杜 利，李援農(nóng)，陳朋朋，王凱瑜，李昱鵬

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

地膜覆蓋具有增溫保墑、防治雜草、防治病蟲害等效果[1,2]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。然而隨著地膜使用歷史時間延續(xù)和地膜覆蓋面積的不斷增加，殘留在土壤中的地膜增多且逐漸碎片化。地膜是一種分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定的聚乙烯材料，可在土壤中殘留200～400 a[3]。地膜難以降解的特性及其不合理的利用，造成了土壤中殘膜的大量累積，長此以往必然會影響農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。因此，研究殘膜對作物生長發(fā)育影響具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，殘膜破壞土壤孔隙的連續(xù)性，使土壤密度增加，造成土壤板結(jié)，同時水分下滲速度減慢[4-6]。高青海等[7]通過盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，殘膜減小了番茄幼苗的株高、莖粗、地上部和根系鮮重，降低了根系代謝水平。解紅娥等[8]發(fā)現(xiàn)，隨殘膜量的增加，小麥產(chǎn)量降低0.8%～22.1%，玉米產(chǎn)量降低2.1%～27.5%，棉花產(chǎn)量降低1%～7.5%。前人關(guān)于殘膜對作物生長的危害進(jìn)行了一系列研究，但多集中于殘膜對作物株高、莖粗和產(chǎn)量等方面，多數(shù)是局部的，而關(guān)于殘膜對作物不同生育期生理特性影響的研究鮮有報道。

本文結(jié)合前人的研究，設(shè)置不同的殘膜梯度，探究不同農(nóng)田殘膜量對土壤物理性狀、玉米葉片抗逆性生理生化指標(biāo)和作物根系特征等方面的影響，從殘留地膜對土壤性狀、作物逆性指標(biāo)及作物根系的響應(yīng)來闡釋殘膜對作物的影響機(jī)理。旨在為預(yù)測未來殘留地膜對作物生長發(fā)育和土壤的影響，同時可為防治殘膜污染敲響警鐘。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

盆栽試驗(yàn)于2017年06月17日至2017年10月1日在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)站的遮雨棚內(nèi)進(jìn)行。該區(qū)位于108°04′E，34°20′N，海拔高度為521 m，屬于暖溫帶半干旱半濕潤氣候，年均輻射總量475.5 kJ/m2，多年平均氣溫13.0 ℃，多年平均蒸發(fā)量1 500 mm，年平均降水量632 mm，主要集中在7-9月。

供試土壤為重壤土，選自試驗(yàn)站大田0～20 cm土 壤。將其風(fēng)干、研碎，過5 mm篩后混合均勻。土壤基本的理化性狀為：田間持水量25.5%，pH值為7.8，有機(jī)質(zhì)6.18 g/kg，全氮0.81 g/kg，全磷0.42 g/kg，全鉀13.8 g/kg，堿解氮10.93 mg/kg，速效磷4.18 mg/kg和速效鉀102.3 mg/kg。供試玉米品種為吉祥1號，于2017年06月17日播種，10月1日收獲，持續(xù)時間109 d。試驗(yàn)采用0.8 mm厚有機(jī)玻璃土箱，土箱高100 cm，長寬均為60 cm，控制裝土容重為1.35 g/cm，深度90 cm。為防止滯水，土箱底部裝有5 cm河沙，土箱一側(cè)面每隔10 cm均勻打9個小孔。施肥量為尿素(純N 160 kg/hm2)，基追比2∶3，追肥時期為大喇叭口期，磷肥過磷酸鈣(P2O5120 kg/hm2)和鉀肥硫酸鉀(K2O 60 kg/hm2)。實(shí)驗(yàn)所用地膜為陜西省楊凌瑞豐環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)，厚度為0.008 mm。播種前先灌透土箱中土壤，放置2 d后，每箱按株距30 cm播種兩穴，每穴播種5粒玉米種子，待玉米長出兩葉一心時，每個土箱定苗2株，生育期內(nèi)在側(cè)面預(yù)先打的9個小孔內(nèi)，插設(shè)法國Parrot公司生產(chǎn)的無線植物監(jiān)測器Flower Power監(jiān)測土壤含水率，控制土壤水分為田間持水量的60%～80%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

為研究地膜殘留對玉米生長發(fā)育的影響趨勢，預(yù)測現(xiàn)有耕作方式下，0～121 a的殘膜發(fā)展?fàn)顩r。根據(jù)已有研究[9-11]，在多年連續(xù)覆膜條件下，殘膜量Mf(kg/hm2)與殘膜年限X(a)之間存在線性關(guān)系：Mf=5.546X+47.840(R2=0.871)。根據(jù)該研究結(jié)果，將試驗(yàn)設(shè)置5個處理，T0、T1、T2、T3、T4分別代表土壤殘膜量為0、90、180、360、720 kg/hm2，每個處理重復(fù)7次，隨機(jī)排列。

由于多年覆膜耕作后，殘留在土壤中的農(nóng)膜會逐漸呈現(xiàn)碎片化[2]，根據(jù)土箱的橫截面積和土壤中地膜的大小，將地膜裁剪成0～4和4～25 cm2兩種規(guī)格，兩種殘膜的質(zhì)量比例為1∶7，并按1.35 g/cm3容重將土-膜-肥混合物均勻裝入土箱上部30 cm土壤中。

1.3 測定指標(biāo)與方法

(1)土壤含水量。采用烘干法測定土壤含水量。玉米生育期內(nèi)每隔20 d(在播種后20、40、60、80、100 d)測定。測定深度為90 cm，每隔10 cm在土箱中心區(qū)域取1個土樣，在105 ℃下烘干至恒重，計算土壤質(zhì)量含水量。

(2)土壤容重與土壤孔隙度。在收獲期，各處理每隔10 cm用環(huán)刀法測定容重，0～90 cm土壤容重由加權(quán)平均值計算見下式。

(1)

土壤孔隙度計算公式為：

(2)

式中：ρ容為土壤容重；ρ密為土壤密度，一般取2.65 g/cm3。

(3)株高和莖粗。定苗后，各處理選取長勢一致的5株玉米植株，每隔10 d測量株高和莖粗。株高用卷尺從植株靠近地表處起測量，莖粗用數(shù)顯游標(biāo)卡尺在主莖基部測量。

(4)玉米生物量、根冠比和根重比。各處理在播種后每隔20 d取樣一次，按10 cm分層收集根系，同時收集玉米地上部分，在105 ℃下殺青30 min后，在80 ℃下烘干至恒重，用電子秤稱量各器官干重，根重比計算見下式。

根重比=M30/M總

(3)

式中：M總為玉米植株根總干重；M30為玉米植株0～30 cm土層根干重。

(5)脯氨酸與丙二醛含量的測定。參考《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)》[12]脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮顯色法，丙二醛含量測定采用硫代巴比妥酸 (TBA) 比色法。

1.4 Logistic生長模型

多數(shù)作物的生長符合Logistic生長模型。該模型的表達(dá)式為：

(4)

式中：t為玉米生長發(fā)育的時間，d；K為一定環(huán)境下玉米植株株高生長的最大值；a為玉米生長初期的狀態(tài)參數(shù)；b為玉米的增長速率系數(shù)；e為自然對數(shù)的底數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同殘膜量對土壤容重和土壤孔隙性狀的影響

表1為不同殘膜量下0～90 cm層土壤容重和土壤孔隙度。

表1 不同殘膜量下0～90 cm層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，不同殘膜處理的0～10、10～20、20～30和0～90 cm土層的土壤容重較T0均有所增加，土壤孔隙度較T0均有所降低，且殘膜量越多，土壤容重越大，土壤孔隙度越小。殘膜處理下，0～90 cm的平均土壤容重較T0增幅可達(dá)2.03%～5.41%，0～90 cm的平均土壤孔隙度較T0降低2.36%～6.76%。在5種處理中，隨著土層深度的增加，土壤容重隨之增加。在0～10 cm土層，T1、T2、T3和T4處理的土壤容重較T0分別增加了0.65%、2.78%、4.13%和4.83%，土壤孔隙度較T0分別降低了0.73%、3.13%、4.77%和5.54%，其中處理T0和T1 與處理T3和T4之間差異不顯著。在10～20 cm土層，4種殘膜處理的土壤容重較T0增加了0.68%～4.08%、土壤孔隙度降低了0.54%～5.51%。20～30土層的土壤容重與土壤孔隙度變化規(guī)律與0～10 cm和10～20 cm土層基本一致。與播種前相比，處理T4的0～90 cm土層土壤容重和土壤孔隙度變化最大，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 不同殘膜量對玉米生育期土壤水分的影響

圖1為0～90 cm土層剖面含水量分布及變化情況。

圖1 不同殘膜處理下0～90 cm土層剖面含水量分布及變化情況Fig.1 The distribution and variation of water content in 0～90 cm soil profile under different treatments of residual plastic film amounts

從圖1分析知，各處理苗期和成熟期不同殘膜含量0～90 cm剖面含水量變化基本一致，隨土層深度的增加，含水量逐漸增大，呈現(xiàn)為“S”形變化規(guī)律，且隨殘膜量的增加，土壤含水量呈下降趨勢?？梢?，殘膜改變了土壤孔隙連續(xù)性，使得土壤孔隙減少，阻礙土壤水分下滲。各處理苗期0～30 cm平均土壤含水量T0分別較T1、T2、T3、T4增加2.1%、2.88%、3.85%、4.72%，而下層30～90 cm土壤含水量差異不大。生育期結(jié)束，玉米根系對土壤水分吸收減弱及灌溉水減少，各處理含水量變化不大。

2.3 不同殘膜量對玉米生育期株高的影響

圖2為不同殘膜量對玉米株高的影響。

由圖2(a)分析知，不同殘膜處理下，玉米全生育期內(nèi)的株高變化規(guī)律基本一致，隨生育期推進(jìn)，呈慢—快—慢的變化規(guī)律。與處理CK相比，4種殘膜處理的玉米株高不同程度的有所減小，且隨殘膜量的增多，減小幅度加大。處理T0下，玉米株高的最大值為241.2 cm，較處理T1、T2、T3和T4分別提高了10.4%、14.8%、22.9%和35.2% ，差異顯著(P<0.05)。

由圖2(b)分析知，株高增長速率與殘膜量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其在播種后60 d。在播種后20、40和60 d，處理90、180、360和720 kg/hm2的株高增長速率分別較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%，處理T1、T2、T3和T4的株高增長速率均顯著低于處理T0(P<0.05)。在播種后80和100 d，各處理株高增長速率的差異不顯著或僅部分達(dá)到顯著性水平。整個玉米生育期內(nèi)，株高增長速率的最大值為4.32 cm/d，較最小值3.05 cm/d，提高了41.6%。可見，殘膜對玉米的生長阻礙作用隨殘膜量的增加而增強(qiáng)，但隨著玉米生長發(fā)育的推進(jìn)，其抗逆性增強(qiáng)，殘膜對植株的危害作用降低。

圖2 不同殘膜處理下玉米株高的變化情況Fig.2 Variation of maize height under different treatments of residual plastic film amounts

不同殘膜量處理下玉米株高的Logistic生長模型擬合參數(shù)見表2。

表2 不同殘膜量處理下玉米株高的Logistic生長模型擬合參數(shù)Tab.2 Logistic model fitting parameters of maize height under different treatments of residual plastic film amounts

由表2分析知，運(yùn)用Logistic方程對各處理的玉米株高進(jìn)行擬合，擬合方程的決定系數(shù)R均大于0.995，說明Logistic方程能較好地反映玉米株高的生長過程。其中，參數(shù)Km值隨著殘膜量的增加而減小，說明玉米的潛在最大株高隨著殘膜量的增多而降低。a值也隨著殘膜量的增加而降低，同時各處理玉米的增長速率系數(shù)b值均小于CK，表明隨著殘膜量的增多，其對玉米生長的阻礙作用增強(qiáng)。

比較不同殘膜處理對株高生長特性參數(shù)的影響，可看出不同殘膜處理在播種后44～46 d左右進(jìn)入玉米旺盛生長期，但均較處理CK有所提前，分別提前0.86、2.03、3.19和3.92 d，差異顯著。各殘膜處理在65～67 d結(jié)束生長旺盛期，較CK分別縮短0.61、0.58、2.41和2.78 d。且隨著殘膜量的增多，殘膜處理的最大生長速度Vmax逐漸降低，殘膜處理T1、T2、T3和T4的Vmax較CK分別下降9.95%、18.06%、21.76%和29.40%。說明殘膜影響株高的生長發(fā)育，且使玉米的生育期提前。

2.4 不同殘膜量對玉米葉片丙二醛和脯氨酸含量的影響

玉米葉片中丙二醛含量和游離的脯氨酸含量的變化情況見圖3。

由圖3分析知，玉米葉片中丙二醛含量和游離的脯氨酸含量的變化情況基本一致，在播種后20 d含量達(dá)到最大，其中處理T4、T3、T2和T1的丙二醛含量較T0分別增加了153.65%、136.03%、120.16%和43.49%，而處理T4、T3、T2和T1的脯氨酸含量較T0分別增加了139.72%、87.62%、57.30%和25.84%，差異顯著(P<0.05)。可見，隨殘膜量的增多，玉米植株所受的脅迫作用越大，丙二醛含量和脯氨酸含量越大。在播種后40 d，玉米葉片中游離的丙二醛含量和脯氨酸含量均有所降低，但處理T4、T3、T2和T1的丙二醛含量仍顯著高于T0。在播種后60 d，T0處理的丙二醛含量雖略低于T1，差異不顯著，T0處理的丙二醛含量與T3和T4差異顯著，但差異有所減小，各處理脯氨酸的變化情況與丙二醛類似，隨生育期的推進(jìn)，處理間脯氨酸含量的差異有所減小，但T0處理始終低于其余處理。播種后80 d，各處理丙二醛含量和脯氨酸含量較播種后60 d有所增加，但T4、T3、T2、T1的丙二醛含量和脯氨酸含量與T0差異不顯著?？梢?，殘膜作為一種外來物質(zhì)，將會脅迫植株的生長發(fā)育。隨著殘膜量的增大，會促使丙二醛和脯氨酸在植株內(nèi)積累，且注意表現(xiàn)在玉米生育前期。

圖3 不同殘膜量處理對玉米葉片丙二醛含量和游離脯氨酸含量的影響Fig.3 Effects of different residual film treatments on the contents of proline and malondialdehyde in the in maize leaves

2.5 不同殘膜處理對玉米生長特征的影響

表3為不同殘膜量條件下玉米生物量變化情況。

表3 不同殘膜量處理下玉米生物量動態(tài)變化Tab.3 Changes of biomass of maize under different residual film treatments

由表3分析知，殘膜處理會影響玉米的地上部干重，根干重，根冠比及根重比。總體上玉米地上部干重隨殘膜量的增多而減少，無殘膜時地上部干重達(dá)到最大，其中在播種后20和40 d受殘膜的影響較為顯著；在播種后80和100 d，T0處理的地上部干重大于其余處理，但差異不顯著。在播種后20 d， T4、T3、T2和T1地上部干重分別比T0減少35.07%、31.75%、19.91%和9.00%，處理間差異顯著，T3和T4差異不顯著。在播種后40 d， T4、T3、T2和T1地上部干重分別比T0減少38.94%、29.35%、22.48%和12.42%，其中T0處理與其他處理差異顯著，T3和T2差異不顯著。玉米根干重與地上部分干重變化趨勢相似，即殘膜量越大，玉米根干重越??；在播種后20和40 d，處理間差異顯著；在播種后80和100 d，T0處理的根干重仍大于其他處理。根系干物質(zhì)隨著玉米生長階段的推進(jìn)增幅很大，但到成熟期時，有降低的趨勢。

在玉米生長前期，隨著殘膜量的增加，根冠比有增大的趨勢。在播種后20 d，T4處理分別比T0處理增大14.03%，T4和T0之間差異顯著。而隨玉米生長發(fā)育的推進(jìn)，處理之間根冠比變化規(guī)律不顯著。在成熟階段，隨殘膜量的增大，根冠比反而有降低的趨勢?？赡苁怯捎跉埬ぬ幚淼挠衩字仓旮蹈绲乃ダ?，導(dǎo)致根干重減少，根冠比下降。

從表3分析知，在不同殘膜處理下，玉米根重比有不同程度地提高，在播種后20和40 d，受殘膜的影響尤為顯著。在播種后20 d，根重比由0.892 3提高至0.955 7，提高了7.11%；在播種后40 d，根重比由0.751 1提高至0.842 4，提高了12.16%。隨著生長階段的推進(jìn)，各處理的根重比均下降，但在成熟期，有增大的趨勢?？梢?，殘膜通過阻礙玉米根系的生長進(jìn)而影響玉米地上部的發(fā)育。在前期，由于殘膜的抑制作用，玉米根系的穿透能力較弱，更多的滯留在0～30 cm土層，而在生育后期，隨著根系發(fā)育的增強(qiáng)，其對殘膜具有更高的抗逆性，玉米根重比有上升趨勢，根重的增加，可以更多地吸收水分和養(yǎng)分，從而促進(jìn)地上部的生長發(fā)育，因此后期各處理之間的地上部干重，根干重?zé)o顯著差異。

3 討 論

殘膜作為一種外源物質(zhì)，在常年地膜覆蓋的地塊，若土壤中的殘膜得不到及時的撿拾，就會使土壤容重增加，影響土壤的通氣性、透水性和導(dǎo)熱性。解紅娥等[8]研究發(fā)現(xiàn)，殘膜處理的土壤容重均高于無殘膜處理，大于360 kg/hm2的處理，土壤容重較對照高5.8%～7.2%，本研究發(fā)現(xiàn)，大于360 kg/hm2的處理，土壤容重較對照提高4.1%～5.4%，土壤孔隙度較對照高5.3%～6.8%。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨殘膜量的增加，土壤含水量呈下降趨勢。苗期0～30 cm土層含水量表現(xiàn)為，無殘膜處理較殘膜處理增加了2.1%～4.72%。這與鄒小陽等[11]的研究結(jié)果一致，分布在表層的殘膜，阻礙了水分向深層入滲，使水分集中分布在表層，在強(qiáng)烈的大氣蒸發(fā)條件下，灌溉水變?yōu)闊o效水，降低土壤的保水能力。王志超等[13]也研究發(fā)現(xiàn)，隨著殘膜量增大，土壤保水能力下降?？梢姎埬ねㄟ^提高土壤容重，降低土壤孔隙度，切斷孔隙的連續(xù)性，阻礙土壤水分的下滲，從而使土壤含水量和保水能力下降。

根系是植物體的重要器官，植株通過根系吸收土壤中的養(yǎng)分和水分。根系的生長代謝和活力變化直接影響地上部的生長發(fā)育。作物根系的生長及分布與根區(qū)土壤含水量的變化有關(guān)[14]。馬旭鳳等[15]研究發(fā)現(xiàn)，表土層水分虧缺，會使根的中柱面積和導(dǎo)管直徑減少，導(dǎo)致根系長度縮短，根直徑變細(xì)，總生物量降低。辛靜靜等[16]研究發(fā)現(xiàn)殘膜量越多，根系干質(zhì)量越少，其中苗期和拔節(jié)期受殘膜的影響更為明顯，當(dāng)殘膜強(qiáng)度達(dá)到720 kg/hm2時，與無殘膜處理相比玉米根系生物量降低12.5%。本研究發(fā)現(xiàn)無殘膜處理根干重最大，根干重隨殘膜量的增多而減少，減少量最多可達(dá)36.2%，在播種后20和40 d差異最為顯著。同時，含殘膜處理的根重比顯著低于無殘膜處理。隨著玉米的生長發(fā)育，根重比減少，處理間差異減小。原因可能是殘膜通過改變土壤孔隙度，降低土壤含水量，造成根系缺水，進(jìn)而阻礙根系的生長發(fā)育。而前期植株弱小，根系的穿透能力較弱，更多的滯留在0～30 cm土層，所以殘膜處理的根重比較無殘膜處理大，玉米在生育后期隨著根系發(fā)育的增強(qiáng)，其對殘膜作用具有更高的抗逆性，根系穿透能力更強(qiáng)，根系受殘膜的影響減弱，所以玉米根重增加，玉米根重比下降。

脯氨酸是植物體內(nèi)的一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量的變化是植物對逆境條件的一種適應(yīng)性變化或者自衛(wèi)反應(yīng)，植物體內(nèi)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)被認(rèn)為是逆境脅迫下膜脂過氧化的最終產(chǎn)物 ，對植物細(xì)胞有毒害作用，植株通過積累脯氨酸來抵御干旱、鹽漬等逆境脅迫，它的含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，在玉米生長發(fā)育前期，玉米葉片中游離脯氨酸和丙二醛含量均隨著殘膜量增加而增多。這是因?yàn)橥寥蕾|(zhì)量含水量隨殘膜量的增加而減少，前期植株弱小，對水分較為敏感，含殘膜處理的玉米植株形成了水分虧缺，受到干旱脅迫，導(dǎo)致脯氨酸和丙二醛在植物體內(nèi)累積。在播種后80 d，玉米葉片中游離脯氨酸和丙二醛含量有上升趨勢，可能是氣溫過高，玉米植株受到了高溫脅迫，玉米葉片中游離脯氨酸和丙二醛再次累積。

土壤物理及化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化會直接影響作物根系的生長及分布，從而影響地上部生長發(fā)育[19]。本研究結(jié)果表明，殘留在土壤中的地膜不僅影響了玉米根系的生長與分布，同時玉米地上部干重和株高均隨殘膜量的增多而減少。原因可能是殘膜作為一種柔韌性較強(qiáng)的物質(zhì)，易纏繞在作物根系的周圍，阻礙作物根系的養(yǎng)分吸收與利用[20,21]，同時殘膜使玉米植株形成水分虧缺，且水分虧缺程度隨殘膜量增加而增大[11]，玉米葉片收縮，總氣孔密度和關(guān)閉氣孔數(shù)增加，導(dǎo)致CO2虧缺，光合速率降低，減弱了玉米的光合作用[22,23]。光合作用產(chǎn)物是干物質(zhì)形成的基礎(chǔ)，而殘膜引起的水分虧缺，降低了葉綠素含量，阻礙了光合作用產(chǎn)物的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而引起干物質(zhì)積累量的減少[24]。

4 結(jié) 語

(1)隨殘膜量的增加，土壤容重增大，孔隙度減小，從而阻礙土壤水分下滲，降低土壤保水能力。

(2)玉米的株高隨殘膜量增加而減小，處理T0的株高分別較T1、T2、T3、T4 提高了10.4%、14.8%、22.9%和35.2%，處理間差異顯著。株高增長速率隨殘膜量的增加變緩，玉米生育期的進(jìn)程隨殘膜量的增多而提前。

(3)整個玉米生育期，無殘膜處理的地上部干質(zhì)量，根干質(zhì)量均高于殘膜處理，而無殘膜處理的根重比小于殘膜處理。殘膜對玉米生長發(fā)育有阻礙作用，且前期的阻礙作用較大。

(4)殘膜造成玉米植株水分供應(yīng)不足，葉片中游離的脯氨酸和丙二醛含量增加，在前期差異顯著。為減輕殘膜危害，應(yīng)加強(qiáng)玉米植株前期的田間管理。