地膜残留对连作棉田土壤氮素、根系形态及产量形成的影响

祖米来提·吐尔干，林涛，王亮，王静，李健伟，汤秋香

（1.新疆农业大学农学院，乌鲁木齐830052；2.新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐830091）

地膜残留对连作棉田土壤氮素、根系形态及产量形成的影响

祖米来提·吐尔干1，林涛2*，王亮1，王静1，李健伟1，汤秋香*

（1.新疆农业大学农学院，乌鲁木齐830052；2.新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐830091）

【目的】为探讨土壤中的残膜含量对棉花根区环境及生长发育的影响。【方法】在大田条件下，以新陆中47 号为供试材料，设置了 0（CK）、225、450、675 和 900 kg·hm－2共 5 个残膜量处理，于 2013－2014 开展 2 年小区模拟试验，研究了棉田土壤氮素、根系形态、产量性状随土壤中残膜含量的变化规律。【结果】随着残膜量的增大产量均呈下降趋势，450、675、900 kg·hm－2残膜量处理的产量均显著（P＜0.05）低于 0 kg·hm－2(CK)，其中900 kg·hm－2处理的产量降低了22.2%。残膜阻碍根系生长，根长、根直径、根表面积、根体积、根尖数均随残膜量的增加而下降， 其中，900 kg·hm－2处理较 0 kg·hm－2(CK)分别下降了 33.7%，24.3%，19.72%，66.4%和35.3%；0 kg·hm－2与 225、450、675、900 kg·hm－2残膜量处理在花期和铃期均具有显著性差异（P＜0.05）。 随着残膜量的增加土壤中的铵态氮和硝态氮呈增加趋势，与0 kg·hm－2(CK)相比，900 kg·hm－2处理在铃期铵态氮增加了36.6%、硝态氮增加了40.1%。【结论】残膜降低氮素利用率，阻碍了根系生长，不利于棉花产量的提高。

氮素；根系分布；产量特征；地膜残留量；棉花

地膜覆盖栽培具有增温[1-2]、保墒[3-4]、抑盐[5]、防草[6-7]的作用，能促进新疆干旱地区棉株早发育[8]，提高棉花产量[9]。但随着高强度的种植和覆膜年限延长，残膜会在土壤中不断蓄积，降低增产效果[10]。据不完全统计，当前新疆棉田耕层中平均残膜量为265.3 kg·hm－2，是全国平均水平的4.5倍[11]。残膜蓄积会破坏土壤结构[12-13]，阻碍水分渗透[14-15]，造成土壤次生盐碱化，降低土壤的肥力水平[16]，导致耕地质量下降，并最终抑制了根系对水肥的吸收和生长发育[17]，造成作物大幅度减产[18]。

关于农田残膜的危害，赵素荣等[19]认为，残膜使土壤孔隙度下降、通透性降低，造成土壤板结，在一定程度上破坏农田土壤空气的正常循环和交换；王志超等[20]、牛文全等[21]研究表明，随残膜量的增加，土壤保水能力降低，棉田残膜量400 kg·hm－2的土壤含水量仅是无残膜处理的79.58%；刘建国等[22]研究表明，残膜会严重影响土壤微生物的含量。而土壤中有机质的腐殖化过程、氮素的硝化过程、磷素的分解、缓效性钾到速效钾的转变过程都需要土壤微生物的参与，所以残膜可能造成土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量下降；李青军[23]和董合干[24]研究表明，残留地膜具有较高的韧性和延展性，植物根系难以穿透，导致根系生长困难，棉田残膜含量2000 kg·hm－2与无残膜处理相比，根系表面积下降了27.1%，导致了根冠比异常；支金虎[25]认为残膜严重影响了棉花根系的下扎，迫使主根弯曲生长，大大降低了根系深度，影响根系吸收作用；姜益娟等[26]研究发现土壤中残膜主要影响出苗，造成收获株数减少，其次造成铃数减少，最终导致棉花产量降低。

虽然前人已对残膜的危害有了一定的认识，但研究大多集中于单一的形态观察或测试，综合考虑残膜对根区环境影响，以及根系对这种根区环境变化响应的研究并不多见。因此本研究设置5个残膜量梯度，模拟了新疆典型覆膜滴灌棉田残膜含量及分布状态，探讨了农田地膜残留量与作物生长、作物根系分布、土壤性状等方面的响应关系，对这些问题的深入研究有助于完善对残膜危害认识，明确残膜阈值，提出残膜危害治理策略，为减少残膜污染、维护耕地质量、减少产量损失提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2013—2014年在阿瓦提县新疆农业科学院棉花综合试验站进行。试验站位于塔里木盆地西北沿（N 40°06'，E 80°44'，海拔 1025 m），该区日照长、热量丰富，年均日照时间达到2679 h，≥10℃年积温为3 987.7℃，无霜期为115 d。供试品种为新陆中47号，由新疆农业科学院经济作物研究所提供。供试土壤取自大田，土壤质地为砂性壤土，采用Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析仪 （Malvern instruments Ltd.，UK）测得0—30 cm土层粉粒、砂粒、黏粒质量分数分别为 36.4%，60.7%，2.9%， 平均容重为 1.5 g·cm－3，有机质含量 82.3 mg·kg－1，全氮 4.3 mg·kg－1、铵态氮 2.5 mg·g－1、硝态氮 2.5 mg·g－1、速效磷 30.5 mg·g－1，pH 6.5。

1.2 试验设计

试验开始前先在常规大田按照5点取样法选取5个样点，每个样点选取1 m×1 m×1 m样方，按照每10 cm一层进行地膜自然残留状态取样，挖土过筛，洗净残留地膜，经计算该试验地残留地膜量平均为225 kg·hm－2。地膜碎块中中膜（面积 4～25 cm2）最多，大膜（面积＞25 cm2）较少，两种规格残膜占比约为7∶3，主要分布在0—30 cm土壤中。根据调查结果，试验设置5个残膜量：0 kg·hm－2（对照）、225 kg·hm－2、450 kg·hm－2、675 kg·hm－2，900 kg·hm－2，分别用 A（CK）、B、C、D、E表示。试验所用盆栽桶规格，直径30 cm，高 50 cm，体积 0.035 m3，经折算，则 A（CK）、B、C、D、E 处理盆中残留地膜量分别为 0 g、1.6 g、3.2 g、4.8 g、6.4 g。对应模拟梯度，将预先挑拣、洗净、晾干，称量并按比例混匀的残膜分3层铺设。为使人工铺设残膜与农田残膜的情况尽可能一致，具体铺设方法为：将混匀后的残膜分别与0—10、10—20和20—30 cm土层土壤充分混匀，采用土壤紧实度仪（SC900，USA）控制容重依次分层回填。

为缩小盆栽桶与周边的环境差异，在盆栽桶填埋处理前，去除桶底和3/4面积的桶壁，然后用相同规格开口的300目尼龙网袋套在整个桶上，于试验大田挖沟后将盆栽桶埋入沟中，保持盆栽桶口与地面相平，然后覆膜播种。盆栽四周为大田，采用相同种植模式(10+66)cm×11 cm，每年4月6～8日播种。试验共用20个桶，10桶一列，每列每个处理重复2次，按A、B、C、D、E顺序排列。每桶播9穴，每穴3粒种子，待出苗后每穴保留1株。肥料施于耕层，30%作为基肥，播前施入；70%作追肥，在棉花生长期间分7次滴施。全生育期使用缩节胺化控4次。其它农事操作均按传统膜下滴灌大田进行。

1.3 测试项目及方法

1.3.1 农艺性状调查。从三叶期开始分别在棉花不同生育时期调查每个处理的所有植株的株高、果枝数、真叶数、蕾铃数指标。

1.3.2 根系形态及参数分析。于蕾期、花期、盛铃期、吐絮期分别挖出不同处理的盆栽各两盆，用清水冲洗盆中土壤，直至根系完全露出，计算根鲜物质质量；再用扫描仪在300 dpi像素下扫描成黑白TIF图像，用DT-SCAN2.04图像分析软件(英国Delta-T)计算根系的长度和平均直径等形态特征指标；最后将根系放人干燥箱，在105℃下杀青，30 min后降至85℃，烘干至恒重后称量。

1.3.3 土壤无机氮的测定。在棉花现蕾期、开花期、盛铃期、吐絮期，于 0—10、10—20和 20—30 cm三层取土样，土样硝态氮含量采用0.01 mol·L－1CaCl2浸提—紫外分光光度计法测定，铵态氮含量采用0.01 mol·L－1CaCl2浸提—靛酚蓝比色法测定[27]。

1.4 数据分析工具

采用DPS 7.05统计软件分析差异显著性，Microsoft Excel 2010软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同地膜残留量对棉花农艺性状的影响

由表1可知，随残膜量的增加，株高、叶片数、果枝数、蕾数和铃数均呈下降趋势。统计分析表明，在花期，A（CK）与E株高之间呈显著性差异，2013年、2014年 E株高分别较A（CK）处理下降了23.7%和27.0%，但2013年B、C、D处理之间差异不显著，2014年C和B、D之间有显著性差异；A（CK）与B之间叶片数没有显著差异，这说明少量的残膜量对棉花地上部分的影响不大，但2013年A（CK）与 C、D、E之间差异显著；E处理的果枝数和蕾数与A（CK）相比均达到显著性差异，与A（CK）相比2年果枝数分别下降了29.1%，21.6%，蕾数分别下降了28.2%，27.8%。在铃期，A（CK）与其他 C、D、E 处理之间铃数达到显著性差异水平。

2.2 不同地膜残留量对棉花产量及产量构成因素的影响

由表2可知，随残膜量的增加，籽棉产量和单株成铃数呈下降趋势。其中，D和E的产量、单株成铃数与A（CK）相比具有显著性差异，2年平均数值表明，E的产量、单株成铃、铃重较A（CK）分别下降了 1226 kg·hm－2、1.3 个、1.4 g （P＜0.05）。本研究中，残膜对衣分无显著影响，但引起单株成铃数和铃重的显著下降，这是造成产量降低的主要因素。

2.3 不同地膜残留量对棉花根系形态的影响

根系长度随残膜量的增加而降低 （图1），不同处理的根系长度一般在铃期达到峰值，其中2013和2014年E的根系长度与A（CK）相比分别下降了25.5%，41.9%。根系表面积与地膜残留量呈反比关系，随地膜残留量的增加根系表面积逐步减小（图2），各处理的根系表面积均随生育期的推移呈先增加后减少的趋势，并在花期达到最大值；2年根系表面积的平均值表明，花期B、C、D、E 较 A （CK）分别降低 19.5%，11.5%，17.0%，19.5%。随着残膜量的增加，根系体积逐渐降低 （图3），2013和2014年花期E的根系体积与A（CK）相比分别下降了66.1%和66.7%。残膜降低根尖数 （图4），D和E的根尖数均低于A（CK）。随着生育时期的推进，不同处理的根系直径均呈先增大后降低的趋势（图5），蕾期根系直径受残膜的影响显著大于其他生育时期，2013和2014年蕾期A （CK）的根系直径分别为3.8 mm和3.6 mm，较对应年份的E处理大64.3%和62.0%。

2.4 不同地膜残留量对土壤氮素影响

主要生育时期，土壤中硝态氮和铵态氮的含

量均随残膜量的增加而增加。其中，2013和2014年，铃期E的土壤硝态氮含量分别为1.65 mg·kg－1和 1.52 mg·kg－1，较对应年份的 A（CK）分别增加了41.2%和31.6%（图6）；2年铃期E的土壤铵态氮含量分别为 0.39 mg·kg－1和 0.29 mg·kg－1，较对应年份的 A（CK）分别增加了 36.6%和40.1%（图7）。以上分析表明大量残膜在土壤耕作层内构成的薄膜隔离层会使土壤的氮素分布不均，从而降低了棉株对土壤氮素的利用。

表1 不同地膜残留量对棉花（单株）农艺性状的影响（2013—2014 年）Table 1 Effects of different plastic film residues on agronomic characters of cotton (2013—2014)

表2 不同处理棉花籽棉产量及产量构成因素（2013－2014年）Table 2 Yield and its constitution factors of cotton for different treatments(2013－2014)

图1 不同地膜残留量对棉花（单株）根系长度的影响Fig.1 Effect of different amounts of film residues on cotton root length per plant

图2 不同地膜残留量对棉花（单株）根系表面积的影响Fig.2 Effects of different amounts of film residues on surface area per plant cotton roots

图3 不同地膜残留量对棉花（单株）根系体积的影响Fig.3 Effects of different amounts of film residues on cotton root volume per plant

图4 不同地膜残留量对棉花（单株）根尖数的影响Fig.4 Effects of different amounts of film residues on cotton root tip number per plant

3 讨论与结论

3.1 不同地膜残留量对棉花根系生长发育及产量的影响

根系作为养分和水分最重要的吸收器官，在作物的生长发育和产量形成过程中起着非常重要的作用[8]。武宗信[28]研究表明土壤中残膜量的增加改变植株根系在土壤中的分布形态，使主根下扎深度变浅，不利于根系对土壤深层水的吸收利用，造成一定程度上的减产。本研究结果表明，棉花根系在下扎过程中遇到残膜的阻力，根长明显低于无残膜（A处理）处理；当残膜量达到900 kg·hm－2时根系长度最小，这与赵素荣[29]等研究地膜残留阻碍根系的生长，耕层的根长随地膜残留量的增加而减少结果一致。此外，也有研究认为随着残膜量的增加，棉花根系表面积和总长度增加，根系直径和体积减小[30]。本研究两年结果表明随着残膜量的增加，棉花根系直径和体积减少。大量研究结果显示，当土壤中地膜残留量达到一定数量时会影响作物生长环境和自身的生长发育，进而影响到作物产量[31]。许多学者研究认为[28,30]，地膜残留可使棉花收获株数、单株结铃数及铃重呈下降趋势，最终导致棉花减产，一般减幅为1%～23%。本研究表明残膜与单株铃数、铃重和产量呈负相关，当残膜量达到900 kg·hm－2时，产量、成铃数、铃重显著降低，表明残膜条件下，棉花生殖生长受到抑制；但地膜残留量在225 kg·hm－2时，产量、铃重、成铃数与无残膜无显著差异，这与姜益娟等[26]研究结果不一致，这可能是试验区气候、品种、农艺措施等因素的差异造成的，在今后的研究中仍需要进一步验证。

图5 不同地膜残留量对棉花根系直径的影响Fig.5 Effect of different amounts of film residues on root average diameter

图6 不同地膜残留量对硝态氮的影响Fig.6 Effect of different amounts of film residues on nitrate nitrogen

3.2 不同地膜残留量对土壤氮素利用影响

土壤养分是影响作物根系生长的重要环境因子。前人研究表明地膜残留不仅破坏土壤物理结构，而且残膜隔离层还会影响微生物的活性，从而不利于土壤养分的矿化释放和肥力的提高[24]。本研究2年结果表明，随着残膜量的增加，土壤中硝态氮和铵态氮含量增加，降低了植株氮素的吸收量，造成生物量下降，产量降低。在铃期，E（残膜量 900 kg·hm－2）较对照（残膜量 0）硝态氮和铵态氮2年平均分别增加了36.6%和40.1%；董合干[32]研究结果表明，随着残膜密度的升高，土壤pH呈上升趋势，有机质、碱解氮、有效磷和有效钾有下降趋势,残膜含量达到 2000 kg·hm－2时，与无残膜处理相比，土壤中碱解氮、速效磷分别下降55.0%和60.3%。表明地膜残留对作物生长发育和养分吸收利用的影响很明显，所以必须引起足够的重视。

图7 不同地膜残留量对铵态氮的影响Fig.7 Effect of different amounts of film residues on ammonium nitrogen content

3.3 重视残膜治理，降低环境风险

本研究结果表明：当残膜含量超过225 kg·hm－2时，会引起产量降低，残膜含量越高，减产幅度越大。目前南疆阿克苏植棉区处于残膜污染风险值的临界点，一旦超过临界点即将对产量产生影响，因此加强残膜污染治理及采取积极应对措施刻不容缓。何文清等[30]、汤秋香等[33]通过农户问卷调查和典型样点研究发现，西北地区、华北丘陵区及东北风沙区是地膜残留污染较为严重的区域，在局部地区残留地膜已经严重影响到农业生态环境和生产活动。牛瑞坤[34]、董合干[35]和周明冬等[36]研究结果均证实，随着覆膜年份的增加，新疆棉田残膜污染问题就变得越来越严重，所以对棉田残膜污染问题引起足够的重视。本文在总结前人基础上提出以下适宜南疆地区防治残膜污染技术措施：第一，实行严格的标准化生产，规范地膜产品的质量，提高地膜回收率。将实际生产中应用的0.005～0.006 mm地膜厚度提高到0.012 mm，并添加一些抗老化物质，不仅可以延长地膜的使用寿命，提高其增温、保墒效果，而且有利于提高回收率[37]。第二，加强地膜回收技术的研究，提高地膜回收率。目前应用广泛的技术为适期揭膜回收技术，即从农艺措施入手、筛选出作物的最佳揭膜期，将作物收获后揭膜改为收获前揭膜[38]，既能提高地膜回收率、降低残膜污染，又能提高作物产量。近些年来河北、新疆等地区开展的棉花头水前揭膜技术，由于头水前农膜尚未老化，韧性好，不易破碎，揭膜回收率在90%以上。第三，大力推进新型生物降解地膜的广泛应用。充分利用生物技术和高新技术生产绿色多功能可降解农用地膜，这是降低和减少地膜残留对农作物产量影响的最有效的途径之一。目前，生物降解地膜的研究虽然有一定的进展，但由于受到材料、价格的影响，大面积应用还存在一定的难度。因此，要进一步加强低成本、绿色、可降解地膜的研制和示范推广。

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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 %%第一作者简介：祖米来提·吐尔干 (1990―)，女，硕士研究生，1453692653@qq.com，ORCID：0000-0001-9732-210X。 *通信作者：汤秋香，tangqiuxiang2004_2@163.com，ORCID：0000-0003-0355-1003；林涛，lintao_xjau@163.com，ORCID：0000-0002-9566-8112

国家自然科学基金 (31460143)；新疆维吾尔自治区自然基金 (2014211A026)；中国博士后科学基金（2013M540784）；农业部农业环境重点实验室开放基金联合资助