麻纖維地膜還田對土壤-蔬菜系統(tǒng)養(yǎng)分和重金屬含量的影響

楊 敏，龍世方，黃道友①，田應兵，朱奇宏

(1.長江大學農學院，湖北 荊州 434025；2.中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所/ 亞熱帶農業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南 長沙 410125)

自20世紀50年代中期以來，地膜覆蓋栽培技術因具有保溫、保墑、增產(chǎn)等優(yōu)勢，已廣泛應用于農業(yè)生產(chǎn)[1-4]。然而，農作物收獲后田間的塑料薄膜不能及時去除或有效循環(huán)利用，導致了大量的塑料廢棄物產(chǎn)生[5]。中國是世界上塑料薄膜使用最多的國家[6]，其中栽培農作物使用的塑料薄膜數(shù)量已達1.47×106t，塑料覆蓋面積已達1.84×107hm2[7]，30 cm土層的塑料地膜殘留量約為72～260 kg·hm-2[8]。大多數(shù)農用塑料薄膜由低密度聚乙烯制成，具有高分子量和疏水性特點，完全降解大約需要幾百年的時間[9-10]。當土壤中的塑料薄膜殘留量增加到一定閾值時，常常會破壞土壤結構[7]，減少土壤水分滲入，阻礙土壤水分和養(yǎng)分運移，限制根系生長，降低作物產(chǎn)量[11-15]。

生物降解地膜是可受自然界微生物和藻類等生物活動影響而降解的地膜[16]，其提供的作物生產(chǎn)效益與傳統(tǒng)塑料薄膜相當[17]，可以作為傳統(tǒng)塑料薄膜的替代品。在土壤覆蓋試驗中，生物降解地膜降解后提高了土壤溫度和濕度，有效地改善了作物生長、土壤微生物群落結構和土壤酶活性[18]。當生產(chǎn)季節(jié)結束時，生物降解地膜不僅可以直接還田或堆肥，還有效解決了傳統(tǒng)塑料薄膜的環(huán)境污染問題。可再生資源〔如淀粉[19]、纖維素[20]及其衍生物聚乳酸(PLA)和聚羥基烷酸酯(PHA)〕常作為生物降解地膜原材料。其中纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，棉花、苧麻、黃麻和亞麻中含有大量纖維素，其在生物降解地膜中的應用最為廣泛。

麻纖維地膜作為生物降解地膜的一種，具有拉伸強度較高，保溫、保墑性能較好，可完全降解[21]等特點，在農業(yè)生產(chǎn)中應用后能實現(xiàn)透氣保濕、提高產(chǎn)量、改善品質等多方面效果，已在辣椒等多種作物栽培中得到了驗證[22]。但長期使用麻纖維地膜并將其殘膜還田后，對土壤理化性質以及作物生長與品質的影響研究還有待加強。該研究采取田間微區(qū)試驗，通過埋入不同量的麻纖維地膜，模擬長期使用麻纖維地膜并將其殘膜還田，研究土壤-蔬菜系統(tǒng)養(yǎng)分和重金屬含量的變化，為農業(yè)生產(chǎn)中麻纖維地膜覆蓋栽培技術提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在耕地重金屬污染長期定位觀測試驗中心站(湖南省長沙縣)進行，地理坐標為北緯112°58′～113°15′，東經(jīng)28°22′～28°27′，屬于典型亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫為16～20 °C，年平均降水量為1 200～1 500 mm。

1.2 試驗材料

供試麻纖維地膜由中國農業(yè)科學院麻類研究所提供，地膜顏色為白色，成分為100%苧麻纖維，其基本理化性質如下：單位面積質量為29 g·m-2，厚度為0.32 mm，伸長率為29.95%，透光率為49.9%，保溫率為13.7%，抗拉強力為687.2 N·m-1，吸水量為0.42 kg·m-2，含水量w為3.45%，C/N比為441.67，氮、磷、鉀含量分別為0.56、0.28、0.26 g·kg-1，錳、鋅、鎳、鎘、鉛含量分別為14.85、9.41、0.46、0.02、0.78 mg·kg-1[21]。

供試土壤為麻沙泥，發(fā)育于花崗巖母質，其主要理化性質如下：pH值為4.80，有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別為32.17、1.26、0.61、28.21 g·kg-1，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為54.46、24.32、86.19 mg·kg-1，錳、鋅、鎳、鎘、鉛含量分別為205.04、116.37、13.13、0.57、68.00 mg·kg-1。

供試作物為小白菜(金豐60，萊州市金豐種子有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1試驗設計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設計。共設5個處理：麻纖維地膜埋入量0(T0)、35(T1)、70(T2)、175(T3)、350 g·m-2(T4)，分別模擬麻纖維地膜使用0、1、2、5、10次，每個處理設4個重復，共20個小區(qū)，小區(qū)面積為1 m2，相鄰小區(qū)之間以寬30 cm、深20 cm并覆蓋塑料薄膜的隔離溝分隔。于2017年11月7日將地膜埋入各個小區(qū)，待地膜完全降解后(無肉眼可見殘膜)，于2018年10月12日在每個小區(qū)移栽9株長勢一致的小白菜幼苗，小白菜移栽前均按100 kg·hm-2(N、P、K質量比為15∶15∶15)復合肥的施肥水平施入基肥，各處理其他田間管理措施按照當?shù)胤N植習慣進行。

1.3.2樣品采集與預處理

于2018年11月23日從每個小區(qū)隨機選取3株(每3株為1個重復)小白菜連根完整采集，洗凈、擦干，對其株高(莖基部到生長點頂端的高度)、鮮重進行測定，105 ℃殺青30 min后，60 ℃烘干至恒重，稱量干重，將烘干樣品粉碎，裝入聚乙烯塑料封口袋備用。

在完成小白菜樣品采集的同時，采用土鉆(半徑2 cm、高20 cm)按照梅花五點法，在每小區(qū)采集5個樣點的耕層(0～20 cm)土壤樣品，混合均勻后裝入聚乙烯塑料袋，迅速帶回實驗室。將采回的土樣風干、磨碎、分別過0.15和0.83 mm孔徑篩后，裝入聚乙烯塑料封口袋備用。

1.3.3測定指標與方法

參照文獻[23]測定土壤pH值和全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀等營養(yǎng)元素含量。土壤鎘、鉛、錳、鋅、鎳的有效態(tài)用0.1 mol·L-1CaCl2(pH值7.0) 提取[24]，ICP-OES(安捷倫5110，美國)測定。

小白菜鮮重和干重按照小區(qū)種植密度和樣品采集量進行換算，其株高采取3株樣品的均值。小白菜干樣采用H2SO4-H2O2消煮法測定植株氮、磷、鉀含量。小白菜鎘、鉛、錳、鋅、鎳含量采用硝酸-高氯酸消煮法[25]，ICP-OES(安捷倫5110，美國)測定。

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0和Origin Pro 9.0進行統(tǒng)計分析和圖形制作。采用 LSD 法進行方差分析和多重比較(α=0.05)。數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結果與討論

2.1 麻纖維地膜還田對土壤pH值和養(yǎng)分含量的影響

麻纖維地膜還田后，土壤pH值、有機質和養(yǎng)分含量的變化見圖1和表1。與對照相比，土壤堿解氮、速效鉀含量在麻纖維地膜還田量達175 g·m-2時顯著增加(P<0.05)，增幅分別在4.29%～4.47%、16.57%～24.62%之間；土壤速效磷含量在麻纖維地膜還田量達70 g·m-2時顯著升高(P<0.05)，升高幅度在16.26%～20.70%之間；土壤pH值在麻纖維地膜還田量為70和175 g·m-2時顯著升高(P<0.05)，增幅均為1.57%。麻纖維地膜還田對有機質、全量氮和磷含量無顯著影響(P>0.05)。

T0、T1、T2、T3、T4的地膜還田量分別為0、35、70、175和350 g·m-2。 同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間某指標差異顯著(P<0.05)。圖1 麻纖維地膜還田對土壤速效養(yǎng)分含量的影響Fig.1 Effects of bast fiber mulching film returning on soil available nutrient contents

2.2 麻纖維地膜還田對土壤有效態(tài)重金屬含量的影響

表2結果顯示，麻纖維地膜還田后，土壤有效鎘含量顯著降低，其中還田量為35、70和350 g·m-2處理與對照之間差異達到顯著水平(P<0.05)，降幅在4.64%～7.50%之間。與對照相比，土壤有效錳含量則在麻纖維地膜還田后顯著降低8.95%～18.48%(P<0.05)，土壤有效鋅及有效鎳含量分別在1.33～1.61和0.68～0.72 mg·kg-1之間，麻纖維地膜還田對其影響較小(P>0.05)。

表1 麻纖維地膜還田對土壤pH值和養(yǎng)分含量的影響

表2 麻纖維地膜還田對土壤有效態(tài)重金屬含量的影響

2.3 麻纖維地膜還田對小白菜生長和養(yǎng)分含量的影響

如圖2所示，與對照相比，麻纖維地膜還田量達到175 g·m-2時，小白菜地上部鮮重、干重均顯著增加(P<0.05)，增幅分別在80.92%～110.79%和46.25%～67.90%之間。麻纖維地膜還田后，小白菜株高顯著增加，其中還田量為175和350 g·m-2的處理與對照之間差異達顯著水平(P<0.05)，增幅在17.79%～22.42%之間。

T0、T1、T2、T3、T4的地膜還田量分別為0、35、70、175和350 g·m-2。 同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間某指標差異顯著(P<0.05)。圖2 麻纖維地膜還田對小白菜生長的影響Fig.2 Effects of bast fiber mulching film returning on growth of pakchoi

麻纖維地膜還田顯著促進了小白菜對養(yǎng)分的吸收(圖 3)。與對照相比，麻纖維地膜還田后，植株氮含量顯著增加(P<0.05)，增幅在5.59%～18.31%之間；當麻纖維地膜還田量達到70 g·m-2時，植株鉀含量顯著升高(P<0.05)，升高幅度在15.18%～39.99%之間；麻纖維地膜還田量達到175 g·m-2時，小白菜植株磷含量顯著提高(P<0.05)，提高幅度在13.46%～14.76%之間。

綜上所得，麻纖維地膜還田后小白菜植株氮、磷、鉀含量均有所升高，表明地膜還田促進了小白菜的生長，使得小白菜生物量和株高均有不同程度的增加。

T0、T1、T2、T3、T4的地膜還田量分別為0、35、70、175和350 g·m-2。 同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間某指標差異顯著(P<0.05)。圖3 麻纖維地膜還田對小白菜養(yǎng)分含量的影響Fig.3 Effects of bast fiber mulching film returning on nutrient contents of pakchoi

2.4 麻纖維地膜還田對小白菜重金屬含量的影響

從表3可知，麻纖維地膜還田對植株鉛含量有降低趨勢，其中還田量為35和350 g·m-2處理與對照之間的差異達顯著水平(P<0.05)，降幅在24.47%～24.95%之間。而麻纖維地膜還田后植株鎘含量有升高趨勢，其中還田量為35、175和350 g·m-2處理與對照之間差異達顯著水平(P<0.05)，升高幅度在17.08%～18.17%之間。與對照相比，麻纖維地膜還田顯著降低了小白菜植株鎳含量(P<0.05)，降幅在18.77%～21.77%之間，麻纖維地膜還田對小白菜植株錳、鋅含量影響較小(P>0.05)。

表3 麻纖維地膜還田對小白菜重金屬含量的影響

3 討論

麻纖維地膜還田后，尤其是地膜高量處理的土壤速效磷、鉀含量顯著提升，土壤堿解氮含量也呈上升趨勢。這一方面可能是由于麻纖維地膜降解釋放其本身所含有的養(yǎng)分造成的。麻纖維地膜的主要成分是纖維素，通常埋入土壤6～7個月即可降解為二氧化碳和水[26]。筆者前期針對供試麻纖維地膜的試驗結果也證實，其降解過程雖然受到環(huán)境因素的影響，經(jīng)過1 a左右基本達到完全降解[27-28]。供試麻纖維地膜氮、磷、鉀含量分別為0.56、0.28、0.26 g·kg-1，按照地膜埋入量估算，其帶入的氮量最高可達2 kg·hm-2，帶入的磷和鉀量最高約為1 kg·hm-2。另一方面麻纖維地膜還田可促進土壤原有有機質的周轉，進而釋放氮、磷等養(yǎng)分，這可能也是導致速效養(yǎng)分含量提升的原因。SHEN等[29]研究發(fā)現(xiàn)，纖維素添加進入土壤后會出現(xiàn)碳激發(fā)效應，促進土壤有機質的周轉和養(yǎng)分的釋放。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)，麻纖維地膜還田并經(jīng)過近70 d的降解，土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮顯著升高，這也從另一角度證實麻纖維地膜還田能夠促進土壤有機質的周轉和養(yǎng)分的釋放[27]。麻纖維地膜還田雖然能夠在一定程度提高土壤速效養(yǎng)分含量，但對土壤有機質和全量養(yǎng)分的影響較小，這應該與其自身降解周期較短有關，雖然含有一定的養(yǎng)分，但與土壤總量養(yǎng)分庫相比貢獻非常有限。

從小白菜地上部生物量變化可以看出，麻纖維地膜還田后不同程度地促進了小白菜生長及其對養(yǎng)分的吸收。前期大多數(shù)研究證實了麻纖維地膜覆蓋能夠有效改善作物生長狀況和提高作物產(chǎn)量，麻纖維地膜還田后對作物生長的促進作用也已有報道[22]。這可能與麻纖維地膜還田后土壤大量養(yǎng)分的供應能力提升有關。筆者試驗結果顯示，小白菜地上部生物量及養(yǎng)分含量與土壤速效養(yǎng)分含量呈顯著正相關關系(P<0.05)。此外，前人研究結果還表明，麻纖維地膜還田后能夠降低土壤容重，使土壤疏松多孔，改善土壤結構，進而促進小白菜的生長[30]。

麻纖維地膜還田后，土壤有效態(tài)重金屬含量出現(xiàn)與速效養(yǎng)分相反的變化規(guī)律，總體呈降低趨勢。正如前述分析，麻纖維地膜還田后會在較短的時間分解，但能促進土壤原有有機質的周轉，在其轉化過程中可能形成具有較強絡合能力的產(chǎn)物，促使錳、鋅、鎘、鉛、鎳有機結合態(tài)的生產(chǎn)，從而降低有效態(tài)重金屬元素含量[31-32]。然而，小白菜地上部鋅、錳含量并未出現(xiàn)降低，與其土壤有效態(tài)含量的變化規(guī)律并不一致。在該試驗中，土壤有效鋅含量為1.33～1.61 mg·kg-1，有效錳含量為9.54～11.71 mg·kg-1，仍能夠滿足作物生長需求[33]。小白菜地上部鉛、鎳的含量變化基本與其土壤有效態(tài)含量的變化規(guī)律一致。然而，小白菜鎘含量出現(xiàn)明顯升高趨勢，其原因有待進一步研究。

4 結論

麻纖維地膜還田雖對土壤有機質和全量氮、磷、鉀含量無明顯的影響，但可提高土壤速效氮、磷、鉀含量，促進小白菜的生長和對氮、磷、鉀的吸收，其效果隨地膜還田量的增大而增強；麻纖維地膜還田對土壤有效態(tài)鉛、鎳、鋅含量以及植株鋅、錳含量無明顯影響，但可顯著降低植株鉛、鎳的含量?？傮w來說，麻纖維地膜的長期還田能夠在一定程度上提高土壤氮、磷、鉀的供應能力，促進作物生長，而對微量營養(yǎng)元素和重金屬有效性的影響相對較小，是一種較安全的可降解地膜產(chǎn)品。