地膜覆盖技术在增温抗寒、保墒蓄水、防治杂草等方面发挥着重要的作用^[1-2]，随着地膜使用量和地膜覆盖面积的不断增加，残留在土壤中的碎片越来越多，残膜导致的“白色污染”给农业生产和环境带来严重的危害^[3-4]。据统计，过去30年大约20 Mt地膜已经投入使用，2 Mt的残膜被遗留在土壤中，我国主要覆膜区域的平均地膜残留量为50~260 kg·hm^-2。

土壤中的残留地膜具有韧性和延展性，与作物根系直接接触，对作物根系的生长发育势必会造成影响。李青军等^[5]研究发现当残膜量小于900 kg·hm^-2时，棉花根系的生长呈现出适应性变化，在耕作层残膜使棉花的根表面积、根长密度、根干重和根冠比增加。刘建国等^[6]研究发现随着覆膜年限增加，残膜破碎度增加，丛生型和鸡爪型的棉花根系形态呈现先增加后下降的变化趋势。解红娥等^[7]研究发现残膜对直根系作物棉花的产量影响较小，对须根系作物玉米的产量影响较大。高青海等^[8]通过盆栽试验研究发现，土壤中残留地膜降低了根系鲜重、根系活力等，严重抑制了番茄幼苗的生长。

根系生理指标包括根系活力、过氧化氢酶、过氧化物酶等。作物的根系活力高，根系的各种生理生化代谢较为旺盛，吸收水分和养分的能力提高，从而保证了作物正常生长发育。过氧化物酶（POD）是一种含铁的蛋白质，对植物呼吸代谢有重要作用^[9]。过氧化氢酶（CAT）可还原细胞产生的H2O2，防止其积累。目前关于残留地膜对作物根系生理的影响研究较少，本文通过选取棉花和玉米两种不同根系的作物（玉米为须根系作物，侧根数量多；棉花根系为直根系作物，主根发达，侧根细）来进行残膜盆栽试验，研究不同残膜量对棉花和玉米幼苗时期的根系形态和根系生理的影响，从残留地膜对作物根系生理的响应来阐释残膜对作物根系的影响机理，并比较2种作物幼苗在残膜胁迫时，根系生长和根系生理的差异，并明确残膜对2种作物根系影响差异显著的残膜量临界值。

供试作物为玉米和棉花，相应品种分别为新陆早48号和宁玉524。试验用土取自农业部旱作节水寿阳野外观测站，土壤质地为砂壤土，其供试土壤理化性质见表 1 ^[10]。将土样风干后过2 mm筛备用。每盆装土16 kg，沙土比为5:3，即土10 kg，沙子6 kg。

表 1　供试土壤的理化性质 Table 1　Soil physical and chemical nature

表选项

采用直径30 cm，高为20 cm的柱形花盆。参考Yan等^[11]全国残膜调查，将试验设置7个处理，分别为T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6，分别代表土壤残膜量为0、90、180、360、540、720、900 kg·hm^-2，2种作物的残膜处理分别设置4个重复。

根据花盆的横截面积和土壤中地膜的大小^[11-12]，将地膜裁剪成面积为25~50 cm²和0~25 cm²两类，根据严昌荣等^{[11, 13]}的残膜分布调查，将面积25~50 cm²和0~25 cm²两类残膜的质量比例设置为7:3，按上述要求将残膜均匀混入土壤中，各处理均拌入氮131 kg·hm^-2 CO（NH₂）₂。

播种前先透灌花盆，放置2 d后，每个花盆播入5粒种子，每个处理种植20棵，待幼苗长到3叶1心时，留出2棵长势好的植株，置于旱棚中。定植后45 d，选取生长一致的6株植株，把整盆土壤及植株幼苗脱盆，用清水反复冲洗根系直至干净，擦干后，装入自封袋，3份贮存于4 ℃冰箱冷藏室，用于根系形态的测定。取3份根鲜样测定其根系活力，并将测定剩余样品贮存于-80 ℃冰箱中，用于根系生理特性指标的测定。

根系形态：采用Epson Perfection V700 Photo型根系扫描仪，将得到的根系照片用WinRHIZO分析根长、根表面积以及根平均直径等。

根系活力的测定采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法^[15]。CAT活性的测定采用紫外分光光度计法^[16]；POD活性的测定采用愈创木酚法^[17]。

采用单因素方差分析及LSD置后检验来确定各处理的指标差异显著性（P=0.05）。应用SAS 9.0软件进行各参数的均值比较，采用Sigmaplot 12.0绘制图表。

残膜的存在会影响苗期棉花和玉米的生长^[5-7]，苗期棉花和玉米的株高及叶面积的变化如图 1所示，随着残膜量的增加，棉花株高和叶面积呈现先增加后降低的趋势。残膜量在90 kg·hm^-2时棉花株高达到最大，为50.4 cm，与其他处理差异显著（P < 0.05）。T2、T3、T4处理与T0相比差异不显著，残膜量在900 kg·hm^-2时株高达到最小，为35.2 cm，与其他处理差异显著（P < 0.05）；破盆取根时棉花的叶面积T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6分别为418.7、450.9、466.1、413.3、398.4、370.4、277.0 cm²，残膜量在180 kg·hm^-2时叶面积达到最大，T2与T0、T1、T3差异不显著，与T4、T5、T6差异显著（P < 0.05）。随着残膜量的增加，玉米株高和叶面积呈现逐渐降低的趋势。无残膜时玉米株高和叶面积达到最大，分别为111.5 cm和1 853.5 cm²，与其他处理差异显著（P < 0.05），残膜量在900 kg·hm^-2时株高和叶面积达到最小，与其他处理差异显著（P < 0.05）；T1株高与T2、T3差异不显著，与T4、T5差异显著；T1叶面积与T2差异不显著，与T3、T4、T5差异显著。

不同小写字母表示处理间差异显著（P < 0.05）。下同 Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P < 0.05). The same below 图 1 残膜对苗期棉花和玉米生长的影响 Figure 1　Effect of residual films on growth of cotton and maize in seedling stages

图选项

苗期棉花和玉米根系形态的变化如图 2所示，随着残膜量的增加，苗期棉花单株总根长、根表面积呈现先增加后降低的趋势。残膜量在180 kg·hm^-2时棉花根长和根表面积达到最大，分别为642.04 cm和459.00 cm²，T2总根长与其他处理差异显著（P < 0.05），T1、T3与T0差异不显著，T2根表面积与T0、T1、T3差异不显著，残膜量在900 kg·hm^-2时根长和根表面积达到最小，分别为363.77 cm和263.77 cm²，T6总根长与T0、T1、T2、T3差异显著（P < 0.05），与T4、T5差异不显著。随着残膜量的增加，苗期玉米单株总根长和根表面积呈现先增加后降低的趋势。残膜量在90 kg·hm^-2时苗期玉米总根长和根表面积达到最大，分别为1 536.53 cm和2 013.11 cm²，总根长T1、T2分别与T0差异显著（P < 0.05），T3、T4分别与T0差异不显著，根表面积T1与T0、T2差异不显著，残膜量在900 kg·hm^-2时总根长和根表面积达到最小，总根长T6与T0、T1、T2、T3差异显著（P < 0.05），与T4、T5差异不显著。根表面积T6与T0、T1、T2差异显著。

图 2 残膜对苗期棉花和玉米根系形态的影响 Figure 2　Effect of residual films on root growth of cotton and maize in seedling stage

图选项

不同残膜梯度下苗期棉花和玉米干物质的变化见表 2。棉花的地上部干重和地下部干重随着残膜量的增加先增加后降低，残膜量在180 kg·hm^-2时棉花地上部干物质达到最大，但与T0、T1、T3差异不显著，与T4、T5、T6差异显著。随着残膜量的增加，玉米地上部干重逐渐降低，无残膜时地上部干重达到最大，与其他处理差异显著（P < 0.05），残膜量在900 kg·hm^-2时地上部干重达到最小，与其他处理差异显著（P < 0.05）；T1与T2、T3差异不显著，与T4、T5差异显著。玉米地下部干重随着残膜量的增加先增加后降低，残膜量在180 kg·hm^-2时玉米地下部干物质达到最大，为2.94 g·株^-1，与T0、T1差异不显著，与T3、T4、T5、T6差异显著。

表 2　残膜对苗期棉花和玉米干物质的影响 Table 2　Effect of residual films on dry matter of cotton and maize in seedling stage

表选项

苗期棉花和玉米根系生理的变化如图 3所示，随着残膜量的增加，苗期棉花的根系活力、CAT和POD活性呈现先增加后降低的趋势。残膜量在90 kg·hm^-2时根系活力达到最大，为0.54 mg·g^-1FW·h^-1，与其他处理差异显著。T2与T0差异不显著，与T3、T4、T5、T6差异显著。残膜量在180 kg·hm^-2时CAT和POD活性达到最大，分别为0.003 6 μmol·g^-1FW·s^-1和1.19 μmol·g^-1FW·s^-1，CAT活性T2与T0、T3、T5、T6差异显著，与T1、T4差异不显著；POD活性T2与T0、T1差异不显著，与T3、T4、T5、T6差异显著。

图 3 残膜对苗期棉花和玉米根系生理的影响 Figure 3　Effect of residual films on physiological feature of cotton and maize root in seedling stage

图选项

随着残膜量的增加，苗期玉米的根系活力、CAT和POD活性呈现先增加后降低的趋势。残膜量在90 kg·hm^-2时根系活力和POD活性达到最大，分别为0.412 mg·g^-1FW·h^-1和1.576 μmol·g^-1FW·s^-1，与其他处理差异显著。根系活力T2、T4、T5、T6与T0差异显著；POD活性T2、T3、T4、T5、T6与T0相比显著降低。残膜量在180 kg·hm^-2时CAT活性达到最大，为0.003 5 μmol·g^-1FW·s^-1，与其他处理差异显著；T1、T3与T0差异显著，T4与T0差异不显著，T5、T6与其他处理差异显著。

本文通过设置7个残膜梯度，研究了残留地膜对棉花和玉米苗期根系形态和生理的影响。株高和叶面积是反映作物发育强度的重要指标，残膜的存在会影响作物的发育。辛静静等^[14]研究发现残膜梯度为180、360 kg·hm^-2和720 kg·hm^-2的玉米在苗期株高分别比无残膜处理低3.3%、11.9%和16.8%，并认为残膜对苗期玉米叶面积影响明显。而本文研究结果表明残膜在0~540 kg·hm^-2范围内对苗期棉花的株高和叶面积不会造成显著降低的影响，随着残膜量的增加，苗期玉米株高和叶面积呈现逐渐降低的趋势。棉花株高和叶面积从900 kg·hm^-2残膜梯度开始显著降低；玉米株高和叶面积在90 kg·hm^-2残膜梯度下开始显著降低。

土壤中的残留地膜具有韧性和延展性，与作物根系直接接触，根系在生长过程中难以穿透残膜，进而残膜会影响根系的生长发育。根系形态指标直接反映了根系的生长状况，本文研究表明苗期棉花的根系根长和根表面积在180 kg·hm^-2出现最大值，苗期玉米根系根长和根表面积在90 kg·hm^-2出现最大值，说明适量的残膜能够刺激根系形态的生长，根系产生适应性变化，这与李青军等^[5]、刘建国等^[6]、解红娥等^[7]的研究结果一致，残膜量超过180 kg·hm^-2，根系形态指标随残膜量的增加逐渐降低，苗期棉花在540 kg·hm^-2梯度上的根表面积显著降低，苗期玉米在360 kg·hm^-2梯度上根长和根表面积显著降低。

苗期棉花和玉米的根系活力、CAT活性和POD活性随着残膜量的增加都呈现先增加后降低的变化趋势，最大值出现在90 kg·hm^-2或180 kg·hm^-2这两个残膜梯度上，说明残膜量在90~180 kg·hm^-2区间内，残膜会增加作物苗期根系生理活性，苗期棉花POD活性从360 kg·hm^-2残膜梯度起显著降低，苗期玉米POD活性从180 kg·hm^-2残膜梯度开始显著降低。另外棉花根系活力在360~900 kg·hm^-2残膜范围内过小，是因为开始取根时，流水冲掉的根系较多，使得取到的根尖数量较少，以致测定其根系活力时选根不足，属于操作上的失误。

残膜对苗期棉花和玉米根系生理指标的影响，表明适量的残膜会提高根系抗逆性酶的含量，进而刺激根系的生长，根系产生适应性变化，使根系根长和根表面积增加，进而提高地上部的株高、叶面积和干物质。比较苗期棉花和玉米生长和根系生理指标，苗期棉花的开始显著降低的残膜梯度大于苗期玉米，这可能是因为玉米是须根系作物，苗期须根多，在土壤中的伸展范围广，与残膜接触的程度大，受残膜影响大；而棉花是直根系作物，苗期侧根细小，主根发达，故受残膜的影响小（图 4）。

图 4 棉花和玉米根系照片 Figure 4　Root pictures of maize and cotton

图选项

（1）在0~540 kg·hm^-2残膜量范围内，残膜对苗期棉花的株高和叶面积不会造成显著降低的影响；随着残膜量的增加，苗期玉米株高和叶面积逐渐降低，在90 kg·hm^-2残膜梯度下开始显著降低。

（2）随着残膜量的增加，棉花和玉米的根系形态和生理指标都呈现先增加后降低的趋势，根长和根表面积以及根系活力、过氧化物酶和过氧化氢酶活性的最大值出现在90 kg·hm^-2或180 kg·hm^-2残膜梯度上。残膜量在90~180 kg·hm^-2区间内，残膜会作为一种适度胁迫，作物苗期根系会主动进行适应性的生长，超过该范围残膜会对作物根系的生长造成阻碍作用。

（3）两种不同根系的作物，对残膜具有不同的响应，苗期棉花的生长和根系生理指标开始显著降低的残膜梯度大于苗期玉米。