全生物降解地膜降解特性及其對(duì)水稻旱作產(chǎn)量的影響

劉 會(huì)，劉宏金，王金玲，武 巖，劉波，孫德華，郭曉宇，春 蘭，劉俊鵬

（1.扎賚特旗農(nóng)村能源工作站，內(nèi)蒙古 音德爾鎮(zhèn) 137600；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；3.扎賚特旗農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 音德爾鎮(zhèn) 137600；4.興安盟農(nóng)村能源管理站，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400）

農(nóng)田地膜污染已成為我國(guó)北方地區(qū)較為突出的農(nóng)業(yè)環(huán)境問(wèn)題，隨著農(nóng)田覆膜面積的不斷擴(kuò)大和田間殘膜的大量積累，地膜不僅對(duì)人居環(huán)境造成負(fù)面影響，也對(duì)耕地質(zhì)量構(gòu)成潛在威脅，現(xiàn)已成為國(guó)家塑料污染防治的重要內(nèi)容[1-2]。田間殘膜的大量積累是農(nóng)村土壤面源污染的主要來(lái)源，引進(jìn)和應(yīng)用可以替代傳統(tǒng)塑料地膜的全生物降解地膜是解決農(nóng)田地膜殘留污染的重要途徑[3-4]。目前，關(guān)于全生物降解地膜的實(shí)用性研究已有一些報(bào)道[5-8]。但是，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)全生物降解地膜種類繁多，降解情況差異較大[9-10]。

近年來(lái)，我國(guó)北方地區(qū)水稻種植面積迅速增長(zhǎng)，導(dǎo)致用水需求激增，局部地區(qū)供需矛盾突出，嚴(yán)重限制了水稻的生產(chǎn)和發(fā)展。將覆膜技術(shù)與水稻旱作栽培技術(shù)結(jié)合，既能夠高效節(jié)水又能夠優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，為解決北方地區(qū)水稻種植問(wèn)題提供了一種新的發(fā)展思路，具有很好的發(fā)展?jié)摿Α榱嗣鞔_全生物降解地膜的降解特性及其在水稻旱作栽培模式下的實(shí)用效果，本研究根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際在內(nèi)蒙古扎賚特旗開展了全生物降解地膜在水稻旱作栽培中的應(yīng)用試驗(yàn)，并對(duì)所選用的6種全生物降解地膜的降解特性及其對(duì)水稻旱作栽培產(chǎn)量的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期提出地膜合理使用和減量替代的綜合解決方案，從而為全生物降解地膜的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古扎賚特旗五道河子村旱田進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)海拔174 m，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，晝夜溫差大，年平均氣溫4.4℃，年降水量430 mm，無(wú)霜期130 d，有效積溫3 123.2℃，平均日照時(shí)數(shù)3 027 h。試驗(yàn)田土壤類型屬草甸土，土壤肥力中等，前茬作物為大豆。

1.2 供試材料

供試水稻品種為綏粳18；地膜共選用6種全生物降解地膜，以普通地膜為對(duì)照（表1）。

表1 試驗(yàn)地膜基本信息

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 田間填埋試驗(yàn) 田間填埋試驗(yàn)用于監(jiān)測(cè)全生物降解地膜全過(guò)程降解情況，直至完全分解結(jié)束。田間填埋試驗(yàn)于2019年5月—2020年5月進(jìn)行，采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，7個(gè)處理均分5個(gè)觀察期[誘導(dǎo)期（A）、開裂期（B）、大裂期（C）、碎裂期（D）、無(wú)膜期（E）]，每個(gè)觀察期3次重復(fù)，共105個(gè)小區(qū)。按照設(shè)定深度挖250 cm×50 cm的長(zhǎng)方形平底坑，將6種全生物降解地膜和普通地膜分別裁剪成40 cm（橫向）×30 cm（縱向）的膜片，并做好標(biāo)記，裝入0.85 mm空隙防蟲網(wǎng)袋，按排列順序埋藏10 cm。分別在填埋后90、180、365 d 取出填埋的膜樣，除雜，觀測(cè)埋設(shè)地膜外觀降解變化情況，依據(jù)GB/T 1040.1—2018/ISO 527-1：2012[11]對(duì)樣品進(jìn)行拉伸性能測(cè)定。填埋試驗(yàn)區(qū)的肥料、水分管理與水稻旱作覆膜栽培區(qū)相同。

1.3.2 水稻旱作覆膜栽培試驗(yàn)

1.3.2.1 水稻旱作覆膜栽培方式 試驗(yàn)于2019年5—10月進(jìn)行，水稻種植密度43.5 萬(wàn)穴/hm2，壟上8 行，壟距180 cm，播種時(shí)施肥，鋪膜、鋪設(shè)滴灌帶，全程機(jī)械化操作；水稻專用肥（N-P2O5-K2O=15-20-15）作為底肥一次性機(jī)械深施10～13 cm，施用量375 kg/hm2，追肥尿素30 kg/hm2、氨基酸液體肥75 kg/hm2。全生育期中耕2次，灌漿期噴施葉面肥1次；灌水采用膜下滴灌，全生育期共灌水8次，每次滴灌600 m3/hm2，灌水間隔10～15 d。

1.3.2.2 水稻生育期壟面地膜降解情況調(diào)查 觀察記錄水稻覆蓋地膜栽培各區(qū)組地膜達(dá)到誘導(dǎo)期（A）、開裂期（B）、大裂期（C）、碎裂期（D）和無(wú)膜期（E）的準(zhǔn)確時(shí)間。覆膜后0～30 d，每10 d 觀測(cè)1次；覆膜后31～40 d，每5 d 觀測(cè)1次；覆膜后41 d 起，每3 d 觀測(cè)1次，至誘導(dǎo)期結(jié)束（最多到覆膜后75 d）；以后恢復(fù)每10 d 觀測(cè)1次，當(dāng)季水稻收獲后停止觀測(cè)。記錄各參試地膜破損情況（是否出現(xiàn)裂紋、裂縫，破碎程度，裂紋、裂縫的數(shù)量，破碎的塊數(shù)），并判定降解情況，記錄誘導(dǎo)期的出現(xiàn)日期。

1.3.2.3 小區(qū)測(cè)產(chǎn) 將試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)雜株及非試驗(yàn)因素引起的異常植株（如空稈）剔除，并將剔除植株按平均產(chǎn)量補(bǔ)回。在水稻成熟后，每處理隨機(jī)取3個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)1 m2（1 m×1 m），現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查株數(shù)、穴數(shù)、株高，收割、捆綁、標(biāo)記。通過(guò)脫粒、稱重、測(cè)水分、扣除水分，折算各處理水稻產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及表格制作，SAS 9.2 軟件進(jìn)行方差分析，LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 田間填埋試驗(yàn)不同地膜降解特性分析

由表2可知，全生物降解地膜填埋90 d后，各降解地膜中僅有T5處理全部進(jìn)入碎裂期（D），降解速度較快，已無(wú)強(qiáng)度和彈性；T1 和T2處理大部分進(jìn)入碎裂期（D），已無(wú)強(qiáng)度和彈性；T3處理少部分進(jìn)入碎裂期（D），降解現(xiàn)象明顯，已無(wú)強(qiáng)度和彈性；T6處理進(jìn)入大裂期（C），降解速度最慢，仍少有彈性；CK 未出現(xiàn)降解現(xiàn)象，強(qiáng)度和彈性均無(wú)變化。填埋180 d后，T1、T3、T4 和T5處理全部降解，進(jìn)入無(wú)膜期（E），其中，T4處理只剩零星碎片、T2 和T6處理仍處于碎裂期（D），6種全生物降解地膜均已無(wú)強(qiáng)度和彈性；CK未出現(xiàn)降解現(xiàn)象，強(qiáng)度和彈性均無(wú)變化。填埋365 d后，6種全生物降解地膜全部進(jìn)入無(wú)膜期（E），地膜全部降解，且均已無(wú)強(qiáng)度和彈性；CK 未出現(xiàn)降解現(xiàn)象，強(qiáng)度和彈性均無(wú)變化。

2.2 水稻旱作覆膜栽培試驗(yàn)地膜降解情況

由表3可知，T1 和T2處理在覆膜后45～50 d（6月19日）進(jìn)入誘導(dǎo)期，T3 和T4處理在覆膜后55～60 d（6月28日）進(jìn)入誘導(dǎo)期，T5 和T6處理在覆膜后65～70 d（7月7日）進(jìn)入誘導(dǎo)期，進(jìn)入誘導(dǎo)期時(shí)間最晚；不同降解地膜進(jìn)入開裂期的時(shí)間差異明顯，T1 和T2處理在覆膜后55～60 d（6月28日）進(jìn)入開裂期，T3處理在覆膜后65～70 d（7月7日）進(jìn)入開裂期，T4 和T5處理在覆膜后85～90 d（7月27日）進(jìn)入開裂期，T6處理在覆膜后100 d（8月6日）進(jìn)入開裂期；6種全生物降解地膜中，T4處理于9月11日進(jìn)入大裂期，T1、T2、T3、T5、T6處理均于9月7日進(jìn)入大裂期；覆膜后141 d（9月17日）6種全生物降解地膜全部進(jìn)入碎裂期；10月初收獲時(shí)6種全生物降解地膜殘膜全部無(wú)夾帶現(xiàn)象，翻耕時(shí)殘膜降解情況良好，達(dá)到消除地膜殘留污染的目的。水稻收獲時(shí)，6種全生物降解地膜均處于碎裂期，因此，未記錄無(wú)膜期。CK 至10月初收獲時(shí)仍未降解，但殘膜無(wú)夾帶現(xiàn)象。

表2 全生物降解地膜田間填埋試驗(yàn)調(diào)查結(jié)果

2.3 不同地膜處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由表4可知，6種全生物降解地膜處理的水稻產(chǎn)量均高于CK，其中，T1、T5、T6處理的產(chǎn)量顯著高于CK（P＜0.05），與CK 相比分別增產(chǎn)18.68%、17.38%和17.06%；以T1處理水稻產(chǎn)量最高，為8 806.99 kg/hm2。T2、T3 和T4處理水稻產(chǎn)量與CK 無(wú)顯著差異（P＞0.05），與CK 相比分別增產(chǎn)7.14%、11.50%和9.07%。

3 討論與結(jié)論

3.1 全生物降解地膜的降解特性

地膜覆蓋作為改善農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的栽培技術(shù)，在干旱寒冷地區(qū)得到了大面積推廣，該項(xiàng)技術(shù)可以起到增溫保墑、壓鹽抑草、改善土壤水熱條件等作用，具有顯著的增產(chǎn)效果。隨著普通地膜用量的不斷增加，覆膜面積不斷擴(kuò)大，殘膜累積導(dǎo)致的土壤環(huán)境污染已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)綠色、健康、可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，全生物降解地膜的研發(fā)為內(nèi)蒙古地區(qū)農(nóng)田殘膜污染治理提供了有效途徑。本試驗(yàn)結(jié)果表明，全生物降解地膜具備與普通地膜類似的增溫保墑和作物增產(chǎn)效果，并且可以自然降解。

不同廠家生產(chǎn)的全生物降解地膜降解速度略有差異。申麗霞等[12]對(duì)光-生物降解地膜的研究發(fā)現(xiàn)，降解地膜在30～40 d 進(jìn)入誘導(dǎo)期，90 d后進(jìn)入大裂期；張妮等[13]研究發(fā)現(xiàn)，以聚乳酸為原料的生物降解地膜在覆膜后20 d 進(jìn)入誘導(dǎo)期，60 d 進(jìn)入碎裂期，降解速度較快。本研究田間填埋試驗(yàn)表明，在填埋365 d后，6種全生物降解地膜全部進(jìn)入無(wú)膜期，且均已無(wú)強(qiáng)度和彈性。水稻旱作覆膜栽培試驗(yàn)表明，T1 和T2處理在覆膜后45～50 d（6月19日）最早進(jìn)入誘導(dǎo)期，T5 和T6處理在覆膜后65～70 d（7月7日）進(jìn)入誘導(dǎo)期；T1 和T2處理在覆膜后55～60 d（6月28日）進(jìn)入開裂期，T6處理在覆膜后100 d（8月6日）進(jìn)入開裂期；9月初6種全生物降解地膜全部進(jìn)入大裂期。本研究選用的6種全生物降解地膜的誘導(dǎo)期為45～70 d，降解時(shí)間長(zhǎng)于光-生物降解地膜和聚乳酸生物降解地膜，這不僅有利于滿足水稻的種植需求，對(duì)于減少農(nóng)田殘膜污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境還具有明顯效果。

表3 水稻旱作覆膜栽培試驗(yàn)不同地膜降解情況調(diào)查 單位：月-日

表4 不同地膜處理下水稻產(chǎn)量

3.2 全生物降解地膜對(duì)水稻的增產(chǎn)效果

全生物降解地膜覆蓋技術(shù)與水稻旱作栽培技術(shù)的結(jié)合，不僅解決了局部地區(qū)水分供需的矛盾，又建立了我國(guó)北方地區(qū)水稻旱作種植產(chǎn)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)并重的種植模式，具有很好的發(fā)展?jié)摿13-14]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，全生物降解地膜與普通地膜（CK）相比具有明顯的增產(chǎn)效果，T1、T5、T6處理對(duì)水稻產(chǎn)量有顯著提升作用（P＜0.05），增產(chǎn)幅度分別為18.68%、17.38%和17.06%。前人關(guān)于全生物降解地膜對(duì)不同農(nóng)作物增產(chǎn)情況影響的研究結(jié)論不一，賀鵬程等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在馬鈴薯種植中全生物降解地膜可顯著提高產(chǎn)量（P＜0.05），與普通地膜相比增產(chǎn)率可達(dá)15.76%；劉群等[16]在玉米種植中發(fā)現(xiàn)，與裸地相比，全生物降解地膜可顯著提高玉米產(chǎn)量（P＜0.05），增產(chǎn)18.7%，但與普通地膜相比玉米產(chǎn)量處于同一水平，無(wú)顯著差異（P＞0.05），產(chǎn)生這種情況的原因可能與全生物降解地膜的種類以及農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境不同有關(guān)。本試驗(yàn)僅對(duì)全生物降解地膜對(duì)水稻旱作產(chǎn)量的影響進(jìn)行了研究，下一步將重點(diǎn)開展不同全生物降解地膜對(duì)水稻生理生態(tài)指標(biāo)觀測(cè)及經(jīng)濟(jì)可行性的研究，以期為全生物降解地膜在水稻旱作栽培中的應(yīng)用推廣提供更進(jìn)一步的理論支撐。

結(jié)合6種全生物降解地膜的降解情況及其對(duì)水稻產(chǎn)量影響的綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，對(duì)水稻旱作體系而言，在本試驗(yàn)條件下，T1 和T5 全生物降解地膜降解速度較快，且在提高水稻產(chǎn)量、保護(hù)耕地生態(tài)環(huán)境方面具有較好的效果。