祖米來提·吐爾干，林濤，王亮，王靜，李健偉，湯秋香

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，烏魯木齊830091）

地膜殘留對連作棉田土壤氮素、根系形態(tài)及產(chǎn)量形成的影響

祖米來提·吐爾干1，林濤2*，王亮1，王靜1，李健偉1，湯秋香*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，烏魯木齊830091）

【目的】為探討土壤中的殘膜含量對棉花根區(qū)環(huán)境及生長發(fā)育的影響。【方法】在大田條件下，以新陸中47 號為供試材料，設置了 0（CK）、225、450、675 和 900 kg·hm－2共 5 個殘膜量處理，于 2013－2014 開展 2 年小區(qū)模擬試驗，研究了棉田土壤氮素、根系形態(tài)、產(chǎn)量性狀隨土壤中殘膜含量的變化規(guī)律?！窘Y果】隨著殘膜量的增大產(chǎn)量均呈下降趨勢，450、675、900 kg·hm－2殘膜量處理的產(chǎn)量均顯著（P＜0.05）低于 0 kg·hm－2(CK)，其中900 kg·hm－2處理的產(chǎn)量降低了22.2%。殘膜阻礙根系生長，根長、根直徑、根表面積、根體積、根尖數(shù)均隨殘膜量的增加而下降， 其中，900 kg·hm－2處理較 0 kg·hm－2(CK)分別下降了 33.7%，24.3%，19.72%，66.4%和35.3%；0 kg·hm－2與 225、450、675、900 kg·hm－2殘膜量處理在花期和鈴期均具有顯著性差異（P＜0.05）。 隨著殘膜量的增加土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈增加趨勢，與0 kg·hm－2(CK)相比，900 kg·hm－2處理在鈴期銨態(tài)氮增加了36.6%、硝態(tài)氮增加了40.1%。【結論】殘膜降低氮素利用率，阻礙了根系生長，不利于棉花產(chǎn)量的提高。

氮素；根系分布；產(chǎn)量特征；地膜殘留量；棉花

地膜覆蓋栽培具有增溫[1-2]、保墑[3-4]、抑鹽[5]、防草[6-7]的作用，能促進新疆干旱地區(qū)棉株早發(fā)育[8]，提高棉花產(chǎn)量[9]。但隨著高強度的種植和覆膜年限延長，殘膜會在土壤中不斷蓄積，降低增產(chǎn)效果[10]。據(jù)不完全統(tǒng)計，當前新疆棉田耕層中平均殘膜量為265.3 kg·hm－2，是全國平均水平的4.5倍[11]。殘膜蓄積會破壞土壤結構[12-13]，阻礙水分滲透[14-15]，造成土壤次生鹽堿化，降低土壤的肥力水平[16]，導致耕地質量下降，并最終抑制了根系對水肥的吸收和生長發(fā)育[17]，造成作物大幅度減產(chǎn)[18]。

關于農(nóng)田殘膜的危害，趙素榮等[19]認為，殘膜使土壤孔隙度下降、通透性降低，造成土壤板結，在一定程度上破壞農(nóng)田土壤空氣的正常循環(huán)和交換；王志超等[20]、牛文全等[21]研究表明，隨殘膜量的增加，土壤保水能力降低，棉田殘膜量400 kg·hm－2的土壤含水量僅是無殘膜處理的79.58%；劉建國等[22]研究表明，殘膜會嚴重影響土壤微生物的含量。而土壤中有機質的腐殖化過程、氮素的硝化過程、磷素的分解、緩效性鉀到速效鉀的轉變過程都需要土壤微生物的參與，所以殘膜可能造成土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量下降；李青軍[23]和董合干[24]研究表明，殘留地膜具有較高的韌性和延展性，植物根系難以穿透，導致根系生長困難，棉田殘膜含量2000 kg·hm－2與無殘膜處理相比，根系表面積下降了27.1%，導致了根冠比異常；支金虎[25]認為殘膜嚴重影響了棉花根系的下扎，迫使主根彎曲生長，大大降低了根系深度，影響根系吸收作用；姜益娟等[26]研究發(fā)現(xiàn)土壤中殘膜主要影響出苗，造成收獲株數(shù)減少，其次造成鈴數(shù)減少，最終導致棉花產(chǎn)量降低。

雖然前人已對殘膜的危害有了一定的認識，但研究大多集中于單一的形態(tài)觀察或測試，綜合考慮殘膜對根區(qū)環(huán)境影響，以及根系對這種根區(qū)環(huán)境變化響應的研究并不多見。因此本研究設置5個殘膜量梯度，模擬了新疆典型覆膜滴灌棉田殘膜含量及分布狀態(tài)，探討了農(nóng)田地膜殘留量與作物生長、作物根系分布、土壤性狀等方面的響應關系，對這些問題的深入研究有助于完善對殘膜危害認識，明確殘膜閾值，提出殘膜危害治理策略，為減少殘膜污染、維護耕地質量、減少產(chǎn)量損失提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2013—2014年在阿瓦提縣新疆農(nóng)業(yè)科學院棉花綜合試驗站進行。試驗站位于塔里木盆地西北沿（N 40°06'，E 80°44'，海拔 1025 m），該區(qū)日照長、熱量豐富，年均日照時間達到2679 h，≥10℃年積溫為3 987.7℃，無霜期為115 d。供試品種為新陸中47號，由新疆農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所提供。供試土壤取自大田，土壤質地為砂性壤土，采用Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析儀 （Malvern instruments Ltd.，UK）測得0—30 cm土層粉粒、砂粒、黏粒質量分數(shù)分別為 36.4%，60.7%，2.9%， 平均容重為 1.5 g·cm－3，有機質含量 82.3 mg·kg－1，全氮 4.3 mg·kg－1、銨態(tài)氮 2.5 mg·g－1、硝態(tài)氮 2.5 mg·g－1、速效磷 30.5 mg·g－1，pH 6.5。

1.2 試驗設計

試驗開始前先在常規(guī)大田按照5點取樣法選取5個樣點，每個樣點選取1 m×1 m×1 m樣方，按照每10 cm一層進行地膜自然殘留狀態(tài)取樣，挖土過篩，洗凈殘留地膜，經(jīng)計算該試驗地殘留地膜量平均為225 kg·hm－2。地膜碎塊中中膜（面積 4～25 cm2）最多，大膜（面積＞25 cm2）較少，兩種規(guī)格殘膜占比約為7∶3，主要分布在0—30 cm土壤中。根據(jù)調查結果，試驗設置5個殘膜量：0 kg·hm－2（對照）、225 kg·hm－2、450 kg·hm－2、675 kg·hm－2，900 kg·hm－2，分別用 A（CK）、B、C、D、E表示。試驗所用盆栽桶規(guī)格，直徑30 cm，高 50 cm，體積 0.035 m3，經(jīng)折算，則 A（CK）、B、C、D、E 處理盆中殘留地膜量分別為 0 g、1.6 g、3.2 g、4.8 g、6.4 g。對應模擬梯度，將預先挑揀、洗凈、晾干，稱量并按比例混勻的殘膜分3層鋪設。為使人工鋪設殘膜與農(nóng)田殘膜的情況盡可能一致，具體鋪設方法為：將混勻后的殘膜分別與0—10、10—20和20—30 cm土層土壤充分混勻，采用土壤緊實度儀（SC900，USA）控制容重依次分層回填。

為縮小盆栽桶與周邊的環(huán)境差異，在盆栽桶填埋處理前，去除桶底和3/4面積的桶壁，然后用相同規(guī)格開口的300目尼龍網(wǎng)袋套在整個桶上，于試驗大田挖溝后將盆栽桶埋入溝中，保持盆栽桶口與地面相平，然后覆膜播種。盆栽四周為大田，采用相同種植模式(10+66)cm×11 cm，每年4月6～8日播種。試驗共用20個桶，10桶一列，每列每個處理重復2次，按A、B、C、D、E順序排列。每桶播9穴，每穴3粒種子，待出苗后每穴保留1株。肥料施于耕層，30%作為基肥，播前施入；70%作追肥，在棉花生長期間分7次滴施。全生育期使用縮節(jié)胺化控4次。其它農(nóng)事操作均按傳統(tǒng)膜下滴灌大田進行。

1.3 測試項目及方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀調查。從三葉期開始分別在棉花不同生育時期調查每個處理的所有植株的株高、果枝數(shù)、真葉數(shù)、蕾鈴數(shù)指標。

1.3.2 根系形態(tài)及參數(shù)分析。于蕾期、花期、盛鈴期、吐絮期分別挖出不同處理的盆栽各兩盆，用清水沖洗盆中土壤，直至根系完全露出，計算根鮮物質質量；再用掃描儀在300 dpi像素下掃描成黑白TIF圖像，用DT-SCAN2.04圖像分析軟件(英國Delta-T)計算根系的長度和平均直徑等形態(tài)特征指標；最后將根系放人干燥箱，在105℃下殺青，30 min后降至85℃，烘干至恒重后稱量。

1.3.3 土壤無機氮的測定。在棉花現(xiàn)蕾期、開花期、盛鈴期、吐絮期，于 0—10、10—20和 20—30 cm三層取土樣，土樣硝態(tài)氮含量采用0.01 mol·L－1CaCl2浸提—紫外分光光度計法測定，銨態(tài)氮含量采用0.01 mol·L－1CaCl2浸提—靛酚藍比色法測定[27]。

1.4 數(shù)據(jù)分析工具

采用DPS 7.05統(tǒng)計軟件分析差異顯著性，Microsoft Excel 2010軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同地膜殘留量對棉花農(nóng)藝性狀的影響

由表1可知，隨殘膜量的增加，株高、葉片數(shù)、果枝數(shù)、蕾數(shù)和鈴數(shù)均呈下降趨勢。統(tǒng)計分析表明，在花期，A（CK）與E株高之間呈顯著性差異，2013年、2014年 E株高分別較A（CK）處理下降了23.7%和27.0%，但2013年B、C、D處理之間差異不顯著，2014年C和B、D之間有顯著性差異；A（CK）與B之間葉片數(shù)沒有顯著差異，這說明少量的殘膜量對棉花地上部分的影響不大，但2013年A（CK）與 C、D、E之間差異顯著；E處理的果枝數(shù)和蕾數(shù)與A（CK）相比均達到顯著性差異，與A（CK）相比2年果枝數(shù)分別下降了29.1%，21.6%，蕾數(shù)分別下降了28.2%，27.8%。在鈴期，A（CK）與其他 C、D、E 處理之間鈴數(shù)達到顯著性差異水平。

2.2 不同地膜殘留量對棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素的影響

由表2可知，隨殘膜量的增加，籽棉產(chǎn)量和單株成鈴數(shù)呈下降趨勢。其中，D和E的產(chǎn)量、單株成鈴數(shù)與A（CK）相比具有顯著性差異，2年平均數(shù)值表明，E的產(chǎn)量、單株成鈴、鈴重較A（CK）分別下降了 1226 kg·hm－2、1.3 個、1.4 g （P＜0.05）。本研究中，殘膜對衣分無顯著影響，但引起單株成鈴數(shù)和鈴重的顯著下降，這是造成產(chǎn)量降低的主要因素。

2.3 不同地膜殘留量對棉花根系形態(tài)的影響

根系長度隨殘膜量的增加而降低 （圖1），不同處理的根系長度一般在鈴期達到峰值，其中2013和2014年E的根系長度與A（CK）相比分別下降了25.5%，41.9%。根系表面積與地膜殘留量呈反比關系，隨地膜殘留量的增加根系表面積逐步減?。▓D2），各處理的根系表面積均隨生育期的推移呈先增加后減少的趨勢，并在花期達到最大值；2年根系表面積的平均值表明，花期B、C、D、E 較 A （CK）分別降低 19.5%，11.5%，17.0%，19.5%。隨著殘膜量的增加，根系體積逐漸降低 （圖3），2013和2014年花期E的根系體積與A（CK）相比分別下降了66.1%和66.7%。殘膜降低根尖數(shù) （圖4），D和E的根尖數(shù)均低于A（CK）。隨著生育時期的推進，不同處理的根系直徑均呈先增大后降低的趨勢（圖5），蕾期根系直徑受殘膜的影響顯著大于其他生育時期，2013和2014年蕾期A （CK）的根系直徑分別為3.8 mm和3.6 mm，較對應年份的E處理大64.3%和62.0%。

2.4 不同地膜殘留量對土壤氮素影響

主要生育時期，土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含

量均隨殘膜量的增加而增加。其中，2013和2014年，鈴期E的土壤硝態(tài)氮含量分別為1.65 mg·kg－1和 1.52 mg·kg－1，較對應年份的 A（CK）分別增加了41.2%和31.6%（圖6）；2年鈴期E的土壤銨態(tài)氮含量分別為 0.39 mg·kg－1和 0.29 mg·kg－1，較對應年份的 A（CK）分別增加了 36.6%和40.1%（圖7）。以上分析表明大量殘膜在土壤耕作層內構成的薄膜隔離層會使土壤的氮素分布不均，從而降低了棉株對土壤氮素的利用。

表1 不同地膜殘留量對棉花（單株）農(nóng)藝性狀的影響（2013—2014 年）Table 1 Effects of different plastic film residues on agronomic characters of cotton (2013—2014)

表2 不同處理棉花籽棉產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素（2013－2014年）Table 2 Yield and its constitution factors of cotton for different treatments(2013－2014)

圖1 不同地膜殘留量對棉花（單株）根系長度的影響Fig.1 Effect of different amounts of film residues on cotton root length per plant

圖2 不同地膜殘留量對棉花（單株）根系表面積的影響Fig.2 Effects of different amounts of film residues on surface area per plant cotton roots

圖3 不同地膜殘留量對棉花（單株）根系體積的影響Fig.3 Effects of different amounts of film residues on cotton root volume per plant

圖4 不同地膜殘留量對棉花（單株）根尖數(shù)的影響Fig.4 Effects of different amounts of film residues on cotton root tip number per plant

3 討論與結論

3.1 不同地膜殘留量對棉花根系生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響

根系作為養(yǎng)分和水分最重要的吸收器官，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[8]。武宗信[28]研究表明土壤中殘膜量的增加改變植株根系在土壤中的分布形態(tài)，使主根下扎深度變淺，不利于根系對土壤深層水的吸收利用，造成一定程度上的減產(chǎn)。本研究結果表明，棉花根系在下扎過程中遇到殘膜的阻力，根長明顯低于無殘膜（A處理）處理；當殘膜量達到900 kg·hm－2時根系長度最小，這與趙素榮[29]等研究地膜殘留阻礙根系的生長，耕層的根長隨地膜殘留量的增加而減少結果一致。此外，也有研究認為隨著殘膜量的增加，棉花根系表面積和總長度增加，根系直徑和體積減小[30]。本研究兩年結果表明隨著殘膜量的增加，棉花根系直徑和體積減少。大量研究結果顯示，當土壤中地膜殘留量達到一定數(shù)量時會影響作物生長環(huán)境和自身的生長發(fā)育，進而影響到作物產(chǎn)量[31]。許多學者研究認為[28,30]，地膜殘留可使棉花收獲株數(shù)、單株結鈴數(shù)及鈴重呈下降趨勢，最終導致棉花減產(chǎn)，一般減幅為1%～23%。本研究表明殘膜與單株鈴數(shù)、鈴重和產(chǎn)量呈負相關，當殘膜量達到900 kg·hm－2時，產(chǎn)量、成鈴數(shù)、鈴重顯著降低，表明殘膜條件下，棉花生殖生長受到抑制；但地膜殘留量在225 kg·hm－2時，產(chǎn)量、鈴重、成鈴數(shù)與無殘膜無顯著差異，這與姜益娟等[26]研究結果不一致，這可能是試驗區(qū)氣候、品種、農(nóng)藝措施等因素的差異造成的，在今后的研究中仍需要進一步驗證。

圖5 不同地膜殘留量對棉花根系直徑的影響Fig.5 Effect of different amounts of film residues on root average diameter

圖6 不同地膜殘留量對硝態(tài)氮的影響Fig.6 Effect of different amounts of film residues on nitrate nitrogen

3.2 不同地膜殘留量對土壤氮素利用影響

土壤養(yǎng)分是影響作物根系生長的重要環(huán)境因子。前人研究表明地膜殘留不僅破壞土壤物理結構，而且殘膜隔離層還會影響微生物的活性，從而不利于土壤養(yǎng)分的礦化釋放和肥力的提高[24]。本研究2年結果表明，隨著殘膜量的增加，土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量增加，降低了植株氮素的吸收量，造成生物量下降，產(chǎn)量降低。在鈴期，E（殘膜量 900 kg·hm－2）較對照（殘膜量 0）硝態(tài)氮和銨態(tài)氮2年平均分別增加了36.6%和40.1%；董合干[32]研究結果表明，隨著殘膜密度的升高，土壤pH呈上升趨勢，有機質、堿解氮、有效磷和有效鉀有下降趨勢,殘膜含量達到 2000 kg·hm－2時，與無殘膜處理相比，土壤中堿解氮、速效磷分別下降55.0%和60.3%。表明地膜殘留對作物生長發(fā)育和養(yǎng)分吸收利用的影響很明顯，所以必須引起足夠的重視。

圖7 不同地膜殘留量對銨態(tài)氮的影響Fig.7 Effect of different amounts of film residues on ammonium nitrogen content

3.3 重視殘膜治理，降低環(huán)境風險

本研究結果表明：當殘膜含量超過225 kg·hm－2時，會引起產(chǎn)量降低，殘膜含量越高，減產(chǎn)幅度越大。目前南疆阿克蘇植棉區(qū)處于殘膜污染風險值的臨界點，一旦超過臨界點即將對產(chǎn)量產(chǎn)生影響，因此加強殘膜污染治理及采取積極應對措施刻不容緩。何文清等[30]、湯秋香等[33]通過農(nóng)戶問卷調查和典型樣點研究發(fā)現(xiàn)，西北地區(qū)、華北丘陵區(qū)及東北風沙區(qū)是地膜殘留污染較為嚴重的區(qū)域，在局部地區(qū)殘留地膜已經(jīng)嚴重影響到農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和生產(chǎn)活動。牛瑞坤[34]、董合干[35]和周明冬等[36]研究結果均證實，隨著覆膜年份的增加，新疆棉田殘膜污染問題就變得越來越嚴重，所以對棉田殘膜污染問題引起足夠的重視。本文在總結前人基礎上提出以下適宜南疆地區(qū)防治殘膜污染技術措施：第一，實行嚴格的標準化生產(chǎn)，規(guī)范地膜產(chǎn)品的質量，提高地膜回收率。將實際生產(chǎn)中應用的0.005～0.006 mm地膜厚度提高到0.012 mm，并添加一些抗老化物質，不僅可以延長地膜的使用壽命，提高其增溫、保墑效果，而且有利于提高回收率[37]。第二，加強地膜回收技術的研究，提高地膜回收率。目前應用廣泛的技術為適期揭膜回收技術，即從農(nóng)藝措施入手、篩選出作物的最佳揭膜期，將作物收獲后揭膜改為收獲前揭膜[38]，既能提高地膜回收率、降低殘膜污染，又能提高作物產(chǎn)量。近些年來河北、新疆等地區(qū)開展的棉花頭水前揭膜技術，由于頭水前農(nóng)膜尚未老化，韌性好，不易破碎，揭膜回收率在90%以上。第三，大力推進新型生物降解地膜的廣泛應用。充分利用生物技術和高新技術生產(chǎn)綠色多功能可降解農(nóng)用地膜，這是降低和減少地膜殘留對農(nóng)作物產(chǎn)量影響的最有效的途徑之一。目前，生物降解地膜的研究雖然有一定的進展，但由于受到材料、價格的影響，大面積應用還存在一定的難度。因此，要進一步加強低成本、綠色、可降解地膜的研制和示范推廣。

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Effects of Plastic Film Residues on Soil Nitrogen Content,Root Distribution,and Cotton Yield during the Long-Term Continuous Cropping of Cotton

Zumilaiti Tuergan1,Lin Tao2*,Wang Liang1,Wang Jing1,Li Jianwei1,Tang Qiuxiang1*
(1.College of Agronomy,Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052,China;2.Institute of Cash Crops,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Urumqi830091,China)

[Objective]The objective of this field experiment was to study the effects of plastic film residues on soil nitrogen content,root distribution,and cotton yield in field for long-term continuous cropping of cotton (Gossypium hirsutumL.).[Method]The cotton variety'Xinluzhong 47'was used in a field experiment conducted during the cotton-growing season in 2013-2014.The experiment involved the following five plastic film residue treatments:0(control),225,450,675,and 900 kg·hm-2.We analyzed changes in soil nitrogen content,root morphology,and cotton yields.[Result]Seed cotton yields decreased with increasing amounts of plastic film residue,and significantly affected the number of bolls per plant and boll weight,but not by lint percentage.The treatments with 450,675,and 900 kg·hm-2plastic film residues had significant effects on seed cotton yields(P<0.05).The seed cotton yield following the 900 kg·hm-2treatment was 22.2%lower than the control yield.Additionally,exposure to the plastic film residues decreased root growth,root length,root diameter,root surface area,root volume,and the number of root tips.There were significant differences in these root-growth indices(P<0.05)between the control and plastic film residue treatments.The 900 kg·hm-2treatment decreased the root length by 33.7%,root diameter by 24.3%,root surface area by 19.72%,root volume by 66.4%,and the number of root tips by 35.3%.These results confirmed that the ammonium and nitrate levels increased with increasing concentrations of residual film.At the boll stage,the ammonium and nitrate levels following the 900 kg·hm-2treatment were 36.6%and 40.1%higher than the control levels,respectively.[Conclusion]Exposure to plastic film residues inhibits cotton root growth and decreases nitrogen use,leading to decreased cotton yields.

nitrogen;root distribution;yield characteristics;plastic film residues;cotton

S562.04

A

1002-7807（2017）04-0374-11

10.11963/1002-7807.zmlttegtqx.20170602

2017-01-12 %%第一作者簡介：祖米來提·吐爾干 (1990―)，女，碩士研究生，1453692653@qq.com，ORCID：0000-0001-9732-210X。 *通信作者：湯秋香，tangqiuxiang2004_2@163.com，ORCID：0000-0003-0355-1003；林濤，lintao_xjau@163.com，ORCID：0000-0002-9566-8112

國家自然科學基金 (31460143)；新疆維吾爾自治區(qū)自然基金 (2014211A026)；中國博士后科學基金（2013M540784）；農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室開放基金聯(lián)合資助