cm、盆高30 cm、盆口直径45 cm的塑料盆进行盆栽试验，每盆装土20 kg，每个处理16盆，每盆种1株烟，肥料为烤烟专用基肥（N︰P2O5︰K2O=10︰10︰25）和追肥（N︰P2O5︰K2O=10︰0︰30），单盆（株）施肥量基肥为40.90 g、追肥为27.27 g，在移栽前将基追肥同土混匀一次性施入。

1.3 观测项目与方法

淋溶试验土壤硝态氮和铵态氮含量测定：利用全自动间断化学成分分析仪（Smartchem 200，AMS，意大利）参照操作说明书测定各土层硝态氮和铵态氮含量。

盆栽试验根系参数和生物量测定：于栽后30 d毎个处理各取3株烤烟，采用根系扫描分析系统（WinRHIZO，Regent，加拿大）测定植株根系生物学性状，包括总根长、总根表面积、总根体积、平均根系直径和根尖数。于栽后30、60和90 d毎处理各取3株烤烟，在105℃下杀青，75℃烘干，用百分之一天平测定植株地上部和地下部（根系）的干物质量。

1.4 数据统计分析

数据处理和统计采用Microsoft Excel 2016和DPS 17.10软件，用邓肯（Duncan）新复极差法比较不同处理间的差异显著性，用SigmaPlot12.0软件作图。

2 结 果

2.1 不同残膜量对土壤氮素运移的影响

不同残膜量对土壤硝态氮和铵态氮运移的影响如图1所示。

就淋溶试验各土层中硝态氮含量而言（图1左），不同处理硝态氮含量的剖面分布趋势较为复杂，CK处理0～5 cm土层硝态氮含量最高，为20.84 mg·kg-1；20～25 cm土层最低，为12.80 mg·kg-1。相比之下，有残膜的3个处理各土层硝态氮含量波动较大。T1的处理5～1 0 c m土层硝态氮含量最高，为28.77 mg·kg-1；大于25 cm土层最低，为10.48 mg·kg-1。T2的处理0～5 cm土层硝态氮含量最高，为27.67 mg·kg-1；15～20 cm层最低，为10.25 mg·kg-1。T3处理10～15 cm土层硝态氮含量最高，为20.15 mg·kg-1，0～5 cm土层最低，为5.08 mg·kg-1。就差异显著性而言，CK、T1、T2三个处理各土层之间硝态氮含量差异不显著，但T3 0～5 cm土层与10～15 cm土层之间差异达极显著水平（P＜0.01），10～15 cm土层与大于25 cm土层之间差异达显著水平（P＜0.05）。

图1 各处理残膜量对土壤氮素运移的影响Fig. 1 Impacts of MPFR（mulching plastic film residue）on migration of soil nitrogen relative to treatment

就淋溶试验各土层中铵态氮含量而言（图1右），不同处理铵态氮的剖面分布规律较为清晰，CK处理在各土层中铵态氮含量几乎一致，有残膜的3个处理各土层铵态氮含量则出现明显的波动，并表现出随着残膜量的增加，铵态氮流失降低的趋势。CK处理5～10 cm土层铵态氮含量最高，为10.90 mg·kg-1；0～5 cm层最低，为7.70 mg·kg-1。T1处理0～5 cm土层铵态氮含量最高，为41.46 mg·kg-1；大于25 cm土层最低，为24.18 mg·kg-1。T2处理15～20 cm土层铵态氮含量最高，为59.93 mg·kg-1；大于25 cm土层最低，为23.36 mg·kg-1。T3处理0～5 cm土层铵态氮含量最高，为80.51 mg·kg-1；大于25 cm土层最低，为60.05 mg·kg-1。就差异显著性而言，CK、T1处理各土层之间硝态氮含量差异不显著；T2处理大于25 cm土层与20～25 cm土层之间差异达显著水平（P＜0.05），大于25 cm土层与其他各层之间达极显著水平（P＜0.01）；T3处理 0～5 cm土层与10～25 cm各层之间差异达显著水平（P＜0.05），大于25 cm土层与0～10 cm各层之间差异达极显著水平（P＜0.01）。

2.2 不同残膜量对烤烟根系形态变化的影响

盆栽试验烤烟移栽后30 d根系的形态变化见表1。T1处理的烤烟根长、根表面积、根体积和根尖数均优于CK，两者间除根尖数外，其他指标均差异不显著。随着残膜量的增加，烤烟根系生长发育明显受到影响。T2和T3处理的根长、根表面积、根体积和根尖数明显减少，T2和T3处理的根长和根尖数均显著低于CK。根系直径以T2最大，且显著高于其他处理，而T1、T3和CK之间差异不显著。

表1 残膜对烤烟根系形态的影响Table 1 Impacts of MPFR on morphological parameters of the flue-cured tobacco root relative to treatment

2.3 不同残膜量对烤烟干物质的影响

盆栽试验不同残膜梯度下不同时期烤烟地上部和根部的干物质量见表2。根部干物质量和地上部干物质量随着残膜量的增加逐渐减少，根部干物质量和地上部干物质量在不同时期均表现为：CK＞T1＞T2.T3（T1处理在栽后30 d除外）。CK处理烤烟根部干物质量和地上部干物质量在栽后60 d和90 d均表现最大。T1处理栽后30 d、60 d和90 d的烤烟根部干物质量和地上部干物质量与CK较为接近，且均未达到显著水平。T2和T3处理各时期烤烟根部干物质量和地上部干物质量低于CK和T1，从差异显著性来看，根部干物质量在30 d和90 d时，T2、T3显著低于CK（P＜0.05），在60 d时，T3显著低于CK（P＜0.05）；而地上部干物质量在90 d时，T3显著低于CK（P＜0.05），其余各指标间差异不显著。

根系形态参数与烟株根部、地上部相关性见表3。总根长、总根表面积、总根体积均与根部干物质量、地上部干物质量呈极显著正相关。说明残膜对烟株根系造成影响的同时，必将影响烟株地上部的正常生长。

3 讨 论

3.1 残膜对土壤养分迁移的影响

地膜具有韧性和延展性，残留于土壤中，其分布的随机性会影响水分在土壤中的正常运移与分布[14]。邹小阳等[15]研究发现残膜阻滞系数随残膜增多而增大，认为残膜在土壤中形成隔离层，形成了一个新的不连续水分运动通道，会降低土壤水分的垂直入渗能力和水平能力。王春颖等[16]认为残膜阻碍土壤水分的垂直入渗和水平运移的机理一致，残膜在土壤中形成隔离层，破坏了土壤质地均匀性和土体构型，改变残膜与土壤交界面土水势，减少了土壤中大孔隙数量，降低土壤过水能力，导致残膜对土壤水分水平运动的阻滞作用逐渐增强。有研究[17-18]表明，随着土壤中残膜量的增加，土壤容重增加，孔隙度降低，影响土壤的通气性。同时，长期残膜作用下会降低土壤有机质、全氮、硝态氮、铵态氮和Olsen-P含量[19]。本研究结果（图1）表明，地膜残留于土壤中，对土壤中硝态氮和铵态氮的迁移干扰较大。对照处理各土层中硝态氮和铵态氮含量基本一致。而有地膜残留的处理，硝态氮和铵态氮在各层土壤中出现明显波动。虽然这一波动无明显的规律，但总体而言，随着残膜量的增加，铵态氮在土层中的流失明显减少，硝态氮的流失也有所减弱。原因可能是残膜在土壤中形成新的隔离层，地膜的残留导致土壤容重增加、孔隙度降低，土壤水分的入渗能力减弱，原运动通道被打破，发生阻滞所导致[15-18]。

表2 残膜对烤烟干物质量的影响Table 2 Impacts of MPFR on dry matter accumulation of the flue-cured tobacco relative to treatment

表3 烤烟根系形态与干物质相关性Table 3 Correlations between root morphology and dry matter of the flue-cured tobacco

3.2 残膜对烤烟根系生长的影响

根系的生长发育受到自身遗传因素和外部环境因素特别是土壤的共同影响，根系的形态结构是其生长发育水平和对外界环境适应的直接体现[20]，根系形态指标直接反映了根系的生长状况。本研究（表1）表明，当土壤残膜量为450 kg·hm-2时，烤烟根长、根表面积、根体积和根尖数分别为809.5 cm、212.1 cm2、4.44 cm3和17 291根，均高于对照，这与他人[18，21-22]在棉花上的研究结果一致。但随着残膜量的增加，烤烟根系生长发育明显受到影响，当残膜量增加至900 kg·hm-2和1 350 kg·hm-2时，根长、根表面积、根体积和根尖数明显减少，并显著低于对照。这可能是因为残膜量累积到一定量后，阻碍了烟株根系对水分和养分的吸收，从而制约了根系的生长发育。根直径是影响根系穿透土壤能力的重要因素，根直径越大，其遇到坚硬土壤时抵抗弯曲和偏转的能力越强，成功穿透土壤的可能性越大[23]。本研究发现，当土壤中混入残膜，有利于烤烟根系直径的增粗，根系直径最大值出现在残膜量为900 kg·hm-2时，为0.96 mm，并与对照和其他处理差异达显著（P＜0.05），这可能与根系在受到地膜残留胁迫时自身做出相应的调节有关。

根系作为一种不定形营养器官[24]，首先感受土壤环境的变化[25-26]并做出响应。很多研究表明，烟草、大豆等植物根系性状，尤其是根系形态指标与地上部之间呈显著正相关[27-30]，生产中可以通过地上部的长势及内含物的充实程度来预测根系的生长状况，也可通过根系的生长发育状况预测地上部的干物质累积情况，本研究结果与上述趋势一致。同时，本研究（表2）表明残膜量为450 kg·hm-2时，早期对烤烟地上部和根部干物质的积累影响较小，但到中后期影响逐渐突显。当残膜量增加至900 kg·hm-2和1 350 kg·hm-2时，不同时期烤烟根部干物质量和地上部干物质量均明显低于CK，且到90 d时呈显著性差异。这也进一步说明在烤烟生育前期，残膜量较低时对土壤的干扰较小，甚至在一定程度上还有利于提高土壤的孔隙度和通透性，促进烤烟根系和地上部生长；但随着烤烟的生育进程，以及残膜量累积到一定量时，对土壤则产生了较大干扰，明显制约了烤烟根部和地上部生长。

4 结 论

残膜会阻滞烟田硝态氮和铵态氮在土壤中的迁移，残膜量增加会降低硝态氮和铵态氮从土壤中的流失。在烤烟生长前期，适量残膜能够促进烤烟根系形态的生长，但过量则会抑制烤烟根系的生长发育。随着残膜量的增加，根长、根表面积、根体积等根系形态指标逐渐降低。残膜量较低时，在早期对烤烟生长影响较小，但中后期影响逐渐突显。残膜量高于900 kg·hm-2会抑制烤烟根部和地上部的干物质的积累。