可降解地膜在黃瓜生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

王靜波吳思穎施林林鄧金花高翠霞祖若川

(1.蘇州高新區(qū)(虎丘區(qū))農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，江蘇 蘇州 215163；2.蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江蘇 蘇州 215155；3.蘇州市相城區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)綜合服務(wù)中心，江蘇 蘇州 215000)

前言

農(nóng)用地膜具有保溫、保濕和抑草等功能[1]，在蔬菜生產(chǎn)中大量使用。中國是全球最大的農(nóng)膜使用國，據(jù)估計，我國年均農(nóng)用塑料薄膜使用量1.4百萬t[2]。傳統(tǒng)地膜常采用聚乙烯(PE)塑料作為地膜的主要原料，由于PE材料極其難以降解，在土壤中可存在200～400年[3]。有研究表明，我國農(nóng)田中每年農(nóng)膜殘留量大約達(dá)到18.6%[4]?；厥盏啬な且环N減少殘留的方法，但人工拾取殘膜耗時費力，即使采用機械回收，也存在回收不徹底等問題[5，6]。大量農(nóng)膜殘留在農(nóng)田，對土壤和周圍環(huán)境均造成了嚴(yán)重污染，不僅影響田間機械化耕作，而且會破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響作物水肥吸收，阻礙根系生長，導(dǎo)致作物減產(chǎn)[7]。同時，現(xiàn)有研究表明，地膜殘留極易導(dǎo)致土壤微塑料生成，嚴(yán)重危害土壤微生態(tài)、作物生長和人體健康[8]。因此，推動可降解農(nóng)膜替代傳統(tǒng)地膜的應(yīng)用具有重要意義。

本研究通過田間試驗應(yīng)用并比較不同可降解地膜與傳統(tǒng)地膜對土壤生境、黃瓜生長、產(chǎn)量及土壤理化等的影響，提出適宜本區(qū)域黃瓜生產(chǎn)的可降解地膜產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 研究概況

田間試驗于2022年4—9月在江蘇省蘇州市高新區(qū)福家農(nóng)莊有限公司基地進(jìn)行，基地地處屬于北亞熱帶南部濕潤氣候區(qū)，日照充足，四季分明，常年平均溫度17.5°C，常年降雨量1100mm，常年日照時數(shù)2100h。種植土壤pH為7.32，有機質(zhì)含量為27.24g·kg-1，全氮含量為0.19%，堿解氮含量為435.40mg·kg-1，全磷含量為1.29g·kg-1，有效磷含量為48.86mg·kg-1，全鉀含量為22.5g·kg-1，速效鉀含量為1317.8mg·kg-1。

1.2 試驗材料

地膜分別選用目前市場中常見的聚乙烯(PE)地膜和可降解地膜，包括聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚乳酸(PLA)，規(guī)格與參數(shù)詳見表1。種植作物選用黃瓜，品種為“南水2號”，種子購于南京裕盛種子有限公司。生物有機肥總養(yǎng)分≥8%(N∶P2O5∶K2O=4.54%∶2.13%∶1.2%)，復(fù)合肥為45%三元復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)。

表1 不同處理農(nóng)膜規(guī)格與材質(zhì)

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，處理包括常規(guī)PE地膜、PBAT地膜、PBS地膜和PLA地膜。每個處理小區(qū)面積為20m2，每個處理重復(fù)3次。

黃瓜育苗后于3月14日覆膜并在設(shè)施大棚內(nèi)定植。有機肥和復(fù)合肥在定植前一次性施入，且不同處理間均保持一致，施肥量為施用有機肥500kg·667m-2，復(fù)合肥4kg·667m-2。灌溉采用滴灌方式。在試驗周期內(nèi)(3—9月)定期監(jiān)測地膜降解情況并進(jìn)行記錄，監(jiān)測土壤溫濕度和EC值(0～20cm)，并在收獲期測定黃瓜莖粗、株高、產(chǎn)量和土壤理化性狀。用直尺測量子葉節(jié)到主莖頂端(即生長點)的距離為株高，用游標(biāo)卡尺測定植株莖粗。土壤理化指標(biāo)參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析》[9]。

2 統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)收集采用Excel 2010，統(tǒng)計分析繪圖分別采用Minitab 19和SigmaPlot 14.0。處理間差異比較采用單因素方差分析，在獲得顯著性后采用Tukey法進(jìn)行多重比較，顯著性水平取0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同地膜降解情況

本研究中誘導(dǎo)期，從覆膜到壟(畦)面地膜出現(xiàn)多處(每延長1m有3處以上)≤2cm自然裂縫或孔洞(直徑)的時間(天數(shù))；開裂期指出現(xiàn)≥2cm且<20cm自然裂縫或孔洞(直徑)的時間(天數(shù))；大裂期指出現(xiàn)≥20cm自然裂縫或孔洞(直徑)的時間(天數(shù))。PE處理在實驗周期內(nèi)均無任何降解跡象；PBAT和PBS處理誘導(dǎo)期和開裂期降解時間相同，均為80d和122d，且PBAT處理大裂期出現(xiàn)時間為169d；PLA處理誘導(dǎo)期和開裂期降解時間長于PBAT和PBS處理，且觀察周期內(nèi)未出現(xiàn)大裂期，見表2。

表2 不同處理間生物降解膜降解天數(shù)

3.2 不同地膜覆蓋土壤溫度

覆膜處理可有效提高土壤溫度，本研究中土壤溫度總體伴隨種植時間的延長而提高，這也與環(huán)境溫度緊密相關(guān)，且在整個生育周期內(nèi)4種覆膜處理土壤溫度無顯著差異。值得注意的是，5月20日后，PE處理土壤溫度顯著高于其余處理，但PBAT、PBS和PLA 3個可降解地膜處理間無顯著差異，見圖1。

注：星號表示在0.05水平上處理間有顯著差異。

3.3 不同地膜覆蓋土壤水分

土壤覆膜具有保濕效果，本研究中土壤水分變異較大，平均變幅在20.2%～68.8%。4月8日—5月20日間不同處理土壤水分無顯著差異，在6月2日，PE處理土壤水分顯著高于可降解地膜處理，其中PE處理土壤含水率達(dá)68.8%，可降解地膜處理土壤含水率平均為53.54%。6月27日和7月14日，PE處理土壤含水率也略高于可降解地膜處理，PE處理土壤含水率平均為33.6%，可降解地膜處理土壤含水率平均為32.1%，見圖2。

注：星號表示在0.05水平上處理間含水率有顯著差異。

3.4 不同地膜覆蓋土壤EC的變化

隨著種植時間的延長，土壤EC值整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中6月2日達(dá)到高峰期，土壤EC值變化范圍在775.2～2368.0μS·cm-1。處理間土壤EC值含量并無顯著差異，但6月2日—7月14日PE處理EC值含量略高于可降解地膜處理，PE處理土壤EC值平均為1636.9μS·cm-1，可降解地膜處理土壤EC值平均為1338.6μS·cm-1，見圖3。

圖3 不同處理下土壤表面EC的變化

3.5 不同地膜覆蓋黃瓜生長

不同覆膜條件下，黃瓜整體莖粗在不同處理下有顯著差異，多重比較表明PBAT、PBS和PLA處理黃瓜莖粗均顯著高于PE處理，見圖4a，其中PBAT、PBS和PLA處理黃瓜莖稈粗度比PE處理分別增加8.3%、5.2%和4.4%。黃瓜植株高度在不同覆膜處理下無顯著差異，見圖4b，但PBAT、PBS和PLA處理黃瓜莖稈高度比PE處理仍分別增加1.9%、1.1%和0.6%。

3.6 不同地膜覆蓋黃瓜產(chǎn)量

不同覆膜處理下黃瓜產(chǎn)量并無顯著差異，見圖5，其中PBAT處理黃瓜產(chǎn)量最高，達(dá)2197.7kg·667m-2，PE處理黃瓜產(chǎn)量為2045.9kg·667m-2，PBAT處理黃瓜產(chǎn)量較PE處理產(chǎn)量平均提高7.4%。PBS和PLA處理黃瓜產(chǎn)量分別為2096.4kg·667m-2和2096.8kg·667m-2，與PE處理相比產(chǎn)量平均降低2.3%和2.4%。

圖5 不同處理下對黃瓜產(chǎn)量

3.7 不同地膜覆蓋田土壤理化性質(zhì)

不同覆膜種植條件下土壤養(yǎng)分均無顯著影響(p>0.05)，但可降解膜處理(PBAT、PBS和PLA)條件下土壤全氮、堿解氮、全磷和有效磷均有一定的增加趨勢，而土壤pH和有機質(zhì)含量有降低趨勢，見表3。

表3 不同處理土壤理化性質(zhì)

4 討論

本研究結(jié)果表明，PBAT地膜在土壤中降解效果最好。PBAT作為石油基生物可降解塑料的代表，具有較好的延展性、斷裂伸長率，且在黃瓜生長周期內(nèi)能達(dá)大裂期，為后續(xù)完全降解奠定了基礎(chǔ)。而PBS和PLA材料在黃瓜生長期內(nèi)僅達(dá)開裂期，降解速度較慢，可能影響后續(xù)作物定植和栽種。周天美等在豇豆的研究中也發(fā)現(xiàn)，采用PBAT為基礎(chǔ)的可降解地膜降解速度快，在蔬菜生產(chǎn)中效果較好[10]。

可降解地膜處理土壤溫度在前期(4月8—28日)與常規(guī)地膜一致，但后期土壤溫度顯著低于常規(guī)地膜處理。這與可降解地膜開始降解有關(guān)，地膜出現(xiàn)裂紋后，膜下空氣與外界空氣交流增加，土壤溫度呈現(xiàn)降低趨勢。6月2日以后PE處理土壤水分含量高于可降解地膜處理，主要原因是本研究中采用滴灌方式，PE地膜無降解導(dǎo)致保水性能優(yōu)于可降解地膜，因此土壤水分略高于可降解地膜處理。土壤EC值含量與土壤含水率相關(guān)[11]，土壤含水率增加后常產(chǎn)生泛鹽現(xiàn)象[12]，本研究中可降解地膜在6月2日以后明顯降解，土壤高含水率促進(jìn)了土壤EC提升。

植物養(yǎng)分和光合物質(zhì)轉(zhuǎn)運主要通過韌皮部和木質(zhì)部[13]，植物莖稈較粗表明其運輸能力較強，植物株高較高反映其營養(yǎng)器官較好。因此，黃瓜莖粗與株高數(shù)據(jù)支持了可降解地膜條件下黃瓜產(chǎn)量優(yōu)于PE地膜處理的這一結(jié)果。陳琦和王東升等的研究結(jié)果也表明，黃瓜株高、莖粗與其產(chǎn)量正相關(guān)[14，15]。同時，土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)表明在可降解地膜處理下，有機質(zhì)加速礦化，同時土壤氮磷等養(yǎng)分含量增加，上述結(jié)果也支持了在可降解地膜條件下黃瓜對礦質(zhì)養(yǎng)分吸收能力增加。

5 結(jié)論

總體而言，采用可降解地膜處理后黃瓜產(chǎn)量較傳統(tǒng)地膜提升2.3%～7.4%，其機制在于可降解地膜處理通過地膜的生物降解正向調(diào)控土壤溫濕度和EC值，促進(jìn)了黃瓜生長和養(yǎng)分吸收。PBAT地膜較PBS和PLA地膜具有更快的生物降解效率，值得進(jìn)一步推廣。