生物降解地膜的增溫保墑及增產(chǎn)效應(yīng)研究進(jìn)展

張俊麗索龍景鵬娟焦雪麗

(1.渭南市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,陜西 渭南 714000；2.陜西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,陜西 西安 710000)

地膜覆蓋技術(shù)自20世紀(jì)70年代引入中國(guó)以來，因其保墑、增溫、抑草、提產(chǎn)等作用顯著[1-4]，增產(chǎn)增效明顯，被稱為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“白色革命”[2-4]。但普通地膜主要原材料為聚乙烯(PE)，自然條件下難以降解，隨使用量的逐年攀升，其環(huán)保、生產(chǎn)負(fù)效應(yīng)不斷凸顯，成為降低土壤通透性、阻礙水肥運(yùn)移、降低產(chǎn)量、纏繞耕地機(jī)具的“元兇”[3-6]，“白色革命”逐步演變成“白色污染”[2,5,6]。生物降解地膜，是以生物降解材料為主要原料制備的，用于農(nóng)作物種植時(shí)土壤表面覆蓋的、具有生物降解性能的薄膜[7]。生物降解地膜既具有普通地膜保溫、保墑的功能，又能經(jīng)自然界微生物作用分解為CO2和H2O[4]，是目前破解“白色污染”難題的重要措施之一。近年來，對(duì)全生物降解地膜增溫保墑性能及其對(duì)作物產(chǎn)量的影響已有廣泛研究，但不同的區(qū)域氣候條件和不同的作物種類，其覆蓋后的降解特性以及對(duì)作物生長(zhǎng)的影響也不同。

1 降解速率及其影響因素

生物降解膜的完整性持續(xù)時(shí)間和降解速率是決定降解膜能否應(yīng)用于生產(chǎn)的先決條件[5]。田間試驗(yàn)下，降解膜的降解速率一般采用目測(cè)評(píng)價(jià)法[8,9]或填埋試驗(yàn)[8]等進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用目測(cè)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)時(shí)，通常將降解過程分為始裂期(也稱誘導(dǎo)期)、開裂期、大裂期、碎裂期和無膜期。進(jìn)入始裂期時(shí)間越早，整體降解速率越快，降解周期越短。填埋試驗(yàn)則采用填埋前后地膜的失重率來衡量降解速率[8]。膜越厚，誘導(dǎo)期越長(zhǎng)[5]。多數(shù)研究顯示，淺色生物降解膜能有效促進(jìn)作物早發(fā)快長(zhǎng)，但裂解時(shí)間較早，應(yīng)適當(dāng)增加物理韌性，延遲降解時(shí)間[10]；但也有研究顯示，黑色全生物降解地膜進(jìn)入誘導(dǎo)期的時(shí)間比白色膜早[11]。整體上，生物降解膜的降解速率與原材料(如PLA、PBAT、PBS、CA等)[4,11-13]、膜厚[2-4]、膜色[11]及氣候[14]、灌水方式[3]等密切相關(guān)。實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)土壤類型、氣候特征、作物生長(zhǎng)規(guī)律、栽培管理方式等，選擇適宜降解周期和降解速率的可降解膜，是提高產(chǎn)量、降低土壤殘膜污染的有效栽培方式[5,9]。

2 生物降解地膜的增溫保墑效應(yīng)

生物降解地膜與聚乙烯地膜有相似的增溫保墑功效[6,12,14-17]。生物降解膜覆膜后能使大氣層與地表形成隔離層，通過太陽輻射進(jìn)行熱量交換，提高表層土壤溫度[15,16]。多數(shù)研究顯示[1,12,14,17,18]，在作物生育前期(如玉米拔節(jié)期、棉花現(xiàn)蕾期等)，生物降解膜能有效提高土壤溫度和含水量；生育后期(如玉米抽雄期、棉花花鈴期等)，由于其原材料的可降解性，膜面出現(xiàn)降解裂口或破洞，增溫保墑效應(yīng)逐漸喪失，對(duì)作物生長(zhǎng)有一定影響[6,17-21]。但也有研究顯示，在作物生育后期隨氣溫升高和作物郁閉度增加，能弱化因膜面破裂對(duì)土壤水熱的不利影響，對(duì)作物生產(chǎn)影響不明顯[5]。

與聚乙烯地膜相比，生物降解膜的保溫性略低，如生物降解膜在棉花生育前期平均地溫較聚乙烯地膜低0.3～1.2℃[18]，在番茄整個(gè)生育時(shí)期生物降解膜平均土壤溫度較聚乙烯地膜低0.54～0.73℃[18]，這可能與生物降解膜的原材料和通透性有關(guān)[14]。胡國(guó)輝等研究認(rèn)為，正是因?yàn)樯锝到饽ぴ鰷匦?yīng)略低于聚乙烯地膜，所以前者更適于馬鈴薯這類喜涼作物的生長(zhǎng)。生物降解膜對(duì)土壤含水量的影響與降解速率和作物生育時(shí)期有關(guān)[22-25]。王斌等研究顯示，在番茄開花坐果期，生物降解膜平均土壤含水量較聚乙烯地膜高0.99%，而在結(jié)果期和成熟期則分別低2.32%和3.65%，但差異均不顯著[18]。

生物降解膜對(duì)土壤水熱的影響主要集中在耕作層[22-24,26]。王斌等研究顯示，在番茄整個(gè)生育期內(nèi)，降解膜處理0～30cm土壤平均含水量低于聚乙烯膜，隨土層深度增加，兩者間差異逐漸縮小[18]；且膜下5cm、15cm、25cm土層的平均土壤溫度分別較聚乙烯地膜低0.73℃、0.60℃和0.54℃，但與聚乙烯地膜間的差異均不顯著。

3 生物降解膜的抑草效應(yīng)

生物降解膜對(duì)農(nóng)田雜草的防效低于聚乙烯地膜[5]。隨作物生育時(shí)期推進(jìn)，生物降解膜的力學(xué)性能逐漸下降[1-4,9,24]，膜下的雜草更易穿透地膜，降低雜草的防治效果。多數(shù)研究顯示，淺色膜土壤升溫較快，利于雜草早發(fā)旺盛致地膜機(jī)械破裂[11]，深色生物降解膜在控草、節(jié)約用工和增加肥料利用率等方面有優(yōu)勢(shì)[11,19]。但李水鳳等則認(rèn)為，白色降解膜的抑草效應(yīng)優(yōu)于黑膜，因?yàn)榘啄ぴ鰷匦?yīng)明顯，膜下高溫能將雜草幼苗殺死[11]。黃旭華等[17]針對(duì)農(nóng)田雜草種類，添加適宜除草劑母粒，將生物降解地膜技術(shù)與除草地膜技術(shù)進(jìn)行集成，制備的生物降解除草地膜對(duì)一年生單雙子葉雜草防效可達(dá)85%以上，還節(jié)省了噴施除草劑的人工成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。謝永平等[19]認(rèn)為，增加生物降解膜厚度也能提高雜草防效，但膜過厚會(huì)導(dǎo)致花生的果針扎不穿地膜，形成不成莢果，甚至造成絕收。

4 生物降解膜的增產(chǎn)效應(yīng)

多數(shù)研究表明，與聚乙烯地膜相比，生物降解地膜對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響較小或者有促進(jìn)生長(zhǎng)的作用[4,8,19,20,27-31]。付學(xué)東等[4]研究顯示，地膜的完全降解能增加土壤透氣性和含水量，避免馬鈴薯塊莖膨大期土壤溫度過高對(duì)薯塊形態(tài)構(gòu)成的負(fù)面影響(如爛薯等)，產(chǎn)量高于覆聚乙烯膜處理。賀鵬程等[8]研究認(rèn)為，全生物降解膜在大薯個(gè)數(shù)、結(jié)薯個(gè)數(shù)、單薯重等產(chǎn)量性狀上均優(yōu)于普通地膜，具有代替普通地膜的生產(chǎn)潛力?？祷⒌萚21]研究顯示，覆蓋降解膜能促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，產(chǎn)量提高8%左右。有研究顯示，生物降解膜能提早作物生育期，但在作物生育中期就開始裂解，影響了生育后期的生長(zhǎng)發(fā)育，增產(chǎn)效應(yīng)不明顯[19,32]。但也有研究顯示，使用降解膜后作物產(chǎn)量降低[18,32]，如王斌等[18]研究顯示，生物降解膜覆蓋下甜菜、番茄產(chǎn)量略低于聚乙烯膜，減產(chǎn)率分別為2.32%和2.60%，但差異不顯著。綜合認(rèn)為，降解膜對(duì)產(chǎn)量的影響來自降解材料本身的性質(zhì)及降解膜對(duì)區(qū)域環(huán)境條件的響應(yīng)[5,14,18,33-38]。生物降解膜的完成性保持時(shí)間及降解速率直接影響作物產(chǎn)量[1-3,5,8,12,14,18,38-44]。苗期生物降解膜降解率的高低對(duì)產(chǎn)量的影響作用最顯著，降解程度越高，增產(chǎn)潛力越小[5,42]。另外，生物降解膜的寬幅[1]、厚度[11]等也影響作物產(chǎn)量，寬110cm生物降解膜處理下，蘆筍產(chǎn)量顯著高于100cm和90cm[1]；就莖用萵苣而言，膜越厚增產(chǎn)效應(yīng)越明顯，厚10μm生物降解膜產(chǎn)量明顯高于8μm和6μm[11]；然而也有研究顯示，隨生物降解膜膜厚增加，對(duì)作物生產(chǎn)表現(xiàn)出抑制，如楊涵等研究發(fā)現(xiàn)，6μm生物降解膜下蘆筍生長(zhǎng)正常，8μm時(shí)不影響Ⅰ～Ⅳ級(jí)蘆筍生產(chǎn)，對(duì)Ⅴ級(jí)有輕微抑制；10μm時(shí)嚴(yán)重抑制生長(zhǎng)。在生育期相對(duì)較長(zhǎng)的大田作物上使用生物降解膜時(shí)，應(yīng)充分考慮其耐候性，在作物的生育期內(nèi)盡可能保持地膜的完整性，最大限度發(fā)揮地膜的功能，提高作物的增產(chǎn)潛力[1-3,5,8,12,14,17,18,38-41]。