地膜残留对设施番茄土壤水分、耗水规律及水分利用效率的影响研究

2021-11-29张雯宇马娟娟郑利剑孙西欢郭向红李卓然陈金平

中国农村水利水电 2021年11期

张雯宇，马娟娟，郑利剑，，孙西欢，郭向红，李卓然，陈金平

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原030024；2.河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站，河南商丘476000）

0 引言

地表覆膜能够有效降低土壤水分蒸发，提高水分利用效率［1］，其增温保湿的作用，有利于土壤微生物的增殖，加速腐殖质转化成无机盐的速度加快，促进作物吸收，使得作物生长旺盛［2］。我国从20世纪80年代开始引进地膜覆盖技术，至今已有30 多年历史。据统计，我国地膜使用面积从1982年7 800 hm2增加到2015年的1 833 万hm2，未来还仍有继续增加趋势［3］。与此同时，随着农田地膜残留的不断累积，农田残膜已严重影响土壤的再生产能力［4］。

农用地膜都是由高分子聚乙烯化合物及其树脂制成，很难在自然条件下进行光降解和热降解，也不易通过细菌和酶等生物方式降解［5］。以往研究表明，残留地膜对土壤理化性质的影响包括：①降低了土壤孔隙度，中断土壤结构，阻碍了水肥运动［6］；②随着土壤中残膜量增多，土壤保水能力逐渐呈降低趋势［7］；③残膜的存在会提高土壤湿润比和稳定入渗率，残膜量达到720 kg/hm2，土壤大孔隙比增加，优势流明显，湿润锋运移加快［8］等。除此之外，学者们在残膜影响植株生长发育方面也进行了相关研究。林涛［9］等分析了地膜残留量对土壤水分分布及棉花根系构型的影响，得出无残膜（0 kg/hm2）处理的土壤水分状况、根系构型显著优于高残膜量（900 kg/hm2）处理。张建军［10］等研究表明随着残膜量的增加，土壤密度下降，玉米收获期0～120 cm 土壤含水率下降，玉米水分利用效率降低；邹小阳［11］等进行了残膜对不同生育期番茄根系的影响研究，研究表明残膜会阻碍番茄苗期和开花坐果期根系的生长；杜利［12］等探究了不同残膜量对玉米主要生育期土壤水分及抗逆性指标的影响，研究得出农田残膜是通过增大土壤容重，降低土壤孔隙度，从而阻碍土壤水分入渗，减弱土壤保水能力，进而胁迫玉米的生长发育；郭彦芬［13］等研究认为，残膜主要影响0～40 cm土层含水率变化，且各处理生育前期差异显著（P＜0.05），而后期差异较小。

综上所述，地膜残留对土壤理化性质和农作物生长发育都有较大的影响，但关于这方面的研究主要还是集中在棉花、玉米和马铃薯等作物，在设施番茄上研究较少。因此对不同残膜量条件下，设施番茄土壤水分与植株水分利用情况进行研究就显得尤为重要。本试验通过设置不同残膜量梯度，探讨残膜对设施番茄土壤水分、耗水规律及水分利用效率的影响，为制定设施番茄高效灌溉制度以及残膜防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于山西省农科院旱地农业研究中心阳曲河村试验基地（38.0°N，112.9°E），属典型半干旱区，海拔1 248.5 m，年均降雨量为459.0 mm，年均蒸发量为1 546.9 mm，年均气温约为6.0 ℃，年无霜期144 d。试验地土壤为黄土质淡褐土，土壤理化参数（0～60 cm 平均值）见表1，试验所用灌溉水主要为集蓄雨水。

1.2 试验设计

本试验在大棚中进行，大棚长50 m，宽7.6 m，小区面积7.2 m2。据实地调查，该地区每年大田地膜残留量大概为40 kg/hm2，残膜大小主要为0～25、25～100 cm2两种，质量比为1∶6 左右。因此，设计不同残膜量来模拟该地区0、5、10、15、20 和30 a残膜水平，具体实验方案见表2，共6 个处理，每个处理3 次重复。试验前将人工剪碎的两种大小残膜按质量1∶6 均匀混入0～30 cm土壤中。

表2 试验方案设计Tap.2 Test scheme design

番茄品种为“粉尼亚”。小区之间埋设0.5 m 深度的塑料膜，剔除小区之间影响。采用膜下滴灌一垄双管双行种植，垄宽0.7 m，沟宽0.5 m，行距0.5 m，株距0.5 m，每行12 株，1 垄2行。所有处理施肥量与灌水量取同一水平，灌溉和施肥采用滴灌水肥一体化技术。移栽前按有机肥1 000 kg/hm2、P2O5200 kg/hm2（过磷酸钙）、K2O 200 kg/hm2（硫酸钾）、N175 kg/hm2（尿素，含氮量47%）作为底肥一次施入，果实膨大期追施钾肥100 kg/hm2和氮肥87.5 kg/hm2两次。全生育期总灌水130 mm，分别为定植水20 mm，苗期灌水10 mm；开花坐果期灌水20 mm；果实膨大期灌水40 mm；成熟期灌水40 mm。每株番茄留有5 穗果后打顶，其他管理措施与当地农民日常方法相同。

1.3 测定项目与方法

（1）土壤体积含水率：在试验区每个垄上距番茄植株10～15 cm 距离埋下含水率管，用TRIME-PICO-IPH 管式TDR 土壤水分监测系统进行土壤水分的监测。每8～10 d 测定一次，10 cm为一层，测量总深度60 cm，单位：%。

（2）产量：番茄成熟期，分别测定每个小区每次收获产量，最后计算每个小区累计产量，根据小区面积换算成公顷产量，单位：kg/hm2。

（3）番茄耗水量及水分利用效率计算采用水量平衡法［14］，其计算公式为：

1.4 数据处理

运用Excel 2016 处理数据并绘制图表，用IBM SPSS Statis⁃tics 26进行全生育期不同处理下相关数据的显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同残膜量番茄土壤含水率变化特征

2.1.1 不同残膜量番茄各生育期土壤含水率纵向剖面变化特征

图1为不同残膜量设施番茄在不同生育期的土壤剖面含水率随土层深度的变化情况。由图1 可知，苗期，0～30 cm 土层CK、T5处理土壤含水率明显低于T1～T4处理，差异显著。这是因为一方面，土壤残留一定量的残膜碎片会改变或切断土壤孔隙连续性，进而阻碍重力水的下渗［8，11，15］，使得水分滞留在0～30 cm 土层。另一方面，残膜的存在会阻碍苗期根系与土壤的接触，严重影响对水分的吸收，使得含水率上升。而T5处理土壤含水率较低是因为当残膜累量积到一定程度（1 200 kg/hm2），会造成表层土壤容重降低，总孔隙度升高［6］，同等覆膜开孔条件下棵间蒸发加剧［16］，使得T5处理土壤含水率降低。

图1 不同残膜量番茄各生育期土壤剖面含水率变化情况Fig.1 Changes of soil profile moisture content of tomato at different growth stages with different residual film amounts

开花坐果期，植株根系层需水明显增加，残膜对根系影响减弱［11］。0～20 cm 土层T5处理土壤含水率明显低于其他残膜处理。CK 处理10～30 cm 土壤含水率显著低于其他处理，30～40 cm 土层T5处理土壤含水率显著高于其他处理。这是因为残膜阻滞水分下渗导致含水率升高，而T5处理因残膜量过高，导致残膜之间连接形成了连续的通道，水分能够顺着通道流入无残膜土层，30～40 cm含水率明显升高。

果实膨大期，其土壤剖面含水率表现与开花坐果期相差不大。10～30 cm 土层土壤剖面含水率CK 处理与T1～T4处理有显著差异，与T5处理无显著差异。0～10 cm 和30～60 cm 土层各处理土壤剖面含水率无显著差异。T5处理30～40 cm 土壤含水率显著高于其余处理。

成熟期，CK 处理在0～30 cm 土层与残膜处理有显著差异，在其他土层深度并无显著差异。各残膜处理0～60 cm 土层土壤含水率无显著差异。

整体来说，番茄不同生育期残膜处理土壤含水率随土层深度的增加都表现出先升高后下降趋势，随残膜量的增加呈先升高后降低趋势，无残膜处理随土层深度的增加呈现出先降低后升高趋势。4个生育期残膜处理与无残膜处理土壤剖面含水率在苗期差异性最为显著，各生育期在10～30 cm 土层土壤含水率差异最为显著。

表3 为各处理全生育期土壤平均含水率分析。0～10 cm 土层CK 和T5处理与T2处理差异显著。这是因为浅层土壤混入一定量的残膜会减缓土壤水分向下运移，表层含水率升高，而过多的残膜量既导致表层土壤总孔隙度升高［6］，蒸发加剧，且残膜之间形成连续通道使水分快速下渗，土壤含水率降低；10～20 cm 土层CK、T5处理与T1、T2、T3、T4处理有显著差异；20～30 cm 土层CK 处理与残膜处理差异显著。这是由于CK 处理土壤水分向深层渗漏未受到阻碍，而残膜处理较多的水分滞留在30 cm以上土层，含水率偏高，且残膜越多，残膜处理间差异越不明显；30～40 cm，T5处理土壤含水率显著高于其他处理，40～60 cm土层土壤含水率CK 处理相比于其他处理较高，但差异并不显著。随着残膜量增多，0～30 cm 土层土壤含水率先升高后降低，30～60 cm土层先降低后升高。

表3 不同处理土壤平均含水率 %Tap.3 Average water content of soil under different treatments

2.1.2 不同残膜量番茄土壤含水率随时间变化特征

图2为不同残膜量处理番茄全生育期土壤平均含水率随时间变化情况。由图2 可知，不同残膜处理下番茄全生育期土壤平均含水率随时间变化趋势基本一致，本试验条件下总体呈现先降低后升高态势，苗期最高，果实膨大期最低，成熟期回升。

苗期，T5处理土壤含水率显著低于其他处理。就开花坐果期而言，第一次灌水之后，高残膜处理土壤含水率明显上升。说明随着残膜量增加，苗期根系发育受阻［11］使得仍处于苗期根系发育阶段，需水较少。第二次灌水之后，各处理土壤含水率都开始上升，但T3、T4和T5处理土壤含水率早于其他处理下降。这既是因为进入果实膨大期后植株需水增强，也是因为T3、T4和T5处理因残膜量较多使得大量水分积聚在10～20 cm 土层，而番茄根系主要分布在这一土层，因此促进了根系对水分的吸收，含水率提前下降。

在果实膨大期土壤含水率随时间基本呈持续下降态势，两次灌水之后，T3、T4、T5处理土壤含水率率先开始回升。这是因为T3、T4和T5处理已经进入了成熟期，需水降低。成熟期T3、T4、T5处理土壤含水率在前期一直高于其余3个处理。一方面是因为水分滞留在上层土壤难以下渗。另一方面，T3、T4和T5处理因为残膜阻滞作用使得根系层（10～30 cm 土层）水分和养分相比其他处理较为充足，早于其余3 个处理进入成熟期，需水降低，土壤含水率率先开始回升，这也导致之后的土壤含水率继续回升前的基数较高。因此T3、T4和T5处理土壤含水率高于其他3个处理。进入成熟期后CK、T1和T2处理回升速率明显高于后3个处理。全生育期各处理土壤平均含水率随着残膜量的增加先升高后降低。

2.2 不同残膜量番茄各生育期耗水规律

一般来说，作物的耗水量和耗水强度可以反映出作物的生长发育状况。由表4 看出，苗期各处理耗水量和耗水强度在误差范围内均无显著差异，但明显低于其他生育期。这说明苗期植株需水不强，且虽然残膜阻碍了根系与土壤的接触，但却也将大部分水分聚集在了上层土壤，利于植株吸收利用。开花坐果期耗水量和耗水强度随残膜量增加呈先升高后波动态势，各处理间差异不显著。果实膨大期和成熟期各处理耗水量和耗水强度在误差范围内均无显著差异。这说明残膜对番茄植株在各个生育期的耗水量和耗水强度并没有较为明显的影响。虽然土壤中混入残膜会阻碍水肥运动［6］以及与土壤的接触，但残膜也将大部分水分阻隔在了土壤上层，从而使植株吸收水肥并未受到较大影响甚至促进了植株对水肥的吸收。综合来看，残膜对各生育期番茄植株耗水量和耗水强度的影响并不显著，且越到后期残膜影响越小。

表4 不同处理设施番茄不同生育期耗水规律Tap.4 Water consumption rule of tomato in different growth stages under different treatment facilities

2.3 不同残膜量对番茄产量和水分利用效率的影响

图3 为不同残膜量番茄产量和水分利用效率情况。由图3可知，随着残膜量的增加，番茄产量和水分利用效率表现出上下波动变化趋势。CK 处理产量高于T1、T2和T4处理，分别高出28.9%、19.1%和19.7%，但各处理的产量在误差范围内并无显著差异；CK 和T3处理水分利用效率最高，但各处理水分利用效率在误差范围内差异不显著。这说明虽然残膜中混入残膜会使得番茄产量和水分利用效率出现波动，但整体来说，残膜对番茄的产量和水分利用效率的影响无显著差异。

图3 不同残膜量条件下番茄产量和水分利用效率Fig.3 Yield and water use efficiency of tomato under different residual membrane amount

本试验在残膜量≥400 kg/hm2时，其产量和水分利用效率并没有继续表现出降低趋势，而是出现回升趋势。辛静静［17］，王亮［18］以及黄少辉［19］等研究得出一定量的农田地膜残留会导致作物减产，降低其水分利用效率，这与本文的结论不一致。其原因是灌溉方式和灌溉制度，土壤理化性质差异以及不同作物对土壤中残膜的响应程度有所差异所导致。而邹小阳［11］、杨彩霞［15］等虽然也得出残膜的增加会降低设施番茄产量的结论，但因为灌水量的不同，其全生育期土壤平均体积含水率都远大于本试验土壤含水率。而宋超［20］两年田间实验研究得出残膜对玉米和马铃薯的产量和水分利用效率并无显著影响，反而某些指标还显示地膜残留处理比无残膜处理更有利于作物生长。这与本文的结论较为相符。本试验残膜处理与无残膜处理的番茄产量差异并不大，且水分利用效率也并无显著差异。这说明灌水量的多少会显著改变残膜对番茄生长发育的影响，且在灌水量较低情况下，残膜对设施番茄产量和水分利用效率的影响并不显著。这也表明影响番茄产量及水分利用的因素较为复杂，残膜可能并不是其主要影响因子，残膜与其他因素对设施番茄的综合影响还需要进一步研究确定。