随着地膜覆盖栽培技术的迅猛发展和大面积应用，我国已成为世界上覆膜栽培规模大、应用作物种类多的国家之一^[1]。新疆已成为我国覆膜植棉最大的地区^[2]，2015年仅棉花种植面积已达到19.78×10⁵ hm²，棉田地膜使用量达7.9×10⁴ t，约占同年全国地膜使用总量的43%^[3]。地膜高强度的使用，导致新疆残膜污染问题日趋严重，据不完全统计^[4-6]，当前新疆棉区耕层地膜平均残留量达253.2 kg·hm^-2，是全国平均水平的4~5倍，其中平均残膜量225 kg·hm^-2以上的田块面积占被调查样本的78.1%，残膜影响土壤的自净过程，危害作物的生长发育，导致大幅减产^[7-11]。

目前，国内外关于残膜对作物及生长环境的影响，主要集中在对土壤水分、养分的影响机制方面，包括土壤含水量、水分入渗方式，水分运移及速效养分分布等。作物主要通过根系吸收水分和养分，残膜的阻隔作用改变了土壤的水肥环境和根系的吸水性能。关于残膜含量对土壤水分分布的影响，王志超等^[12]研究表明，残膜阻碍了土壤水分入渗，在0~400 kg·hm^-2的残留范围内，随着残膜量的增加，土壤含水率下降，保水能力降低；李仙岳等^[13]研究表明，残膜阻碍土壤水分运移，滴灌条件下0~200 kg·hm^-2残留范围内，随着残留量的增加土壤湿润体明显变小，湿润锋的水平和垂直运移距离显著缩短；牛文全等^[14]发现，在室内土柱试验条件下，当80 kg·hm^-2≤残膜量≤320 kg·hm^-2时，随残膜量的增加，残膜对土壤水分入渗的阻滞作用明显增强，水分入渗量及入渗速率随残膜量的增加逐渐减小，残膜加剧了土壤水分垂直分布的变异性，对表层土壤的影响极其显著；董合干等^[15]发现，残膜量为2000 kg·hm^-2时，由于对水分的阻隔作用，继而导致土壤有机质、有效磷、有效钾等显著下降。

土壤水分条件是影响作物生长的关键因素，水分消耗的变化必然影响干物质的积累。王海江等^[16]研究表明，不同生育时期干物质的日增重量与其日均耗水量之间存在着极显著的正相关性，耗水量越大，干物质积累量越多。关于残膜对产量构成的影响，前人研究表明^[17-19]，残膜量为2000 kg·hm^-2时，棉花铃期生物量下降48.5%，根冠比和根系表面积等生长指标均与无残膜处理有显著性差异，产量下降41.7%。收获株数、单铃重、产量等随残膜量的增加而减少：当残膜量达210 kg·hm^-2以上时，收获株数比对照减少11.0%~16.5%，成铃数减少0.8~1.0个，棉花产量比对照减少16.9%~21.6%；残膜量为900 kg·hm^-2时，单株成铃数减少16.4%，单铃重降低16.9%，减产30.4%。

综上所述，有关残膜对作物耗水及水分生产过程的同步研究较少。本文通过大田微区控制性试验，模拟了新疆覆膜滴灌棉田3种典型的地膜残留状态，通过分析耗水量、棵间蒸发量、水分利用效率、干物质积累与分配特征，明确了地膜残留对棉田耗水与干物质积累分配的影响，研究对于继续深入残膜危害的认识，开展残膜阈值对作物水分生产潜力、农田水资源承载预警等工作都具有重要的意义。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验小区位于新疆阿克苏地区阿瓦提县丰收二场新疆农业科学院棉花综合试验站（40°06′N，80°44′E，海拔1025 m）。该区域日照长、热量丰富，多年平均日照时数达2679 h，年均气温10.4 ℃，最高气温39.4 ℃，最低气温-28 ℃，≥10 ℃年积温为3 987.7 ℃，无霜期为115 d。2014年棉花生育期降水量为33.27 mm，2015年降水量为125.20 mm，年蒸发量2900 mm，属于典型的温带大陆性干旱气候，农业完全依赖于灌溉。两年度供试品种均为新陆中75号，试验区土质为沙质壤土，0~40 cm平均土壤容重为1.448 g·cm^-3，试验田地下水埋深>5 m，向上补给量忽略不计。土壤基本性状见表 1。

1.2 试验设计 1.2.1 试验棉田残膜状况调查

为了解试验地地膜残留状况，为试验残膜梯度的设计提供依据，预先于试验田随机取面积为1 m²，深度为30 cm的5个样方，调查实际地膜残留量及分布状态，结果见表 2。测定0~10、10~20、20~30 cm土层土壤容重分别为1.446、1.448、1.451 g·cm^-3。

1.2.2 不同地膜残留量的试验设计过程

于2014、2015年在新疆农业科学院棉花综合试验站同一块试验田开展小区试验，模拟典型生产棉田地膜的残留和分布特点，设置3个残膜量，分别为0、225、450 kg·hm^-2，即C₀、C₂₂₅、C₄₅₀处理。于前茬棉花收获后追施底肥，进行冬翻，人工清理出小区30 cm深度的土壤并过筛，经挑拣、洗净、晾干、称重，获得残膜等级及分布数据（表 2）。对于C₀处理，挑拣完后按照土层顺序直接回填。对于C₂₂₅和C₄₅₀处理，依据调查获得的大田残膜等级及质量分布规律，将处理后的残膜混匀，再分别与0~10、10~20、20~30 cm土层土壤充分混匀，按各层土壤容重的顺序依次回填，回填后适度镇压，保证地面平整，尽可能满足与残膜农田的情况一致后进行冬灌。春季机械覆膜铺管，人工点播，确保出苗率在95%以上。为确保两年试验准确性，2015年掺埋残膜的方法与2014年一致。

试验采用随机区组设计, 3次重复, 共9个小区。小区间设保护行, 小区长6.5 m、宽4.5 m, 面积29.25 m², 两年均施尿素 (含N 46%)225 kg·hm^-2, 磷酸二铵 (含P₂O₅ 46%) 347 kg·hm^-2及硫酸钾 (含K₂O 51%) 75 kg·hm^-2。株行配置模式为[(10 cm+66 cm+10 cm)+66 cm]×10 cm, 采用1.25 m地膜, 双滴灌带, 一膜4行种植模式, 滴灌带间距40 cm, 滴头间距25 cm, 滴头设计流量2.1 L·h^-1。生育期灌溉量参照当地最佳灌溉量, 均为4650 m³·hm^-2, 灌溉频率均为7 d·次-1, 种植密度为2.4×10⁵株·hm^-2, 日常管理措施同大田。

1.3 测定方法 1.3.1 土壤质量含水率的测定

棉花出苗后每隔10 d用土钻于每处理的第2膜（减小边际效应）膜间滴头正下方，每10 cm为一层采取0~10、10~20、20~30、30~40 cm刨层土样，立即装入铝盒中，称鲜土重后105 ℃烘至恒重，计算土壤质量含水率。土壤质量含水率（%）＝（鲜土重－干土重）/干土重×100。

1.3.2 农田耗水量的计算

采用水量平衡法计算作物耗水量ET1-2^[20-21]，公式为：

式中：ET_1-2为阶段耗水量，mm；i为土壤层序数；n为土壤层次总数，本试验为4；γ_i为第i层土壤干容重，g·cm^-3，本试验为1.448 g·cm^-3；H_i为第i层土壤厚度，本试验为40 cm；θi₁为第i层土壤初时段的含水率，以占干土重的百分数计，%；θi₂为第i层土壤末时段的含水率，以占干土重的百分数计，%；P₀为时段内的有效降水量，mm；M为时段内的灌水量，mm；K为时段内的地下水补给量，mm，当地下水埋深大于2.5 m时可以不计（本试验地下水埋深在5 m以下，无地下水补给）。

1.3.3 棵间蒸发量的测定

每小区行间布设6个规格相同的自制微型蒸发器（Micro-Lysimeters, MLS），蒸发器内径11 cm、壁厚5 mm、高15 cm，分为两个不封口的PVC管做成的内外套筒，将内筒垂直压入土壤内再取出，用纱网封底，然后放置于外筒内使其上缘与地面相平，防止土壤外漏和周边土壤间水分交换的阻碍。蒸发器中原状土每6 d更换1次，降雨或灌溉后立即更换原状土体，每天早8：00用电子天平（精度为0.01 g，量程为3 kg）称量土柱日均蒸发损失量。

1.3.4 植株干物质积累量

于棉花苗期、蕾期、花铃期和吐絮期每小区选取代表性植株5株，重复3次，将单株分根、茎叶、蕾铃花等器官称其鲜重后，分别置于105 ℃烘箱中杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，冷却后分别称干重。

各生育阶段干物质积累量=阶段末干物质积累量－阶段初干物质积累量^[22]

各器官的干物质分配比例（%）=各器官的干物质积累量/植株地上部干物质积累量×100^[23]

根冠比（%）=根干重/地上部干重×100

1.3.5 产量和水分利用效率的测定

实收计产，每个小区产量单独核算，棉花每次采摘风干后用电子天平称重计产，每次收花前单收100铃，计算单铃重。水分利用效率的计算公式为：

WUE=Y/ET^[24]

式中：WUE为水分利用效率，kg·hm^-2·mm-1；Y为籽棉产量，kg·hm^-2；ET为棉花生育期内耗水量，mm。

1.3.6 气象要素

降水量及气温等气象参数均由常规田间气象站测定（WatchDog 2900ET Weather Station，Spectrum，Inc.，USA）。2014年和2015年生育期降雨量和日平均气温如图 1所示。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和Sigmaplot 12.5软件计算并绘制图表，用DPS 7.05统计软件分析差异显著性。

2 结果与分析 2.1 残膜对棉花生育期耗水量及耗水模数的影响

综合两年数据分析，各处理间生育期总耗水量无显著性差异，但均随残膜量增加呈降低趋势（表 3）。残膜对各生育阶段耗水量及耗水模数影响较大，两年苗期耗水量及耗水模数C₄₅₀处理显著低于C₀处理；2014年蕾期耗水量及耗水模数无残膜处理显著高于残膜处理；花铃期各处理的耗水量及耗水模数无显著差异，其中C₄₅₀处理阶段耗水量最低，耗水模数则略高；从花铃期前耗水模数看，C₀、C₂₂₅和C₄₅₀处理分别为21.48%、19.82%和19.88%，花铃期之后则依次为78.52%、80.18%和80.12%。这一结果表明残膜降低了生育前期的耗水量及耗水模数，虽然残膜增大了生育后期的耗水模数，但各生育期及全生育期的耗水量却相对C₀处理较低，说明残膜不利于满足棉花生育前期耗水需求。此外，因年度间降水量不同，棉花耗水量及耗水模数也存在差异，2014年棉花生育期降水33.3 mm，2015年度降水125.2 mm，2014年较2015年度降雨量少，因而该年度耗水量及耗水模数也较小。

2.2 残膜对棉花生育期棵间蒸发量的影响

由表 4知，2014—2015年度，不同残膜处理棉花各生育时期棵间蒸发量均表现为蕾期前逐渐降低，花铃期达到最大，吐絮期又开始下降。两年试验中，不同处理棉花的棵间蒸发量在苗期—吐絮期均为C₄₅₀>C₂₂₅>C₀处理，C₄₅₀处理各生育期的棵间蒸发量比C₀处理分别高0.16、0.14、0.18、0.13 mm·d^-1。年度间，苗期—花铃期C₄₅₀处理棵间蒸发量显著高于C₀处理，吐絮期各处理间差异不显著。从全生育期看，各处理棉花棵间蒸发量与各阶段变化趋势一致，均随残膜量的增加而增大。两年试验结果表明，增加残膜量，会明显增大棉田无效耗水量。

2.3 残膜对棉花干物质积累与分配的影响 2.3.1 不同生育时期干物质积累量

由图 2可以看出，2015年苗期至蕾期C₀处理干物质积累量显著高于C₄₅₀处理，而2014年差异不显著，2014年盛花期—吐絮期干物质积累量C₀处理显著高于C₄₅₀处理，2015年盛铃期—吐絮期各处理间干物质积累量差异虽然不显著，但均随残膜量的增加呈降低的变化趋势，表明残膜影响干物质的积累，且残膜量越高，干物质积累量减小的趋势越大。这与棉花生育期耗水规律相吻合（表 3），进一步说明残膜量越大，棉田耗水量越小，其干物质积累量越少。

棉株干物质积累量随生育进程的推移总体呈“缓增-快增-缓减”的变化趋势，用Logistic生长函数对不同残膜处理的棉花干物质积累量进行拟合（表 5），相关度均较高。2年的干物质积累动力学特征分析表明，C₀处理棉花干物质量积累进入快速增长期的起始日、结束日和最大生长速率出现日较早，生长特征值大，而C₄₅₀处理出现日较晚，持续时间长，比C₀处理晚4~7 d，且生长特征值和最大积累速率分别较C₀处理小8.2 g·株^-1和0.4 g·株^-1·d^-1，说明残膜延缓了干物质的积累速率，不利于干物质在快速增长期的积累，进而影响了棉花向生殖生长的转变，最终影响产量形成。

2.3.2 收获期干物质在不同器官中的分配

收获期干物质在各器官中的分配量及比例均以蕾铃花最高，茎叶居中，根最低（表 6）。从干物质在各器官中的分配量来看，C₀处理的干物质在茎叶中的分配量均较C₂₂₅和C₄₅₀处理高2.5、4.0 g·株^-1，蕾铃花分别高2.5、3.2 g·株^-1，根分别高出0.8、1.3 g·株^-1，C₀处理收获期干物质在各器官中分配量显著高于C₂₂₅和C₄₅₀处理，后两者无显著性差异；干物质在根中的分配比例C₄₅₀处理显著低于无残膜处理，而在茎叶和蕾铃花中的分配比例均没有达到显著性差异。这说明在本试验条件下，残膜对收获期干物质在茎叶和蕾铃花中的分配比例无显著调控效应，对根中的分配比例影响较显著。

从表 6还可以看出，随残膜量的增加，棉花根冠比明显降低，与C₀处理相比，C₄₅₀处理降低0.7%，表明残膜不利于提高收获期干物质在各器官中的积累，阻碍了干物质向生殖器官中的分配。

2.4 残膜水平下干物质积累与耗水的关系

从以上分析可知，棉花不同生育时期干物质日积累量和日均耗水量总体变化趋势基本一致，苗期—吐絮期都表现为先增后减的变化趋势，对2014、2015年度不同处理下棉花各生育时期干物质日积累量和日均耗水量进行分析，结果如图 3所示。各处理日平均耗水量和日干物质积累量之间存在显著的指数相关关系，回归拟合后其决定系数平均值分别为R₀²=0.88（P < 0.05）、R₂₂₅²=0.80（P < 0.05）、R₄₅₀²=0.75（P>0.05），C₀处理相关系数高于C₂₂₅和C₄₅₀处理。蕾期不同处理棉花干物质日积累量依次为0.14、0.12、0.10 g·株^-1，日平均耗水量为3.71、3.25、3.22 mm，随后干物质日积累和日耗水量曲线斜率明显增大，盛铃期达到最大，干物质日增重达到0.35、0.32、0.33 g·株^-1，日均耗水量为5.66、5.42、5.06 mm，吐絮期干物质积累和日耗水量开始下降。分析表明残膜量越大，日均耗水量越小，干物质日增重量越少。

2.5 残留地膜对产量及产量构成因素的影响

由表 7可知，与C₀处理相比，C₂₂₅和C₄₅₀处理两生长季籽棉产量分别减少了4.9%和8.7%，成铃数分别降低了8.7%和13.1%，单铃质量依次减少0.2 g和0.3 g，且均与C₀处理有显著性差异，而衣分受残膜影响未达到显著水平，最终残膜显著降低了籽棉产量。上述结果表明，残膜不利于提高籽棉产量、单株成铃数和单铃质量，而对棉花衣分无影响。

2.6 残留地膜对水分利用效率的影响

不同残膜处理下棉田水分利用效率如表 8所示。各处理水分利用效率无显著性差异，但均随残膜量的增大呈现降低的变化趋势。C₂₂₅和C₄₅₀处理水分利用效率较C₀处理依次降低了2.9%和5.6%，耗水降低了3.4%和4.5%，产量降幅最高达到9.8%。这一结果表明，残膜虽然能降低耗水量，却以牺牲产量作为代价。综合分析两年试验数据，随着残膜量的增加，棉花总耗水量呈下降趋势，棵间蒸发量增大，无效耗水所占比例增大，水分利用效率降低，导致减产。

3 讨论 3.1 残膜对棉田耗水特性及棵间蒸发过程的影响

棉田耗水特性是反映棉田水分消耗的主要形式，而土壤蒸发是造成土壤水分大量损失的主要途径，也是衡量无效耗水的重要指标，关于残膜对棉田蒸发耗水的影响研究较少。本试验于2014—2015年通过测定3种残膜处理下棉田的耗水特性及棵间蒸发量表明，残膜影响了不同生育时期的阶段耗水量及耗水模数，随残膜量的增加，各处理棉花全生育期总耗水量虽差异不显著，但呈降低的变化趋势，且生育前期的耗水模数逐渐降低，表明残膜降低了作物的耗水量，明显抑制了生育前期的耗水需求。C₄₅₀处理棵间蒸发量显著高于C₀处理，表明残膜量越大，无效耗水越多。这可能是由于残膜使得土壤孔隙度减小，土壤容重增大，阻碍了残膜以上水分的下渗，使更多的水分以无效耗水的形式散失。这一结果不同于牛文全等^[14]在室内土柱试验条件下研究的残膜对土壤累积蒸发量的影响，其认为随残膜量增加，土壤累积蒸发量减小，而蒸发系数增大。这可能是由于残膜在土壤中存在的位置、分布形态，不同土壤质地、土壤温度下残膜对水分分布及试验环境的差异性造成的。本试验条件下，残膜降低了农田耗水量，增加了土壤表层无效蒸发，不利于水分的有效利用。因此，今后应加强残膜对棉田耗水分配特性的影响研究，为降低残膜危害、提高水分利用效率提供理论依据。

3.2 残膜对棉花干物质积累与分配的影响

残膜阻碍了植株不同生育期生物量的积累，使棉花地上、地下部生长不平衡^[25]。本试验得到类似的结果，表明残膜导致干物质积累量减少，产量降低。与无残膜处理相比，C₄₅₀处理各生育时期干物质积累量和收获期干物质在各器官中的分配量均显著降低，干物质量积累进入快速增长期的起始日、结束日和最大生长速率出现日均推后了4~7 d，说明残膜延缓了干物质进入快速积累期的时间，不利于干物质在快速增长期的积累，阻碍了棉花向生殖生长的转变。前人研究认为^[26-28]，在作物的生长发育和产量形成过程中，通常都是先影响根系的生长分布，然后对地上部起作用进而影响产量。董合干等^[15]认为，残膜阻碍了根系的生长，造成根系表面积和根冠比异常，根系生产力降低，导致棉株水分、养分的吸收能力降低；残膜对根系具有明显的抑制作用，造成根系弯曲^[29]，根系活力降低，根重随地膜残留量的增加而减小。本研究中，C₂₂₅和C₄₅₀处理干物质在根中的分配量及分配比例显著低于C₀处理，结合日干物质积累量与日均耗水量的相关分析，发现二者呈指数型增长，即残膜量越大，日均耗水量越小，干物质日增重量越少，进一步说明了残膜降低耗水强度，从而不能满足生育期形成干物质的耗水需求，影响了棉花的生产潜力，不利于棉花干物质的积累和籽棉产量的提高。

3.3 残膜对棉花产量及水分利用效率的影响

前人研究表明^{[25, 30]}，残膜与单株铃数、单铃重和产量呈负相关，与本文研究结果一致。本研究进一步表明，残膜量为450 kg·hm^-2时，籽棉产量下降8.7%，单株成铃数和单铃质量分别减少0.8个和0.3 g。关于残膜对棉田水分利用效率的影响研究较少，本研究发现，C₂₂₅和C₄₅₀处理水分利用效率较C₀处理分别降低了2.9%和5.6%，籽棉产量随残膜量增加呈下降趋势。虽然本研究是两个生长季的试验结果，且有一定的规律性，但残膜对作物耗水特性及干物质积累的影响仍需要在不同的作物种类及气候类型下进一步验证，本研究未开展残膜对棉花根系形态与吸水性能的研究，对此，将在今后的研究中进一步完善。

4 结论

本研究采用微区控制性模拟试验，残膜含量为0~450 kg·hm^-2。试验条件下，随着残膜量的增加，棉花生育总耗水量呈下降趋势，棵间蒸发量增大，无效耗水比例升高，其中生育前期耗水模数下降明显。随着残膜量的增加，干物质积累速率降低，快速积累期缩短，残膜降低了干物质积累量、根冠比和营养器官干物质分配比例，降低了水分利用效率，导致减产。