可降解地膜對石河子墾區(qū)棉花農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

劉曉偉，何文清，李志強，李生太，呂 軍

（1石河子農(nóng)業(yè)科學研究院，新疆石河子832000；2中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081；3農(nóng)業(yè)農(nóng)村部旱作農(nóng)業(yè)重點實驗室，北京100081）

0 引言

石河子墾區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候，該區(qū)棉花生長季（4—10月）熱量充足，日照時間長，降水稀少，有利于棉花生產(chǎn)[1]。為解決水資源不足對棉花生長的限制，20世紀80年代新疆已經(jīng)開始推廣棉花覆膜種植，該技術(shù)既可促進棉花早熟也可提高棉花的產(chǎn)量[2]。多年來，石河子墾區(qū)棉花覆膜種植面積不斷增加，截至2017年該墾區(qū)覆膜面積2.2×105hm2，地膜使用量達1.66×107kg，其中棉花種植面積達2.01×105hm2，位居全兵團首位[3]。然而，現(xiàn)如今廣泛使用的普通地膜主要成分為聚乙烯烴類化合物，自然條件下長期存在且很難降解，即使在降解過程中仍會溶出有毒物質(zhì)。隨著覆膜量和覆膜年限的增加，土壤中殘留量也隨之加大，最終影響土壤的物理結(jié)構(gòu)，使得土壤水分、養(yǎng)分向下運移受阻，影響作物對水分、養(yǎng)分的充分利用，造成作物減產(chǎn)，農(nóng)田環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到威脅[4-5]?？山到獾啬さ某霈F(xiàn)能夠替代傳統(tǒng)地膜，具有與傳統(tǒng)地膜相似的效果[6]，是地膜污染防控的重要途徑之一，亦可有效改善土壤環(huán)境，降低作物減產(chǎn)風險[7]。目前，可降解的地膜材料可分為3類，即PE/PP光-氧降解類，淀粉基PE材料類和PLA、PBS(A)、PBAT、PCL降解聚酯類，前2類降解剩余碎片會長期存在，最后一類的產(chǎn)物最終會變?yōu)樗投趸糩8-12]。本研究在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團地膜應(yīng)用最廣泛的石河子墾區(qū)開展了不同來源及不同配方可降解地膜的降解特點及其對棉花產(chǎn)量的影響，以期為可降解地膜的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于新疆石河子市，地處天山北麓中段，古爾班通古特大沙漠南緣，地理坐標位于東經(jīng)84°58′—86°24′、北緯43°26′—45°20′，屬于典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫約7℃，年平均降水量約為125.0～220.7 mm，雨量多集中在4—7月，該地區(qū)日照充沛，無霜期160天左右。供試土壤類型為灰漠土，土壤質(zhì)地為中壤。

1.2 試驗設(shè)計及材料

試驗設(shè)5個處理，（1）CK，不覆膜對照；（2）PE，地膜主要成分為聚乙烯；（3）PPF，地膜主要成分為PE/PP-光氧型；（4）PBAT，地膜主要成分為二元酸二元醇共聚酯；（5）PLA，地膜主要成分為聚乳酸。每個處理3個重復(fù)，隨機區(qū)組排列，共15個小區(qū)。試驗中棉花種植采用膜下滴灌技術(shù)，機械平鋪(10 cm+66 cm+10 cm)，地膜寬度為2.05 m，株距為9 cm，小區(qū)面積為61.56 m2(9 m×6.84 m)。供試棉花品種為‘新陸早61號’。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 地膜降解情況 在每小區(qū)內(nèi)固定3個觀測點，采用目測法觀測每個觀測點的地膜降解情況，即每條地膜寬行處相同位置放置40 cm×40 cm相框，于4月20日覆膜后每隔10天進行定點拍照，記錄地膜表面變化程度。降解地膜降解分級按照4個不同階段進行觀測，并記錄各階段出現(xiàn)的時間[13]。（1）誘導(dǎo)階段，從覆膜開始至出現(xiàn)無規(guī)則孔洞，直至出現(xiàn)小的裂縫；（2）破裂階段，地膜由小裂縫向大裂縫轉(zhuǎn)變；（3）崩裂階段，地膜碎裂成大的塊狀、片狀；（4）完全降解階段，地膜碎裂程度加劇，大塊、片狀碎裂成不規(guī)則小塊狀、片狀且不對土壤和作物造成影響。

1.3.2 棉花農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的測定 棉花出苗期調(diào)查出苗數(shù)，并計算出苗率；收獲期采取全區(qū)實收計產(chǎn)、考種方式，測定折合每公頃籽棉產(chǎn)量和單鈴重；每小區(qū)隨機取樣連續(xù)20株，測定株高、莖粗、果枝臺數(shù)和單株結(jié)鈴數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel 2007和SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進行整理和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降解地膜田間降解情況評價

可降解地膜田間降解過程觀察結(jié)果（表1）表明，光降解地膜面透明，誘導(dǎo)階段發(fā)生在覆膜后70天，開始出現(xiàn)降解現(xiàn)象，膜面出現(xiàn)不規(guī)則孔洞和微小裂縫，但膜面基本完整，仍具有良好的保墑效果；覆膜后80～90天膜面已由小裂縫向大裂縫轉(zhuǎn)變，降解現(xiàn)象很明顯；覆膜后100～120天膜面碎裂成大的塊狀和片狀，已經(jīng)沒有完整的膜面，喪失地膜基本作用。對比PBAT和PLA，前者膜面不透明（泛白），后者膜面透明，兩者在覆膜后60天開始出現(xiàn)降解現(xiàn)象，比光降解地膜提前10天進入誘導(dǎo)階段；覆膜90天后，PBAT在各處理中最先進入崩裂階段，且至覆膜120天時，大塊和片狀膜面持續(xù)加劇降解成小的碎片，基本與地表相貼，不易分離。結(jié)合各處理降解情況，PBAT效果優(yōu)于其他處理；PLA雖然比PPF提早進入誘導(dǎo)階段和破裂階段，但兩者后期降解情況基本一致，無明顯差異。

表1 2019年可降解地膜膜面降解情況

2.2 不同降解地膜對棉花生長的影響

與不覆膜對照相比，覆膜顯著增加了棉花的出苗率和株高(P＜0.05)，且PE和PPF對莖粗有影響（表2）。不同覆膜處理相比，PBAT和PE的出苗率顯著高于光降解地膜(P＜0.05)，可能是因為PBAT膜面泛白，在前期土壤墑情高的情況下，由于透氣性好，促進種子萌發(fā)且根系伸展受到影響小[14]。收獲期測定的株高結(jié)果表明，PE的棉花植株最高，且與其他處理差異顯著(P＜0.05)，其次是PPF，顯著高于 PBAT和 PLA(P＜0.05)。可見，地膜的覆蓋對棉花的出苗率和株高有明顯的影響，不同降解地膜對棉花生長影響各不相同，分析認為地膜降解越早越不利于土壤保溫保墑和棉花生長發(fā)育。

表2 不同覆膜處理棉花生長情況

2.3 不同降解地膜對棉花產(chǎn)量的影響

從不同處理下的棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素看，與CK相比，覆膜顯著增加了棉花的單鈴重(P＜0.05)，從而增加了棉花的籽棉產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為6.6%～21.3%（表3）。不同降解地膜與PE相比，PPF、PLA和PE處理的果枝臺數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)和籽棉產(chǎn)量均無顯著性差異(P＞0.05)，PBAT處理的單鈴重顯著低于其他覆膜處理(P＜0.05)，且籽棉產(chǎn)量顯著低于PE(P＜0.05)。由此可見，PPF、PLA替代PE風險較小，可保證棉花的正常生長。

表3 不同覆膜處理棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

3 討論

降解地膜的降解過程受材料構(gòu)成影響[15]。由于配方不同，降解地膜的功能性和降解特性對棉花產(chǎn)量的影響存在差異[16]，本研究中，不同材料降解地膜的田間降解速度有明顯差異，其中PBAT和PLA降解速度最快，比PPF提早10天進入誘導(dǎo)階段，特別是PBAT覆膜90天時加劇降解，進入崩裂階段，待覆膜120天時完全降解成小的塊狀和片狀，緊貼于地表，地膜的功能性喪失。隨著覆膜時間增加PLA降解速度逐漸降低，覆膜120天時PLA和PPF仍處于崩裂階段，沒有顯著性變化。總體來看，降解速度是限制棉花生長的重要因素，增溫保墑是地膜覆蓋的主要功效，在作物封壟前要保證地膜的功效不能喪失，而PBAT在覆膜后90天進入崩裂階段，地膜的功效急劇下降甚至喪失，不利于棉花的正常生長和產(chǎn)量形成，與前人研究結(jié)果相同[17]。

大量研究結(jié)果表明[16,18-20]，不同材料、不同配方降解地膜降解過程會使得作物生長和產(chǎn)量結(jié)果存在顯著性差異。本研究中，PBAT的出苗率顯著(P＜0.05)高于PLA和PPF，與PE無顯著性差異。收獲期前測定的株高結(jié)果顯示PPF顯著高于PBAT和PLA，分析認為降解快慢直接影響作物的生長狀況，最終影響產(chǎn)量形成?？傮w上，由于PBAT降解過快且功效過早喪失，產(chǎn)量最低，相比CK增產(chǎn)幅度僅為6.6%，而PPF降解速度相對慢一些，增產(chǎn)幅度為19.0%，與PE增產(chǎn)幅度相近，與前人研究結(jié)果相似[21]。不同覆膜處理相比，PBAT的籽棉產(chǎn)量顯著低于PE，而PLA、PPF的籽棉產(chǎn)量與PE無顯著性差異，所以除PBAT外，PLA和PPF與當?shù)貧夂驐l件和作物生長匹配。但PLA降解地膜對棉田其他土壤性質(zhì)及環(huán)境的影響，對PLA在新疆地區(qū)棉田生產(chǎn)體系中的應(yīng)用及可持續(xù)性具有重要影響。因此，進一步的研究要圍繞PLA對農(nóng)田土壤性質(zhì)及環(huán)境的影響展開。

4 結(jié)論

本研究從不同可降解地膜的降解情況及其對棉花的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量影響的角度進行了探討，為可降解地膜在新疆地區(qū)棉花生產(chǎn)體系中的應(yīng)用及推廣提供了科學理論依據(jù)，研究證明可降解地膜的應(yīng)用是解決“白色污染”的有效途徑之一，基本具備了聚乙烯地膜的功能和較好的降解性能[22]，但是降解過快會影響作物的正常生長，直接影響產(chǎn)量形成[23]，而降解過慢或降解不徹底不能根本解決土壤中地膜殘留問題[24]。本研究中PBAT覆膜120天后基本完全降解，降解性能較好，但由于降解過早，最終影響了作物的產(chǎn)量，配方還需進一步改進，以延長誘導(dǎo)階段、降低減產(chǎn)風險。PPF降解速度慢，各方面性能與常規(guī)PE地膜無異，但無法徹底降解。綜合考慮，PLA在石河子墾區(qū)覆蓋與其區(qū)域氣候條件和棉花生長匹配較好，棉花籽棉產(chǎn)量與常規(guī)PE地膜無顯著性差異，相比CK增產(chǎn)幅度為16.4%，雖然降解過早僅覆膜60天就進入誘導(dǎo)階段，但后期降解速度平穩(wěn)，地膜功效并未完全喪失，有望替代PE地膜在新疆石河子墾區(qū)棉花生產(chǎn)體系中推廣應(yīng)用。