地膜残留对设施番茄生长及果实品质的影响

李卓然，马娟娟，郑利剑，，郭向红，杨彩霞，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

地膜覆盖技术于20 世纪70年代引入我国[1]，历经40 余年发展后，适用范围已从干旱半干旱地区扩大到高山高寒地区，适用作物也从最初的几种扩大到40 余种[2,3]，尤其是在蔬菜、棉花等经济作物上的应用更是与日俱增。截止2017年末，我国地膜覆盖面积达1 865.72 万hm2，地膜使用量达143.7 万t[4]。地膜覆盖技术被广泛认可的优势包括保温保水、抑制杂草、减少病虫害、改善土壤小环境等[5-7]，但目前常见的地膜制造原料为极难分解的低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯等高分子材料[8-10]，分子结构稳定，在环境中难以自然降解，土壤中残留时间可达百年之久。现有的膜下滴灌多采用厚度小于0.008 mm 地膜，在严苛的自然环境下极易破碎，作物生育末期时已风化碎裂严重，且受限于回收技术，导致了秸秆回收与土壤翻耕过程中大量残膜被运送至土壤耕层。

对于残膜产生的影响，早在20世纪90年代初就已提出[11]，但与地膜覆盖技术带来的增产增收效益相比，人们往往忽视了残膜对土壤环境造成的直接与间接威胁，导致回收残膜时只注重利于回收的大块残膜，而碎裂残膜任由其滞留土壤中。相关研究证实，当前残膜污染不容乐观，土壤中存在残膜时，会降低土壤入渗速率、水分扩散率，土壤出现板结现象[12,13]；随着土壤中残膜量的增加，土壤含水率与土层孔隙度显著降低[14]；残膜在改变水分分布的前提条件下，也影响了养分运移情况，土壤中有机质、全氮、硝态氮、有效磷会随残膜量增加而显著降低[15]。在水分和养分得不到保障的情况下，随之而来的便是作物生长发育迟缓，超过180 kg/hm2的残膜会阻碍苗期玉米、棉花根系生长[16]；残膜量的增加，导致番茄干物质量逐渐降低，明显阻碍了番茄的生长发育[17]；残膜量与玉米产量呈现显著的负相关关系，会不同程度影响玉米产量[18]。虽然残膜量的增加导致了水分分布不均，甚至水分亏缺，但已有的研究表明，在一定水分亏缺情况下，果实品质会有不同程度的提升[19,20]。利用主成分分析法分析残膜问题带来的正负效应，有利于综合评价残膜污染所造成的危害。

现阶段虽已找到聚乙烯材料的替代产品，如液体地膜、可降解地膜等[21,22]，但受限制于使用成本，大面积推广仍存在困难，我国农业仍旧长期面临残膜污染问题。因此，为了明确地膜残留对番茄生长的危害，本试验以大棚种植番茄为例，在实地取样调查与阅读文献相结合基础上，设置不同梯度残膜量，研究残膜对土壤水分及番茄生长特性影响，以期发现残膜情况下番茄生长规律，为合理保护、开发、利用残膜污染土壤提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于山西省阳曲县旱地农业研究中心河村基地大棚中开展。试验区属温带大陆性气候，年平均降雨量441.2 mm，年平均气温5～7 ℃，无霜期164 d左右。试验区土壤质地为黄土质淡褐土，耕层容重1.49 g/cm3，有机质含量10.65 g/kg，全氮1.18 g/kg，速效磷29.85 mg/kg，速效钾140.50 mg/kg。

1.2 试验设计

番茄定植时间为2019年4月30日，结束时间为2019年9月12日。为了明确设施番茄土壤农膜残留现状并有效确定本次实验合理残膜变化梯度，2019年定植前在连续覆膜种植5 a的大棚内进行取样，取样方法采用五点法，每个样点大小50 cm×50 cm，取样深度为30 cm。过筛并挑选其中残膜，残膜大小按照＜25 cm2，25～100 cm2，＞100 cm2分别对每个样点残膜数量与质量进行统计。结合前人成果[23]与实地采样调查结果，最终确定设施番茄土壤农膜残留量为40 kg/（hm2•a），残留深度主要为0～30 cm土层。

为了研究农膜残留累积量对设施番茄土壤与作物生长的影响，本试验设置8 个残膜梯度处理（如表1所示）。试验前将土壤中原有残膜捡拾干净，之后将大小分别为＜25 cm2，25～100 cm2，＞100 cm2的残膜按照86.5%、13.5%、0%的比例均匀混入0～30 cm土壤中。

表1 试验处理Tab.1 Experimental treatment

番茄品种为亿家粉王，试验小区面积7.2 m2，总计种植26株番茄。每个残膜量处理重复3次，试验地面积总计172.8 m2。小区间隔处埋设50 cm 塑料膜以防小区间水肥影响。采用一垄两管两行种植模式，垄宽70 cm，沟宽50 cm，株距50 cm，灌溉采用膜下滴灌方式进行。为保证试验影响因素仅为残膜量变化，每个处理采用相同灌溉量与施肥量。整个生育期内灌溉量为3 100 m3/hm2，氮肥、磷肥、钾肥施用量分别为350、200、400 kg/hm2。生育期划分及灌水量见表2。各处理初始含水率分别为14.40%、14.77%、13.33%、13.51%、12.88%、13.02%、12.67%、12.87%。

表2 生育期划分及灌水量Tab.2 Division of tomato growth period

1.3 测定指标和方法

（1）土壤含水率。土壤含水率在每个生育期对不同残膜处理0～50 cm 土壤进行取土烘干，每10 cm 为1 层，共计5 层。取样时间分别为5月23日、6月24日、7月16日、8月20日。取样点位于垄上距番茄20 cm 处，为防止干扰，每个处理各取样点间隔10 cm 进行重复取样，共计3 次重复，取样后将取样点回填。

（2）番茄株高茎粗。测定时间由苗期至番茄打顶前，每7 d利用直尺测量番茄株高，并采用十字交叉法利用游标卡尺测定番茄茎粗，株高茎粗测定时进行3次重复。

（3）番茄产量。根据番茄成熟情况，分别于第一穗果、第二穗果、第三穗果、第四穗果基本成熟时累计测定各小区番茄产量。

（4）番茄品质。果实Vc 含量、可溶性糖含量、有机酸含量、硝酸盐含量分别利用钼蓝比色法、蒽酮比色法、滴定法、水杨酸比色法测定。

1.4 主成分分析法基本步骤

各主成分得分与综合得分如下式所示。

式中：Yi为第i主成分得分；Ui为成分矩阵中第i主成分得分系数；Xn为各指标标准化后数值；Y为主成分分析综合得分；Wi为第i主成分权重。

1.5 数据处理

采用SPSS19.0、Excel、Origin2021B 对试验数据进行处理与绘图。

2 结果与分析

2.1 不同地膜残留量下土壤含水率变化特征

残留的地膜在人为活动的影响下不断堆积在土壤耕作层，会形成一个天然的隔水边界，从而阻碍水分的自由入渗。表3表示生育期各残膜处理含水率变化情况，不同残膜量处理各生育期土壤含水率呈现不同变化趋势。如表3所示，在苗期，无残膜处理的含水率会随深度增加而减少，但是各深度土层间无显著变化；残膜量达到并超过200 kg/hm2时，土壤中的残膜会对含水率产生影响，使得各处理30 cm 以下深度含水率相较表层0～10 cm 显著降低。在开花坐果期，残膜密度小于600 kg/hm2时，水分下渗会受到限制，使得大于20 cm 土层含水率相对于0～10 cm 土层含水率显著降低；残膜密度大于等于1 200 kg/hm2时，大致规律表现为同一残膜量下各土层间差异不显著。

表3 生育期内各残膜处理含水率变化%Tab.3 Change of water content of residual Films in growth period

在果实膨大期，残膜密度小于600 kg/hm2时，30～50 cm 土层含水率会显著低于0～10 cm 土层，其余各处理含水率虽然会随土层深度增加而降低，但差异性不显著。在成熟期，同一处理各深度土层含水率虽然发生变化，但是没有体现出差异性。综上所述，大量的残膜造成了番茄根区0～50 cm 土层含水率分布差异明显，生育前期更有甚者直接影响了30～50c m 土层含水率，使其较表层土壤含水率产生显著的下降趋势。

2.2 残膜对不同生育期番茄生长特性的影响

图1表示番茄株高、茎粗、根茎比、产量变化趋势。由图1(a)可知，残膜对番茄株高影响不明显，各处理株高变化规律一致，表现为苗期缓慢生长，开花坐果期生长速率加快。由图1(b)可知，随生育期发展所有处理茎粗增加幅度基本保持一致，苗期时番茄茎粗随残膜量增加波动降低，开花坐果期番茄茎粗随残膜量增加先增加后降低。如图1(c)所示，苗期无残膜处理根茎比为0.25，高于其余含残膜处理。开花坐果期时，根茎比随着残膜量增加而增加，当残膜量为1 200 kg/hm2时，根茎比由无残膜时的0.08 升至0.16，增长幅度为了100%，但残膜量超过1 200 kg/hm2呈现下降趋势。果实膨大期也出现了同样的规律，当残膜量为1 200 kg/hm2时，根茎比由0.09 上升到了0.14，之后出现下降。成熟期根茎比随残膜量增加波动降低。

图1 土壤不同残膜量下番茄生长变化Fig.1 Changes of tomato growth under different residual film quantity in soil

图1(d)表示不同残膜量处理下番茄产量。由图1可知，番茄产量会随着残膜量的增加整体呈下降趋势，其中，少量的残膜（低于200 kg/hm2）对产量几乎无影响，残膜量超过200 kg/hm2时产量呈较大减幅，当残膜量达到2 000 kg/hm2时，产量相较无残膜处理大幅降低，由94.00 t/hm2下降到76.53 kg/hm2，降幅高达18.59%。对产量与残膜量进行线性拟合后可知，产量与残膜量间未呈现良好线性关系（R2=0.469）。

2.3 不同地膜残留量下番茄果实品质指标变化

番茄品质是除产量以外，又一决定经济效益的直接因素。通过选取Vc 含量、可溶性糖、硝酸盐、可滴定酸4 个指标作为主要参数对番茄果实品质进行研究，各指标具体见表4。

表4 不同残膜量对番茄品质的影响Tab.4 Effects of different residual film amounts on tomato quality

由表3可知，随着土壤中残膜量的增加，果实中Vc 含量首先呈现显著上升趋势，并在残膜量为600 kg/hm2时，Vc含量由17.59 mg/100g增加为31.92 mg/100g，增长幅度达到81.47%；随着残膜量继续增加，Vc 含量发生明显降低，但残膜量为2 000 kg/hm2时，Vc 含量又会产生上升趋势，达到25.77 mg/100g。

对于可溶性糖，当残膜量增大时，整体表现为先抑制、再促进、再抑制的变化趋势。具体而言，当残膜量为1 200 kg/hm2时，可溶性糖含量显著提高，由1.53%上升到1.81%，上升幅度为18.30%；但残膜量继续增加至2 000 kg/hm2时，可溶性糖含量降低至1.49%，相对T6 处理下降幅度为17.68%。类似的变化规律也出现在果实有机酸含量上，在残膜量为600 kg/hm2时，含量由0.35%上升至0.40%，上升了14.28%，当残膜量为800 kg/hm2时，含量由0.40% 降至0.25%，降幅为37.5%。

硝酸盐的累积量会伴随残膜量的增加而增加，当残膜量达到1 200 kg/hm2时，硝酸盐含量由无残膜时的2.26 mg/100g增长到11.34 mg/100g，增幅高达401.77%，之后迅速降低，当残膜量达到试验处理最大值时，硝酸盐含量下降至2.83 mg/100g。

2.4 番茄生长与果实品质综合分析

番茄生理单独一项指标并不能完全反映出番茄生长的优良程度，因而采用主成分分析法对生长指标进行全面评价。主成分分析法可在计算累计贡献率的基础上，实现减少变量个数并对目标展开综合评价。选取评价因素分别为可溶性糖X1、有机酸含量X2、Vc 含量X3、硝酸盐含量X4、株高X5、茎粗X6、产量X7，利用主成分分析法对7种因素进行降维因子分析，成分系数与方差贡献如表5所示。

表5 主成分分析成分矩阵及方差贡献率Tab.5 Principal component analysis component matrix and variance contribution rate

通过主成分分析可知，前三个主成分特征值均大于1，方差累积贡献率大于80%，说明前三个主成分包含了七种品质指标的大部分内容，因此可用这三个主分代替原有的指标对番茄果实生长开展评价。第一主成分方差贡献率为44.633%，第二主成分方差贡献率为24.06%，第三主成分方差贡献率为14.905%。

结合式（1）与式（2），计算各处理综合得分并按照综合得分高低给予综合排名，结果如表6所示。其中，番茄生长、品质综合得分最高的处理为T2，得分最低的为T4。根据综合得分结果可知，番茄综合生长评价得分会随着残膜量的增加呈现波动降低趋势。残膜量大于400 kg/hm2时，不利于番茄生长，残膜量为200 kg/hm2时，番茄生长指标综合评分达到最高。

表6 不同残膜处理番茄生长与品质指标综合评价Tab.6 Comprehensive evaluation of growth and quality indexes of tomato with different residual film treatments

3 讨 论

残膜的存在对农业生产产生了不利的影响，最直观的危害在于破坏土壤结构，导致水分分布发生变化，影响作物生长。当土壤中存在残膜时，会显著降低30 cm 以下土层含水率[14],本文中也得到了类似结论。这是由于各处理土壤混杂残膜量不同，从土壤结果与水力特性角度分析，残膜改变了土壤孔隙度，阻断孔隙之间的连续性，增大了入渗难度，减低入渗率，使水分难以渗透至深层土壤，从而各土层含水率表现出明显差异性。本研究中含水率的显著性差异随着土壤残膜量的增加而降低，且残膜量大于600 kg/hm2时，生育末期各土层含水率几乎不存在显著差异，同时T8 处理各生育期含水率均低于T1 处理。这是由于随着时间推移，入渗率持续减少并趋于平稳，此时水分在重力作用下逐渐下渗，一定程度上抵消了残膜对水分的阻碍作用，从而消除了各深度土层含水率之间差异性。其次，由于土壤结构的改变，导致土壤内出现优势流现象，土壤结构变化越大，优势流现象越明显[24]。当土壤混合大量残膜后改变原状土性状，随着残膜量增加，优势流产生的几率明显增加，土壤水分在重力与优势流作用下继续下渗。同时，已有的研究证明，残膜量的增加会增加作物耗水量[25]，在二者共同作用下造成了T8 处理各土层含水率低于T1处理。

本研究中残膜对番茄株高与茎粗并无明显影响，这与他人研究有所不同[26,27]。这可能是由于灌水量与管理方式不同导致。有研究指出，适当提高灌溉定额，有助于减轻残膜带来的负面效应[25]。本文中较高的灌溉量可能是导致株高茎粗没有随残膜量增加而明显变化的主要原因。可溶性糖含量与有机酸含量影响番茄的口感风味，Vc 含量影响番茄营养指标，而硝酸盐含量则代表了番茄的食品安全。残膜造成的影响最终体现在番茄果实品质方面，其中水分变化对果实品质指标起到至关重要的作用[28]。土壤中的残膜会导致不同程度的水分亏缺，番茄需要通过调节生长与生理来适应外界的变化。Chen[29]的研究表明，番茄品质对开花坐果期与果实膨大期水分胁迫具有很强的敏感性。灌溉量不同导致的水分变化对番茄Vc 含量、可溶性糖含量、有机酸含量具有显著的影响[30]。随着残膜量的增加，番茄果实中的可溶性糖含量、Vc 含量与硝态氮含量会逐步增加，而有机酸含量整体表现出降低趋势[31]，本研究果实品质变化规律与其相同。

通过主成分分析结果可以看出，少量残膜对番茄生长产生促进作用，类似结论出现在以往研究中[32]。但随着残膜量的增加，番茄的生长明显受到残膜影响，最直观的表现为产量大幅下降。当无残膜时，番茄产量为94.00 t/hm2，当残膜量增加到2 000 kg/hm2时，产量仅为T1 处理的81.41%。这可能是因为番茄根系随着残膜量的增加发生明显的抑制[33,34]，使得根系畸形生长并影响水分吸收，此时番茄水分吸收受到胁迫易造成植株缺水。当水分吸收得不到保证时，番茄生长指标与果实品质指标会做出直接响应。水分分布不均也会导致养分吸收的差异性，从而制约番茄正常发育。因此，残膜造成的水分变化是引起番茄生理品质变化的重要原因。

4 结 论

(1)生育前期，水分会在残膜的作用下缓慢下渗，造成30 cm 以下土层含水率显著下降。随着生育期变化，含水率显著变化范围逐渐变小，至生育末期，含水率虽然会随着土层深度增加而降低，但各处理各深度含水率几乎无显著区别。

(2)残膜对番茄株高几乎无影响，茎粗在苗期与开花坐果期随残膜增加分别呈现降低、先增加后降低趋势；残膜可降低番茄的根茎比，当残膜量增大为2 000 kg/hm2时，根茎比持续下降，同时产量也下降了18.59%。

(3)一定量的残膜对果实品质具有提升促进作用，但随着残膜量继续增加，反而导致品质下降。当残膜量为600～800 kg/hm2时，果实中Vc 含量达到最大值，有机酸含量达到最小值，相较无残膜处理分别升高81.47%、降低28.57%。当残膜量为1 200 kg/hm2时可溶性糖含量达到最大，相较无残膜处理升高18.30%。

(4)根据主成分分析结果，综合考虑作物株高、茎粗、产量、品质等指标认为残膜量的增加会影响番茄的生长与果实品质。

综上所述，本研究表明大量的残膜会对番茄地上部分生长和土壤水分产生明显影响，如不加以防控，将严重威胁土地可持续种植。但研究同时发现在某个残膜量达到某一特定值时番茄品质有所提高，因此在残膜量不断增加的情况下，将残膜量控制在某一范围内，可减轻残膜对作物产生的危害。