北疆滴灌棉花的可降解地膜安全期研究

李君，何文清，劉曉偉，李志強，田玲枝，朱春梅，呂軍

(1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業部旱作節水農業重點實驗室，北京 100081；2.石河子農業科學研究院，新疆石河子 832000)

北疆滴灌棉花的可降解地膜安全期研究

李君1，2，何文清1，劉曉偉2，李志強2，田玲枝2，朱春梅2，呂軍2

(1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業部旱作節水農業重點實驗室，北京 100081；2.石河子農業科學研究院，新疆石河子 832000)

【目的】明確棉田地膜覆蓋安全期，研究不同降解地膜對滴灌條件下土壤溫度、水分、棉花產量的影響。【方法】設置5個處理，3次重復，T1～T4處理為降解地膜處理，T5為普通地膜處理。【結果】鋪設第85 d(7月17日)T1處理地膜已完全降解，而T2處理地膜部分降解，T3處理地膜在第130 d(8月31日)剛發生降解，T4地膜未降解。各處理對土壤溫度的增幅在4月、5月、6月分別為55.4%～62.6%、14.3%～23.5%、9.6%～14.2%，7月沒有增溫效應；而降解地膜的保水性能與其厚度、降解速率無關，其中T4處理保水性最好；地膜鋪設85 d前降解的地膜降解時間與棉花生長發育及產量成反比，而85 d后仍未降解的地膜T3、T4、T5處理對棉花產量無顯著差異。【結論】降解地膜降解時間在85 d后，即棉花花期以后可有效發揮土壤增溫效應，達到穩產的效果。

降解地膜；安全期；溫度；水分；產量

0 引 言

【研究意義】地膜覆蓋對農業生產發揮了巨大的促進作用[1]。然而隨著連年覆膜種植，耕層累積大量的地膜在地上造成對農田機械作業不便、地下阻礙土壤中水分與養分的運移，從而影響作物的生長發育，導致產量的降低，嚴重影響了農業生產[2-4]。為了減輕白色污染的危害，采用地膜回收技術與降解膜覆蓋技術對有效降低土壤中地膜殘留有重要意義。【前人研究進展】據研究表明，在玉米、油葵等作物上使用降解地膜對土壤水分、溫度和作物生長的影響與普通地膜效果相當，并且其降解性表現良好[5-6]。新疆覆膜植棉面積達到130×104hm2，棉田鋪膜率達到100%，每年有18 kg/hm2地膜殘留于土壤中，長期覆膜的土壤中地膜殘留量高達300 kg/hm2[7]。近年來使用的降解地膜有液體地膜、光降解地膜、光-生物降解地膜和完全可降解的生物地膜等類型，其降解特性及降解時間各不相同。據龔雙鳳等[8]研究表明，新疆棉田覆蓋雙降解和光降解地膜對土壤增溫效果顯著，但在棉花苗期發生降解的地膜對棉花產量影響較大。這是由于地膜降解過早，溫度較低影響棉花現蕾、吐絮等發育進程，進而造成減產[9]。【本研究切入點】降解地膜的選擇是確定地膜降解的時間和降解程度，這主要取決于材料配方，其次是環境的制約。以往研究多集中在降解地膜的降解性與替代性研究，而對新疆棉田覆蓋降解地膜的時間性確定鮮有研究。研究不同降解地膜對滴灌備件下土壤溫度、水分、棉花產量的影響，明確棉田地膜覆蓋安全期。【擬解決的關鍵問題】從降解地膜對土壤溫度、產量方面研究降解地膜的選擇，通過明確地膜覆蓋安全期，生產出既能滿足作物需求，又能最大限度降低成本的可降解地膜。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2015年在石河子市農業科學研究院試驗地進行。地處天山北麓中段，古爾班通古特大沙漠南緣，地理坐標位于E84°58′～86°24′，N43°26′～45°20′，屬于典型的溫帶大陸性氣候，日照充沛，全年日照時數2 074～2 668 h，年平均氣溫約7℃，無霜期160 d左右，年均降水量100～225.6 mm。供試土壤為灌耕灰漠土(灌淤旱耕人為土，CalcaricFluvisals)，土壤基本理化性質：有機質 14.93 g/kg ，全氮 0.92 mg/kg，有效氮 64.3 mg/kg，速效磷 15.9 mg/kg，速效鉀 138.2 mg/kg，pH 7.76。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗為田間小區試驗，共設5個處理，三次重復。T1、T2、T3、T4為降解地膜處理，T5為對照普通地膜處理。其中T1～T3分別為10、12、14 μm厚度的生物降解地膜，T4是光氧-生物降解地膜，其厚度與普通地膜相同均是8 μm。采用地膜覆蓋和膜下滴灌技術，機械平作覆膜，2015年4月22日覆膜播種，播幅為2.25 m，1膜6行，株距9 cm的種植方式，一膜3管。其它管理方式同大田。小區面積為32.5 m2(5 m×6.5 m)，供試作物為棉花(Gossypiumspp.)，供試品種為新陸早61號。

1.2.2 樣品采集與測定

分別在覆膜后的30、43、51、58、65、85、106、130 d進行降解地膜定點觀察，于每條地膜寬行處相同位置放置相框(40 cm×40 cm)進行拍照。僅選擇4次觀測時間調查地膜降解情況，分別為30、85、106、130 d。

土壤溫度：于4月21日將土壤溫度記錄儀(RC-4，中國)埋于各小區土壤中，探頭埋設深度為10 cm，每30 min記錄一次數據。

保墑性能：保墑率(%)=W1/W×100；其中W1為暴曬15 d后水杯內水體積(mL)，W為水杯內原始水體積(mL)。實驗于6月將完整地膜覆蓋于水杯，無遮擋暴曬15 d后測定。

韌性性能：使用拉力機(XLW(B)智能電子拉力試驗機，中國)測定地膜韌性，分別在地膜覆蓋后30 d、100 d取樣進行測定。測得地膜拉伸負荷與拉伸位移，計算斷裂伸長率，斷裂伸長率=△L/L×100；△L為地膜拉伸位移(mm)，L為原始長度(mm)。

棉花產量采用小區實收法測定。

1.3 數據統計

數據采用EXCEL2007和SPSS19.0統計軟件進行單因素方差分析(one-wayANOVA)。

2 結果與分析

2.1 降解地膜降解情況

研究表明，隨著鋪設地膜的時間延長，降解地膜發生不同程度的降解。T1型號的降解地膜于地膜鋪設30 d后(5月21日)出現小型孔洞，表明地膜已開始降解，而其它處理地膜的膜面完整，表明地膜均未開始降解。在地膜鋪設第85 d(7月17日)，于T1處理的定點觀測處已看不見膜面，說明T1處理的降解地膜已完全降解。而此時T2處理膜面出現大面積的橫向斷裂面，表明T2處理的降解地膜已部分降解。直到地膜鋪設第106 d(8月7日)，T3處理的降解地膜出現細小裂紋，顯示T3處理的降解地膜剛發生降解。而T4處理的降解地膜膜面直到地膜鋪設130 d始終完整，表明地膜未降解。降解地膜鋪設后膜面均發生不同程度的降解，其中鋪設第85 d T1地膜已完全降解，而T2地膜部分降解，T3地膜在第106 d剛發生降解，T4地膜始終未降解。圖1

圖1 降解地膜降解情況(定點拍照)
Fig.1 The degradation of different degradable mulching film

2.2 降解地膜韌性

研究表明，地膜試樣直至斷裂為止所受的最大拉伸應力即為拉伸負荷，試樣在拉斷時的位移值與原長的比值是斷裂伸長率，兩種指標均表征地膜的韌性能力。在地膜鋪設30 d后T2、T3、T4降解地膜橫向與縱向拉伸負荷均顯著高于T1與T5處理，表明T2、T3、T4處理的地膜韌性較強。降解地膜處理(T1～T4)在鋪設100 d后拉伸負荷較30 d均顯著降低，各處理的橫向斷裂伸長率降低幅度分別為99%、40%、8%、8.2%和84%，而相應的縱向斷裂伸長率降低幅度分別為94.7%、79.5%、80%、32.5%和23.5%。由此表明，各降解地膜處理在鋪設100 d后韌性均降低。并且T1、T2處理橫向縱向均發生裂解，而T3、T4處理主要為縱向裂解。表1

表1 降解地膜韌性

Table 1 The intensity of toughness of degradable mulching film

處理Treatment橫向/縱向拉伸負荷(N)Horizontal/Verticaltensileload橫向/縱向斷裂伸長率(%)Horizontal/Verticalelongationatbreak30days100days30days100daysT119/1209/07369/4554/24T262/5543/27140/47584/140T364/4637/34100/46292/93T450/4429/12375/495344/334T516/1214/09685/345108/264

2.3 降解地膜對10 cm土壤溫度的影響

研究表明，覆蓋地膜在4至6月對土壤有明顯的增溫效果，并且隨著氣溫的升高增溫效果降低，自7月17日后地膜對土壤溫度已沒有增溫效果，各處理間土壤溫度無顯著差異。進一步分析可知，各處理對土壤溫度的增幅在4月、5月、6月、7月分別為55.4%～62.6%、14.3%～23.5%、9.6%～14.2%、0%。而各處理間的土壤溫度在4月除T1處理最低外，其它各處理土壤溫度無顯著差異；T4處理與T5處理的土壤溫度在5與6月無差異且顯著高于T1、T2處理8%、5%和4%、3%(P<0.05)；直至7～8月各處理間的土壤溫度均無差異。由此表明，T1處理的降解地膜的增溫效果較差，而T4處理對土壤增溫效果較好。圖2，圖3

研究表明，4～6月各處理的土壤月均最高溫與月均溫度變化趨勢一致，但與7月各處理月均溫度無差異不同，各處理的土壤月均最高溫度差異顯著，表現為：T1> T5 > T2>T4。圖3D為月均最低溫，除4月T5處理的土壤溫度高于T4外，在5～8月各處理間土壤月均最低溫度均表現為：T4>T5>T2>T1。由此可知，低溫時T4型號的降解地膜具有良好的增溫效應，而T1型號的降解地膜基本沒有增溫效果。T1處理地膜降解過早，導致在4～6月對土壤增溫效應較差，其它地膜降解的越晚，增溫效果越好，然而7～8月氣溫高、日照足，地膜對土壤溫度已沒有增溫效果，7月17日地膜覆蓋85 d后，其降解與否對土壤增溫效果無顯著影響。7月17日后降解的地膜T3、T4處理對棉田土壤溫度有良好的增溫效果。圖3

圖2 石河子部分氣象數據
Fig.2 The part meteorological data of Shihezi

圖3 不同降解地膜下10 cm土壤溫度變化
Fig.3 Effect of different degradable mulching film on temperature of 10cm soil

2.4 降解地膜的保水性能

研究表明，不同降解地膜的地膜厚度不同，降解地膜T1～T3處理的厚度均高于對照T5處理，其中T3處理地膜最厚。然而各處理的保水性能表現為：T5>T4>T2>T3>T1。由此可知，地膜完整時，地膜的保水性能與其厚度無關。各處理降解時間為：T5>T4>T3>T2>T1，T1處理降解最早，在相同時間內T1處理的保水能力最低，而T3處理106 d才開始降解，其保水性能僅僅略高于T1處理，這表明地膜保水性能與降解速率無關。地膜的保水性能與其厚度、降解速率無關。表2，圖1

2.5 不同降解地膜對棉花產量的影響

研究表明，降解時間的延遲與棉花生長發育及產量影響成正比。其中各處理間的單鈴重與單株有效鈴個數無顯著差異，T1、T2處理的株高、果枝臺數和產量均顯著低于其它各處理，且T1處理最低。進一步分析可知，T3～T5處理與T1處理的株高相比分別增加2.8%、8.2%、8.2%，T4、T5處理與T3處理相比株高均增加5.3%。T3～T5處理的產量無顯著差異但均顯著高于T1、T2處理(P<0.05)，增幅為20.7%～34.1%。由此可知，地膜降解過早影響棉花生長發育、降低產量，在85 d后降解的地膜對棉花生長發育和產量已無顯著影響。表3

表2 降解地膜保水性能
Table 2 The hold water ability of different degradable mulching film

處理Treatment降解天數Degradationofdays地膜厚度(μm)Filmthickness保墑性(%)WaterconservationT1301043T2511276T31061459T4130897T5130898

表3 不同處理下棉花產量與產量構成因素變化
Table 3 Effect on yield and relevant factors of cotton under different treatments

處理Treatment株高(cm)Plantheight果枝臺數(臺)Branchnumber單株有效鈴(個)Individualeffectivefluid單鈴重(g)Singlebollweight產量(kg/hm2)YieldT155755384831857±1947bT256058384933359±3798bT357366395140248±1615aT460368425040973±2144aT560368415142735±3119a

注：同列數據后不同大、小寫字母表示差異顯著水平(P<0.05)

Different capital and lowercase alphabets in the same column represented significant difference at 0.05 level

3 討 論

試驗中降解地膜降解時間分別為30、85、106 d、不降解。由于降解時間不同，前期氣溫較低時降解地膜對土壤溫度的影響差異較大，降解過早的T1處理對土壤的增溫效果最低，主要原因是地膜覆蓋后土壤上部熱能增加，而地膜降解后，近地氣層的熱量進行交換，蓄積的太陽輻射能量較完整覆膜少[10]。降解地膜在作物生長發育的中期對土壤溫度影響較大，降解越晚的地膜對土壤增溫效果較明顯。然而7月后，氣溫高，棉花進入生殖生長與營養生長并進階段，各項生態指標普遍增大，覆蓋率大，冠層內的溫度受到抑制，地膜對土壤的增溫效果已不明顯。這與在小麥、玉米上覆膜的研究結果一致[11-12]。試驗進一步分析得出，7～8月時，白天溫度較高時降解較早的地膜土壤溫度較高，而低溫時土壤保溫效果最差，因此，不同降解時間的地膜的土壤日均溫度呈現出差異不顯著的結果。

試驗中對地膜保水性能的測試是在無遮擋暴曬條件下測得，得出的結論為地膜固有指標。地膜的保水性能與地膜的厚度、降解速率無關，僅與地膜材質有關。然而由于覆蓋時間較短，地膜降解后對水分的保持能力未測定，今后的試驗中將進一步探討。棉花各生育時期地膜的降解情況與產量呈負相關關系，在苗期發生降解的地膜產量顯著低于棉花花期降解地膜，與前人研究結果一致，在棉花封壟后降解的地膜不會造成棉花減產。降解地膜在棉花不同生育時期發生降解其增溫保墑增產的作用相應發生變化，試驗得出不影響棉花生長發育的地膜覆蓋期為播種至棉花花期，時長大于85 d。

4 結 論

4.1 生物降解地膜降解時間早于光氧-生物降解地膜，并且生物降解地膜越厚，降解時間越晚。試驗中生物降解地膜最短覆蓋期為30 d，最長覆蓋期為130 d，光氧-生物降解地膜始終未降解。

4.2 地膜鋪設85 d前發生降解的降解膜，在4～6月增溫效果較差，對棉花生長發育、產量有顯著降低作用。試驗中鋪設30 d后完全降解的地膜T1處理其增溫效果最差，保水能力最低，株高、果枝臺數和產量均最低，85 d后部分降解的地膜T2處理次之。降解最晚的地膜T3、T4處理，其棉花株高、單鈴重、產量與普通地膜無顯著差異。

通過對地膜的增溫保墑作用進行分析，得出地膜保水性與其材質相關，而增溫效果與降解性相關，但棉花生長85 d后地膜覆蓋對土壤溫度無顯著增溫效應。地膜鋪設85 d內發生降解的地膜，在4～6月增溫效果較差，保水能力低，影響了棉花生長發育進而造成產量的降低。而降解地膜完整鋪設85 d完成了地膜增溫作用，其后降解對棉花株高、單鈴重、產量與普通地膜無顯著差異。4.3 綜合鋪設在棉田的降解地膜對土壤溫度、保墑性、降解性的表現，不影響棉花生長發育的地膜覆蓋期為播種至棉花花期，完整覆蓋時長大于85 d。

References)

[1] 王曉方, 申茂向. 塑料農膜:中國農業發展的希望和曙光[M]. 北京:中國農業出版社，1998.

WANG Xiao-fang, SHEN Mao-xiang, (1998).Plasticmulchingfilms[M].Beijing: The hope and the dawn of agricultural development.

[2] 南殿杰, 解紅娥, 李燕娥, 等. 覆蓋光降解地膜對土壤污染及棉花生育影響的研究[J].棉花學報, 1994,6(2):103-108.

NAN Dian-jie, XIE Hong-e, LI Yan-e, et al. (1994). Study of the effect of photodegradable plastic film mulching on soil contamination and cotton growth [J].CottonScience, 6(2):103-108. (in Chinese)

[3] 解紅娥, 李永山, 楊淑巧, 等. 農田殘膜對土壤環境及作物生長發育的影響研究[J]. 農業環境科學學報, 2007, 26(增刊): 153-156.

XIE Hong'e, LI Yong-shan, YANG Shu-qiao, et al. (2007). Influence of residual plastic film on soil structure, crop growth and development in fields [J].JournalofAgro-EnvironmentScience, 26(Suppl.):153-156. (in Chinese)

[4] 董合干, 劉彤, 李勇冠, 等. 新疆棉田地膜殘留對棉花產量及土壤理化性質的影響[J]. 農業工程學報, 2013,29(8):91-99.

DONG He-gan, LIU Tong, LI Yong-guan, et al. (2013). Effects of plastic film residueon cotton yield and soil physical and chemical properties in Xinjiang [J].TransactionsoftheCSAE, 29(8):91-99. (in Chinese)

[5] 申麗霞, 王璞, 張麗麗. 可降解地膜的降解性能及對土壤溫度、水分和玉米生長的影響[J].農業工程學報, 2012,28(4):111-116.

SHEN Li-xia, WANG Pu, ZHANG Li-li. (2012). Degradation property of degradable film and its effect on soil temperature and moisture and maize growth [J].TransactionsoftheCSAE, 28(4):111-116. (in Chinese)

[6] 王淑英, 樊廷錄, 李尚中, 等. 生物降解膜降解、保墑增溫性能及對玉米生長發育進程的影響[J]. 干旱地區農業研究, 2016,34(1):127-133.

WANG Shu-ying, FAN Ting-lu, LI Shang-zhong, et al. (2016). Property of biodegradable film degradation，water-retention and increasing soil temperature and its impact on maize growth and development process [J].AgriculturalResearchintheAridArea, 34(1):127-133. (in Chinese)

[7] 嚴昌榮, 王序儉, 何文清, 等. 新疆石河子地區棉田土壤中地膜殘留研究[J]. 生態學報，2008，28(7)：3 470-3 474.

YAN Chang-rong, WANG Xu-jian, HE Wen-qing, et al. (2008). The residue of plastic film in cotton fields in Shihezi, Xinjiang[J].ActaEcologicaSinica, 28(7): 3,470-3,474.(in Chinese)

[8] 龔雙鳳, 楊濤, 陳寶燕, 等. 地膜降解與土壤溫度和含水量的關系及其對棉花產量的影響[J].西北農業學報, 2015,24(4):62-68.

GONG Shuang-feng, YANG Tao, CHEN Bao-yan, et al. (2015). Film degradation related temperature and moisture of soil and its response on cotton yield [J].ActaAgriculturaeBoreali-occidentalisSinica, 24(4):62-68. (in Chinese)

[9] 何文清, 趙彩霞, 劉爽, 等. 全生物降解膜田間降解特征及其對棉花產量影響[J].中國農業大學學報, 2011,16(3):21-27.

HE Wen-qing, ZHAO Cai-xia, LIU Shuang, et al. (2011). Study on the degradation of biodegradable plastic mulch film and its effect on the yield of cotton [J].JournalofChinaAgriculturalUniversity, 16(3):21-27.(in Chinese)

[10] 尹光華, 佟娜, 赫亮, 等. 不同材料膜覆蓋對地溫和花生葉片光合作用的影響[J]. 干旱地區農業研究, 2012,30(6):44-50.

YIN Guang-hua, TONG Na, HE Liang, et al. (2012). Effects of mulching with film of different materials on soil temoerature and photosynthsis of peanut leaf [J].AgriculturalresearchintheAridAreas, 30(6):44-50. (in Chinese)

[11] 吳從林, 黃介生, 沈榮開. 光-生雙降解膜覆蓋下的夏玉米試驗研究[J]. 農業環境保護, 2002, 21(2): 137-139.

WU Cong-lin, HUANG Jie-sheng, SHEN Rong-kai. (2002). Experimental study on summer corn mulched by photo-biodegradable polyethylene film [J].Agra-EnvironmentalProtection,21(2):137-139. (in Chinese)

[12] 陳玉華, 張歲岐, 田海燕, 等. 地膜覆蓋及施用有機肥對地溫及冬小麥水分利用的影響[J]. 水土保持通報, 2010,30(3):59-63.

CHEN Yu-hua, ZHANG Sui-qi, TIAN Hai-yan, et al. (2010). Effects of plastic mulch and manure on soil temperature and water consumption of winter wheat [J].BulletinofSoilandWaterConservation, 30(3):59-63.(in Chinese)

Supported by:Special Fund for Agro-scientific Research in the National Public Interest"comprehensive treatment technical solution of film pollution"(201503105)；Science and Technology Program of Shi hezi in the Eighth Division of Xinjiang Production and Construction Corps "Cotton film pollution agricultural technology research and demonstration"(2014NY02)；The Ministry of Agriculture Key Laboratory of Dryland Agriculture Program "Study on the effects of biodegradable film mulching on soil environment，yield of cotton"(2016KLDA02)

Probe into Degradable Plastic Film Mulching during Cotton Safety Period under Drip Irrigation in Northern Xinjiang

LI Jun1,2, HE Wen-qing1, LIU Xiao-wei2, LI Zhi-qiang2,TIAN Ling-zhi2, ZHU Chun-mei2, Lü Jun2

(1.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalScience,KeyLaboratoryofDrylandAgriculture,MinistryofAgriculture,Beijing100081;2.ShiheziAcademyofAgriculturalScience,ShiheziXinjiang832000,China)

【Objective】 To make clear plastic film mulching cotton safety period and study the effects of different degradation films on soil temperature, moisture and the yield of cotton under drip irrigation. 【Method】The experiment set up 5 treatments with 3 repeated times, T1-T4 treatment was for the degradation of plastic film processing, and T5 was for ordinary plastic film processing.【Result】The results showed that: the laying of eighty-fifth days (July 17th) T1 treatment, plastic film was completely degraded and only partially degraded by T2 treatment. However, degradation began after 130 days (August 31) later by T3 treatment. T4 treatment made no degradation at all. The soil temperature was increased in April, May and June between 55.4% - 62.6%, 14.3% - 23.5% and 9.6%-14.2%, by all treatments, in July it did show warming effect; and water retention performance of the membrane was not associated with its thickness and degradation rate, among them, T4 treatment produed the best water retention. Plastic film was laid 85 days ago, the plastic film degradation time was inversely proportional to cotton growing development and yield. And 85 days later, the film was not degraded by T3, T4 and T5 treatment, which showed no significant difference in cotton yield.【Conclusion】In summary, the plastic degradation time 85 days after the cotton flowering period can effectively exert the soil warming effect to achieve the stable production.

degradable mulch film; safety period; temperature; moisture; yield of cotton

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.02.002

2016-11-26

國家公益性行業(農業)科研專項“殘膜污染農田綜合治理技術方案”(201503105)；新疆生產建設兵團第八師石河子市科技局項目“棉田地膜污染農藝治理技術研究與示范”(2014NY02)；農業部旱作節水農業重點實驗室基金“降解地膜對棉田土壤環境及棉花產量影響研究”(2016KLDA02)

李君(1988-)，女，助理研究員，碩士，研究方向為綠洲資源高效利用，(E-mail)lijun11042@126.com

呂軍(1969-)，女，副研究員，研究方向為農田污染及節水農業

S562

A

1001-4330(2017)02-0206-07