林 濤，湯秋香，郝衛(wèi)平，吳鳳全，雷 蕾，嚴(yán)昌榮，何文清，梅旭榮※

（1.中國農(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；

2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊830052；3.新疆農(nóng)業(yè)科院經(jīng)濟(jì)作物研究所，烏魯木齊830091）

0 引 言

塑料地膜覆蓋是水資源短缺地區(qū)促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收的一項(xiàng)關(guān)鍵性措施。以缺水為農(nóng)業(yè)主要限制因素的西北干旱地區(qū)表現(xiàn)出更高的增產(chǎn)和節(jié)水效益[1]。研究表明地膜覆蓋技術(shù)對中國國農(nóng)作物增產(chǎn)和水分利用效率提升的貢獻(xiàn)率已達(dá)24.32%和27.63%[2]。該技術(shù)已被證實(shí)能夠短期內(nèi)有效的提高地表溫度，減少土壤水分蒸發(fā)從而改善了土壤的水熱狀態(tài)[3]，抑制雜草生長[4]，從而極大地促進(jìn)了作物的生長和產(chǎn)量形成。中國是世界上使用地膜最多的國家，近30 a 來所有的省份和地區(qū)地膜覆蓋強(qiáng)度均呈上升趨勢，1991年到2017年，中國地膜用量從3×105t急劇增加到14.7×105t，覆蓋面積184×105hm2，用量占世界需求的60%以上[2]。未來10 a 中國的地膜的用量預(yù)計(jì)還將以每年7%的速度保持高速增長[5]。因此地膜覆蓋技術(shù)在保障中國糧棉安全方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。

然而聚乙烯（polyethylene,PE）地膜在土壤中極難分解，又缺乏有效回收措施，造成了一系列殘膜污染危害[6]，且持續(xù)多年[7]。前人研究表明新疆殘膜總量為3.43×105t，占覆蓋總量的15.3%，其中棉花田地膜殘留量最大，達(dá)158.4 kg/hm2，且以每年15.69 kg/hm2的速度累積[8]。其中石河子，塑料薄膜殘留量在121.85～352.38 kg/hm2[9]，吐魯番地區(qū)最大殘留量達(dá)502.2 kg/hm2，超過半數(shù)棉田地膜殘留量高于國家標(biāo)準(zhǔn)(75 kg/hm2)[8]。殘膜污染可能對作物生產(chǎn)產(chǎn)生一系列負(fù)面影響，包括；1）降低了土壤孔隙度，中斷土壤結(jié)構(gòu)，阻礙了水肥運(yùn)動。隨著殘膜量的增加表土層的初始含水率、容重、總孔隙度等方面存在顯著差異[4]。土壤容重下降，孔隙度上升[4,10]，排大孔隙土壤水的當(dāng)量孔徑體積占比增大，從而降低了土壤保水能力[11-12]；清除殘膜后，0～20 cm 土層水分平衡時間減少了45%～50%[4,13]。2）降低播種質(zhì)量。殘膜污染棉田，爛種率達(dá)6.92%，爛芽率達(dá)5.17%，棉苗側(cè)根比正常減少4.8～7.6條[14]。3）抑制了根系的擴(kuò)展和分布，最終導(dǎo)致減產(chǎn)[4,14-15]。研究表明[2]，殘膜量為＞240 kg/hm2時，對玉米、馬鈴薯和棉花平均減產(chǎn)率為16.10%。Xie 等認(rèn)為[10]，當(dāng)殘膜量＞720 kg/hm2時，玉米根系生長受阻明顯，產(chǎn)量明顯下降。Zou 等研究認(rèn)為[16]，當(dāng)殘膜量＞80 kg/hm2，西北地區(qū)大棚番茄產(chǎn)量將會急劇下降。顏林等研究表明[17]，棉花重茬12～15 a，殘膜量為283.65～283.80 kg/hm2，減產(chǎn)25.3%～47.87%。畢繼業(yè)等[18]通過評價(jià)模型分析認(rèn)為當(dāng)使用地膜覆蓋技術(shù)36 a后，地膜覆蓋的增產(chǎn)率將小于地膜殘留造成的減產(chǎn)率。4）殘膜污染降低了土壤酶活性和微生物的多樣性，從而抑制了土壤肥力[4,19-20]，不僅會增加溫室氣體的排放[21-22]，還會增加農(nóng)藥的吸附量，導(dǎo)致食品安全風(fēng)險(xiǎn)[23]。此外殘膜閾值與減產(chǎn)幅度的關(guān)系因作物、種植管理技術(shù)和生態(tài)區(qū)域而產(chǎn)生較大的差異[2,8,24]。

根系是獲取水分和養(yǎng)分的重要器官，并通過根區(qū)環(huán)境的相互作用，影響作物的生產(chǎn)效率[25-26]。根系生長發(fā)育受土壤結(jié)構(gòu)與水肥等條件的強(qiáng)烈影響，殘膜的含量和分布狀況導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)、通氣狀況、水肥環(huán)境等要素發(fā)生改變，因而影響作物根系的正常生長[9]。有關(guān)根系功能的有用信息可以通過研究不同殘膜含量條件下，根長密度、根質(zhì)量密度、表面積密度等參數(shù)的動態(tài)變化來獲得，或者通過土壤含水率和養(yǎng)分吸收的監(jiān)測來簡介評估根系在不同土壤深度的活力來獲得[25-28]。因此，建立土壤水分和根系構(gòu)型的關(guān)系是預(yù)測不同殘膜含量條件下，作物水分和養(yǎng)分吸收的必要手段。盡管殘膜污染破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低水肥運(yùn)移速率，阻礙根系生長，已經(jīng)得到廣泛認(rèn)同，但是，以往的許多研究都集中殘膜含量與產(chǎn)量之間的關(guān)系上，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的限制，殘膜污染對根區(qū)水分及根系生長發(fā)育的綜合研究較少，改變水分分布和根系構(gòu)型的過程仍然缺少量化研究。因此，本研究的目標(biāo)是深入了解不同殘膜含量條件下水分的有效性對棉花根系生長發(fā)育的影響，及整個根系在收獲時的分布狀態(tài)。本研究對提高綠洲棉田殘膜污染認(rèn)識、開展風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評估、發(fā)展殘膜防控技術(shù)等均具有重要的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2014－2015 年在新疆阿瓦提縣新疆農(nóng)科院棉花綜合試驗(yàn)基地（40°06'N、80°44'E，海拔1 025 m）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于塔里木盆地西北緣阿克蘇灌溉綠洲，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，年平均降水量46.7 mm，蒸發(fā)量2 900 mm，蒸發(fā)降水比＞50，日照時數(shù)2 679 h，年均氣溫10.4 ℃，≥10 ℃年積溫為3 988 ℃，無霜期211 d。

試驗(yàn)區(qū)土壤（0～40 cm）采用Malvern Mastersizer 2000 激光粒度分析儀（Malvern Instruments Ltd.，UK）測得，粉粒、砂粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為36.42%、60.72%、2.86%，查美國農(nóng)業(yè)部質(zhì)地三角形圖，供試土壤質(zhì)地為粉砂壤土[20]。土壤平均干容重為1.48 g/cm3，田間持水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為22.5%，凋萎系數(shù)7.3%，土壤有效水15.2%。土壤中有機(jī)質(zhì)10.6 g/kg，全氮1.79 g/kg，堿解氮43.80 mg/kg，速效磷21.4 mg/kg，速效鉀207.47 mg/kg，總鹽分1.02%。地下水位40～50 m，地下水不能補(bǔ)給到作物根系分布層，向上補(bǔ)給量忽略不計(jì)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置5 個殘膜水平：0（A）、225（B）、450（C）、675（D）和900 kg/hm（2E），采用直徑30 cm，高50 cm，體積0.035 m3的播種桶，模擬棉田地膜殘留及分布狀態(tài)，對應(yīng)的殘留地膜量分別為0、1.6、3.2、4.8 和6.4 g/筒。供試棉花品種為新陸中47 號，生育時期劃分如表1 所示，采用1 膜2 管6 行機(jī)采棉種植模式，滴灌帶間距76 cm，滴頭間距25 cm，滴頭流量2.1 L/h。株行配置((10+66+10)+66)×11 cm。PE（polyethylene，PE）地膜寬2.05 m，每個處理重復(fù)4 次，共20 桶，每桶9 穴，每穴點(diǎn)播3 粒種子，待出苗后保留1 株。桶內(nèi)土壤取自農(nóng)田，采用土壤緊實(shí)度儀（SC900，USA）控制容重分層回填。

為確保模擬參數(shù)的準(zhǔn)確性，播前按照五點(diǎn)取樣法選取1 m×1 m×1 m 樣方，每層10 cm進(jìn)行取樣，測定容重、殘膜含量和分布等級。經(jīng)過實(shí)地調(diào)查，本研究區(qū)殘膜自然分布狀態(tài)下有3個尺寸等級，其中小膜面積＜4 cm2，中膜面積4～25 cm2，大膜面積＞25 cm2，分配比例為7:2:1，平均殘膜量為225 kg/hm2，主要分布于0～30 cm的土壤中。桶四周為同期播種的大田，為減小筒栽與大田環(huán)境間的差異，填埋前先去除桶底和3/4面積的桶壁，用孔徑18 μm 尼龍網(wǎng)袋套在整個桶上，再將桶埋于預(yù)先挖好的溝槽中。參照王亮[29]的方法進(jìn)行殘膜回填和分布狀態(tài)控制。具體做法是按各層擬定殘膜量在30 cm土壤深處均勻鋪1層，上面覆土10 cm，于20 cm深處鋪設(shè)1層殘膜，繼續(xù)覆土10 cm，最后于10 cm深處撒上殘膜后回填土壤，保持桶口與地面相平，人工鋪設(shè)殘膜與自然分布狀態(tài)相接近。

表1 2014 和2015 年棉花生育期劃分Table 1 Division of growth period for cotton in 2014 and 2015

參照當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，生育期灌溉8～10次，6月下旬開始，8月中旬結(jié)束，灌溉定額400 mm左右，灌溉間隔7～8 d，灌水定額30～45 mm（空氣溫度及灌溉降水情況見圖1）。底肥一次性投入磷酸二銨（P2O553.8%，N 21.2%）450 kg/hm2，硫酸 鉀（K2O 51%）225 kg/hm2，尿 素300 kg/hm2（N 46.4%）。生育期采用“一水一肥”的方式追施尿素600 kg/hm2，其他管理同大田。

圖1 2014和2015年棉田空氣溫度及灌溉降水情況Fig.1 Air temperature, rainfall and irrigation of cotton field in 2014 and 2015

1.3 測試項(xiàng)目及方法

1.3.1 棉花干質(zhì)量測定和根系掃描分析及經(jīng)濟(jì)性狀的測定

于吐絮期，將盆栽筒連同根袋一起取出，分成地上部與根系部分，清水沖洗根系，自然晾干后用掃描儀在300 dpi像素下掃描成黑白TIF圖像，用DT-SCAN 2.04圖像分析軟件（Delta-T,Co.,Ltd.UK）計(jì)算出根長、根體積、根表面積、根直徑、根長密度和根表面積密度等形態(tài)特征指標(biāo)。掃描后的根系，85 ℃烘干至恒質(zhì)量計(jì)算根質(zhì)量密度。同時，在棉花吐絮后，取長勢均勻植株3 株，采收中部棉鈴，進(jìn)行單鈴質(zhì)量和衣分測定。

1.3.2 土壤體積含水率的測定

觀測時期位于開花期至吐絮期（6月25日—9月2日），采用時域反射儀MinTru（sSEC,Co.,Ltd.USA）進(jìn)行土壤體積含水率的無損監(jiān)測。探頭預(yù)先埋于桶中，每天14:00，采集相同剖面10、20、30、40和50 cm土層的體積含量數(shù)據(jù)，重復(fù)3次，儀器自動計(jì)算各位點(diǎn)體積含水率的平均值。

1.3.3 水分利用效率

棉田水分利用效率（water use efficiency,WUE）的計(jì)算方法如下[20-21]：

式中WUE 為水分利用效率，kg/(hm2·m3)；Y 為籽棉產(chǎn)量，kg/hm2；ET為階段耗水量，mm；W為土壤儲水量，mm；hi為土壤深度，cm；ρi為土壤容重，g/cm3；bi為土壤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；n 為土層序號，i=10,20,30,…,60。M 為時段內(nèi)灌溉量，mm；P0為時段內(nèi)的有效降雨量，mm；K 為時段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，mm，當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.5 m 時可以不計(jì)（本試驗(yàn)地下水埋深在5 m 以下，無地下水補(bǔ)給）。D 為深層滲漏量，mm；R 為地表徑流量,mm。D、R均忽略不計(jì)。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析工具

使用Microsoft Excel 2017 和SigmaPlot Version 12.5（Systat Software,Inc.USA）進(jìn)行計(jì)算并編制圖表。采用SPSS 19.0（SPSS Inc.，Chicago,IL,USA）進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 殘膜對土壤含水率的影響

不同殘膜處理下棉田生育期0～50 cm 土層日平均體積含水率（SWC）如圖2 所示。隨著殘膜量的增加SWC逐漸降低。2014年A、B、C、D和E處理的平均SWC分別為30.59%、30.19%、27.54%、27.45%和19.50%。2015 年與之對應(yīng)的平均SWC 分別為30.74%、29.34%、28.05%、25.64%和18.66%。與A 處理相比2014 年B、C、D 和E 處理 的 平 均SWC 依 次 降 低1.32%、8.77%、9.04% 和35.41%，2015 年 依 次 降 低4.54%、8.74%、16.60% 和39.31%。其中開花前A、B 處理的SWC 明顯高于其他處理，開花后在灌溉的補(bǔ)給作用下，上述指標(biāo)與C、D 處理的差距減小，但仍明顯高于E處理。上述分析表明，隨著殘膜量的增加SWC 逐漸降低，其中開花前土壤階段耗水量受殘膜影響大于花鈴期。

圖2 2014和2015年不同殘膜處理下棉田日平均體積含水率Fig.2 Dynamics of daily average soil volumetric water content(SWC)of cotton field at different residual plastic treatments in 2014 and 2015

不同土層SWC的日變化動態(tài)如圖3所示。A處理耗水層主要集中在20～40 cm。蕾期、花鈴期，0～10 cm 和40～50 cm 土層的SWC 較高，而10～40 cm 土層SWC 較低，但不同土層的SWC 變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大的波動。吐絮期由于停止灌溉整個土壤剖面SWC 開始降低。與A 處理相比，E 處理各土層SWC 顯著低于A 處理。表層（0～20cm）SWC 低于土壤有效水，虧缺明顯。深層（40～50 cm）SWC 最高，但仍顯著低于A 處理，地下深層水消耗明顯。上述分析表明，隨著殘膜含量的增加表層和深層SWC 逐漸降低，接近或低于土壤有效水，各土層出現(xiàn)不同程度的水分虧缺。此外，2 a 的數(shù)據(jù)還表明，在灌溉措施下由于殘膜量的增加導(dǎo)致土壤孔隙分布不均，造成土壤剖面產(chǎn)生水分優(yōu)勢流或水分阻隔效益，SWC 的空間分布隨著灌溉而產(chǎn)生明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。

2.2 殘膜對棉花根構(gòu)型的影響

2.2.1 殘膜對根系質(zhì)量和分布的影響

圖3 2014和2015年不同殘膜量處理下各土層體積含水率的日變化動態(tài)Fig.3 Dynamic of daily soil volumetric water content(SWC)changes under different soil layers of cotton at different residual plastic treatments in 2014 and 2015

2 a 的研究結(jié)果表明，隨著殘膜量的增加，根系質(zhì)量呈下降趨勢（圖4）。2014年和2015年，A處理根系總質(zhì)量分別為1 869和2 008 kg/hm2，而E處理對應(yīng)的根系總質(zhì)量分別為855 和887 kg/hm2，A 處理較E 處理根系總生物量分別增加119%和126%。方差分析表明，A 與B 處理，C與D 處理間無明顯差異（P＞0.05），但A、B 處理與C、D 處理及E處理間表現(xiàn)出顯著的差異性（P＜0.05），表明土壤中的殘膜含量的變化對根系的總質(zhì)量具有顯著的影響。

根質(zhì)量密度（root weight density, RWD）在土壤剖面的分布情況如圖4 所示，RWD 在土壤中的分布顯著受殘膜的影響。其中63%～84% RWD 分布于0～20 cm 土層，80%～95%分布于0～30 cm 的土層范圍。各土層范圍內(nèi)的RWD，通常均隨殘膜含量的增加而降低。其中，2014年A 處理RWD 高于E 處理75.68%，而2015 年則高于E處理65.77%。不同土層RWD 處理間差異表明，0～10 cm土層，2014 年A、B、C 處理與D、E 處理間具有顯著的差異，2015 年各處理間無顯著差異。10～20 cm 土層，2014年無顯著差異。2015 年A、B、C 處理與D、E 處理間具有顯著差異。20～30 cm 土層，2014 年RWD 無顯著差異，2015 年A、B、C 處理與D、E 處理間具有顯著差異。上述分析表明通過5 個殘膜處理RWD 的分布來看，殘膜主要降低0～30 cm土層范圍內(nèi)的RWD，且較高的殘膜量（D和E處理）與其他處理間表現(xiàn)出差異的顯著性。

圖4 2014和2015年不同殘膜處理下棉花根質(zhì)量及其密度比較Fig.4 Effects of residual plastic on cotton root weight density and its distribution at different soil depths in 2014 and 2015

2.2.2 殘膜對根長密度和分布的影響

根系的根長密度（root length density，RLD）決定植物吸收土壤水分或養(yǎng)分的能力，相比根系質(zhì)量等指標(biāo)，在反映根系生理生態(tài)功能方面更有意義。如圖5 所示A、B、C 處理間無顯著差異，2014 年A 處理與D 處理和E 處理具有顯著的差異性，E 處理與A、B、C 處理均具有顯著性差異。2015 年A、B、C 處理與和E 處理間具有顯著差異，D 處理與A 處理和E 處理有顯著性差異。其中，2014年A處理RDL高于E處理51.9%，而2015年則高于E處理70.8%。上述分析表明平均RLD受殘膜含量的影響顯著，隨著殘膜含量的增加而下降。

RLD 在0～50 cm 土壤垂直剖面的分布情況如圖5 所示。大部分的RLD（62%～68%）存在于0～30 cm 的土層深度。隨著土層深度的增加RLD 逐漸降低。5個殘膜處理中，RLD 的降低趨勢隨著隨殘膜含量的增加而增大，其中0～10 cm土層范圍的RLD受殘膜影響最小，20～30 cm土層范圍RLD受殘膜影響最大。

2.2.3 殘膜對根表面積密度和分布的影響

殘膜含量對平均根表面積密度（average root surface area density,ARSAD）的影響如圖6 所示，隨著地膜含量的增加ARSAD 迅速降低。A 處理ARSAD 數(shù)值最大，而E 處理數(shù)值最小。A 處理ARSAD 分別為0.39 cm/cm2（2014 年）和0.44 cm/cm2（2015 年），較對應(yīng)的E 處理高195%（2014年）和238%（2015年）。（P＜0.05）方差分析表明，相鄰2個殘膜量處理間無顯著差異，其余處理間則具有顯著差異。

圖5 2014和2015年不同殘膜處理下棉花平均根長密度及其分布的影響Fig.5 Effects of plastic film residues on cotton root length density and its distribution at different soil depths in 2014 and 2015

圖6 2014和2015年殘膜處理對棉花根表面積密度及其分布的影響Fig.6 Effects of plastic film residues on cotton surface area density and its distribution at different soil depths in 2014 and 2015

ARSAD 在0～50 cm 土壤垂直剖面的分布情況如圖6所示。殘膜影響ARSAD 在不同土層的分布，總體上表現(xiàn)為ARSAD 隨著土層深度和殘膜含量的增加而下降，0～30 cm 土層受影響較大，而30～50 cm 土層范圍影響較小。其中10 cm 土層，A、B、C 處理與D 處理和E 處理間具有顯著的差異性。20 cm 土層變化幅度最大，除2014年A 與B 處理無顯著差異外，其余處理間均具有顯著的差異性。20～30 cm 土層A 和B 處理間差異顯著，而C、D與E 處理間無顯著的差異。30～50 cm 土層，各處理ARSAD的變化較小，數(shù)值趨于穩(wěn)定。

2.2.4 殘膜對根體積的影響

殘膜對根系體積（root volume，RV）的影響如圖7 所示。殘膜對RV 存在一定的影響。2014年A、B 處理間無顯著差異，A 處理與C、D、E 處理間具有顯著的差異。2015年RV隨著殘膜含量的增多而降低。其中，A、B處理間無顯著差異，C、D 處理間無顯著差異，A、B 與C 及E 處理間差異顯著。其中，2014和2015年A處理RV最高分別為13.11 和12.80 cm3（P＜0.05），較E 處理高4.51 和7.05 cm3，增幅達(dá)34.62%和60.16%。

2.2.5 殘膜對根系平均直徑的影響

根系平均直徑（root average diameter, RAD）受殘膜影響顯著（圖8）?？傮w上RAD隨殘膜量的增加而逐漸下降，2014和2015年A處理RAD最高分別為1.3和1.45 mm，較E 處理高0.58 和0.65 mm，增幅達(dá)81.3%和84%。其中，A 和B 處理間無顯著性差異，C 和D 處理間無顯著性差異，但2014 年，A 和B 處理與C 處理和E 處理差異顯著，D 處理與E 處理差異顯著。2015 年，A 和B 處理間無顯著性差異，A 處理和B 處理與E 處理間差異顯著，C 處理與A 處理和E 處理差異顯著，D 處理與A 處理、E 處理差異顯著。

圖7 2014和2015年殘膜處理對棉花根體積的影響Fag.7 Effects of plastic film residues on root volume of cotton and its distribution in 2014 and 2015

2.3 殘膜對棉花產(chǎn)量及水分利用效率的影響

圖8 2014和2015年不同殘膜處理對棉花根平均直徑的影響Fig.8 Effects of plastic film residues on root average diameter of cotton in 2014 and 2015

不同殘膜量對產(chǎn)量的影響如表2。2014年C、D、E處理的平均果枝數(shù)與A 處理差異顯著，果枝數(shù)平均減少0.5左右。雖然果枝數(shù)下降，但是果節(jié)數(shù)無明顯變化，因此單株成鈴數(shù)之間沒有顯著差異。2 a 數(shù)據(jù)表明，E 處理單鈴質(zhì)量與A 處理相比平均下降0.72 g，殘膜對衣分影響不大。對于單株籽棉產(chǎn)量和單株皮棉產(chǎn)量而言，A處理與B處理在產(chǎn)量上差異不顯著，但C、D 和E 處理與A 處理相比籽棉產(chǎn)量分別平均下降了21.6%、19.9.0%和30.5%（P＜0.05），皮棉產(chǎn)量分別平均下降了21.8%、19.7%和31.1%（P＜0.05）。水分利用效率隨著殘膜量而逐漸下降，與A處理相比，E處理水分利用效率平均降低13.69%（P＜0.05）。

表2 不同殘膜處理對棉花產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of different film residue treatment cotton yield and its components

2 a 數(shù)據(jù)表明，與A 處理相比，E 處理生育期土壤含水率平均降低了37.36%，根質(zhì)量密度平均降低了70.73%，根長密度平均降低了61.35%、根表面積密度平均降了216.50%、根系體積平均降低了47.39%、根系平均直徑平均降低了82.65%。籽棉產(chǎn)量和水分利用效率平均降低了18.50%和13.69%。

3 討論

3.1 殘膜對土壤水分分布的影響

地膜覆蓋技術(shù)具有增溫、保墑、抑鹽、防草的突出功效，在干旱半干旱地區(qū)控制根區(qū)土壤鹽分累積和水分虧缺的過程中扮演重要的角色，對糧食和經(jīng)濟(jì)作物增產(chǎn)的貢獻(xiàn)分別為20%～35%和20%～60%[20]。但隨著地膜的長期使用，殘膜污染也日益嚴(yán)重，殘膜量的存在阻礙土壤水分下滲，使表層土壤的含水率明顯高于深層土壤[10]；李仙岳等[30]研究發(fā)現(xiàn)，增加殘膜量，土壤濕潤體減小，入滲的阻滯作用增強(qiáng)，殘膜量過大時，會引起優(yōu)勢流反而使得濕潤面積增大，水分在垂直和水平方向的運(yùn)移速度加快。本研究發(fā)現(xiàn)，在棉花生長期間0～50 cm 土壤剖面平均土壤體積含水率（SWC）隨著殘膜含量的增加而下降，土壤蓄水能力逐漸降低。而當(dāng)殘膜在0～225 kg/hm2時，在棉花開花前土壤體積含水率較高，開花后由于受到灌溉的補(bǔ)給，殘膜量在225～900 kg/hm2的土壤體積含水率有略微的上升，但依然小于殘膜量225 kg/hm2。而在不同土層的土壤體積含水率動態(tài)變化上，隨著殘膜含量的增加，土壤表層和深層SWC 逐漸降低，接近或低于土壤有效水，各土層出現(xiàn)不同程度的水分虧缺，土壤深層水消耗逐漸增加。出現(xiàn)該結(jié)果過的原因有可能是殘膜破壞了土壤結(jié)構(gòu)殘膜量的增加導(dǎo)致土壤空隙分布不均，造成土壤剖面產(chǎn)生水分優(yōu)勢流或水分阻隔效益，SWC 的空間分布隨著灌溉而產(chǎn)生明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。使表層土壤的含水率明顯低于深層土壤，造成深層土壤水分消耗增加，降低了植株對表土層土壤水分的吸收。

3.2 殘膜對根系構(gòu)型的影響

根系是作物最活躍的養(yǎng)分和水分吸收器官，在作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程中起著非常重要的作用。殘留地膜對作物根系生長的影響研究較多[31-33]，李青軍等[34]研究發(fā)現(xiàn)，適量的殘膜能夠刺激根系的生長，殘膜量超過180 kg/hm2，棉花根系生長指標(biāo)隨殘膜量的增加逐漸降低。而本研究發(fā)現(xiàn)，殘膜的增加，導(dǎo)致根的質(zhì)量減少，降低了0～30 cm 土層的根質(zhì)量密度。根長密度的降低趨勢隨著隨殘膜含量的增加而增大，其中0～10 cm 土層受殘膜影響最小，20～30 cm 土層受殘膜影響最大。這與趙素榮[35]等研究地膜殘留阻礙根系的生長，根長和根質(zhì)量隨地膜殘留量的增加而減少結(jié)果一致。此外，也有研究認(rèn)為隨著殘膜量增加，棉花根系表面積和總長度增加，根系直徑和體積減小[36]。本研究的試驗(yàn)結(jié)果表明，平均根表面積密度和根系平均直徑，隨著土層深度和殘膜含量的增加而下降，0～30 cm土層受影響較大，而30～50 cm土層范圍影響較小。

3.3 殘膜對產(chǎn)量和WUE的影響

土壤中存在著大量殘膜會影響作物生長環(huán)境和自身的生長發(fā)育，進(jìn)而影響到作物產(chǎn)量和水分利用效率[38]。許多學(xué)者研究認(rèn)為[10，33，36]，地膜殘留可使棉花收獲株數(shù)、單株成鈴數(shù)及單鈴質(zhì)量呈下降趨勢，最終導(dǎo)致棉花減產(chǎn)，一般減幅為1%～23%。本研究通過2 a 的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，殘膜量的增加雖然減少了果枝臺數(shù)，但使果節(jié)數(shù)增加，因此各處理對單株成鈴數(shù)影響不大。當(dāng)殘膜量到900 kg/hm2時，單鈴質(zhì)量與無殘膜相比下降0.24 g，對衣分影響不大，最終導(dǎo)致棉花產(chǎn)量的降低。其水分利用效率的變化趨勢與產(chǎn)量基本一致，出現(xiàn)該結(jié)果的原因可能是殘膜使得土壤水分運(yùn)移受阻，影響了對水分的吸收，致使殘膜量越大導(dǎo)致棉花產(chǎn)量和水分利用效率越低，同時，殘膜降低了農(nóng)田耗水量，增加了土壤表層無效蒸發(fā)，不利于水分的有效利用[29]。

4 結(jié)論

地膜殘留量對棉田土壤水分分布、根系構(gòu)型有重要影響，并影響棉花產(chǎn)量和水分利用。本研究發(fā)現(xiàn)，80%～95%的根系質(zhì)量分布于0～30 cm 土壤剖面上，該區(qū)域是土壤水分分布及根系構(gòu)型受殘膜污染影響最顯著的區(qū)域。隨著殘膜含量的增加，土壤平均含水率逐漸降低，各土層出現(xiàn)不同程度的水分虧缺，干燥化程度加劇。2 a 數(shù)據(jù)表明，與A 處理相比，E 處理生育期土壤含水率平均降低了37.36%，根質(zhì)量密度平均降低了70.73%，根長密度平均降低了61.35%、根表面積密度平均降了216.50%、根系體積平均降低了47.39%、根系平均直徑平均降低了82.65%。籽棉產(chǎn)量和水分利用效率平均降低了18.50%和13.69%。殘膜增加阻礙了土壤水分和作物根系的分布，影響了棉花根系對土壤水分的充分吸收，降低了單株成鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量，導(dǎo)致棉花產(chǎn)量和水分利用效率顯著下降。因此在水資源短缺的西北內(nèi)陸棉區(qū)采取合理的棉田凈土措施，能夠降低殘膜污染對土壤水分及根系構(gòu)型的影響，利于棉花產(chǎn)量和水分利用效率的提升。