農(nóng)用地膜殘留對(duì)土壤氮素運(yùn)移及烤煙根系生長(zhǎng)的影響*

高維常，蔡 凱，曾隕濤，林葉春，吳 思，羅小寶，潘文杰，李 震

（1. 貴州省煙草科學(xué)研究院，煙草行業(yè)山地烤煙品質(zhì)與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550081；2. 貴州省煙草公司，貴陽(yáng) 550004；3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095；4. 黔西南州煙草公司，貴州興義 562400）

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的基石。當(dāng)前土壤污染除農(nóng)藥[1]、重金屬[2]污染外，由于大量使用的農(nóng)用地膜降解難、循環(huán)利用難度大和成本高，導(dǎo)致其在農(nóng)田土壤中大量累積而造成土壤污染[3]。諸多研究表明，殘膜會(huì)增大農(nóng)事作業(yè)阻力，惡化農(nóng)田土壤質(zhì)量，造成作物減產(chǎn)，引起次生環(huán)境污染[4-6]。近年來(lái)，為積極應(yīng)對(duì)土壤污染問(wèn)題，廣大研究者正在積極探尋解決方案[7-8]。

我國(guó)是世界第一植煙大國(guó)，常年植煙面積約140萬(wàn) hm2，地膜是我國(guó)煙草栽培必要的生產(chǎn)資料，已廣泛使用多年，幾乎所有煙田均要覆膜，地膜用量一般約80 kg·hm-2。由于以往使用的幾乎全為非降解膜，因此殘膜在我國(guó)煙田中廣泛存在。據(jù)蘇國(guó)樟等[9]對(duì)貴州畢節(jié)煙區(qū)26個(gè)代表性煙田的殘膜調(diào)查發(fā)現(xiàn)，0～25 cm土層殘膜平均總重量為194.3 kg·hm-2，殘膜片數(shù)高約49萬(wàn)張，92.2%的殘膜分布于地表和10 cm以上土層。雖然我國(guó)煙田殘膜現(xiàn)象普遍，但對(duì)煙田地膜的已有研究主要集中于地膜覆蓋及其方式對(duì)土壤理化性質(zhì)、烤煙根系發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響上[10]，而關(guān)于殘膜對(duì)土壤中物質(zhì)遷移以及殘留于土壤中對(duì)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育的影響迄今鮮有報(bào)道。氮素在所有營(yíng)養(yǎng)元素中對(duì)烤煙產(chǎn)量、質(zhì)量影響最大[11]。硝態(tài)氮及銨態(tài)氮是烤煙能夠吸收的主要有效氮源，不同形態(tài)的氮素營(yíng)養(yǎng)（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）影響著烤煙的某些有機(jī)成分的含量和煙葉產(chǎn)量[12]。為此，本文通過(guò)貴州代表性煙田土壤淋溶試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)，初步探明不同殘膜量對(duì)土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮遷移及烤煙根系生長(zhǎng)的影響，旨在為我國(guó)煙田的殘膜防治、土壤健康和可持續(xù)利用提供科學(xué)建議。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤取自位于貴州省開陽(yáng)縣龍崗鎮(zhèn)的典型黃壤表土（0～20 cm），基礎(chǔ)地力為pH 5.72，有機(jī)質(zhì)44.06 g·kg-1，全氮2.2 g·kg-1，堿解氮126.6 mg·kg-1，硝態(tài)氮33.79 mg·kg-1，銨態(tài)氮21.28 mg·kg-1，有效磷58.06 mg·kg-1，速效鉀554.5 mg·kg-1，總體上屬于植煙肥力略高的土壤[13]。所取土壤經(jīng)自然風(fēng)干、去雜和研磨后，過(guò)20目篩（0.85 mm）用于淋溶試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)。

供試地膜為貴州科泰天興農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的厚0.08 mm的煙用無(wú)色地膜。

供試烤煙品種為貴州省煙草科學(xué)研究院良種繁育研究中心提供的K326，采用漂浮育苗。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

殘膜量和大小設(shè)置：煙田地膜殘膜量和大小組成依據(jù)課題組前期的調(diào)查結(jié)果確定，淋溶試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)均設(shè)置4個(gè)殘膜量：無(wú)地膜（CK），地膜殘留量分別為450 kg·hm-2（T1）、900 kg·hm-2（T2）和1 350 kg·hm-2（T3），各處理3次重復(fù)。殘片大小構(gòu)成為：小于10 cm2、20 cm2左右和30 cm2左右的膜片分別占?xì)埬た偭康?0%、60%和20%。

淋溶試驗(yàn)：采用間歇淋溶法，用200目（0.075 mm）濾布封住PVC（聚氯乙烯）管（內(nèi)徑7 cm、長(zhǎng)35 cm）底口，將混有殘膜的土壤均勻裝入管中，土壤高度保持30 cm，土表放置2 cm厚的石英砂，以防加水時(shí)擾亂土層，再留3 cm高度空間作為灌水用。裝填完成后，在各PVC管中分別加去離子水200 mL，平衡48 h。然后加137.4 mg·L-1的氮（N）營(yíng)養(yǎng)液各150 mL，入滲24 h后，分別用450 mL的去離子水分3次進(jìn)行淋溶，每次淋溶間隔時(shí)間為24 h。最后按0～5 cm、5～10 cm、l0～l5 cm、15～20 cm、20～25 cm及大于25 cm的深度取出淋溶后PVC管中土壤測(cè)定分析。

盆栽試驗(yàn)：采用盆底直徑30 cm、盆高30 cm、盆口直徑45 cm的塑料盆進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，每盆裝土20 kg，每個(gè)處理16盆，每盆種1株煙，肥料為烤煙專用基肥（N︰P2O5︰K2O=10︰10︰25）和追肥（N︰P2O5︰K2O=10︰0︰30），單盆（株）施肥量基肥為40.90 g、追肥為27.27 g，在移栽前將基追肥同土混勻一次性施入。

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

淋溶試驗(yàn)土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量測(cè)定：利用全自動(dòng)間斷化學(xué)成分分析儀（Smartchem 200，AMS，意大利）參照操作說(shuō)明書測(cè)定各土層硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

盆栽試驗(yàn)根系參數(shù)和生物量測(cè)定：于栽后30 d毎個(gè)處理各取3株烤煙，采用根系掃描分析系統(tǒng)（WinRHIZO，Regent，加拿大）測(cè)定植株根系生物學(xué)性狀，包括總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積、平均根系直徑和根尖數(shù)。于栽后30、60和90 d毎處理各取3株烤煙，在105℃下殺青，75℃烘干，用百分之一天平測(cè)定植株地上部和地下部（根系）的干物質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)采用Microsoft Excel 2016和DPS 17.10軟件，用鄧肯（Duncan）新復(fù)極差法比較不同處理間的差異顯著性，用SigmaPlot12.0軟件作圖。

2 結(jié) 果

2.1 不同殘膜量對(duì)土壤氮素運(yùn)移的影響

不同殘膜量對(duì)土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮運(yùn)移的影響如圖1所示。

就淋溶試驗(yàn)各土層中硝態(tài)氮含量而言（圖1左），不同處理硝態(tài)氮含量的剖面分布趨勢(shì)較為復(fù)雜，CK處理0～5 cm土層硝態(tài)氮含量最高，為20.84 mg·kg-1；20～25 cm土層最低，為12.80 mg·kg-1。相比之下，有殘膜的3個(gè)處理各土層硝態(tài)氮含量波動(dòng)較大。T1的處理5～1 0 c m土層硝態(tài)氮含量最高，為28.77 mg·kg-1；大于25 cm土層最低，為10.48 mg·kg-1。T2的處理0～5 cm土層硝態(tài)氮含量最高，為27.67 mg·kg-1；15～20 cm層最低，為10.25 mg·kg-1。T3處理10～15 cm土層硝態(tài)氮含量最高，為20.15 mg·kg-1，0～5 cm土層最低，為5.08 mg·kg-1。就差異顯著性而言，CK、T1、T2三個(gè)處理各土層之間硝態(tài)氮含量差異不顯著，但T3 0～5 cm土層與10～15 cm土層之間差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01），10～15 cm土層與大于25 cm土層之間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

圖1 各處理殘膜量對(duì)土壤氮素運(yùn)移的影響Fig. 1 Impacts of MPFR（mulching plastic film residue）on migration of soil nitrogen relative to treatment

就淋溶試驗(yàn)各土層中銨態(tài)氮含量而言（圖1右），不同處理銨態(tài)氮的剖面分布規(guī)律較為清晰，CK處理在各土層中銨態(tài)氮含量幾乎一致，有殘膜的3個(gè)處理各土層銨態(tài)氮含量則出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，并表現(xiàn)出隨著殘膜量的增加，銨態(tài)氮流失降低的趨勢(shì)。CK處理5～10 cm土層銨態(tài)氮含量最高，為10.90 mg·kg-1；0～5 cm層最低，為7.70 mg·kg-1。T1處理0～5 cm土層銨態(tài)氮含量最高，為41.46 mg·kg-1；大于25 cm土層最低，為24.18 mg·kg-1。T2處理15～20 cm土層銨態(tài)氮含量最高，為59.93 mg·kg-1；大于25 cm土層最低，為23.36 mg·kg-1。T3處理0～5 cm土層銨態(tài)氮含量最高，為80.51 mg·kg-1；大于25 cm土層最低，為60.05 mg·kg-1。就差異顯著性而言，CK、T1處理各土層之間硝態(tài)氮含量差異不顯著；T2處理大于25 cm土層與20～25 cm土層之間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），大于25 cm土層與其他各層之間達(dá)極顯著水平（P＜0.01）；T3處理 0～5 cm土層與10～25 cm各層之間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），大于25 cm土層與0～10 cm各層之間差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01）。

2.2 不同殘膜量對(duì)烤煙根系形態(tài)變化的影響

盆栽試驗(yàn)烤煙移栽后30 d根系的形態(tài)變化見表1。T1處理的烤煙根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根尖數(shù)均優(yōu)于CK，兩者間除根尖數(shù)外，其他指標(biāo)均差異不顯著。隨著殘膜量的增加，烤煙根系生長(zhǎng)發(fā)育明顯受到影響。T2和T3處理的根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根尖數(shù)明顯減少，T2和T3處理的根長(zhǎng)和根尖數(shù)均顯著低于CK。根系直徑以T2最大，且顯著高于其他處理，而T1、T3和CK之間差異不顯著。

表1 殘膜對(duì)烤煙根系形態(tài)的影響Table 1 Impacts of MPFR on morphological parameters of the flue-cured tobacco root relative to treatment

2.3 不同殘膜量對(duì)烤煙干物質(zhì)的影響

盆栽試驗(yàn)不同殘膜梯度下不同時(shí)期烤煙地上部和根部的干物質(zhì)量見表2。根部干物質(zhì)量和地上部干物質(zhì)量隨著殘膜量的增加逐漸減少，根部干物質(zhì)量和地上部干物質(zhì)量在不同時(shí)期均表現(xiàn)為：CK＞T1＞T2.T3（T1處理在栽后30 d除外）。CK處理烤煙根部干物質(zhì)量和地上部干物質(zhì)量在栽后60 d和90 d均表現(xiàn)最大。T1處理栽后30 d、60 d和90 d的烤煙根部干物質(zhì)量和地上部干物質(zhì)量與CK較為接近，且均未達(dá)到顯著水平。T2和T3處理各時(shí)期烤煙根部干物質(zhì)量和地上部干物質(zhì)量低于CK和T1，從差異顯著性來(lái)看，根部干物質(zhì)量在30 d和90 d時(shí)，T2、T3顯著低于CK（P＜0.05），在60 d時(shí)，T3顯著低于CK（P＜0.05）；而地上部干物質(zhì)量在90 d時(shí)，T3顯著低于CK（P＜0.05），其余各指標(biāo)間差異不顯著。

根系形態(tài)參數(shù)與煙株根部、地上部相關(guān)性見表3?？偢L(zhǎng)、總根表面積、總根體積均與根部干物質(zhì)量、地上部干物質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)。說(shuō)明殘膜對(duì)煙株根系造成影響的同時(shí)，必將影響煙株地上部的正常生長(zhǎng)。

3 討 論

3.1 殘膜對(duì)土壤養(yǎng)分遷移的影響

地膜具有韌性和延展性，殘留于土壤中，其分布的隨機(jī)性會(huì)影響水分在土壤中的正常運(yùn)移與分布[14]。鄒小陽(yáng)等[15]研究發(fā)現(xiàn)殘膜阻滯系數(shù)隨殘膜增多而增大，認(rèn)為殘膜在土壤中形成隔離層，形成了一個(gè)新的不連續(xù)水分運(yùn)動(dòng)通道，會(huì)降低土壤水分的垂直入滲能力和水平能力。王春穎等[16]認(rèn)為殘膜阻礙土壤水分的垂直入滲和水平運(yùn)移的機(jī)理一致，殘膜在土壤中形成隔離層，破壞了土壤質(zhì)地均勻性和土體構(gòu)型，改變殘膜與土壤交界面土水勢(shì)，減少了土壤中大孔隙數(shù)量，降低土壤過(guò)水能力，導(dǎo)致殘膜對(duì)土壤水分水平運(yùn)動(dòng)的阻滯作用逐漸增強(qiáng)。有研究[17-18]表明，隨著土壤中殘膜量的增加，土壤容重增加，孔隙度降低，影響土壤的通氣性。同時(shí)，長(zhǎng)期殘膜作用下會(huì)降低土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和Olsen-P含量[19]。本研究結(jié)果（圖1）表明，地膜殘留于土壤中，對(duì)土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的遷移干擾較大。對(duì)照處理各土層中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量基本一致。而有地膜殘留的處理，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在各層土壤中出現(xiàn)明顯波動(dòng)。雖然這一波動(dòng)無(wú)明顯的規(guī)律，但總體而言，隨著殘膜量的增加，銨態(tài)氮在土層中的流失明顯減少，硝態(tài)氮的流失也有所減弱。原因可能是殘膜在土壤中形成新的隔離層，地膜的殘留導(dǎo)致土壤容重增加、孔隙度降低，土壤水分的入滲能力減弱，原運(yùn)動(dòng)通道被打破，發(fā)生阻滯所導(dǎo)致[15-18]。

表2 殘膜對(duì)烤煙干物質(zhì)量的影響Table 2 Impacts of MPFR on dry matter accumulation of the flue-cured tobacco relative to treatment

表3 烤煙根系形態(tài)與干物質(zhì)相關(guān)性Table 3 Correlations between root morphology and dry matter of the flue-cured tobacco

3.2 殘膜對(duì)烤煙根系生長(zhǎng)的影響

根系的生長(zhǎng)發(fā)育受到自身遺傳因素和外部環(huán)境因素特別是土壤的共同影響，根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)是其生長(zhǎng)發(fā)育水平和對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)的直接體現(xiàn)[20]，根系形態(tài)指標(biāo)直接反映了根系的生長(zhǎng)狀況。本研究（表1）表明，當(dāng)土壤殘膜量為450 kg·hm-2時(shí)，烤煙根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根尖數(shù)分別為809.5 cm、212.1 cm2、4.44 cm3和17 291根，均高于對(duì)照，這與他人[18，21-22]在棉花上的研究結(jié)果一致。但隨著殘膜量的增加，烤煙根系生長(zhǎng)發(fā)育明顯受到影響，當(dāng)殘膜量增加至900 kg·hm-2和1 350 kg·hm-2時(shí)，根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根尖數(shù)明顯減少，并顯著低于對(duì)照。這可能是因?yàn)闅埬ち坷鄯e到一定量后，阻礙了煙株根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，從而制約了根系的生長(zhǎng)發(fā)育。根直徑是影響根系穿透土壤能力的重要因素，根直徑越大，其遇到堅(jiān)硬土壤時(shí)抵抗彎曲和偏轉(zhuǎn)的能力越強(qiáng)，成功穿透土壤的可能性越大[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中混入殘膜，有利于烤煙根系直徑的增粗，根系直徑最大值出現(xiàn)在殘膜量為900 kg·hm-2時(shí)，為0.96 mm，并與對(duì)照和其他處理差異達(dá)顯著（P＜0.05），這可能與根系在受到地膜殘留脅迫時(shí)自身做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)有關(guān)。

根系作為一種不定形營(yíng)養(yǎng)器官[24]，首先感受土壤環(huán)境的變化[25-26]并做出響應(yīng)。很多研究表明，煙草、大豆等植物根系性狀，尤其是根系形態(tài)指標(biāo)與地上部之間呈顯著正相關(guān)[27-30]，生產(chǎn)中可以通過(guò)地上部的長(zhǎng)勢(shì)及內(nèi)含物的充實(shí)程度來(lái)預(yù)測(cè)根系的生長(zhǎng)狀況，也可通過(guò)根系的生長(zhǎng)發(fā)育狀況預(yù)測(cè)地上部的干物質(zhì)累積情況，本研究結(jié)果與上述趨勢(shì)一致。同時(shí)，本研究（表2）表明殘膜量為450 kg·hm-2時(shí)，早期對(duì)烤煙地上部和根部干物質(zhì)的積累影響較小，但到中后期影響逐漸突顯。當(dāng)殘膜量增加至900 kg·hm-2和1 350 kg·hm-2時(shí)，不同時(shí)期烤煙根部干物質(zhì)量和地上部干物質(zhì)量均明顯低于CK，且到90 d時(shí)呈顯著性差異。這也進(jìn)一步說(shuō)明在烤煙生育前期，殘膜量較低時(shí)對(duì)土壤的干擾較小，甚至在一定程度上還有利于提高土壤的孔隙度和通透性，促進(jìn)烤煙根系和地上部生長(zhǎng)；但隨著烤煙的生育進(jìn)程，以及殘膜量累積到一定量時(shí)，對(duì)土壤則產(chǎn)生了較大干擾，明顯制約了烤煙根部和地上部生長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

殘膜會(huì)阻滯煙田硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在土壤中的遷移，殘膜量增加會(huì)降低硝態(tài)氮和銨態(tài)氮從土壤中的流失。在烤煙生長(zhǎng)前期，適量殘膜能夠促進(jìn)烤煙根系形態(tài)的生長(zhǎng)，但過(guò)量則會(huì)抑制烤煙根系的生長(zhǎng)發(fā)育。隨著殘膜量的增加，根長(zhǎng)、根表面積、根體積等根系形態(tài)指標(biāo)逐漸降低。殘膜量較低時(shí)，在早期對(duì)烤煙生長(zhǎng)影響較小，但中后期影響逐漸突顯。殘膜量高于900 kg·hm-2會(huì)抑制烤煙根部和地上部的干物質(zhì)的積累。