可降解地膜對(duì)土壤保溫保濕及棉花生長(zhǎng)的影響

韓冬梅，虎膽·吐馬爾白，王振華

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

新疆深處歐亞大陸腹地[1]，屬于典型的溫帶大陸性氣候，干旱少雨[2]。地膜覆蓋栽培技術(shù)因其具有顯著的增溫、保墑、減蒸、抑鹽[3]、抑制雜草[4]及提高光效[5]等諸多優(yōu)點(diǎn),已成為目前中國(guó)棉花生產(chǎn)的主要種植模式。20世紀(jì)末新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)(以下簡(jiǎn)稱“兵團(tuán)”)引進(jìn)了國(guó)外的滴灌技術(shù)，與兵團(tuán)原有的覆膜技術(shù)相結(jié)合，通過實(shí)驗(yàn)研究形成了適用于新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的膜下滴灌技術(shù)，并在兵團(tuán)乃至新疆逐步推廣起來(lái)[6]，截止到2014年，新疆膜下滴灌總面積已達(dá)到250 萬(wàn)hm2以上[1]；同時(shí)許多研究也表明，覆蓋地膜顯著地降低出苗至幼苗期耕層土壤鹽分含量，改善根區(qū)土壤水熱狀況，提高成苗率[7]，促進(jìn)棉花由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化[8]，提高棉花產(chǎn)量[9]。但由于經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)條件的限制，新疆普遍采用具有較高穩(wěn)定性和降解速度非常緩慢的聚乙烯[(C2H4)n]或聚氯乙烯[-(CH2-CHCl)n-]地膜，該地膜據(jù)相關(guān)研究表明降解時(shí)間需要100 a的時(shí)間[10]，隨著膜下滴灌年限的增長(zhǎng)，殘膜不能完全回收所造成的成土壤“白色污染”，嚴(yán)重破壞著農(nóng)田生態(tài)環(huán)境與土壤環(huán)境[11-15]，同時(shí)也影響和制約著新疆農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[16]。

降解地膜是為適應(yīng)社會(huì)對(duì)于環(huán)境保護(hù)的需要而產(chǎn)生的一種新型地膜，相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)外引起極大的關(guān)注，其具有與普通膜相似的增溫、保墑、減蒸、抑鹽的效果[17]，既可減少殘膜回收工序，還可自然降解，從源頭上減少殘膜在農(nóng)田的用量[18]，解決農(nóng)田殘膜污染問題。降解地膜覆蓋對(duì)于滴灌棉花土壤保溫保濕及棉花生長(zhǎng)影響的研究成果相對(duì)較少，本試驗(yàn)研究根據(jù)新疆特殊氣候條件，用降解地膜代替塑料地膜應(yīng)用到膜下滴灌棉花上，尋求減少白色污染、保護(hù)棉田生態(tài)環(huán)境的有效途徑，以期為新疆膜下滴灌棉花可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本次灌溉試驗(yàn)于2015年4-10月在石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站暨現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(86°03′27″E，44°18′25″N)開展，該試驗(yàn)站位于新疆維吾爾自治區(qū)第八師石河子市郊區(qū)，屬于典型的溫帶大陸性氣候，海拔451.25 m，平均地面坡度0.56%，根據(jù)試驗(yàn)站TRM-ZS1氣象生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算出試驗(yàn)站年均日照時(shí)長(zhǎng)2 863 h，其中大于10 ℃積溫為3 472.3 ℃，大于15 ℃積溫為2 958.4 ℃，年均蒸發(fā)量1 660 mm，年均降雨量215 mm，無(wú)霜期170 d，根據(jù)試驗(yàn)站地下水觀測(cè)井長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)地下水位，多年地下水平均埋深大于10 m。通過土壤剖面環(huán)刀法測(cè)得該區(qū)土壤為中壤土，各深度土層的土壤容重及田間持水率(體積含水率，下同)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)地土壤容重及田間持水率統(tǒng)計(jì)表

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

裸地對(duì)照組(CK)，覆蓋普通塑料地膜(MF，膜厚0.010 mm)，采用新疆天業(yè)公司生產(chǎn)的聚乙烯普通塑料地膜；3種完全生物可降解地膜(BMF1～BMF3，膜厚均為0.010 mm)，由廣州金發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)，主要成分為共聚酯(己二酸丁二醇酯-對(duì)苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)，是一種新型可降解共聚酯，兼具PBT和PET的性能，其主要區(qū)別在于共聚酯的比例，其主要影響可降解地膜的穩(wěn)定性。以上可降解地膜均可由自然界存在的微生物如細(xì)菌、霉菌(真菌)和藻類的作用而引起降解(無(wú)需人工添加劑)，降解后產(chǎn)生天然物質(zhì)，如水、二氧化碳和生物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)材料特性見表2。膜下滴灌所用單翼迷宮式滴灌帶由新疆天業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司生產(chǎn)，滴孔間距30 cm，滴頭設(shè)計(jì)流量2.6 L/h。

表2 實(shí)驗(yàn)材料特性表

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與過程

采用大田試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)規(guī)格40 m×4.5 m=180 m2(長(zhǎng)×寬)，設(shè)置裸地種植(CK),覆蓋普通塑料地膜(MF)作為對(duì)照組,以及3種完全生物降解地膜(BMF1～BMF3)處理，共5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)之間設(shè)置保護(hù)區(qū)，供試棉花品種采用“新陸早48號(hào)”；2015年4月27日采用“干播濕出”方式播種棉花種植模式是一膜兩管四行，種植方式30 cm+60 cm+30 cm，見圖1。

圖1 滴灌棉花布置形式(單位：m)

試驗(yàn)區(qū)面積總約0.108 hm2，由一條支管控制，上接施肥罐隨水施肥，灌溉抽取試驗(yàn)站深層地下水于蓄水池中，再由水泵從蓄水池種抽水灌溉，其礦化度約1.3 g/L，所有處理均采用干播濕出，各小區(qū)施肥均按照磷酸鉀銨和尿素質(zhì)量比為1∶2的比例進(jìn)行施肥，灌溉小區(qū)通過小型施肥罐進(jìn)行滴灌隨水施肥，施肥量均為832 kg/hm2，常規(guī)灌溉小區(qū)共灌水13次，其中苗期灌水2次，灌水定額18.5 mm，花鈴期灌水9次，灌水定額為38 mm，盛鈴期后，灌水2次，灌水定額18 mm，全生育期灌溉定額415 mm。所有處理的園藝與化控等措施保持一致。

1.4 測(cè)定方法

通過卷尺測(cè)量各處理正常生長(zhǎng)的棉花5株，從子葉節(jié)量至頂葉的高度，取其平均值作為株高；通過葉面積儀在各生育期內(nèi)測(cè)定選取有代表性的樣株5株，求平均值即單株葉面積；通過土鉆分別在各處理滴頭正下方取出20、40、60 cm深度土樣，采用烘干法測(cè)定土壤含水率w(質(zhì)量含水率)；采用曲管地溫表測(cè)量每天10∶00-20∶00時(shí)，每隔2 h讀取5、10、15、20、25 cm土層溫度。使用DDS-307電導(dǎo)率儀測(cè)定0～160 cm土層土壤電導(dǎo)率并轉(zhuǎn)換為土壤含鹽量；各處理單獨(dú)計(jì)算實(shí)際產(chǎn)量；氣象數(shù)據(jù)由灌溉試驗(yàn)站TRM-ZS1氣象生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與記錄，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)區(qū)氣溫與降雨量動(dòng)態(tài)變化(2015年)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 滴灌條件下可降解地膜覆蓋土壤保溫保濕效果

2.1.1 土壤保濕效果

滴灌條件下不同可降解地膜覆蓋處理蓋對(duì)0～25 cm土層土壤平均水分的影響見圖3。通過圖3可以看出，不同可降解地膜覆蓋處理后每隔10 d測(cè)定一次土壤含水率，結(jié)果表明，不同可降解地膜覆蓋處理BMF1～BMF3土壤含水率較CK處理平均增加了0.6%～0.13%，MF處理土壤含水率較CK處理平均也增加了0.13%，其中，可降解地膜BMF1～BMF3處理0～25 cm平均土壤含水率較普通塑料地膜MF處理僅減少0.03%～0.6%。由此可見，滴灌條件下可降解地膜覆蓋BMF1～BMF3處理土壤保濕效應(yīng)雖然率低于普通塑料地膜MF處理，但要明顯高于裸地CK處理,且差異性顯著。通過圖3還可以看出，在播種后60 d前，可降解地膜覆蓋與普通塑料地膜對(duì)土壤水分的影響差異性較小，分析其原因?yàn)榭山到獾啬み€未到達(dá)其誘導(dǎo)期，之后可降解地膜分別到達(dá)其誘導(dǎo)期出現(xiàn)不同程度的降解，土壤水分的差異性逐漸增大。

圖3 滴灌條件下可降解地膜覆蓋對(duì)0～25 cm土層土壤平均水分的影響

2.1.2 土壤保溫效果

不同可降解地膜覆蓋處理后每隔7 d測(cè)定一次土壤不同土層溫度，由此得出滴灌條件下可降解地膜處理隨時(shí)間變化對(duì)不同土層地溫的影響見圖4，滴灌條件下可降解地膜覆蓋對(duì)不同深度地溫的影響見圖5。由圖4可以看出，各處理不同土層間地溫差異顯著，可降解覆蓋處理均不同程度提高土壤溫度，且其保溫幅度隨著土層的加深而減弱，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而變小?？山到獾啬ぬ幚鞡MF1～BMF3平均較CK處理5、10、15、20 cm增溫5.2%～9.9%、4.8%～9.6%、4.0%～8.5%、3.2%～7.2%，普通塑料地膜處理MF平均較CK處理5、10、15、20 cm增溫9.9%、9.3%、8.6%、7.5%，由此可見可降解地膜的增溫效果在棉花生育前期與普通塑料地膜的增溫效果相近，但由于可降解地膜隨著時(shí)間的增長(zhǎng)出現(xiàn)不同程度的降解，以及各處理棉花葉面積指數(shù)逐漸增大，遮擋了太陽(yáng)輻射，這些因素使得各處理對(duì)土壤溫度的影響效果逐漸減弱。結(jié)果表明滴灌條件下可降解地膜與普通塑料地膜在棉花生育前期具有相同的保溫效應(yīng)。其原因與普通塑料地膜相同，即土壤與外界的水分交換被薄膜阻隔。由于土壤微生物的活動(dòng)以及養(yǎng)分的變化會(huì)受到土壤升溫的直接影響，達(dá)到促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育以及養(yǎng)分吸收的效果。

圖4 滴灌條件下可降解地膜處理隨時(shí)間變化對(duì)不同土層地溫的影響

圖5 滴灌條件下可降解地膜覆蓋對(duì)不同深度地溫的影響

2.2 滴灌條件下可降解地膜覆蓋對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響

2.2.1 棉花發(fā)育進(jìn)程的影響

滴灌條件下不同可降解地膜覆蓋處理對(duì)棉花發(fā)育進(jìn)程的影響見表3。由表3可以看出，可降解地膜覆蓋處理與普通地膜覆蓋處理棉花發(fā)育進(jìn)程較裸地處理均有不同程度的提前，BMF1～BMF3處理的出苗時(shí)間分別為9、11、12 d，分別比裸地處理提前7、5、4 d；而MF處理與BMF處理的出苗時(shí)間僅差±1～2 d。由于裸地出苗時(shí)間相對(duì)較晚，加之沒有地膜覆蓋保溫保濕，現(xiàn)蕾期、初花期、吐絮期也隨著推后；現(xiàn)蕾期，可降解地膜處理比裸地處理提早4～6 d，MF處理與BMF3處理同時(shí)進(jìn)入現(xiàn)蕾期，較BMF1與BMF2處理也僅提前1～2 d現(xiàn)蕾。MF處理與BMF處理進(jìn)入初花期的時(shí)間無(wú)明顯差異，同苗期與現(xiàn)蕾期相似，地膜覆蓋處理同樣要比裸地處理提早4～7 d。各處理進(jìn)入吐絮期時(shí)間較CK處理的提前程度與前期相同。由此可見滴灌條件下可降解地膜覆蓋影響棉花的生育期進(jìn)程，雖然可降解地膜隨著時(shí)間的增長(zhǎng)出現(xiàn)不同程度的降解，以及各處理棉花葉面積指數(shù)逐漸增大，遮擋了太陽(yáng)輻射，這些因素使得各處理對(duì)土壤溫度與濕度的影響效果逐漸減弱，但是由于棉花進(jìn)入花期以后土壤濕度與溫度對(duì)棉花的影響減弱，所以即使可降解地膜出現(xiàn)不同程度降解，也并不影響其與普通地膜覆蓋棉花同時(shí)進(jìn)入吐絮期，其結(jié)果表明，可降解地膜與普通塑料地膜對(duì)棉花生育進(jìn)程影響效果基本相同。

表3 滴灌條件下不同可降解地膜覆蓋處理對(duì)棉花發(fā)育進(jìn)程的影響

2.2.2 棉花株高的影響

棉花株高是棉花株型的一個(gè)重要指標(biāo)，其生長(zhǎng)情況直接影響著棉花密度及光能利用，同時(shí)也是反映各生育期內(nèi)棉株生長(zhǎng)發(fā)育情況的重要指標(biāo)之一[19]。滴灌條件下可降解地膜處理對(duì)棉花株高的影響見圖6。在棉花各生育期內(nèi)，可降解地膜處理與裸地處理的株高相互之間差異性顯著(P<0.05)。通過分析播種后的6個(gè)觀測(cè)期內(nèi)的不同處理棉花株高，可降解地膜覆蓋處理(BMF1～BMF3)的株高較裸地處理(CK)分別增加1.90～3.57、2.22～6.14、3.76～7.76、1.83～6.83、1.42～5.83和1.53～4.89 cm，可降解地膜處理(BMF2)的株高較普通塑料地膜處理(BM)6個(gè)觀測(cè)期內(nèi)分別提高了1.2、1.6、3.0、0.8、0.7、0.5 cm，而BMF1與BMF3處理的株高均要略小于普通塑料地膜處理(BM)。表明滴灌條件下可降解地膜處理在棉花生長(zhǎng)前期可加快棉花株高的增長(zhǎng)速度，在一定程度上有著與普通塑料地膜同樣的效果，由于可降解地膜隨著時(shí)間的增長(zhǎng)出現(xiàn)不同程度的降解，以及各處理隨生育進(jìn)程的推進(jìn)棉花葉面積指數(shù)逐漸增大，遮擋了太陽(yáng)輻射，這些因素共同作用使得各處理對(duì)棉花株高的影響效果逐漸減弱。

圖6 滴灌條件下可降解地膜處理對(duì)棉花株高的影響

2.2.3 棉花葉面積的影響

棉花的早發(fā)、早熟一直是育種的目標(biāo)和栽培技術(shù)攻克的重點(diǎn)，而葉面積增長(zhǎng)的速度就是衡量棉花早發(fā)的重要指標(biāo)之一[20]。滴灌條件下可降解地膜處理對(duì)棉花葉面積的影響見圖7。通過圖7可以看出，苗期(出苗56 d前)各處理棉花葉面積生長(zhǎng)緩慢，蕾期(出苗56 d后)～花鈴期(出苗70 d)各處理棉葉面積高快速生長(zhǎng)，達(dá)到峰值，花鈴期后(出苗98 d)～吐絮期(出苗112 d)由于棉花進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段，各處理底層葉片逐漸枯黃衰老，單株葉面積逐漸降低。在棉花各生育期內(nèi)，可降解地膜處理與裸地處理的葉面積相互之間差異性顯著(P<0.05)。通過分析播種后的6個(gè)觀測(cè)期內(nèi)的不同處理棉花葉面積，可降解地膜覆蓋處理(BMF1～BMF3)分別比裸地處理(CK)增加165.89～173.63、215.64～395.56、255.68～456.84、296.86～593.12、275.45～406.27、235.64～416.83 cm2；可降解地膜處理(BMF1～BMF3)較普通塑料地膜處理(BM)，其中播種后84 d的葉面積增加量最大，如BMF3處理，單株葉面積比裸地處理增加593.12 cm2。上述現(xiàn)象表明滴灌條件下可降解地膜處理明顯促進(jìn)棉花前期葉面積生長(zhǎng)，在一定程度上有著與普通塑料地膜同樣的效果，為棉花早發(fā)、早熟與豐產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)。

圖7 滴灌條件下可降解地膜處理對(duì)棉花葉面積的影響

2.3 滴灌條件下可降解地膜覆蓋對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

通過表4滴灌條件下不同可降解地膜覆蓋處理對(duì)棉花產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響，可以發(fā)現(xiàn)可降解地膜覆蓋處理的棉花產(chǎn)量較CK處理顯著增加(P<0.05)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)處理平均籽棉產(chǎn)量依次為CK0.05)，而后兩者與MF處理之間水分利用效率差異性顯著(P<0.05)，BMF2和BMF3處理的水分利用效率分別較MF處理減小0.93%和5.80%(P<0.05)。

表4 滴灌條件下不同可降解地膜覆蓋處理對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

3 討 論

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用降解地膜代替原有的普通塑料地膜，其主要原因是可降解地膜的保墑增溫特點(diǎn)與普通地膜效果相似[21]，張永明[22]等通過研究可降解地膜覆蓋對(duì)5～15 cm處的地溫的影響，結(jié)果表明地膜在未出現(xiàn)降解時(shí)與普通地膜相比具有相似的保溫效果；蘭印超、申麗霞[23]等的研究地下5～20 cm的土壤溫度以及地表至40 cm處的土壤水分受可降解地膜覆蓋的影響顯著提高。

孫九勝等[24]、Wang Yuzhong等[25]、趙彩霞等[16]研究成果表明，可降解地膜與CK無(wú)膜處理相比，有促進(jìn)棉花的生長(zhǎng)發(fā)育、提高籽棉產(chǎn)量的作用；但與普通塑料地膜相比，其促進(jìn)棉花的生長(zhǎng)和增產(chǎn)效果并無(wú)顯著的優(yōu)勢(shì)。該結(jié)論與本文研究結(jié)果一致。引入可降解地膜覆蓋滴灌棉花，為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供最佳的環(huán)境條件，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率，減少農(nóng)田“白色污染”[26,27]。本文主要研究基于可降解地膜覆蓋滴灌棉花，在試驗(yàn)過程中，由于實(shí)驗(yàn)條件限制和作物生理生長(zhǎng)影響因素的復(fù)雜性，難以準(zhǔn)確全面的觀測(cè)，只對(duì)土壤溫度與濕度以及棉花產(chǎn)量以及水分利用效率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，要全方位了解可降解地膜覆蓋滴灌棉花，還需對(duì)可降解地膜保護(hù)作物與降解時(shí)機(jī)的關(guān)鍵性指標(biāo)[28]—誘導(dǎo)期進(jìn)行探討研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 滴灌條件下可降解地膜覆蓋棉花較無(wú)膜處理增產(chǎn)效果顯著。其機(jī)理在于提高土壤溫度，0～20 cm較CK處理平均增溫5.6%，；保持土壤水分，減少蒸發(fā)，可降解地膜覆蓋處理土壤含水率較CK處理平均增加了0.6%～0.13%，對(duì)棉花前期的株高、葉面積都有促進(jìn)作用。

(2)可降解地膜處理的保溫保濕效果在生育前期顯著低于普通塑料地膜，但由于可降解地膜隨著時(shí)間的增長(zhǎng)出現(xiàn)不同程度的降解，以及各處理棉花葉面積指數(shù)逐漸增大，遮擋了太陽(yáng)輻射，這些因素使得各處理對(duì)土壤溫度與濕度的影響效果逐漸減弱，在生育后期無(wú)顯著性差異。

(3) 與普通塑料地膜覆蓋相比，可降解地膜覆蓋棉花產(chǎn)量有所減少(P<0.05)，平均減產(chǎn)2.52%，水分利用效率也降低2.59%左右。就本研究中的可降解地膜而言，BMF2處理的籽棉產(chǎn)量最高，到達(dá)5 262 kg/hm2，較CK處理增產(chǎn)13.21%，其水分利用效率也僅次于MF處理，僅減小0.93(P<0.05)。

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