張?chǎng)┯睿R娟娟，鄭利劍，，孫西歡，郭向紅，李卓然，陳金平

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024；2.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河南商丘476000）

0 引 言

地表覆膜能夠有效降低土壤水分蒸發(fā)，提高水分利用效率［1］，其增溫保濕的作用，有利于土壤微生物的增殖，加速腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)鹽的速度加快，促進(jìn)作物吸收，使得作物生長(zhǎng)旺盛［2］。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)地膜覆蓋技術(shù)，至今已有30 多年歷史。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)地膜使用面積從1982年7 800 hm2增加到2015年的1 833 萬(wàn)hm2，未來(lái)還仍有繼續(xù)增加趨勢(shì)［3］。與此同時(shí)，隨著農(nóng)田地膜殘留的不斷累積，農(nóng)田殘膜已嚴(yán)重影響土壤的再生產(chǎn)能力［4］。

農(nóng)用地膜都是由高分子聚乙烯化合物及其樹脂制成，很難在自然條件下進(jìn)行光降解和熱降解，也不易通過(guò)細(xì)菌和酶等生物方式降解［5］。以往研究表明，殘留地膜對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響包括：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(dòng)［6］；②隨著土壤中殘膜量增多，土壤保水能力逐漸呈降低趨勢(shì)［7］；③殘膜的存在會(huì)提高土壤濕潤(rùn)比和穩(wěn)定入滲率，殘膜量達(dá)到720 kg/hm2，土壤大孔隙比增加，優(yōu)勢(shì)流明顯，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移加快［8］等。除此之外，學(xué)者們?cè)跉埬び绊懼仓晟L(zhǎng)發(fā)育方面也進(jìn)行了相關(guān)研究。林濤［9］等分析了地膜殘留量對(duì)土壤水分分布及棉花根系構(gòu)型的影響，得出無(wú)殘膜（0 kg/hm2）處理的土壤水分狀況、根系構(gòu)型顯著優(yōu)于高殘膜量（900 kg/hm2）處理。張建軍［10］等研究表明隨著殘膜量的增加，土壤密度下降，玉米收獲期0～120 cm 土壤含水率下降，玉米水分利用效率降低；鄒小陽(yáng)［11］等進(jìn)行了殘膜對(duì)不同生育期番茄根系的影響研究，研究表明殘膜會(huì)阻礙番茄苗期和開花坐果期根系的生長(zhǎng)；杜利［12］等探究了不同殘膜量對(duì)玉米主要生育期土壤水分及抗逆性指標(biāo)的影響，研究得出農(nóng)田殘膜是通過(guò)增大土壤容重，降低土壤孔隙度，從而阻礙土壤水分入滲，減弱土壤保水能力，進(jìn)而脅迫玉米的生長(zhǎng)發(fā)育；郭彥芬［13］等研究認(rèn)為，殘膜主要影響0～40 cm土層含水率變化，且各處理生育前期差異顯著（P＜0.05），而后期差異較小。

綜上所述，地膜殘留對(duì)土壤理化性質(zhì)和農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育都有較大的影響，但關(guān)于這方面的研究主要還是集中在棉花、玉米和馬鈴薯等作物，在設(shè)施番茄上研究較少。因此對(duì)不同殘膜量條件下，設(shè)施番茄土壤水分與植株水分利用情況進(jìn)行研究就顯得尤為重要。本試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置不同殘膜量梯度，探討殘膜對(duì)設(shè)施番茄土壤水分、耗水規(guī)律及水分利用效率的影響，為制定設(shè)施番茄高效灌溉制度以及殘膜防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于山西省農(nóng)科院旱地農(nóng)業(yè)研究中心陽(yáng)曲河村試驗(yàn)基地（38.0°N，112.9°E），屬典型半干旱區(qū)，海拔1 248.5 m，年均降雨量為459.0 mm，年均蒸發(fā)量為1 546.9 mm，年均氣溫約為6.0 ℃，年無(wú)霜期144 d。試驗(yàn)地土壤為黃土質(zhì)淡褐土，土壤理化參數(shù)（0～60 cm 平均值）見表1，試驗(yàn)所用灌溉水主要為集蓄雨水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在大棚中進(jìn)行，大棚長(zhǎng)50 m，寬7.6 m，小區(qū)面積7.2 m2。據(jù)實(shí)地調(diào)查，該地區(qū)每年大田地膜殘留量大概為40 kg/hm2，殘膜大小主要為0～25、25～100 cm2兩種，質(zhì)量比為1∶6 左右。因此，設(shè)計(jì)不同殘膜量來(lái)模擬該地區(qū)0、5、10、15、20 和30 a殘膜水平，具體實(shí)驗(yàn)方案見表2，共6 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)。試驗(yàn)前將人工剪碎的兩種大小殘膜按質(zhì)量1∶6 均勻混入0～30 cm土壤中。

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Tap.2 Test scheme design

番茄品種為“粉尼亞”。小區(qū)之間埋設(shè)0.5 m 深度的塑料膜，剔除小區(qū)之間影響。采用膜下滴灌一壟雙管雙行種植，壟寬0.7 m，溝寬0.5 m，行距0.5 m，株距0.5 m，每行12 株，1 壟2行。所有處理施肥量與灌水量取同一水平，灌溉和施肥采用滴灌水肥一體化技術(shù)。移栽前按有機(jī)肥1 000 kg/hm2、P2O5200 kg/hm2（過(guò)磷酸鈣）、K2O 200 kg/hm2（硫酸鉀）、N175 kg/hm2（尿素，含氮量47%）作為底肥一次施入，果實(shí)膨大期追施鉀肥100 kg/hm2和氮肥87.5 kg/hm2兩次。全生育期總灌水130 mm，分別為定植水20 mm，苗期灌水10 mm；開花坐果期灌水20 mm；果實(shí)膨大期灌水40 mm；成熟期灌水40 mm。每株番茄留有5 穗果后打頂，其他管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民日常方法相同。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

（1）土壤體積含水率：在試驗(yàn)區(qū)每個(gè)壟上距番茄植株10～15 cm 距離埋下含水率管，用TRIME-PICO-IPH 管式TDR 土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行土壤水分的監(jiān)測(cè)。每8～10 d 測(cè)定一次，10 cm為一層，測(cè)量總深度60 cm，單位：%。

（2）產(chǎn)量：番茄成熟期，分別測(cè)定每個(gè)小區(qū)每次收獲產(chǎn)量，最后計(jì)算每個(gè)小區(qū)累計(jì)產(chǎn)量，根據(jù)小區(qū)面積換算成公頃產(chǎn)量，單位：kg/hm2。

（3）番茄耗水量及水分利用效率計(jì)算采用水量平衡法［14］，其計(jì)算公式為：

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2016 處理數(shù)據(jù)并繪制圖表，用IBM SPSS Statis?tics 26進(jìn)行全生育期不同處理下相關(guān)數(shù)據(jù)的顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同殘膜量番茄土壤含水率變化特征

2.1.1 不同殘膜量番茄各生育期土壤含水率縱向剖面變化特征

圖1為不同殘膜量設(shè)施番茄在不同生育期的土壤剖面含水率隨土層深度的變化情況。由圖1 可知，苗期，0～30 cm 土層CK、T5處理土壤含水率明顯低于T1～T4處理，差異顯著。這是因?yàn)橐环矫?，土壤殘留一定量的殘膜碎片?huì)改變或切斷土壤孔隙連續(xù)性，進(jìn)而阻礙重力水的下滲［8，11，15］，使得水分滯留在0～30 cm 土層。另一方面，殘膜的存在會(huì)阻礙苗期根系與土壤的接觸，嚴(yán)重影響對(duì)水分的吸收，使得含水率上升。而T5處理土壤含水率較低是因?yàn)楫?dāng)殘膜累量積到一定程度（1 200 kg/hm2），會(huì)造成表層土壤容重降低，總孔隙度升高［6］，同等覆膜開孔條件下棵間蒸發(fā)加?。?6］，使得T5處理土壤含水率降低。

圖1 不同殘膜量番茄各生育期土壤剖面含水率變化情況Fig.1 Changes of soil profile moisture content of tomato at different growth stages with different residual film amounts

開花坐果期，植株根系層需水明顯增加，殘膜對(duì)根系影響減弱［11］。0～20 cm 土層T5處理土壤含水率明顯低于其他殘膜處理。CK 處理10～30 cm 土壤含水率顯著低于其他處理，30～40 cm 土層T5處理土壤含水率顯著高于其他處理。這是因?yàn)闅埬ぷ铚窒聺B導(dǎo)致含水率升高，而T5處理因殘膜量過(guò)高，導(dǎo)致殘膜之間連接形成了連續(xù)的通道，水分能夠順著通道流入無(wú)殘膜土層，30～40 cm含水率明顯升高。

果實(shí)膨大期，其土壤剖面含水率表現(xiàn)與開花坐果期相差不大。10～30 cm 土層土壤剖面含水率CK 處理與T1～T4處理有顯著差異，與T5處理無(wú)顯著差異。0～10 cm 和30～60 cm 土層各處理土壤剖面含水率無(wú)顯著差異。T5處理30～40 cm 土壤含水率顯著高于其余處理。

成熟期，CK 處理在0～30 cm 土層與殘膜處理有顯著差異，在其他土層深度并無(wú)顯著差異。各殘膜處理0～60 cm 土層土壤含水率無(wú)顯著差異。

整體來(lái)說(shuō)，番茄不同生育期殘膜處理土壤含水率隨土層深度的增加都表現(xiàn)出先升高后下降趨勢(shì)，隨殘膜量的增加呈先升高后降低趨勢(shì)，無(wú)殘膜處理隨土層深度的增加呈現(xiàn)出先降低后升高趨勢(shì)。4個(gè)生育期殘膜處理與無(wú)殘膜處理土壤剖面含水率在苗期差異性最為顯著，各生育期在10～30 cm 土層土壤含水率差異最為顯著。

表3 為各處理全生育期土壤平均含水率分析。0～10 cm 土層CK 和T5處理與T2處理差異顯著。這是因?yàn)闇\層土壤混入一定量的殘膜會(huì)減緩?fù)寥浪窒蛳逻\(yùn)移，表層含水率升高，而過(guò)多的殘膜量既導(dǎo)致表層土壤總孔隙度升高［6］，蒸發(fā)加劇，且殘膜之間形成連續(xù)通道使水分快速下滲，土壤含水率降低；10～20 cm 土層CK、T5處理與T1、T2、T3、T4處理有顯著差異；20～30 cm 土層CK 處理與殘膜處理差異顯著。這是由于CK 處理土壤水分向深層滲漏未受到阻礙，而殘膜處理較多的水分滯留在30 cm以上土層，含水率偏高，且殘膜越多，殘膜處理間差異越不明顯；30～40 cm，T5處理土壤含水率顯著高于其他處理，40～60 cm土層土壤含水率CK 處理相比于其他處理較高，但差異并不顯著。隨著殘膜量增多，0～30 cm 土層土壤含水率先升高后降低，30～60 cm土層先降低后升高。

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

2.1.2 不同殘膜量番茄土壤含水率隨時(shí)間變化特征

圖2為不同殘膜量處理番茄全生育期土壤平均含水率隨時(shí)間變化情況。由圖2 可知，不同殘膜處理下番茄全生育期土壤平均含水率隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，本試驗(yàn)條件下總體呈現(xiàn)先降低后升高態(tài)勢(shì)，苗期最高，果實(shí)膨大期最低，成熟期回升。

苗期，T5處理土壤含水率顯著低于其他處理。就開花坐果期而言，第一次灌水之后，高殘膜處理土壤含水率明顯上升。說(shuō)明隨著殘膜量增加，苗期根系發(fā)育受阻［11］使得仍處于苗期根系發(fā)育階段，需水較少。第二次灌水之后，各處理土壤含水率都開始上升，但T3、T4和T5處理土壤含水率早于其他處理下降。這既是因?yàn)檫M(jìn)入果實(shí)膨大期后植株需水增強(qiáng)，也是因?yàn)門3、T4和T5處理因殘膜量較多使得大量水分積聚在10～20 cm 土層，而番茄根系主要分布在這一土層，因此促進(jìn)了根系對(duì)水分的吸收，含水率提前下降。

在果實(shí)膨大期土壤含水率隨時(shí)間基本呈持續(xù)下降態(tài)勢(shì)，兩次灌水之后，T3、T4、T5處理土壤含水率率先開始回升。這是因?yàn)門3、T4和T5處理已經(jīng)進(jìn)入了成熟期，需水降低。成熟期T3、T4、T5處理土壤含水率在前期一直高于其余3個(gè)處理。一方面是因?yàn)樗譁粼谏蠈油寥离y以下滲。另一方面，T3、T4和T5處理因?yàn)闅埬ぷ铚饔檬沟酶祵樱?0～30 cm 土層）水分和養(yǎng)分相比其他處理較為充足，早于其余3 個(gè)處理進(jìn)入成熟期，需水降低，土壤含水率率先開始回升，這也導(dǎo)致之后的土壤含水率繼續(xù)回升前的基數(shù)較高。因此T3、T4和T5處理土壤含水率高于其他3個(gè)處理。進(jìn)入成熟期后CK、T1和T2處理回升速率明顯高于后3個(gè)處理。全生育期各處理土壤平均含水率隨著殘膜量的增加先升高后降低。

2.2 不同殘膜量番茄各生育期耗水規(guī)律

一般來(lái)說(shuō)，作物的耗水量和耗水強(qiáng)度可以反映出作物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況。由表4 看出，苗期各處理耗水量和耗水強(qiáng)度在誤差范圍內(nèi)均無(wú)顯著差異，但明顯低于其他生育期。這說(shuō)明苗期植株需水不強(qiáng)，且雖然殘膜阻礙了根系與土壤的接觸，但卻也將大部分水分聚集在了上層土壤，利于植株吸收利用。開花坐果期耗水量和耗水強(qiáng)度隨殘膜量增加呈先升高后波動(dòng)態(tài)勢(shì)，各處理間差異不顯著。果實(shí)膨大期和成熟期各處理耗水量和耗水強(qiáng)度在誤差范圍內(nèi)均無(wú)顯著差異。這說(shuō)明殘膜對(duì)番茄植株在各個(gè)生育期的耗水量和耗水強(qiáng)度并沒有較為明顯的影響。雖然土壤中混入殘膜會(huì)阻礙水肥運(yùn)動(dòng)［6］以及與土壤的接觸，但殘膜也將大部分水分阻隔在了土壤上層，從而使植株吸收水肥并未受到較大影響甚至促進(jìn)了植株對(duì)水肥的吸收。綜合來(lái)看，殘膜對(duì)各生育期番茄植株耗水量和耗水強(qiáng)度的影響并不顯著，且越到后期殘膜影響越小。

表4 不同處理設(shè)施番茄不同生育期耗水規(guī)律Tap.4 Water consumption rule of tomato in different growth stages under different treatment facilities

2.3 不同殘膜量對(duì)番茄產(chǎn)量和水分利用效率的影響

圖3 為不同殘膜量番茄產(chǎn)量和水分利用效率情況。由圖3可知，隨著殘膜量的增加，番茄產(chǎn)量和水分利用效率表現(xiàn)出上下波動(dòng)變化趨勢(shì)。CK 處理產(chǎn)量高于T1、T2和T4處理，分別高出28.9%、19.1%和19.7%，但各處理的產(chǎn)量在誤差范圍內(nèi)并無(wú)顯著差異；CK 和T3處理水分利用效率最高，但各處理水分利用效率在誤差范圍內(nèi)差異不顯著。這說(shuō)明雖然殘膜中混入殘膜會(huì)使得番茄產(chǎn)量和水分利用效率出現(xiàn)波動(dòng)，但整體來(lái)說(shuō)，殘膜對(duì)番茄的產(chǎn)量和水分利用效率的影響無(wú)顯著差異。

圖3 不同殘膜量條件下番茄產(chǎn)量和水分利用效率Fig.3 Yield and water use efficiency of tomato under different residual membrane amount

本試驗(yàn)在殘膜量≥400 kg/hm2時(shí)，其產(chǎn)量和水分利用效率并沒有繼續(xù)表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，而是出現(xiàn)回升趨勢(shì)。辛靜靜［17］，王亮［18］以及黃少輝［19］等研究得出一定量的農(nóng)田地膜殘留會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)，降低其水分利用效率，這與本文的結(jié)論不一致。其原因是灌溉方式和灌溉制度，土壤理化性質(zhì)差異以及不同作物對(duì)土壤中殘膜的響應(yīng)程度有所差異所導(dǎo)致。而鄒小陽(yáng)［11］、楊彩霞［15］等雖然也得出殘膜的增加會(huì)降低設(shè)施番茄產(chǎn)量的結(jié)論，但因?yàn)楣嗨康牟煌?，其全生育期土壤平均體積含水率都遠(yuǎn)大于本試驗(yàn)土壤含水率。而宋超［20］兩年田間實(shí)驗(yàn)研究得出殘膜對(duì)玉米和馬鈴薯的產(chǎn)量和水分利用效率并無(wú)顯著影響，反而某些指標(biāo)還顯示地膜殘留處理比無(wú)殘膜處理更有利于作物生長(zhǎng)。這與本文的結(jié)論較為相符。本試驗(yàn)殘膜處理與無(wú)殘膜處理的番茄產(chǎn)量差異并不大，且水分利用效率也并無(wú)顯著差異。這說(shuō)明灌水量的多少會(huì)顯著改變殘膜對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育的影響，且在灌水量較低情況下，殘膜對(duì)設(shè)施番茄產(chǎn)量和水分利用效率的影響并不顯著。這也表明影響番茄產(chǎn)量及水分利用的因素較為復(fù)雜，殘膜可能并不是其主要影響因子，殘膜與其他因素對(duì)設(shè)施番茄的綜合影響還需要進(jìn)一步研究確定。

3 結(jié) 論

（1）番茄土壤剖面含水率在0～30 cm 土層殘膜處理與無(wú)殘膜處理差異顯著，在30～60 cm 土層無(wú)顯著差異；本試驗(yàn)條件下，番茄全生育期土壤平均含水率隨時(shí)間呈先降后升趨勢(shì)，土壤中混入殘膜對(duì)其整體變化趨勢(shì)無(wú)顯著影響。

（2）本試驗(yàn)條件下，各生育期無(wú)殘膜處理與殘膜處理耗水量與耗水強(qiáng)度差異并不顯著，且越到后期殘膜差異越不明顯。這說(shuō)明殘膜對(duì)番茄不同生育期以及整個(gè)生育期的耗水量和耗水強(qiáng)度的影響并不大。

（3）隨著殘膜量的增多，番茄產(chǎn)量和水分利用效率呈現(xiàn)出波動(dòng)變化趨勢(shì)。這說(shuō)明土壤中混入殘膜會(huì)影響番茄產(chǎn)量和水分利用效率，但整體來(lái)說(shuō)，不同殘膜量對(duì)番茄產(chǎn)量和水分利用效率的影響并不顯著。 □