全生物降解地膜的降解特征及其對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

李 玲，靳 拓，張 杰，彭可為，李 魏，陳 武

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，湖南 長沙 410128；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與與資源保護總站，北京 100125；3. 花垣縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 花垣 416400）

湖南馬鈴薯以冬播春收為主，上市期恰逢湖南春季蔬菜供應的淡季，市場需求旺盛，價格比較優(yōu)勢較好，因而其種植規(guī)模比較穩(wěn)定。冬播馬鈴薯在生育前期面臨低溫和陰雨寡照等不利環(huán)境條件，地膜覆蓋因其具有明顯的增溫、保墑和抑制雜草等優(yōu)勢而被廣泛采用。但PE 地膜因產(chǎn)生大量殘留不僅會破壞土壤結(jié)構(gòu)，而且還會導致農(nóng)田“白色污染”，不利于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[1]。而全生物降解地膜具有傳統(tǒng)地膜類似的增溫和保墑性能，又可經(jīng)微生物作用分解為CO2和H2O，可有效緩解“白色污染”難題[2]。隨著研發(fā)水平的提升和國家政策的引導，全生物降解地膜的推廣與應用迎來了快速發(fā)展。近年來，全生物降解地膜先后在花生[3]、馬鈴薯[4-5]、煙草[6]、玉米[7]和水稻[8]等作物上得到應用并進行了規(guī)?；茝V，學者們系統(tǒng)評估了全生物降解地膜對土壤理化性質(zhì)、作物產(chǎn)量與質(zhì)量以及生態(tài)環(huán)境等的影響。例如：劉姝彤等[4]和張淑敏等[5]的研究表明，覆蓋全生物降解地膜可增加土壤肥力，提高土壤有機質(zhì)、有效磷、速效鉀含量，從而增加作物產(chǎn)量；張淑敏等[5]還認為，使用生物降解地膜可有效降低雜草種群及密度，更有利于馬鈴薯增產(chǎn)。湖南省全生物降解地膜的應用研究尚處于起步階段，為了探討湖南氣候條件、土壤類型及農(nóng)事操作等因素對全生物降解地膜的降解特性、土壤酶活及作物產(chǎn)量性狀等的影響，筆者選用市場上常見的4 種全生物降解地膜，比較研究了其對土壤溫度、馬鈴薯農(nóng)藝性狀的影響以及全生物降解地膜的降解特征等，以期為全生物降解地膜在湖南春馬鈴薯生產(chǎn)上的推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020 年冬至2021 年春在湖南省長沙市芙蓉區(qū)的湖南農(nóng)業(yè)大學耘園基地進行，該地屬亞熱帶季風氣候，降水充沛，四季分明。試驗地土壤條件均一、肥力中等，土壤類型為壤土，土壤pH 值6.3、容重1.22，土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量分別為27.1、2.43、0.62 和26.5 g/kg，速效氮、速效磷和速效鉀含量分別為101、38.7 和91.5 mg/kg。

1.2 供試材料

供試馬鈴薯品種為費烏瑞它，由項目組自行采購。

供試地膜：包括麻纖維地膜（白）、PBAT+PLA（黑）、PPC（棕色）、PPC（黑色）共4 種全生物降解地膜和黑色PE 地膜，均由項目組自行從各自生產(chǎn)廠家采購。

1.3 試驗方法

試驗設4 種不同全生物降解地膜覆蓋，以PE 地膜覆蓋和不覆蓋地膜為對照（CK1 和CK2）共 6 個處理（見表1）。于2021 年1 月25 日播種，地膜覆蓋方式為全膜雙壟溝播覆膜，出芽后人工輔助破膜。各處理按隨機區(qū)組排列，設4 次重復。小區(qū)面積為1 m×10 m。各處理的起壟、播種、覆膜和肥水管理等栽培技術(shù)措施完全一致。

表1 試驗處理及供試地膜的有關(guān)信息

1.4 觀測項目及方法

1.4.1 地膜降解速度和降解強度采用目測法通過肉眼觀測記錄地膜顏色、形態(tài)以及表面完整度的變化情況，并參考宋欣等[8]的方法對地膜的降解情況按下列標準進行分級。在覆膜后的前30 d 內(nèi)每10 d 觀察1 次，從覆膜后的31 d 起每3 d 觀察1 次，直至誘導期結(jié)束（最多至覆膜后75 d），以后每10 d 觀察1 次。0 級：未出現(xiàn)裂紋；1 級：開始出現(xiàn)裂紋（誘導期）；2 級：田間2%地膜出現(xiàn)細小裂紋；3 級：出現(xiàn)2.0～2.5 cm 裂紋；4 級：出現(xiàn)10 cm 以上裂紋，開始變薄；5 級：地膜裂解為4 cm×4 cm 以下碎片，并變?。?級：25%地面無肉眼可見地膜；7 級：50%地面無肉眼可見地膜；8 級：75%地面無肉眼可見地膜；9 級：100%地面無肉眼可見地膜。

1.4.2 土壤溫度采用溫度記錄儀測定土壤深度為10 cm 處的溫度。

1.4.3 馬鈴薯生育期及農(nóng)藝性狀分別記錄各處理的主要生育期，并在馬鈴薯進入塊莖膨大期時用軟尺測量馬鈴薯地上部分的株高、用游標卡尺測量莖直徑。收獲時測定各處理的馬鈴薯總產(chǎn)量以及商品薯和非商品薯比例。

1.4.4 土壤樣品采集及土壤酶活測定馬鈴薯收獲時隨機布點采集0～10 cm 土層土壤，剔除石塊和作物殘體后混勻，置于自封袋立即帶回實驗室，用新鮮土樣測定土壤微生物生物量碳、磷；其余土壤樣品風干后，測定土壤酶活性。土壤微生物量碳和微生物量磷均采用氯仿熏蒸-NaHCO3浸提法測定；土壤脲酶、β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶酶活均采用試劑盒測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析

采用 Microsoft Excel 軟件和SPSS 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理膜下10 cm 處的土壤溫度比較

提高地溫可為馬鈴薯根系的快速生長和塊莖的膨大提供熱量基礎。由表2 可知，膜下10 cm 處土層的土壤溫度平均值從高到低依次為PE（黑，CK1）＞PPC（黑）＞PPC（棕）＞PBAT+PLA（黑）＞麻纖維地膜＞不覆蓋（CK2）。不覆蓋（CK2）的土壤溫度平均值為17.9℃，與CK2 相比，5 個地膜覆蓋處理的土壤溫度都明顯提高；在5 個地膜覆蓋處理中，以PE（黑，CK1）的土壤溫度最高，達19.6℃，除麻纖維地膜因孔隙度發(fā)達，保溫性能較差外，其他4 個地膜覆膜處理的保溫性能都較好且差異不明顯。

表2 各處理膜下10 cm 處土層的土壤溫度 （℃）

2.2 不同處理對馬鈴薯生育期的影響

田間調(diào)查結(jié)果表明：5 個地膜覆蓋處理均可縮短馬鈴薯的生育期，使成熟期提前，與不覆蓋（CK2）相比，成熟期處理3 提前了10 d，處理4 提前了9 d，處理1 和2 均提前了8 d，處理5（CK1）提前了5 d（見表3）。

表3 各處理馬鈴薯的生育期 （月-日）

2.3 不同處理對馬鈴薯農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟性狀的影響

由表4 可知，各地膜覆蓋處理馬鈴薯的株高均顯著高于不覆蓋處理（CK2），但4 種全生物降解地膜覆蓋（處理1～處理4）與普通PE 覆蓋（CK1）沒有顯著性差異；處理1（麻纖維地膜覆蓋）的馬鈴薯莖粗最粗，顯著粗于CK2，但與另外4 種地膜覆蓋處理（處理2～處理5）沒有顯著性差異；各地膜覆蓋處理的馬鈴薯商品薯率均高于不覆蓋處理（CK2），且處理3～處理5 均顯著高于處理6（CK2）；小區(qū)產(chǎn)量是處理2 和處理5（CK1）較高，且顯著高于除處理4以外的其他處理，但這2 處理間沒有顯著性差異。這說明PBAT+PLA（黑）和PPC（黑）覆蓋不僅馬鈴薯產(chǎn)量高，而且其商品薯率也較高，株高和莖粗也較大。

表4 不同處理馬鈴薯農(nóng)藝性狀與經(jīng)濟性狀比較

2.4 不同地膜的降解特征

覆膜后對不同地膜的降解情況進行定期調(diào)查的結(jié)果（表5）表明：以PPC（棕）的降解速度最快，覆膜后36 d 的降解等級即為1 級（誘導期）；覆膜后51 d 時，麻纖維地膜（白）和PPC（棕）的降解等級均為2 級；至覆膜后97 d（采收前2 d）時，除PPC（棕）的降解等級為4 級外，其他3 種全生物降解地膜的降解等級均為3 級，而普通PE（CK1）的降解等級為1級。PPC（黑）和PBAT+PLA（黑）的降解特征相似，都是覆膜后62 d 進入誘導期（降解等級1 級），覆膜后74 和97 d 時，降解等級分別為2 級和3 級，說明這2 種全生物降解地膜的增溫保墑能力更強，更有利于馬鈴薯在早春低溫天氣的增溫保墑。

表5 不同地膜覆膜后不同覆膜天數(shù)的地膜降解等級

2.5 不同處理對土壤酶活性的影響

土壤酶是存在于土壤中各酶類的總稱。土壤酶參與土壤中腐殖質(zhì)的合成與分解，有機化合物、動植物和微生物殘體的水解與轉(zhuǎn)化以及土壤中有機、無機化合物的各種氧化還原反應等生物化學過程，與土壤中各種營養(yǎng)元素的釋放與儲存、土壤中腐殖質(zhì)的形成與發(fā)育以及土壤的結(jié)構(gòu)和物理狀況都密切相關(guān)，其是衡量土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力的重要指標。該研究結(jié)果（表6）表明：土壤β-葡萄糖苷酶活性各處理間無顯著性差異；土壤脲酶活性是CK1 最高且顯著高于處理1、2 和3，但與處理4 和CK2 沒有顯著性差異，且除CK1 外其他5 個處理間均無顯著性差異；土壤酸性磷酸酶活性是處理2 最高且顯著高于處理1 和處理3，但與處理4、CK1 和CK2 無顯著性差異，以處理1 最低且顯著低于處理2、CK1 和CK2；土壤蔗糖酶活性是處理3 最高，顯著高于處理2，但與其他處理無顯著性差異。

表6 不同處理的土壤酶活性 （U/g）

2.6 不同處理對土壤微生物量碳和磷含量的影響

微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）是土壤中易于利用的養(yǎng)分庫與有機物分解和氮礦化的動力，與土壤中C、N、P、S 等養(yǎng)分的循環(huán)密切相關(guān)。土壤微生物量碳含量以處理1 最高，顯著高于除CK1 以外的其他處理；不同處理間的土壤微生物量磷（Microbial biomass phosphorus，MBP）含量雖有一定差異，但各處理間的差異不顯著（見表7）。

表7 不同處理的土壤微生物量碳和磷含量 （mg/kg）

3 討 論

試驗結(jié)果表明：覆膜后膜下10 cm 處土層的土壤溫度，4 種全生物降解地膜處理與PE（黑，CK1）無明顯差異，說明全生物降解地膜的增溫性能與PE 膜基本相當；地膜覆蓋處理均可縮短馬鈴薯的生育期，與不覆蓋（CK2）相比可使成熟期提前5～10 d，且各地膜覆蓋處理馬鈴薯的株高均顯著高于CK2，但4 種全生物降解地膜覆蓋與CK1 沒有顯著性差異；PBAT+PLA（黑）和PPC（黑）覆蓋不僅馬鈴薯產(chǎn)量高，而且其商品薯率也較高；4 種全生物降解地膜都可在田間進行生物降解，以PPC（棕）的降解速度最快，覆膜后36 d 的降解等級即為1 級（誘導期），其次是麻纖維地膜（白），以PPC（黑）和PBAT+PLA（黑）的降解較慢，覆膜后62 d 才進入誘導期，但至覆膜后97 d（采收前2 d）時，除PPC（棕）的降解等級為4級外，其他3 種全生物降解地膜的降解等級均為3 級，說明4 種全生物降解地膜都有良好的降解特性，可緩解農(nóng)田白色污染，有利于改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，但由于PPC（黑）和PBAT+PLA（黑）在覆膜后62 d 才進入誘導期，這2 種全生物降解地膜的增溫保墑性能更強，更有利于春馬鈴薯在早春低溫天氣的增溫保墑。綜合考慮土壤溫度、馬鈴薯農(nóng)藝性狀和地膜殘留對農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境的影響，用PBAT+PLA（黑）和PPC（黑）這2 種全生物降解地膜替代PE（黑）地膜可在湖南春馬鈴薯生產(chǎn)上推廣應用。