降解地膜的降解性及其對(duì)土壤水分和棉花產(chǎn)量的影響

田玲枝,劉曉偉,呂 軍,何文清，李志強(qiáng)，張 媛，朱春梅，李 君，4*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，新疆石河子832000；3.新疆第八師石河子市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，新疆石河子 832000；4.紹興文理學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，浙江紹興 312000)

地膜覆蓋技術(shù)在新疆推廣多年，因地膜優(yōu)良的功效與該地區(qū)特殊氣候環(huán)境需要已成為一項(xiàng)難以替代的技術(shù)之一[1]。然而，土壤中長期積聚的地膜數(shù)量大、分布廣泛，已成為新疆農(nóng)田生產(chǎn)亟需解決的問題[2-4]。降解地膜的鋪設(shè)既可以達(dá)到覆膜的效果，最終又可在土壤中分解，起到了覆膜功效與減少土壤中地膜污染的雙重目的[5-6]。目前降解地膜在棉花、玉米、煙草、大豆等作物上均有應(yīng)用并取得了良好的效果[7-9]，其覆膜的功效是增溫保墑抑制雜草生長，其中對(duì)土壤水分的保持是通過阻止土壤水分蒸發(fā)，使土壤蓄水[10]，但如果降解膜裂解過快，土壤表面失去物理阻隔，覆膜保墑作用減弱。因此，降解地膜的使用限制因素是作物生長時(shí)期地膜能否達(dá)到其功能性要求。國內(nèi)外研究生產(chǎn)的降解地膜種類較多，但主要應(yīng)用的是生物降解地膜、光氧降解地膜、光氧-生物降解地膜。筆者研究鋪設(shè)這3類降解地膜對(duì)土壤水分、棉花產(chǎn)量的影響，探討降解地膜的選擇，生產(chǎn)出既能滿足作物需求，又能最大限度降低成本的可降解地膜，這對(duì)于未來可生物降解地膜的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用都具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1田間小區(qū)概況試驗(yàn)于2016年在石河子市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)地進(jìn)行。地處天山北麓中段，古爾班通古特大沙漠南緣，地理坐標(biāo)位于84°58′～86°24′E、43°26′～45°20′N，屬于典型的溫帶大陸性氣候，日照充沛，全年日照時(shí)數(shù)2 074～2 668 h，年平均氣溫約7 ℃，無霜期160 d左右，年均降水量100.0～225.6 mm。供試土壤為灌耕灰漠土，土壤基本理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì) 14.93 g/kg、全氮 0.92 mg/kg、有效氮 64.3 mg/kg、速效磷 15.9 mg/kg、速效鉀 138.2 mg/kg、pH 7.76。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法該試驗(yàn)為田間小區(qū)試驗(yàn)和室外模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)處理一致，共設(shè)13個(gè)處理，3次重復(fù)。T1～T3為全生物降解地膜處理，T4～T6為光氧降解地膜，T7～T9為光氧-生物降解地膜，T10～T12為生物降解地膜，T13為對(duì)照普通地膜(PE)處理。采用地膜覆蓋和膜下滴灌技術(shù)，機(jī)械平作覆膜，于2016年4月24日覆膜播種，播幅為2.25 m，1膜6行，株距9 cm的種植方式，1膜3管。其他管理方式同大田。小區(qū)面積為52 m2(8.0 m×6.5 m)，供試作物為棉花(Gossypiumspp.)，供試品種為新陸早61號(hào)。

室外模擬試驗(yàn)為同期于露天室外進(jìn)行的地膜保墑試驗(yàn)，培養(yǎng)時(shí)間120 d。每個(gè)培養(yǎng)杯裝土600 g，培養(yǎng)杯中加入同等重量的蒸餾水，然后將完整地膜覆蓋于培養(yǎng)杯內(nèi)土壤表面，進(jìn)行無遮擋暴曬，定期測定水分蒸發(fā)量，隨后補(bǔ)充水量至原始重量。

1.3樣品采集及測定

1.3.1地膜降解情況。分別在2016年覆膜后的37、43、57、64、72、90、107 d進(jìn)行降解地膜定點(diǎn)觀察，于每條地膜相同位置放置相框(40 cm×40 cm)進(jìn)行拍照。該試驗(yàn)中5類降解地膜每類選一種地膜降解照片，選擇3次照片放置，共5組。

1.3.2保墑性能。保水率=W1/W×100%[11]，其中，W1為暴曬15 d后水杯內(nèi)水體積(mL)，W為水杯內(nèi)原始水體積(mL)。該試驗(yàn)于6月將完整地膜覆蓋于水杯，無遮擋暴曬15 d后測定。

1.3.3韌性性能。使用拉力機(jī)[XLW(B)智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)，中國]測定地膜韌性，分別在地膜覆蓋后50、90 d取樣進(jìn)行測定。測得地膜拉伸負(fù)荷與拉伸位移，計(jì)算斷裂伸長率，斷裂伸長率=ΔL/L×100%,式中，ΔL為地膜拉伸位移(mm),L為原始長度(mm)。與地膜降解情況照片保持一致，共5組數(shù)據(jù)。

1.3.4棉花產(chǎn)量。采用小區(qū)實(shí)收法測定。

1.4數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采用EXCEL 2007和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-wayANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1不同類型降解地膜的降解情況由圖1可知，隨著鋪設(shè)地膜的時(shí)間變化，T4、T8、T10處理的降解地膜在定點(diǎn)觀測處得出分別在43、57、57 d發(fā)生降解。其中T4、T8處理最初降解表觀現(xiàn)象是橫向裂紋，而T10處理膜面出現(xiàn)大面積的破碎，說明T10處理的地膜降解迅速，在橫向縱向均發(fā)生裂解；地膜鋪設(shè)90 d后，除PE膜外各處理地膜均發(fā)生降解，此時(shí)除了T8處理膜面裂紋變長，其余處理膜面均降解一半以上。綜上所述，各處理的降解地膜鋪設(shè)后不同天數(shù)均發(fā)生降解，其中T4處理光氧降解的地膜降解最早，而T10處理的生物降解地膜降解最迅速。

圖1 降解地膜降解情況Fig.1 Degradation of degraded mulch film

2.2不同類型降解地膜的韌性情況由表1可知，T1處理的橫向/縱向拉伸負(fù)荷在地膜鋪設(shè)50 d后分別顯著高于對(duì)照處理55.9%、16.7%，其他處理則低于對(duì)照處理；而此時(shí)地膜的橫向/縱向斷裂伸長率與對(duì)照處理相比分別顯著降低0～59.0%和12.3%～65.3%。各處理的地膜在鋪設(shè)90 d后橫向/縱向拉伸負(fù)荷、斷裂伸長率與對(duì)照處理相比顯著降低，其中T4、T10處理降幅較大；與鋪設(shè)50 d時(shí)的橫向/縱向拉伸負(fù)荷相比，其降低幅度分別為3.7%～60.4%和20.0%～48.6%，其中T1處理降幅最大；而各處理的橫向斷裂伸長率降低幅度分別為83.7%、80.7%、20.0%、37.3%、0，相應(yīng)的縱向斷裂伸長率降低幅度分別為94.3%、86.6%、3.6%、74.0%、30.5%。由此表明，各降解地膜處理在鋪設(shè)90 d后韌性均大幅降低，并且T1、T4、T10處理橫向和縱向均發(fā)生裂解，而T8處理主要為橫向裂解。綜上所述，降解地膜鋪設(shè)后膜面均發(fā)生不同程度的降解，鋪設(shè)90 d后韌性均降低。

2.3降解地膜的保水性能由表2可知，T1、T2、T3、T11、T12處理的降解地膜厚度高于普通地膜(T13)，其他地膜與普通地膜厚度一致；然而各處理的保水性能表現(xiàn)為T13>T6>T8>……>T3>T11>T10，由此可知，地膜保持完整時(shí)地膜的保水性能與其厚度無關(guān)。觀測各降解地膜的降解時(shí)間表現(xiàn)為T9>T3>T1>…>T4，T4處理的地膜降解最早，但是T4處理的地膜保水性較好，表明地膜保水性能與降解時(shí)間無關(guān)。進(jìn)一步分析表明，地膜的厚度、降解天數(shù)均與地膜的保水性能無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

表1 不同類型降解地膜韌性情況

表2 降解地膜保水性能

2.4降解地膜的土壤水分保持性能變化由圖2可知，培養(yǎng)期間PE處理的土壤水分蒸發(fā)量始終保持在較低水平，降解地膜T1～T3和T10～T12處理的土壤水分始終保持較高蒸發(fā)量，且在27 d內(nèi)顯著高于其他各處理(P<0.05)；而其他各處理的土壤水分蒸發(fā)量在17～87 d在不同時(shí)段增長至峰值，并且在培養(yǎng)87 d后除T5處理外各降解地膜處理無顯著差異。其中T6、T7處理的土壤水分蒸發(fā)量在27～47 d迅速增加，隨后緩慢增長且顯著高于其他各處理(P<0.05)，并且在第67天達(dá)到峰值；T4、T8、T9處理的蒸發(fā)量在27～47 d增長緩慢，47 d后呈上升趨勢，并且均在87 d到達(dá)峰值。

進(jìn)一步分析可知，T1～T12各處理的土壤水分蒸發(fā)量增長率峰值分別為67、67、67、57、77、37、37、77、87、67、67、67 d，而峰值后增長率變化無顯著差異。表明T1～T3和T10～T12處理的降解地膜在57～67 d發(fā)生降解，而T6～T7處理的地膜在37～47 d即發(fā)生降解，是降解最早的地膜，T9處理的地膜降解最晚。綜上所述，地膜破裂后即失去保墑作用，土壤水分蒸發(fā)量在地膜破裂達(dá)到峰值，其后與破裂程度無關(guān)。

圖2 不同降解地膜覆蓋的土壤水分蒸發(fā)量變化Fig.2 Changes of soil water evaporation of different degraded plastic films

2.5不同降解地膜對(duì)棉花產(chǎn)量的影響由表3可知，降解時(shí)間的延遲與棉花生長發(fā)育及產(chǎn)量影響成正比。其中各處理間的單鈴重與單株有效鈴個(gè)數(shù)無顯著差異，T1、T4處理的株高、果枝臺(tái)數(shù)和產(chǎn)量均顯著低于其他各處理，且T1處理最低。進(jìn)一步分析可知，T8、T10、T13處理與T1處理的株高相比分別增加2.8%、8.2%、8.2%，T10、T13處理與T8處理相比株高均增加5.3%。T8、T10、T13處理的產(chǎn)量無顯著差異，但均顯著高于T1、T4處理(P<0.05)，增幅為20.7%～34.1%。由此可知，地膜降解過早影響棉花生長發(fā)育、降低產(chǎn)量，在85 d后降解的地膜對(duì)棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量已無顯著影響。

表3 不同處理對(duì)棉花產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

Note:Different lowercase alphabets in the same column represented significant differences at 0.05 level

3 討論

可降解地膜的降解速度和降解強(qiáng)度因原材料組成、生產(chǎn)廠家、誘導(dǎo)期設(shè)計(jì)等的差異而表現(xiàn)不同，該試驗(yàn)中地膜的降解時(shí)間表現(xiàn)為43～107 d。該試驗(yàn)中4類生物降解地膜，其中同一類型的降解地膜，由于材料不同，降解性能差異顯著，也印證了這點(diǎn)。劉曉偉等[12]研究表明，不同材料地膜降解時(shí)間不同，其對(duì)土壤含水量、土壤鹽分含量和產(chǎn)量都有一定程度的影響。覆膜能明顯改善土壤耕作層的水熱狀況，促進(jìn)作物生長發(fā)育，可降解地膜在覆膜初期其作用與普通地膜相當(dāng)。這是由于地膜覆蓋在土壤表面設(shè)置了一層不透氣的物理阻隔，土壤水分垂直蒸發(fā)直接受阻。然而隨著地膜的降解，在未出現(xiàn)明顯孔洞、破碎時(shí)，土壤水分蒸發(fā)量逐漸增加，直到地膜破裂，露出土壤表面，此時(shí)水分蒸發(fā)量達(dá)到峰值；其后盡管地膜破裂程度加大，但土壤水分蒸發(fā)量沒有顯著變化。在試驗(yàn)期間，普通地膜始終保持較低水分蒸發(fā)量，表明降解地膜破裂后即失去其保墑作用。

前期試驗(yàn)得出結(jié)論，在棉花封壟后降解的地膜即在棉花生長85 d后地膜覆蓋對(duì)土壤溫度無顯著增溫效應(yīng)，其后降解對(duì)棉花株高、單鈴重、產(chǎn)量與普通地膜無顯著差異[13]。該試驗(yàn)中，降解地膜對(duì)田間棉花產(chǎn)量的影響得出相同結(jié)果，封壟后降解的地膜不會(huì)造成棉花減產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)生物降解地膜降解時(shí)間早于光氧-生物降解地膜，該試驗(yàn)中生物降解地膜最短覆蓋期為50 d，最長覆蓋期為72 d，光氧-生物降解地膜覆蓋期可達(dá)107 d。

(2)地膜的厚度、降解天數(shù)均與地膜的保水性能無顯著性相關(guān)關(guān)系。覆土條件下，隨著地膜的降解，土壤水分蒸發(fā)量逐漸增加，在地膜破裂時(shí)達(dá)到峰值，其后與破裂程度無關(guān)，即地膜破裂后失去其保墑作用。

(3)封壟后即85 d后，此時(shí)降解的地膜其棉花株高、單鈴重、產(chǎn)量與普通地膜無顯著差異。地膜已完成其增溫保墑作用。