地膜降解特征對土壤水熱效應和玉米產量的影響

唐文雪，馬忠明

（1.甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，蘭州 730070；2．甘肅省農業科學院，蘭州 730070）

地膜覆蓋技術使我國玉米每年增產100億～150億kg，貢獻了相當于全國玉米總產量的5%～8%[1-2]。河西綠洲灌區是我國最大的雜交玉米制種基地，占全國制種面積的53%，制種量的60%[3]，該區玉米制種業的持續發展對我國玉米產業的發展起到至關重要的作用。受水資源缺乏和積溫不足的影響，玉米生產中普遍采用地膜覆蓋栽培技術，呈現覆蓋面積大、覆蓋年限長、使用強度大、污染嚴重的特點[4-5]，大量的地膜殘留給農業生產以及農田生態環境帶來了嚴重的負面影響[6-7]。為此，地膜覆蓋技術合理利用和新型環境友好型降解地膜產品研制成為我國現代農業的新需求[1，8-10]。目前，降解地膜一般可分為光降解地膜、生物降解地膜、光/生物降解地膜三種類型[2]。近年來，我國降解地膜的研究和應用取得了長足進步。降解膜在新疆、河北、內蒙古、山西等地的棉花、玉米等作物上的研究表明，可降解地膜覆蓋能明顯改善土壤耕作層的水熱狀況，促進作物生長發育，其作用與普通地膜相當[10-13]。但由于區域氣候條件、作物種類、覆蓋方式等不同，其覆蓋后的降解特性以及作物產量的增減不一[8，14-16]，這給降解膜的研究推廣工作帶來了很大難度。河西綠洲灌區降解膜應用研究很少，李強等[17]和何增國等[18]研究僅局限在降解膜對土壤溫度、水分及玉米產量的影響方面，缺乏對降解膜降解性能、降解穩定性、適應性評價等方面的研究。本研究在河西灌區開展為期2年的田間試驗，研究評價降解性能的穩定性及其對土壤水熱效應和玉米產量的影響，以期為可降解地膜在河西灌區應用推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年4月至2017年3月在甘肅省農業科學院張掖節水農業試驗站進行。試驗站位于甘肅省河西走廊中部，土壤質地為沙質壤土，0～20 cm耕層土壤養分平均含量：有機質12.49 g·kg-1，全氮0.87 g·kg-1，速效磷 13.72 mg·kg-1，速效鉀 223.7 mg·kg-1，容重 1.39 g·cm-3，pH值 8.58。平均年蒸發量 2075 mm，年降水量不足130 mm，干旱指數達15.96，屬于典型的無灌溉就無農業的干旱灌溉地區，具有西北綠洲灌溉農業區的典型特征。

1.2 試驗材料與設計

水資源缺乏和春季積溫不足是玉米生產的限制因子。研究表明河西灌區在6月中下旬后，由于玉米田間郁閉度增大，地膜基本失去增溫效應[19]。為此，降解膜穩定期要達到60 d以上，并且具有較好的保墑效果及降解性能才能滿足生產及生態要求。本試驗選用的3種降解膜顏色均為乳白色。其中降解保水地膜由白山市喜豐塑業有限公司生產，為光氧化降解膜，由95%的聚乙稀加5%的光助劑和熱助劑制成。膜幅寬120 cm，厚度0.008 mm，穩定天數約60～90 d；可降解地膜BASF1和BASF2由德國巴斯夫股份公司青島分公司生產，為全生物降解地膜，主要成分為PBAT（己二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇酯的共聚物）。BASF1幅寬140 cm，厚度0.012 mm，穩定天數約90 d；BASF2幅寬 140 cm，厚度 0.010 mm，穩定天數約80 d；普通地膜由山東濟寧市唐口新華塑料制品廠生產，成分主要為聚乙稀，膜寬140 cm，厚度0.008 mm。供試玉米品種為豫玉22號，是本地主栽品種。

試驗采用隨機區組設計，小區面積為6.5 m×7.2 m，3次重復。試驗設5個處理，分別為露地對照（CK1）、普通地膜（CK2）、可降解保水地膜（降 A）、BASF2（降 B）、BASF1（降 C）。

各處理不施有機肥，施N 300 kg·hm-2，P2O5225 kg·hm-2。氮素用量的40%和全部磷肥作基肥。在玉米大喇叭口及吐絲期各施30%的氮素作追肥。氮肥為尿素（46.4%N），磷肥為重過磷酸鈣（44%P2O5）。生育期灌水量3600 m3·hm-2。全生育期灌水4次，分別于拔節期、大喇叭口期、吐絲期和灌漿中期灌水，每次灌水量占灌溉定額的比例為20%、30%、30%、20%。采用水表計量灌溉。

玉米采用全地面地膜覆蓋栽培，寬窄行模式種植。帶幅120 cm，寬行80 cm，窄行40 cm，株距24 cm，播深2.0～2.5 cm。播種密度67 500株·hm-2。玉米播種前一周覆膜。4月下旬播種，10月上旬收獲。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 不同地膜的降解性能測定

通過目測法和計算地膜質量損失法對田間覆蓋試驗降解膜降解性能、降解強度進行評價。

田間覆蓋試驗的目測評價法[12]：通過定期的人為肉眼觀測，記錄地膜顏色、形態以及表面完整性的變化情況。地面暴露部分的降解過程分為5個階段。具體評價標準如表1所示：

表1 降解膜田間降解觀測標準Table 1 The standard of degradable mulch in the field

地膜質量損失法：覆膜前分別量取10 m長降解地膜、普通地膜稱出質量，每種膜稱量3次，然后求其平均數；玉米覆膜后 30、60、90、120、150、170 d 在每個小區第2、5帶隨機選取3個1 m長覆膜段，收集地膜，洗凈、晾干、稱質量（1/10 000高精度電子天平測量），計算地膜質量損失率[20]。

地膜質量損失率（%）=（覆蓋前膜質量-覆蓋后膜質量）/覆蓋前膜質量×100。

1.3.2 土壤溫度測定

用WQG-16曲管地溫計（北京普特儀表成套廠）人工測定。將曲管地溫計在各處理內分3個層次（5、10、15 cm）埋設。從玉米播種至拔節后期每隔1 d在8：00、14：00 和 18：00 測定土壤溫度。苗期和拔節期1 d 測定 3 次的基礎上，在 6：00、10：00、12：00、16：00和20：00各加測5次。

1.3.3 土壤水分測定

采用烘干法對不同處理的土壤水分進行測定，測定時間為玉米播種前1 d及拔節期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿中期和收獲后，共6次。每小區分別在寬行和窄行中間各測定1個點，測定層次為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm 6 個層次，取 2 個點相同土層平均值為該處理相應土層的土壤含水量值，并根據各土層土壤含水量計算0～120 cm土層貯水量（W）。

式中：W為0～120 cm土壤水分總貯量，mm；wi為土壤質量含水量，%；ri為每層土壤容重，g·cm-3,每 20 cm采用不同容重；hi為分層厚度，為20 cm。

1.3.4 作物田間耗水量及水分利用效率的計算

本文采用農田水分平衡法計算作物田間實際蒸散量，由于試驗小區平整、地水位深、土層深厚且土壤質地均一，在試驗區很少產生深層滲漏和地下水補給。因此，作物田間耗水量（ET）的農田水分平衡方程為：

式中：ET 為階段耗水量，mm；P 為降雨量，mm；I為灌溉水量，mm；ΔW為計算時段內土壤貯水變化量，mm。

水分利用效率（WUE）的計算：

WUE（kg·hm-2·mm-1）=玉米產量（kg·hm-2）/耗水量（mm）

1.3.5 產量的測算

作物成熟后，各試驗小區取中間2帶進行測產，并折合成公頃產量。

1.3.6 數據處理與分析

用SPSS軟件對所得數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 降解膜降解性能

2.1.1 降解膜的田間降解情況評價

本試驗中供試的降解膜田間降解表現如表2所示。2016年3種降解膜誘導期、破裂期、崩裂期均比2015年提前2~3 d，碎裂期、完全降解期又推后幾天，這可能與5月15日嚴重霜害凍傷幼苗，使玉米生育時期推遲、田間郁閉度變化有關。從2年結果看，3種降解膜田間降解有差異，但變化不大，降解性能比較穩定，年際間具有可重復性。從玉米生育進程看，在覆膜30 d（苗期）左右，3種降解膜都很穩定，膜面光滑完整；覆膜60 d（大喇叭口期）左右，3種膜均變薄且彈性降低，膜面有小裂紋出現，膜面完整，具有良好的增溫保墑作用；覆膜90 d（吐絲期）左右，3種膜繼續變薄變脆，彈性進一步降低，裂紋變長；覆膜120 d（灌漿期）左右，膜面均無彈性，降A裂縫增長，膜面尚完整，降B和降C膜面裂縫加長增多，裂解成大碎塊，保墑效果變差。覆膜150 d（成熟期）左右，降A膜面破損較嚴重，降B 20%完全降解，部分緊附地面，一觸即破，部分完全碎裂，無法撿拾。降C 30%完全降解，部分緊附地面，60%碎裂成小碎塊，無法撿拾。由于河西地區降雨量少，蒸發量大，早春土壤溫度較低，要求降解膜有良好的增溫保墑效果，6月中下旬后，隨著玉米田間郁閉度增加，地膜基本失去增溫作用。僅從增溫角度考慮，降解膜有效功能期達到60 d即可滿足要求。但從保墑的角度考慮，在玉米整個生育期覆蓋時間越長則保墑效果越好。本試驗降A膜完全滿足玉米生育期增溫保墑作用，降B和降C基本能滿足要求，若進一步加強對其降解速度的控制，延長其有效功能期，則效果會更好。

表2 不同類型降解膜降解階段記錄（覆膜后天數d）Table 2 The degradation stages of different kinds of degradable film（d）

2.1.2 降解膜的降解強度

田間試驗中生物降解膜質量損失率的變化是用來衡量其在土壤中降解程度的主要指標。在適宜的溫度和濕度條件下，土壤微生物可對生物降解膜進行攻擊，加快其降解的過程，但由于降解膜成分和結構的不同，其在土壤中的降解速率各異。從圖1田間試驗結果來看，2015年3種降解膜都發生了不同程度的降解。其中降B和降C降解最快，降A降解速度最低。3種降解膜在灌漿前隨著覆蓋時間的增加，地膜質量損失率均平緩增加，覆蓋120 d時，降B質量損失率最高，為27.1%，其次為降C，為22.1%，降A最低，僅為6.6%。普通地膜雖有輕微破損，但沒有發生明顯降解損失現象，顏色和拉伸強度幾乎沒有變化。覆膜120 d后，降B和降C降解速度加快，質量損失率急劇增大。在覆膜170 d時，降B、降C損失率高達84.6%、94.0%，降A損失率為12.6%，普通地膜僅為6.2%。覆膜360 d時，降B和降C已完全降解，但降A地面還有大量碎塊存在。2016年3種降解膜降解強度大小與變化趨勢與2015年相似，只是在覆膜120 d前3種降解膜降解強度稍大，但覆膜120 d后降解強度稍低，這與目測法測得田間降解情況一致。

圖1 不同降解膜質量損失率變化Figure 1 Dynamics of weight loss ratio of degradable film

2.2 降解膜對土壤水分的影響

2.2.1 玉米土壤耗水量變化

土壤耗水量是衡量土壤水分收支平衡的重要指標。圖2為玉米生育期0～120 cm土壤耗水量的動態變化，從中可以看出，降解膜具有明顯的保墑效果，覆蓋降解膜使玉米各生育期土壤耗水量顯著低于CK1。隨玉米生育進程推進，降解膜保水效果變差，并且各降解膜降解速度不一樣，導致不同降解膜覆蓋下土壤耗水量不一致。在降A、降B、降C三種降解膜中，降A保墑效果最好，其次為降B和降C。降A在玉米拔節期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿中期、成熟期土壤耗水量顯著低于 CK1，平均降低 26.3、12.2、7.4、6.8、4.7 mm，隨玉米生育進程推進，耗水量降幅呈減小趨勢。降A在玉米灌漿中期前耗水量低于CK2，在玉米成熟期，由于地膜破損度增加，耗水量比CK2增加4.2 mm。降B和降C也具有較好的保墑效果，在玉米各生育期耗水量均低于CK1，在灌漿中期前與CK2差異不顯著，但隨降解膜破損度增加耗水量呈增大趨勢，收獲期耗水量顯著高于CK2。以上結果表明，降解膜膜面的完整性對于保墑效果具有決定作用，膜面越完整，保墑效果越好。土壤耗水量整體表現為降A

2.2.2 土壤含水率的垂直變化

圖3為苗期和收獲期不同處理0～120 cm土層土壤水分的變化。在苗期，0～20 cm土層不同處理土壤水分差異顯著（P＜0.05），降A土壤含水率較CK1、CK2提高34.6%、8.6%；降B、降C土壤含水率分別較CK1提高 14.5%和 21.8%，比 CK2降低 7.6%和1.8%。20～80 cm土層，隨土層加深，各處理含水率均呈緩慢下降趨勢，3種降解膜之間的差異性逐漸變小。80 cm土層以下，各處理含水率趨于穩定。說明不同地膜覆蓋對土壤表層含水率影響比較大，而對深層土壤水分的影響較小。在玉米收獲期，降解膜雖已變薄、脆化、碎裂，但此時降解膜仍有一定的保墑作用。在0～20 cm，各處理間含水率差異較小，降A含水率僅比CK1、CK2高2.3%、1.3%，降B和降C含水率相近，與CK1、CK2差異不明顯；在20～40 cm土層中，各處理間含水率差異達到最大。降A、降B和降C比CK1分別提高4.9%、2.9%、2.4%；與CK2相比，降A含水率僅降低0.7%，降B和降C降幅分別為2.7%、3.2%。之后隨土層加深，各處理含水率差異呈先減小后增大趨勢。說明收獲期不同地膜覆蓋對深層土壤水分的影響較大。3種降解地膜的穩定期在80 d左右，可保證玉米吐絲前需水要求，在生育中后期，降B和降C膜破損雖嚴重，但仍有保墑作用，可基本保證玉米灌漿期對土壤水分的需要。

圖2 不同處理0～120 cm土壤耗水量的變化Figure 2 The dynamic changes of soil water consumption of different treatments in 0~120 cm soil layer

圖3 不同處理土壤含水量的垂直變化Figure 3 The vertical changes of soil water content of different treatments in 0~120 cm soil layer

2.3 降解膜對土壤溫度的影響

2.3.1 土壤溫度的動態變化

土壤溫度在玉米前期生長中的作用十分重要。從圖4降解膜土壤溫度變化看，在玉米播種至6月上旬拔節期降解膜具有顯著的增溫效果。降A、降B、降C日均溫兩年均值比CK1高5.4、4.4、4.5℃，比CK2降低0.5、1.5、1.4℃。6月上旬玉米進入拔節期后，隨生育進程的推進，田間郁閉度逐漸增大，地膜的增溫效應弱化，降解膜與CK2及CK1的溫差變小，到6月中旬后，降解膜與CK2和CK1溫度趨于一致，覆蓋地膜已基本失去保溫作用。

2.3.2 土壤溫度的日變化

土壤溫度的日變化是1 d內土壤熱狀況的直接反應。從圖5看出，0～15 cm土層土壤溫度日變化以“S”型的形式由表層向深層土壤傳遞，以5 cm土層的溫度變化最為明顯，并隨著土層的加深變化幅度逐漸減緩。2015年在5、10、15 cm土層最高溫度分別出現在 14：00、16：00、18：00，土層每加深 5 cm 各處理土壤溫波位相依次推移2 h。在玉米苗期，各處理日溫差大，均達到12℃以上。并且降A日均溫度比CK1高5.6℃，比CK2僅低0.4℃。降B、降C日均溫度比CK1高4.2、4.1℃，但比CK2低1.8、1.9℃。玉米拔節期，由于田間郁閉度增大，土壤溫度的波動受太陽輻射的影響變小，各處理日溫差僅為3.0℃左右。降A、降 B、降C日均溫度僅比 CK1高 0.9、0.5、0.7℃，比CK2降低-0.4、0.4、0.1℃。由此說明，覆蓋降解地膜具有明顯的增溫、保溫作用，降A增溫效果和CK2相近，降B、降C稍低于CK2。隨生育時期推進，增溫效果減弱。

2.4 降解膜對玉米產量及水分利用效率的影響

2.4.1 對玉米產量及相關因子的影響

2015年、2016年玉米播種密度為67500株·hm-2，2年中玉米出苗整齊，各處理保苗數接近，相互間差異不顯著。另從表3可知，2年玉米產量及產量構成因子均表現為3種降解膜與CK2差異不顯著，但顯著高于CK1。2015年降A、降B、降C產量因子與CK1相比，穗長增加3.6%～9.4%、穗直徑增加10.2%～12.0%、穗行數多7.5%～11.6%、行粒數多8.3%～12.1%、百粒重提高14.4%～21.7%。降A、降B、降C產量分別比CK1增加47.0%、37.9%、39.8%，與CK2相比，降A產量增幅為2.5%，降B、降C產量僅比CK2降低3.9%和2.5%。從產量結果看，由于極端凍害天氣對玉米生長發育產生的影響，2016年玉米產量顯著低于2015年，但2年間各處理對玉米產量的影響趨勢一致。

2.4.2 對玉米水分利用效率的影響

由表4可知，2015年降A、降B、降C水分利用效率分別為 23.0、20.7、20.6 kg·hm-2·mm-1，比 CK1 顯著增加60.5%、44.7%和43.8%，但與CK2差異不顯著。2016年不同降解膜覆蓋下玉米水分利用效率變化趨勢與2015年相似。由此說明，降解膜通過減少水分蒸發、降低生育期耗水量、提高地溫，促進了玉米生長發育，最終顯著提高了玉米水分利用效率。

圖4 不同處理土壤溫度變化Figure 4 The dynamic changes of soil temperature under different treatments

圖5 不同處理土壤溫度日變化Figure 5 Daily changes of soil temperature under different treatments

3 討論

3.1 降解膜的增溫保墑性能

地膜的應用極大改善了農業生產條件，尤其是在增溫保墑方面。研究結果顯示，地膜覆蓋是水資源缺乏、積溫不足地區增加玉米產量和高效利用水資源的一項有效措施[21-22]，增溫保墑性能是降解膜能否應用于生產實踐的重要指標[23]。趙彩霞等[20]在新疆石河子研究提出棉花生育前期由于降解膜膜面完整，保溫效果與普通地膜相比差異不大。蘭印超等[24]玉米試驗結果表明可降解地膜和普通地膜的溫度變化沒有明顯差異，但高于露地栽培的溫度，且溫差較明顯；在試驗后期，可降解地膜和普通地膜的溫度開始逐漸接近于露地栽培的溫度。王淑英等[23]在甘肅旱區研究結果顯示生物降解膜保墑性能達普通地膜的90.4%～95.4%。本研究提出覆蓋生物降解地膜具有明顯的增溫作用，在玉米播種至拔節期，0～15 cm土層，降A、降B、降C土壤溫度僅比普通膜低0.5～1.5℃，6月中旬玉米進入拔節后期，降解膜和普通地膜的增溫效應弱化。降A膜灌漿中期前保墑效果優于普通膜，降B和降C的耗水量在玉米播種至灌漿中期與普通膜差異不大，之后顯著高于普通膜。本研究提出的降解膜的增溫保墑結果與以上前人的研究結果基本一致。只是在玉米灌漿中期前降A保墑效果優于普通膜，這和趙彩霞等[20]研究提出的“降解膜保墑效果明顯低于普通膜，平均低3～5個百分點”有差異，這可能與降A膜配方中含有保水材料及優化的生產工藝有關。另外玉米生育后期降解膜增溫效應降低至消失是由玉米田間郁閉度逐漸增大引起的，這與劉群等[11]研究提出的“在玉米拔節期后由于生物降解地膜的破損，保溫效果越來越弱”，與趙彩霞等[20]提出的“5月下旬隨降解膜破裂棉花膜內溫度迅速下降”的結論有一定出入，這可能與作物種類、田間郁閉度大小等有關。

表3 不同處理下玉米產量及產量構成因子Table 3 Yield and relevant factors of maize under different treatments

表4 不同處理下玉米水分利用效率Table 4 Water use efficiency of maize under different treatments

3.2 降解膜的降解性能

可降解地膜的降解強度、降解速度因原材料組成、地膜厚度、氣候條件等的差異而表現不同。何文清等[12]研究結果表明在河北試驗點，廣東上九公司提供的淀粉基全生物降解地膜A和B誘導期僅為20 d左右，覆蓋后30 d即出現嚴重的裂縫，至覆膜后60 d，膜A和膜B已完全降解為大的碎片，完全喪失了增溫保墑的功能，而新疆石河子由于氣候干燥，氣溫相對較低，降解地膜的誘導期階段長于河北試驗點，延長了其增溫保墑的功效期。趙愛琴等[10]研究結果表明，南京環綠降解塑料公司提供的生物降解膜覆蓋20 d（作物苗期）時邊緣首先出現2～3 cm的小洞，之后在雨水沖打下沿著小洞向周圍破裂；覆膜33 d時，地膜已經裂成塊狀，韌性減小。之后地膜在雨水作用下粘于土面，逐漸變薄，到作物收獲時畦面地膜全部降解。本研究提出A、B、C三種降解膜穩定期均比較長，在作物生育前期、中期地膜雖變薄變脆，但破裂度小，增溫保墑效果較好，對作物生長發育及產量影響較小。在灌漿后期降解迅速，覆膜150 d時降B、降C膜失重率高達52.2%、56.0%。在覆膜180 d左右已達到完全降解，對下茬作物的起壟播種不會有任何影響。3種降解膜中，降A增溫保墑效果最好，但降解速度慢，降解效果差，覆膜170 d時地膜失重率僅為12.3%，在第二年玉米播前土壤還有大量殘留地膜，覆膜360 d內存在降解不完全問題。本研究還發現，一種降解膜在相同區域相同栽培模式、管理措施等條件下，不同年份田間降解情況有一定差異，這與年度氣象條件差異有關[15-16]，但是否與2016年5月中旬極端凍害天氣對玉米產生凍害，進而影響作物生育進程、影響田間郁閉度有關，還需進一步研究。

3.3 降解膜的增產效果

曹玲等[25]研究提出玉米生育期內≥10℃的活動積溫與產量關系最為密切，是影響河西走廊綠洲灌區玉米產量的關鍵氣象因子，玉米產量隨≥10℃積溫的增加而提高。董平國等[26]在河西灌區研究提出制種玉米各生育階段對缺水的敏感程度由大到小依次為灌漿期、拔節期、苗期、乳熟期、抽雄期。說明玉米灌漿期土壤水分對玉米生長發育影響最大。本試驗3種降解膜具有良好的增溫保墑效果。降解膜A保墑效果最好，在玉米整個生育期土壤貯水量均高于普通膜，并且在播種至拔節期土壤溫度僅比普通膜降低0.5℃。降解膜B、C也具有良好的增溫保墑效果，在灌漿中期前與普通膜保墑效果差異不大，在播種至拔節期土壤溫度僅比普通膜降低1.5、1.4℃。本研究提出降解膜A、B、C比露地對照顯著增產42.2%、37.1%、38.3%，與普通膜相比，降解膜A增產0.6%，降解膜B和C僅減產3.0%和2.2%。3種降解膜產量與各自增溫保墑效應一致，并與申麗霞等[13]研究提出“可降解地膜產量比露地栽培產量增加35.1%，和普通地膜間差異不顯著”，與張杰等[27]研究提出的“普通地膜和生物降解膜處理的玉米產量比不覆膜對照分別提高20.0%和19.7%”的結論是一致的。

4 結論

河西綠洲灌區降A膜雖然增溫保墑效果好、產量高，但在覆蓋360 d內不能完全降解，并且其破碎度增大，造成殘膜撿拾困難。降B、降C膜具有完全降解性，并且降解性能穩定，與普通地膜對土壤保溫、保墑的效果及對玉米產量的影響方面沒有明顯差異。從環境安全、糧食安全方面考慮，降B、降C膜替代普通地膜應用于農業生產具有可行性。同時建議生產廠家加強對B、C降解膜降解速度的控制，延長其有效功能期。

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