地膜殘留對設施番茄生長及果實品質的影響

李卓然，馬娟娟，鄭利劍，，郭向紅，楊彩霞，陳金平

（1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.河南商丘農田生態系統國家野外科學觀測研究站，河南商丘 476000）

0 引 言

地膜覆蓋技術于20 世紀70年代引入我國[1]，歷經40 余年發展后，適用范圍已從干旱半干旱地區擴大到高山高寒地區，適用作物也從最初的幾種擴大到40 余種[2,3]，尤其是在蔬菜、棉花等經濟作物上的應用更是與日俱增。截止2017年末，我國地膜覆蓋面積達1 865.72 萬hm2，地膜使用量達143.7 萬t[4]。地膜覆蓋技術被廣泛認可的優勢包括保溫保水、抑制雜草、減少病蟲害、改善土壤小環境等[5-7]，但目前常見的地膜制造原料為極難分解的低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯等高分子材料[8-10]，分子結構穩定，在環境中難以自然降解，土壤中殘留時間可達百年之久。現有的膜下滴灌多采用厚度小于0.008 mm 地膜，在嚴苛的自然環境下極易破碎，作物生育末期時已風化碎裂嚴重，且受限于回收技術，導致了秸稈回收與土壤翻耕過程中大量殘膜被運送至土壤耕層。

對于殘膜產生的影響，早在20世紀90年代初就已提出[11]，但與地膜覆蓋技術帶來的增產增收效益相比，人們往往忽視了殘膜對土壤環境造成的直接與間接威脅，導致回收殘膜時只注重利于回收的大塊殘膜，而碎裂殘膜任由其滯留土壤中。相關研究證實，當前殘膜污染不容樂觀，土壤中存在殘膜時，會降低土壤入滲速率、水分擴散率，土壤出現板結現象[12,13]；隨著土壤中殘膜量的增加，土壤含水率與土層孔隙度顯著降低[14]；殘膜在改變水分分布的前提條件下，也影響了養分運移情況，土壤中有機質、全氮、硝態氮、有效磷會隨殘膜量增加而顯著降低[15]。在水分和養分得不到保障的情況下，隨之而來的便是作物生長發育遲緩，超過180 kg/hm2的殘膜會阻礙苗期玉米、棉花根系生長[16]；殘膜量的增加，導致番茄干物質量逐漸降低，明顯阻礙了番茄的生長發育[17]；殘膜量與玉米產量呈現顯著的負相關關系，會不同程度影響玉米產量[18]。雖然殘膜量的增加導致了水分分布不均，甚至水分虧缺，但已有的研究表明，在一定水分虧缺情況下，果實品質會有不同程度的提升[19,20]。利用主成分分析法分析殘膜問題帶來的正負效應，有利于綜合評價殘膜污染所造成的危害。

現階段雖已找到聚乙烯材料的替代產品，如液體地膜、可降解地膜等[21,22]，但受限制于使用成本，大面積推廣仍存在困難，我國農業仍舊長期面臨殘膜污染問題。因此，為了明確地膜殘留對番茄生長的危害，本試驗以大棚種植番茄為例，在實地取樣調查與閱讀文獻相結合基礎上，設置不同梯度殘膜量，研究殘膜對土壤水分及番茄生長特性影響，以期發現殘膜情況下番茄生長規律，為合理保護、開發、利用殘膜污染土壤提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗于山西省陽曲縣旱地農業研究中心河村基地大棚中開展。試驗區屬溫帶大陸性氣候，年平均降雨量441.2 mm，年平均氣溫5～7 ℃，無霜期164 d左右。試驗區土壤質地為黃土質淡褐土，耕層容重1.49 g/cm3，有機質含量10.65 g/kg，全氮1.18 g/kg，速效磷29.85 mg/kg，速效鉀140.50 mg/kg。

1.2 試驗設計

番茄定植時間為2019年4月30日，結束時間為2019年9月12日。為了明確設施番茄土壤農膜殘留現狀并有效確定本次實驗合理殘膜變化梯度，2019年定植前在連續覆膜種植5 a的大棚內進行取樣，取樣方法采用五點法，每個樣點大小50 cm×50 cm，取樣深度為30 cm。過篩并挑選其中殘膜，殘膜大小按照＜25 cm2，25～100 cm2，＞100 cm2分別對每個樣點殘膜數量與質量進行統計。結合前人成果[23]與實地采樣調查結果，最終確定設施番茄土壤農膜殘留量為40 kg/（hm2?a），殘留深度主要為0～30 cm土層。

為了研究農膜殘留累積量對設施番茄土壤與作物生長的影響，本試驗設置8 個殘膜梯度處理（如表1所示）。試驗前將土壤中原有殘膜撿拾干凈，之后將大小分別為＜25 cm2，25～100 cm2，＞100 cm2的殘膜按照86.5%、13.5%、0%的比例均勻混入0～30 cm土壤中。

表1 試驗處理Tab.1 Experimental treatment

番茄品種為億家粉王，試驗小區面積7.2 m2，總計種植26株番茄。每個殘膜量處理重復3次，試驗地面積總計172.8 m2。小區間隔處埋設50 cm 塑料膜以防小區間水肥影響。采用一壟兩管兩行種植模式，壟寬70 cm，溝寬50 cm，株距50 cm，灌溉采用膜下滴灌方式進行。為保證試驗影響因素僅為殘膜量變化，每個處理采用相同灌溉量與施肥量。整個生育期內灌溉量為3 100 m3/hm2，氮肥、磷肥、鉀肥施用量分別為350、200、400 kg/hm2。生育期劃分及灌水量見表2。各處理初始含水率分別為14.40%、14.77%、13.33%、13.51%、12.88%、13.02%、12.67%、12.87%。

表2 生育期劃分及灌水量Tab.2 Division of tomato growth period

1.3 測定指標和方法

（1）土壤含水率。土壤含水率在每個生育期對不同殘膜處理0～50 cm 土壤進行取土烘干，每10 cm 為1 層，共計5 層。取樣時間分別為5月23日、6月24日、7月16日、8月20日。取樣點位于壟上距番茄20 cm 處，為防止干擾，每個處理各取樣點間隔10 cm 進行重復取樣，共計3 次重復，取樣后將取樣點回填。

（2）番茄株高莖粗。測定時間由苗期至番茄打頂前，每7 d利用直尺測量番茄株高，并采用十字交叉法利用游標卡尺測定番茄莖粗，株高莖粗測定時進行3次重復。

（3）番茄產量。根據番茄成熟情況，分別于第一穗果、第二穗果、第三穗果、第四穗果基本成熟時累計測定各小區番茄產量。

（4）番茄品質。果實Vc 含量、可溶性糖含量、有機酸含量、硝酸鹽含量分別利用鉬藍比色法、蒽酮比色法、滴定法、水楊酸比色法測定。

1.4 主成分分析法基本步驟

各主成分得分與綜合得分如下式所示。

式中：Yi為第i主成分得分；Ui為成分矩陣中第i主成分得分系數；Xn為各指標標準化后數值；Y為主成分分析綜合得分；Wi為第i主成分權重。

1.5 數據處理

采用SPSS19.0、Excel、Origin2021B 對試驗數據進行處理與繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同地膜殘留量下土壤含水率變化特征

殘留的地膜在人為活動的影響下不斷堆積在土壤耕作層，會形成一個天然的隔水邊界，從而阻礙水分的自由入滲。表3表示生育期各殘膜處理含水率變化情況，不同殘膜量處理各生育期土壤含水率呈現不同變化趨勢。如表3所示，在苗期，無殘膜處理的含水率會隨深度增加而減少，但是各深度土層間無顯著變化；殘膜量達到并超過200 kg/hm2時，土壤中的殘膜會對含水率產生影響，使得各處理30 cm 以下深度含水率相較表層0～10 cm 顯著降低。在開花坐果期，殘膜密度小于600 kg/hm2時，水分下滲會受到限制，使得大于20 cm 土層含水率相對于0～10 cm 土層含水率顯著降低；殘膜密度大于等于1 200 kg/hm2時，大致規律表現為同一殘膜量下各土層間差異不顯著。

表3 生育期內各殘膜處理含水率變化%Tab.3 Change of water content of residual Films in growth period

在果實膨大期，殘膜密度小于600 kg/hm2時，30～50 cm 土層含水率會顯著低于0～10 cm 土層，其余各處理含水率雖然會隨土層深度增加而降低，但差異性不顯著。在成熟期，同一處理各深度土層含水率雖然發生變化，但是沒有體現出差異性。綜上所述，大量的殘膜造成了番茄根區0～50 cm 土層含水率分布差異明顯，生育前期更有甚者直接影響了30～50c m 土層含水率，使其較表層土壤含水率產生顯著的下降趨勢。

2.2 殘膜對不同生育期番茄生長特性的影響

圖1表示番茄株高、莖粗、根莖比、產量變化趨勢。由圖1(a)可知，殘膜對番茄株高影響不明顯，各處理株高變化規律一致，表現為苗期緩慢生長，開花坐果期生長速率加快。由圖1(b)可知，隨生育期發展所有處理莖粗增加幅度基本保持一致，苗期時番茄莖粗隨殘膜量增加波動降低，開花坐果期番茄莖粗隨殘膜量增加先增加后降低。如圖1(c)所示，苗期無殘膜處理根莖比為0.25，高于其余含殘膜處理。開花坐果期時，根莖比隨著殘膜量增加而增加，當殘膜量為1 200 kg/hm2時，根莖比由無殘膜時的0.08 升至0.16，增長幅度為了100%，但殘膜量超過1 200 kg/hm2呈現下降趨勢。果實膨大期也出現了同樣的規律，當殘膜量為1 200 kg/hm2時，根莖比由0.09 上升到了0.14，之后出現下降。成熟期根莖比隨殘膜量增加波動降低。

圖1 土壤不同殘膜量下番茄生長變化Fig.1 Changes of tomato growth under different residual film quantity in soil

圖1(d)表示不同殘膜量處理下番茄產量。由圖1可知，番茄產量會隨著殘膜量的增加整體呈下降趨勢，其中，少量的殘膜（低于200 kg/hm2）對產量幾乎無影響，殘膜量超過200 kg/hm2時產量呈較大減幅，當殘膜量達到2 000 kg/hm2時，產量相較無殘膜處理大幅降低，由94.00 t/hm2下降到76.53 kg/hm2，降幅高達18.59%。對產量與殘膜量進行線性擬合后可知，產量與殘膜量間未呈現良好線性關系（R2=0.469）。

2.3 不同地膜殘留量下番茄果實品質指標變化

番茄品質是除產量以外，又一決定經濟效益的直接因素。通過選取Vc 含量、可溶性糖、硝酸鹽、可滴定酸4 個指標作為主要參數對番茄果實品質進行研究，各指標具體見表4。

表4 不同殘膜量對番茄品質的影響Tab.4 Effects of different residual film amounts on tomato quality

由表3可知，隨著土壤中殘膜量的增加，果實中Vc 含量首先呈現顯著上升趨勢，并在殘膜量為600 kg/hm2時，Vc含量由17.59 mg/100g增加為31.92 mg/100g，增長幅度達到81.47%；隨著殘膜量繼續增加，Vc 含量發生明顯降低，但殘膜量為2 000 kg/hm2時，Vc 含量又會產生上升趨勢，達到25.77 mg/100g。

對于可溶性糖，當殘膜量增大時，整體表現為先抑制、再促進、再抑制的變化趨勢。具體而言，當殘膜量為1 200 kg/hm2時，可溶性糖含量顯著提高，由1.53%上升到1.81%，上升幅度為18.30%；但殘膜量繼續增加至2 000 kg/hm2時，可溶性糖含量降低至1.49%，相對T6 處理下降幅度為17.68%。類似的變化規律也出現在果實有機酸含量上，在殘膜量為600 kg/hm2時，含量由0.35%上升至0.40%，上升了14.28%，當殘膜量為800 kg/hm2時，含量由0.40% 降至0.25%，降幅為37.5%。

硝酸鹽的累積量會伴隨殘膜量的增加而增加，當殘膜量達到1 200 kg/hm2時，硝酸鹽含量由無殘膜時的2.26 mg/100g增長到11.34 mg/100g，增幅高達401.77%，之后迅速降低，當殘膜量達到試驗處理最大值時，硝酸鹽含量下降至2.83 mg/100g。

2.4 番茄生長與果實品質綜合分析

番茄生理單獨一項指標并不能完全反映出番茄生長的優良程度，因而采用主成分分析法對生長指標進行全面評價。主成分分析法可在計算累計貢獻率的基礎上，實現減少變量個數并對目標展開綜合評價。選取評價因素分別為可溶性糖X1、有機酸含量X2、Vc 含量X3、硝酸鹽含量X4、株高X5、莖粗X6、產量X7，利用主成分分析法對7種因素進行降維因子分析，成分系數與方差貢獻如表5所示。

表5 主成分分析成分矩陣及方差貢獻率Tab.5 Principal component analysis component matrix and variance contribution rate

通過主成分分析可知，前三個主成分特征值均大于1，方差累積貢獻率大于80%，說明前三個主成分包含了七種品質指標的大部分內容，因此可用這三個主分代替原有的指標對番茄果實生長開展評價。第一主成分方差貢獻率為44.633%，第二主成分方差貢獻率為24.06%，第三主成分方差貢獻率為14.905%。

結合式（1）與式（2），計算各處理綜合得分并按照綜合得分高低給予綜合排名，結果如表6所示。其中，番茄生長、品質綜合得分最高的處理為T2，得分最低的為T4。根據綜合得分結果可知，番茄綜合生長評價得分會隨著殘膜量的增加呈現波動降低趨勢。殘膜量大于400 kg/hm2時，不利于番茄生長，殘膜量為200 kg/hm2時，番茄生長指標綜合評分達到最高。

表6 不同殘膜處理番茄生長與品質指標綜合評價Tab.6 Comprehensive evaluation of growth and quality indexes of tomato with different residual film treatments

3 討 論

殘膜的存在對農業生產產生了不利的影響，最直觀的危害在于破壞土壤結構，導致水分分布發生變化，影響作物生長。當土壤中存在殘膜時，會顯著降低30 cm 以下土層含水率[14],本文中也得到了類似結論。這是由于各處理土壤混雜殘膜量不同，從土壤結果與水力特性角度分析，殘膜改變了土壤孔隙度，阻斷孔隙之間的連續性，增大了入滲難度，減低入滲率，使水分難以滲透至深層土壤，從而各土層含水率表現出明顯差異性。本研究中含水率的顯著性差異隨著土壤殘膜量的增加而降低，且殘膜量大于600 kg/hm2時，生育末期各土層含水率幾乎不存在顯著差異，同時T8 處理各生育期含水率均低于T1 處理。這是由于隨著時間推移，入滲率持續減少并趨于平穩，此時水分在重力作用下逐漸下滲，一定程度上抵消了殘膜對水分的阻礙作用，從而消除了各深度土層含水率之間差異性。其次，由于土壤結構的改變，導致土壤內出現優勢流現象，土壤結構變化越大，優勢流現象越明顯[24]。當土壤混合大量殘膜后改變原狀土性狀，隨著殘膜量增加，優勢流產生的幾率明顯增加，土壤水分在重力與優勢流作用下繼續下滲。同時，已有的研究證明，殘膜量的增加會增加作物耗水量[25]，在二者共同作用下造成了T8 處理各土層含水率低于T1處理。

本研究中殘膜對番茄株高與莖粗并無明顯影響，這與他人研究有所不同[26,27]。這可能是由于灌水量與管理方式不同導致。有研究指出，適當提高灌溉定額，有助于減輕殘膜帶來的負面效應[25]。本文中較高的灌溉量可能是導致株高莖粗沒有隨殘膜量增加而明顯變化的主要原因。可溶性糖含量與有機酸含量影響番茄的口感風味，Vc 含量影響番茄營養指標，而硝酸鹽含量則代表了番茄的食品安全。殘膜造成的影響最終體現在番茄果實品質方面，其中水分變化對果實品質指標起到至關重要的作用[28]。土壤中的殘膜會導致不同程度的水分虧缺，番茄需要通過調節生長與生理來適應外界的變化。Chen[29]的研究表明，番茄品質對開花坐果期與果實膨大期水分脅迫具有很強的敏感性。灌溉量不同導致的水分變化對番茄Vc 含量、可溶性糖含量、有機酸含量具有顯著的影響[30]。隨著殘膜量的增加，番茄果實中的可溶性糖含量、Vc 含量與硝態氮含量會逐步增加，而有機酸含量整體表現出降低趨勢[31]，本研究果實品質變化規律與其相同。

通過主成分分析結果可以看出，少量殘膜對番茄生長產生促進作用，類似結論出現在以往研究中[32]。但隨著殘膜量的增加，番茄的生長明顯受到殘膜影響，最直觀的表現為產量大幅下降。當無殘膜時，番茄產量為94.00 t/hm2，當殘膜量增加到2 000 kg/hm2時，產量僅為T1 處理的81.41%。這可能是因為番茄根系隨著殘膜量的增加發生明顯的抑制[33,34]，使得根系畸形生長并影響水分吸收，此時番茄水分吸收受到脅迫易造成植株缺水。當水分吸收得不到保證時，番茄生長指標與果實品質指標會做出直接響應。水分分布不均也會導致養分吸收的差異性，從而制約番茄正常發育。因此，殘膜造成的水分變化是引起番茄生理品質變化的重要原因。

4 結 論

(1)生育前期，水分會在殘膜的作用下緩慢下滲，造成30 cm 以下土層含水率顯著下降。隨著生育期變化，含水率顯著變化范圍逐漸變小，至生育末期，含水率雖然會隨著土層深度增加而降低，但各處理各深度含水率幾乎無顯著區別。

(2)殘膜對番茄株高幾乎無影響，莖粗在苗期與開花坐果期隨殘膜增加分別呈現降低、先增加后降低趨勢；殘膜可降低番茄的根莖比，當殘膜量增大為2 000 kg/hm2時，根莖比持續下降，同時產量也下降了18.59%。

(3)一定量的殘膜對果實品質具有提升促進作用，但隨著殘膜量繼續增加，反而導致品質下降。當殘膜量為600～800 kg/hm2時，果實中Vc 含量達到最大值，有機酸含量達到最小值，相較無殘膜處理分別升高81.47%、降低28.57%。當殘膜量為1 200 kg/hm2時可溶性糖含量達到最大，相較無殘膜處理升高18.30%。

(4)根據主成分分析結果，綜合考慮作物株高、莖粗、產量、品質等指標認為殘膜量的增加會影響番茄的生長與果實品質。

綜上所述，本研究表明大量的殘膜會對番茄地上部分生長和土壤水分產生明顯影響，如不加以防控，將嚴重威脅土地可持續種植。但研究同時發現在某個殘膜量達到某一特定值時番茄品質有所提高，因此在殘膜量不斷增加的情況下，將殘膜量控制在某一范圍內，可減輕殘膜對作物產生的危害。