2018, Vol. 24 
doi: 
2. 新疆农业科学院经济作物研究所，新疆乌鲁木齐 830091;
3. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081;
4. 农业部农业环境重点实验室，北京 100081
2. Institute of Industrial Crops, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China;
3. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
4. Key Laboratory for Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China
地膜覆盖作为一项非常传统的农业技术，在生产中具有提高地温、抑制蒸发、提高肥效、抑制杂草、增加冠层光照均匀度等突出功效[1]，可有效地改善作物的生长发育条件，抵御不良环境。目前新疆是国内最大的地膜覆盖种植区[2]，地膜使用强度高，范围大，加之缺乏有效的残膜污染治理措施，导致耕地质量下降，引发水肥利用效率、作物生产潜力下降等一系列问题[3]。因此残膜污染机理及防控技术已成为保障农业可持续发展的热点问题。
关于残膜对农田土壤环境和植物生长的危害已有大量报道[4–5]，获得一些重要结论。残膜污染阻隔土壤水分的垂直分布和水平运移[6–7]，降低作物根系对水分和养分的吸收性能[8]，导致水分利用效率降低[9–11]，不利于地上部分生长及养分的有效利用[12]，继而影响了作物的生长发育，成为制约干旱区地膜覆盖技术的瓶颈。邹小阳等研究表明[13]，残膜不利于各器官干物质的积累，干物质积累量最大可减少18.4%。增加残膜量土壤有机质和无机氮显著降低，容易造成养分流失[14]，导致土壤营养状况恶化[15]，同时高强度残留大幅降低了土壤微生物量及酶活性，使有机质的分解和转化过程明显受到抑制[16]。此外，残膜蓄积显著增加了棉田的无效耗水，降低了土壤水分利用[17]，残膜量大于360 kg/hm2时，小麦产量最大减幅达到22.1%；棉花产量则下降10%～40%[18]。可见，残膜改变了作物生长环境，严重影响了农田地力及生产力，导致作物减产[19–20]。有研究表明，灌溉可促进根系对水分和养分的吸收利用，有利于作物生长[21–22]，提高棉花产量[23–25]。
有关残膜或灌水量单因素对作物生长及水分、养分吸收的影响已有相关研究[14, 26]，但针对残膜量和灌溉二者及其交互作用对水分、养分利用的影响研究鲜见报道。为此，本研究采用大田微区控制性模拟的方法，研究滴灌条件下，不同残膜量和灌溉定额对棉花水分、养分利用的影响，以揭示残膜的污染机理与过程，防控棉田残膜污染，提高水分和养分利用效率等提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况于2015年在新疆农业科学院试验站 (N40°06′，E80°44′，海拔1025 m) 进行田间模拟试验。试验小区土壤质地为沙质壤土，耕层范围内平均有机质含量8.3 g/kg、全氮0.48 g/kg、碱解氮58.4 mg/kg、速效磷35.4 mg/kg、速效钾130.7 mg/kg，容重1.45 g/cm3，土壤pH8.2，田间持水量28.9%。试验区属于典型的温带大陆性干旱气候，年平均气温10.4℃，≥ 10℃年积温3987.7℃，平均降水量46.7 mm，平均蒸发量2890.7 mm，无霜期211 d。滴管系统由AST-M6首部和过滤器组成 (Amiad, Ltd., Israel)，采用STREAMLINE贴片式压力补偿滴灌带 (Netafim, Ltd., Israel)。灌溉水为地表天山融雪水，矿化度0.83 g/L。试验区地下水埋深 > 5 m，地下水不能补给到作物根系分布层，向上补给量可忽略不计 [27]。
1.2 试验设计供试品种为新陆中75号，4月13日播种，7月5日打顶，9月21日收获。采用裂区试验设计，设置残膜量和灌溉定额两个调节因子，残膜量为主区，灌溉定额为副区，均分别设置3个调节梯度，残膜量依次为0、225、450 kg/hm2，以T1、T2、T3表示；灌溉定额依次为3450、4650、5850 m3/hm2，以W1、W2、W3表示，其中W2为目前常规灌溉定额。每处理重复3次，共27个试验小区，小区长6.5 m，宽4.5 m，由3个播幅组成，面积29.25 m2。采用“1膜2管4行”的种植方式，株行配置为窄行10 cm，宽行66 cm，株距10 cm，种植密度2.4 × 105株/hm2。小区安装水表，单独控水，全生育期滴水10次，每次灌水定额为灌溉定额的1/10，棉花阶段灌溉量和降雨量见表1。生育期共施尿素 (N 46%) 750 kg/hm2，磷酸二铵 (P2O5 46%) 347 kg/hm2及硫酸钾 (K2O 51%) 75 kg/hm2。其他栽培管理措施参照当地大田生产。
残膜污染的模拟，参照王亮等[17]的方法，对应模拟梯度，将预先挑拣、洗净、晾干、称量并分比例混匀的残膜分3层铺设。为满足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。
1.3 测定指标与方法 1.3.1 土壤含水量的测定从苗期至吐絮期每隔10 d用土钻于小区第2幅膜 (减小边际效应) 膜间滴头正下方，分层采集0—10、10—20、20—30、30—40 cm土层土样，每处理12个土样，重复3次，取好的鲜土样装入塑料自封袋密封，放入保温箱后立刻带回实验室，将鲜土样倒入铝盒中，分别称鲜重，记为M1；放入80℃烘箱烘干至恒重，称干重，记作M2，取其平均值。土壤质量含水率 (W) 的计算公式为：
| $W = \left( {{M_1} - {M_2}} \right)/{M_2} \times 100 {{\%}}$ |
采用水量平衡法计算棉田蒸散量ET[28]，蒸散量的计算公式为：
| $ET = 10\mathop \sum \limits_{i = 1}^n \gamma iHi\left( {\theta {i_1} - \theta {i_2}} \right) + I + P + V - D - R$ |
式中：ET为阶段耗水量 (mm)；i为土壤层次号数；n为土壤层次总数，本试验为4；ri为第i层土壤干容重，本试验为1.448 g/cm3；Hi为第i层土壤厚度，本试验为10 cm；θi1为第i层土壤初时段的含水率；θi2为第i层土壤末时段的含水率；I为灌水量；P为生育期有效降水量；V为地下水补给量；D为深层土壤水分渗漏量；当水分入渗深度不超过2 m，可视深层渗漏为0[29]；R为地表径流量。当地下水埋深大于2.5 m时，地下水补给可以不计[30]，本试验地下水埋深在5 m以下，故V和D值均为0。
1.3.3 生物量及全氮含量的测定于苗期、蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期在各小区选长势均匀的棉株3株，按茎叶、蕾铃花及根等不同器官分开，105℃杀青30 min后于80℃烘干至恒重，测定其干物质重。烘干的棉株样品粉碎，过0.5 mm筛，样品经H2SO4–H2O2消解定容后，分别采用奈氏比色法和钒钼黄比色法测定各器官的全氮、全磷含量[31]。
1.3.4 棉花产量测定吐絮期每小区按1%面积数出所有棉株数及铃数，并在每小区选取长势均匀的连续棉株分别取100个棉铃对其称重，计算单铃重，轧花风干后用电子天平称皮棉重，计算衣分率，并折算产量。
| 表1 不同生育时期灌水量和降雨量 (mm) Table 1 Irrigation and rainfall in the growth stages |
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植株养分吸收量及养分利用效率等的相关计算公式如下[32–33]：
氮 (磷) 养分吸收量 (g/plant) = 干物质重 × 氮 (磷) 含量；
氮 (磷) 经济系数 = 棉株蕾铃花氮 (磷) 吸收量/棉株氮 (磷) 总吸收量；
氮 (磷) 养分利用效率 = 皮棉产量/植株氮 (磷) 吸收量；
百公斤皮棉养分吸收量 = 植株养分吸收量/皮棉产量 × 100。
棉田水分利用效率 (water use efficiency，WUE) 计算公式为[34]：
| $WUE = Y/ET$ |
其中：Y为单位面积的籽棉产量 (kg/hm2)；ET为棉田总耗水量 (mm)。
试验数据采用Excel2010和DPS7.05进行统计分析和作图。
2 结果与分析 2.1 不同残膜量下灌溉定额对产量及水分利用效率的影响残膜量和灌溉定额两因素对产量、蒸散量和WUE的分析结果如表2所示。籽棉产量受二者交互作用影响不显著，但受残膜量和灌溉定额分别的影响显著 (P < 0.05)。不同灌溉定额下，籽棉产量均随残膜量的增加而降低，残膜量由T1增加到T3时，籽棉产量下降9.6%～13.1%。当灌溉定额由W1增加至W2时，籽棉产量增加13.4%，残膜造成的最大减产幅度降低3.5%。蒸散量显著受二者交互作用的影响 ( P < 0.01)，在同一灌溉定额下，蒸散量均随残膜量的增加而降低，但处理间差异不显著，其中W1、W2和W3处理下，T3较T1处理蒸散量分别降低4.0%、4.4%和1.0%。相同残膜水平下，不同灌溉定额处理间蒸散量差异极显著 ( P < 0.01)，其中W2和W3处理棉田蒸散量分别较W1处理平均增加18.7%和29.5%。表明随着残膜量的增加，蒸散量逐渐降低，增大灌溉定额能显著增加棉田蒸散量，促进植株蒸腾，缓解植株吸水困难，但以增加水资源消耗量为代价。WUE受残膜量和灌溉定额的影响显著 ( P < 0.01)，受二者交互作用影响不显著。相同灌溉定额下，残膜量从T1增加至T3时，WUE逐渐降低，W1处理下，T3处理WUE较T1处理显著降低9.4% ( P < 0.05)，W2和W3处理时，不同残膜处理间WUE差异不显著，T3比T1处理分别降低7.2%和9.6%。相同残膜水平下，灌溉定额由W1增加至W3时，WUE显著降低 ( P < 0.01)，T1处理下，W3处理WUE较W1处理显著降低14.1%，T2和T3处理下，W3处理则分别较W1处理显著降低13.8%和14.3%。灌溉定额由W1增加至W2时，各残膜处理WUE变化较小，灌溉定额过大反而不利于WUE的提高。综上所述，本试验条件下，残膜量在0～450 kg/hm 2范围内，产量和WUE明显降低，若要使残膜造成的减产效应下降到无残膜时的水平，就要大幅增加灌溉，可能会造成干旱地区水资源环境承载压力的显著增加，必须引起足够的重视。
| 表2 残膜量和灌溉处理对棉花产量及水分利用效率的影响 Table 2 Effects of residual plastic film and irrigation quota treatments on cotton yield and WUE in cotton fields |
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残膜量和灌溉定额对棉花茎叶、根和整株生物量有显著影响 (P < 0.05)，蕾铃花重受灌溉定额影响极显著 ( P < 0.001)，二者交互作用对各器官及整株生物量影响均不显著 ( 表3)，不同灌溉定额下，随残膜量的增加各器官生物量及总生物量呈降低趋势，W1灌溉定额下，不同残膜处理间各器官及整株生物量均表现为T1 > T3 > T2，T1处理整株生物量分别较T2和T3处理高16.0%和12.7%；W2灌溉定额下，与T3处理相比，T1处理总生物量、茎叶、蕾铃花及根重依次高出7.0%、11.5%、6.6%和14.3%；W3灌溉定额下，残膜对棉花生物量的影响与W1处理时的变化趋势相似。相同残膜水平下，不同灌溉定额处理间各器官及整株生物量差异显著 ( P < 0.05)，随灌溉定额的增加呈先增大后减小的变化趋势，W2处理各器官生物量显著高于W1和W3处理，W1处理最低。与W1处理相比，W2和W3处理平均总生物量分别增加50.5%和18.9%。综上表明，增加残膜量不利于生物量的积累和在各器官中的分配；灌溉定额由W1增加至W2时，可显著促进棉花干物质的形成，灌溉定额继续增加至W3时，棉株生物量下降，灌溉对生物量积累的促进作用远大于残膜的抑制作用，但这种补偿效应是建立在棉田高耗水需求的基础上，结合 表2可知，棉田蒸散量可增加6.8%～29.2%，在新疆干旱区通过增加灌溉来削弱残膜的负效应不可行，急需采取有效措施防治残膜污染。
| 表3 不同处理对棉株生物量的影响(g/plant) Table 3 Effects of different treatments on biomass of cotton |
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由不同残膜和灌溉定额对棉花养分吸收量及两因素交互作用方差分析结果 (表4) 可知，残膜对茎叶氮吸收量、蕾铃花及根中磷吸收量和棉株氮、磷总吸收量影响显著 (P < 0.01)，不同灌溉定额下，随残膜量的增加棉株各器官及整株氮、磷吸收量逐渐降低。当残膜量增加至450 kg/hm 2时，整株氮吸收量减少12.1%～24.4%，磷吸收量则降低20.3%～23.0%。W1处理下，整株氮、磷吸收量T3较T1处理分别降低12.1%、23.0%。W2处理下，与T1处理相比，T3处理茎叶氮吸收量显著降低36.8%，蕾铃花及根中磷吸收量分别显著降低22.7%和47.5%，整株氮、磷吸收量则分别降低24.3%、21.9%。W3处理下，T3处理茎叶、蕾铃花和根中的氮、磷吸收量分别较T1处理降低27.3%、8.5%，22.2%、21.9%，24.8%、56.3%。相同残膜水平下，棉花茎叶、蕾铃花及整株的氮、磷吸收量受灌溉定额的影响显著(P < 0.05)，但二者交互作用对氮、磷吸收量没有显著性影响。各器官养分吸收量随灌溉定额的增大呈先增加后减少的变化趋势，灌溉定额由W1增至W3时，氮吸收量增加23.2%～35.3%，磷吸收量增加8.2%～45.3%。综上，残膜阻碍了养分的吸收利用，虽残膜造成棉株养分吸收量的减幅可以在一定范围内通过增加灌溉定额恢复，但是灌溉定额增加使得棉田耗水量显著增大。
| 表4 不同残膜量和灌溉定额对棉花植株养分吸收量的影响 (kg/hm2) Table 4 Effects of different residual plastic film and irrigation quota on nutrient uptakes in cotton |
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不同残膜量和灌溉定额对棉株各生育时期氮养分吸收量和养分经济系数的影响如图1所示。由图1A知，各生育期无残膜处理的氮养分吸收量均高于残膜处理；W1灌溉定额下，盛花期T1处理显著高于T3处理，其他生育期各残膜处理间差异不显著；W2处理下，除蕾期处理间差异不显著外，其他生育期T3处理氮养分吸收量显著低于T1处理。W3处理下，残膜对生育前期氮吸收量未达到显著性影响，而盛铃期和吐絮期T1处理显著高于T2和T3处理，后两者无显著性差异。随灌溉定额的增加，蕾期～盛铃期氮养分吸收量逐渐增大，吐絮期则以W2处理最高。
对养分经济系数而言 (图1 B)，W1和W2灌溉定额下，氮养分经济系数随残膜量的增加呈增大趋势，残膜对盛花期和盛铃期影响较大，对其他生育期无显著性影响；W3灌溉定额下，盛花期各处理间差异显著，氮养分经济系数表现为T1 > T3 > T2处理，其他生育期各处理均未达到显著性差异。总体上，蕾期氮养分经济系数随灌溉定额的增加而逐渐减小；盛花期～吐絮期则呈现先增大后减小的变化趋势。
2.4.2 磷养分吸收量与经济系数与氮养分吸收量相比，不同处理棉株磷养分吸收量均较小。从图2A可以看出，W1灌溉定额下，盛铃期前随残膜量的增加磷养分吸收量呈增大趋势，吐絮期T3处理磷养分吸收量则显著低于T1处理；W2灌溉定额下，蕾期～吐絮期各处理均表现为T1 > T2 > T3处理，且T1处理与T3处理间差异显著；W3灌溉定额下，盛花期T1处理磷养分吸收量显著高于T2和T3处理，虽盛铃期和吐絮期处理间差异不显著，但T3处理均较T1处理小。随灌溉定额的增加，蕾期～盛花期磷养分吸收量依次增大，盛铃期～吐絮期呈先增大后减小的变化趋势。而磷养分经济系数各残膜处理间均未达到显著性差异 ( 图2B)，不同灌溉处理下，蕾期～盛花期磷养分经济系数随灌溉定额的增大而减小，盛铃期和吐絮期则以W2处理较高。综上表明，残膜不利于磷的吸收，适宜的灌溉可提高生育前期磷吸收量，而灌溉定额过大则对生育后期磷素累积不利。
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| 图1 不同残膜量和灌溉定额下棉株氮养分吸收量 (A) 和经济系数 (B) Fig. 1 Plant N uptake (A) and economic coefficient (B) of cotton under different film residue and irrigation quota [注（Note）：柱上不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Lowercase letters above the bars indicate significant difference (P < 0.05) among film residue and irrigation quota treatments.] |
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| 图2 不同残膜量和灌溉定额对棉株磷养分吸收量 (A) 和经济系数 (B) 的影响 Fig. 2 Plant P uptake (A) and economic coefficient (B) of cotton under different film residue and irrigation quota [注（Note）：柱上不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Lowercase letters above the bars indicate significant difference (P < 0.05) among film residue and irrigation quota treatments.] |
灌溉定额对百公斤皮棉的氮、磷吸收量及利用效率影响显著 (P < 0.01)，而残膜量及二者交互作用的影响不显著 ( 表5)。W1灌溉定额下，随残膜量的增加，百公斤皮棉氮的吸收量和磷的利用效率逐渐增大，百公斤皮棉磷的吸收量和氮的利用效率则呈降低趋势；W2和W3灌溉定额时，百公斤皮棉氮、磷养分吸收量随残膜量的增加逐渐减小，而氮、磷利用效率呈增大趋势。残膜量由T1增至T3时，百公斤皮棉氮、磷的吸收量分别降低了15.4%～26.9%和12.5%～18.8%，而氮、磷利用效率分别增大了16.7%～35.1%和14.1%～18.8%，但不同残膜处理间差异均不显著。相同残膜水平下，百公斤皮棉氮、磷吸收量随灌溉定额的增加呈先增大后减小的变化趋势，W2处理百公斤皮棉氮、磷吸收量分别较W1处理高出38.3%和71.4%。氮、磷利用效率随灌溉定额的增加呈先降后升的变化趋势。综上所述，不同灌溉定额下，残膜可提高氮、磷利用效率，而不利于百公斤皮棉氮、磷吸收量的增加。
| 表5 不同残膜和灌溉处理对棉花养分利用效率的影响 Table 5 Effects of different residuel plastic film and irrigation quota treatments on nutrient use efficiency of cotton |
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WUE是衡量棉花用水效率的重要指标[35]。残膜阻碍土壤水分运移，影响了棉花对水分的吸收，致使WUE降低[9]。而灌溉与棉花产量及水分利用效率关系密切[36]，随灌水量的增加，WUE逐渐降低，籽棉产量有所增加，但灌水过多，则不利于产量提高，反而大幅增加了棉田耗水量[37]。目前，系统地针对残膜量和灌溉定额二者及其交互作用对WUE的研究较少。本研究结果表明，影响棉田蒸散量和WUE的主要因素是灌溉定额，残膜对其影响次之，蒸散量和WUE均随残膜量的增加呈降低趋势。这主要是由于残膜聚积使得土壤水分运移受阻，水分渗透量下降，加快了土壤水分的无效蒸发，使得土壤有效含水量降低，同时，残膜抑制根系生长[16]，影响对水分的吸收，因此，残膜降低了农田耗水量，不利于水分的有效利用[38]，最终导致减产。增大灌溉定额，棉田耗水量显著增大，而WUE显著降低，主要是因为灌溉定额越大，棉株营养过剩，易造成徒长，有效水充分利用能力不足，容易产生“奢侈蒸腾”，导致WUE降低。本试验条件下，残膜量在0～450 kg/hm2范围内，产量和WUE随残膜量增加明显降低，若要使残膜造成的减产负效应恢复到无残膜时的水平，就要大幅增加灌溉，可能会造成干旱地区水资源环境承载压力的显著增加，必须引起足够的重视。
3.2 不同残膜量和灌溉定额对棉花生物量的影响残膜的存在明显抑制了作物地上部的生长，不利于生物量积累[16]，棉花各器官干物质量均随残膜量的增加而减少[39]，当残膜量为2000 kg/hm2时，生物量可下降20.1%[40]。增加灌水量可显著促进棉花干物质形成[41]，但灌水量过大棉花生物量则开始降低[42]。本文研究结果表明，同一灌溉定额下，棉花生物量随残膜量的增加逐渐降低，残膜阻碍根系生长，降低吸收性能，使得水肥吸收受阻，养分供应不足。增大灌溉定额，生物量呈先增大后减小的变化趋势，且常规灌溉显著高于减量灌溉处理，这主要是由于适宜的灌水量可使棉花在营养和生殖阶段保持平衡状态，水分过多则导致棉花营养生长过旺，蕾铃脱落增加，造成收获期生物累积量减少。灌溉促进干物质积累幅度大于残膜使其降低的幅度，但这种恢复能力是建立在高耗水量的基础上。
3.3 不同残膜量和灌溉定额对养分吸收利用的影响残膜不仅影响生物量的累积，还影响养分的吸收和运转。残膜降低了水肥在土壤中的运移，抑制根系生长及其吸收性能，致使养分输入量减少[43]。适宜地增加灌溉量对养分吸收具有促进作用，氮利用效率增加[44–45]，但过量灌溉将抑制其吸收，利用效率下降[46–48]。本研究结果表明，残膜阻碍了养分的吸收利用，随着地膜残留量的增加，各器官及整株养分吸收量明显减少，而氮、磷利用效率则逐渐增大。主要是由于残膜抑制水分的运移与吸收，而水分是影响养分吸收的关键因子，故残膜的存在阻断了水肥的循环交换，造成养分流失，长期的农田地膜蓄积会恶化土壤营养，使得区域干燥化，导致耕地质量下降。随灌溉定额的增加各器官氮、磷吸收量呈先增大后降低的变化趋势，尤其对蕾铃花中养分吸收量的影响最为明显。增大灌溉定额使得耕层水分增加，促进根系生长，有利于水分和养分的吸收利用，但灌溉过高则容易导致水肥浪费。综上表明残膜对养分利用的阻碍作用可通过适当增加灌溉的方式减缓，但灌溉的增加不仅大幅增加了棉田耗水，而且不利于水分的高效利用。考虑到新疆水资源紧缺，又是地膜残留的重度污染区，加强地膜残留防治工作的同时应合理利用有限的水资源实现农田节水、高效用水的目的。
4 结论残膜的存在减少了养分输入量，不利于水分利用效率的提高，导致作物生产潜力降低，棉花减产。若要恢复到无残膜时的水平则需大幅增加灌溉，减轻残膜蓄积对棉花养分吸收的负面效应是建立在增大棉田耗水需求的基础上。若缺乏有效治理措施，未来残膜还有继续增加的趋势，且增加灌溉会导致水肥资源紧缺。新疆是残膜重度污染区，残膜防治刻不容缓，因此应抓紧研究地膜污染治理。
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