不同類型降解膜對(duì)花生增產(chǎn)及在土壤中殘留消解動(dòng)態(tài)研究

丁 彬，謝吉先*，馮夢(mèng)詩(shī)，陳志德，2，常 蕾，蔣 瑩

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院泰州農(nóng)科所,江蘇 泰州225300；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所,江蘇 南京210014)

地膜覆蓋具有改善根系環(huán)境,抑制雜草生長(zhǎng),調(diào)節(jié)土壤溫濕度、減輕作物病害的功能,可提高作物產(chǎn)量,減少勞動(dòng)力成本等[1-2],因而在生產(chǎn)上得到了大面積的推廣。普通地膜的分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,其在土壤中可以殘留百年之久,土壤中大量的殘膜對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3-4]。

為穩(wěn)定作物產(chǎn)量,避免環(huán)境污染,發(fā)展降解膜是重要途徑[5]。因此需要開(kāi)發(fā)全生物降解地膜來(lái)有效解決土壤污染問(wèn)題。常見(jiàn)的生物降解膜種類有聚乳酸(PLA)、二氧化碳/環(huán)氧丙烷共聚物(PPC)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、對(duì)苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯(PBAT)等[6],均具備普通地膜在生長(zhǎng)前期促進(jìn)作物提早發(fā)苗、生長(zhǎng),在后期破裂直至降解的特點(diǎn),對(duì)產(chǎn)量、土壤及下茬作物生長(zhǎng)不會(huì)造成影響。普通地膜在江蘇大量的應(yīng)用,已造成土壤殘膜積累過(guò)多,嚴(yán)重影響下茬作物生長(zhǎng)及造成“白色污染”[7-8]。因此,本課題組通過(guò)近年來(lái)連續(xù)引進(jìn)多種類型生物降解地膜,研究其對(duì)花生產(chǎn)量以及收獲后對(duì)田間土壤的影響,旨在為大面積應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)PPC黑色降解膜由中科金龍新材料有限公司提供；強(qiáng)化耐厚膜和PBAT生物降解材料由南通華盛新材料股份有限公司提供；PLA地膜由上海弘睿生物科技有限公司提供；普通地膜則由當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)采購(gòu)?；ㄉ贩N為泰花8號(hào)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019年在江蘇農(nóng)科院泰州農(nóng)科所試驗(yàn)基地進(jìn)行,土質(zhì)砂壤土,地勢(shì)平坦,排灌良好,肥力中等均勻。前茬花生冬閑,4月25日耕翻整地,施用商品有機(jī)肥15000 kg/hm2、15-15-15硫基綠聚能緩控釋復(fù)合肥600 kg/hm2,機(jī)械起壟,壟寬75 cm,壟面寬45 cm,壟高15 cm,每壟播2行,穴距18～20 cm,重復(fù)3次,每小區(qū)4壟,寬3.2 m,長(zhǎng)4.0 m,間隔0.4 m,隨機(jī)區(qū)組排列,四周設(shè)保護(hù)行。在地膜覆蓋前用96%異丙甲草胺乳油1.5 L/hm2+水50 L/hm2噴霧化除,5月8日按試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求對(duì)小區(qū)進(jìn)行人工鋪膜,5月21日每穴兩粒、三粒相間播種。7月18日用花生超生寶0.75 kg/hm2+水50 L/hm2化控,同時(shí)用蘇云金桿菌1.5 kg/hm2+水50 L/hm2兼治斜紋夜蛾。9月7-12日成熟并收獲。12月18日五點(diǎn)法取0～5 cm土層樣品進(jìn)行全元素和熱裂解分析。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)材料組成及性狀設(shè):強(qiáng)化耐厚膜、厚度0.01 mm(JM1)；PPC黑色降解膜、厚度0.01mm(JM2)；PLA 地膜、 厚 度0.01 mm(JM3)；PLA地膜、厚度0.008 mm(JM4)；PLA 地膜、厚度0.006 mm(JM5)；PBAT生物降解材料、厚度0.01 mm(JM6)；普通白地膜(CK1)；普通黑地膜(CK2),露地栽培(CK3),共9個(gè)處理。

1.4 考查項(xiàng)目與標(biāo)準(zhǔn)

開(kāi)裂程度包括以下幾個(gè)階段:①開(kāi)裂始期:地膜面上開(kāi)始出現(xiàn)自然零星裂縫的時(shí)期；②開(kāi)裂期:地膜面上自然裂縫面積占小區(qū)覆蓋面積百分比的時(shí)期,包含開(kāi)裂1期:(地膜面上自然裂縫面積占小區(qū)覆蓋面積10%的時(shí)期)；開(kāi)裂2期:(30%)；開(kāi)裂3期:(50%)；開(kāi)裂4期:(70%)。 降解程度包括以下幾個(gè)級(jí)別:①降解1級(jí):(地膜膜面自然降解消失面積占覆蓋面積的10%)；②降解2級(jí):(30%)；③降解3級(jí):(50%)；④降解4級(jí):(70%)；⑤降解5級(jí):(90%及以上的時(shí)期)。農(nóng)藝性狀考查標(biāo)準(zhǔn)按《花生種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》要求[9]。

1.5 儀器及數(shù)據(jù)分析

土壤全元素分析使用美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP6000)；采用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(EGA/PY-3030D-GCMS-QP2010Ultra)進(jìn)行土壤熱裂解分析,其中EGA/PY-3030D為日本frontier公司生產(chǎn)；GCMS-QP2010Ultra為日本Shimadzu公司生產(chǎn)。

采用江蘇省精創(chuàng)電氣股份有限公司土壤溫度儀對(duì)不同地膜覆蓋小區(qū)的土壤溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)量深度分別為地面表層0 cm、10 cm土壤溫度,測(cè)定時(shí)間為每日2:00、8:00、14:00、20:00,結(jié)果取三次重復(fù)的平均值,監(jiān)測(cè)時(shí)間從5月22日開(kāi)始,持續(xù)到8月2日止。各處理每天的土壤溫度為當(dāng)天四個(gè)觀測(cè)時(shí)刻的平均值。數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后,方差分析采用SPSS16.0軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜型對(duì)降解效果的影響

CK1、CK2和JM1三個(gè)處理一直未出現(xiàn)自然開(kāi)裂現(xiàn)象；而降解膜于6月4日-7月1日先后發(fā)生自然開(kāi)裂,其中JM5開(kāi)裂較早為6月4日,其次是JM4和JM6處理為6月10日,再次是JM2為6月12日,最后是JM3自然開(kāi)裂較晚為7月1日(表1)。從降解情況看,各膜型于覆蓋期內(nèi)均出現(xiàn)降解現(xiàn)象,其中JM5較早,為7月1日,其次是JM4為7月8日、JM6處理為7月9日,JM2為7月10日,JM3較晚為7月25日；花生收獲前,JM2、JM4、JM5和JM6膜型自然降解均達(dá)4級(jí)(70%)以上(表1)。

表1 不同膜型田間開(kāi)裂及降解日期考查表(mm/dd)Table 1 Investigation on cracking and degradation date of different types of film in field

2.2 膜型對(duì)花生生長(zhǎng)發(fā)育的影響

各覆膜處理均于6月4-5日出苗,出苗率在90.00%～93.36%之間,差別較小,JM1、JM3處理最高,均為93.36%,因而膜型處理對(duì)花生出苗未出現(xiàn)不良影響。JM2、JM6開(kāi)花期為6月22日,JM4、JM5為6月23日,CK3為6月23日,而其他各覆膜處理均為6月21日。花生封行日期處理間差別較大,CK1、CK2及JM1處理封行均較早,同為7月10日；其次是JM3處理為7月12日；JM2、JM4和JM6處理再次,同為7月13日。CK1成熟期最早為9月7日,CK2、JM1晚1 d為9月8日,JM3為9月11日,JM2、JM4和JM6為9月12日,JM5最晚為9月13日。全生育期為110～119 d(表2)。

2.3 膜型對(duì)植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)的影響

2.3.1 對(duì)植株性狀的影響

CK1、CK2和JM1早發(fā)優(yōu)勢(shì)較為明顯。JM1、JM3、CK1、CK2在生長(zhǎng)發(fā)育前期葉齡迅速增長(zhǎng),利于植株的早發(fā)快長(zhǎng)；在生長(zhǎng)發(fā)育后期依然保持葉齡最大,利于增加植株的光合面積,從而積累更多有機(jī)物。分枝數(shù)從苗期到花針期生長(zhǎng)速度比較快,結(jié)莢期之后生長(zhǎng)速度變得緩慢。同一厚度不同材質(zhì)的JM2、JM3和JM6處理促進(jìn)幼苗早發(fā)效應(yīng)存在一定差異；同一材質(zhì)不同厚度PLA地膜早發(fā)作用差別也較為明顯,地膜越厚對(duì)幼苗期壯苗早發(fā)作用越明顯(表3)。

2.3.2 對(duì)鮮物質(zhì)量的影響

考查結(jié)果顯示,CK1、CK2和JM1的營(yíng)養(yǎng)體構(gòu)架優(yōu)勢(shì)略好于降解膜,CK1、CK2和JM1無(wú)論營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)還是生殖生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)均表現(xiàn)最強(qiáng),JM3略次,JM2、JM4、JM6再次,JM5相對(duì)較弱(表4)。不同處理在苗期器官積累量差距??；鮮物質(zhì)量積累隨著生育期推進(jìn),各器官積累量差距開(kāi)始擴(kuò)大。綠葉鮮質(zhì)量在全生育期內(nèi)先增大后減少,在結(jié)莢期達(dá)到最大。

表2 不同類型地膜覆蓋對(duì)花生出苗率和生育期的影響Table 2 Effect of different types of film on the growth period of peanut

表3 不同類型地膜覆蓋花生生長(zhǎng)發(fā)育的影響Table 3 Effect of different types of film on the growth and development of peanut

表4 不同類型地膜覆蓋花生鮮物質(zhì)量的影響/gTable 4 Effect of different types of film on the fresh mass of peanut

2.3.3 對(duì)主根長(zhǎng)和地下針的影響

花針期主根長(zhǎng)以CK1最長(zhǎng),其次JM1、CK2、JM3和JM2,分別為14.5、14.4、14.0、13.9和13.0 cm,CK3處理最短僅10.0 cm(圖1)。 根系的快速增長(zhǎng)有利于吸收更多的養(yǎng)分,進(jìn)而促進(jìn)側(cè)根的生長(zhǎng)。苗期CK1、CK2和JM1主根長(zhǎng)差異不顯著；相同厚度不同材質(zhì)的JM2和JM3差異不顯著,JM3和JM6差異顯著；相同材質(zhì)不同厚度的JM4、JM5和JM6差異顯著。除JM5以外,所有處理與CK3差異均顯著。

膜型的不同影響結(jié)莢期花生的地下針數(shù),CK1、CK2和JM1、JM3地下針最多,且四種處理差異不顯著；相同厚度不同材質(zhì)的JM2和JM3、JM2和JM6差異不顯著；相同材質(zhì)不同厚度的JM3、JM4和JM5差異顯著；說(shuō)明不同膜型覆蓋促進(jìn)多針多果效果不同。

2.3.4 對(duì)葉面積指數(shù)的影響

葉面積指數(shù)在一定范圍內(nèi)能夠反映葉片光合作用的強(qiáng)弱,葉面積指數(shù)越大,光合作用越強(qiáng)。由圖2可看出,在整個(gè)生育期內(nèi),花生葉面積指數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在花生結(jié)莢期時(shí),CK1葉面積指數(shù)最高,與CK2和JM1差異不顯著；CK2葉面積指數(shù)與相同厚度JM1和JM3差異不顯著；相同材質(zhì)不同厚度的JM4和JM5差異顯著；相同厚度不同材質(zhì)JM3和JM6處理的葉面積差異顯著。

圖1 不同類型地膜覆蓋花生主根長(zhǎng)和地下針的影響Fig.1 Effect of different types of film on the main root length and underground needle of peanut

圖2 不同類型地膜覆蓋花生葉面積指數(shù)的影響Fig.2 Effect of different types of film on the leaf area index of peanut

圖3 全監(jiān)測(cè)期內(nèi)不同覆蓋方式下土層平均溫度的變化Fig.3 Variation of mean temperature under different films during the whole monitoring period

表5 全監(jiān)測(cè)期內(nèi)不同覆蓋方式下土層平均溫度/℃Table 5 Mean temperature of soil layer under different films in the whole monitoring period

表6 覆蓋不同材料生物降解膜降解后土壤全元素分析/(mg·kg-1)Table 6 Analysis of whole elements in soil after biodegradation of different mulching materials

2.4 不同降解膜對(duì)土層溫度的影響

由圖3可看出,各覆膜處理表層日均溫度均高于地下10 cm土層溫度。其中,CK2、JM1和JM3三個(gè)處理溫度最高,分別為29.29、28.62、28.10℃,且三者都達(dá)到顯著性差異(p＜0.05),其次為JM2、JM6、JM4和JM5處理,溫度分別為27.81、27.78、27.73、27.58℃,四個(gè)處理差異不顯著,CK3溫度最低,為27.48℃,與JM5溫度差異不顯著。地下10 cm土層溫度JM1和JM8溫度最高,且差異不顯著,其次為JM3、JM2、JM6,三者差異也不顯著,JM4和JM5差異不顯著,CK3溫度最低,為26.9℃(表5)。

2.5覆蓋不同材料生物降解膜降解后土壤全元素分析

通過(guò)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP6000)對(duì)四種土壤樣品進(jìn)行全元素檢測(cè)(表6)。依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)公布土壤8種主要重金屬元素污染:鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳,在樣品中檢測(cè)出5種(表中下劃線標(biāo)注),均低于中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-1995)的自然背景值,處于安全范圍內(nèi)。

2.6 熱裂解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析結(jié)果

用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)厚度均為0.01 mm的JM2、JM3和JM6樣品進(jìn)行熱裂解分析,JM2土壤峰面積92.76%為二氧化碳、1.18%為環(huán)氧乙烷,占總峰面積的93.95%；JM3土壤峰面積31.57%為二氧化碳、56.99%為N-甲基辛胺,占總峰面積的88.57%；JM6土壤峰面積100%為二氧化碳(表7)。

表7 覆蓋不同材料生物降解膜降解后土壤熱裂解分析Table 7 Analysis of soil thermal cracking after biodegradation of different mulching materials

2.7 對(duì)莢果產(chǎn)量的影響

從花生莢果產(chǎn)量結(jié)果看,各處理變幅為4608.3～5550.0 kg/hm2,其中CK3處理最低為4608.3 kg/hm2。 CK1、CK2、JM1莢果產(chǎn)量位居kg/hm2,其次JM3處理為5433.3 kg/hm2,再次是JM2處理為5288.9 kg/hm2,JM4和JM6產(chǎn)量相當(dāng),分別為5233.4、5225.1 kg/hm2(表8)。前三,分別為5550.0、5533.4、5527.8

表8 覆蓋不同膜型生物降解膜對(duì)莢果產(chǎn)量的影響Table 8 Yield of peanut under different mulches

3 討 論

生物降解膜是指自然環(huán)境中,在微生物(真菌、細(xì)菌和放線菌等)作用下將材料最終分解成CO2和H2O[10-11]。以往研究表明,降解地膜統(tǒng)一呈現(xiàn)出殘膜畦面部分降解快、覆土部分降解慢,誘導(dǎo)期越長(zhǎng),花生產(chǎn)量越高的現(xiàn)象[12]。謝吉先等對(duì)三種PPC降解膜在花生上的應(yīng)用效果研究,發(fā)現(xiàn)三種PPC降解的差異性主要受降解膜膜型結(jié)構(gòu)影響[13]。楊林等用0.008 mm和0.01 mm生物降解膜(PLA+PBAT材料)對(duì)茶菊的抑草率分別為49.63%和52.21%,產(chǎn)量方面增產(chǎn)達(dá)15.60%(0.008 mm)和16.98%(0.01 mm)[14]。 丁彬等研究表明,PPC生物降解膜能夠顯著提高土壤溫度、土壤含水量,且PPC白膜增溫保濕效果優(yōu)于PPC黑膜[4]。有研究表明土壤細(xì)菌、真菌和放線菌等3類菌群中,細(xì)菌的數(shù)量最高、繁殖速度最快,更有助于生物降解膜的降解[15-16]。

本研究表明,PPC等幾種降解膜在花生生育期內(nèi)均有不同程度的自然破裂和降解作用,其中0.006 mm厚度PLA地膜最快,0.008 mm厚度PLA次之,厚度均為0.01 mm的PPC、PBAT和PLA地膜再次之；花生收獲前,JM2、JM4、JM5、JM6膜型自然降解均達(dá)4級(jí)(70%)以上。CK1、CK2、JM1、JM2在生育后期依然保持葉齡最大,利于增加植株的光合面積,從而積累更多有機(jī)物；主根長(zhǎng)也最大,根系的快速增長(zhǎng)有利于吸收更多的養(yǎng)分,進(jìn)而促進(jìn)多針多果。葉面積指數(shù)呈先增加后降低的趨勢(shì),在結(jié)莢期時(shí)CK2、JM1和JM3差異不顯著；相同材質(zhì)不同厚度的JM4和JM5差異顯著；相同厚度不同材質(zhì)JM3和JM6處理的葉面積指數(shù)差異顯著。在成熟期,相同厚度不同材質(zhì)的JM4和JM6差異不顯著。五種重金屬均低于中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-1995)的自然背景值,處于安全范圍內(nèi)；JM2、JM6處理土壤樣品熱裂解主要成分均為二氧化碳。JM3土壤樣品中熱裂解的主要成分為N-甲基辛胺,其次為二氧化碳,N-甲基辛胺可能為土壤樣品中的有機(jī)物或者是易分解無(wú)機(jī)物質(zhì)的分解產(chǎn)物,亦有可能為PLA地膜熱裂解產(chǎn)物,需進(jìn)一步研究確定。土壤微環(huán)境的變化引發(fā)了植株生長(zhǎng)發(fā)育的改變,進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。大量研究表明覆膜處理對(duì)花生具有不同程度的增產(chǎn)效果[17-19]。

本研究中各降解膜處理對(duì)花生生長(zhǎng)發(fā)育均有不同程度的影響作用,CK1、CK2、JM1對(duì)花生生長(zhǎng)發(fā)育促進(jìn)和增產(chǎn)效果均最好；JM3稍次,JM2次之,JM6再次之。因此生產(chǎn)上建議選0.01 mm的PPC、PLA和PBAT膜型示范,以更好地發(fā)揮其生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。