高強(qiáng)度地膜在農(nóng)業(yè)面源污染防控的減量增效作用探析

曹艷春

(廣東星聯(lián)科技農(nóng)膜有限公司，廣東 佛山 528251)

地膜覆蓋使作物產(chǎn)量提高30%以上，用水效率提高30%左右，在保障我國(guó)糧食安全和促進(jìn)農(nóng)民收入增長(zhǎng)方面發(fā)揮著不可替代的作用。同時(shí)，由于地膜本身的強(qiáng)度和耐老化性較差，作物收割后的機(jī)械強(qiáng)度較差，地膜破損嚴(yán)重，可回收性較差，造成嚴(yán)重污染[2]。因此，提高地膜的性能并提高其可回收性是預(yù)防和控制地膜殘余污染的重要措施。為測(cè)試高強(qiáng)度地膜使用的有效性，試圖通過(guò)試驗(yàn)分析解決問(wèn)題：通過(guò)高強(qiáng)度地膜在新疆棉花生產(chǎn)中的應(yīng)用效果，闡明高強(qiáng)度地膜在防控地膜白色污染方面的可行性；在高強(qiáng)度地膜覆蓋條件下，不同播期對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響，以及生產(chǎn)過(guò)程中強(qiáng)度的變化，將進(jìn)一步優(yōu)化新疆高強(qiáng)度地膜的規(guī)模化應(yīng)用模式；從地膜殘留污染的角度，研究高強(qiáng)度地膜的使用后地膜回收試驗(yàn)，探索新疆棉花覆膜種植可以機(jī)械或人工回收的地膜強(qiáng)度閾值。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和處理

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和棉花品種

1.1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

選取新疆喀什Y縣5鄉(xiāng)14村和1鄉(xiāng)作為試驗(yàn)點(diǎn)。Y縣位于新疆西南部，喀什地區(qū)東部、塔克拉瑪干沙漠西南邊緣，屬于葉爾羌河和提孜那甫河沖積平原，典型的干旱大陸性氣候，是我國(guó)重要的優(yōu)質(zhì)棉產(chǎn)區(qū)。

1.1.2 試驗(yàn)用棉花品種

棉花品種“新陸中66”。

1.2 試驗(yàn)地膜產(chǎn)品

試驗(yàn)地膜產(chǎn)品為2021年新研制的高強(qiáng)度地膜產(chǎn)品GBT101，以及1種傳統(tǒng)地膜(CK)，具體信息如表1所示。

表1 2021年Y縣高強(qiáng)度地膜產(chǎn)品信息

1.3 設(shè)計(jì)和田間管理

1.3.1 田間水肥管理

1.3.1.1 基肥

春季棉田整地時(shí)，一次性施用二胺35kg·667m-2、尿素9.1kg·667m-2、鉀肥15.3kg·667m-2。

1.3.1.2 追肥和滴灌

整個(gè)生長(zhǎng)期采用地膜下滴灌提供水分。共進(jìn)行8次滴水，每次滴水的范圍為30～50m3·667m-2。供水于9月初停止；二胺作為基肥在犁地前一次性施用，遵循輕、中、輕施肥的原則。分別施用尿素和沖洗施肥，用量26.5kg·667m-2和26.7kg·667m-2。

1.3.2 播期及高強(qiáng)度地膜對(duì)棉花生產(chǎn)的影響

共設(shè)2個(gè)播期，分別在3月24日、3月29日。3月24日棉花播期，GBT101覆蓋1.67×104m2，傳統(tǒng)地膜覆蓋6.67×103m2；2021年3月29日棉花播期，GBT101覆蓋1.67×104m2，傳統(tǒng)地膜覆蓋6.67×103m2?？紤]到機(jī)械作業(yè)方便，各處理在田間采取順序排列方式。同時(shí)需要說(shuō)明的是，2個(gè)不同播期的田塊不屬于1個(gè)田塊，由于存在地力差異，播期對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育影響有不確定因素。

2 觀測(cè)指標(biāo)及測(cè)定方法

2.1 物理機(jī)械性能測(cè)試

根據(jù)GB 13735-2017標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)評(píng)價(jià)的地膜進(jìn)行物理性能測(cè)試，具體指標(biāo)包括拉伸強(qiáng)度、直角撕裂強(qiáng)度、斷裂標(biāo)稱應(yīng)變、抗穿刺強(qiáng)度等。測(cè)試周期為60d，共進(jìn)行4次測(cè)試，包括覆蓋前、覆蓋后60d、覆蓋后120d、覆蓋后180d。取樣要求，每次抽取1m長(zhǎng)的樣品，貼上清晰的標(biāo)簽，將其裝袋實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。

2.2 地膜回收率測(cè)試

計(jì)劃用2款不同地膜回收作業(yè)機(jī)械進(jìn)行地膜回收測(cè)試。

新疆某科學(xué)院研制4JSM-1800A1(2.1A)型棉稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)。該機(jī)械具有秸稈粉碎后拋送還田、松土、挑膜、脫膜和集膜等功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)膜稈分離與膜土分離，當(dāng)年地膜回收率能夠達(dá)到85%以上。具體如表2所示。

表2 4JSM-1800A1型棉稈還田及殘膜回收機(jī)作業(yè)參數(shù)

新疆某公司研制的4JMS-2.0殘地膜回收與秸稈粉碎還田聯(lián)合作業(yè)一體機(jī)，主要用于秸稈粉碎與殘膜回收，該機(jī)一次完成秸稈的粉碎、輸送、還田和松土、撿膜、輸送、集堆等功能，作業(yè)效率高，性能穩(wěn)定。本機(jī)適用于地表相對(duì)平整，土壤濕度合適，無(wú)雜物的工作環(huán)境；適應(yīng)的地膜厚度為0.008～0.014mm。具體如表3所示。

表3 4JMS-2.0殘地膜回收與秸稈粉碎還田作業(yè)參數(shù)

在地膜回收后，在所選地膜種類的種植壟，選擇3～5個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)1幅膜，長(zhǎng)度5m，進(jìn)行當(dāng)年殘留地膜樣品的收集，測(cè)定其面積，計(jì)算地膜殘留率。

殘留率(%)=(1延米種植壟的殘膜面積/5×2.05)×100

本次試驗(yàn)，收殘膜前滴灌帶已采用卷筒式機(jī)械收取；殘膜回收機(jī)使用的是新疆某科學(xué)院農(nóng)機(jī)所2021款殘膜回收機(jī)，回收時(shí)間為11月6日，11月10日進(jìn)行當(dāng)年的殘留地膜調(diào)查。

3 主要研究結(jié)果

3.1 高強(qiáng)度地膜的物理機(jī)械性能及功能特點(diǎn)[3]

地膜的物理力學(xué)性能是影響地膜可回收性的主要因素，在Y測(cè)試點(diǎn)每隔30d連續(xù)測(cè)量1次高強(qiáng)度地膜和常規(guī)地膜的物理力學(xué)性能。如表4所示，高強(qiáng)度地膜和厚度為10μm的傳統(tǒng)地膜在物理和機(jī)械性能方面存在差異。經(jīng)過(guò)180d的田間覆蓋，高強(qiáng)度地膜在縱橫向的最大拉伸負(fù)荷分別保持在2.5N和1.0N，斷裂時(shí)的標(biāo)稱應(yīng)變保持在250%和150%，顯著高于傳統(tǒng)地膜的相關(guān)值。

表4 Y縣高強(qiáng)度地膜2021款GBT101物理機(jī)械性能

3.2 棉花產(chǎn)量相關(guān)分析

3.2.1 不同播期高強(qiáng)度地膜對(duì)棉花苗情的影響

棉花的播期對(duì)棉花生育進(jìn)程和產(chǎn)量都有重要的影響和作用，低溫是新疆棉區(qū)棉花播種的主要限制因素如表5所示，2個(gè)播期均是高強(qiáng)度地膜出苗和保苗好，分別較常規(guī)膜高6%和4%。

表5 2021年不同播期高強(qiáng)度地膜覆蓋棉花苗情調(diào)查表

3.2.2 不同播期高強(qiáng)度地膜對(duì)棉花生育進(jìn)程的影響

棉花生育期進(jìn)程受到很多因素的影響，尤其是溫度，有效增加積溫對(duì)棉花至關(guān)重要，不同播期棉花生育期的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表6所示，高強(qiáng)度地膜棉花較常規(guī)膜棉花生育進(jìn)程提早2～4d，以開(kāi)花期最明顯，早播對(duì)棉花生育期的影響比晚播要明顯。

表6 2021年不同播期高強(qiáng)度地膜覆蓋下棉花生育期時(shí)間點(diǎn)

定期對(duì)棉花農(nóng)藝性狀和生長(zhǎng)發(fā)育參數(shù)的調(diào)查結(jié)果如表7所示，高強(qiáng)度地膜棉花較常規(guī)膜棉花生長(zhǎng)發(fā)育快，單株葉片數(shù)多0.1～0.5個(gè)，株高高0.2～9cm，果枝數(shù)多0.6～1.1個(gè)。

表7 2021年不同播期高強(qiáng)度地膜覆蓋棉花主要生長(zhǎng)變化

高強(qiáng)度地膜覆蓋棉花根系調(diào)查結(jié)果如表8所示，在2個(gè)播期中，高強(qiáng)度地膜覆蓋棉花較常規(guī)膜棉花的側(cè)根數(shù)量多，至播后50d達(dá)峰值，2個(gè)播期分別高出1.8條/株、1.1條/株。

表8 2021年不同播期高強(qiáng)度地膜覆蓋棉花側(cè)根數(shù)量

3.2.3 高強(qiáng)度地膜對(duì)棉田雜草的影響

在棉花的整個(gè)生長(zhǎng)期，對(duì)覆蓋高強(qiáng)度地膜的棉田雜草進(jìn)行調(diào)查。如圖1所示，6次中，在高強(qiáng)度地膜中只發(fā)現(xiàn)1次有草，棉田有稗草0.5株·m-2；而常規(guī)膜中出現(xiàn)3次雜草，棉田有稗草2.76株·m-2；不考慮人工管理的差異，高強(qiáng)度地膜的除草效果比傳統(tǒng)地膜高81%。

注：雜草主要為稗草，故本表中均指稗草。

3.2.4 不同播期高強(qiáng)度地膜對(duì)棉花產(chǎn)量的影響[4]

數(shù)據(jù)顯示，早播時(shí)高強(qiáng)度地膜的效果更明顯，主要是由于早期低溫，高強(qiáng)度地膜相比傳統(tǒng)地膜具有更好的增溫效果。從棉花產(chǎn)量分析，在2個(gè)不同的播種期，覆蓋高強(qiáng)度地膜的棉花產(chǎn)量分別比傳統(tǒng)地膜增產(chǎn)10.4%和6.5%。

3.3 高強(qiáng)度地膜回收作業(yè)特點(diǎn)及影響因素[5]

3.3.1 高強(qiáng)度地膜回收時(shí)主要物理參數(shù)

由表4可知，棉花收獲后，高強(qiáng)度地膜的最大拉伸負(fù)荷和斷裂標(biāo)稱應(yīng)變?nèi)员３州^高水平，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 13735-2017中地膜物理機(jī)械性能的初始值，并且縱橫向最大拉伸負(fù)荷和斷裂標(biāo)稱應(yīng)變?cè)?.5/1.0和250%/150%高于標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 13735-2017中一類耐候地膜的標(biāo)準(zhǔn)，斷裂標(biāo)稱應(yīng)變保持率應(yīng)在50%以上，高強(qiáng)度地膜的數(shù)值高于標(biāo)準(zhǔn)的要求，回收殘留率大幅度降低。

3.3.2 高強(qiáng)度地膜回收的基本特點(diǎn)和影響因素

采用卷收式棉稈還田和殘膜回收組合機(jī)測(cè)定GBT101高強(qiáng)度地膜和傳統(tǒng)地膜的回收率。結(jié)果表明，在相同的田間條件下，地膜的回收率存在顯著差異，尤其是邊緣地膜。播種過(guò)程中壓實(shí)土壤和機(jī)械回收，邊緣地膜被撕裂并留在土壤中。邊緣地膜的殘留面積通常是高強(qiáng)度地膜GBT101的3～4倍。在壟面上，傳統(tǒng)地膜的殘留量大于高強(qiáng)度地膜GBT101，導(dǎo)致高強(qiáng)度地膜GBT101與傳統(tǒng)地膜回收率存在顯著差異，分別為92.0%和72.6%。這充分反映棉花收獲后地膜的強(qiáng)度是影響地膜回收率的重要因素，尤其是在地膜回收的壓土部分。

如圖2所示，卷收式和耙式回收機(jī)的地膜回收率仍有一定差異。在平坦田地和熟練機(jī)器工的條件下，卷收式棉桿還田和殘膜回收組合機(jī)的回收率高于耙式回收和秸稈粉碎還田組合機(jī)。但如果土地不平，卷收式回收操作比耙式操作更差，反映出耙式作業(yè)機(jī)械具有更好的適應(yīng)性。

4 主要結(jié)論與建議

4.1 高強(qiáng)度地膜用后仍具較高強(qiáng)度，可回收性高

高強(qiáng)度地膜GBT101覆蓋6個(gè)月后，地膜表面保持幾乎完整的狀態(tài)，具有良好的韌性強(qiáng)度，提高地膜的可回收性。在當(dāng)前新疆棉花生產(chǎn)形勢(shì)下，無(wú)論是人工回收還是機(jī)械回收，高強(qiáng)度地膜都有利于提高作業(yè)效率。機(jī)械回收作業(yè)效率達(dá)到6.67×103m2·d-1，回收率達(dá)到92%。此外，回收的地膜雜質(zhì)含量低，具有很高再利用價(jià)值。如果采用人工回收，高強(qiáng)度地膜回收作業(yè)面積可達(dá)5.34×103m2/人·d-1，地膜回收率可達(dá)95%以上，雜質(zhì)含量可降至65%左右。與傳統(tǒng)的地膜回收相比，效率可提高約30%，雜質(zhì)含量可降低約15%。

4.2 高強(qiáng)度地膜有利于棉花生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高

數(shù)據(jù)顯示，播種30d后，高強(qiáng)度地膜棉田5cm土壤溫度達(dá)到21.0℃，比傳統(tǒng)地膜高0.9℃，比裸地高3.3℃。從播種到6月中旬，高強(qiáng)度地膜的增溫效果始終優(yōu)于傳統(tǒng)地膜，6月中旬后差異不顯著。同時(shí)，對(duì)地膜透濕性的測(cè)量結(jié)果也表明，高強(qiáng)度地膜可以顯著減少水分損失，具有良好的增溫保墑效果。在其他條件一致的情況下，高強(qiáng)度地膜覆蓋棉花的出苗率顯著高于裸地和傳統(tǒng)地膜。高強(qiáng)度地膜覆蓋對(duì)棉花產(chǎn)量性狀的主要影響從花和鈴的數(shù)量來(lái)看，與傳統(tǒng)地膜覆蓋相比，高強(qiáng)度地膜覆蓋棉鈴增加0.2～0.5個(gè)/株，產(chǎn)量增加6.5%～10.4%。

4.3 進(jìn)一步擴(kuò)大高強(qiáng)度地膜應(yīng)用范圍

在過(guò)去的40多年，盡管中國(guó)的地膜應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但地膜回收問(wèn)題一直比較棘手。針對(duì)高強(qiáng)度地膜的高強(qiáng)度、高耐候性和阻隔性，建議進(jìn)一步明確我國(guó)西北地區(qū)和作物對(duì)地膜功能性的要求，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、回收利用和處理方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并進(jìn)一步明確高強(qiáng)度地膜的應(yīng)用領(lǐng)域和作物，為解決我國(guó)地膜綠色應(yīng)用和殘留污染防治問(wèn)題提供新途徑。