不同降解地膜降解性能及棉花應(yīng)用效果研究

張占琴，閆紫薇，楊相昆*，桑志勤

(新疆農(nóng)墾科學院作物所，新疆 石河子 832000；2.谷物品質(zhì)與遺傳改良兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.河北農(nóng)業(yè)大學，河北 保定 071000)

【研究意義】我國從上世紀70年代開始使用農(nóng)田地膜，推廣和發(fā)展速度非常快，目前地膜覆蓋面積已經(jīng)居世界第一位。使用地膜帶來巨大經(jīng)濟效益，同時也引起嚴重的“白色污染”。新疆地區(qū)殘膜污染尤為嚴重，據(jù)統(tǒng)計新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團殘膜污染的面積超過耕地面積60 %，且隨著地膜持續(xù)使用污染面積逐年增加，解決殘膜污染問題已刻不容緩。應(yīng)用和推廣可降解地膜是解決殘膜污染的重要途徑之一，誘導(dǎo)期是地膜降解可控性的關(guān)鍵因素，對降解地膜的推廣應(yīng)用具有參考價值。【前人研究進展】我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)用薄膜的主要成份是線性低密度聚乙烯(LLDPE)或低密度聚乙烯(LDPE)，分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，導(dǎo)致大量的地膜殘留，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，農(nóng)田肥力水平下降，影響作物生長發(fā)育，引起土壤次生鹽堿化的發(fā)生[1-5]。目前國內(nèi)外已經(jīng)開始推廣應(yīng)用可降解地膜。降解地膜在玉米[6-7]、棉花[3]、馬鈴薯[8]、大豆[9]等農(nóng)作物應(yīng)用后不僅增產(chǎn)作用良好，在環(huán)境保護和促進干旱、半干旱作區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展方面成果顯著。康虎等[10]、趙愛琴等[11]、沈宏等[12]、戰(zhàn)勇等[5]等學者研究了不同類型降解地膜的降解過程、探討影響可降解地膜降解的控制因素。【本研究的切入點】本文研究不同誘導(dǎo)期降解地膜在棉花上的應(yīng)用效果，闡明可降解地膜的田間降解過程。【擬解決的關(guān)鍵問題】尋找既能在前期起到保溫保墑作用滿足棉花生長需求，后期又能達到降解要求的可降解地膜品種，為可降解地膜的推廣和應(yīng)用提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤與氣候條件

新疆農(nóng)墾科學院作物所1～2號試驗地位于北緯44°19′，東經(jīng)86°03′,海拔442.9 m。試驗地為壤土，土壤有機質(zhì)含量28.0 g·kg-1、全氮含量1.76 g·kg-1、水解氮含量179 mg·kg-1、速效磷含量93.6 mg·kg-1、速效鉀含量670 mg· kg-1，土壤pH 8.08。當?shù)孛藁ㄉ?-8月份平均氣溫23.6 ℃，降雨總量94.2 mm。

為消除土壤殘膜對試驗的影響，試驗田每年均開展秋季殘膜機械回收和春季的人工拾撿工作，同時對土壤的殘膜量進行多點檢測，每年本實驗區(qū)的殘膜量均在50 kg/hm2以下，地膜殘片面積小于10 cm2，根據(jù)已有研究基礎(chǔ)和相關(guān)文獻報告，基本上不會對棉花的生長造成影響。

1.2 栽培技術(shù)措施

試驗于4月21日播種，4月22日滴水，5月6日放苗，7月12日棉花打頂尖。5月12日中耕第1次，耕深12～15 cm，6月3日中耕第2次，耕深14～17 cm。全生育期共灌水9次，灌水量4000 m3·hm-2。5月19日噴施縮節(jié)胺1.8 g/667m2，5月至8月用啶蟲脒、阿維菌素、甲維鹽等防治蚜蟲、紅蜘蛛、棉鈴蟲等，試驗田間管理和大田一致。

1.3 供試材料及試驗設(shè)計

供試地膜4種： CK(普通PE膜)，3種不同誘導(dǎo)期可降解地膜有BXS60、BXS90和BXS120，誘導(dǎo)期分別為60、90和120 d，幅寬為1.45 m。以普通PE膜為對照，對供試的3種誘導(dǎo)期可降解地膜進行了3次重復(fù)比較試驗。每個播幅3膜共5.1 m，1條膜(1.7 m)為一個小區(qū)，小區(qū)行長20 m，每個小區(qū)面積34 m2，試驗區(qū)總小區(qū)面積408 m2。

1.4 項目測定方法及統(tǒng)計分析

主要觀測不同地膜達到誘導(dǎo)期、A階段、B階段、C階段、D階段的時間，以及地膜破裂情況。誘導(dǎo)期指的是剛出現(xiàn)橫向小裂縫的時間；A階段是指誘導(dǎo)期之后，地膜開始出現(xiàn)自然1～2 cm微小裂口；B階段是指地膜出現(xiàn)2～20 cm裂縫；C階段是指地膜出現(xiàn)20～50 cm較大裂縫，且數(shù)量快速增多；D階段指地膜均勻碎裂，無大塊地膜存在。

降解地膜失重率(%)測定：取30 cm×40 cm大小不同誘導(dǎo)期的新膜各10塊，稱重后取平均值，基準值(G0)；試驗區(qū)內(nèi)在每個處理棉花中間大行，取同樣面積的地膜樣品3塊，室內(nèi)漂洗晾干。用萬分之一天平稱重(Gi)；失重率=(G0-Gi)/G0×100。

生理參數(shù)、干物質(zhì)等的測定：采用定點觀測記載棉花的生育期。取樣采用“相似株”法，從棉花出苗后17 d第1次取樣，之后每隔兩周取1次樣；每次取3株，用打孔法測量葉面積；然后將不同器官分開，風干后稱重，計算各時期生物產(chǎn)量；計算葉面積指數(shù)。

式中，Al為測點內(nèi)植株的總?cè)~面積，As為測點所占土地面積。

式中，L1和L2分別為先后2次測定的葉面積，T2和T1分別為后1次和前1次測定的時間。LAD的單位為m2·d。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同誘導(dǎo)期可降解地膜的降解性能

2.1.1 不同誘導(dǎo)期可降解地膜的外觀降解過程 BXS60開始破裂的最早，播后50 d進入誘導(dǎo)期，50～55 d內(nèi)滴灌帶上方的地膜出現(xiàn)垂直方向較長的裂縫，A和B階段連接非常緊，在 A階段之后的10～15 d內(nèi)破裂很快，進入C階段，播種后 60～70 d左右，部分地方的膜已達D階段，破裂為塊狀，降解較為徹底。BXS90播后82 d達到誘導(dǎo)期，82～87 d在滴灌帶上方的膜出現(xiàn)破裂垂直紋達到A階段，87～98 d內(nèi)到達B階段，在此后的15 d內(nèi)逐漸加速破裂達C階段，在播后的95～107 d內(nèi)破裂的較為完全，基本達到D階段。BXS120破裂時間更晚，與正常膜差別不大，未達到C階段。

表1 可降解地膜破損情況(鋪膜后100 d)

表2 可降解膜的單位面積失重率

2.1.2 不同誘導(dǎo)期可降解地膜單位面積的破損率 由表1可知，破裂首先在滴灌帶上方開始，當破損到一定程度后滴灌帶間的膜開始破裂，至鋪膜后100 d，不同處理的破損情況出現(xiàn)較大差異。CK在滴灌帶上方和滴灌帶間沒有明顯的破裂；BXS60破損率最高，滴灌帶上與滴灌帶間分別為49.1 %和58.3 %，BX90次之，滴灌帶上破損率34 %，滴灌帶間破損率36.8 %。

2.1.3 不同誘導(dǎo)期可降解地膜的單位面積失重率 不同處理播種后162 d和192 d的失重率調(diào)查結(jié)果表明(見表2)，BXS60降解性最好，可達46.5 %； BX90次之為38.19 %；BX120為18.2 %。

圖1 不同誘導(dǎo)期降解地膜對棉花株高的影響Fig.1 Effects of degradable plastic films in different induction period on cotton’s plant height

2.2 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對棉花生長及產(chǎn)量的影響

2.2.1 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對株高的影響 由圖1可見，棉花生長發(fā)育前期(出苗后59 d)不同處理棉花株高基本一致，之后覆蓋可降解地膜棉花株高略高于CK，不同誘導(dǎo)期降解地膜株高差異不顯著。成熟時BXS60株高與CK接近，BXS90和BXS120分別比CK高4.44和4.77 cm。

2.2.2 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對葉面積指數(shù)的影響 由圖2可見，降解地膜對棉花LAI影響顯著，棉花生長發(fā)育前期不同處理LAI較為接近，出苗73 d后降解地膜的LAI略高于普通地膜，BXS90、BXS60、BXS120和CK的LAImax分別為3.71、3.72、3.87和3.71，基本接近，出苗后101 d之后BXS90、BXS60的LAI略高于CK和BXS120，可見地膜的降解對于延緩棉花的衰老有緩解作用，促使棉花保持高LAI持續(xù)時間加長。

2.2.3 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對群體光合勢的影響 由圖3可知，不同處理棉花群體光合勢變化均呈單峰曲線，BXS60在出苗后101 d達到峰值，其它3個處理均在出苗后115 d，BXS90的峰值最高，其次為CK，BXS120的峰值最低，棉花全生育期群體總光合勢從大到小依次為BXS90(1.34×106m2d·hm-2)>CK(1.29×106m2d·hm-2)>BXS60(1.27×106m2d·hm-2)>BXS120(1.20×106m2d·hm-2)。由此可見地膜的適時降解，可緩解7、8月氣溫較高造成的膜下溫度偏高對棉花生長造成不利的影響，同時增加土壤的通透性，促進棉花生長發(fā)育，表現(xiàn)在棉花株高、光合勢等指標有增大的趨勢。

圖2 不同誘導(dǎo)期降解地膜棉花LAI的變化動態(tài)Fig.2 Change dynamics of LAI of degradable plastic films in different induction period

圖3 不同誘導(dǎo)期降解地膜棉花群體光合勢的變化動態(tài)Fig.3 Change dynamics of total photosynthetic potential ofdegradable plastic film in different induction period

2.2.4 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對干物質(zhì)積累的影響 由圖4可知不同處理干物質(zhì)積累呈S形，出苗59d之內(nèi)積累較慢，59～101 d積累較快，出苗后115 d干物質(zhì)積累趨于平緩。棉花全生育期BXS90和CK的積累曲線基本一致，BXS90干物質(zhì)積累出苗后59d開始略高于CK，出苗后115 d差距較為明顯，成熟時CK和BXS90的干物質(zhì)積累量分別為1301.90和1382.93 g·m-2。BXS60和BXS120在出苗后87d干物質(zhì)積累和CK有差異，BXS60高于CK，而BXS120低于CK，但二者在成熟時干物質(zhì)積累量都低于CK，分別為1191.47和1267.15 g·m-2。

成熟時BXS60干物質(zhì)積累較CK低，BXS90干物質(zhì)積累高于CK，由此可見，地膜適時降解能夠促進棉花干物質(zhì)積累，降解太早會影響棉花干物質(zhì)積累。

2.2.5 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響 由表3可知，不同處理棉花產(chǎn)量差異顯著，BXS90產(chǎn)量為5644.1 kg· hm-2高于CK的5334.1 kg· hm-2，BXS60產(chǎn)量為5099.46 kg· hm-2，顯著低于CK，而BXS120產(chǎn)量為5321.1 kg·hm-2，與CK接近。

圖4 不同誘導(dǎo)期降解地膜棉花干物質(zhì)的變化動態(tài)Fig.4 Change dynamics of dry matter accumulation of degradable plastic film in different induction period

不同處理產(chǎn)量差異主要表現(xiàn)在單株結(jié)鈴數(shù)上，單鈴重和株數(shù)各個處理之間差異不明顯，可見，地膜適時降解能夠促進棉花生長，增加單株結(jié)鈴數(shù)，而從提高棉花產(chǎn)量。BXS60在棉花出苗50 d后開降解，對棉花生長造成一定影響，從而產(chǎn)量低于CK，BXS120開始降解較晚，且地膜降解并未達到C階段，與覆蓋常規(guī)地膜效果基本一致。

3 討 論

影響地膜降解性能的因素很多，不同的生產(chǎn)廠家、原材料配方及誘導(dǎo)期設(shè)計等導(dǎo)致其降解性能不同。趙愛琴等[11]研究表明，作物苗期(覆膜20 d)膜邊緣出現(xiàn)2～3 cm的裂紋；33 d之后地膜裂成塊、逐漸變薄；作物收獲期，暴露在地表的地膜降解較完全，觀察不到明顯大塊地膜存在。何文清等[12]研究了的3種淀粉基全生物降解地膜的降解過程，在新疆試驗點地膜誘導(dǎo)期較晚，30～45 d左右可以達到，埋在土里180 d在降解率最高僅為31.2 %。沈宏等[13]研究表明不同降解地膜類型，誘導(dǎo)期不同，地膜降解受到作物生長發(fā)育進程影響，一般來說，9月中旬可達到C階段，收獲后完成光解階段。戰(zhàn)勇等[5]研究表明，誘導(dǎo)期早的可降解地膜在覆膜后25～30 d達到出現(xiàn)破裂垂直紋，降解比較徹底。誘導(dǎo)期晚的地膜品種在播種后35 d出現(xiàn)裂紋，65～80 d破裂較多，達到D階段后降解緩慢。申麗霞[14]研究了光降解地膜和生物降解地膜，分別在覆膜后30、40 d開始出現(xiàn)裂紋，70 d出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，90 d無大塊地膜存在，地膜質(zhì)量損失率分別為55.48 %、39.99 %。目前降解地膜的大田表現(xiàn)判斷定性的居多，通過傳統(tǒng)計空洞大小、數(shù)量等確定，對于地膜降解物理指標和定性的研究較少。溫善菊等[15]研究了4種可降解地膜在紫外光條件下的降解過程。張雪梅等[16]分析了PE-3和PE-4 2種降解膜在石河子、博樂地區(qū)降解過程和力學性能的變化。王星等[17]研究了普通地膜和3種可降解地膜的熱解過程及熱動力學特性。本研究中降解地膜的降解與上述學者的報道相似，降解地膜首先變薄變脆、然后出現(xiàn)孔洞，滴灌帶間的膜先開始降解。本研究通過單位面積破損率和單位面積失重率對地膜的降解性能進行評價，較科學系統(tǒng)的確定了降解地膜的降解過程。

表3 不同降解地膜膜棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的差異

降解地膜對于作物生長的影響，國內(nèi)有部分學者進行了研究，大部分結(jié)果表明降解地膜具有增溫保濕的功效，對作物生長發(fā)育影響較小或有促進作物生長發(fā)育的作用。康虎等[10]等研究表明生物質(zhì)可降解地膜在玉米生長的前50天具有較好保溫作用，保墑作用可維持70 d左右，覆蓋降解地膜能促進玉米生長，提高產(chǎn)量8 %左右。趙愛琴[11]的研究表明，覆蓋降解膜使玉米生育期提前，植株較高，葉面積指數(shù)較大，產(chǎn)量和普通膜差異不顯著。毛任釗等[l8]研究也表明，棉田覆蓋光降解地膜能顯著的改善土壤生態(tài)條件，且降解性能良好。本研究與上述研究結(jié)果一致。BXS90在棉花出苗后82 d開始降解，其LAI、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量均高于CK。

目前降解地膜的大面積推廣應(yīng)用仍存在一定問題，其中地膜降解的不可控性是關(guān)鍵難題。地膜降解性受光照、溫度等其它環(huán)境因素的影響較大，降解太早，地膜的保溫作用尚未完成，影響作物生長發(fā)育，造成田間雜草較多，增加人工成本。地膜開始降解時間太晚，地膜降解很難達進入C階段，當年的降解率太低。地膜降解成小塊，又不能完全降解時，給地膜的回收工作也帶了更大的難度。

4 結(jié) 論

可降解地膜誘導(dǎo)期在80 d左右，既能夠達到降解要求，又能促進棉花生長，提高棉花產(chǎn)量。表現(xiàn)在BXS90在棉花出苗后82 d開始降解，其LAI、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量均高于CK。BXS60在棉花出苗后50 d開始降解，60～70 d達到D階段，單位面積破損率和失重率最高，其影響棉花生長發(fā)育，棉花有減產(chǎn)趨勢。BXS120干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量與CK接近，但其降解性能較差，未能達到降解地膜的應(yīng)用效果。

新疆干旱半干旱氣候決定了新疆的節(jié)水農(nóng)業(yè)必須依靠膜下滴灌，必須借助地膜覆蓋的增溫保墑作用保證棉花等作物的正常成熟，但地膜大面積應(yīng)用后造成的“白色污染”越來越引起關(guān)注，因此本研究選擇降解地膜對棉花生長發(fā)育的影響、地膜降解性能方面開展科學研究，對于新疆農(nóng)田生態(tài)治理有重要意義。