氧化-生物雙降解地膜對(duì)棉花生長(zhǎng)影響及降解效果

吳博，練文明，邰紅中，盧金寶，周龍，趙靜，蔡利華

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,新疆阿拉爾843300）

新疆是我國最大的棉花生產(chǎn)基地，形成了成熟的“矮、密、早、膜”栽培模式，棉田鋪膜率達(dá)到100%；然而，地膜在實(shí)現(xiàn)棉花高產(chǎn)增收的同時(shí)，帶來的地膜污染問題也日益加重， 嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。針對(duì)地膜污染嚴(yán)重、殘膜治理難度大的現(xiàn)狀，應(yīng)用可降解材質(zhì)的地膜成為治理地膜污染問題的理想途徑。氧化-生物雙降解地膜作為添加劑型降解地膜，綜合利用了氧化降解和生物降解技術(shù)，具有降解時(shí)間可控、力學(xué)性能良好、增溫保墑效果與普通地膜相同的優(yōu)勢(shì)，使其在棉花生產(chǎn)中具有代替普通地膜使用的可行性[1-5]。本研究采用山東省天壯環(huán)?？萍加邢薰咎峁┑? 種不同配方的氧化- 生物雙降解地膜，開展氧化- 生物雙降解地膜在棉花生產(chǎn)上應(yīng)用的試驗(yàn)研究，通過棉花生長(zhǎng)情況、增溫保墑效果和降解性能對(duì)氧化- 生物雙降解地膜的降解效果進(jìn)行探討，為氧化- 生物雙降解地膜的應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及材料

試驗(yàn)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所2# 試驗(yàn)田（東經(jīng)81°18′49，北緯40°33′14″）進(jìn)行，暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，年均降水量為40.1～82.5 mm。試驗(yàn)地前茬作物為棉花，土壤中水解性氮含量為70.5 mg·kg－1， 有效磷29.7 mg·kg－1，速效鉀171 mg·kg－1，有機(jī)質(zhì)13.6 g·kg－1。

試驗(yàn)采用由山東天壯環(huán)保科技有限公司提供的氧化- 生物雙降解地膜的兩種型號(hào)：棉花采收前降解的2018 新疆阿拉爾棉花1 號(hào)（簡(jiǎn)稱：棉花1 號(hào)，規(guī)格：2 050 mm×0.008 mm）， 棉花采收后降解的2018 新疆阿拉爾棉花2 號(hào)（簡(jiǎn)稱：棉花2 號(hào)，規(guī)格：2 050 mm×0.008 mm），對(duì)照采用普通膜聚乙烯地膜（規(guī)格：2 050 mm×0.01 mm）。 供試棉花品種為新陸中82 號(hào)，由新疆塔里木河種業(yè)股份有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018 年進(jìn)行田間小區(qū)試驗(yàn)， 采用棉花1 號(hào)和棉花2 號(hào)兩種類型， 以普通聚乙烯地膜為對(duì)照，采取隨機(jī)排列設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)置3 次重復(fù)，共計(jì)9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為69 m2。

2019 年根據(jù)2018 年的試驗(yàn)結(jié)果，為研究降解地膜在土壤中的降解效果進(jìn)行填埋試驗(yàn)。設(shè)置4 個(gè)處理，處理1 和處理2 分別是：2019 年拆封的降解地膜棉花1 號(hào)（處理1）和棉花2 號(hào)（處理2），處理3 和處理4 分別是：2018 年田間使用1 年后的邊行種床及種床側(cè)面覆土部位完整形態(tài)的降解地膜棉花1 號(hào)（處理3）、棉花2 號(hào)（處理4）。各處理分別取一片降解地膜平鋪展開裝入20 目網(wǎng)袋，于2019 年4 月10 日埋入15～20 cm 耕層， 2020 年3 月25日取出，超聲波清洗后30 ℃烘干，并計(jì)算地膜降解率，每個(gè)處理3 次重復(fù)。

1.3 栽培管理措施

試驗(yàn)田進(jìn)行冬春2 次漫灌。播前基施磷酸二銨300 kg·hm－2（含N 18 %、含P2O546 %），尿素225 kg·hm－2（含N 46%），氯化鉀75 kg·hm－2（含K2O 50%）。4 月10 日采用人工點(diǎn)播方式進(jìn)行1 穴1 粒播種， 播種密度為2.52 萬株·hm－2， 種植模式為（66＋10）cm。生育期間滴水10 次，單次滴水350～520 m3·hm－2。 生育期追肥采用隨水滴施，生育期追肥總量850 kg·hm－2。 打頂、化控、植保措施同當(dāng)?shù)貦C(jī)采棉栽培模式相同。

1.4 調(diào)查項(xiàng)目與方法

1.4.1生育期及出苗率。調(diào)查記錄棉花各個(gè)生育時(shí)期及出苗率。

1.4.2農(nóng)藝性狀。 每個(gè)小區(qū)連續(xù)選10 株， 調(diào)查株高、單株果枝數(shù)、果枝始節(jié)位、果枝始節(jié)位高度、葉片數(shù)。

1.4.3產(chǎn)量性狀。 9 月20 日前后每個(gè)小區(qū)連續(xù)調(diào)查10 株的單株成鈴數(shù)；10 月15 日，每個(gè)小區(qū)采收整株吐絮鈴90 個(gè)，用于計(jì)算鈴重和檢測(cè)纖維品質(zhì)；11 月10 日，每個(gè)小區(qū)實(shí)收籽棉，測(cè)定每個(gè)小區(qū)的籽棉產(chǎn)量，并稱取1 kg 籽棉檢測(cè)衣分。

1.4.4溫度及土壤含水量。采用溫度記錄器測(cè)量膜下10 cm 地溫；土壤含水量采用烘干稱重法，每間隔10 d 取膜下20 cm 深度土壤進(jìn)行測(cè)定。

1.4.5地膜降解性能觀測(cè)及地膜降解率。觀測(cè)地膜降解性能，將地膜降解分為5 個(gè)時(shí)期，即為誘導(dǎo)期（出現(xiàn)多處自然裂縫或孔洞直徑≤2 cm）、 開裂期（出現(xiàn)2 cm＜孔洞直徑或裂縫長(zhǎng)度＜20 cm）、大裂期（出現(xiàn)自然裂縫≥20 cm）、碎裂期（地膜柔韌性盡失，出現(xiàn)碎裂，可收集的最大地膜殘片面積≤16cm2）、無膜期（見不到地膜殘片存在）。 每間隔5 d 進(jìn)行肉眼觀測(cè)，并記錄地膜變化情況。地膜降解率＝（降解前質(zhì)量－降解后質(zhì)量）/降解前質(zhì)量×100%。 2018年試驗(yàn)中：降解前質(zhì)量取播種前面積為（2.9×2.05）m2（可鋪土地面積6.67 m2）的地膜，降解后質(zhì)量為11月15 日取棉田土地面積為 （2.9×2.3）m2的地膜。2019 年填埋試驗(yàn)：降解前質(zhì)量為填埋前地膜質(zhì)量，降解后質(zhì)量為填埋結(jié)束后地膜質(zhì)量。

1.4.6纖維品質(zhì)測(cè)定。取10 月15 日前后采收的棉樣30 g，由新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所檢驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行纖維品質(zhì)檢測(cè) （HVICC 校準(zhǔn)），測(cè)定棉花纖維上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值、整齊度、成熟度、短纖維共計(jì)6 項(xiàng)指標(biāo)。

1.4.7數(shù)據(jù)處理。 采用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（7.05 專業(yè)版）和MS Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氧化-生物雙降解地膜對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響

2.1.1棉花生育期。 棉花1 號(hào)、2 號(hào)與普通地膜處理的出苗、 現(xiàn)蕾等生育時(shí)期相差1 d 或無差別；出苗率表現(xiàn)較為一致，各處理的生育期沒有明顯差異（表1）。 表明氧化-生物雙降解地膜對(duì)棉花生育期基本未造成顯著影響。

2.1.2棉花農(nóng)藝性狀。棉花1 號(hào)處理的果枝始節(jié)位和果枝始節(jié)位高度顯著低于棉花2 號(hào)和普通地膜，這可能是由于棉花1 號(hào)降解地膜開裂較早，導(dǎo)致地表溫度下降，降低營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)速度，始果枝節(jié)位較低，但是這種變化并未對(duì)株高、果枝數(shù)、葉片數(shù)造成顯著影響（表2）。

2.1.3棉花產(chǎn)量及其性狀。 通過表3 表明，3 個(gè)處理在密度、成鈴數(shù)、鈴重、單株鈴數(shù)并未表現(xiàn)顯著差異； 普通地膜處理的實(shí)收籽棉產(chǎn)量略高于其他處理，但是各處理間無顯著差異，表明棉花1 號(hào)、2 號(hào)與普通地膜處理的產(chǎn)量性狀表現(xiàn)較為一致。

2.1.4棉花纖維品質(zhì)。從表4 可以看出，棉花1 號(hào)、2 號(hào)和普通地膜處理沒有對(duì)棉花纖維品質(zhì)造成顯著影響，上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值3個(gè)纖維品質(zhì)的重要指標(biāo)均無顯著差異， 整齊度、成熟度和短纖維雖然略有差別， 但沒有達(dá)到顯著水平，表明2 種降解地膜處理沒有對(duì)纖維品質(zhì)造成顯著影響。

表2 不同處理的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

表3 不同處理的產(chǎn)量性狀

表4 不同處理的棉花纖維品質(zhì)

2.2 氧化- 生物雙降解地膜對(duì)土壤溫度和含水量的影響

2.2.1土壤溫度。4 月17 日至8 月31 日（137 d）膜下10 cm 地溫收集結(jié)果（表5）表明，棉花1 號(hào)、2 號(hào)和普通地膜處理≥10 ℃有效積溫沒有顯著差異，同一月份的不同處理間≥10 ℃有效積溫均未達(dá)到顯著差異水平。 2 種降解地膜對(duì)10 cm 地溫未造成顯著影響。

表5 4 月17 日－8 月31 日各處理膜下10 cm ≥10 ℃有效積溫 ℃

2.2.2土壤含水量。 覆蓋棉花1 號(hào)、2 號(hào)和普通地膜的土壤含水量（表6）均表現(xiàn)出隨時(shí)間推移含水量呈下降趨勢(shì)，對(duì)比3 個(gè)處理同一日期的含水率，3個(gè)處理間含水量沒有顯著差異，表明2 種降解地膜對(duì)20 cm 深度土壤含水量未造成影響。

表6 不同時(shí)期各處理的土壤含水量 %

2.3 氧化-生物雙降解地膜降解性能

2.3.1地膜降解性能觀測(cè)。 從表7 可以看出：棉花1 號(hào)降解時(shí)間早，播種后39 d 進(jìn)入誘導(dǎo)期，地表裸露部分的地膜出現(xiàn)多處裂縫和小孔洞；播種后57 d后進(jìn)入開裂期，播種后72 d 后進(jìn)入大裂期，出現(xiàn)大裂縫；播種后103 d 后進(jìn)入碎裂期，地表裸露、陽光直射部位的膜面呈片狀， 緊貼地表， 拉力消失，變脆。 至2019 年4 月，棉花1 號(hào)在地表裸露、陽光直射部位的膜面破碎呈近粉狀，個(gè)別呈碎片狀緊貼地表，難以撿拾；在種床莖基部的地膜形態(tài)完整，手扯拉力較對(duì)照相同部位的地膜略有下降，可完整揭起而不斷裂；種床側(cè)面覆土部分形態(tài)完整，手扯拉力較對(duì)照覆土部位地膜略微下降，可將地膜從覆土部位較為完整地?fù)斐觥Ｃ藁? 號(hào)于11 月25 日進(jìn)入誘導(dǎo)期，歷時(shí)204 d，至2019 年4 月沒有進(jìn)入開裂期，膜面形態(tài)較為完整，拉力下降，較對(duì)照地膜略微變脆，可以完整揭起。 普通地膜膜面及覆土部分均未表現(xiàn)任何破碎現(xiàn)象，形態(tài)完整，拉力良好。

表7 2018 年不同處理的地膜降解時(shí)期及降解率

2.3.2地膜降解率。 2018 年11 月15 日分別對(duì)各處理的每個(gè)小區(qū)取面積為6.67 m2地膜， 計(jì)算各處理降解率。從表7 中可以看出降解率最高的為棉花1 號(hào)，降解率達(dá)47.3%。 由于人為誤差，在回收取樣過程中可能存在樣品損耗（損耗同等面積的地膜，厚度較大的普通地膜質(zhì)量損失較大）， 導(dǎo)致普通地膜的降解率略高于棉花2 號(hào)， 但未達(dá)到顯著水平。然而在實(shí)際取樣過程中，普通地膜和棉花2 號(hào)的地膜形態(tài)完整，拉力良好，均未觀測(cè)到降解現(xiàn)象。

2.3.32019 年填埋試驗(yàn)。2020 年3 月25 日取出填埋試驗(yàn)的降解地膜，試驗(yàn)結(jié)果表明各處理降解率均較低，且不存在顯著差異（表8）。 處理1 和處理2膜面完整，較普通地膜拉力略差，拉扯中會(huì)出現(xiàn)2～3 個(gè)低于3 mm 孔洞，未出現(xiàn)脆狀；處理3 和處理4膜面完整，其中種床部位拉力較普通地膜差，拉扯易撕裂，質(zhì)地松脆，種床側(cè)面覆土部位較普通地膜拉力略差， 拉扯中會(huì)出現(xiàn)2～3 個(gè)低于3 mm 孔洞，未出現(xiàn)脆狀。結(jié)果表明在埋土試驗(yàn)中，各處理地膜表現(xiàn)出拉力變差的現(xiàn)象，但未表現(xiàn)出明顯的降解現(xiàn)象。

表8 2019 年填埋試驗(yàn)不同處理的降解率

3 討論與結(jié)論

降解地膜在棉花生產(chǎn)中的應(yīng)用，要注意3 個(gè)重要問題：力學(xué)性能、增溫保墑效果和降解性能。在力學(xué)性能方面， 本研究采用常規(guī)播種機(jī)械進(jìn)行鋪膜，氧化- 生物雙降解地膜棉花1 號(hào)和2 號(hào)與普通地膜使用效果相同，均能滿足機(jī)械鋪膜、播種的要求。

降解性能直接影響增溫保墑效果。降解地膜過快進(jìn)入誘導(dǎo)期會(huì)縮短降解時(shí)間，影響地膜的增溫保墑效果，導(dǎo)致減產(chǎn)[6-8]；誘導(dǎo)期過長(zhǎng)，可能在棉花收獲時(shí)出現(xiàn)地膜碎片或無法降解， 從而影響降解效果。在棉花生產(chǎn)中應(yīng)用降解地膜，其誘導(dǎo)期需要根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件和栽培管理技術(shù)進(jìn)行選擇[4]。 南殿杰等[9]認(rèn)為，可降解地膜誘導(dǎo)期控制在60 d 左右為宜；趙彩霞等[10]的研究表明誘導(dǎo)期為45 d 對(duì)棉花產(chǎn)量影響不顯著， 而低于30 d 的降解地膜表現(xiàn)出明顯減產(chǎn)現(xiàn)象；朱友娟等[4]等對(duì)誘導(dǎo)期30～120 d 的不同降解地膜進(jìn)行試驗(yàn)，表明降解地膜與普通聚乙烯膜的棉花產(chǎn)量無顯著差異；袁海濤等[11]對(duì)誘導(dǎo)期31～64 d 的4 種氧化- 生物雙降解地膜進(jìn)行研究，表明4 種降解地膜對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量構(gòu)成沒有造成顯著影響；袁海濤等[12]在隨后的示范試驗(yàn)中表明誘導(dǎo)期為40 d 的降解地膜表現(xiàn)出一定的增產(chǎn)效果。 本研究中誘導(dǎo)期為39 d 的棉花1 號(hào)和204 d的棉花2 號(hào)均未對(duì)產(chǎn)量造成顯著影響， 表明39 d的誘導(dǎo)期可以滿足當(dāng)?shù)孛藁ㄉa(chǎn)的需要。

降解性能是衡量降解地膜應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵指標(biāo)。試驗(yàn)中降解速率快的棉花1 號(hào)在收獲時(shí)未進(jìn)入消失期，降解地膜呈碎片狀，使用機(jī)械采收可能會(huì)造成地膜污染， 還需要提高誘導(dǎo)期之后的降解速率，使降解地膜在機(jī)械采收前進(jìn)入消失期。 降解速率較慢的棉花2 號(hào)在翌年播前并未進(jìn)入開裂期，其在土壤中的降解效果決定其降解性能， 但是2018年的使用結(jié)果表明棉花1 號(hào)和棉花2 號(hào)的種床側(cè)面覆土部位的降解地膜僅表現(xiàn)輕微的拉力變化，未發(fā)生明顯降解；2019 年的填埋試驗(yàn)結(jié)果表明各處理僅表現(xiàn)出拉力變差，未發(fā)生明顯降解，表明氧化-生物雙降解地膜在土壤中的降解效果還有待于進(jìn)一步試驗(yàn)。 建議可對(duì)氧化-生物雙降解地膜在土壤中降解性能、土壤微生物群落、土壤理化性狀及降解后的形態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以便于完善配方，提高降解性能，加快降解地膜的推廣應(yīng)用，解決殘膜污染問題。

從本試驗(yàn)的棉花生育期、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)4 個(gè)方面來看，對(duì)比普通地膜，使用棉花1 號(hào)和棉花2 號(hào)對(duì)棉花生長(zhǎng)均未造成顯著影響；結(jié)合土壤10 cm 地溫和20 cm 含水量的試驗(yàn)結(jié)果，綜合表明供試的降解地膜對(duì)棉花生長(zhǎng)、產(chǎn)量和土壤增溫保墑效果與普通地膜基本相同， 其中誘導(dǎo)期較短的棉花1 號(hào)降解性能較好， 具有較高的應(yīng)用價(jià)值。