滴灌條件下番茄水熱與光合速率對不同殘膜量的響應(yīng)研究

李卓然，馬娟娟，鄭利劍，，郭向紅，張雯宇，陳金平

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，河南 商丘 476000）

0 引 言

滴灌是目前有效的節(jié)水灌溉方式之一，灌溉水有效利用率達(dá)90%以上。自引入我國后結(jié)合地膜覆蓋手段，形成了兼具節(jié)水增產(chǎn)、提質(zhì)增效、增溫保墑、防蟲抗病為一體的膜下滴灌技術(shù)［1-3］。經(jīng)過三十余年的推廣應(yīng)用，膜下滴灌技術(shù)也暴露出不可忽視的問題。隨著膜下滴灌面積與單位面積內(nèi)地膜使用量的不斷增長，回收技術(shù)落后導(dǎo)致的殘膜污染問題越發(fā)嚴(yán)重，有研究表明，當(dāng)前農(nóng)田地膜回收率不足60%［4］。土壤中殘膜不斷增加會導(dǎo)致土壤板結(jié)、降低入滲率、土壤水分運動速度減慢［5，6］；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中常見的作物，如小麥、玉米、棉花等生長發(fā)育均收到嚴(yán)重影響［7-9］。殘膜的存在還易導(dǎo)致作物根系產(chǎn)生畸形的可能［10］；同時，土壤中的地膜殘留可使作物大幅減產(chǎn)［11，12］。光合作用是植株物質(zhì)積累賴以存在的基礎(chǔ)，光合能力也影響了作物最終產(chǎn)量［13］。殘膜的存在導(dǎo)致作物根區(qū)環(huán)境改變，迫使根系畸形生長，最終潛在影響光合作用強(qiáng)弱［14］。目前的研究多集中于土壤水分、生長、產(chǎn)量等直觀體現(xiàn)殘膜影響的思路上，而利用通徑分析方法從光合特性角度闡釋殘膜影響的研究較少。因此，本課題在大棚種植基礎(chǔ)上研究了膜下滴灌條件番茄葉片光合特性對不同殘膜量的響應(yīng)，并運用相關(guān)分析、通徑分析進(jìn)一步說明影響番茄葉片光合速率的因素，探究以葉片光合速率為評價指標(biāo)的殘膜量合理范圍，為今后全面闡述殘膜危害、合理利用含殘膜土地提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗開展于山西省農(nóng)科院陽曲旱地研究中心河村基地，該地屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量441.2 mm，主要集中在7-8月。多年平均氣溫5～7 ℃，晝夜溫差大。試驗區(qū)土壤質(zhì)地為黃土質(zhì)淡褐土，耕層容重為1.49 g/cm3，有機(jī)質(zhì)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。試驗期間棚內(nèi)日均氣溫、日均濕度如圖1所示。

圖1 試驗期間日均氣溫及日均濕度Fig.1 Average daily temperature and humidity during the experiment

1.2 試驗設(shè)計

番茄定植為2020年5月26日，結(jié)束時間為2020年9月10日。試驗小區(qū)面積7.2 m2，采用一壟兩管兩行種植方式，壟寬80 cm，溝寬40 cm，株距50 cm，種植示意圖如圖2所示。由于該試驗區(qū)域常年采用膜下滴灌方式進(jìn)行種植，在實地調(diào)查基礎(chǔ)上，采用五點法確定種植地塊地膜殘留量，每個取樣點大小0.5 m×0.5 m，殘膜大小按照＜25 cm2，25～100 cm2，＞100 cm2分別對每個樣點殘膜數(shù)量與質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計。經(jīng)分析，確定設(shè)施番茄土壤農(nóng)膜殘留量為40 kg/（hm2·a），殘留主要為0～30 cm 土層。試驗前將土壤中原有殘膜撿拾凈，通過人工分類，將面積為＜25 cm2，25～100 cm2，＞100 cm2的殘膜按照86.5%、13.5%、0%的實際統(tǒng)計比例混入30 cm 土壤中。試驗殘膜量設(shè)計5 個水平，分別為0 kg/hm2（T1）、200 kg/hm2（T2）、400 kg/hm2（T3）、800 kg/hm2（T4）、1 600 kg/hm2（T5），共5個處理，每個處理3組重復(fù)。各處理灌溉量為1 300 m3/hm2，氮肥、磷肥、鉀肥施用量分別為350、200、400 kg/hm2。

圖2 番茄種植示意圖（單位：cm）Fig.2 Tomato planting schematic diagram

1.3 測定內(nèi)容及方法

本次研究中測試指標(biāo)包括光合速率、氣孔導(dǎo)度、SPAD、土壤含水率、棚內(nèi)溫、濕度及地溫。

番茄葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度、SPAD 于每個生育內(nèi)測定，采用Li6400 便攜式光合儀，測定日9∶00 至11∶00 對番茄植株上、中、下部長勢一致的健康葉片進(jìn)行測定，每個處理進(jìn)行3 次重復(fù)測定。SPAD 于測定光合作用時同時測定。棚內(nèi)溫度與濕度由小型氣象站自動記錄。土壤地溫由自動地溫儀記錄，每10 cm一層，共3層，后取平均值作為0～30 cm地溫。土壤含水率于光合速率測定當(dāng)日同時測定，每10 cm 一層，共5層，每層3次重復(fù)，取平均值作為土壤平均含水率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS19.0、Excel、Origin2021對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同殘膜量對土壤水熱的影響

2.1.1 殘膜量對土壤地溫的影響

圖3表示不同生育期各處理0～30 cm土層地溫日變化。

由圖3可知，開花坐果期、果實膨大期、成熟期地溫0∶00 至24∶00 逐時變化呈“S”型變化，最低溫度通常出現(xiàn)在6∶00，開花坐果期最高溫度出現(xiàn)在12∶00，果實膨大期與成熟期最高溫度出現(xiàn)在16∶00。除苗期外，殘膜量變化可明顯提高地溫［圖3（b）、（c）、（d）］且殘膜量越多，日地溫越高。

圖3 各殘膜處理0～30 cm土層不同生育期地溫日變化Fig.3 Average daily ground temperature of each treatment during the experiment

苗期時T1 處理0～30 cm 土壤日均地溫高于其余4 種處理。含殘膜處理中，T4 處理日均地溫最低，僅為24.06 ℃，日均地溫較T1 處理低3.93 ℃。T1～T5 處理日地溫最低值出現(xiàn)在0∶00 前后，T2處理日變化幅度較大，地溫最高值與最低值相差2.86 ℃。開花坐果期T4 處理地溫明顯低于其余處理，平均日地溫較T5處理低2.41 ℃。果實膨大期與成熟期地溫變化規(guī)律相似，日平均地溫最低值均出現(xiàn)在T1 處理，特別是在地溫最高的16∶00時，果實膨大期與成熟期T1 處理較T2～T5 處理平均地溫低1.06、0.96 ℃。土壤溫度出現(xiàn)隨殘膜量增加而增加這一現(xiàn)象，是由于殘膜對土壤熱通量交換起到一定阻礙作用，殘膜量越多阻礙作用越強(qiáng)，導(dǎo)致0～30 cm 土壤無法有效與下層進(jìn)行熱交換運動，因而地溫會隨著殘膜量增加產(chǎn)生上升趨勢。覆膜是提高土壤溫度的有效手段，殘膜的存在類似于對土壤內(nèi)部進(jìn)行二次覆膜，使得土壤溫度明顯提高。

2.1.2 土壤水分時空變化特征

圖4表示生育期內(nèi)T1 至T5 處理土壤含水率時空動態(tài)變化過程。在番茄生育期的108 d內(nèi)，0～50 cm 土壤水分分布規(guī)律較明顯。尤其是在果實膨大期至成熟期（移栽后42～108 d），含殘膜處理較無殘膜處理變化明顯，可有效增加30 cm 土層含水率。苗期時（移栽后1～20 d）各處理土壤0～50 cm 土層含水率無明顯變化，均處于較高值。隨著作物生長，需水量逐漸增加時，由圖4可見T1處理40～50 cm耕層水分高于T2～T5處理。與T1相比，T2～T5 處理30 cm 土層水分會不斷上升，而40～50 cm 土層含水率不斷降低。相對T2、T3 處理，殘膜量較高的T4、T5 處理耕層水分又會有所提升。通過含水率時空動態(tài)變化圖可直觀發(fā)現(xiàn)，殘膜會造成土壤含水率空間分布不均勻，水分主要聚集在30 cm土層，造成0～20 cm耕層可利用水減少，影響作物生長。

圖4 各殘膜處理生育期含水率變化Fig.4 Variation of moisture content during growth period of each residual film treatment

2.2 殘膜對番茄葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度、SPAD 的影響

不同殘膜量對葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度、SPAD 的影響見表1。由表1可知，各殘膜處理生育期內(nèi)葉片光合速率表現(xiàn)為隨時間推移光合速率呈降低趨勢。至成熟期，相對苗期各殘膜處理光合速率下降幅度分別為65.56%、57.38%、51.49%、78.99%、76.62%，殘膜量為800～1 600 kg/hm2時葉片光合速率受到影響最為明顯，相比其余處理下降幅度較大且均超70%。相同生育期內(nèi)，除苗期與成熟期外光合速率基本表現(xiàn)為隨殘膜量的增加先增加、后降低，并在殘膜量達(dá)到800 kg/hm2時顯著高于其余處理。除成熟期外，其余生育期光合速率最低值基本出現(xiàn)在無殘膜處理或殘膜量較低時。結(jié)合上文地溫變化規(guī)律可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤溫度提升時，凈光合速率產(chǎn)生明顯提高，以往的研究同樣表明土壤溫度升高可增強(qiáng)作物光合速率［15］。

表1 各生育期葉片光合速率。氣孔導(dǎo)度、SPAD變化Tab.1 Changes of Leaf Photosynthetic Rate，Stomatal conductivity，SPAD at Different Growth Stages

隨著殘膜量的增加氣孔導(dǎo)度在苗期和果實膨大期表現(xiàn)為先降低后增加；開花坐果期與成熟期表現(xiàn)為先增加后降低，并在殘膜量為200 kg/hm2時顯著提升氣孔導(dǎo)度，且相較無殘膜處理分別提高25%、51.72%。整個生育期各處理變化趨勢明顯，均表現(xiàn)出下降規(guī)律，至成熟期，各處理氣孔導(dǎo)度下降幅度分別為54.46%、29.03%、47.06%、56.36%、64.18%。

不同殘膜量對開花坐果期與成熟期葉片SPAD 產(chǎn)生顯著影響，當(dāng)殘膜量為800kg/hm2時，SPAD 相比無殘膜處理提高1.86%與6.77%。完整生育期內(nèi)各處理SPAD呈上升趨勢，并在果實膨大期達(dá)到最大。SPAD 增長幅度隨著殘膜量的增加而降低，當(dāng)無殘膜時，增長幅度最大，達(dá)到26.07%，其余處理分別為19.34%，24.93%，19.74%，13.86%。

2.3 光合速率與影響因素相關(guān)性分析

將番茄葉片光合速率（X1）與氣孔導(dǎo)度（X2）、SPAD（X3）、殘膜量（X4）、氣溫（X5）、相對濕度（X6）、地溫（X7）、平均含水率（X8）進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 番茄葉片光合速率與各影響因素間相關(guān)系數(shù)圖Fig.5 Correlation coefficient diagram between photosynthetic rate and influencing factors in tomato leaves

由圖5并結(jié)合相關(guān)分析結(jié)果可知，番茄葉片光合作用與多數(shù)影響因素呈現(xiàn)顯著相關(guān)。其中，番茄葉片光合速率與氣孔導(dǎo)度、地溫、平均含水率呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)由大到小依次為氣孔導(dǎo)度、地溫、平均含水率，最大達(dá)到0.819；與SPAD、濕度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.408，-0.384。針對外界環(huán)境因素，葉片光合速率與相對濕度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)，與地溫呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，但不會受到氣溫的影響。

平均含水率、地溫與殘膜量呈顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為-0.254、0.295），這表明了殘膜量的變化直接對平均含水率與地溫產(chǎn)生影響，與其余因素相對獨立，沒有直接明顯的關(guān)聯(lián)性。殘膜量與葉片光合速率間相關(guān)性不顯著，但結(jié)合相關(guān)性分析可知，殘膜量與地溫、平均含水率間存在顯著相關(guān)，而地溫、平均含水率與光合速率間相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.654、0.408，并呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。由此可見，殘膜并不能對光合產(chǎn)生直接的正向作用或逆向作用，而是通過改變地溫、土壤含水率間接完成對光合特性的影響。

2.4 逐步多元回歸分析

由圖5可知，多數(shù)影響因素與葉片光合速率產(chǎn)生極顯著的相關(guān)性。為了進(jìn)一步探究葉片光合速率與各因素間的相關(guān)關(guān)系，運用SPSS對葉片光合速率與氣孔導(dǎo)度、SPAD等因素進(jìn)行多元回歸分析，結(jié)果如表2所示。

表2 番茄葉片光合作用與各影響因素間多元逐步回歸分析Tab.2 Multiple stepwise regression analysis on photosynthesis of tomato leaves and its influencing factors

由表2可知，氣孔導(dǎo)度對葉片光合速率產(chǎn)生的影響作用最大，地溫與平均含水率的影響作用相對較弱，但同為正效應(yīng)。

2.5 各影響因素對光合特性的通徑分析

由于殘膜的存在使得土壤環(huán)境發(fā)生改變，土壤含水率、地溫等因素之間易產(chǎn)生相互影響，因此為了進(jìn)一步解釋各因素對葉片光合特性的影響程度并明確各因素內(nèi)在關(guān)系，在相關(guān)分析與多元回歸分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行通徑分析，結(jié)果如表3所示。

表3 番茄葉片光合速率與影響因素間通徑系數(shù)Tab.3 Path coefficient between photosynthetic rate of tomato leaves and influencing factors

由表3可知，氣孔導(dǎo)度、地溫、平均含水率是影響光合特性的主要因素，直接正效應(yīng)從大到小依次為氣孔導(dǎo)度（0.671）＞地溫（0.198）＞平均含水率（0.169），氣孔導(dǎo)度直接通徑系數(shù)明顯大于總間接通徑系數(shù)，表明其會通過直接的正效應(yīng)影響葉片光合速率。通過分析表3中間接通徑系數(shù)可知，地溫與平均含水率的間接通徑系數(shù)分別為0.453 與0.239，表明地溫與平均含水率會間接導(dǎo)致葉片光合速率產(chǎn)生變化，土壤中殘膜正是通過改變這兩種間接因素從而影響葉片光合速率。綜合分析圖5與表3可知，除氣孔導(dǎo)度、地溫、平均含水率等關(guān)鍵影響因素外，其余非關(guān)鍵因素（如SPAD、濕度等）與葉片光合速率也表現(xiàn)為顯著相關(guān)，表明非關(guān)鍵因素同樣會對光合速率產(chǎn)生一定影響。

3 討 論

光合作用是植株體內(nèi)最重要的生長代謝過程，同時也是作物干物質(zhì)積累的首要途徑［16］?，F(xiàn)有的研究表明，影響光合特性的外界因素包括土壤含水率、土壤養(yǎng)分、氣溫、灌溉方式等［17-21］。隨著地膜的連續(xù)使用，使得殘留量逐漸增長，最終導(dǎo)致土壤環(huán)境發(fā)生改變從而影響作物生長［22］。本研究在灌溉量相同條件下，除果實膨大期各處理光合速率存在顯著差異外，其余時期殘膜量變化對植株光合特性影響較小，這可能是由于種植環(huán)境中的氣溫、光照強(qiáng)度、水分、養(yǎng)分等因素在各個試驗處理間皆相同所導(dǎo)致，耿杰［23］的研究結(jié)果指出相同灌水量條件下，不同殘膜量對玉米幼苗葉片光合作用影響有限。同時隨著土壤含水率的變化，葉片凈光合速率會出現(xiàn)“山”形波動，這與吳芹［24］的研究結(jié)論類似。

根據(jù)通徑分析結(jié)果，所得結(jié)論表明殘膜量不會對光合起到直接的作用，主導(dǎo)光合作用的最直接因素仍為氣孔導(dǎo)度，這與程奇云［25］的研究結(jié)果相一致。葉片光合對殘膜的響應(yīng)主要從地溫、含水率兩方面間接體現(xiàn)。殘膜的存在會阻礙土壤中熱量的交換，殘膜量越多，阻礙作用越強(qiáng)，因而出現(xiàn)果實膨大期與成熟期地溫隨著殘膜量增加而增加現(xiàn)象。已有的研究已表明地溫的增加有利于增強(qiáng)葉片光合功能［26］。同時，土壤中殘膜對水分的阻滯作用使得土壤水分分布不均勻，根據(jù)本研究已有的含水率研究結(jié)果表明，各處理生育期內(nèi)平均含水率分別為14.64%、15.08%、15.25%、15.11%、16.62%，而含水率的變化可導(dǎo)致作物光合速率產(chǎn)生差異性。董合干［27］、李元橋［28］等學(xué)者的研究表明土壤在存在殘膜會顯著降低土壤含水率，而土壤含水率的降低進(jìn)一步影響了葉片光合速率［29］。綜上所述，殘膜對作物光合特性的影響主要依靠間接效應(yīng)完成。一方面，經(jīng)通徑分析后可知主要決定葉片光合速率的仍然為氣孔導(dǎo)度。另一方面，殘膜對光合速率的影響體現(xiàn)在地溫、含水率等間接因素上，通過影響土壤溫度與含水率而間接改變作物的光合特性。

4 結(jié) 論

（1）0～30 cm 土層日最高地溫出現(xiàn)在16∶00，T1 處理苗期平均地溫高于其余處理，而開花坐果期、果實膨大期、成熟期均低于其余處理。苗期含水率各處理無明顯變化，果實膨大期至成熟期T1 處理0～20 cm 耕層土壤含水率高于其余處理，而30 cm土層含水率隨殘膜量的增加而升高。

（2）不同殘膜量對葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度、SPAD 均產(chǎn)生明顯影響。整個生育期內(nèi)，光合速率與氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)下降趨勢，而SPAD 表現(xiàn)為先上升后降低。殘膜量為800 kg/hm2時，葉片光合速率顯著高于其余處理，殘膜量為200 kg/hm2時，氣孔導(dǎo)度出現(xiàn)峰值，當(dāng)殘膜量大于400 kg/hm2時，SPAD發(fā)生明顯增長。

（3）相關(guān)性研究結(jié)果顯示，氣孔導(dǎo)度、SPAD、相對濕度、地溫、平均含水率與光合速率間表現(xiàn)為極顯著相關(guān)，殘膜量、氣溫與葉片光合速率間相關(guān)性較低。殘膜與地溫、土壤平均含水率表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，并且主要通過地溫、含水率間接影響葉片光合速率。

（4）通徑分析結(jié)果表明，對葉片光合速率產(chǎn)生直接正效應(yīng)影響的因素由大到小分別為氣孔導(dǎo)度（0.626）、地溫（0.340）、殘膜量（0.147）。同時，基于正效應(yīng)影響因素的光合速率多元回歸方程擬合優(yōu)化度為0.748。