滴灌条件下番茄水热与光合速率对不同残膜量的响应研究

李卓然，马娟娟，郑利剑，，郭向红，张雯宇，陈金平

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站，河南 商丘 476000）

0 引 言

滴灌是目前有效的节水灌溉方式之一，灌溉水有效利用率达90%以上。自引入我国后结合地膜覆盖手段，形成了兼具节水增产、提质增效、增温保墒、防虫抗病为一体的膜下滴灌技术［1-3］。经过三十余年的推广应用，膜下滴灌技术也暴露出不可忽视的问题。随着膜下滴灌面积与单位面积内地膜使用量的不断增长，回收技术落后导致的残膜污染问题越发严重，有研究表明，当前农田地膜回收率不足60%［4］。土壤中残膜不断增加会导致土壤板结、降低入渗率、土壤水分运动速度减慢［5，6］；农业生产活动中常见的作物，如小麦、玉米、棉花等生长发育均收到严重影响［7-9］。残膜的存在还易导致作物根系产生畸形的可能［10］；同时，土壤中的地膜残留可使作物大幅减产［11，12］。光合作用是植株物质积累赖以存在的基础，光合能力也影响了作物最终产量［13］。残膜的存在导致作物根区环境改变，迫使根系畸形生长，最终潜在影响光合作用强弱［14］。目前的研究多集中于土壤水分、生长、产量等直观体现残膜影响的思路上，而利用通径分析方法从光合特性角度阐释残膜影响的研究较少。因此，本课题在大棚种植基础上研究了膜下滴灌条件番茄叶片光合特性对不同残膜量的响应，并运用相关分析、通径分析进一步说明影响番茄叶片光合速率的因素，探究以叶片光合速率为评价指标的残膜量合理范围，为今后全面阐述残膜危害、合理利用含残膜土地提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验开展于山西省农科院阳曲旱地研究中心河村基地，该地属温带半干旱大陆性季风气候，多年平均降雨量441.2 mm，主要集中在7-8月。多年平均气温5～7 ℃，昼夜温差大。试验区土壤质地为黄土质淡褐土，耕层容重为1.49 g/cm3，有机质含量10.65 g/kg，全氮1.18 g/kg，速效磷29.85 mg/kg，速效钾140.50 mg/kg。试验期间棚内日均气温、日均湿度如图1所示。

图1 试验期间日均气温及日均湿度Fig.1 Average daily temperature and humidity during the experiment

1.2 试验设计

番茄定植为2020年5月26日，结束时间为2020年9月10日。试验小区面积7.2 m2，采用一垄两管两行种植方式，垄宽80 cm，沟宽40 cm，株距50 cm，种植示意图如图2所示。由于该试验区域常年采用膜下滴灌方式进行种植，在实地调查基础上，采用五点法确定种植地块地膜残留量，每个取样点大小0.5 m×0.5 m，残膜大小按照＜25 cm2，25～100 cm2，＞100 cm2分别对每个样点残膜数量与质量进行统计。经分析，确定设施番茄土壤农膜残留量为40 kg/（hm2·a），残留主要为0～30 cm 土层。试验前将土壤中原有残膜捡拾净，通过人工分类，将面积为＜25 cm2，25～100 cm2，＞100 cm2的残膜按照86.5%、13.5%、0%的实际统计比例混入30 cm 土壤中。试验残膜量设计5 个水平，分别为0 kg/hm2（T1）、200 kg/hm2（T2）、400 kg/hm2（T3）、800 kg/hm2（T4）、1 600 kg/hm2（T5），共5个处理，每个处理3组重复。各处理灌溉量为1 300 m3/hm2，氮肥、磷肥、钾肥施用量分别为350、200、400 kg/hm2。

图2 番茄种植示意图（单位：cm）Fig.2 Tomato planting schematic diagram

1.3 测定内容及方法

本次研究中测试指标包括光合速率、气孔导度、SPAD、土壤含水率、棚内温、湿度及地温。

番茄叶片光合速率、气孔导度、SPAD 于每个生育内测定，采用Li6400 便携式光合仪，测定日9∶00 至11∶00 对番茄植株上、中、下部长势一致的健康叶片进行测定，每个处理进行3 次重复测定。SPAD 于测定光合作用时同时测定。棚内温度与湿度由小型气象站自动记录。土壤地温由自动地温仪记录，每10 cm一层，共3层，后取平均值作为0～30 cm地温。土壤含水率于光合速率测定当日同时测定，每10 cm 一层，共5层，每层3次重复，取平均值作为土壤平均含水率。

1.4 数据分析

采用SPSS19.0、Excel、Origin2021对实验数据进行数据处理与绘图。

2 结果与分析

2.1 不同残膜量对土壤水热的影响

2.1.1 残膜量对土壤地温的影响

图3表示不同生育期各处理0～30 cm土层地温日变化。

由图3可知，开花坐果期、果实膨大期、成熟期地温0∶00 至24∶00 逐时变化呈“S”型变化，最低温度通常出现在6∶00，开花坐果期最高温度出现在12∶00，果实膨大期与成熟期最高温度出现在16∶00。除苗期外，残膜量变化可明显提高地温［图3（b）、（c）、（d）］且残膜量越多，日地温越高。

图3 各残膜处理0～30 cm土层不同生育期地温日变化Fig.3 Average daily ground temperature of each treatment during the experiment

苗期时T1 处理0～30 cm 土壤日均地温高于其余4 种处理。含残膜处理中，T4 处理日均地温最低，仅为24.06 ℃，日均地温较T1 处理低3.93 ℃。T1～T5 处理日地温最低值出现在0∶00 前后，T2处理日变化幅度较大，地温最高值与最低值相差2.86 ℃。开花坐果期T4 处理地温明显低于其余处理，平均日地温较T5处理低2.41 ℃。果实膨大期与成熟期地温变化规律相似，日平均地温最低值均出现在T1 处理，特别是在地温最高的16∶00时，果实膨大期与成熟期T1 处理较T2～T5 处理平均地温低1.06、0.96 ℃。土壤温度出现随残膜量增加而增加这一现象，是由于残膜对土壤热通量交换起到一定阻碍作用，残膜量越多阻碍作用越强，导致0～30 cm 土壤无法有效与下层进行热交换运动，因而地温会随着残膜量增加产生上升趋势。覆膜是提高土壤温度的有效手段，残膜的存在类似于对土壤内部进行二次覆膜，使得土壤温度明显提高。

2.1.2 土壤水分时空变化特征

图4表示生育期内T1 至T5 处理土壤含水率时空动态变化过程。在番茄生育期的108 d内，0～50 cm 土壤水分分布规律较明显。尤其是在果实膨大期至成熟期（移栽后42～108 d），含残膜处理较无残膜处理变化明显，可有效增加30 cm 土层含水率。苗期时（移栽后1～20 d）各处理土壤0～50 cm 土层含水率无明显变化，均处于较高值。随着作物生长，需水量逐渐增加时，由图4可见T1处理40～50 cm耕层水分高于T2～T5处理。与T1相比，T2～T5 处理30 cm 土层水分会不断上升，而40～50 cm 土层含水率不断降低。相对T2、T3 处理，残膜量较高的T4、T5 处理耕层水分又会有所提升。通过含水率时空动态变化图可直观发现，残膜会造成土壤含水率空间分布不均匀，水分主要聚集在30 cm土层，造成0～20 cm耕层可利用水减少，影响作物生长。

图4 各残膜处理生育期含水率变化Fig.4 Variation of moisture content during growth period of each residual film treatment

2.2 残膜对番茄叶片光合速率、气孔导度、SPAD 的影响

不同残膜量对叶片光合速率、气孔导度、SPAD 的影响见表1。由表1可知，各残膜处理生育期内叶片光合速率表现为随时间推移光合速率呈降低趋势。至成熟期，相对苗期各残膜处理光合速率下降幅度分别为65.56%、57.38%、51.49%、78.99%、76.62%，残膜量为800～1 600 kg/hm2时叶片光合速率受到影响最为明显，相比其余处理下降幅度较大且均超70%。相同生育期内，除苗期与成熟期外光合速率基本表现为随残膜量的增加先增加、后降低，并在残膜量达到800 kg/hm2时显著高于其余处理。除成熟期外，其余生育期光合速率最低值基本出现在无残膜处理或残膜量较低时。结合上文地温变化规律可发现，当土壤温度提升时，净光合速率产生明显提高，以往的研究同样表明土壤温度升高可增强作物光合速率［15］。

表1 各生育期叶片光合速率。气孔导度、SPAD变化Tab.1 Changes of Leaf Photosynthetic Rate，Stomatal conductivity，SPAD at Different Growth Stages

随着残膜量的增加气孔导度在苗期和果实膨大期表现为先降低后增加；开花坐果期与成熟期表现为先增加后降低，并在残膜量为200 kg/hm2时显著提升气孔导度，且相较无残膜处理分别提高25%、51.72%。整个生育期各处理变化趋势明显，均表现出下降规律，至成熟期，各处理气孔导度下降幅度分别为54.46%、29.03%、47.06%、56.36%、64.18%。

不同残膜量对开花坐果期与成熟期叶片SPAD 产生显著影响，当残膜量为800kg/hm2时，SPAD 相比无残膜处理提高1.86%与6.77%。完整生育期内各处理SPAD呈上升趋势，并在果实膨大期达到最大。SPAD 增长幅度随着残膜量的增加而降低，当无残膜时，增长幅度最大，达到26.07%，其余处理分别为19.34%，24.93%，19.74%，13.86%。

2.3 光合速率与影响因素相关性分析

将番茄叶片光合速率（X1）与气孔导度（X2）、SPAD（X3）、残膜量（X4）、气温（X5）、相对湿度（X6）、地温（X7）、平均含水率（X8）进行相关分析，结果如图5所示。

图5 番茄叶片光合速率与各影响因素间相关系数图Fig.5 Correlation coefficient diagram between photosynthetic rate and influencing factors in tomato leaves

由图5并结合相关分析结果可知，番茄叶片光合作用与多数影响因素呈现显著相关。其中，番茄叶片光合速率与气孔导度、地温、平均含水率呈现极显著正相关关系，相关系数由大到小依次为气孔导度、地温、平均含水率，最大达到0.819；与SPAD、湿度呈现极显著负相关关系，其相关系数分别为-0.408，-0.384。针对外界环境因素，叶片光合速率与相对湿度呈现极显著负相关，与地温呈现极显著正相关，但不会受到气温的影响。

平均含水率、地温与残膜量呈显著相关（相关系数分别为-0.254、0.295），这表明了残膜量的变化直接对平均含水率与地温产生影响，与其余因素相对独立，没有直接明显的关联性。残膜量与叶片光合速率间相关性不显著，但结合相关性分析可知，残膜量与地温、平均含水率间存在显著相关，而地温、平均含水率与光合速率间相关系数分别达到0.654、0.408，并呈现显著正相关。由此可见，残膜并不能对光合产生直接的正向作用或逆向作用，而是通过改变地温、土壤含水率间接完成对光合特性的影响。

2.4 逐步多元回归分析

由图5可知，多数影响因素与叶片光合速率产生极显著的相关性。为了进一步探究叶片光合速率与各因素间的相关关系，运用SPSS对叶片光合速率与气孔导度、SPAD等因素进行多元回归分析，结果如表2所示。

表2 番茄叶片光合作用与各影响因素间多元逐步回归分析Tab.2 Multiple stepwise regression analysis on photosynthesis of tomato leaves and its influencing factors

由表2可知，气孔导度对叶片光合速率产生的影响作用最大，地温与平均含水率的影响作用相对较弱，但同为正效应。

2.5 各影响因素对光合特性的通径分析

由于残膜的存在使得土壤环境发生改变，土壤含水率、地温等因素之间易产生相互影响，因此为了进一步解释各因素对叶片光合特性的影响程度并明确各因素内在关系，在相关分析与多元回归分析的基础上进行通径分析，结果如表3所示。

表3 番茄叶片光合速率与影响因素间通径系数Tab.3 Path coefficient between photosynthetic rate of tomato leaves and influencing factors

由表3可知，气孔导度、地温、平均含水率是影响光合特性的主要因素，直接正效应从大到小依次为气孔导度（0.671）＞地温（0.198）＞平均含水率（0.169），气孔导度直接通径系数明显大于总间接通径系数，表明其会通过直接的正效应影响叶片光合速率。通过分析表3中间接通径系数可知，地温与平均含水率的间接通径系数分别为0.453 与0.239，表明地温与平均含水率会间接导致叶片光合速率产生变化，土壤中残膜正是通过改变这两种间接因素从而影响叶片光合速率。综合分析图5与表3可知，除气孔导度、地温、平均含水率等关键影响因素外，其余非关键因素（如SPAD、湿度等）与叶片光合速率也表现为显著相关，表明非关键因素同样会对光合速率产生一定影响。

3 讨 论

光合作用是植株体内最重要的生长代谢过程，同时也是作物干物质积累的首要途径［16］。现有的研究表明，影响光合特性的外界因素包括土壤含水率、土壤养分、气温、灌溉方式等［17-21］。随着地膜的连续使用，使得残留量逐渐增长，最终导致土壤环境发生改变从而影响作物生长［22］。本研究在灌溉量相同条件下，除果实膨大期各处理光合速率存在显著差异外，其余时期残膜量变化对植株光合特性影响较小，这可能是由于种植环境中的气温、光照强度、水分、养分等因素在各个试验处理间皆相同所导致，耿杰［23］的研究结果指出相同灌水量条件下，不同残膜量对玉米幼苗叶片光合作用影响有限。同时随着土壤含水率的变化，叶片净光合速率会出现“山”形波动，这与吴芹［24］的研究结论类似。

根据通径分析结果，所得结论表明残膜量不会对光合起到直接的作用，主导光合作用的最直接因素仍为气孔导度，这与程奇云［25］的研究结果相一致。叶片光合对残膜的响应主要从地温、含水率两方面间接体现。残膜的存在会阻碍土壤中热量的交换，残膜量越多，阻碍作用越强，因而出现果实膨大期与成熟期地温随着残膜量增加而增加现象。已有的研究已表明地温的增加有利于增强叶片光合功能［26］。同时，土壤中残膜对水分的阻滞作用使得土壤水分分布不均匀，根据本研究已有的含水率研究结果表明，各处理生育期内平均含水率分别为14.64%、15.08%、15.25%、15.11%、16.62%，而含水率的变化可导致作物光合速率产生差异性。董合干［27］、李元桥［28］等学者的研究表明土壤在存在残膜会显著降低土壤含水率，而土壤含水率的降低进一步影响了叶片光合速率［29］。综上所述，残膜对作物光合特性的影响主要依靠间接效应完成。一方面，经通径分析后可知主要决定叶片光合速率的仍然为气孔导度。另一方面，残膜对光合速率的影响体现在地温、含水率等间接因素上，通过影响土壤温度与含水率而间接改变作物的光合特性。

4 结 论

（1）0～30 cm 土层日最高地温出现在16∶00，T1 处理苗期平均地温高于其余处理，而开花坐果期、果实膨大期、成熟期均低于其余处理。苗期含水率各处理无明显变化，果实膨大期至成熟期T1 处理0～20 cm 耕层土壤含水率高于其余处理，而30 cm土层含水率随残膜量的增加而升高。

（2）不同残膜量对叶片光合速率、气孔导度、SPAD 均产生明显影响。整个生育期内，光合速率与气孔导度呈现下降趋势，而SPAD 表现为先上升后降低。残膜量为800 kg/hm2时，叶片光合速率显著高于其余处理，残膜量为200 kg/hm2时，气孔导度出现峰值，当残膜量大于400 kg/hm2时，SPAD发生明显增长。

（3）相关性研究结果显示，气孔导度、SPAD、相对湿度、地温、平均含水率与光合速率间表现为极显著相关，残膜量、气温与叶片光合速率间相关性较低。残膜与地温、土壤平均含水率表现出显著相关性，并且主要通过地温、含水率间接影响叶片光合速率。

（4）通径分析结果表明，对叶片光合速率产生直接正效应影响的因素由大到小分别为气孔导度（0.626）、地温（0.340）、残膜量（0.147）。同时，基于正效应影响因素的光合速率多元回归方程拟合优化度为0.748。