高強度地膜應用對棉花生產(chǎn)及地膜回收的影響

戚瑞敏，劉勤，王旭峰，嚴昌榮*

（1.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∕農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)膜污染防控重點實驗室，北京 100081；2.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾市 843300）

地膜覆蓋是一項人工干預農(nóng)作物生長環(huán)境的栽培技術(shù)，具有明顯的增溫保墑、抑制雜草的作用，能夠顯著提高農(nóng)田養(yǎng)分和水分利用率，實現(xiàn)作物增產(chǎn)增效[1-3]。我國是全球地膜使用量最大的國家，近年來，地膜年投入量保持在1.4×106～1.5×106（t全球地膜年投入量約為2.0×106t）[2，4]。地膜應用的作物種類廣泛，如玉米、馬鈴薯、水稻、棉花、加工番茄、煙草等，地膜覆蓋可使作物單產(chǎn)增加30%，水分利用效率提高30%，對保障我國糧食安全、促進農(nóng)民增收具有不可替代的作用[1]。然而，長時間、大規(guī)模的超薄低強度地膜應用已經(jīng)引起殘留污染問題，由于地膜本身強度低、耐老化能力差，作物收獲后地膜破碎嚴重，導致可回收性差[5-6]。因此，改進地膜質(zhì)量、提高其可回收性是地膜殘留污染防控的一種重要措施[2，7]。為探明高強度地膜在應用前后的功能特點及其對棉花生長發(fā)育的影響，本研究對4 種不同配方的高強度PE 地膜、1 種傳統(tǒng)PE 地膜進行實地測試，揭示高強度地膜的回收率及應用效益，進而明確在新疆棉花種植條件下，能夠進行機械回收、人工回收的地膜強度閾值，以促進高強度地膜的普及應用。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和作物

試驗地點位于新疆維吾爾自治區(qū)阿拉爾市新疆生產(chǎn)建設兵團第一師10 團8 連20 號地（80°29′E，40°55′N）。該地區(qū)屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，最高氣溫35 ℃，極端最低氣溫-28 ℃，年均太陽輻射133.7～146.3 kcal·cm-2，年均日照2 556.3～2 991.8 h。該區(qū)域年降水量40.1～82.5 mm，年蒸發(fā)量1 876.6～2 558.9 mm，屬于典型綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗棉花品種為碩雜2號，屬轉(zhuǎn)抗蟲基因中熟雜交品種。

1.2 試驗地膜產(chǎn)品

試驗地膜產(chǎn)品為廣東星聯(lián)科技有限公司研發(fā)的4種不同配方的高強度地膜（高強1號，GQ1；高強2號，GQ2；高強3 號，GQ3；高強4 號，GQ4）和1 種由新疆庫爾勒地膜廠生產(chǎn)的傳統(tǒng)PE 地膜（PE），不同高強度地膜的縱向∕橫向拉伸負荷均顯著高于傳統(tǒng)PE地膜。

1.3 試驗設計和田間管理

在新疆阿拉爾市采用單因素隨機區(qū)組設計，設置5 種地膜覆蓋模式下棉花種植試驗，每處理設3 次重復，其中高強度地膜處理小區(qū)種植面積為5.5 hm2，傳統(tǒng)地膜處理小區(qū)種植面積為2 hm2。2020 年4 月2 日進行覆膜播種，采用660 mm+100 mm+660 mm種植模式（圖1），利用鋪膜播種機（型號：金準2BMK-9∕1，新疆阿拉爾金準機械制造有限公司）進行穴播式播種，播種過程中覆膜、鋪設滴灌帶、播種一體化作業(yè)。

圖1 新疆阿拉爾高強度地膜覆蓋棉花種植模式Figure 1 Planting mode of cotton covered with high-strength plastic film in Alar，Xinjiang

在播種前進行整地并施底肥，底肥施用量為1 050 kg·hm-（2復合肥N-P2O5-K2O 為13-17-10）。整個生育期采取膜下滴灌方式給水，棉花全生育期澆水10次，每次灌水量為375 m3·hm-2，且隨水施肥，所施肥料中氮肥為尿素，磷肥為磷酸二銨，鉀肥為硫酸鉀，具體施肥量見表1。

表1 每次灌水隨水施肥量（kg）Table 1 The amount of fertilizer application with each irrigation（kg）

根據(jù)每年作物的發(fā)病情況噴施一定量的農(nóng)藥。2020 年6 月中旬為滅蚜蟲噴施冬青油5 次，6 月下旬為滅紅蜘蛛用阿維菌素3 次。為便于機采，每公頃地噴施一次脫吐隆300 g+乙烯利1 050 g。

1.4 觀測指標及方法

（1）地膜物理機械性能

根據(jù)《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》（GB 13735—2017）[8]測試5 種地膜使用前后（初始值和棉花收獲后）的厚度和物理性能（拉伸負荷、斷裂標稱應變指數(shù)和直角撕裂負荷）。每次取樣1 延長米（即一幅寬度，2.05 m），標注清楚后裝袋帶回實驗室處理。

（2）地膜覆蓋增溫性

根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范 地溫》（GB∕T 35233—2017）[9]，采用溫度自動記錄探頭裝置（精度0.2 ℃）測定覆膜前后土壤溫度，水平方向每隔2.4 m 設1 個溫度傳感器，垂直方向探頭埋設深度為5 cm，溫度傳感器每1 h記錄1次數(shù)據(jù)，然后計算土壤日平均溫度。

（3）保墑性能

采用水蒸氣透過率法（儀器型號為PERME W3∕060）測試地膜保墑性能，測試精度為0.01 g·m-2·d-1，每個樣品3次重復，每個重復6次循環(huán)，其穩(wěn)定值即為該地膜的透濕量。

（4）棉花生長情況與產(chǎn)量

出苗率：在播種后14 d 和30 d 調(diào)查每幅寬度上（即6 行）連續(xù)20 苗穴的出苗情況，重復3 次，計算出苗率和真葉長出率。出苗的判斷標準是子葉平展，即記為出苗，否則為尚未出苗。

不同時期棉花生長發(fā)育情況：棉花播種后45 d，分別在5類地膜覆蓋處理的小區(qū)選擇生長正常的5株棉花進行調(diào)查，測定棉株高度和葉片數(shù)，并選擇3 株棉花全株挖出，測定其根系情況；在播種90 d后，觀測棉株高度、開花數(shù)、花蕾數(shù)和果枝數(shù)。

收獲時棉花主要性狀與產(chǎn)量：按常規(guī)方法測定棉花收獲時的主要性狀，包括株高、果枝數(shù)、單株棉鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量。同時，在每種地膜的覆蓋區(qū)隨機選擇5個區(qū)塊（面積為6.67 m2）測定產(chǎn)量。

（5）機械化地膜回收率

采用石河子大學和常州漢森機械聯(lián)合研制的4JMLE-210農(nóng)田地膜回收作業(yè)機開展地膜回收試驗。地膜回收作業(yè)機技術(shù)參數(shù)為配套動力≥66 kW、作業(yè)幅寬2.10 m、作業(yè)效率≥53 360 m2·d-1。

（6）綜合經(jīng)濟效益

通過實地調(diào)查獲得南疆農(nóng)民種植棉花期間的各種費用，主要包括農(nóng)資和人工投入、租地和整地費用、地膜回收處理費用、棉花收入等，綜合分析計算棉花種植效益。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2016 及IBM SPSS Statistics 25 軟件進行統(tǒng)計分析，Duncan 法檢驗差異顯著性（P＜0.05），用Origin 2021分析和制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 高強度地膜的特點及其對環(huán)境的影響

2.1.1 高強度地膜物理機械性能變化

地膜物理機械性能測定結(jié)果（表2）顯示，在同樣厚度條件下，高強度地膜的初始物理機械性能遠高于國家標準[8]，且高強度地膜在使用前后的機械性能整體上均高于傳統(tǒng)PE地膜。除GQ4的初始縱向斷裂標稱應變指數(shù)（312%）低于PE 地膜外，其他高強度地膜初始縱向拉伸負荷和斷裂標稱應變指數(shù)較PE地膜分別提高了281.2%～337.5%和28～58 個百分點，橫向拉伸負荷和斷裂標稱應變指數(shù)較PE 地膜分別提高了144.4%～183.3%和3～102 個百分點。使用180 d 后4種高強度地膜的縱向和橫向拉伸負荷范圍分別為2.2～3.9 N 和1.5～2.7 N，均高于傳統(tǒng)PE 地膜（縱向1.5 N，橫向1.3 N），在棉花完全成熟后，高強度地膜膜面仍然保持十分完整，基本沒有破裂，人工拉扯也有較好的拉伸性，這對殘留地膜的回收十分重要。地膜拉伸性能對地膜回收具有較大的影響[10-11]，高強度地膜具有較強的拉伸強度，更有利于地膜的回收。

表2 高強度地膜使用前后物理性能變化Table 2 Changes in physical properties of high-strength plastic mulch films before or after used in the cotton field

2.1.2 不同地膜覆蓋棉田土壤溫度變化

不同地膜覆蓋棉田土壤溫度監(jiān)測結(jié)果（圖2）顯示，與裸地相比，無論是覆蓋高強度地膜還是傳統(tǒng)PE地膜均明顯提高了棉田0～5 cm 土層的土壤溫度。棉花播種30 d后，3種高強度地膜（GQ1、GQ2和GQ3）覆蓋棉田土壤溫度分別為23.3、23.3 ℃和25.0 ℃，平均較傳統(tǒng)PE 地膜（22.4 ℃）高1.5 ℃，較裸地（21.2 ℃）高2.7℃。由圖3可知，30 d 內(nèi)PE 和GQ1、GQ2 和GQ3 覆蓋棉田土壤平均溫度差異不顯著（P＞0.05），分別為20.1、20.9、20.9 ℃和21.3 ℃，但均顯著高于裸地（17.7 ℃，P＜0.05），高強度地膜能夠滿足作物生長前期所需增溫條件。從播種開始到6月中旬，高強度地膜的增溫效果始終好于傳統(tǒng)PE地膜，平均較傳統(tǒng)PE地膜高1.0 ℃，較裸地高3.7 ℃；6月中旬以后差異不明顯。事實上6月中旬后大氣溫度大幅升高，溫度已不再是限制棉花生長的主要因素，地膜的增溫功能也基本結(jié)束，其作用從增溫逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸３滞寥浪趾涂刂齐s草[12]。

圖2 不同地膜覆蓋棉田0～5 cm土層土壤溫度變化Figure 2 Soil temperature of cotton fields（5 cm soil layer）with different plastic films mulching

圖3 播種后30 d內(nèi)不同地膜覆蓋棉田土壤溫度變化Figure 3 Soil temperature of cotton fields with different plastic films mulching within 30 days of sowing

2.1.3 不同種類高強度地膜的保墑性能

透濕量測定結(jié)果（圖4）顯示，4 種高強度地膜的透濕量均顯著低于傳統(tǒng)PE 地膜（P＜0.05），透濕量大小順序表現(xiàn)為PE＞GQ4＞GQ1＞GQ2＞GQ3。保水性能最好的地膜是GQ3，透濕量為20.7 g·m-2·d-1；GQ1 和GQ2 居中，透濕量分別為28.1 g·m-2·d-1和24.0 g·m-2·d-1；GQ4 的透濕量最大，為35.7 g·m-2·d-1。4 種高強度地膜的透濕量較傳統(tǒng)PE 地膜降低了23.2%～54.2%，這意味著在田間地膜覆蓋完好情況下，高強度地膜能夠大幅降低棉田土壤水分損失速度，有效提高土壤含水量，具有良好的保墑功能，為棉花生長發(fā)育提供良好的水分保障。

圖4 高強度地膜和傳統(tǒng)PE地膜透濕量特征Figure 4 The amount of water vapor transmission of high-strength and conventional PE plastic mulch film

2.2 不同種類地膜對棉花生長發(fā)育的影響

2.2.1 不同地膜覆蓋棉花的出苗情況

播種14 d后，高強度地膜覆蓋棉花出苗率顯著高于傳統(tǒng)PE 地膜（表3），其中GQ3 覆蓋棉花平均出苗率最高，高達98.3%，傳統(tǒng)PE 地膜的平均出苗率最低，僅為75.0%。播種30 d 后高強度地膜GQ1、GQ2和GQ3覆蓋棉花真葉長出率差異不顯著（P＞0.05），但均顯著高于GQ4 和傳統(tǒng)PE 地膜（P＜0.05），其中GQ2覆蓋棉花真葉長出率最高，為98.3%，傳統(tǒng)PE 地膜覆蓋棉花真葉長出率最低，為81.7%（表3）。與高強度地膜相比，傳統(tǒng)PE 地膜覆蓋棉花的出苗率和真葉長出率均處于最低水平，表明高強度地膜覆蓋更有利于棉花萌芽和苗期生長，其主要原因可能是高強度地膜具有較好的增溫保墑性能。有研究表明PE地膜覆蓋能夠增加土壤水分，并在玉米播種時和苗期將土壤溫度提高約2.8 ℃[13]，佐證了本研究結(jié)論。

表3 不同地膜覆蓋棉花出苗情況Table 3 Emergence of cotton with high-strength and PE plastic film mulching

2.2.2 不同地膜覆蓋棉花關鍵時期的生長情況

播種45 d 后不同地膜覆蓋棉花株高表現(xiàn)為PE＞GQ1＞GQ2＞GQ3＞GQ4，株高范圍是10.0～17.2 cm（表4），其中GQ2 處理棉株高度居中（13.4 cm），與PE、GQ1、GQ3和GQ4處理棉株高度差異顯著。不同地膜覆蓋棉株葉片數(shù)變化趨勢與株高表現(xiàn)一致，PE 地膜處理的單株棉花葉片數(shù)最多，為6.0，GQ3和GQ4處理單株棉花葉片數(shù)最少，為4.0。PE 覆蓋棉花平均須根數(shù)顯著高于GQ4、GQ1 和GQ3 高強度地膜（P＜0.05），與GQ2 差異不顯著（P＞0.05）；PE 處理須根長度與高強度地膜之間差異均不顯著（P＞0.05），但GQ2和GQ3處理棉花須根長度顯著高于GQ1處理。

表4 不同地膜覆蓋棉花在播種45 d時的生長情況Table 4 The growth of cotton with PE and high-strength plastic film mulching at 45 d after sowing

播種90 d后，高強度地膜覆蓋棉花株高、開花數(shù)、花蕾數(shù)及果枝數(shù)（除GQ4 覆蓋棉花果枝數(shù)）均高于傳統(tǒng)PE 地膜，其中不同地膜覆蓋對棉花花蕾數(shù)和果枝數(shù)的影響不顯著（表5）。GQ1、GQ2、GQ3 和GQ4 在播種90 d 時株高分別為68.8、72.2、67.8 cm 和68.2 cm，顯著高于PE 覆蓋棉株（58.6 cm）；GQ1 和GQ2 處理單棉株的開花數(shù)均為2.2，顯著高于PE、GQ3 和GQ4（開花數(shù)分別為1.0、1.4 和1.2）。整體來看，在苗期（14 d和30 d）及播種90 d 后，高強度地膜覆蓋下棉花生長的效果優(yōu)于傳統(tǒng)PE 地膜，但在播種45 d 時棉花生長的效果與傳統(tǒng)PE地膜覆蓋下差異不明顯。

表5 不同地膜覆蓋棉花在播種90 d時的生長情況Table 5 The growth of cotton with PE and high-strength plastic film mulching at 90 days after sowing

2.2.3 棉花收獲時的主要性狀與產(chǎn)量

不同地膜覆蓋棉株在收獲時的高度為58.6～72.2 cm，高強度地膜覆蓋棉株高度顯著高于PE 地膜。傳統(tǒng)PE 地膜與高強度地膜（GQ1、GQ2、GQ3 和GQ4）處理的每株棉花果枝數(shù)分別為8.8、9.0、8.6、9.7、8.8，各處理單鈴質(zhì)量無明顯差異，均為5.0 g。但高強度地膜覆蓋棉花產(chǎn)量為7 638.8～7 759.0 kg·hm-2，比傳統(tǒng)PE 地膜增產(chǎn)231.0～351.2 kg·hm-2，增產(chǎn)率為3.1%～4.7%（表6）。高強度地膜覆蓋棉花產(chǎn)量顯著高于傳統(tǒng)PE 地膜（P＜0.05），主要表現(xiàn)在棉花株鈴數(shù)較傳統(tǒng)地膜多0.4～0.6個。

表6 不同地膜覆蓋棉花主要性狀和產(chǎn)量Table 6 The main appearance and yield of cotton with different film mulching

覆膜可以通過提高土壤溫度、保持土壤水分以及減少氮損失和病蟲害來提高作物生產(chǎn)效率[14-16]，也可以通過在早期促進作物根系生長的機制提高土壤溫度、增加作物產(chǎn)量[17]。本研究中高強度地膜覆蓋的棉花出苗率、真葉長出率、株高、開花數(shù)、花蕾數(shù)、株鈴數(shù)及產(chǎn)量明顯高于傳統(tǒng)地膜，可歸因于高強度地膜具有良好的增溫保墑性能。不同地膜處理的棉花土壤溫度變化特征及不同地膜透濕量的結(jié)果佐證了這一結(jié)論。地膜覆蓋能夠通過提高作物播種時土壤貯水量和土壤溫度來提高作物產(chǎn)量[13，16]，也進一步證實了本研究結(jié)果。

2.3 不同種類地膜的回收率

新疆生產(chǎn)建設兵團采用將地膜回收與冬灌壓鹽工作相結(jié)合的方式督促農(nóng)民在采摘棉花后回收地膜，這極大推進了新疆棉田地膜回收工作。目前新疆棉田地膜回收方式主要有兩種：一是機械回收為主，人工回收為輔；二是人工回收。地膜回收率及回收難易程度受到多種因素影響：一是棉花收獲后的地膜強度，強度越高，越容易被回收；二是地膜回收機的特點和性能；三是回收作業(yè)面，如果土壤過干、采棉機作業(yè)時對棉花地壓實比較嚴重，地膜回收更加困難；四是邊行壓土和窄行之間的地膜現(xiàn)階段幾乎無法實現(xiàn)回收[6，18]。

研究采用耙式回收方式，應用棉花秸稈粉碎與地膜回收一體化機械分別對PE和GQ1覆蓋棉花地開展了殘膜回收試驗。在機械回收結(jié)束后，選擇3～5 個樣方（幅寬2.05 m，長度1 m）進行人工撿拾殘留地膜。收集樣方中所有的殘膜，包括壓在土壤中的當年膜，裝入采樣袋帶回實驗室。在實驗室內(nèi)將采集的樣品進行雜質(zhì)分離、清洗，然后測定并計算地膜殘留率。結(jié)果顯示，高強度地膜GQ1 回收率高達83.1%，較傳統(tǒng)PE地膜高出6.4個百分點，更有利于地膜的機械回收（圖5）。

圖5 新疆石河子高強度地膜與傳統(tǒng)地膜的機械回收率Figure 5 Mechanical recovery of high strength film and conventional film in Shihezi，Xinjiang

此外，耙式回收地膜與秸稈粉碎還田是一種應用較廣的作業(yè)模式，作業(yè)效率較高，且能同時粉碎棉花秸稈，完成秸稈還田。但若地膜強度過低，則回收率不高，尤其在壓土和窄行棉花上地膜基本無法回收，而且回收地膜的含雜率極高（＞90%），只能全部堆在田頭，基本不能進行再生利用[19]。人工回收地膜是南疆一種重要的作業(yè)方式，回收地膜前需沿棉花種植行對地膜進行切割，然后再人工撿拾回收。但在地膜強度比較低的情況下，回收作業(yè)率會大幅度下降，影響農(nóng)民進行人工回收作業(yè)的積極性[20]。從長遠發(fā)展來看，高強度地膜因便于農(nóng)田殘膜機械或人工回收，能夠減少農(nóng)田土壤地膜殘留量的累積，有利于作物生長，因而，高強度地膜的使用是解決殘膜回收難問題的一種有效途徑。

2.4 不同地膜覆蓋棉花綜合效益分析

本研究通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新疆阿拉爾市使用傳統(tǒng)PE 地膜和高強度地膜種植的棉花每公頃棉田投入分別為36 195元和37 095元（表7）。其中：農(nóng)資投入（肥料、滴灌系統(tǒng)、地膜、種子、農(nóng)藥、水電）分別為13 020元和13 920 元，占總投入的35.9%和37.5%；租∕整地和人工費用相同，均為15 900 元，分別占總投入的43.9%和42.9%；棉花采收運輸與地膜回收費用相同，分別占7.7%和7.5%，地膜回收費用占比較低，約為1.6%，其他投入超過10%。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高強度地膜人工回收作業(yè)效率比較高，正常情況下，一位農(nóng)民一天可以回收0.53 hm2棉田，回收率超過90%，每公頃回收作業(yè)按照600 元計算，每人每日作業(yè)費約320 元。而傳統(tǒng)地膜由于強度較低，回收作業(yè)率大幅降低，每人每日回收0.33～0.40 hm2棉田，回收成本相對較高?，F(xiàn)階段每公頃棉田高強度地膜回收費用與傳統(tǒng)地膜相同，為600元。相較于傳統(tǒng)PE地膜，高強度地膜應用提高了棉花種植的經(jīng)濟效益（表8），不同高強度地膜覆蓋條件下，每公頃棉花的利潤為17 910.0～18 774.0元，增幅為4.5%～9.5%。綜合來看，高強度地膜，尤其是GQ4較傳統(tǒng)PE地膜的經(jīng)濟效益更高，具有良好的推廣應用價值。

表7 新疆阿拉爾不同地膜棉花種植直接投入統(tǒng)計（元·hm-2）Table 7 Direct input for cotton planting with different plastic mulch film in Alar，Xinjiang（yuan·hm-2）

表8 新疆阿拉爾高強度地膜棉花種植效益分析Table 8 Benefit analysis of cotton with high-strength plastic film mulching in Alar，Xinjiang

3 結(jié)論

（1）整體上，4 種高強度地膜在使用前后的拉伸負荷和斷裂標稱應變指數(shù)均高于傳統(tǒng)PE 地膜，使用180 d 后仍具有較高的拉伸負荷，大大提高了地膜的可回收性，有利于地膜的回收作業(yè)。

（2）從4 月2 日播種到6 月中旬，高強度地膜的增溫效果始終優(yōu)于傳統(tǒng)PE 地膜，平均地溫較傳統(tǒng)PE 地膜高1.0 ℃，較裸地高3.7 ℃；高強度地膜的透濕量較傳統(tǒng)PE 地膜顯著降低23.2%～54.2%，保水性能較好。高強度地膜具有明顯的增溫保墑作用。

（3）高強度地膜覆蓋有利于棉花萌芽和真葉生長，提高棉花產(chǎn)量，在苗期（14 d 和30 d）及播種90 d后高強度地膜覆蓋對棉花的促生效果均優(yōu)于傳統(tǒng)PE地膜。

（4）在新疆棉花種植模式下，高強度地膜的應用更有利于提高地膜的回收率，相較于傳統(tǒng)PE 地膜，其回收率高且含雜率低，具有較高的可再利用價值。

（5）與傳統(tǒng)PE 地膜相比，高強度地膜覆蓋在一定程度上提高了棉花的生產(chǎn)利潤，具有較高的綜合效益。