全生物降解地膜對南疆花生產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響

王 斌，萬艷芳，王金鑫，孫九勝，槐國龍，呂彩霞，崔 磊

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

自1979年地膜覆蓋栽培技術(shù)在我國試驗(yàn)、應(yīng)用、推廣以來，我國農(nóng)作物的產(chǎn)量和效益得到顯著提高[1]。我國每年地膜的生產(chǎn)和使用量都在持續(xù)攀升，地膜已成為我國化肥、農(nóng)藥之后的第三大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料[2]。然而，地膜覆蓋栽培在極大地促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的同時，其對我國生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響也越來越明顯：土壤中的殘膜累積越來越多，耕層土壤結(jié)構(gòu)、透氣性越來越差，殘膜累積對作物根系發(fā)育及對水分、養(yǎng)分的吸收造成嚴(yán)重影響，嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境[3-6]。因此，使用降解地膜成為解決農(nóng)田土壤殘膜污染問題的重要手段[7-9]。

在花生栽培生產(chǎn)中，使用地膜栽培具有保肥、保墑、增溫、防雜草和縮短花生生育期及時收獲搶占市場、提高經(jīng)濟(jì)收益等優(yōu)點(diǎn)[10]。據(jù)報(bào)道，地膜花生比裸地花生栽培平均增產(chǎn)900～1350 kg/hm2、增收3000～4500元/hm2[11]。目前，降解膜研究主要集中在原材料組成、降解性能、應(yīng)用作物以及降解地膜種類對比等方面，對南疆干旱區(qū)降解地膜大田應(yīng)用的系統(tǒng)化研究較少[12-14]。本研究針對南疆降解地膜覆蓋對花生產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響展開系統(tǒng)研究，以期為全生物降解地膜在新疆的大面積應(yīng)用提供一定數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于阿克蘇地區(qū)拜城縣農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站。該區(qū)域位于天山中部南麓、卻勒塔格山北緣山間盆地、渭干河流域上游，屬于溫帶大陸性干旱氣候，夏季涼爽、冬季寒冷，極端最高與最低氣溫分別為38.3℃和-28℃，年平均氣溫7.6℃，無霜期133～163 d，年均降水量171 mm，年均日照時長2790 h。試驗(yàn)區(qū)不同土層土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1。

表1 基礎(chǔ)土壤性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)處理為PBAT型全生物降解地膜(產(chǎn)自新疆康潤潔環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，以下簡稱為“降解膜”)、普通聚乙烯PE地膜為對照(CK)，設(shè)置2個處理，重復(fù)3次。試驗(yàn)區(qū)面積1333 m2，處理膜寬80 cm，膜厚0.01 mm；壟寬70 cm，壟高20 cm，溝寬50 cm；一壟一膜一管兩行、膜下滴灌、機(jī)械覆膜。試驗(yàn)播種方式、肥料用量、種植與管理等同當(dāng)?shù)卮筇镆恢隆?017年5月10日播種，10月10日收獲。試驗(yàn)灌水方案見表2。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 地膜降解程度

花生生育期每15d定點(diǎn)采集地膜照片，用《地膜孔洞面積提取軟件V2.0》對采集的照片進(jìn)行圖像處理，得到地膜自然降解破損率(即降解率)。

表2 花生田間灌水時間與用量

1.3.2 測產(chǎn)

每個處理隨機(jī)選取5個點(diǎn)，每點(diǎn)按照1壟寬、5 m長測定所有花生質(zhì)量。

1.3.3 土壤溫濕度

采用L99-TWS-3型號的土壤溫度水分記錄儀(產(chǎn)自上海發(fā)泰精密儀器儀表有限公司)，對膜下5 cm、15 cm和25 cm土層的土壤溫度和水分進(jìn)行連續(xù)不間斷測定、監(jiān)測時間間隔為2 h，測定時間段為6月2日-10月11日。

1.3.4 土壤理化性質(zhì)測定

花生播種前及不同生育期，以“S”形取樣法在每個試驗(yàn)地取0～20 cm和20～40 cm土層土樣，每個處理3次重復(fù)，測定土壤速效氮磷鉀、土壤總鹽、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤pH。土壤pH、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀和總鹽分別用pH計(jì)法、重鉻酸鉀外加熱法、堿解擴(kuò)散法、鉬銻抗比色法、火焰光度計(jì)法和烘干質(zhì)量法測定[15]。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析與處理

采用SPSS 16.0和Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，處理間比較采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 花生不同生育時期降解膜降解率

南疆栽培花生鋪設(shè)降解地膜后，第30 d開始出現(xiàn)破損裂解，到第166 d收獲期時，降解膜已大部分破損。圖1顯示，隨著花生生育進(jìn)程，降解膜的破損率(降解率)逐漸增大。其中，6-8月降解率相對較小，介于3.1%～13.6%；到10月收獲期降解率達(dá)到28.59%最大值?；ㄉ趦?nèi)，對照PE膜沒有發(fā)生降解破損，故圖1僅顯示降解膜處理破損率。

圖1 花生不同生育時期降解膜破損率Fig. 1 Degradation rate of biodegradable mulch film in peanut at different growth stages

2.2 降解膜對土壤溫濕度的影響

2.2.1 花生生育期土壤溫度變化

降解膜和CK在花生生育期0～30 cm土層的土壤溫度變化趨勢基本一致，即均隨花生生育進(jìn)程逐漸減小(圖2)?？傮w來看，降解地膜覆蓋下的土壤溫度略高于CK，降解膜的平均土壤溫度較CK高0.35℃。

從膜下5 cm、15 cm和25 cm不同土層來看，兩處理的平均土壤溫度均隨花生生育進(jìn)程逐漸減小，且均為降解膜略高于CK(圖2)。其中，降解膜處理在膜下5 cm、15 cm和25 cm的平均土壤溫度分別較CK高0.38℃、0.39℃和0.27℃。

圖2 各處理花生生育期不同土層溫度變化Fig. 2 The temperature variation in different soil layers of peanut growth period

2.2.2 花生生育期不同土層土壤溫度變化

隨著土層深度(5 cm、15 cm和25 cm)的增加，花生6-10月生長發(fā)育期間，降解膜處理與CK的平均土壤溫度均無較大變化，且兩處理間平均土壤溫度均無顯著差異(p>0.05)(圖3)。

2.2.3 花生生育期土壤濕度變化

降解膜和CK覆蓋下的花生生育期0～30 cm土層平均土壤含水率變化基本一致，降解膜覆蓋處理的平均土壤含水率略高于CK(高2.08%)(圖4)。

從不同土層看，兩處理下，5 cm、15 cm和25 cm土壤平均土壤含水率均隨著花生生育進(jìn)程、變化趨勢基本一致(圖4)。膜下5 cm和25 cm處的土壤平均含水率，降解膜分別高出CK3.39%和4.74%；而膜下15 cm處則較CK低1.89%。

2.2.4 花生生育期不同土層土壤濕度變化

隨土層深度增加，降解膜和CK下的花生平均土壤含水率呈逐漸增大趨勢，即花生生育期平均土壤含水率表現(xiàn)為膜下25cm>15cm>5cm(圖5)。膜下5 cm和25 cm的平均土壤含水率，降解膜處理顯著高于CK(p<0.05)，而膜下15 cm處，降解膜處理顯著小于CK(p<0.05)。

2.3 降解膜對土壤容重的影響

表3可得出，花生生育期內(nèi)(7月6日、10月11日)，降解膜與CK處理在0～20 cm和20～40 cm土層的土壤容重?zé)o顯著差異(p>0.05)。表明降解膜處理對花生生育期土壤容重?zé)o顯著影響。

圖3各處理花生全生育期不同土層平均溫度變化

Fig.3 Theaveragetemperaturevariationofthedifferentsoillayersinthewholegrowthperiodofpeanut

圖5各處理花生全生育期不同深度平均土壤含水率變化

Fig.5 Theaveragesoilmoistureratevariationofthedifferentsoillayersinthewholegrowthperiodofpeanut

圖4 各處理花生生育期不同土層深度平均土壤含水率變化Fig. 4 The average soil moisture rate variation in different soil layer and growth periods of peanut

土層Soil layer時間Time處理Treatment 容重/(g·cm-3)Bulk density 7月6日 降解膜 Biodegradable mulch film1.31±0.10 a0～20July, 6CK1.31±0.07 a/cm10月11日 降解膜 Biodegradable mulch film1.50±0.16 aOctober, 11CK1.37±0.07 a 7月6日 降解膜 Biodegradable mulch film1.53±0.01 a20～40July, 6CK1.51±0.01 a/cm10月11日 降解膜 Biodegradable mulch film1.57±0.04 aOctober, 11CK1.54±0.05 a

注： ① 平均值±標(biāo)準(zhǔn)差； ② 不同字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

Note: ① Mean value ± standard deviation; ② Difference letters indicates significant difference (p<0.05). The same below.

2.4 降解膜對土壤養(yǎng)分等指標(biāo)的影響

表4可得出，花生生育期內(nèi)，降解膜與CK處理在0～20 cm和20～40 cm土層的土壤養(yǎng)分(土壤速效氮、速效磷、速效鉀)、土壤pH和土壤總鹽間均無顯著差異(p>0.05)。表明降解膜處理對花生生育期土壤速效養(yǎng)分、鹽分、土壤pH等均無顯著影響。

2.5 降解膜對花生產(chǎn)量的影響

與CK相比，降解膜處理花生產(chǎn)量略有降低，減產(chǎn)率為1.18%，處理間差異不顯著(p>0.05)(表5)。表明與普通PE膜比較，降解膜覆蓋對花生產(chǎn)量無顯著影響。

表4 不同處理花生0～20 cm和20～40 cm土層土壤養(yǎng)分變化

注：取樣時間分別為2017年6月8日(地膜破損時)和10月11日(收獲期)。

Note: The sampling time were June 8 (when the film was damaged) and October, 11 (harvest period), respectively.

表5 不同處理花生產(chǎn)量

3 討 論

降解地膜的降解程度和速度受原材料組份、生產(chǎn)加工工藝、誘導(dǎo)期時間設(shè)計(jì)等差異而有所不同[16]。選擇降解速度和時間合適的降解地膜產(chǎn)品類型是保障作物高產(chǎn)、高效并且降低農(nóng)田地膜殘留污染的重要手段和方法[17]。趙愛琴等[13]表明，覆蓋降解地膜20 d后地膜出現(xiàn)裂紋，30～40 d后地膜降解成碎塊狀且粘在土壤表面；到作物成熟期土壤表面已無明顯地膜存在。沈宏等[18]研究表明，誘導(dǎo)期時間短的降解膜，當(dāng)覆膜26 d時即出現(xiàn)裂解，隨后地膜裂解程度逐漸增大，到120 d左右時地膜基本無大塊存在。本研究中，覆蓋降解膜30 d時膜面出現(xiàn)裂隙，隨后地膜膜面韌性強(qiáng)度下降，地膜裂解成大的碎片，當(dāng)花生生長166 d時，地膜膜面大部分裂解。雖然不同降解地膜的降解強(qiáng)度和速度各有差異，但其降解原理與過程基本類似。

降解膜覆蓋因能顯著改善農(nóng)田耕作層土壤的水熱狀況，所以其保墑、保溫效果與普通聚乙烯地膜相近[2，19-23]。申麗霞等[16]研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋降解地膜相比普通聚乙烯地膜土壤溫度增高。王星等[22-24]研究表明，降解地膜和普通聚乙烯地膜在土壤保溫、保墑和作物增產(chǎn)方面效果基本一致。王鑫等[25]研究顯示，玉米生育前期，降解膜有顯著的土壤保溫、保墑效果。此結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果相似，即降解地膜0～30cm平均土溫較PE地膜高0.35℃、土壤含水率較PE地膜高2.08%。然而，趙彩霞等[26]研究顯示，生物降解地膜較普通聚乙烯地膜平均土溫低2～3℃。李榮等[27]研究發(fā)現(xiàn)，玉米苗期土壤平均溫度生物降解膜較普通膜低0.4℃。這一結(jié)論應(yīng)該與降解地膜材料、厚度以及當(dāng)?shù)亟涤?、太陽輻射、作物類型等對土壤和地膜的作用有關(guān)[28]。降解地膜降解期適中，能保持較好的水熱狀況，維持較好的土壤養(yǎng)分環(huán)境，滿足花生不同生育時期對土壤溫度、水分的需要，使作物產(chǎn)量與普通地膜差異不顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

① 降解膜在花生生育期6-8月破損率較小(3%～14%)，到10月顯著增大(29%)。

② 花生生育期，降解膜與普通PE地膜的土壤溫度和水分變化趨勢基本一致。降解膜0～30 cm平均土壤溫度較普通PE地膜高0.35℃，其中，5cm、15cm和25cm分別較普通PE地膜高0.38℃、0.39℃和0.27℃，但兩處理間的平均土壤溫度均無顯著差異。降解膜0～30 cm平均土壤含水率較普通PE地膜高2.08%，其中，5 cm和25 cm分別較普通PE地膜高3.39%和4.74%(p<0.05)，而膜下15 cm的低1.89%(p<0.05)。

③ 與普通PE地膜比較，降解膜對花生不同生育期(7月和10月)和不同土層(0～20 cm和20～40 cm)的土壤容重?zé)o顯著影響。

④ 與普通PE地膜對比，降解膜對花生不同生育期(6月和10月)、不同土層(0～20cm和20～40cm)的土壤速效氮磷鉀養(yǎng)分、鹽分及土壤pH均無顯著影響。降解膜對花生產(chǎn)量也無顯著影響。