農用地膜殘留對土壤氮素運移及烤煙根系生長的影響*

高維常，蔡 凱，曾隕濤，林葉春，吳 思，羅小寶，潘文杰，李 震

（1. 貴州省煙草科學研究院，煙草行業山地烤煙品質與生態重點實驗室，貴陽 550081；2. 貴州省煙草公司，貴陽 550004；3. 南京農業大學資源與環境科學學院，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展的基石。當前土壤污染除農藥[1]、重金屬[2]污染外，由于大量使用的農用地膜降解難、循環利用難度大和成本高，導致其在農田土壤中大量累積而造成土壤污染[3]。諸多研究表明，殘膜會增大農事作業阻力，惡化農田土壤質量，造成作物減產，引起次生環境污染[4-6]。近年來，為積極應對土壤污染問題，廣大研究者正在積極探尋解決方案[7-8]。

我國是世界第一植煙大國，常年植煙面積約140萬 hm2，地膜是我國煙草栽培必要的生產資料，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，因此殘膜在我國煙田中廣泛存在。據蘇國樟等[9]對貴州畢節煙區26個代表性煙田的殘膜調查發現，0～25 cm土層殘膜平均總重量為194.3 kg·hm-2，殘膜片數高約49萬張，92.2%的殘膜分布于地表和10 cm以上土層。雖然我國煙田殘膜現象普遍，但對煙田地膜的已有研究主要集中于地膜覆蓋及其方式對土壤理化性質、烤煙根系發育、產量和品質的影響上[10]，而關于殘膜對土壤中物質遷移以及殘留于土壤中對烤煙生長發育的影響迄今鮮有報道。氮素在所有營養元素中對烤煙產量、質量影響最大[11]。硝態氮及銨態氮是烤煙能夠吸收的主要有效氮源，不同形態的氮素營養（銨態氮、硝態氮）影響著烤煙的某些有機成分的含量和煙葉產量[12]。為此，本文通過貴州代表性煙田土壤淋溶試驗和盆栽試驗，初步探明不同殘膜量對土壤硝態氮和銨態氮遷移及烤煙根系生長的影響，旨在為我國煙田的殘膜防治、土壤健康和可持續利用提供科學建議。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自位于貴州省開陽縣龍崗鎮的典型黃壤表土（0～20 cm），基礎地力為pH 5.72，有機質44.06 g·kg-1，全氮2.2 g·kg-1，堿解氮126.6 mg·kg-1，硝態氮33.79 mg·kg-1，銨態氮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]。所取土壤經自然風干、去雜和研磨后，過20目篩（0.85 mm）用于淋溶試驗和盆栽試驗。

供試地膜為貴州科泰天興農業科技有限公司生產的厚0.08 mm的煙用無色地膜。

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

1.2 試驗設計

殘膜量和大小設置：煙田地膜殘膜量和大小組成依據課題組前期的調查結果確定，淋溶試驗和盆栽試驗均設置4個殘膜量：無地膜（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。殘片大小構成為：小于10 cm2、20 cm2左右和30 cm2左右的膜片分別占殘膜總量的20%、60%和20%。

淋溶試驗：采用間歇淋溶法，用200目（0.075 mm）濾布封住PVC（聚氯乙烯）管（內徑7 cm、長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）營養液各150 mL，入滲24 h后，分別用450 mL的去離子水分3次進行淋溶，每次淋溶間隔時間為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管中土壤測定分析。

盆栽試驗：采用盆底直徑30 cm、盆高30 cm、盆口直徑45 cm的塑料盆進行盆栽試驗，每盆裝土20 kg，每個處理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 觀測項目與方法

淋溶試驗土壤硝態氮和銨態氮含量測定：利用全自動間斷化學成分分析儀（Smartchem 200，AMS，意大利）參照操作說明書測定各土層硝態氮和銨態氮含量。

盆栽試驗根系參數和生物量測定：于栽后30 d毎個處理各取3株烤煙，采用根系掃描分析系統（WinRHIZO，Regent，加拿大）測定植株根系生物學性狀，包括總根長、總根表面積、總根體積、平均根系直徑和根尖數。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，用百分之一天平測定植株地上部和地下部（根系）的干物質量。

1.4 數據統計分析

數據處理和統計采用Microsoft Excel 2016和DPS 17.10軟件，用鄧肯（Duncan）新復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 果

2.1 不同殘膜量對土壤氮素運移的影響

不同殘膜量對土壤硝態氮和銨態氮運移的影響如圖1所示。

就淋溶試驗各土層中硝態氮含量而言（圖1左），不同處理硝態氮含量的剖面分布趨勢較為復雜，CK處理0～5 cm土層硝態氮含量最高，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個處理各土層硝態氮含量波動較大。T1的處理5～1 0 c m土層硝態氮含量最高，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、T2三個處理各土層之間硝態氮含量差異不顯著，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土層之間差異達顯著水平（P＜0.05）。

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

就淋溶試驗各土層中銨態氮含量而言（圖1右），不同處理銨態氮的剖面分布規律較為清晰，CK處理在各土層中銨態氮含量幾乎一致，有殘膜的3個處理各土層銨態氮含量則出現明顯的波動，并表現出隨著殘膜量的增加，銨態氮流失降低的趨勢。CK處理5～10 cm土層銨態氮含量最高，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土層之間差異達顯著水平（P＜0.05），大于25 cm土層與其他各層之間達極顯著水平（P＜0.01）；T3處理 0～5 cm土層與10～25 cm各層之間差異達顯著水平（P＜0.05），大于25 cm土層與0～10 cm各層之間差異達極顯著水平（P＜0.01）。

2.2 不同殘膜量對烤煙根系形態變化的影響

盆栽試驗烤煙移栽后30 d根系的形態變化見表1。T1處理的烤煙根長、根表面積、根體積和根尖數均優于CK，兩者間除根尖數外，其他指標均差異不顯著。隨著殘膜量的增加，烤煙根系生長發育明顯受到影響。T2和T3處理的根長、根表面積、根體積和根尖數明顯減少，T2和T3處理的根長和根尖數均顯著低于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 殘膜對烤煙根系形態的影響Table 1 Impacts of MPFR on morphological parameters of the flue-cured tobacco root relative to treatment

2.3 不同殘膜量對烤煙干物質的影響

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

根系形態參數與煙株根部、地上部相關性見表3。總根長、總根表面積、總根體積均與根部干物質量、地上部干物質量呈極顯著正相關。說明殘膜對煙株根系造成影響的同時，必將影響煙株地上部的正常生長。

3 討 論

3.1 殘膜對土壤養分遷移的影響

地膜具有韌性和延展性，殘留于土壤中，其分布的隨機性會影響水分在土壤中的正常運移與分布[14]。鄒小陽等[15]研究發現殘膜阻滯系數隨殘膜增多而增大，認為殘膜在土壤中形成隔離層，形成了一個新的不連續水分運動通道，會降低土壤水分的垂直入滲能力和水平能力。王春穎等[16]認為殘膜阻礙土壤水分的垂直入滲和水平運移的機理一致，殘膜在土壤中形成隔離層，破壞了土壤質地均勻性和土體構型，改變殘膜與土壤交界面土水勢，減少了土壤中大孔隙數量，降低土壤過水能力，導致殘膜對土壤水分水平運動的阻滯作用逐漸增強。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，長期殘膜作用下會降低土壤有機質、全氮、硝態氮、銨態氮和Olsen-P含量[19]。本研究結果（圖1）表明，地膜殘留于土壤中，對土壤中硝態氮和銨態氮的遷移干擾較大。對照處理各土層中硝態氮和銨態氮含量基本一致。而有地膜殘留的處理，硝態氮和銨態氮在各層土壤中出現明顯波動。雖然這一波動無明顯的規律，但總體而言，隨著殘膜量的增加，銨態氮在土層中的流失明顯減少，硝態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，原運動通道被打破，發生阻滯所導致[15-18]。

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

表3 烤煙根系形態與干物質相關性Table 3 Correlations between root morphology and dry matter of the flue-cured tobacco

3.2 殘膜對烤煙根系生長的影響

根系的生長發育受到自身遺傳因素和外部環境因素特別是土壤的共同影響，根系的形態結構是其生長發育水平和對外界環境適應的直接體現[20]，根系形態指標直接反映了根系的生長狀況。本研究（表1）表明，當土壤殘膜量為450 kg·hm-2時，烤煙根長、根表面積、根體積和根尖數分別為809.5 cm、212.1 cm2、4.44 cm3和17 291根，均高于對照，這與他人[18，21-22]在棉花上的研究結果一致。但隨著殘膜量的增加，烤煙根系生長發育明顯受到影響，當殘膜量增加至900 kg·hm-2和1 350 kg·hm-2時，根長、根表面積、根體積和根尖數明顯減少，并顯著低于對照。這可能是因為殘膜量累積到一定量后，阻礙了煙株根系對水分和養分的吸收，從而制約了根系的生長發育。根直徑是影響根系穿透土壤能力的重要因素，根直徑越大，其遇到堅硬土壤時抵抗彎曲和偏轉的能力越強，成功穿透土壤的可能性越大[23]。本研究發現，當土壤中混入殘膜，有利于烤煙根系直徑的增粗，根系直徑最大值出現在殘膜量為900 kg·hm-2時，為0.96 mm，并與對照和其他處理差異達顯著（P＜0.05），這可能與根系在受到地膜殘留脅迫時自身做出相應的調節有關。

根系作為一種不定形營養器官[24]，首先感受土壤環境的變化[25-26]并做出響應。很多研究表明，煙草、大豆等植物根系性狀，尤其是根系形態指標與地上部之間呈顯著正相關[27-30]，生產中可以通過地上部的長勢及內含物的充實程度來預測根系的生長狀況，也可通過根系的生長發育狀況預測地上部的干物質累積情況，本研究結果與上述趨勢一致。同時，本研究（表2）表明殘膜量為450 kg·hm-2時，早期對烤煙地上部和根部干物質的積累影響較小，但到中后期影響逐漸突顯。當殘膜量增加至900 kg·hm-2和1 350 kg·hm-2時，不同時期烤煙根部干物質量和地上部干物質量均明顯低于CK，且到90 d時呈顯著性差異。這也進一步說明在烤煙生育前期，殘膜量較低時對土壤的干擾較小，甚至在一定程度上還有利于提高土壤的孔隙度和通透性，促進烤煙根系和地上部生長；但隨著烤煙的生育進程，以及殘膜量累積到一定量時，對土壤則產生了較大干擾，明顯制約了烤煙根部和地上部生長。

4 結 論

殘膜會阻滯煙田硝態氮和銨態氮在土壤中的遷移，殘膜量增加會降低硝態氮和銨態氮從土壤中的流失。在烤煙生長前期，適量殘膜能夠促進烤煙根系形態的生長，但過量則會抑制烤煙根系的生長發育。隨著殘膜量的增加，根長、根表面積、根體積等根系形態指標逐漸降低。殘膜量較低時，在早期對烤煙生長影響較小，但中后期影響逐漸突顯。殘膜量高于900 kg·hm-2會抑制烤煙根部和地上部的干物質的積累。