極端干旱區(qū)降解膜對滴灌棉花土壤水熱及產(chǎn)量的影響

丁宏偉，王振華*，李文昊，張金珠，賈浩，溫越，鄒杰

(1． 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000; 2． 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點實驗室，新疆 石河子 832000)

膜下滴灌技術(shù)可以提高棉田土壤溫度、降低土壤水分蒸發(fā)、節(jié)省水肥用量、促進(jìn)棉花生長發(fā)育且增產(chǎn)增收，為新疆棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)[1].然而，傳統(tǒng)塑料地膜短期難以降解，多年連作導(dǎo)致棉田殘膜逐年累積，從而造成嚴(yán)重的殘膜污染[2].董合干等[3]研究發(fā)現(xiàn)殘膜累積會導(dǎo)致棉田土壤理化性質(zhì)惡化、水分分布不均、土壤營養(yǎng)下降，降低棉花的出苗率及生長速率，最終造成棉花減產(chǎn).殘膜污染促生了降解膜的研發(fā)與應(yīng)用.目前，越來越多的學(xué)者對降解膜應(yīng)用效果進(jìn)行了大量的研究，但由于試驗區(qū)氣象條件、土壤環(huán)境、所選降解膜類型及供試作物種類與品種等因素不同而產(chǎn)生不同的研究結(jié)論.有研究人員認(rèn)為目前降解膜在降解性能可控性及價格高等方面仍有待提高[4-6]，然而還有研究人員卻樂觀認(rèn)為降解膜可替代傳統(tǒng)地膜用于實踐[7-8].

目前，中國很多地區(qū)進(jìn)行了降解膜應(yīng)用試驗，例如山東、內(nèi)蒙、陜西、甘肅、寧夏、新疆南疆及北疆等地；而在東疆哈密盆地研究較少.哈密盆地長期膜下滴灌棉田殘膜污染嚴(yán)重，0～40 cm土層殘膜量至少為37.5 kg/hm2，且每年以5.3%的速度增加，極大地影響到哈密綠洲棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[8].綜合考慮到地域特色及綠洲農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等因素，在哈密盆地選取4種降解膜M1，M2，M3，M4及普通塑料地膜PE(CK)開展降解膜滴灌棉花試驗，研究降解膜的降解性能及其對土壤水熱時空變化及產(chǎn)量的影響，從中篩選出最適宜哈密盆地的降解膜類型，為解決當(dāng)?shù)貧埬の廴咎峁├碚搮⒖?

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于哈密盆地的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)某師哈密墾區(qū)灌溉試驗站(93°37′21″E,42°41′49″N)，是典型的極端干旱區(qū)，降雨稀少、光熱充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均氣溫為9.8 ℃，年均降雨量僅為33.8 mm、蒸發(fā)量卻達(dá)3 300 mm，年日照時間為3 358 h，≥10 ℃積溫為4 058.3 ℃、無霜期為182 d.該地棉花生育期氣象要素如圖1所示，圖中θa，P，td分別為平均氣溫、降雨量、覆膜播后天數(shù).

圖1 試驗區(qū)棉花生育期氣象要素

試驗區(qū)地下水埋深在60 m以上，土壤類型為沙壤土；1 m內(nèi)土層平均土壤容重為1.51 g/cm3，田間持水率(質(zhì)量)為18.6%，有機(jī)質(zhì)為14.5 g/kg、堿解氮為87 mg/kg、有效磷為15.39 mg/kg、速效鉀為197 mg/kg[9].

1.2 試驗設(shè)計

供試降解膜分別為山東省天壯環(huán)保有限公司的黑色不透明氧化-生物雙降解膜(M1)、無色透明氧化-生物雙降解膜(M2)，以及廣州金發(fā)科技股份有限公司的黑色不透明全生物降解膜(M3)、白色半透明全生物降解膜(M4)；降解膜M1和M3的誘導(dǎo)期為100 d，M2和M4的誘導(dǎo)期為80 d，膜厚均為0.010 mm,寬1.2 m；對照組(CK)為新疆天業(yè)公司生產(chǎn)的普通聚乙烯塑料地膜，膜厚0.008 mm,寬1.2 m.滴灌帶為單翼迷宮式滴灌帶，滴頭間距為30 cm,流量為2.6 L/h.供試棉花品種為新隆T6；種植模式為1膜2管4行，如圖2所示，密度為18萬株/hm2.試驗小區(qū)面積為100 m2(20 m×5 m)，且隨機(jī)排列；每個處理重復(fù)3次.灌溉用水采取深層地下水，包括出苗水共灌水13次；出苗水為30 mm；苗期1次灌水45 mm；蕾期3次，每次灌水37.5 mm；花期3次，每次灌水67.5 mm；鈴期3次，每次灌水67.5 mm；吐絮期2次，每次灌水45 mm.以機(jī)械水表與球閥控制灌水量[9].施肥配比采用w(N)∶w(P2O5)∶w(K2O)為2∶1∶2，施肥總量為750 kg/hm2；打頂、打藥及中耕等農(nóng)藝措施與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實踐一致.

圖2 棉花種植模式

1.3 測定項目與方法

1) 地膜降解性能.每個覆膜處理中隨機(jī)選出3個90 cm×90 cm的區(qū)域作為觀測點，采用目測法在覆膜后每隔10 d觀測1次地膜降解情況，將地膜降解過程分為6個階段，即誘導(dǎo)期、開裂期、破裂期、崩解期、殘存期與無膜期.其中誘導(dǎo)期為覆膜日到地膜開始出現(xiàn)裂紋的階段；開裂期為地膜開始出現(xiàn)裂紋到每m2出現(xiàn)2～4處≤2 cm自然裂縫或孔洞的階段；破裂期為地膜出現(xiàn)≥2 cm大裂縫的階段；崩解期為地膜出現(xiàn)≥20 cm自然裂縫的階段；殘存期為地膜殘片面積≤16 cm2的階段；無膜期為土壤表面地膜殘片消失的階段[8-9].

2) 土壤質(zhì)量含水率.覆膜后30，60，80，110，150 d選擇1個膜在其寬行、窄行及膜間的1 m土層內(nèi)取土，每10 cm 1個土樣，然后拿回實驗室采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水率，分別代表苗期、蕾期、花期、鈴期及吐絮期的土壤水分.

3) 土壤溫度.觀看天氣預(yù)報于各生育期選擇具有代表性的5 d從8:00—20:00，在作物行用曲管地溫計對5，10，15，20及25 cm深度的土壤溫度進(jìn)行監(jiān)測(如圖2所示)，每隔2 h監(jiān)測1次，以5 d的平均地溫作為該生育期的代表地溫.

4) 棉花產(chǎn)量.棉花采摘期，每個覆膜處理隨機(jī)選取3個1.0 m×1.5 m的地塊作為測點，數(shù)出測點的棉鈴數(shù)，并隨機(jī)摘取50個棉鈴稱重，算出平均單鈴質(zhì)量，然后折算出每hm2的籽棉產(chǎn)量.

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Origin 2018進(jìn)行繪圖，方差分析采用SPSS 19.0，并以Duncan法比較處理之間的差異(α=0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜降解特征

圖3為地膜的降解情況.由圖可以看出M2的降解速度最快、降解程度最徹底，覆膜80 d左右最早開始出現(xiàn)裂紋，降解進(jìn)入開裂期，早于其他降解膜10～20 d；110 d左右出現(xiàn)2 cm以上長度的裂縫，降解進(jìn)入破裂期，且裂縫尺寸逐漸增大；150 d左右裂縫長度已達(dá)20 cm，手撕裂膜片時感覺抗拉能力明顯降低，降解進(jìn)入崩解期，且降解速度加快；180 d左右地表僅能看到≤16 cm2的殘片，降解開始進(jìn)入殘存期，生育期末地膜殘片仍未完全消失.

圖3 地膜的降解情況

M4前期降解緩慢，90 d左右開始出現(xiàn)裂紋，120 d左右進(jìn)入破裂期后降解加速，并分別在150 d左右、180 d左右與M2一同進(jìn)入崩解期和殘存期，生育期末地膜殘片仍未消失.M1與M3降解較慢，其中M3在100 d左右進(jìn)入開裂期，較M1晚10 d，但在130 d左右開始與M1基本同步，并分別在130 d左右、160 d左右進(jìn)入破裂期與崩解期，且兩者在生育期末均未進(jìn)入殘存期，然而普通塑料地膜始終沒有降解.因此，地膜降解速度從大到小按處理排序依次為M2，M4，M1，M3，PE(CK).

2.2 降解膜對土壤水分變化的影響

棉田土壤水分是棉花生長發(fā)育的關(guān)鍵要素之一.圖4為不同覆蓋處理下棉田土壤平均質(zhì)量含水率β隨生育期變化情況，圖中h為土壤深度.

圖4 不同覆蓋處理下棉田土壤平均質(zhì)量含水率隨生育期變化

試驗區(qū)降雨稀少，當(dāng)年全生育期內(nèi)降雨總量僅為32.3 mm，但蒸發(fā)強(qiáng)烈，可以忽略降雨對棉田土壤水分的影響；地下水埋深超過60 m，可忽略地下水對棉田土壤水分的補(bǔ)給.因此在灌水一致的條件下，棵間蒸發(fā)與作物蒸騰是影響土壤水分的主要因素.試驗數(shù)據(jù)顯示，水平方向的土壤含水率呈現(xiàn)由窄行、寬行到膜間依次減小的趨勢；垂直方向的土壤含水率前期隨深度先增后減，中后期先減后增.例如苗期土壤含水率峰值主要分布在約40 cm土層處，但隨著時間推移及灌水增多，土壤水分峰值逐漸下移，由于花期到吐絮期棉花蒸騰加劇及根系吸水，導(dǎo)致土壤水分在40～50 cm土層明顯小于其他深度的土壤水分.

由于花期之前降解膜尚未開始降解，因此苗期和蕾期5種地膜處理的土壤水分分布規(guī)律基本一致.降解膜M1，M2，M3及M4的土壤平均含水率在苗期比CK低2.26%，0.85%，4.43%及5.21%，在蕾期比CK低1.70%，2.71%，5.36%及3.15%；各種降解膜的保墑性能與CK相似.

花期以后，各種降解膜出現(xiàn)了不同程度降解.花期到吐絮期降解膜M1，M2，M3及M4的土壤平均含水率比CK低5.92%，8.09%，7.14%及12.41%；普通塑料地膜保墑優(yōu)勢突出，降解膜中降解較慢的M1及M3比降解較快的M2及M4保墑性能更好.由于土壤水分蒸發(fā)遇膜凝結(jié)回流，因此普通塑料地膜的寬行0～20 cm處土壤水分有明顯的偏大現(xiàn)象.花期降解膜M1，M2，M3及M4覆蓋的0～20 cm平均土壤含水率比CK低11.93%，12.40%，11.63%及14.29%；鈴期低12.28%，12.04%，11.77%及18.13%；吐絮期低15.81%，17.75%，14.91%及17.87%.因此可以看出降解較快的M2與M4的保墑效果低于降解緩慢的M1與M3.

2.3 降解膜對土壤溫度變化的影響

土壤溫度是棉花生長發(fā)育的另一個關(guān)鍵要素，覆膜降低了膜內(nèi)土壤溫度散失，起到保溫作用.不同降解膜在各生育期對土壤溫度的影響不同.

棉田苗期土壤溫度對棉花出苗及棉苗生長發(fā)育至關(guān)重要，選擇苗期5，10，15，20及25 cm深度的土壤溫度θs數(shù)據(jù)繪制成圖5，分析降解膜對棉花苗期不同深度土壤溫度日變化的影響.圖中顯示20與25 cm深度的土壤溫度略有升高；5，10和15 cm深度的土壤溫度有明顯的先升后降趨勢.在14:00前5種地膜覆蓋下的土壤溫度基本相同，但14:00后差異逐漸增大.16:00時5種地膜覆蓋下5 cm深度的土壤溫度均達(dá)到最高，其中降解膜M1，M2，M3及M4分別比CK低9.52%，6.67%，7.38%及7.14%；在16:00后5 cm深度的土壤溫度最早開始回降，而10，15及20 cm深度的土壤溫度仍在升高.18:00時普通塑料地膜覆蓋下10 cm深度的土壤溫度均達(dá)到最高，高達(dá)到39 ℃；降解膜M1，M2，M3及M4分別比CK低10.26%，8.97%，10.77%及10.51%.10，15 cm深度的土壤溫度在18：00后相繼開始回降，說明隨著土壤深度逐漸增大，氣溫對土壤溫度的影響具有滯后性且影響強(qiáng)度逐漸減弱.

圖5 不同覆蓋處理下苗期棉田5～25 cm深度土壤溫度日變化

在不同生育期內(nèi)，將5～25 cm深度的土壤溫度θs求平均值θ并繪成圖6.圖中各種地膜覆蓋下5～25 cm深度土壤平均溫度日變化均為先升后降，且在16：00—18：00達(dá)到最高.

5種地膜覆蓋下5～25 cm深度的土壤平均溫度，在16：00—18：00的局部時間段內(nèi)苗期到花期差異較大，而鈴期和吐絮期差異較小.在苗期，降解膜M1，M2，M3及M4覆蓋下16：00—18：00時的平均溫度分別比CK的低6.48%，6.14%，6.57%及5.66%；蕾期分別低 6.72%，6.09%，5.96%及6.65%；而花期差異較大，分別低16.62%，13.90%，12.91%及15.28%.

圖6 各生育期不同覆蓋處理下棉田5～25 cm深度平均土壤溫度

不同地膜覆蓋下5～25 cm深度的土壤平均溫度差異隨棉花生長進(jìn)程而變化，花期以后各種降解膜開始降解，降解膜的保溫性能減弱；但花期高溫天氣頻繁，花期降解膜與普通塑料地膜土壤平均溫度差異達(dá)到最大，降解膜M1，M2，M3及M4的土壤平均溫度分別比CK低11.62%，10.02%，7.67%及10.45%.其余4個生育期降解膜與普通塑料地膜土壤平均溫度差異較小，苗期和蕾期由于降解膜尚未出現(xiàn)降解，各種降解膜與普通塑料地膜處理的土壤溫度差異較小，降解膜土壤平均溫度比CK僅低4.29%～5.62%；而鈴期和吐絮期由于棉花封行、太陽光不能直接照射在棉田地表及后期氣溫降低，使各種降解膜與普通塑料地膜處理的土壤溫度差異較小，降解膜土壤平均溫度比CK僅低2.05%～5.52%.由于普通塑料地膜厚度比降解膜小，無色透明，對太陽光熱削弱最小，且始終沒有降解，因此其保溫效果始終最優(yōu)；降解膜M2因其無色透明，在前期增溫較好，后期由于降解加速了土壤熱量的散失，保溫效果變差.白色半透明的降解膜M4及黑色不透明的降解膜M1和M3對太陽光熱的削弱效果較強(qiáng)，而且由于制造工藝等造成前期土壤溫度較低，后期降解膜M1和M3降解緩慢，M2與M4降解較快，因此后期降解膜M1和M3覆蓋下的土壤溫度稍高于M2與M4.

2.4 降解膜對棉花籽棉產(chǎn)量的影響

不同地膜處理下棉花的產(chǎn)量構(gòu)成要素及籽棉產(chǎn)量見表1，表中m，c，Y分別為單鈴質(zhì)量、單位面積棉鈴數(shù)、籽棉產(chǎn)量.表中不同地膜覆蓋下單鈴質(zhì)量與單位面積棉鈴數(shù)差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，而部分降解膜與M2及CK的產(chǎn)量差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).降解膜M2在苗期和蕾期沒有降解且為無色透明膜，對光熱的削弱較小，因此具有良好的保溫保墑作用，棉花生長較好，為棉田豐產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)；又因其最早開始降解，促進(jìn)了地膜內(nèi)外空氣流通及膜內(nèi)土壤干濕交替，為后期棉花根系生長發(fā)育創(chuàng)造出良好的土壤通氣環(huán)境，使得棉花在花鈴期與吐絮期生長良好；盡管降解加速造成M2的保溫保墑性能減弱，但棉花后期生長對土壤水熱要求不高，因此對應(yīng)棉鈴較大、單鈴質(zhì)量最大，比其余降解膜大4.01%～6.45%，比CK也大1.30%.但是普通塑料地膜厚度較小且無色透明、對光熱削弱較小，而降解膜厚度較大、對光熱削弱較大，所以降解膜對應(yīng)土壤溫度相對普通塑料地膜較低，因此普通塑料地膜的保溫保墑效果最好，出苗率最高、成活密度最大、單位面積平均棉鈴數(shù)最多，比M2多3.85%，比其余降解膜多4.03%～11.23%；因此普通塑料地膜處理的籽棉產(chǎn)量也最高.各種降解膜籽棉產(chǎn)量比CK低2.05%～13.72%；降解膜中M2籽棉產(chǎn)量最高，僅比CK減產(chǎn)2.05%，且M2與CK相對M3和M4增產(chǎn)顯著(P<0.05).

表1 棉花產(chǎn)量構(gòu)成要素及籽棉產(chǎn)量

3 討 論

由于化學(xué)成分、生產(chǎn)工藝及應(yīng)用環(huán)境等因素的差別造成各種降解膜的降解性能不同[8-10]，降解膜的降解性能是影響棉田土壤水熱環(huán)境及其能否推廣應(yīng)用的重要因素.趙愛琴等[11]對生物降解膜進(jìn)行了深入研究并發(fā)現(xiàn)覆膜后20 d左右時地膜邊緣首先出現(xiàn)2～3 cm小洞，33 d左右時已經(jīng)裂成塊狀，韌性減小；申麗霞等[12]研究發(fā)現(xiàn)可降解地膜在覆膜30～40 d出現(xiàn)裂紋，90 d后基本完全降解.

本試驗研究發(fā)現(xiàn)哈密極端干旱區(qū)降解膜的降解相對較緩慢，最快的無色透明氧化-生物雙降解膜也在80 d才開始出現(xiàn)裂紋，其余降解膜在90 d以后逐漸出現(xiàn)降解；主要是選擇了較長誘導(dǎo)期的降解膜以防過早降解而喪失保墑作用難以應(yīng)對當(dāng)?shù)貥O其強(qiáng)烈的蒸發(fā).根據(jù)降解膜后期的降解速率、作物生長及產(chǎn)量情況，后期加速降解對作物的生長影響不大，因此可以考慮通過調(diào)整降解膜的化學(xué)成分以加快后期降解膜的降解速度，保證盡快完全降解，為翌年作物種植及生長創(chuàng)造較好的土壤環(huán)境.

降解膜的降解性能直接影響棉花各生育期的增溫保墑效果，從而間接影響到棉花的生長發(fā)育和產(chǎn)量[13].本研究發(fā)現(xiàn)在棉花生長的苗期和蕾期，降解膜增溫保墑效果與普通塑料地膜相似，主要由于各種降解膜尚未開始降解，棉田棵間蒸發(fā)差異較小，而且棉花相對較小，作物蒸騰差異也相對較小，因此對土壤水分的影響較小；由于降解膜完好，土壤散熱較少，因此各種地膜覆蓋下土壤溫度差異較小.但因普通塑料地膜厚度較小且無色透明、對光熱削弱較小，而降解膜厚度較大、對光熱削弱較大，所以降解膜對應(yīng)土壤溫度較普通塑料地膜低.由于降解膜M2無色透明，對光熱削弱較小，土壤溫度比透明度低的其余降解膜相對較高.

棉花花期普通塑料地膜的增溫保墑優(yōu)勢突出，主要由于各種降解膜在花期相繼開始出現(xiàn)降解，且當(dāng)時正逢高溫季節(jié)，土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，各種地膜處理下土壤水熱差異較大，且降解較快的降解膜的保溫保墑性能弱于降解較慢的降解膜.在鈴期和吐絮期，普通塑料地膜的保墑效果明顯高于各種降解膜，這與龔雙鳳等[14]研究指出的降解速率與棉花各生育期的土壤水熱及產(chǎn)量呈線性負(fù)相關(guān)相似.然而在鈴期和吐絮期，降解膜加速降解，普通塑料地膜與降解膜保溫效果相似，主要由于降解膜的加速降解促進(jìn)了土壤溫度散失，從而降低了保溫效果，且因棉花封行致使土壤表面接受的光熱較少，盛鈴期到吐絮期氣溫降低，因此降解膜與普通塑料地膜的保墑性能差異較小.

許多學(xué)者研究[13,15]發(fā)現(xiàn)，降解地膜與普通地膜對土壤水分、溫度和棉花生長的影響類似，對棉花生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響不顯著.但本研究發(fā)現(xiàn)雖然降解較快的無色透明氧化-生物雙降解膜M2的保墑性能在鈴期和吐絮期比普通塑料地膜及降解緩慢的黑色不透明降解膜M1和M3差，但由于后期土壤水分對棉花生長影響不大，而且因其降解加速了膜內(nèi)外的水熱交換，使得土壤干濕交替，增加了土壤氧氣含量，更有益于棉花的生長發(fā)育，因此無色透明氧化-生物雙降解膜M2處理棉花產(chǎn)量相對其余降解膜最高，又因其出苗率與成活密度相對普通塑料地膜較小，因此其產(chǎn)量略小于CK.

4 結(jié) 論

普通塑料地膜始終沒有出現(xiàn)降解，而各種降解膜出現(xiàn)了不同程度降解，其中無色透明氧化-生物雙降解膜M2降解最早、降解程度最高，白色半透明全生物降解膜M4出現(xiàn)降解稍晚于M2，但降解程度與M2相當(dāng)，黑色氧化-生物雙降解膜M1及黑色全生物降解膜M3降解較慢且程度不高.

苗期和蕾期各種降解膜均未出現(xiàn)降解，因此5種地膜保溫保墑性能相似；由于普通塑料地膜厚度較小、且無色透明，對光熱削弱較小，土壤溫度最高，降解膜厚度較大，對光熱削弱較大，所以各種降解膜對應(yīng)土壤溫度較普通塑料地膜低；同樣由于降解膜M2無色透明，對光熱削弱較小，土壤溫度比透明度低的其余降解膜相對較高.

花期各種降解膜開始降解，降解膜保溫效果明顯低于普通塑料地膜；鈴期和吐絮期各種地膜的保溫性能差異較小.花期之后各種降解膜的保墑性能明顯低于普通塑料地膜，且降解程度高的M2與M4的保墑性能相對低于降解程度低的M1和M3，但后期土壤水熱對棉花生長及產(chǎn)量形成的影響不大，因此降解膜M2的生長和產(chǎn)量沒有出現(xiàn)明顯低于M1和M3的情況.

各種降解膜處理的籽棉產(chǎn)量相對普通塑料地膜均有減產(chǎn)，其中無色透明氧化-生物雙降解膜M2由于苗期和蕾期因顏色透明、增溫效果較好而促進(jìn)了棉花生長發(fā)育，為產(chǎn)量形成奠定了基礎(chǔ)，因此其對應(yīng)籽棉產(chǎn)量高于其他降解膜，僅次于厚度較小、始終沒有降解的普通塑料地膜.

綜上分析，認(rèn)為無色透明氧化-生物雙降解膜M2可以替代普通塑料地膜在哈密極端干旱區(qū)用于棉花種植實踐.