可降解地膜覆蓋對膜下滴灌棉田土壤水分和溫度及棉花產(chǎn)量的影響

高宗昌,郭沂林

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

塑料地膜已在全世界半干旱地區(qū)的大田作物生產(chǎn)中應(yīng)用了數(shù)十年[1],在中國應(yīng)用更長達(dá)44年。與滴灌技術(shù)相結(jié)合,覆膜棉花增產(chǎn)效果在我國西北棉區(qū)、黃河流域棉區(qū)、長江流域棉區(qū)顯著[2]。我國農(nóng)用地膜常年占世界總使用量的60%～80%,近十年來,全國農(nóng)用塑料地膜用量一直保持在120萬t以上,而新疆是塑料地膜用量最大的省份[3]。2021年新疆塑料地膜使用量達(dá)到23.8萬t,地膜覆蓋面積達(dá)到355.3萬hm2,其中70.4%為覆膜滴灌棉花(GossypiumhirsutumL.),2021年新疆棉花總產(chǎn)量為512.9萬t,占中國棉花總產(chǎn)量的89.5%。

大多數(shù)塑料地膜材質(zhì)為聚乙烯,降解時間長達(dá)200年,土壤中的地膜殘留問題已經(jīng)引起廣泛關(guān)注;此外,殘膜破壞土壤結(jié)構(gòu),影響土壤通氣性和滲透性,阻礙作物根系的生長發(fā)育、吸收水分和養(yǎng)分,最終降低了作物產(chǎn)量[4]。塑料地膜殘留造成的負(fù)面影響可以通過使用生物可降解地膜來緩解。韓冬梅等[5]研究認(rèn)為,降解地膜覆蓋可以提高棉田土壤水分和地溫,顯著促進(jìn)滴灌棉花前期生長;丁宏偉[6]等研究表明生物可降解地膜棉花增產(chǎn)效應(yīng)與塑料地膜相似。因此,為了新疆棉業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展,用生物可降解地膜替代塑料地膜是一種可靠選擇。

哈密地區(qū)降雨稀少且光熱資源豐富,棉花是當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)作物之一。生物可降解地膜覆蓋可以有效解決棉田殘膜污染現(xiàn)狀,但其在極端干旱區(qū)的降解特性和對棉花生長及產(chǎn)量的影響尚不明晰。夏文等[7]研究表明在半干旱地區(qū)生物降解地膜覆蓋較塑料地膜覆蓋處理棉花籽棉產(chǎn)量差異并不顯著,另外,趙嘉濤等[8]研究表明降解地膜覆蓋和塑料地膜覆蓋的棉花出苗率在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上無差異。為探索不同生物降解地膜在極端干旱區(qū)的適用性,本文研究分析應(yīng)用了4種不同類型可降解地膜,并以普通塑料地膜覆蓋作對照,在哈密地區(qū)棉田開展大田小區(qū)試驗(yàn),探尋可降解地膜降解特性對土壤水分、溫度,棉花出苗和產(chǎn)量的影響機(jī)制,為極端干旱區(qū)棉花種植業(yè)綠色發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)開展時間為2019—2020年的4—10月。試驗(yàn)地點(diǎn)為新疆第十三師哈密墾區(qū)灌溉試驗(yàn)站(42°41′49″N,93°37′21″E)。試驗(yàn)區(qū)氣候類型為溫帶大陸性氣候,年均氣溫9.8 ℃、降雨量為33.8 mm、潛在蒸發(fā)量為3 300 mm、日照時間為3 358 h。土壤類型為砂壤土,試驗(yàn)地詳細(xì)土壤理化性質(zhì)見表1。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深在10 m以下,礦化度為1.76 g/L。

表1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4種不同類型的降解膜覆蓋處理和1個普通塑料地膜處理為對照組。供試降解膜分別采用山東省天壯環(huán)保有限公司生產(chǎn)的黑色氧化-生物雙降解膜(BM1)、白色氧化-生物雙降解膜(BM2),廣州金發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)的黑色全生物降解膜(BM3)、白色全生物降解膜(BM4)。其中BM1和BM3的誘導(dǎo)期為100 d,BM2和BM4的誘導(dǎo)期為80 d,膜厚0.010 mm,寬1.2 m;新疆天業(yè)生產(chǎn)的普通聚乙烯塑料地膜(PE),膜厚0.008 mm,寬1.2 m。供試棉花品種為新隆T6,供試滴灌帶為單翼迷宮式滴灌帶,滴頭間距30 cm,滴頭流量2.6 L/h;小區(qū)面積為100 m2(20 m×5 m),完全隨機(jī)組合設(shè)計(jì),每個處理重復(fù)3次,共15個小區(qū)。種植模式為1膜2管4行,種植密度為18萬株/hm2(圖1)。

圖1 2019—2020年試驗(yàn)區(qū)棉花種植模式

灌溉用水采取深層地下水,2年試驗(yàn)均灌水13次(含出苗水),灌溉定額為660 mm,進(jìn)水口處安裝水表與球閥用來控制灌水。施肥配比采用N∶P2O5∶K2O為2∶1∶2,施肥總量750 kg/hm2;種植方法采用干播濕出,農(nóng)藝措施與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐一致。

1.3 數(shù)據(jù)的測定與處理

1.3.1 地膜降解特性及面積損失與質(zhì)量損失率

地膜降解性能研究在露天(覆蓋在土壤表層)條件下進(jìn)行,通過目測法來評價地膜降解階段、通過測算地膜面積損失率與質(zhì)量損失率來評價地膜降解強(qiáng)度。

每個處理中隨機(jī)選出3個1 m×0.9 m的區(qū)域作為降解性能觀測點(diǎn),覆膜后每隔10 d觀測記錄一次地膜降解情況,并參照唐薇等[9]將地膜降解過程分為誘導(dǎo)期、開裂期、破裂期、崩解期、殘存期及無膜期等6個降解階段,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)裂紋到出現(xiàn)多處(2至4處/m2)小于等于2 cm自然裂縫或孔洞(直徑)的階段,破裂期為地膜出現(xiàn)大于2 cm而小于20 cm自然裂縫或孔洞(直徑)的階段,崩解期為地膜出現(xiàn)不小于20 cm自然裂縫的階段,殘存期為地表殘膜面積均不大于16 cm2的階段,無膜期為地表看不到地膜殘片的階段。

覆膜前取2份降解膜與普通塑料地膜各3個1 m×1.2 m膜段,稱重后覆蓋于滴灌棉田,用土覆蓋邊緣,做好標(biāo)記,每隔10 d取出該地膜,洗凈、晾干、方格紙測地膜消失面積(后期降解程度較高時用方格紙測地膜殘留面積)、稱重、記錄每次地膜質(zhì)量,并參考戰(zhàn)勇等[10]提出的方法計(jì)算露天條件下地膜面積損失率與地膜質(zhì)量損失率。

1.3.2 土壤溫度觀測

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(jì)對5、10、15、20、25 cm深度的土壤溫度進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,每隔2 h監(jiān)測1次,以該5 d平均地溫作為該生育期地溫。

1.3.3 棉花出苗率和產(chǎn)量測定

棉花播種7 d后,記錄各處理出苗情況,各處理選取3塊6 m2樣方,用出苗數(shù)除以播種數(shù)即得棉花出苗率。于棉花采摘期采用小區(qū)全采摘測產(chǎn)方式,并計(jì)算棉花標(biāo)準(zhǔn)籽棉產(chǎn)量。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

使用WPS Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用新復(fù)極差Duncan’s法進(jìn)行多重比較,Origin Pro 2022教育版完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜降解特性及地膜面積損失率與質(zhì)量損失率

2.1.1 地膜降解特性

2年內(nèi)地膜隨生育期推進(jìn)降解階段觀測結(jié)果(圖2)顯示:普通塑料地膜(PE)在生育期內(nèi)未出現(xiàn)明顯降解,各降解膜覆蓋處理均出現(xiàn)不同程度降解。其中:BM2處理降解效果最好,覆膜80 d即出現(xiàn)裂紋,較其他降解膜處理提前10～20 d進(jìn)入開裂期,且隨時間裂紋逐漸變大,110 d出現(xiàn)多處(2～4處/m2)>2 cm且≤20 cm的裂縫,150 d出現(xiàn)>20 cm的自然裂縫,180 d地膜出現(xiàn)碎裂,最大殘膜面積≤16 cm2。BM4前期降解速度相對較慢,覆膜90 d時才開始出現(xiàn)裂紋,120 d時出現(xiàn)多處(2～4 處/m2)>2 cm且≤20 cm的裂縫,但150 d后與BM2降解情況基本同步。BM1與BM3降解速度相對緩慢,BM1在90 d開始出現(xiàn)裂紋,較BM3提前10 d進(jìn)入開裂期;130 d后BM1和BM3降解情況基本同步,130 d時地膜均出現(xiàn)>2 cm的自然裂縫或孔洞,160 d出現(xiàn)≤20 cm的自然裂縫,BM1與BM3在生育期末膜面相對完整均未出現(xiàn)大面積碎裂。各地膜處理降解速率排名為BM2>BM4>BM1>BM3>PE。

圖2 地膜隨生育期推進(jìn)降解情況

2.1.2 地膜面積損失率與質(zhì)量損失率

圖3為2年內(nèi)地膜面積損失率與質(zhì)量損失率隨覆膜后天數(shù)的變化情況。從圖3可以看出:PE處理的面積損失率與質(zhì)量損失率基本沒有變化,而各種降解膜均表現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢。面積損失率在覆膜后150 d明顯增高,質(zhì)量損失率在覆膜后60 d明顯增高;2年內(nèi)面積損失率增高時間晚于質(zhì)量損失率,且生育期末面積損失率均低于質(zhì)量損失率。BM2處理降解膜降解性能最好,BM4降解膜次之,BM1和BM3降解最慢。BM2處理在2019年覆膜后180 d面積損失率和質(zhì)量損失率分別為66.48%和80.87%,2020年分別為68.36%和82.46%;BM4在2019年面積損失率和質(zhì)量損失率分別為46.85%和58.77%,2020年分別為45.88%和58.37%,降解相對較優(yōu)。

圖3 地膜面積與質(zhì)量損失率隨覆膜后天數(shù)的變化情況

2.2 不同覆膜類型對生育期內(nèi)土壤水分和溫度的影響

2019年和2020年不同覆蓋處理下棉田土壤質(zhì)量含水率隨棉花生育期的變化情況(圖4)顯示:2年內(nèi)0～100 cm土層土壤平均質(zhì)量含水率隨棉花生育期均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,在花期和鈴期達(dá)到最大。苗期與蕾期降解地膜處理0～100 cm土層土壤平均質(zhì)量含水率略低于普通塑料地膜PE,但差異不顯著,2019年苗期BM1、BM2、BM3、BM4處理含水率分別比PE低2.20%、0.90%、4.36%、5.17%,2020年分別低9.70%、1.22%、3.38%、3.46%;后期降解膜出現(xiàn)較大程度降解,PE處理的0～100 cm土層土壤平均質(zhì)量含水率在2019年比BM1、BM2、BM3、BM4分別高7.07%、8.50%、6.90%、15.16%(P<0.05),2020年分別高11.52%、18.14%、8.97%、17.18%(P<0.05)。

圖4 棉田平均土壤質(zhì)量含水率隨棉花生育期的變化

2019、2020年棉田土壤溫度隨棉花生育期的變化情況(圖5)顯示:棉田土壤平均溫度隨生育期均先升后降,PE處理土壤平均溫度始終最高。在2019年和2020年,降解膜覆蓋處理土壤溫度較PE溫差均呈先增后減的趨勢,且均在花期達(dá)到最大值,2019年BM1、BM2、BM3、BM4處理土壤平均溫度在花期較PE分別降低3.7、3.0、2.3、3.2 ℃;2020年BM1、BM2、BM3、BM4處理土壤平均溫度在花期較PE分別降低3.8、2.5、2.6、2.3 ℃。各覆膜處理全生育期土壤平均溫度均在PE處理取得最大,2年內(nèi)分別為29.3 ℃和28.6 ℃;2019年BM1、BM2、BM3、BM4處理全生育期土壤平均溫度較PE分別降低1.9、1.6、1.5、1.7 ℃,2020年分別降低2.0、1.6、1.6、1.8 ℃。不同覆膜處理全生育期土壤平均溫度無顯著差異(P>0.05)。

圖5 棉田平均土壤溫度隨棉花生育期的變化

2.3 不同覆膜處理對棉花出苗及產(chǎn)量的影響

出苗時間和出苗率是棉花穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要前提。2019、2020年不同覆膜處理下棉花出苗時間及出苗率變化情況(表2)顯示:不同地膜覆蓋處理棉花出苗需要5～7 d,2019年各處理棉花出苗比2020年遲1～2 d。BM2、BM4及PE處理出苗比BM1和BM3早1～2 d。2019年P(guān)E處理棉花出苗率比BM1、BM3、BM4處理分別高出19.17%、18.18%、11.72%(P<0.05),2020年分別高出18.86%、18.85%、11.54%(P<0.05)。PE處理棉花出苗率最高,分別為91.67%和92.95%,BM2處理次之;PE、BM2處理和BM1、BM3及BM4處理間差異顯著(P<0.05),BM4與BM1及BM3處理間差異顯著(P<0.05);降解膜覆蓋處理中BM2出苗率最高,2年分別為90.38%和91.67%,僅次于PE處理。

表2 2019—2020年不同地膜覆蓋下棉花的出苗時間和出苗率

棉花的生長是穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的前提條件,而產(chǎn)量則是棉農(nóng)增收的關(guān)鍵,也是降解膜能否推廣應(yīng)用最關(guān)鍵的因素。圖6是2年不同類型覆膜處理對籽棉產(chǎn)量的影響,從圖6可以看出:2年內(nèi)BM2處理的籽棉產(chǎn)量最高,2019年為7 765 kg/hm2,較BM1、BM3、BM4處理分別提高8.45%、6.78%、3.23%;2020年為7 901 kg/hm2,較BM1、BM3、BM4處理分別提高12.41%、8.41%、3.59%。BM1處理產(chǎn)量最低,年產(chǎn)量分別為7 160、7 029 kg/hm2;BM2與PE處理產(chǎn)量均無顯著差異(P>0.05),但顯著高于BM1與BM3(P<0.05)。

3 討論

(1)生物可降解膜的降解特性會影響土壤水溫環(huán)境,進(jìn)而影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量構(gòu)成。申麗霞等[11]試驗(yàn)表明,光生物雙降解地膜在玉米大田覆膜后40 d開始出現(xiàn)裂紋,90 d再無大塊地膜存在。本研究發(fā)現(xiàn),哈密地區(qū)棉田PBAT材質(zhì)的生物可降解膜降解速率較慢,白色氧化-生物雙降解膜處理(BM2)降解速率最快,在覆膜后80 d開始出現(xiàn)裂紋,其余降解膜處理90 d后才開始降解。這主要是棉花的生育期較長,因此選擇了誘導(dǎo)期較長的降解膜,以防過早降解對棉花根區(qū)水鹽環(huán)境造成負(fù)面效應(yīng)[12]。本研究還發(fā)現(xiàn),2年試驗(yàn)中白色氧化生物雙降解膜在覆膜后180 d面積損失率和質(zhì)量損失率分別超過65%和80%,具有較佳的降解效果。這可能是因?yàn)楣艿貐^(qū)劇烈的太陽輻射和較大的晝夜溫差,使得降解膜氧化特性展現(xiàn)更好。

(2)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,這主要是由于生長前期,降解地膜機(jī)械強(qiáng)度較好,未發(fā)生降解,棉花生長速度較緩,而且降解膜成分較為復(fù)雜、對光熱削弱較大,所以降解膜覆蓋處理土壤溫度較普通塑料地膜低。在棉花生長中后期,由降解階段和降解特性可知(圖3、4),雖然降解地膜在覆膜后80 d面積損失才開始出現(xiàn),但質(zhì)量損失在40～50 d時便開始迅速提升,從而導(dǎo)致降解膜覆蓋處理在花鈴期較普通塑料地膜覆蓋處理地溫相差較多[13]。在吐絮期,降解膜降解速率進(jìn)一步提升,但空氣溫度顯著降低,棉花葉片衰老,此時覆膜增溫作用下降,因此降解膜與普通塑料地膜的保溫性能差異較小。

(3)許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),降解地膜覆蓋作物出苗率和普通塑料地膜覆蓋無顯著差異[14-15]。但本研究發(fā)現(xiàn),黑色氧化-生物雙降解膜(BM1)和黑色全生物降解膜(BM3)覆蓋處理的出苗率在兩年里均低于白色降解膜處理和普通塑料地膜處理,這可能是因?yàn)樵跇O端干旱區(qū),黑色地膜增大了熱量的土壤表聚,從而抑制了棉花種子的萌發(fā)[16]。棉花產(chǎn)量和出苗率的規(guī)律基本一致,均表現(xiàn)黑色降解膜處理產(chǎn)量低于白色降解膜處理,BM2處理的產(chǎn)量略高于PE,這可能是因?yàn)樵诿藁ㄉL中后期,降解膜的裂解提高了大氣-土壤-根系的物質(zhì)交換速率,從而使得降解膜覆蓋處理棉花產(chǎn)量達(dá)到略低甚至超過普通地膜覆蓋的效果。

整體而言,可降解地膜在棉花生長前期(苗期、蕾期)降解速率較慢,能有效發(fā)揮地膜覆蓋增溫保墑作用,出苗情況良好。在棉花生殖階段(花鈴期、吐絮期),降解地膜的降解提高了棉花根系和大氣的通量交換,保證了棉花果實(shí)的發(fā)育,而過高的太陽輻射量導(dǎo)致黑色降解地膜的覆蓋效果低于白色地膜,造成了顯著減產(chǎn),這具有鮮明的區(qū)域特色。

4 結(jié)論

(1)普通塑料地膜在2年內(nèi)試驗(yàn)中幾乎不產(chǎn)生降解,白色氧化-生物雙降解地膜(BM2)的降解性能最好,在覆蓋180 d后其面積損失率和質(zhì)量損失率平均可達(dá)67.42%和81.67%,白色全生物降解膜降解性能次之(BM4),黑色降解地膜無論是氧化-生物雙降解地膜(BM1)還是全生物降解膜(BM3)降解速率均低于白色降解地膜。

(2)降解地膜覆蓋保水作用在棉花生長前期(苗期、蕾期)與普通地膜覆蓋處理(PE)類似,在花期、鈴期、吐絮期差異較大。PE處理在生育期內(nèi)平均溫度略高于降解膜覆蓋處理,但各處理間差異不顯著(P>0.05)。2年中出苗率均表現(xiàn)為PE處理最優(yōu),BM2和BM4處理與其差異不顯著。BM2處理產(chǎn)量取得2年試驗(yàn)最大值,與PE處理間無顯著差異。

(3)綜合降解膜降解性能、保溫效果、棉花出苗及產(chǎn)量,白色氧化-生物雙降解地膜(BM2)可作為極端干旱區(qū)滴灌棉花普通塑料地膜的替代產(chǎn)品。