地膜殘留對設施番茄土壤水分、耗水規(guī)律及水分利用效率的影響研究

張雯宇，馬娟娟，鄭利劍，，孫西歡，郭向紅，李卓然，陳金平

（1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原030024；2.河南商丘農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，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，加速腐殖質轉化成無機鹽的速度加快，促進作物吸收，使得作物生長旺盛［2］。我國從20世紀80年代開始引進地膜覆蓋技術，至今已有30 多年歷史。據(jù)統(tǒng)計，我國地膜使用面積從1982年7 800 hm2增加到2015年的1 833 萬hm2，未來還仍有繼續(xù)增加趨勢［3］。與此同時，隨著農田地膜殘留的不斷累積，農田殘膜已嚴重影響土壤的再生產能力［4］。

農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行光降解和熱降解，也不易通過細菌和酶等生物方式降解［5］。以往研究表明，殘留地膜對土壤理化性質的影響包括：①降低了土壤孔隙度，中斷土壤結構，阻礙了水肥運動［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［7］；③殘膜的存在會提高土壤濕潤比和穩(wěn)定入滲率，殘膜量達到720 kg/hm2，土壤大孔隙比增加，優(yōu)勢流明顯，濕潤鋒運移加快［8］等。除此之外，學者們在殘膜影響植株生長發(fā)育方面也進行了相關研究。林濤［9］等分析了地膜殘留量對土壤水分分布及棉花根系構型的影響，得出無殘膜（0 kg/hm2）處理的土壤水分狀況、根系構型顯著優(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［11］等進行了殘膜對不同生育期番茄根系的影響研究，研究表明殘膜會阻礙番茄苗期和開花坐果期根系的生長；杜利［12］等探究了不同殘膜量對玉米主要生育期土壤水分及抗逆性指標的影響，研究得出農田殘膜是通過增大土壤容重，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，進而脅迫玉米的生長發(fā)育；郭彥芬［13］等研究認為，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，地膜殘留對土壤理化性質和農作物生長發(fā)育都有較大的影響，但關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，在設施番茄上研究較少。因此對不同殘膜量條件下，設施番茄土壤水分與植株水分利用情況進行研究就顯得尤為重要。本試驗通過設置不同殘膜量梯度，探討殘膜對設施番茄土壤水分、耗水規(guī)律及水分利用效率的影響，為制定設施番茄高效灌溉制度以及殘膜防治提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于山西省農科院旱地農業(yè)研究中心陽曲河村試驗基地（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 ℃，年無霜期144 d。試驗地土壤為黃土質淡褐土，土壤理化參數(shù)（0～60 cm 平均值）見表1，試驗所用灌溉水主要為集蓄雨水。

1.2 試驗設計

本試驗在大棚中進行，大棚長50 m，寬7.6 m，小區(qū)面積7.2 m2。據(jù)實地調查，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，質量比為1∶6 左右。因此，設計不同殘膜量來模擬該地區(qū)0、5、10、15、20 和30 a殘膜水平，具體實驗方案見表2，共6 個處理，每個處理3 次重復。試驗前將人工剪碎的兩種大小殘膜按質量1∶6 均勻混入0～30 cm土壤中。

表2 試驗方案設計Tap.2 Test scheme design

番茄品種為“粉尼亞”。小區(qū)之間埋設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。移栽前按有機肥1 000 kg/hm2、P2O5200 kg/hm2（過磷酸鈣）、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?shù)剞r民日常方法相同。

1.3 測定項目與方法

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

（2）產量：番茄成熟期，分別測定每個小區(qū)每次收獲產量，最后計算每個小區(qū)累計產量，根據(jù)小區(qū)面積換算成公頃產量，單位：kg/hm2。

（3）番茄耗水量及水分利用效率計算采用水量平衡法［14］，其計算公式為：

1.4 數(shù)據(jù)處理

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

2 結果與分析

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。這是因為一方面，土壤殘留一定量的殘膜碎片會改變或切斷土壤孔隙連續(xù)性，進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，殘膜的存在會阻礙苗期根系與土壤的接觸，嚴重影響對水分的吸收，使得含水率上升。而T5處理土壤含水率較低是因為當殘膜累量積到一定程度（1 200 kg/hm2），會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)加劇［16］，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。這是因為殘膜阻滯水分下滲導致含水率升高，而T5處理因殘膜量過高，導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殘膜土層，30～40 cm含水率明顯升高。

果實膨大期，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處理無顯著差異。0～10 cm 和30～60 cm 土層各處理土壤剖面含水率無顯著差異。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顯著差異。各殘膜處理0～60 cm 土層土壤含水率無顯著差異。

整體來說，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，隨殘膜量的增加呈先升高后降低趨勢，無殘膜處理隨土層深度的增加呈現(xiàn)出先降低后升高趨勢。4個生育期殘膜處理與無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。這是因為淺層土壤混入一定量的殘膜會減緩土壤水分向下運移，表層含水率升高，而過多的殘膜量既導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間變化趨勢基本一致，本試驗條件下總體呈現(xiàn)先降低后升高態(tài)勢，苗期最高，果實膨大期最低，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。這既是因為進入果實膨大期后植株需水增強，也是因為T3、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，因此促進了根系對水分的吸收，含水率提前下降。

在果實膨大期土壤含水率隨時間基本呈持續(xù)下降態(tài)勢，兩次灌水之后，T3、T4、T5處理土壤含水率率先開始回升。這是因為T3、T4和T5處理已經進入了成熟期，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個處理。一方面是因為水分滯留在上層土壤難以下滲。另一方面，T3、T4和T5處理因為殘膜阻滯作用使得根系層（10～30 cm 土層）水分和養(yǎng)分相比其他處理較為充足，早于其余3 個處理進入成熟期，需水降低，土壤含水率率先開始回升，這也導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個處理。進入成熟期后CK、T1和T2處理回升速率明顯高于后3個處理。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

一般來說，作物的耗水量和耗水強度可以反映出作物的生長發(fā)育狀況。由表4 看出，苗期各處理耗水量和耗水強度在誤差范圍內均無顯著差異，但明顯低于其他生育期。這說明苗期植株需水不強，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度隨殘膜量增加呈先升高后波動態(tài)勢，各處理間差異不顯著。果實膨大期和成熟期各處理耗水量和耗水強度在誤差范圍內均無顯著差異。這說明殘膜對番茄植株在各個生育期的耗水量和耗水強度并沒有較為明顯的影響。雖然土壤中混入殘膜會阻礙水肥運動［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了植株對水肥的吸收。綜合來看，殘膜對各生育期番茄植株耗水量和耗水強度的影響并不顯著，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 不同殘膜量對番茄產量和水分利用效率的影響

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

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

本試驗在殘膜量≥400 kg/hm2時，其產量和水分利用效率并沒有繼續(xù)表現(xiàn)出降低趨勢，而是出現(xiàn)回升趨勢。辛靜靜［17］，王亮［18］以及黃少輝［19］等研究得出一定量的農田地膜殘留會導致作物減產，降低其水分利用效率，這與本文的結論不一致。其原因是灌溉方式和灌溉制度，土壤理化性質差異以及不同作物對土壤中殘膜的響應程度有所差異所導致。而鄒小陽［11］、楊彩霞［15］等雖然也得出殘膜的增加會降低設施番茄產量的結論，但因為灌水量的不同，其全生育期土壤平均體積含水率都遠大于本試驗土壤含水率。而宋超［20］兩年田間實驗研究得出殘膜對玉米和馬鈴薯的產量和水分利用效率并無顯著影響，反而某些指標還顯示地膜殘留處理比無殘膜處理更有利于作物生長。這與本文的結論較為相符。本試驗殘膜處理與無殘膜處理的番茄產量差異并不大，且水分利用效率也并無顯著差異。這說明灌水量的多少會顯著改變殘膜對番茄生長發(fā)育的影響，且在灌水量較低情況下，殘膜對設施番茄產量和水分利用效率的影響并不顯著。這也表明影響番茄產量及水分利用的因素較為復雜，殘膜可能并不是其主要影響因子，殘膜與其他因素對設施番茄的綜合影響還需要進一步研究確定。

3 結 論

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

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

（3）隨著殘膜量的增多，番茄產量和水分利用效率呈現(xiàn)出波動變化趨勢。這說明土壤中混入殘膜會影響番茄產量和水分利用效率，但整體來說，不同殘膜量對番茄產量和水分利用效率的影響并不顯著。 □