全生物降解滲水地膜在大豆-玉米帶狀復(fù)合種植中的應(yīng)用效果研究

姚建民， 馬俊奎， 王忠祥， 畢昕媛， 李瑞珍， 楊瑞平，劉釗， 郭豐輝

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟管理學(xué)院，山西 太谷 030006； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟作物研究所，山西 汾陽 032200； 3.中國農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心，北京 100045； 4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西 太谷 030006）

當(dāng)前，我國年進(jìn)口大豆達(dá)9.65×107t，占糧食進(jìn)口總量的58%左右[1]，因此提升大豆自給率對保障我國糧食安全至關(guān)重要。大豆-玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種基于傳統(tǒng)間作套種增產(chǎn)機理的新模式，可實現(xiàn)“玉米不減產(chǎn)、多收一茬豆”的效果[2]。大豆與玉米高低協(xié)同，既可以有效發(fā)揮生態(tài)位互補特征充分利用光能資源，又可以釋放玉米密植條件下的邊行優(yōu)勢，增加玉米透光通風(fēng)性及大豆采光空間，進(jìn)而提高系統(tǒng)作物產(chǎn)量[3]。同時，大豆-玉米帶狀復(fù)合種植可以提升大豆根瘤固氮效率，有力促進(jìn)系統(tǒng)減肥增效作用，助力達(dá)成“雙碳”目標(biāo)[2,4]。另外，該種植模式可以通過大豆與玉米的合理布局實現(xiàn)耕地的年際間地內(nèi)輪作，達(dá)到種養(yǎng)結(jié)合目的?？傮w來說，大豆-玉米帶狀復(fù)合種植模式即通過創(chuàng)新作物栽培模式，充分發(fā)揮人工群落的邊行優(yōu)勢與生態(tài)資源利用優(yōu)勢，實現(xiàn)光熱水氣土資源的高效利用，以同時滿足2 種作物生長需要，進(jìn)而實現(xiàn)玉米基本不減產(chǎn)、增收一季大豆的目標(biāo)[4]。

當(dāng)前，我國主要推廣的大豆-玉米復(fù)合種植模式為2 行玉米和2～6 行大豆行間配置的單粒種植模式，該種植模式存在田間通風(fēng)透光性較差、雜草防除難度大、半干旱地區(qū)旱地水分供應(yīng)不足等問題，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)產(chǎn)量提升。地膜覆蓋既可以保持水分又能抑制雜草，是半干旱地區(qū)旱地作物旱作增產(chǎn)的重要方式，但聚乙烯（polyethylene，PE）地膜覆蓋又帶來殘留多、回收難的農(nóng)田白色污染問題[5]。為便于PE地膜回收[6]，國家出臺了GB 135735—2017《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》[7]，要求PE 地膜的厚度≥0.01 mm，在一定程度上解決了農(nóng)田白色污染問題，但此類型地膜導(dǎo)致作物后期早衰，嚴(yán)重影響了產(chǎn)量。馬俊奎等[8]經(jīng)過連續(xù)10年的研究和示范發(fā)現(xiàn)，春大豆覆蓋滲水地膜綜合配套旱作技術(shù)可以使大豆產(chǎn)量穩(wěn)定在2 700 kg·hm-2以上，最高產(chǎn)量達(dá)4 680 kg·hm-2。隨著新型生物降解材料的發(fā)展[9]和抗旱滲水地膜的出現(xiàn)[10-12]，近年來研制出了0.007 mm 聚碳酸亞丙酯(poly propylene carbonate，PPC)基全生物降解滲水地膜[13-14]，其質(zhì)量符合全生物降解地膜標(biāo)準(zhǔn)，為大豆-玉米帶狀復(fù)合種植提供了新的地膜材料。基于此，開展全生物降解滲水地膜覆蓋在大豆-玉米帶狀復(fù)合種植模式中的應(yīng)用研究，以期為解決大豆-玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)應(yīng)用過程中的雜草防除、水分脅迫等問題提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試大豆[Glycine max(Linn.) Merr.]品種為‘晉豆25號’，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟作物研究所育成，該品種耐陰；玉米（Zea maysL.）品種為‘大豐26號’，由山西大豐種業(yè)公司提供。

地膜材料包括0.007 mm×2 200 mm PPC 基全生物降解滲水地膜、0.01 mm × 2 200 mm PE 普通滲水地膜和0.01 mm×1 650 mm PE 普通滲水地膜，由山西微通滲水膜生物科技有限公司生產(chǎn)。

鋪膜播種機包括2MB-1/5 施肥鋪膜大豆-玉米復(fù)合穴播機、2MB-1/4鋪膜大豆穴播機和2BJ-1/2玉米精播機，均由山西長治市神禾永成農(nóng)機開發(fā)有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗設(shè)5個處理，大豆-玉米復(fù)合種植模式下分別設(shè)0.007 mm×2 200 mm PPC 基全生物降解滲水地膜覆蓋處理（T1）、0.01 mm×2 200 mm PE 普通滲水地膜覆蓋處理（T2）和無覆蓋處理（T3）；以大豆單一種植模式0.01 mm×1 650 mm PE 普通滲水地膜覆蓋（CK1）和玉米單一種植模式無覆蓋（CK2）為對照。

大豆-玉米復(fù)合種植模式為1 膜5 行（兩邊各1 行玉米、中間3 行大豆）的“2+3”種植模式［15］，種植帶寬230 cm，其中，玉米與玉米行距50 cm，玉米與大豆行距60 cm，大豆與大豆行距30 cm，穴距27 cm，玉米與大豆均為一穴雙株；大豆單一種植模式為1 膜種植4 行，帶寬200 cm，每穴下種量2～3 粒，平均行距50 cm，穴距27 cm；玉米單一種植模式為單穴單株，行距60 cm，株距27 cm。

1.2.2 地膜鋪設(shè)與田間管理 試驗于2022年5—9月在山西省呂梁市孝義市東盤糧村（37.12°N、111.81°E）進(jìn)行，2022年5月10日整地，15日播種，2022 年9 月25 日收獲。大豆-玉米帶狀復(fù)合種植整地時撒施復(fù)合肥（氮含量15%、磷含量15%、鉀含量10%）375 kg·hm-2，播種時大豆不再施肥，玉米施種肥750 kg·hm-2。大豆單一種植對照（CK1）施復(fù)合肥375 kg·hm-2，玉米單一種植對照（CK2）施復(fù)合肥750 kg·hm-2。T1和T2處理采用2MB-1/5施肥鋪膜大豆-玉米復(fù)合穴播機播種，一次性完成探墑開溝、玉米施肥、鋪膜覆土、打孔穴播、播后鎮(zhèn)壓等作業(yè)；T3處理采用2MB-1/5 施肥大豆-玉米復(fù)合穴播機播種，一次性完成探墑開溝、玉米施肥、打孔穴播、播后鎮(zhèn)壓等作業(yè)；3 個處理間隔排列，3 次重復(fù)，小區(qū)面積3 335 m2，周圍種植玉米保護(hù)行。CK1與CK2小區(qū)面積為8 337.5 m2，分別采用2MB-1/4鋪膜大豆穴播機與2MB-1/5播種機穴播，玉米每穴下種量1粒，大豆每穴下種量2～3粒。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀的測定 2022 年6 月14 日測定各處理0—20 cm 耕層土壤含水率（soil moisture content，SMC，%）、單穴出苗數(shù)（seedlings number，SN）、株高（plant height ，PH，cm）、葉齡等，于9 月22—25 日測定株高、玉米成穗數(shù)（number of ears of maize，EMN，萬穗·hm-2）、玉米平均穗粒質(zhì)量（mean grain weight per ear of maize , MMW，g）、玉米百粒重（weight of hundred maize grains，MHW，g）、大豆成穴數(shù)（number of soybean holes ，SHN，萬穴·hm-2）、大豆平均穴粒重（mean soybean weight per hole，MSW，g）、大豆百粒重（weight of hundred soybeans， SHW，g）、產(chǎn)量、根瘤個數(shù)（nodule number，NN）等。

1.3.2 地膜殘留率的測定 參照畢昕媛等方法測定全生物降解滲水地膜的降解度測定[16]，在收獲前，在全生物降解滲水地膜覆蓋試驗區(qū)均勻選取3 個1 000 mm×1 000 mm 的樣區(qū)（記作P1、P2 和P3），清理膜面雜物，精細(xì)鏟取地面膜和土壤中膜，分別裝入取樣袋中，分類風(fēng)干后過孔徑2 mm篩，取出篩上物，用清水洗去泥土和雜質(zhì)，用力搓揉過篩，于40 ℃下烘干后稱重計數(shù)殘留率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Office 2013 整理數(shù)據(jù)、作圖，采用SPSS 26.0在0.05水平上對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及單樣本t檢驗，并采用LSD法進(jìn)行多重比較。根據(jù)當(dāng)年銷售單價計算產(chǎn)值。

式中，膜成本中生物降解滲水地膜75 kg·hm-2×30 元·kg-1＝2 250 元·hm-2；普通地膜105 kg·hm-2×15元·kg-1+回收成本675 元·hm-2＝2 250 元·hm-2。大豆與玉米價格分別為6.6、2.5元·kg-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下大豆、玉米對土壤含水率的影響

由表1 可知，覆膜與作物類型均對土壤含水率存在顯著影響（P＜0.05），作物類型對土壤含水率的影響受覆膜處理調(diào)控，大豆、玉米土壤含水率在PPC 基全生物降解滲水地膜覆蓋與PE 普通滲水地膜覆蓋處理下無顯著差異。帶狀復(fù)合種植模式下，2 種覆膜處理玉米土壤含水率顯著低于大豆土壤含水率（P＜0.05），但無覆膜處理下玉米與大豆土壤含水率無顯著差異，即覆膜顯著提高了大豆土壤含水率（P＜0.05），但對玉米土壤含水率無顯著影響。覆膜條件下，大豆單種或與玉米帶狀復(fù)合種植對其土壤含水率無顯著差異。

表1 0—20 cm土壤含水率Table 1 0—20 cm soil moisture content

2.2 不同處理對大豆、玉米出苗率和生長勢的影響

由表2 可知，6 月14 日T1、T2、T3處理大豆出苗數(shù)與CK1無顯著差異，玉米出苗數(shù)均顯著高于CK2（P＜0.05），說明帶狀復(fù)合種植及覆膜處理對大豆無顯著影響，但可促進(jìn)玉米出苗。從玉米苗期長勢看，地膜覆蓋（T1和T2）處理葉齡和株高均高于無覆蓋的T3和CK2處理，T1和T2 處理的葉齡均為9葉1心，較無覆蓋的T3處理和單一種植的CK2多2 個葉齡；T1和T2處理的株高均為65 cm，較T3和CK2處理顯著提高10 cm（P＜0.05）。T1、T2、CK1處理大豆苗期長勢為8 葉齡，比無覆蓋的T3處理多4個葉齡；T1、T2、CK1的株高均為28 cm，較無地膜覆蓋的T3處理顯著提高10 cm（P＜0.05）。9月22日調(diào)查表明，T1、T3與CK2處理玉米株高無顯著差異，三者均顯著高于T2處理（P＜0.05）；T1處理大豆株高與T2、T3、CK1差異均不顯著。收獲期T1、T2、CK1間大豆根瘤數(shù)無顯著差異，但均顯著高于T3處理。

2.3 不同處理對大豆、玉米產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響

由表3 可知，玉米成穗數(shù)在不同處理間無差異，均為6.413 萬穗·hm-2。T1處理的玉米平均穗粒質(zhì)量為182.0 g，百粒重為36.11 g，顯著高于T2、T3及CK2處理（P＜0.05）。T2處理的玉米平均穗粒重和百粒重表現(xiàn)最差，可能與普通地膜覆蓋會造成玉米后期早衰有關(guān)[17]。

表3 地膜覆蓋下2種作物產(chǎn)量構(gòu)成Table 3 Crops yield composition under mulching film

T1～T3處理大豆成穴數(shù)均為4.8 萬穴·hm-2，顯著低于CK（1P＜0.05）。大豆平均穴粒重以CK1最高，為53.21 g，顯著高于T1、T2及T3處理，T1、T2處理顯著高于T3處理。T2處理的大豆百粒重為23.52 g，顯著高于其他處理（P＜0.05），T1處理顯著高于T3和CK1處理（P＜0.05），T3與CK1處理之間無顯著差異。

2.4 不同處理模式對大豆、玉米產(chǎn)量與產(chǎn)值的影響

從表4 可知，大豆-玉米帶狀復(fù)合種植模式中，大豆產(chǎn)量大小排序依次為T1、T2、T3，產(chǎn)量分別為1 415.70、1 170.90、505.95 kg·hm-2；玉米產(chǎn)量大小排序依次為T1、T3、T2，產(chǎn)量分別為11 670.75、8 567.10、8 047.65 kg·hm-2。 CK1大豆產(chǎn)量為4 068.30 kg·hm-2，高于T1、T2、T3處理。CK2玉米產(chǎn)量為9 420.00 kg·hm-2，較T2和T3處理分別增產(chǎn)2.19%和3.82%，但比T1處理減產(chǎn)19.29%。

表4 收獲期大豆、玉米產(chǎn)量與產(chǎn)值Table 4 Yield and benefit performance of soybean and maize on harvest time

從表4 中總產(chǎn)量和產(chǎn)值表現(xiàn)看出，T1處理大豆-玉米復(fù)合產(chǎn)量為13 086.45 kg·hm-2，相較于T2、T3、CK1、CK2處理分別增產(chǎn)29.56%、44.23%、121.67%、38.92%； T1處理的產(chǎn)值為36 271元·hm-2，顯著高于T2、T3、CK1、CK2處理。

2.5 不同處理地膜殘留率比較分析

2022 年9 月22 日對3 個全生物降解滲水地膜樣點的地膜降解度取樣調(diào)查，經(jīng)過取樣、風(fēng)干、去雜、水洗、過篩、烘干、稱重、計算得到地膜殘留率分別是14.5%，15.3%和15.5%，平均為14.9%，平均降解率為85.1%，顯著低于PE 普通滲水地膜（P＜0.001），殘膜將會在翌年春季播種前全部降解無需回收。而PE 普通滲水地膜覆蓋處理的殘留率為100%，需要人工回收或機械回收（表5）。

表5 全生物降解滲水地膜殘留率的單樣本T檢驗Table 5 Single sample T test of permeable plastic film residue rate of full biodegradation

3 討 論

3.1 全生物降解滲水地膜覆蓋大豆-玉米帶狀復(fù)合種植模式產(chǎn)量高、效益好

本研究表明，全生物降解滲水地膜覆蓋帶狀復(fù)合種植模式比PE 地膜覆蓋和無覆蓋的復(fù)合種植模式顯著增產(chǎn)29.56%～44.23%，比單一種植大豆增產(chǎn)121.67%和增收43.46%，比單一種植玉米增產(chǎn)38.92%增收63.57%。該模式對提升農(nóng)田產(chǎn)量、農(nóng)民收入及減輕農(nóng)田白色污染具有廣闊的應(yīng)用前景。在0.007 mm×2 200 mm 生物降解滲水地膜1膜5行（2邊行玉米加3中間行大豆）的帶狀復(fù)合機穴播種植模式下，玉米生長前期處于半覆蓋狀態(tài)，近地面的地積溫和保水性等不及位于中部全覆蓋的大豆，形成了前期促進(jìn)大豆快速生長控制玉米生長的近地面微生態(tài)環(huán)境。到生長中后期作物封壟后，土壤水分蒸發(fā)變小，全生物降解膜快速降解，滲水、透氣功能變強，利于作物氣生根和表層根的生長，消除了普通地膜覆蓋造成的作物早衰現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)優(yōu)勢，且收獲前生物降解滲水地膜的降解率已達(dá)到85.1%，且殘留的地膜將在在翌年春季播種前全部降解，利于地膜殘留污染防治。這種種植模式還可以利用豆科作物的根瘤養(yǎng)地作用和生物多樣性效果，減少農(nóng)作物病蟲害發(fā)生，降低農(nóng)藥、化肥使用量，可提高土壤有機質(zhì)含量[17-19]，增產(chǎn)增收效果突出，可實現(xiàn)大豆、玉米的雙豐收，推廣前景較好。

3.2 全生物降解滲水地膜覆蓋大豆-玉米帶狀復(fù)合種植模式中應(yīng)關(guān)注的問題

首先是全生物降解滲水地膜的選擇，目前全生物降解地膜種類有聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（polybutylene adipate terephthalate，PBAT）基、PPC-PBAT 基和聚乳酸（polylactic acid，PLA）基3 大類型，其中PBAT 基、PPC-PBAT 基的比較成熟。PBAT 基生物降解地膜目前能夠達(dá)到的最小厚度為0.01mm，厚度大導(dǎo)致單位面積用量大（115.5 kg·hm-2）、阻水性差（每平方米每天蒸發(fā)耗水＞800 g）、單位面積投資成本高（投資＞3 450元·hm-2）、年內(nèi)降解度小（小于60%）等。本研究中PPC-PBAT 基全生物降解滲水地膜的厚度調(diào)減到0.007 mm，具有阻水性較好（每平方米每天蒸發(fā)耗水≤400 g·m-2·d-1）、單位面積投資成本較?。ㄍ顿Y≤2 250 元·hm-2）、年內(nèi)降解度較大（≥95%）、作物不發(fā)生早衰、根系發(fā)達(dá)、后發(fā)優(yōu)勢明顯、增產(chǎn)幅度大等優(yōu)點。但其還存在的共性問題是耐候期較短[20]，僅為60 d左右，在高光照生態(tài)區(qū)的耐候期為50 d 左右。由于耐候期較短，抑制雜草和保持水分的能力逐漸變差，在雜草多的區(qū)域不適宜采用常規(guī)覆蓋方式使用，宜采取膜上覆土的方式[21-22]延長膜的耐候期。

其次是復(fù)合種植帶的設(shè)計，采取“2+3”種植模式時，帶寬230 cm 較為合理，為排除玉米帶來的機收大豆不便，地頭種植單一大豆。若采取“2+4”種植模式或“4+4”模式時，帶寬300 cm 較為合理。