氧化生物雙降解地膜降解性能及其對東北雨養(yǎng)春玉米田間水熱和生長的影響*

孫仕軍, 張旺旺, 劉翠紅, 周佳琪, 朱昆侖

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氧化生物雙降解地膜降解性能及其對東北雨養(yǎng)春玉米田間水熱和生長的影響*

孫仕軍1?, 張旺旺1?, 劉翠紅2, 周佳琪1, 朱昆侖3

(1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院 沈陽 110866; 2. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 沈陽 110866; 3. 山東天壯環(huán)?？萍加邢薰緷?250110)

為解決當(dāng)前農(nóng)田大量殘膜污染問題, 設(shè)置3種不同降解速率的氧化生物雙降解地膜(降解a、降解b、降解c)和普通塑料地膜覆蓋及露地對照5個玉米種植試驗, 研究氧化生物雙降解地膜田間降解性能(降解率、拉伸強度和斷裂伸長率)及其對土壤水熱、玉米生長狀況及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明: 1)不同降解速率氧化生物雙降解地膜降解梯度與預(yù)期基本相符, 3種降解速率的地膜全生育期降解率分別為14.2%、10.0%和6.5%, 差異達(dá)顯著水平。降解a、降解b和降解c地膜在田間覆蓋120 d后, 壟上地膜拉伸強度損失率分別為30.4%、20.3%和19.1%, 斷裂伸長率損失率為10.4%、13.5%和5.0%, 壟側(cè)地膜拉伸強度損失率為59.0%、50.7%和45.6%, 斷裂伸長率損失率為71.7%、55.6%和51.0%, 其中降解a拉伸強度和斷裂伸長率與降解b和降解c相比均達(dá)顯著差異水平, 且壟側(cè)各降解地膜機械性能損失率顯著大于壟上地膜。2)氧化生物雙降解地膜顯著提高了玉米生育前期5~25 cm層土壤溫度和0~40 cm層土壤含水率, 與露地相比, 降解a、降解b和降解c處理下5~25 cm土層平均溫度分別提高了4.5 ℃、4.4 ℃和4.4 ℃, 0~40 cm土層含水率分別提高了3.2%、2.9%和2.2%。3)氧化生物雙降解地膜加快了玉米生育進(jìn)程, 使玉米植株提前3 d出苗, 縮短生育期5~7 d, 且玉米株高和葉面積指數(shù)均顯著高于露地處理, 略優(yōu)于普通地膜。4)在產(chǎn)量構(gòu)成和最終產(chǎn)量方面, 氧化生物雙降解地膜與普通塑料地膜覆蓋均較露地處理增加了玉米穗長、穗粗及百粒重, 降解a、降解b、降解c和普通地膜處理較露地對照增產(chǎn)率分別達(dá)14.3%、14.3%、10.4%和13.2%。研究認(rèn)為, 氧化生物雙降解地膜覆蓋具有明顯的增溫保墑效應(yīng), 與普通地膜相同, 能夠顯著提高玉米產(chǎn)量, 并且可以通過改變配方調(diào)節(jié)其降解速率。本研究成果可為氧化生物可降解地膜替代普通地膜及其在東北地區(qū)推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

氧化生物雙降解地膜; 降解性能; 土壤溫度; 土壤水分; 玉米生長發(fā)育; 玉米產(chǎn)量

近年來, 玉米(L.)已成為我國第一大糧食作物。東北地區(qū)是我國最重要的玉米產(chǎn)區(qū), 玉米種植面積及產(chǎn)量分別占全國的31%和34%[1]。但是, 東北部分地區(qū)春季經(jīng)常發(fā)生低溫冷害和霜凍[2], 且大部分地區(qū)降水不足或降水年內(nèi)分布不均, 易造成玉米減產(chǎn)。大量研究表明, 地膜覆蓋具有顯著的增溫、保墑、早熟、增產(chǎn)等作用[3-4], 其在東北地區(qū)有著不容忽視的推廣意義。隨著使用年限增長及規(guī)模不斷擴大, 地膜覆蓋在給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大效益的同時, 也產(chǎn)生了農(nóng)田殘留、景觀污染等負(fù)面效應(yīng)[5-6]。目前為止, 解決地膜污染問題的途徑主要有兩種: 一是加大地膜回收力度, 二是研發(fā)推廣可降解地膜。我國地膜產(chǎn)品均比較薄(2017年, 我國地膜厚度標(biāo)準(zhǔn)由0.008 mm提高到0.010 mm, 美國0.024 mm, 日本0.015 mm), 不利于回收作業(yè), 且需耗費大量人力物力[7]。因此, 可降解地膜的研發(fā)推廣成為解決我國地膜污染問題的重要途徑[8]。目前國內(nèi)外開發(fā)應(yīng)用的可降解地膜主要有: 生物降解地膜、光降解地膜、光-生物雙降解地膜、液態(tài)地膜及氧化生物雙降解地膜等。

目前針對生物降解地膜已有諸多研究, 主要集中于生物降解地膜覆蓋增溫保墑效果、增產(chǎn)效應(yīng)和降解率等[9-11]。谷曉博等[12]研究表明, 與露地對照相比, 生物降解地膜破裂前可顯著提高土壤溫度, 其中, 田間5 cm和25 cm處土壤溫度分別提高1.0~3.8 ℃和0.7~2.9 ℃, 還可促進(jìn)油菜(L.)主根下扎, 有效增加20~30 cm土壤深度的側(cè)根質(zhì)量密度。鄔強等[13]研究表明, 隨著厚度增加, 生物降解地膜降解速率減慢, 但可通過改變地膜配方增加或減緩降解速率。氧化生物雙降解地膜是近年來我國研制的一種新型可降解地膜, 該膜兼具氧化降解和生物降解的優(yōu)點[14]。劉蕊等[15]研究表明, 玉米田間覆蓋氧化生物雙降解地膜相比裸地顯著提高了0~25 cm土層平均溫度, 其增溫效果在0~15 cm最為顯著, 0~60 cm深度土壤蓄水量增加顯著, 玉米出苗率提高16.2%, 玉米籽粒產(chǎn)量提高35.2%。袁海濤等[16]研究發(fā)現(xiàn)氧化生物雙降解地膜破裂前與普通地膜具有相當(dāng)?shù)谋匦Ч? 試驗期結(jié)束后, 地膜裂成大碎塊, 拉力下降明顯, 降解失重率達(dá)67.7%。目前, 對氧化生物雙降解地膜降解過程的研究大多停留在定性觀察階段, 對地膜降解過程中機械性能的變化缺乏階段性定量研究。地膜機械性能是地膜抵抗破壞的能力, 其變化與地膜降解程度息息相關(guān), 是地膜降解過程中重要的物理特性。本研究采用3種不同降解速率的氧化生物雙降解地膜, 通過對不同時期地膜機械性能的跟蹤檢測, 探討其降解性能和田間使用效果, 旨在為進(jìn)一步研究氧化生物雙降解地膜降解效果和推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年5—9月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗場進(jìn)行。該試驗場位于東北地區(qū)南部(41°44′N, 123°27′E), 平均海拔為44.7 m, 屬于丘陵地帶。土壤類型為潮棕壤土, 土質(zhì)分布均勻, 在該地區(qū)具有典型代表意義。0~100 cm土層平均土壤容重為1.49 g?cm-3, 田間持水率平均值0.38 cm3?cm-3, 凋萎系數(shù)平均值為0.18 cm3?cm-3。2017年生育期降水量為303.7 mm。

1.2 試驗材料

試驗用氧化生物雙降解地膜樣品由山東天壯環(huán)?？萍加邢薰咎峁? 膜寬1.2 m, 膜厚0.008 mm。樣品“降解a”、“降解b”、“降解c”為3種具有不同降解速率的降解膜, 設(shè)計降解時間依次為60 d、90 d和120 d。普通地膜厚度和寬度與降解膜相同。供試玉米為遼沈地區(qū)耐密品種‘良玉777’, 春播生育期125 d左右。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)3種不同降解速率氧化生物雙降解地膜和普通地膜覆蓋及露地對照, 共5個處理, 3次重復(fù), 隨機區(qū)組排列, 每個單獨試驗小區(qū)面積44.8 m2(14 m×3.2 m), 周圍設(shè)置保護(hù)行。采用大壟雙行種植, 每個小區(qū)3條壟, 壟臺寬80 cm, 高20 cm, 壟溝寬40 cm, 玉米理論種植密度為82 500株?hm-2。5月3日人工穴播, 噴施除草劑并覆蓋地膜, 覆膜方式均為全壟覆蓋, 在壟溝壓土固定。試驗期間不進(jìn)行灌水, 降雨為惟一水分來源, 除覆膜材料不同外, 其他田間管理措施均與當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣一致。

1.4 測定項目及方法

地膜降解速率: 1)降解特征調(diào)查。自覆膜之日起, 于每個小區(qū)隨機劃定3個30 cm×40 cm的區(qū)域, 每10 d拍照記錄地膜降解情況, 拍照時將相機置于拍照區(qū)域正上方。地膜降解等級劃分參照楊惠娣等[17]的方法, 并根據(jù)地膜降解特點進(jìn)行調(diào)整。0級, 未出現(xiàn)裂紋; 1級, 開始出現(xiàn)裂紋; 2級, 地膜出現(xiàn)2~5 cm裂紋; 3級, 出現(xiàn)大于5 cm裂紋; 4級, 出現(xiàn)均勻網(wǎng)狀裂紋, 無大塊地膜存在。2)降解速率計算。覆膜前分別取各類地膜1 m稱重, 重復(fù)3次。收獲后, 于每個小區(qū)隨機選取一壟劃定1 m長區(qū)域, 撿拾包括埋土部分在內(nèi)的所有地膜, 洗凈、晾干、稱重, 計算地膜質(zhì)量損失。

地膜機械性能測定: 于覆膜時對各地膜取樣, 樣品數(shù)為3, 規(guī)格為30 cm×40 cm; 覆膜90 d和覆膜120 d時, 在每個小區(qū)固定的一條壟上(防止地膜大面積破壞對試驗造成影響)隨機選取3個樣品, 120 d時加取壟側(cè)樣品, 樣品規(guī)格和數(shù)量同前, 用剪刀剪下后用超聲波清洗機清洗, 晾干后采用美產(chǎn)Instron-5567A測定地膜拉伸強度和斷裂伸長率。根據(jù)塑料薄膜拉伸性能試驗方法(GB—13022), 地膜拉伸強度以σ(MPa)表示, 計算公式為:

=/′(1)

式中:為斷裂負(fù)荷, N;為試樣寬度, mm;為試樣厚度, mm。

斷裂伸長率以ε(%)表示, 計算公式為:

ε=(L0)/0(2)

式中:0為試樣原始標(biāo)線距離, mm;為試樣斷裂時標(biāo)線間距離, mm。

土壤水分和溫度測定: 土壤水分采用TDR(時域反射儀)測定, 每個小區(qū)3個測點, 測定深度為0~60 cm, 間隔為10 cm, 每7 d測一次, 雨前后加測。土壤溫度測定采用套組曲管地溫計, 每個小區(qū)1套, 置于小區(qū)中間位置(壟上), 測量深度為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm, 測定時間為7:00、14:00、18:00, 間隔為3~5 d。

玉米農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量測定: 于苗期在每個小區(qū)內(nèi)選擇3株代表性較強的植株, 掛牌標(biāo)記, 分別于苗期、拔節(jié)期、抽雄期和灌漿成熟期測定株高和葉面積。玉米成熟時, 按小區(qū)單獨收獲計產(chǎn), 并換算為14%含水率的產(chǎn)量。

玉米葉面積指數(shù)(LAI)采用以下公式計算:

式中:為玉米種植密度, 株?hm-2;為測量株數(shù);為第株玉米總?cè)~片數(shù);L為葉長, cm;W為最大葉寬, cm。

加州鱸魚苗培育池塘面積為2.3畝和1.8畝的兩口土池塘，平均水深0.8m。據(jù)湯老板介紹，5月初加州鱸魚苗有少量沿池塘邊獨自游動，體型瘦小，幾天后數(shù)量逐漸增多，并看見魚苗頭部呈白色，每天有幾十尾死亡，起初以為是細(xì)菌性疾病，潑灑了兩次二氧化氯消毒藥，死亡量反而逐步增加，吃食量也降低，這種情況持續(xù)了幾天仍未好轉(zhuǎn)?，F(xiàn)場水質(zhì)檢測各指標(biāo)：pH值為7.6，溶氧4.5mg/L，氨氮0.3mg/L，亞硝酸鹽0.01mg/L，硫化氫＜0.05mg/L，水溫19.5℃，水色為黃褐色，水質(zhì)偏肥。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2015對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 采用R語言進(jìn)行方差分析, 采用最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 氧化生物雙降解地膜降解性能

2.1.1 降解速率

將3種不同降解速率雙降解地膜田間覆蓋后降解效果列入表1。3種雙降解地膜降解速率梯度基本和設(shè)計降解速率相符。降解a在覆膜30 d后開始出現(xiàn)裂紋, 40 d后出現(xiàn)2~5 cm裂紋, 60 d后裂紋大于5 cm, 此后隨著土壤溫度下降和光照條件減弱, 地膜降解速率減慢, 130 d后田間仍殘留大塊完整地膜; 降解b降解過程稍滯后于降解a, 在40 d開始出現(xiàn)裂紋, 60 d出現(xiàn)2~5 cm裂紋, 110 d裂紋大于5 cm, 130 d后田間仍殘留大塊地膜; 降解c在覆膜60 d開始出現(xiàn)裂紋, 明顯晚于降解a和降解b, 80 d出現(xiàn)2~5 cm裂紋, 之后裂紋雖繼續(xù)擴大, 但未超過5 cm。以上裂紋主要出現(xiàn)在壟側(cè)部位, 地膜降解表現(xiàn)出明顯的不均勻性。覆膜130 d后降解a、降解b和降解c田間降解率分別為14.2%、10.0%和6.5%, 3個處理間差異顯著。表明氧化生物雙降解地膜降解可靠性及降解速率具有一定可控性。

表1 不同覆蓋時間下氧化生物雙降解地膜表觀降解程度及降解率

1)0~3表示地膜降解分級指標(biāo), 0表示未出現(xiàn)裂紋, 1表示開始出現(xiàn)裂紋, 2表示出現(xiàn)2~5 cm裂紋, 3表示出現(xiàn)大于5 cm裂紋。2)地膜寬1.2 m。3)同列不同小寫字母表示處理間在5%水平上差異顯著。1) 0-3 mean the levels of film degradation. 0 means no crack, 1 means the beginning of crack, 2 means that the crack reaches to 2-5 cm and 3 means that the crack is larger than 5 cm. 2) The film is 1.2 m wide. 3) Different small letters in the same column mean significant differences at 0.05 level.

2.1.2 地膜機械性能變化

將鋪膜前后不同時間測定的地膜拉伸強度和斷裂伸長率分別匯入表2。由表2可知, 氧化生物雙降解地膜初始拉伸強度略低于普通地膜, 斷裂伸長率與普通地膜相當(dāng), 說明氧化生物雙降解地膜具備良好的彈性, 利于田間鋪膜。在拉伸強度方面, 降解a降解90 d、120 d后壟上地膜拉伸強度減少7.6 MPa和9.02 MPa, 拉伸強度損失率為25.6%和30.4%, 壟側(cè)地膜拉伸強度損失率為59.0%, 且壟側(cè)地膜拉伸強度損失率顯著大于壟上地膜。相同覆蓋期下, 降解b拉伸強度損失率為16.5%、20.3%和50.7%, 降解c拉伸強度損失率為9.8%、19.1%和45.6%。3種雙降解地膜拉伸強度損失率表現(xiàn)為降解a>降解b>降解c, 梯度與地膜降解速率相同。

不同降解地膜斷裂伸長率變化與拉伸強度基本一致, 覆膜120 d后壟上各地膜(降解a、降解b、降解c)斷裂伸長率分別下降10.4%、13.5%和5.0%, 壟側(cè)各地膜斷裂伸長率分別下降71.7%、55.6%和51.0%, 依舊表現(xiàn)為壟側(cè)地膜損失率大于壟上地膜。整體上看, 不同降解地膜拉伸強度和斷裂伸長率損失率表現(xiàn)為降解a>降解b>降解c。其中, 降解a除鋪膜時拉伸強度與降解b和降解c無顯著差異外, 其余鋪膜時間下差異均達(dá)到顯著水平, 斷裂伸長率僅在鋪膜90 d壟上和120 d壟側(cè)與降解b和降解c達(dá)顯著差異水平, 而拉伸強度與斷裂伸長率的變化與地膜降解程度有著緊密聯(lián)系, 進(jìn)一步表征氧化生物雙降解地膜降解速率具有可控性。

表2 不同覆蓋時間下不同氧化生物雙降解地膜拉伸強度和斷裂伸長率變化

同列不同小寫字母表示處理間在5%水平上差異顯著。Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 0.05 level among different treatments.

圖1 氧化生物雙降解地膜覆蓋下玉米全生育期5~25 cm層土壤溫度的變化(a: 5 cm土層; b: 10 cm土層; c: 15 cm土層; d: 20 cm土層; e: 25 cm土層)

2.2 不同氧化生物雙降解地膜覆蓋對田間地溫和水分的影響

2.2.1 對土壤溫度的影響

圖1為不同處理下玉米全生育期田間5~25 cm層土壤溫度變化情況。玉米苗期(播后0~40 d), 各層土壤溫度波動幅度較大, 處理間差異明顯大于其他時期。降解a、降解b和降解c處理下5~25 cm層土壤溫度基本相同, 三者均顯著高于普通地膜和露地處理, 隨著土層深度的增加, 各處理間差異逐步減小。以降解a處理為例, 5~25 cm層土壤平均溫度較露地分別提高4.9 ℃、4.9 ℃、4.5 ℃、4.1 ℃和4.1 ℃。就5~25 cm土層平均溫度而言, 3種雙降解地膜處理較露地分別提高4.5 ℃、4.4 ℃和4.4 ℃, 三者間差異不顯著。上述分析表明, 氧化生物雙降解地膜在苗期具有比普通地膜更好的保溫性能, 尤其對5~15 cm土層, 有效避免了早春低溫脅迫對玉米根系生長的不利影響, 促進(jìn)玉米根系生長發(fā)育, 對后期玉米產(chǎn)量形成具有重要意義。

玉米進(jìn)入拔節(jié)期后(播后約40 d), 植株體生長迅速, 各項指標(biāo)快速增大, 覆蓋率大, 極大削弱了地膜的增溫效果, 覆膜處理下5~25 cm層土壤溫度波動明顯較苗期平穩(wěn), 降解地膜與普通地膜間差異不顯著。此時降解a和降解b出現(xiàn)降解裂紋, 地膜變脆, 強度有所下降, 保溫效果降低, 但由于破裂程度較小, 且破裂部分仍緊貼地面, 具有一定保溫效果, 導(dǎo)致二者與降解c間溫度差異不明顯。

2.2.2 對土壤含水率的影響

由圖2可知, 在播后14 d, 氧化生物雙降解膜和普通地膜處理顯著增加了0~40 cm層土壤含水率。與露地相比, 降解a、降解b、降解c和普通地膜處理下0~40 cm層土壤含水率分別提高3.2%、2.9%、2.2%和2.9%, 此時地膜覆蓋體現(xiàn)出顯著保墑效果的主要原因是該時期田間水分主要以棵間蒸發(fā)的形式散失, 而地膜覆蓋可以有效抑制土表蒸發(fā), 而對于40~60 cm土層, 除降解a外其余處理含水率差異均不顯著, 這可能與降解a處理底墑較好有關(guān)。播后55 d, 玉米進(jìn)入拔節(jié)期, 植株蒸騰耗水增加, 各處理水分均有所下降,覆膜處理由于前期良好的水分溫度條件, 植株生長明顯較露地旺盛, 耗水強度大, 因此各覆膜處理下0~40 cm層土壤含水率顯著小于露地, 但40~60 cm層土壤差異不顯著, 說明此時根系生長主要利用上層土壤水分。而在播后75 d及105 d, 雖各降解膜出現(xiàn)不同程度的破損, 但該時期作物封壟, 極大地抑制了棵間蒸發(fā), 因此水分主要以作物蒸騰的方式散失, 覆膜處理下高大的植株需要消耗更多的水分, 且植株對深層土壤水分利用增加, 因此覆膜處理與露地間0~60 cm土層含水率差異進(jìn)一步加大。玉米成熟后期(播后129 d), 需水量小, 此外, 氧化生物雙降解膜出現(xiàn)較大破損, 但殘膜緊貼地表, 仍具有一定的保墑作用, 因此, 各降解膜處理下0~60 cm層土壤含水率均顯著高于露地, 此外, 由于降解膜破裂部分有利于降雨入滲, 使得3種雙降解地膜處理下0~40 cm層土壤含水率顯著高于普通地膜。

圖2 不同氧化生物雙降解地膜覆蓋對玉米生育期0~60 cm層土壤含水率變化的影響(A: 0~40 cm土層; B: 40~60cm土層)

不同小寫字母表示處理間在5%水平上差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at 0.05 level among different treatments.

2.3 不同氧化生物雙降解地膜覆蓋對玉米生長的影響

2.3.1 對玉米生育進(jìn)程的影響

由表3可以看出, 氧化生物雙降解地膜明顯加快了玉米的生育進(jìn)程, 出苗期較露地平均提前3 d, 較普通地膜提前2 d; 拔節(jié)期較露地提前4 d, 較普通地膜提前2 d。氧化生物雙降解膜處理下玉米生育期明顯較露地縮短, 降解b和降解c地膜降解率明顯較降解a小, 增溫效果及增溫持續(xù)時間較長, 因此總生育期時長較降解a提前2 d, 較露地提前7 d。

表3 不同氧化生物雙降解地膜覆蓋對玉米生育進(jìn)程的影響(播種后天數(shù), d)

2.3.2 對玉米株高和葉面積指數(shù)的影響

由表4可以看出: 玉米拔節(jié)期生長最為迅速, 抽雄到灌漿成熟期, 株高已基本穩(wěn)定, 而普通地膜和露地處理由于生育期較為遲緩, 在抽雄期株高顯著低于3種降解膜處理。苗期、拔節(jié)期和抽雄期氧化生物雙降解地膜處理下玉米株高顯著高于普通地膜和露地處理, 且在抽雄期達(dá)到最大值, 降解a、降解b和降解c處理下株高分別較露地高35 cm、40 cm和38 cm, 3種降解膜處理間無顯著差異。全生育期內(nèi), 玉米葉面積指數(shù)變化與株高有所不同。在苗期和拔節(jié)期, 3種降解地膜處理下玉米葉面積指數(shù)無顯著差異, 均顯著高于普通地膜和露地對照, 至抽雄期時, 各處理下葉面積指數(shù)達(dá)到峰值, 降解a、降解b和降解c處理下葉面積指數(shù)分別較露地高0.203 6、0.243 7和0.153 1。玉米進(jìn)入灌漿成熟期后, 植株進(jìn)入衰老階段, 葉片逐漸枯黃掉落, 各覆膜處理葉面積指數(shù)均有小幅度降低。以上分析表明: 3種降解地膜處理均有效促進(jìn)了玉米地上部分植株的生長, 各降解地膜處理間差異不顯著, 但略優(yōu)于普通地膜, 各配方降解膜和普通地膜處理均顯著優(yōu)于露地處理。

表4 不同氧化生物雙降解地膜覆蓋對玉米株高和葉面積指數(shù)的影響

同列不同小寫字母表示處理間在5%水平上差異顯著。Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 0.05 level among different treatments.

2.4 不同氧化生物雙降解地膜覆蓋對玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表5可以看出, 覆膜處理顯著提高了玉米產(chǎn)量, 降解a、降解b、降解c和普通地膜較露地對照增產(chǎn)率分別為14.3%、14.3%、10.4%和13.2%, 3種雙降解地膜與普通地膜處理間差異不顯著, 總體表現(xiàn)為降解b>降解a>普通地膜>降解c>露地。產(chǎn)量構(gòu)成方面, 各處理的玉米行數(shù)沒有明顯差異, 氧化生物雙降解地膜處理下玉米穗長、穗粗和百粒重均優(yōu)于露地對照, 表明雙降解地膜覆蓋促進(jìn)了玉米穗的生長, 3種可降解地膜處理略優(yōu)于普通地膜。

表5 不同氧化生物雙降解地膜覆蓋對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

同列不同小寫字母表示處理間在5%水平上差異顯著。Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 0.05 level.

3 討論

可降解地膜機械性能是其生產(chǎn)過程中的一個重要指標(biāo), 不僅關(guān)乎地膜能否順利鋪設(shè), 還影響著地膜的覆蓋效果。有研究者利用從香蕉(Lour.)假莖外層分離出的納米纖維素制作生物降解地膜, 雖然地膜強度很高, 但其斷裂伸長率僅有1.7%, 在降水、風(fēng)力等外力作用下易于開裂, 影響覆蓋效果[18]。本研究通過對地膜機械性能檢測發(fā)現(xiàn), 氧化生物雙降解地膜雖強度略低于普通地膜, 但其斷裂伸長率明顯高于后者, 保證了地膜順利鋪設(shè)及其使用效果。袁海濤等[19]采用3種不同配方的氧化生物雙降解地膜(亦為山東天壯環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn))在山東省德州市進(jìn)行棉田覆蓋試驗, 結(jié)果表明氧化生物雙降解地膜在使用過程中逐步降解, 地膜延展性、拉力明顯下降, 直至裂解為小碎片, 降解率最高可達(dá)74.5%, 且不同配方氧化生物雙降解地膜表現(xiàn)出不同的降解速度和降解程度, 基本與預(yù)期相符, 表明氧化生物雙降解地膜降解速度具有可控性。本研究也得到類似的結(jié)論: 降解a、降解b和降解c在玉米收獲后降解率分別為14.2%、10%、6.5%, 降解速度梯度符合預(yù)期設(shè)置, 但總體降解率均比較小, 且壟上和壟側(cè)降解差異明顯。該現(xiàn)象出現(xiàn)的可能原因: 一是2017年降水偏少, 在降水較少且氣候較為干燥的條件下, 土壤微生物活性較低, 對降解地膜的分解作用比較小, 從而導(dǎo)致地膜整體降解緩慢; 二是壟側(cè)地膜與土表貼合度較好, 加速了土壤微生物對壟側(cè)地膜的侵蝕作用; 三是壟側(cè)地膜光照條件優(yōu)于壟上地膜, 利于光催化反應(yīng)的發(fā)生。拉伸強度和斷裂伸長率是評價塑料地膜機械性能的重要指標(biāo), 其變化可以反映地膜降解程度的大小。劉群等[20]研究表明, 覆膜140 d后, 生物降解地膜縱向拉伸強度下降明顯, 只有鋪膜前的27.5%, 表明田間使用后生物降解地膜力學(xué)性能下降明顯。本研究中, 鋪膜120 d后, 壟上、壟側(cè)地膜拉伸強度分別下降19.1%~30.4%、45.6%~59.0%, 斷裂伸長率分別下降4%~11.0%、60.8%~77.6%, 也表明氧化生物雙降解地膜在使用后機械性能下降明顯, 降解效果良好。氧化生物雙降解地膜還具有明顯的增溫保墑效果。玉米生育前期(0~40 d), 氧化生物雙降解地膜覆蓋下土壤溫度、含水率顯著高于露地處理, 而在生育中后期, 降解地膜開裂和植株遮陰導(dǎo)致增溫效果明顯減弱, 這與劉蕊等[15]、胡廣榮等[21]的研究結(jié)果基本一致。申麗霞等[3]研究表明, 覆膜可有效改善土壤條件, 有利于玉米前期營養(yǎng)體搭建, 為后期生殖生長奠定了基礎(chǔ), 加快了玉米生育進(jìn)程, 各時期株高、葉面積和地上部干物質(zhì)重量顯著高于裸地對照, 縮短了玉米禿尖長, 增加了行粒數(shù)和千粒重, 增產(chǎn)率達(dá)35.1%, 而可降解地膜和普通地膜間差異不顯著。本研究中也得到了類似的結(jié)論: 前中期膜下良好的水熱條件促進(jìn)玉米植株快速生長, 株高和單株葉面積顯著高于露地對照, 穗長、穗粗、行粒數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成因素均優(yōu)于對照, 玉米增產(chǎn)幅度達(dá)10.4%~14.3%, 雖與普通地膜存在一定差異, 但未達(dá)到顯著水平, 這主要是由于在水分等條件滿足的前提下, 溫度是影響作物生長的主要因素, 而氧化生物雙降解地膜處理的增溫效果優(yōu)于普通地膜。

4 結(jié)論

1)玉米生育期內(nèi), 3種不同降解速率氧化生物雙降解地膜降解率分別為14.2%、10.0%和6.5%, 差異顯著。

2)氧化生物雙降解地膜具有明顯的增溫保墑效應(yīng), 地膜破損后, 殘膜緊貼地表, 仍起到一定的增溫保墑效果, 且有利于降雨入滲, 增加土壤水庫蓄水。

3)氧化生物雙降解地膜加快了玉米生育進(jìn)程, 縮短了生育期5~7 d, 使玉米生育前中期株高和葉面積指數(shù)顯著高于露地對照。

4)較露地對照, 氧化生物雙降解地膜顯著提高了玉米產(chǎn)量, 增產(chǎn)率達(dá)10.4%~14.3%, 綜合表現(xiàn)為降解b>降解a>降解c, 3種降解膜與普通膜間無明顯差異。

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Degradation property of oxo-biodegradable plastic film and its mulching effect on soil moisture, soil temperature and maize growth in rainfed Northeast China*

SUN Shijun1?, ZHANG Wangwang1?, LIU Cuihong2, ZHOU Jiaqi1, ZHU Kunlun3

(1. College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 2. College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 3. Eco-Benign Plastics Technology Co., Ltd, Jinan 250110, China)

The growing use of plastic film in agriculture has significantly increased crop production as it positively enhances the soil environment. However, the massive disposal of this material has as well increased environmental risk. One way to solve this problem is by developing a substitutable mulching film such as biodegradable ?lms that are ultimately convertible into water, carbon dioxide and soil organic matter by micro-organisms. Oxo-biodegradable plastic film is a newly developed biodegradable film that can increase soil water, soil temperature and crop yield and it also has satisfactory degradation properties. In this study, series of experiments were conducted to determine the degradation properties (degradation rate, tensile strength and elongation) of oxo-biodegradable plastic films and the effects of different mulching treatments on soil moisture, soil temperature, maize growth and maize yield. The mulching experiment was conducted using three kinds of oxo-biodegradable plastic films with different ingredients and different degradation rates (Degradation a, Degradation b and Degradation c) and common plastic film, and using un-mulched field as the control. Maize was ridge-cultivated and films covered all soil surface. The results showed that: 1) biodegradation rate of different oxo-biodegradable films met soil and crop requirements for high yield production. Degradation rates of Degradation a, Degradation b and Degradationc after maize harvesting were respectively 14.2%, 10.0% and 6.5%. While the tensile strength on the ridge tops of Degradation a, Degradation b and Degradationc were decreased respectively by 30.4%, 20.3% and 19.1%, elongation decreased by 10.4%, 13.5% and 5.0% under mulching in the field for 120 days. Meanwhile, tensile strength of side ridges decreased respectively by 59.0%, 50.7% and 45.6% for Degradation a, Degradation b and Degradation c and elongation by 71.7%, 55.6% and 51.0%. Decrease in degradation was significantly different for different films. Furthermore, decrease in degradation properties of the film on ridge side was significantly more than that on the top of ridge. 2) Compared with the control, oxo-biodegradable plastic film mulching significantly increased soil temperature in the 5-25 cm soil layer and soil moisture in the 0-40 cm soil layer on early maize growth period. Degradation a, Degradation b and Degradationctreatments increased average soil temperature in the 5-25 cm soil layers respectively by 4.5 ℃, 4.4 ℃ and 4.4 ℃. Soil moistures under Degradation a, Degradation b and Degradation c treatments were increased respectively by 3.2%, 2.9% and 2.2% in the 0-40 cm soil layer. 3) Oxo-biodegradable plastic film mulching promoted maize growth, enhanced early maize emergence and shortened overall growth period by 5-7 days. Also the height and LAI of maize under oxo-biodegradable plastic film mulching were significantly higher than those under un-mulched treatment and slightly better than that under common plastic film mulching. 4) Compared with the control treatment, three oxo-biodegradable plastic films and common plastic film treatments increased ear length, ear diameter and 100-kernel weight of maize. At the same time, Degradation a, Degradation b and Degradation c and common film treatments significantly increased maize yield by 14.3%, 14.3%, 10.4% and 13.2%, respectively. Based on the study, oxo-biodegradable plastic film mulching significantly increased soil temperature and moisture and enhanced maize yield more than common film mulching, with degradation rate adjustable by changing ingredients. The results provided scientific basis for the replacement of common plastic films by oxo-biodegradable plastic films and for the development, popularization and application of oxo-biodegradable plastic films in Northeast China.

Oxo-biodegradable plastic film; Degradable property; Soil temperature; Soil moisture; Maize growth; Maize yield

, SUN Shijun, E-mail: sunshijun2000@yeah.net

Jun. 12, 2018;

Sep. 24, 2018

S513.047

A

2096-6237(2019)01-0072-09

10.13930/j.cnki.cjea.180550

2018-06-12

2018-09-24

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (51509155, 51609137), the Provincial Natural Science Foundation of Liaoning (20180550617) and the Special Program for National Key Research and Development Project of China (2018YFD0300301).

? Equal contributors

* 國家自然科學(xué)基金項目(51509155, 51609137)、遼寧省自然科學(xué)基金項目(20180550617)和國家重點研發(fā)計劃重點專項(2018YFD0300301)資助

? 同等貢獻(xiàn)者: 孫仕軍, 主要從事農(nóng)業(yè)高效用水和水資源綜合利用研究, E-mail: sunshijun2000@yeah.net; 張旺旺, 主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水研究, E-mail: 447813802@qq.com

孫仕軍, 張旺旺, 劉翠紅, 周佳琪, 朱昆侖. 氧化生物雙降解地膜降解性能及其對東北雨養(yǎng)春玉米田間水熱和生長的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(1): 72-80

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