殘留地膜對(duì)新疆棉花根系發(fā)育的負(fù)面影響

　　棉田應(yīng)用地膜覆蓋栽培可顯著增加土壤溫度,改善田間墑情,促進(jìn)棉株早發(fā)育,提高棉花產(chǎn)量。

　　新疆是我國(guó)重要的棉花產(chǎn)區(qū),地膜的覆蓋面積和使用量很大,隨著種植年限延長(zhǎng),地膜的殘留量也逐年加大。農(nóng)用地膜是一種由聚乙烯加抗氧劑、抗紫外線材料而制成的高分子碳?xì)浠�合�?聚氯乙烯),具有分子量大、性能穩(wěn)定的特點(diǎn),在自然條件下很難光解和熱降解,也不易通過(guò)細(xì)菌和酶等生物方式降解,在土壤中可以殘存200~400年,長(zhǎng)期累積殘膜造成土壤/白色污染0,破壞農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。殘留地膜會(huì)聚集在土壤耕作層和表層,阻礙土壤毛管水和自然水的滲透,影響土壤的吸濕性,從而對(duì)水分運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙,使其移動(dòng)速度減慢,從而使水分滲透量因地膜殘留量增加而減少,土壤含水量下降,削弱了耕地的抗旱能力。殘留地膜還會(huì)使土壤孔隙度、通透性降低,不利于土壤空氣的循環(huán)和交換,致使土壤中CO2含量過(guò)高,影響土壤微生物活動(dòng)和土壤正常結(jié)構(gòu)的形成,導(dǎo)致土壤肥力下降,造成作物減產(chǎn)。殘留地膜具有較高的韌性和延展性,植物根系難以穿透,導(dǎo)致根系生長(zhǎng)困難,從而惡化了植物的生活條件。

　　雖然已有不同作者對(duì)白色污染的危害進(jìn)行了綜述和不同方面的調(diào)查,但是關(guān)于殘留地膜對(duì)植物土壤性質(zhì)的影響和對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究并不多見(jiàn)。研究通過(guò)大田試驗(yàn),在其他限制因子滿足的條件下,通過(guò)人工添加不同數(shù)量地膜模擬不同數(shù)量地膜殘留,有效控制土壤中地膜殘留量,探討地膜不同殘留量下的殘留地膜對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響。對(duì)深入理解白色污染的提供理論認(rèn)識(shí)。

　　1 材料與方法

　　1.1 材料試驗(yàn)

　　于2003年和2004年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)中心點(diǎn)位于E85b59c50d,N44b18c58d。海拔433~437 m,平均地面坡度6j,土壤質(zhì)地中壤土。有機(jī)質(zhì)15.4j,堿解氮63 mg/kg,速效磷16 mg/kg,速效鉀208 mg/kg,全氮0.8j,全磷1.2j,試驗(yàn)區(qū)地下水埋深5 m以下。供試品種為北疆主栽新陸早13號(hào)。滴灌地采用/干播濕出0方法播種,一膜4行,行距為30 cm+60 cm+30 cm+60 cm。株距10 cm,保苗19.5@104/hm2, 2007年4月24日播種。

　　試驗(yàn)殘膜量設(shè)0、225、450和900 kg/hm24個(gè)水平處理(分別用A、B、C、D表示),每處理重復(fù)4次,共16個(gè)試驗(yàn)小區(qū),小區(qū)面積2.7 m2,隨機(jī)排列。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)向小區(qū)中摻入人工剪碎的地膜(寬2~3 cm、長(zhǎng)小于20 cm,模擬大田常見(jiàn)地膜碎塊尺寸),摻膜的土壤深度為40 cm,分表土(0~20 cm)和底土(20~40cm),每層均摻混均勻,混入地膜前仔細(xì)挑揀出土壤中原來(lái)的殘膜。同時(shí)在0~20 cm施入肥料,肥料用量為三料磷肥245 kg/hm2,硫酸鉀2 275 kg/hm2,氮肥270 kg/hm2,其中氮肥以尿素施入,30%作為基肥播前施入,70%作追肥在棉花生長(zhǎng)期間分7次滴施。全生育期施用縮節(jié)胺化控4次。其它農(nóng)事操作均按大田膜下滴灌進(jìn)行管理。

　　1.2 方法

　　1.2.1 取樣方法在棉花花鈴期(90 d)采用挖掘法取樣。取樣方法:選擇兩行棉花長(zhǎng)勢(shì)均勻,無(wú)缺苗、無(wú)大小苗地段(長(zhǎng)度50 cm)作為取樣點(diǎn)。根系水平取樣方法:以地膜外側(cè)棉花播種行作為起點(diǎn),分膜間、窄行和寬行,按30 cm相同寬度在水平方向取樣;根系垂直方向取樣方法:在膜間、窄行、寬行三個(gè)水平方向,每10 cm一個(gè)深度挖取根樣,一直到1 m。取出的土壤和根樣過(guò)1 mm土壤篩,撿出活根系。觀察并記錄與地膜接觸表面根系的變態(tài)(生長(zhǎng)方向的變化,形態(tài)的變化,它可以直觀的說(shuō)明地膜對(duì)根系生長(zhǎng)的影響)。部分微細(xì)根系連同土壤一起收集。將收集到的根系帶回實(shí)驗(yàn)室,在細(xì)紗布上反復(fù)沖洗,得到的根系樣品,人工用鑷子仔細(xì)定位排放到玻璃板上,供掃描用。掃描后的根系重新收集起來(lái),放入烘箱在70e烘干36h ,稱(chēng)重并記錄。同時(shí)將取樣部位的棉花地上部分全部采集帶回實(shí)驗(yàn)室,按不同組織,分別烘干稱(chēng)重并記錄。圖11.2.2 根系掃描和分析將排放好樣根的玻璃板放在EPSON PERFECTION 4870 PHOTO掃描儀上,在300 dpi象素下,掃描成黑白TIF圖像文件。掃描好的TIF圖像文件用WinRHIZO Basic 2004年根系分析系統(tǒng)軟件計(jì)算根系表面積和根長(zhǎng)密度等形態(tài)特征指標(biāo)。

　　1.3 數(shù)據(jù)分析工具

　　使用根系分析儀多棉花根系進(jìn)行測(cè)定分析，采用Excel2003和SPSS13.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和繪圖。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 殘膜對(duì)土壤物理性狀的影響

　　土壤物理性狀主要指土壤含水量、容重(單位體積固體重量與同體積水重量之比)和孔隙度(單位體積土壤內(nèi)空隙所占體積百分比)。處理B、C和D含水量分別比處理A減少1.29%、4.39%和11.22%,這是由于殘膜阻礙土壤毛管水和自然水的滲透,從而使水分滲透量因地膜殘留量增加而減少,土壤含水量下降。殘留地膜還會(huì)使土壤孔隙度、通透性降低,不利于土壤空氣的循環(huán)和交換,致使土壤中CO2含量過(guò)高,影響土壤正常結(jié)構(gòu)的形成,致使土壤容重和比重均隨殘膜量的增加而增大。

　　2.2 棉花根系在土壤中的垂直分布

　　在有殘膜的土壤中(0~40 cm),根系表面積隨殘膜量的增加而增加,且各層的根系表面積占棉花總根表面積的比例也是逐漸增大的,在0~40 cm土層中A的根系表面積為1 656.27 cm2,占總量的55.74%,而D卻達(dá)到了2 800.08 cm2,占總量的74.74%,較處理A高69.06%;但在沒(méi)有殘膜的土壤中(40~100 cm),情況卻相反,根系表面積總的趨勢(shì)是逐漸減少的,在40~100 cm土層中,無(wú)論A的根系表面積還是其占總量的比例均大于其它處理。以上說(shuō)明在0~40 cm土壤中,由于有殘膜的存在,產(chǎn)生了一定的土壤機(jī)械阻力,但這種阻力不僅沒(méi)有阻礙根系的生長(zhǎng),反而刺激了根系的生長(zhǎng)發(fā)育,使棉花根系大量增生,根表面積也隨之增大;由于上層根系受到殘膜刺激,根系大量增生,所以其吸收的養(yǎng)分也大量的消耗在根系增生上,使根系下扎的力量減弱,下層根系不能正常生長(zhǎng),導(dǎo)致了B、C和D的下層根表面積減少,降低了其對(duì)深層水分和養(yǎng)分的吸收利用,減弱了棉花的抗旱能力。表2根長(zhǎng)密度(RLD)為單位土壤體積內(nèi)的根系長(zhǎng)度。研究結(jié)果表明,處理間的棉花根長(zhǎng)密度在不同土層有較大的差別。在0~40 cm各土層中,處理A的根長(zhǎng)密度與B極為相近,略小于C,但A和D有較大的差別,在4個(gè)土層中均小于D的根長(zhǎng)密度;在40~100 cm的各土層中,各處理間的根長(zhǎng)密度呈遞減的趨勢(shì),只是A和B下降的較為緩慢,C和D下降較快。這說(shuō)明,當(dāng)殘膜量為900 kg/hm2時(shí),殘膜能夠刺激棉花根系的生長(zhǎng),使根系大量增生,增大了土壤中的根長(zhǎng)密度,這種現(xiàn)象一方面加劇了土壤中根系對(duì)水分、養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng),并可能誘導(dǎo)早衰,另一方面在40~100 cm土體中根系密度較低,對(duì)水分養(yǎng)分的利用不充分;當(dāng)土壤中沒(méi)有殘模時(shí),棉花根系的空間分布更為合理,下扎根系較多,能夠提高根系對(duì)土壤深層水分和養(yǎng)分的利用效率。圖2在0~40 cm土層,棉花根重在土壤中的垂直分布趨勢(shì)與圖2相似,D的根重最大,而其它3個(gè)處理差別不大,表明土壤中存在大量的殘膜時(shí)能夠刺激根系生長(zhǎng)。在40~100 cm土層,各處理間相差不大,但D的根重卻大幅度下降,這可能是由于上層根系消耗了大量的養(yǎng)分,向下層根系輸送的養(yǎng)分相對(duì)減少,導(dǎo)致下層根重降低。

　　2.3 棉花根系在土壤中的水平分布

　　研究采樣方式是以棉株生長(zhǎng)的中心位置劃分取樣區(qū)域,主根的歸屬難以區(qū)分,故僅對(duì)須根系的水平分布進(jìn)行討論。從不同處理在水平方向上須根表面積的分布情況可以看出,各處理的根表面積在水平方向的分布是不相同的。在0~40 cm土體中,各處理膜間、窄行和寬行的根表面積均是隨著殘膜量的增加而增大的,且其占膜間、窄行和寬行的總根表面積的比例也是隨之增大的。值得注意的是,處理A的窄行根系分布都大于膜間和寬行,這表明,由于土壤中沒(méi)有殘膜,處理A的根系分布主要受水分分布和地膜增溫效應(yīng)的影響,因此在地膜覆蓋和水分集中分布的窄行部位,根系生長(zhǎng)最多,地膜覆蓋的寬行次之,無(wú)地膜覆蓋的膜間最少;處理B與處理A相似,表明殘膜對(duì)處理B的影響不大;處理C的窄行根系分布大于膜間,小于寬行,表明殘膜對(duì)處理C有一定的影響;在處理D中,殘膜大量存在刺激根系增生的同時(shí)也增加了根系競(jìng)爭(zhēng),且窄行空間相對(duì)較小,根系競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇,根表面積反而小于膜間和寬行。在40~100 cm土體中,根表面積的水平分布情況與0~40 cm相反,均是隨著殘膜量的增加而減小的。處理A、處理B、處理C和處理D窄行根表面積占總根表面積比例分別是39.03%、36.06%、36.45%和32.03%,由于棉田是隨水施肥,水分和養(yǎng)分集中分布在窄行部位,因此處理A比其它處理更容易獲得其自身生長(zhǎng)發(fā)育所需要的水分和養(yǎng)分。

　　棉花平均根長(zhǎng)密度在0~100 cm的水平分布,研究表明在0~40 cm土體,處理D的平均根長(zhǎng)密度較大于其它處理,但由于殘膜的影響,窄行的根長(zhǎng)密度小于其膜間和寬行;處理A窄行和寬行的平均根長(zhǎng)密度高于膜間,即處理A的根系在窄行和寬行分布較多,在膜間較少。在40~100 cm土體,各處理在窄行和寬行的根系分布是隨著殘膜的增加而逐漸減少的,處理D減少的最多。圖4,圖5棉花根系總重在土體中的水平分布情況,兩深度具有相同的趨勢(shì)。在0~40 cm土體,處理D的窄行總根重小于膜間和寬行,其余處理均是窄行>寬行>膜間,但處理D的根生物量大于其余處理;在40~100 cm土體,處理A重根最大,處理D最小,而處理內(nèi)的根量分布差異主要是主根分布的偏向造成的,而主根生長(zhǎng)的偏向主要是由土壤緊實(shí)度差異引起的。

　　3 結(jié)論與討論

　　3.1 由于地膜殘片的阻隔,土壤水分和空氣運(yùn)行受阻,破環(huán)了土壤的物理結(jié)構(gòu),導(dǎo)致土壤含水量降低、孔隙度減小,而土壤容重和比重卻隨著殘膜的增加而增加。

　　3.2 有人認(rèn)為地膜殘留阻礙根系的生長(zhǎng),耕層的根長(zhǎng)和根重隨地膜殘留量的增加而減少。研究表明這一觀點(diǎn)并不全面。在0~40 cm土壤中,地膜殘留具有刺激棉花根系生長(zhǎng)的作用,根表面積、根長(zhǎng)密度和根重均隨地膜殘留量的增加而增加;在40~100 cm土壤中,地膜殘留阻礙根系的生長(zhǎng),根表面積、根長(zhǎng)密度和根重隨著上層土壤中殘膜的增加而大幅度下降,這是由上層根系過(guò)度消耗水分和養(yǎng)分,向下層根系輸送不足造成的。研究表明,滴灌條件下水分集中分布在窄行部位,故窄行根系量高于膜間和寬行,但當(dāng)土壤中有大量殘膜時(shí)(900 kg/hm2),這一規(guī)律發(fā)生變化,殘膜雖然刺激根系增生,但由于窄行空間相對(duì)較小,根系生長(zhǎng)受到的阻力大于膜間和寬行,根系的增生量比膜間和寬行的少,因此窄行根系量反而小于膜間和寬行。

　　3.3 根系是作物最活躍的養(yǎng)分和水分吸收器官,在作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成過(guò)程中起著非常重要的作用。主要農(nóng)業(yè)措施如灌溉、施肥等都是首先影響到根系的生長(zhǎng)、分布和功能,然后對(duì)地上部起作用進(jìn)而影響到產(chǎn)量的高低。雖然少量地膜殘留(<900 kg/hm2)下根系生物量增加,但是實(shí)際上是植物的補(bǔ)償性生長(zhǎng),棉花莖葉和蕾鈴重反而隨殘膜的增加而減少(處理A與處理C和D生物學(xué)產(chǎn)量等達(dá)到了顯著性差異)。地膜殘留刺激根系生長(zhǎng),但同時(shí)也消耗了大量的養(yǎng)分,使棉花地上、地下部生長(zhǎng)不平衡,冠根比減小,降低了單位根系重量的生產(chǎn)力。殘膜對(duì)棉花單株鈴數(shù)、單鈴重和產(chǎn)量均有顯著影響,且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。