王亮，林濤，田立文，嚴(yán)昌榮，何文清，王靜，湯秋香，4*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，烏魯木齊 830091；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；4農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

殘膜對(duì)棉田耗水特性及干物質(zhì)積累與分配的影響

王亮1，林濤2，3，田立文2，嚴(yán)昌榮3，何文清3，王靜1，湯秋香1，4*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，烏魯木齊 830091；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；4農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

采用大田微區(qū)控制性模擬試驗(yàn)，測(cè)定并比較了新疆覆膜滴灌棉田3種不同殘膜含量（0、225、450 kg·hm-2）對(duì)棉花的耗水量、耗水模數(shù)、棵間蒸發(fā)量、水分利用效率、干物質(zhì)積累分配及其與耗水相關(guān)性的影響。結(jié)果表明，試驗(yàn)條件下，與無(wú)殘留處理相比，隨著殘膜量的增加，生育期總耗水量有降低趨勢(shì)，C225和C450處理分別降低了25.60、33.74 mm，但差異未達(dá)顯著性水平，其中苗期、蕾期耗水模數(shù)降低較為顯著，說(shuō)明殘膜降低了作物的耗水量，明顯抑制了生育前期的耗水需求。與此同時(shí)，殘膜污染的加劇，增大了生育期平均棵間蒸發(fā)強(qiáng)度，兩個(gè)生長(zhǎng)季C225和C450處理的棵間蒸發(fā)強(qiáng)度顯著比C0處理高0.07、0.16 mm·d-1，降低了有效耗水所占比例；此外，殘膜不利于干物質(zhì)的快速積累和在生殖器官中的高效分配，C450處理籽棉產(chǎn)量和水分利用效率較無(wú)殘膜處理分別降低了8.7%和5.6%。

地膜殘留；耗水特性；干物質(zhì)積累與分配；水分利用效率

隨著地膜覆蓋栽培技術(shù)的迅猛發(fā)展和大面積應(yīng)用，我國(guó)已成為世界上覆膜栽培規(guī)模大、應(yīng)用作物種類(lèi)多的國(guó)家之一[1]。新疆已成為我國(guó)覆膜植棉最大的地區(qū)[2]，2015年僅棉花種植面積已達(dá)到19.78×105hm2，棉田地膜使用量達(dá)7.9×104t，約占同年全國(guó)地膜使用總量的43%[3]。地膜高強(qiáng)度的使用，導(dǎo)致新疆殘膜污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[4-6]，當(dāng)前新疆棉區(qū)耕層地膜平均殘留量達(dá)253.2 kg·hm-2，是全國(guó)平均水平的4～5倍，其中平均殘膜量225 kg·hm-2以上的田塊面積占被調(diào)查樣本的78.1%，殘膜影響土壤的自?xún)暨^(guò)程，危害作物的生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致大幅減產(chǎn)[7-11]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于殘膜對(duì)作物及生長(zhǎng)環(huán)境的影響，主要集中在對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的影響機(jī)制方面，包括土壤含水量、水分入滲方式，水分運(yùn)移及速效養(yǎng)分分布等。作物主要通過(guò)根系吸收水分和養(yǎng)分，殘膜的阻隔作用改變了土壤的水肥環(huán)境和根系的吸水性能。關(guān)于殘膜含量對(duì)土壤水分分布的影響，王志超等[12]研究表明，殘膜阻礙了土壤水分入滲，在0～400 kg·hm-2的殘留范圍內(nèi)，隨著殘膜量的增加，土壤含水率下降，保水能力降低；李仙岳等[13]研究表明，殘膜阻礙土壤水分運(yùn)移，滴灌條件下0～200 kg·hm-2殘留范圍內(nèi)，隨著殘留量的增加土壤濕潤(rùn)體明顯變小，濕潤(rùn)鋒的水平和垂直運(yùn)移距離顯著縮短；牛文全等[14]發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)土柱試驗(yàn)條件下，當(dāng)80 kg·hm-2≤殘膜量≤320 kg· hm-2時(shí)，隨殘膜量的增加，殘膜對(duì)土壤水分入滲的阻滯作用明顯增強(qiáng)，水分入滲量及入滲速率隨殘膜量的增加逐漸減小，殘膜加劇了土壤水分垂直分布的變異性，對(duì)表層土壤的影響極其顯著；董合干等[15]發(fā)現(xiàn)，殘膜量為2000 kg·hm-2時(shí)，由于對(duì)水分的阻隔作用，繼而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、有效鉀等顯著下降。

土壤水分條件是影響作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，水分消耗的變化必然影響干物質(zhì)的積累。王海江等[16]研究表明，不同生育時(shí)期干物質(zhì)的日增重量與其日均耗水量之間存在著極顯著的正相關(guān)性，耗水量越大，干物質(zhì)積累量越多。關(guān)于殘膜對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成的影響，前人研究表明[17-19]，殘膜量為2000 kg·hm-2時(shí)，棉花鈴期生物量下降48.5%，根冠比和根系表面積等生長(zhǎng)指標(biāo)均與無(wú)殘膜處理有顯著性差異，產(chǎn)量下降41.7%。收獲株數(shù)、單鈴重、產(chǎn)量等隨殘膜量的增加而減少：當(dāng)殘膜量達(dá)210 kg·hm-2以上時(shí)，收獲株數(shù)比對(duì)照減少11.0%～16.5%，成鈴數(shù)減少0.8～1.0個(gè)，棉花產(chǎn)量比對(duì)照減少16.9%～21.6%；殘膜量為900 kg·hm-2時(shí)，單株成鈴數(shù)減少16.4%，單鈴重降低16.9%，減產(chǎn)30.4%。

綜上所述，有關(guān)殘膜對(duì)作物耗水及水分生產(chǎn)過(guò)程的同步研究較少。本文通過(guò)大田微區(qū)控制性試驗(yàn)，模擬了新疆覆膜滴灌棉田3種典型的地膜殘留狀態(tài)，通過(guò)分析耗水量、棵間蒸發(fā)量、水分利用效率、干物質(zhì)積累與分配特征，明確了地膜殘留對(duì)棉田耗水與干物質(zhì)積累分配的影響，研究對(duì)于繼續(xù)深入殘膜危害的認(rèn)識(shí)，開(kāi)展殘膜閾值對(duì)作物水分生產(chǎn)潛力、農(nóng)田水資源承載預(yù)警等工作都具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)小區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣豐收二場(chǎng)新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花綜合試驗(yàn)站（40°06′N(xiāo)，80°44′E，海拔1025 m）。該區(qū)域日照長(zhǎng)、熱量豐富，多年平均日照時(shí)數(shù)達(dá)2679 h，年均氣溫10.4℃，最高氣溫39.4℃，最低氣溫-28℃，≥10℃年積溫為3 987.7℃，無(wú)霜期為115 d。2014年棉花生育期降水量為33.27 mm，2015年降水量為125.20 mm，年蒸發(fā)量2900 mm，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，農(nóng)業(yè)完全依賴(lài)于灌溉。兩年度供試品種均為新陸中75號(hào)，試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為沙質(zhì)壤土，0～40 cm平均土壤容重為1.448 g·cm-3，試驗(yàn)田地下水埋深＞5 m，向上補(bǔ)給量忽略不計(jì)。土壤基本性狀見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)棉田殘膜狀況調(diào)查

為了解試驗(yàn)地地膜殘留狀況，為試驗(yàn)殘膜梯度的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，預(yù)先于試驗(yàn)田隨機(jī)取面積為1 m2，深度為30 cm的5個(gè)樣方，調(diào)查實(shí)際地膜殘留量及分布狀態(tài)，結(jié)果見(jiàn)表2。測(cè)定0～10、10～20、20～30 cm土層土壤容重分別為1.446、1.448、1.451 g·cm-3。

表1 2014—2015年供試土壤養(yǎng)分狀況Table 1 Nutrients contents of the tested soil in 2014 and 2015

1.2.2 不同地膜殘留量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程

于2014、2015年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花綜合試驗(yàn)站同一塊試驗(yàn)田開(kāi)展小區(qū)試驗(yàn)，模擬典型生產(chǎn)棉田地膜的殘留和分布特點(diǎn)，設(shè)置3個(gè)殘膜量，分別為0、225、450 kg·hm-2，即C0、C225、C450處理。于前茬棉花收獲后追施底肥，進(jìn)行冬翻，人工清理出小區(qū)30 cm深度的土壤并過(guò)篩，經(jīng)挑揀、洗凈、晾干、稱(chēng)重，獲得殘膜等級(jí)及分布數(shù)據(jù)（表2）。對(duì)于C0處理，挑揀完后按照土層順序直接回填。對(duì)于C225和C450處理，依據(jù)調(diào)查獲得的大田殘膜等級(jí)及質(zhì)量分布規(guī)律，將處理后的殘膜混勻，再分別與0～10、10～20、20～30 cm土層土壤充分混勻，按各層土壤容重的順序依次回填，回填后適度鎮(zhèn)壓，保證地面平整，盡可能滿足與殘膜農(nóng)田的情況一致后進(jìn)行冬灌。春季機(jī)械覆膜鋪管，人工點(diǎn)播，確保出苗率在95%以上。為確保兩年試驗(yàn)準(zhǔn)確性，2015年摻埋殘膜的方法與2014年一致。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)。小區(qū)間設(shè)保護(hù)行，小區(qū)長(zhǎng)6.5 m、寬4.5 m，面積29.25 m2，兩年均施尿素（含N 46%）225 kg·hm-2，磷酸二銨（含P2O546%）347 kg·hm-2及硫酸鉀（含K2O 51%）75 kg·hm-2。株行配置模式為[（10 cm+66 cm+10 cm）+ 66 cm]×10 cm，采用1.25 m地膜，雙滴灌帶，一膜4行種植模式，滴灌帶間距40 cm，滴頭間距25 cm，滴頭設(shè)計(jì)流量2.1 L·h-1。生育期灌溉量參照當(dāng)?shù)刈罴压喔攘浚鶠?650 m3·hm-2，灌溉頻率均為7 d·次-1，種植密度為2.4×105株·hm-2，日常管理措施同大田。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 土壤質(zhì)量含水率的測(cè)定

棉花出苗后每隔10 d用土鉆于每處理的第2膜（減小邊際效應(yīng)）膜間滴頭正下方，每10 cm為一層采取0～10、10～20、20～30、30～40 cm刨層土樣，立即裝入鋁盒中，稱(chēng)鮮土重后105℃烘至恒重，計(jì)算土壤質(zhì)量含水率。土壤質(zhì)量含水率（%）=（鮮土重-干土重）/干土重×100。

1.3.2 農(nóng)田耗水量的計(jì)算采用水量平衡法計(jì)算作物耗水量ET1-2[20-21]，公式為：

式中：ET1-2為階段耗水量，mm；i為土壤層序數(shù)；n為土壤層次總數(shù)，本試驗(yàn)為4；γi為第i層土壤干容重，g·cm-3，本試驗(yàn)為1.448 g·cm-3；Hi為第i層土壤厚度，本試驗(yàn)為40 cm；θi1為第i層土壤初時(shí)段的含水率，以占干土重的百分?jǐn)?shù)計(jì)，%；θi2為第i層土壤末時(shí)段的含水率，以占干土重的百分?jǐn)?shù)計(jì)，%；P0為時(shí)段內(nèi)的有效降水量，mm；M為時(shí)段內(nèi)的灌水量，mm；K為時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，mm，當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時(shí)可以不計(jì)（本試驗(yàn)地下水埋深在5 m以下，無(wú)地下水補(bǔ)給）。

表2 試驗(yàn)棉田土壤不同深度殘膜量分布Table 2 The distribution of plastic mulch film residue in different soil layers

1.3.3 棵間蒸發(fā)量的測(cè)定

每小區(qū)行間布設(shè)6個(gè)規(guī)格相同的自制微型蒸發(fā)器（Micro-Lysimeters，MLS），蒸發(fā)器內(nèi)徑11 cm、壁厚5 mm、高15 cm，分為兩個(gè)不封口的PVC管做成的內(nèi)外套筒，將內(nèi)筒垂直壓入土壤內(nèi)再取出，用紗網(wǎng)封底，然后放置于外筒內(nèi)使其上緣與地面相平，防止土壤外漏和周邊土壤間水分交換的阻礙。蒸發(fā)器中原狀土每6 d更換1次，降雨或灌溉后立即更換原狀土體，每天早8：00用電子天平（精度為0.01 g，量程為3 kg）稱(chēng)量土柱日均蒸發(fā)損失量。

1.3.4 植株干物質(zhì)積累量

于棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期每小區(qū)選取代表性植株5株，重復(fù)3次，將單株分根、莖葉、蕾鈴花等器官稱(chēng)其鮮重后，分別置于105℃烘箱中殺青30 min，80℃烘干至恒重，冷卻后分別稱(chēng)干重。

各生育階段干物質(zhì)積累量=階段末干物質(zhì)積累量-階段初干物質(zhì)積累量[22]

各器官的干物質(zhì)分配比例（%）=各器官的干物質(zhì)積累量/植株地上部干物質(zhì)積累量×100[23]

根冠比（%）=根干重/地上部干重×100

1.3.5 產(chǎn)量和水分利用效率的測(cè)定

實(shí)收計(jì)產(chǎn)，每個(gè)小區(qū)產(chǎn)量單獨(dú)核算，棉花每次采摘風(fēng)干后用電子天平稱(chēng)重計(jì)產(chǎn)，每次收花前單收100鈴，計(jì)算單鈴重。水分利用效率的計(jì)算公式為：

式中：WUE為水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；Y為籽棉

產(chǎn)量，kg·hm-2；ET為棉花生育期內(nèi)耗水量，mm。

1.3.6 氣象要素

降水量及氣溫等氣象參數(shù)均由常規(guī)田間氣象站測(cè)定（WatchDog 2900ET Weather Station，Spectrum，Inc.，USA）。2014年和2015年生育期降雨量和日平均氣溫如圖1所示。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010和Sigmaplot 12.5軟件計(jì)算并繪制圖表，用DPS 7.05統(tǒng)計(jì)軟件分析差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 殘膜對(duì)棉花生育期耗水量及耗水模數(shù)的影響

綜合兩年數(shù)據(jù)分析，各處理間生育期總耗水量無(wú)顯著性差異，但均隨殘膜量增加呈降低趨勢(shì)（表3）。殘膜對(duì)各生育階段耗水量及耗水模數(shù)影響較大，兩年苗期耗水量及耗水模數(shù)C450處理顯著低于C0處理；2014年蕾期耗水量及耗水模數(shù)無(wú)殘膜處理顯著高于殘膜處理；花鈴期各處理的耗水量及耗水模數(shù)無(wú)顯著差異，其中C450處理階段耗水量最低，耗水模數(shù)則略高；從花鈴期前耗水模數(shù)看，C0、C225和C450處理分別為21.48%、19.82%和19.88%，花鈴期之后則依次為78.52%、80.18%和80.12%。這一結(jié)果表明殘膜降低了生育前期的耗水量及耗水模數(shù)，雖然殘膜增大了生育后期的耗水模數(shù)，但各生育期及全生育期的耗水量卻相對(duì)C0處理較低，說(shuō)明殘膜不利于滿足棉花生育前期耗水需求。此外，因年度間降水量不同，棉花耗水量及耗水模數(shù)也存在差異，2014年棉花生育期降水33.3 mm，2015年度降水125.2 mm，2014年較2015年度降雨量少，因而該年度耗水量及耗水模數(shù)也較小。

2.2 殘膜對(duì)棉花生育期棵間蒸發(fā)量的影響

由表4知，2014—2015年度，不同殘膜處理棉花各生育時(shí)期棵間蒸發(fā)量均表現(xiàn)為蕾期前逐漸降低，花鈴期達(dá)到最大，吐絮期又開(kāi)始下降。兩年試驗(yàn)中，不同處理棉花的棵間蒸發(fā)量在苗期—吐絮期均為C450＞C225＞C0處理，C450處理各生育期的棵間蒸發(fā)量比C0處理分別高0.16、0.14、0.18、0.13 mm·d-1。年度間，苗期—花鈴期C450處理棵間蒸發(fā)量顯著高于C0處理，吐絮期各處理間差異不顯著。從全生育期看，各處理棉花棵間蒸發(fā)量與各階段變化趨勢(shì)一致，均隨殘膜量的增加而增大。兩年試驗(yàn)結(jié)果表明，增加殘膜量，會(huì)明顯增大棉田無(wú)效耗水量。

2.3 殘膜對(duì)棉花干物質(zhì)積累與分配的影響

2.3.1 不同生育時(shí)期干物質(zhì)積累量

由圖2可以看出，2015年苗期至蕾期C0處理干物質(zhì)積累量顯著高于C450處理，而2014年差異不顯著，2014年盛花期—吐絮期干物質(zhì)積累量C0處理顯著高于C450處理，2015年盛鈴期—吐絮期各處理間干物質(zhì)積累量差異雖然不顯著，但均隨殘膜量的增加呈降低的變化趨勢(shì)，表明殘膜影響干物質(zhì)的積累，且殘膜量越高，干物質(zhì)積累量減小的趨勢(shì)越大。這與棉花生育期耗水規(guī)律相吻合（表3），進(jìn)一步說(shuō)明殘膜量越大，棉田耗水量越小，其干物質(zhì)積累量越少。

注：不同字母表示差異顯著（P＜0.05），下同。Note：Different letters mean significant difference（P＜0.05），the same below.

圖2 不同殘膜處理對(duì)棉花干物質(zhì)積累量的影響Figure 2 Effects on biomass accumulation amount of cotton in different plastic film residue treatments

棉株干物質(zhì)積累量隨生育進(jìn)程的推移總體呈“緩增-快增-緩減”的變化趨勢(shì)，用Logistic生長(zhǎng)函數(shù)對(duì)不同殘膜處理的棉花干物質(zhì)積累量進(jìn)行擬合（表5），相關(guān)度均較高。2年的干物質(zhì)積累動(dòng)力學(xué)特征分析表明，C0處理棉花干物質(zhì)量積累進(jìn)入快速增長(zhǎng)期的起始日、結(jié)束日和最大生長(zhǎng)速率出現(xiàn)日較早，生長(zhǎng)特征值大，而C450處理出現(xiàn)日較晚，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，比C0處理晚4～7 d，且生長(zhǎng)特征值和最大積累速率分別較C0處理小8.2 g·株-1和0.4 g·株-1·d-1，說(shuō)明殘膜延緩了干物質(zhì)的積累速率，不利于干物質(zhì)在快速增長(zhǎng)期的積累，進(jìn)而影響了棉花向生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變，最終影響產(chǎn)量形成。

2.3.2 收獲期干物質(zhì)在不同器官中的分配

收獲期干物質(zhì)在各器官中的分配量及比例均以蕾鈴花最高，莖葉居中，根最低（表6）。從干物質(zhì)在各器官中的分配量來(lái)看，C0處理的干物質(zhì)在莖葉中的分配量均較C225和C450處理高2.5、4.0 g·株-1，蕾鈴花分別高2.5、3.2 g·株-1，根分別高出0.8、1.3 g·株-1，C0處理收獲期干物質(zhì)在各器官中分配量顯著高于C225和C450處理，后兩者無(wú)顯著性差異；干物質(zhì)在根中的分配比例C450處理顯著低于無(wú)殘膜處理，而在莖葉和蕾鈴花中的分配比例均沒(méi)有達(dá)到顯著性差異。這說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，殘膜對(duì)收獲期干物質(zhì)在莖葉和蕾鈴花中的分配比例無(wú)顯著調(diào)控效應(yīng)，對(duì)根中的分配比例影響較顯著。

從表6還可以看出，隨殘膜量的增加，棉花根冠比明顯降低，與C0處理相比，C450處理降低0.7%，表明殘膜不利于提高收獲期干物質(zhì)在各器官中的積累，阻礙了干物質(zhì)向生殖器官中的分配。

2.4 殘膜水平下干物質(zhì)積累與耗水的關(guān)系

從以上分析可知，棉花不同生育時(shí)期干物質(zhì)日積累量和日均耗水量總體變化趨勢(shì)基本一致，苗期—吐絮期都表現(xiàn)為先增后減的變化趨勢(shì)，對(duì)2014、2015年度不同處理下棉花各生育時(shí)期干物質(zhì)日積累量和日均耗水量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。各處理日平均耗水量和日干物質(zhì)積累量之間存在顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系，回歸擬合后其決定系數(shù)平均值分別為處理相關(guān)系數(shù)高于C225和C450處理。蕾期不同處理棉花干物質(zhì)日積累量依次為0.14、0.12、0.10 g·株-1，日平均耗水量為3.71、3.25、3.22 mm，隨后干物質(zhì)日積累和日耗水量曲線斜率明顯增大，盛鈴期達(dá)到最大，干物質(zhì)日增重達(dá)到0.35、0.32、0.33 g·株-1，日均耗水量為5.66、5.42、5.06 mm，吐絮期干物質(zhì)積累和日耗水量開(kāi)始下降。分析表明殘膜量越大，日均耗水量越小，干物質(zhì)日增重量越少。

表5 棉株干物質(zhì)積累的Logistic模型和其特征值Table 5 The Logistic equation and its kinetic characteristics for biomass accumulation in whole growth period

表6 殘膜對(duì)棉花收獲期干物質(zhì)在不同器官中分配的影響Table 6 Biomass accumulation and distribution under different residual plastic film treatments at maturity in 2014 and 2015

2.5 殘留地膜對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表7可知，與C0處理相比，C225和C450處理兩生長(zhǎng)季籽棉產(chǎn)量分別減少了4.9%和8.7%，成鈴數(shù)分別降低了8.7%和13.1%，單鈴質(zhì)量依次減少0.2 g和0.3 g，且均與C0處理有顯著性差異，而衣分受殘膜影響未達(dá)到顯著水平，最終殘膜顯著降低了籽棉產(chǎn)量。上述結(jié)果表明，殘膜不利于提高籽棉產(chǎn)量、單株成鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量，而對(duì)棉花衣分無(wú)影響。

2.6 殘留地膜對(duì)水分利用效率的影響

不同殘膜處理下棉田水分利用效率如表8所示。各處理水分利用效率無(wú)顯著性差異，但均隨殘膜量的增大呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。C225和C450處理水分利用效率較C0處理依次降低了2.9%和5.6%，耗水降低了3.4%和4.5%，產(chǎn)量降幅最高達(dá)到9.8%。這一結(jié)果表明，殘膜雖然能降低耗水量，卻以犧牲產(chǎn)量作為代價(jià)。綜合分析兩年試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著殘膜量的增加，棉花總耗水量呈下降趨勢(shì)，棵間蒸發(fā)量增大，無(wú)效耗水所占比例增大，水分利用效率降低，導(dǎo)致減產(chǎn)。

3 討論

圖3 不同處理干物質(zhì)積累量與耗水量擬合Figure 3 The fitting results of cotton biomass accumulation and water consumption in different plastic film residue amount treatments

3.1 殘膜對(duì)棉田耗水特性及棵間蒸發(fā)過(guò)程的影響

棉田耗水特性是反映棉田水分消耗的主要形式，而土壤蒸發(fā)是造成土壤水分大量損失的主要途徑，也是衡量無(wú)效耗水的重要指標(biāo)，關(guān)于殘膜對(duì)棉田蒸發(fā)耗水的影響研究較少。本試驗(yàn)于2014—2015年通過(guò)測(cè)定3種殘膜處理下棉田的耗水特性及棵間蒸發(fā)量表明，殘膜影響了不同生育時(shí)期的階段耗水量及耗水模數(shù)，隨殘膜量的增加，各處理棉花全生育期總耗水量雖差異不顯著，但呈降低的變化趨勢(shì)，且生育前期的耗水模數(shù)逐漸降低，表明殘膜降低了作物的耗水量，明顯抑制了生育前期的耗水需求。C450處理棵間蒸發(fā)量顯著高于C0處理，表明殘膜量越大，無(wú)效耗水越多。這可能是由于殘膜使得土壤孔隙度減小，土壤容重增大，阻礙了殘膜以上水分的下滲，使更多的水分以無(wú)效耗水的形式散失。這一結(jié)果不同于牛文全等[14]在室內(nèi)土柱試驗(yàn)條件下研究的殘膜對(duì)土壤累積蒸發(fā)量的影響，其認(rèn)為隨殘膜量增加，土壤累積蒸發(fā)量減小，而蒸發(fā)系數(shù)增大。這可能是由于殘膜在土壤中存在的位置、分布形態(tài)，不同土壤質(zhì)地、土壤溫度下殘膜對(duì)水分分布及試驗(yàn)環(huán)境的差異性造成的。本試驗(yàn)條件下，殘膜降低了農(nóng)田耗水量，增加了土壤表層無(wú)效蒸發(fā)，不利于水分的有效利用。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)殘膜對(duì)棉田耗水分配特性的影響研究，為降低殘膜危害、提高水分利用效率提供理論依據(jù)。

表7 不同處理棉花產(chǎn)量及構(gòu)成因子Table 7 Seed cotton yield and its constitution factors for different plastic film residue treatments

表8 不同處理棉花水分利用效率Table 8 Water use efficiency of cotton for different plastic film residue treatments

3.2 殘膜對(duì)棉花干物質(zhì)積累與分配的影響

殘膜阻礙了植株不同生育期生物量的積累，使棉花地上、地下部生長(zhǎng)不平衡[25]。本試驗(yàn)得到類(lèi)似的結(jié)果，表明殘膜導(dǎo)致干物質(zhì)積累量減少，產(chǎn)量降低。與無(wú)殘膜處理相比，C450處理各生育時(shí)期干物質(zhì)積累量和收獲期干物質(zhì)在各器官中的分配量均顯著降低，干物質(zhì)量積累進(jìn)入快速增長(zhǎng)期的起始日、結(jié)束日和最大生長(zhǎng)速率出現(xiàn)日均推后了4～7 d，說(shuō)明殘膜延緩了干物質(zhì)進(jìn)入快速積累期的時(shí)間，不利于干物質(zhì)在快速增長(zhǎng)期的積累，阻礙了棉花向生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變。前人研究認(rèn)為[26-28]，在作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成過(guò)程中，通常都是先影響根系的生長(zhǎng)分布，然后對(duì)地上部起作用進(jìn)而影響產(chǎn)量。董合干等[15]認(rèn)為，殘膜阻礙了根系的生長(zhǎng)，造成根系表面積和根冠比異常，根系生產(chǎn)力降低，導(dǎo)致棉株水分、養(yǎng)分的吸收能力降低；殘膜對(duì)根系具有明顯的抑制作用，造成根系彎曲[29]，根系活力降低，根重隨地膜殘留量的增加而減小。本研究中，C225和C450處理干物質(zhì)在根中的分配量及分配比例顯著低于C0處理，結(jié)合日干物質(zhì)積累量與日均耗水量的相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)二者呈指數(shù)型增長(zhǎng)，即殘膜量越大，日均耗水量越小，干物質(zhì)日增重量越少，進(jìn)一步說(shuō)明了殘膜降低耗水強(qiáng)度，從而不能滿足生育期形成干物質(zhì)的耗水需求，影響了棉花的生產(chǎn)潛力，不利于棉花干物質(zhì)的積累和籽棉產(chǎn)量的提高。

3.3 殘膜對(duì)棉花產(chǎn)量及水分利用效率的影響

前人研究表明[25，30]，殘膜與單株鈴數(shù)、單鈴重和產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，與本文研究結(jié)果一致。本研究進(jìn)一步表明，殘膜量為450 kg·hm-2時(shí)，籽棉產(chǎn)量下降8.7%，單株成鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量分別減少0.8個(gè)和0.3 g。關(guān)于殘膜對(duì)棉田水分利用效率的影響研究較少，本研究發(fā)現(xiàn)，C225和C450處理水分利用效率較C0處理分別降低了2.9%和5.6%，籽棉產(chǎn)量隨殘膜量增加呈下降趨勢(shì)。雖然本研究是兩個(gè)生長(zhǎng)季的試驗(yàn)結(jié)果，且有一定的規(guī)律性，但殘膜對(duì)作物耗水特性及干物質(zhì)積累的影響仍需要在不同的作物種類(lèi)及氣候類(lèi)型下進(jìn)一步驗(yàn)證，本研究未開(kāi)展殘膜對(duì)棉花根系形態(tài)與吸水性能的研究，對(duì)此，將在今后的研究中進(jìn)一步完善。

4 結(jié)論

本研究采用微區(qū)控制性模擬試驗(yàn)，殘膜含量為0～450 kg·hm-2。試驗(yàn)條件下，隨著殘膜量的增加，棉花生育總耗水量呈下降趨勢(shì)，棵間蒸發(fā)量增大，無(wú)效耗水比例升高，其中生育前期耗水模數(shù)下降明顯。隨著殘膜量的增加，干物質(zhì)積累速率降低，快速積累期縮短，殘膜降低了干物質(zhì)積累量、根冠比和營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)分配比例，降低了水分利用效率，導(dǎo)致減產(chǎn)。

[1]王序儉,曹肆林,王敏,等.農(nóng)田地膜殘留現(xiàn)狀、危害及防治措施研究[C].中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì),2013.

WANG Xu-jian,CAO Si-lin,WANG Min,et al.Research on the status, harm and prevention measures of plastic film residue in farmland[C]. China Environmental Science Society,2013.

[2]戴路,馬輝,何翔.2015年新疆阿克蘇棉花產(chǎn)量及品質(zhì)情況[J].中國(guó)棉花,2016（3）：34-35. DAI Lu,MA Hui,HE Xiang.Production and quality of cotton in Akesu of Xinjiang in 2015[J].China Cotton,2016（3）：34-35.

[3]王佳琪,徐莎莎.新疆棉田白色污染現(xiàn)狀、問(wèn)題及治理對(duì)策研究[J].農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技,2016（9）：32-33,12.

WANG Jia-qi,XU Sha-sha.Study on the current situation,problems and countermeasures of white pollution in Xinjiang[J].Rural Economy and Science-Technology,2016（9）：32-33，12.

[4]周明冬,秦曉輝,侯洪,等.新疆農(nóng)田廢舊地膜污染治理現(xiàn)狀及建議[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2014,39（5）：171-174.

ZHOU Ming-dong,QIN Xiao-hui,HOU Hong,et al.Policy and present situation of pollution treatment of recycled plastic film in agricultural fields in Xinjiang[J].Environment and Sustainable Development,2014, 39（5）：171-174.

[5]牛瑞坤,王旭峰,胡燦,等.新疆阿克蘇地區(qū)棉田殘膜污染現(xiàn)狀分析[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,53（2）：283-288.

NIU Rui-kun,WANG Xu-feng,HU Can,et al.Analysis of the current situations of plastic films residue pollution of cotton field in Xinjiang Aksu Area[J].Xinjiang Agricultural Sciences,2016,53（2）：283-288.

[6]董偉偉,劉維忠,戴健.新疆棉田殘膜治理措施研究[J].農(nóng)村科技, 2015（1）：73-74.

DONG Wei-wei,LIU Wei-zhong,DAI Jian.Research on control measures of plastic film in cotton field in Xinjiang[J].Rural Science&Technology,2015（1）：73-74.

[7]Dong H D,Liu T,Han Z Q,et al.Determining time limits of continuous film mulching and examining residual effects on cotton yield and soil properties[J].Journal of Environmental Biology,2015,36（3）：677-684.

[8]蔣金鳳,溫圣賢,江玉萍.農(nóng)用殘膜對(duì)土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量影響的研究[J].蔬菜,2014（2）：25-27. JIANG Jin-feng,WEN Sheng-xian,JIANG Yu-ping.Effects of plastic film residue on soil physical and chemical properties and yield[J]. Vegetables,2014（2）：25-27.

[9]辛靜靜,史海濱,李仙岳,等.殘留地膜對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量影響研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2014,33（3）：52-54.

XIN Jing-jing,SHI Hai-bin,LI Xian-yue,et al.Effects of plastic film residueongrowthandyieldofmaize[J].JournalofIrrigationandDrainage, 2014,33（3）：52-54.

[10]郭彥芬,李生勇,霍軼珍.不同殘膜量對(duì)春玉米生產(chǎn)性狀及土壤水分的影響[J].節(jié)水灌溉,2016（4）：47-49.

GUO Yan-fen,LI Sheng-yong,HUO Yi-zhen.The effects of different residual film amount on spring maize production traits and soil moisture[J].Water Saving Irrigation,2016（4）：47-49.

[11]徐剛,杜曉明,曹云者,等.典型地區(qū)農(nóng)用地膜殘留水平及其形態(tài)特征研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005,24（1）：79-83.

XU Gang,DU Xiao-ming,CAO Yun-zhe,et al.Residue levels and morphology of agricultural plastic film in representative areas of China [J].Journal of Agro-Environment Science,2005,24（1）：79-83.

[12]王志超,李仙岳,史海濱,等.含殘膜土壤水分特征曲線模型構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32（14）：103-109.

WANG Zhi-chao,LI Xian-yue,SHI Hai-bin,et al.Water characteristic curve model for soil with residual plastic film[J].Transactions of the CSAE,2016,32（14）：103-109.

[13]李仙岳,史海濱,呂燁,等.土壤中不同殘膜量對(duì)滴灌入滲的影響及不確定性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29（8）：84-90.

LI Xian-yue,SHI Hai-bin,Lü Ye,et al.Effects of different residual plastic film quantities in soil on drip infiltration and its uncertainty analysis[J].Transactions of the CSAE,2013,29（8）：84-90.

[14]牛文全,鄒小陽(yáng),劉晶晶,等.殘膜對(duì)土壤水分入滲和蒸發(fā)的影響及不確定性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32（14）：110-119.

NIU Wen-quan,ZOU Xiao-yang,LIU Jing-jing,et al.Effects of residual plastic film mixed in soil on water infiltration,evaporation and its uncertainty analysis[J].Transactions of the CSAE,2016,32（14）：110-119.

[15]董合干,劉彤,李勇冠.新疆棉田地膜殘留對(duì)棉花產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29（8）：91-99.

DONG He-gan,LIU Tong,LI Yong-guan.Effects of plastic film residue on cotton yield and soil physical and chemical properties in Xinjiang[J].Transactions of the CSAE,2013,29（8）：91-99.

[16]王海江,崔靜,侯振安,等.膜下滴灌棉花干物質(zhì)積累與耗水量關(guān)系研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2009,27（5）：83-87.

WANG Hai-jiang,CUI Jing,HOU Zhen-an,et al.Study on relationship between dry matter accumulation and water consumption in cotton under film mulch and drip irrigation[J].Agricultural Research in the Arid Areas,2009,27（5）：83-87.

[17]解紅娥,李永山,楊淑巧,等.農(nóng)田殘膜對(duì)土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,26（增刊）：153-156.

XIE Hong-e,LI Yong-shan,YANG Shu-qiao,et al.Influence of residual plastic film on soil structure,crop growth and development in fields [J].Journal of Agro-Environment Science,2007,26（Suppl）：153-156.

[18]姜益娟,鄭德明,朱朝陽(yáng).殘膜對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2001,20（3）：177-179. JIANG Yi-juan,ZHENG De-ming,ZHU Chao-yang.Effects of remnant plastic film in soil on growth and yield of cotton[J].Agro-environmental Protection,2001,20（3）：177-179.

[19]李青軍,危常州,雷詠雯,等.白色污染對(duì)棉花根系生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,45（5）：769-775.

LI Qing-jun,WEI Chang-zhou,LEI Yong-wen,et al.Influence of white pollution on root growth of cotton[J].Xinjiang Agricultural Sciences, 2008,45（5）：769-775.

[20]劉增進(jìn),李寶萍,李遠(yuǎn)華,等.冬小麥水分利用效率與最優(yōu)灌溉制度的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20（4）：58-63.

LIU Zeng-jin,LI Bao-ping,LI Yuan-hua,et al.Research on the water use efficiency and optimal irrigation schedule of the winter wheat[J]. Transactions of the CSAE,2004,20（4）：58-63.

[21]王紅光,于振文,張永麗,等.耕作方式對(duì)旱地小麥耗水特性和干物質(zhì)積累的影響[J].作物學(xué)報(bào),2012,38（4）：675-682.

WANG Hong-guang,YU Zhen-wen,ZHANG Yong-li,et al.Effects of tillage regimes on water consumption and dry matter accumulation in dryland wheat[J].Acta Agronomica Sinica,2012,38（4）：675-682.

[22]王桂良,葉優(yōu)良,李歡歡,等.施氮量對(duì)不同基因型小麥產(chǎn)量和干物質(zhì)累積的影響[J].麥類(lèi)作物學(xué)報(bào),2010,30（1）：116-122.

WANG Gui-liang,YE You-liang,LI Huan-huan,et al.Effect of nitrogen fertilizer application on grain yield and dry matter accumulation for different genotypes of winter wheat[J].Journal of Triticeae Crops,2010, 30（1）：116-122.

[23]鄭成巖,于振文,馬興華,等.高產(chǎn)小麥耗水特性及干物質(zhì)的積累與分配[J].作物學(xué)報(bào),2008,34（8）：1450-1458.

ZHENG Cheng-yan,YU Zhen-wen,MA Xing-hua,et al.Water consumption characteristic and dry matter accumulation and distribution in high-yielding wheat[J].Acta Agronomica Sinica,2008,34（8）：1450-1458.

[24]王曉鳳,吳文良,潘志勇,等.不同水氮處理對(duì)冬小麥生長(zhǎng)及土壤水分利用效率的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,26（增刊2）：741-745.

WANG Xiao-feng,WU Wen-liang,PAN Zhi-yong,et al.Effects of various water and nitrogen managements on growth of winter wheat and water use efficiency[J].Journal of Agro-Environment Science,2007,26（Suppl2）：741-745.

[25]李青軍.土壤殘膜對(duì)棉花生長(zhǎng)及土壤微生物活性的影響[D].石河子：石河子大學(xué),2008：30-36.

LI Qing-jun.Study on cotton plant growth and soil microbial activity as affected by plastic film contamination in soil[D].Shihezi：Shihezi A-gricultural University,2008：30-36.

[26]王啟現(xiàn),王璞,楊相勇,等.不同施氮時(shí)期對(duì)玉米根系分布及其活性的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2003,36（12）：1469-1475.

WANG Qi-xian,WANG Pu,YANG Xiang-yong,et al.Effects of nitrogen application time on root distribution and its activity in maize（Zea mays L.)[J].Scientia Agricultura Sinica,2003,36（12）：1469-1475.

[27]Qu L Y,Quroreshi A M,Koike T.Root growth characteristics,biomass and nutrient dynamics of seedlings of two Larch species raised under different fertilization regimes[J].Plant and Soil,2003,255：293-302.

[28]Zhuge Y P,Zhang X D,Zhang Y L,et al.Tomato root response to subsurface drip irrigation[J].Pedosphere,2004,14（2）：205-212.

[29]劉建國(guó),李彥斌,張偉,等.綠洲棉田長(zhǎng)期連作下殘膜分布及對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,29（2）：246-250.

LIU Jian-guo,LI Yan-bin,ZHANG Wei,et al.The distributing of the residue film and influce on cotton growth under continuous cropping in oasisofXinjiang[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2010,29（2）：246-250.

[30]何文清,嚴(yán)昌榮,劉爽,等.典型棉區(qū)地膜應(yīng)用及污染現(xiàn)狀的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,28（8）：1618-1622.

HE Wen-qing,YAN Chang-rong,LIU Shuang,et al.The use of plastic mulch film in typical cotton planting regions and the associated environmental pollution[J].Journal of Agro-Environment Science,2009,28（8）：1618-1622.

Effects of plastic film residue on water consumption characteristics and biomass accumulation and distribution in drip irrigation of cotton

WANG Liang1,LIN Tao2,3,TIAN Li-wen2,YAN Chang-rong3,HE Wen-qing3,WANG Jing1,TANG Qiu-xiang1,4*
（1.College of Agriculture,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2.Xinjiang Academy of Agricultural Sciences Institute of Industrial Crops,Urumqi 830091,China;3.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China;4.Key Laboratory for Agricultural Environment,Ministry of Agriculture,Beijing 100081,China）

The plot and field simulation experiments were undertaken to determine the effect of plastic film residues on water consumption, consumption modulus,evaporation,water use efficiency,biomass accumulation and distribution in a drip irrigated cotton field covered by plastic mulch during 2014—2015 in an arid region.Three treatments including plastic film residue amount of 0 kg·hm-2,225 kg·hm-2and 450 kg·hm-2were designed based on investigation of typical cotton field representing local present situation.The results showed that during the whole growing period,residue addition of 225 kg·hm-2and 450 kg·hm-2decreased the water consumption by 25.60 mm and 33.74 mm and increased mean evaporation intensity of growth period by 0.07 mm·d-1and 0.16 mm·d-1compared to no film treatment,respectively.Although,total crop water consumption was not significantly affected by plastic film residues between 225 kg·hm-2and 450 kg·hm-2treatments,but was significantly decreased compared to no film treatment,respectively.The consumption modulus decreased with increase in theresidual amount of plastic film,especially,in seedling and bud stage.Meanwhile,increasing plastic film residue could decrease soil water use efficiency and biomass.In sum,water consumption,effective water consumption ratio and seed cotton yield could be described by residual plastic film,respectively.And the water consumption demand in the early stage of growth was significantly inhibited.This study could provide valuable information for well understanding effects of residual film in farmland.Further field and modelling studies are needed to extrapolate the findings to a wider range of crop and site conditions,and to develop threshold and early warning informations to assist researchers or farmers to better to reduce the risk of residual film.

residual plastic film;the characteristics of water consumption;biomass accumulation and distribution;water use efficiency

X503.231

A

1672-2043（2017）03-0547-10

10.11654/jaes.2016-1206

王亮，林濤，田立文,等.殘膜對(duì)棉田耗水特性及干物質(zhì)積累與分配的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（3）：547-556.

WANG Liang,LIN Tao,TIAN Li-wen,et al.Effects of plastic film residue on water consumption characteristics and biomass accumulation and distribution in drip irrigation of cotton[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（3）：547-556.

2016-09-17

王亮（1990—），男，甘肅張掖人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)環(huán)境。E-mail：980201749@qq.com

*通信作者：湯秋香E-mail：tangqiuxiang2004_2@163.com

產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)項(xiàng)目（xjaucxy-yjs-20151011）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31460143）；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014211A026）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2013M540784）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31370522）；農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目

Project supported：Production，Teaching，Research，Joint Training Graduate Programs of Xinjiang Agricultural University（xjaucxy-yjs-20151011）；The National Natural Science Foundation of China（31460143）；The Natural Science Foundation of Xinjiang Province，China（2014211A026）；The China Postdoctoral Science Foundation（2013M540784）；The National Natural Science Foundation of China（Face Items）（31370522）；Agricultural Environment Key Laboratory China Department of Agriculture