降解地膜降解后對土壤增溫保墑及棉花生長的影響

崔磊，王斌，孫九勝，胡偉，周經綸，王金鑫， 祁通，黃建，王新勇

(1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所/農業部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室，烏魯木齊 830091； 2.山東大學化學與化工學院特種功能聚集體材料教育部重點實驗室，濟南 250100)

0 引 言

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2016年4月在昌吉州佳弘農場進行。試驗地土壤類型為灰漠土，質地為中壤，前茬作物為棉花。年降水量為255.2 mm，年平均氣溫7.0℃，無霜期約170 d。試驗田0～20 cm耕層土壤含有機質18.6 g/kg，堿解氮106.20 mg/kg，速效磷25.44 mg/kg，速效鉀237.11 mg/kg，土壤pH為8.02。

試驗設氧化-生物雙降解地膜覆蓋TZ1、TZ2、TZ3、普通地膜(CK)對照，共4個處理，每個處理3 次重復，小區面積為20 m×7.5 m=150 m2。每小區分為地膜取樣區與棉花生育性狀調查區(長度各10 m)。

供試氧化-生物雙降解地膜由山東天壯環保科技有限公司生產，普通地膜(CK)由新疆當地企業生產。試驗用普通地膜和氧化-生物雙降解地膜寬均為205 cm，厚度為0.008 mm。氧化-生物雙降解地膜TZ1、TZ2、TZ3分別為3種不同配方、不同降解時間，設計的降解速率為依次遞減。

棉花供試品種為新陸早57號，采取膜下滴灌兩膜十二行種植模式。2016年4月28日播種，5月6日出苗，10月10日采收。棉花整個生育期灌溉 10 次，總灌水量 4 200 m3/hm2。肥料施用量分別為N為240 kg/hm2，P2O5為90 kg/hm2，K2O為90 kg/hm2。

1.2 方 法

1.2.1 圖像數據采集及提取

圖像數據采集：從4月28日覆膜起，分別在5月30日、6月20日、7月11日、8月10日、9月15日、10月2日對地膜降解情況進行攝照。操作步驟：清理膜上雜物，放置自備3 cm×3 cm的有色硬質卡片，標注拍攝時間、地點、作物、處理，用數碼相機垂直照相，距離地面20 cm。所得照片應用地膜孔洞面積快速提取軟件V3.0提取降解面積，計算地膜降解率。

1.2.2 農田土壤溫度、水分測定

醫院作為居民生活的重要場所，它的布局對居民的生活便捷度也是很重要的，所以居民也往往關注自己居所附近是否有便捷的醫院場所。由圖1可知，房價受醫院的影響程度由中心城區向四周逐漸降低，中心城區在其他各種基礎設施完善的條件下，醫院的布局對小區鄰里環境的重要性比較大。

采用L99-TWS-3型土壤溫濕度記錄儀對0～10 cm土壤溫度進行測定，從地膜覆蓋當天起每隔2 h測定一次，連續測定直至作物收獲。

1.2.3 棉花產量測定

棉花吐絮后于10月3日測產。各小區隨機選定2.5 m2分三次進行測產，同時取60朵棉花樣測單鈴重，計算理論產量。棉花晾干后室內軋花考種，計算衣分。

1.3 數據處理

數據處理和分析在Excel 2003和SPSS 11.5軟件中進行，作圖采用Sigmaplot 10.0。

2 結果與分析

2.1 棉花生物學性狀及產量構成

2.1.1 棉花產量及產量構成因素

研究表明，TZ1、TZ2、TZ3處理棉花的單株鈴數、單鈴重、衣分及棉花產量無顯著差異；單株結鈴數以CK與TZ3處理最少；TZ1單鈴重最小，其產量也最低，相比CK減產0.45%。TZ2與CK相比增產4.73%，TZ1、TZ3與CK產量接近，但TZ3皮棉產量和衣分最低。各處理產量差異不顯著，依次為TZ2>TZ3>TZ1。表1

表1 棉花產量及產量結構

Table 1 Yield and yield components of cotton

處理Treatment單株結鈴數Boll numbers per plant(個)單鈴重Boll weight(g)籽棉產量Seed cotton yield(kg/hm2)皮棉產量Lint cotton yield(kg/hm2)衣分Lint percentage(%)增產率(%)CK5.0±0.1a5.01±0.13a4 712±132a1 838±51a39.0aTZ15.1±0.2a4.89±0.10a4 691±254a1 862±101a39.7a-0.45TZ25.2±0.1a5.02±0.11a4 935±58a1 954±23a39.6a4.73TZ35.0±0.1a5.05±0.06a4 715±81a1 834±32a38.9a0.07

注：表中列內不同小寫字母表示不同氧化-生物雙降解地膜棉花產量及產量構成因素差異顯著(P<0.05)

Note: The different small letter in column yield and yield components of cotton of the different -biodegradable plastic films significant (P<0.05)

2.1.2 棉花株高與莖粗

6月各處理棉花株高無顯著差異，以TZ3處理棉花植株最高。8月，TZ3處理棉花株高最高，顯著高于TZ1、TZ2處理，但與CK處理無顯著差異。

6、8月各處理下棉花莖粗無顯著差異。其中，6月各處理棉花莖粗以TZ2膜下莖粗最大，CK膜下莖粗最小；8月，棉花莖粗以TZ1、TZ3處理最大，CK最小。表2

表2 棉花株高及莖粗

Table 2 Height and stem diameter of cotton

處理Treatment株高 Plant height (cm)莖粗 Stem diamete (cm)6月8月6月8月CK31.6±5.8a73.8±8.4ab0.68±0.10a1.21±0.21aTZ128.7±4.5a68.3±10.8b0.70±0.16a1.29±0.18aTZ230.7±3.6a70.6±7.7b0.73±0.09a1.25±0.24aTZ331.9±5.4a76.2±7.2a0.72±0.23a1.29±0.22a

2.2 地膜降解率

研究表明，對照CK在全生育期均未發生降解。3種氧化-生物雙降解地膜在鋪設33 d時幾乎沒有發生降解；在54 d時，TZ1降解率為28%～45%，而TZ2降解率為1.6%～5.2%，TZ3降解率小于0.2%；在75 d時，TZ1降解率為76%～95%，TZ2降解率為8.6%～13.6%，而TZ3降解率不足1%；在105 d時，TZ1降解率為100%，而TZ2降解率為25.7%～33.7%，TZ3降解率僅1.0%～1.7%；在141 d時， TZ2降解率為36.8%～40.5%，TZ3降解率小于3%；在158 d時，TZ2降解率為56.7%～66.2%，而TZ3降解率不足5%；圖2為不同月份3種氧化-生物雙降解地膜圖片。圖1

圖1 氧化-生物雙降解地膜降解率

Fig.1 The degradation weight loss of oxo-biodegradable mulching film

圖2 不同月份氧化-生物雙降解地膜

Fig.2 Pictures of oxo-biodegradable mulching film different months

在棉花收獲時，3種氧化-生物雙降解地膜中TZ1完全降解，TZ2部分降解，TZ3降解率不足5%，對照處理在全生育期均未發生降解，對照處理無法用相應的函數描述其降解速率與鋪設時間的關系，而3種氧化-生物雙降解地膜可以用多項式描述降解速率與鋪設時間的關系。根據擬合曲線，理論上當降解面積比率達某一數值時，3種氧化-生物雙降解地膜所需時間如表3所示。即在棉花生育期內，當TZ1、TZ2降解率達20%時，所需時間分別為42、95 d；當降解率達50%時，TZ1、TZ2兩種不同降解時間的氧化-生物雙降解地膜分別需要58、147 d；而TZ1氧化-生物雙降解地膜在棉花生育期內完全降解時所需時間至少100 d。表3

表3 降解膜不同降解率所需時間(d)

Table 3 Time required for different degradation rates of degradable film

20%35%50%65%80%100%TZ14250586779100TZ295123147167184206TZ3298382449506557618

2.3 氧化-生物雙降解地膜下0～10 cm土壤溫度和濕度

2.3.1膜下0～10 cm土壤溫度

研究表明，CK膜處理土壤0～10 cm土壤溫度最高，但其標準差也最大。TZ1、TZ2、TZ3膜處理在膜內0～10 cm溫度基本保持一致，平均溫度為23.5～24.7℃，其中以TZ1平均溫度最低，可能是由于TZ1基本完全破裂，導致其保溫性能降低。由降解膜降解率可知，TZ1降解最快，TZ2其次，TZ3幾乎沒有發生降解，這跟土壤溫度的趨勢是一致的。圖3，表4

圖3 膜下0～10 cm土壤溫度

Fig.3 Soil temperatures at 0-10 cm soil depth

表4 膜下0～10 cm土壤溫度與水分

Table 4 The soil temperature and soil moisture at 0-10 cm soil depth

類型Typrs平均溫度(℃)Average temperature平均濕度(%)Average relative humidityCK25.1±6.5a26.9±3.1aTZ123.5±1.5c24.0±3.3bTZ224.1±2.1b24.3±4.2bTZ324.7±2.2a25.7±5.9a

2.3.2 膜下0～10 cm 土壤濕度

在7、8月，從各處理膜內0～10 cm平均濕度數據看，CK、TZ1、TZ3膜下平均相對濕度介于24.3%～26.9%，其中TZ1膜下相對濕度最小，約為24.0%，說明TZ1保墑能力最差；CK土壤平均濕度最高，其保墑性能最好；在TZ系列三種降解膜中，TZ1和TZ2的平均濕度接近并顯著低于TZ3，這與TZ1、TZ2降解膜均已發生大面積破裂而TZ3幾乎沒有發生降解是相符的。 圖4，表4

在耕層0～10 cm內CK和TZ3的保溫保墑能力最好，而TZ1膜下平均溫度、平均相對濕度均低于TZ2，表明TZ1膜大面積降解后土壤保墑能力最差。

圖4 膜下0～10 cm土壤濕度

Fig.4 Soil moisture at 0-10 cm soil depth

3 討 論

目前降解膜常用評價指標有外觀、微生物生長程度、粘均分子量、紅外光譜儀所測羰基指數、質量等。王曉杰[11]等對這些評價指標的適用性進行探討,但由于這些指標的檢測需要專業機構進行檢測，而對于生物降解地膜的實際使用者應用起來缺乏可操作性。有研究[4,12-13]應用目測法將地膜降解過程分為誘導期、破裂期、崩解期、殘存期、消失期5個階段。但地膜的降解是一個持續的過程，在地膜降解的5個時期間沒有明確的界限從而存在一定的局限性。采用數碼相機/手機，通過在固定位點連續拍攝地膜的降解圖片，應用地膜孔洞面積快速提取軟件，能夠簡單、快速、有效的剔除人為因素造成的地膜損傷，獲取不同時間內地膜的降解率。

通過擬合鋪膜時間與降解率得到擬合方程，即可算出該配方降解地膜的降解時間。對照CK在全生育期均未發生降解，無法用相應的函數描述其降解速率與鋪設時間的關系，而3種氧化-生物雙降解地膜可以用多項式描述降解速率與鋪設時間的關系。當生物降解地膜降解率為20%時，可以認為該地膜基本失去了增溫保墑性能。此時，TZ1、TZ2種配方的降解地膜分別需要42、95 d。而地膜達到50%降解時，分別需要58、147 d。因此，可以提前預測不同配方的降解地膜的降解周期，以便對農事操作進行指導。

生物降解地膜的降解不僅與其原材料有關，還受到光照、溫度、水、土壤微生物等眾多外界因素的影響[14]。生物降解地膜降解后對土壤增溫保墑性能降低，將會影響耕層土壤溫度水分及作物的生長發育。與對照相比，6、8月棉花株高、莖粗均無顯著差異，收獲期各降解膜處理棉花產量也并無顯著減產或增產。

4 結 論

4.1 氧化-生物雙降解地膜下平均溫度為23.5～24.7℃，平均相對濕度24.0%～25.7%，TZ1、TZ2兩種氧化-生物雙降解地膜增溫保墑性能在降解后顯著低于與常規膜，而TZ3與常規膜無顯著差異。與常規膜相比，不同配方的氧化-生物雙降解地膜增產率介于-0.45%～4.73%，對棉花產量無顯著影響。

4.2 不同配方的氧化-生物雙降解地膜，開始降解的時間及降解速度差異顯著。TZ1在棉花尚未成熟時已完全降解成微小碎片并最終分解消失在土壤中，TZ2在收獲時(鋪設158 d)已降解56.7%～66.2%，而TZ3在棉花收獲時僅降解不足5%。