降解地膜的降解性及其對土壤水分和棉花產量的影響

田玲枝,劉曉偉,呂 軍,何文清，李志強，張 媛，朱春梅，李 君，4*

(1.中國農業科學研究院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2.石河子農業科學研究院農業環境與可持續發展研究所，新疆石河子832000；3.新疆第八師石河子市農業技術推廣總站，新疆石河子 832000；4.紹興文理學院生命科學學院，浙江紹興 312000)

地膜覆蓋技術在新疆推廣多年，因地膜優良的功效與該地區特殊氣候環境需要已成為一項難以替代的技術之一[1]。然而，土壤中長期積聚的地膜數量大、分布廣泛，已成為新疆農田生產亟需解決的問題[2-4]。降解地膜的鋪設既可以達到覆膜的效果，最終又可在土壤中分解，起到了覆膜功效與減少土壤中地膜污染的雙重目的[5-6]。目前降解地膜在棉花、玉米、煙草、大豆等作物上均有應用并取得了良好的效果[7-9]，其覆膜的功效是增溫保墑抑制雜草生長，其中對土壤水分的保持是通過阻止土壤水分蒸發，使土壤蓄水[10]，但如果降解膜裂解過快，土壤表面失去物理阻隔，覆膜保墑作用減弱。因此，降解地膜的使用限制因素是作物生長時期地膜能否達到其功能性要求。國內外研究生產的降解地膜種類較多，但主要應用的是生物降解地膜、光氧降解地膜、光氧-生物降解地膜。筆者研究鋪設這3類降解地膜對土壤水分、棉花產量的影響，探討降解地膜的選擇，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，這對于未來可生物降解地膜的研究、生產和應用都具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1田間小區概況試驗于2016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84°58′～86°24′E、43°26′～45°20′N，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100.0～225.6 mm。供試土壤為灌耕灰漠土，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試驗設計與方法該試驗為田間小區試驗和室外模擬試驗，試驗處理一致，共設13個處理，3次重復。T1～T3為全生物降解地膜處理，T4～T6為光氧降解地膜，T7～T9為光氧-生物降解地膜，T10～T12為生物降解地膜，T13為對照普通地膜(PE)處理。采用地膜覆蓋和膜下滴灌技術，機械平作覆膜，于2016年4月24日覆膜播種，播幅為2.25 m，1膜6行，株距9 cm的種植方式，1膜3管。其他管理方式同大田。小區面積為52 m2(8.0 m×6.5 m)，供試作物為棉花(Gossypiumspp.)，供試品種為新陸早61號。

室外模擬試驗為同期于露天室外進行的地膜保墑試驗，培養時間120 d。每個培養杯裝土600 g，培養杯中加入同等重量的蒸餾水，然后將完整地膜覆蓋于培養杯內土壤表面，進行無遮擋暴曬，定期測定水分蒸發量，隨后補充水量至原始重量。

1.3樣品采集及測定

1.3.1地膜降解情況。分別在2016年覆膜后的37、43、57、64、72、90、107 d進行降解地膜定點觀察，于每條地膜相同位置放置相框(40 cm×40 cm)進行拍照。該試驗中5類降解地膜每類選一種地膜降解照片，選擇3次照片放置，共5組。

1.3.2保墑性能。保水率=W1/W×100%[11]，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)。該試驗于6月將完整地膜覆蓋于水杯，無遮擋暴曬15 d后測定。

1.3.3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50、90 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=ΔL/L×100%,式中，ΔL為地膜拉伸位移(mm),L為原始長度(mm)。與地膜降解情況照片保持一致，共5組數據。

1.3.4棉花產量。采用小區實收法測定。

1.4數據處理數據采用EXCEL 2007和SPSS 19.0統計軟件進行單因素方差分析(one-wayANOVA)。

2 結果與分析

2.1不同類型降解地膜的降解情況由圖1可知，隨著鋪設地膜的時間變化，T4、T8、T10處理的降解地膜在定點觀測處得出分別在43、57、57 d發生降解。其中T4、T8處理最初降解表觀現象是橫向裂紋，而T10處理膜面出現大面積的破碎，說明T10處理的地膜降解迅速，在橫向縱向均發生裂解；地膜鋪設90 d后，除PE膜外各處理地膜均發生降解，此時除了T8處理膜面裂紋變長，其余處理膜面均降解一半以上。綜上所述，各處理的降解地膜鋪設后不同天數均發生降解，其中T4處理光氧降解的地膜降解最早，而T10處理的生物降解地膜降解最迅速。

圖1 降解地膜降解情況Fig.1 Degradation of degraded mulch film

2.2不同類型降解地膜的韌性情況由表1可知，T1處理的橫向/縱向拉伸負荷在地膜鋪設50 d后分別顯著高于對照處理55.9%、16.7%，其他處理則低于對照處理；而此時地膜的橫向/縱向斷裂伸長率與對照處理相比分別顯著降低0～59.0%和12.3%～65.3%。各處理的地膜在鋪設90 d后橫向/縱向拉伸負荷、斷裂伸長率與對照處理相比顯著降低，其中T4、T10處理降幅較大；與鋪設50 d時的橫向/縱向拉伸負荷相比，其降低幅度分別為3.7%～60.4%和20.0%～48.6%，其中T1處理降幅最大；而各處理的橫向斷裂伸長率降低幅度分別為83.7%、80.7%、20.0%、37.3%、0，相應的縱向斷裂伸長率降低幅度分別為94.3%、86.6%、3.6%、74.0%、30.5%。由此表明，各降解地膜處理在鋪設90 d后韌性均大幅降低，并且T1、T4、T10處理橫向和縱向均發生裂解，而T8處理主要為橫向裂解。綜上所述，降解地膜鋪設后膜面均發生不同程度的降解，鋪設90 d后韌性均降低。

2.3降解地膜的保水性能由表2可知，T1、T2、T3、T11、T12處理的降解地膜厚度高于普通地膜(T13)，其他地膜與普通地膜厚度一致；然而各處理的保水性能表現為T13>T6>T8>……>T3>T11>T10，由此可知，地膜保持完整時地膜的保水性能與其厚度無關。觀測各降解地膜的降解時間表現為T9>T3>T1>…>T4，T4處理的地膜降解最早，但是T4處理的地膜保水性較好，表明地膜保水性能與降解時間無關。進一步分析表明，地膜的厚度、降解天數均與地膜的保水性能無顯著相關關系(P>0.05)。

表1 不同類型降解地膜韌性情況

表2 降解地膜保水性能

2.4降解地膜的土壤水分保持性能變化由圖2可知，培養期間PE處理的土壤水分蒸發量始終保持在較低水平，降解地膜T1～T3和T10～T12處理的土壤水分始終保持較高蒸發量，且在27 d內顯著高于其他各處理(P<0.05)；而其他各處理的土壤水分蒸發量在17～87 d在不同時段增長至峰值，并且在培養87 d后除T5處理外各降解地膜處理無顯著差異。其中T6、T7處理的土壤水分蒸發量在27～47 d迅速增加，隨后緩慢增長且顯著高于其他各處理(P<0.05)，并且在第67天達到峰值；T4、T8、T9處理的蒸發量在27～47 d增長緩慢，47 d后呈上升趨勢，并且均在87 d到達峰值。

進一步分析可知，T1～T12各處理的土壤水分蒸發量增長率峰值分別為67、67、67、57、77、37、37、77、87、67、67、67 d，而峰值后增長率變化無顯著差異。表明T1～T3和T10～T12處理的降解地膜在57～67 d發生降解，而T6～T7處理的地膜在37～47 d即發生降解，是降解最早的地膜，T9處理的地膜降解最晚。綜上所述，地膜破裂后即失去保墑作用，土壤水分蒸發量在地膜破裂達到峰值，其后與破裂程度無關。

圖2 不同降解地膜覆蓋的土壤水分蒸發量變化Fig.2 Changes of soil water evaporation of different degraded plastic films

2.5不同降解地膜對棉花產量的影響由表3可知，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、T4處理的株高、果枝臺數和產量均顯著低于其他各處理，且T1處理最低。進一步分析可知，T8、T10、T13處理與T1處理的株高相比分別增加2.8%、8.2%、8.2%，T10、T13處理與T8處理相比株高均增加5.3%。T8、T10、T13處理的產量無顯著差異，但均顯著高于T1、T4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 不同處理對棉花產量與產量構成因素的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

Note:Different lowercase alphabets in the same column represented significant differences at 0.05 level

3 討論

可降解地膜的降解速度和降解強度因原材料組成、生產廠家、誘導期設計等的差異而表現不同，該試驗中地膜的降解時間表現為43～107 d。該試驗中4類生物降解地膜，其中同一類型的降解地膜，由于材料不同，降解性能差異顯著，也印證了這點。劉曉偉等[12]研究表明，不同材料地膜降解時間不同，其對土壤含水量、土壤鹽分含量和產量都有一定程度的影響。覆膜能明顯改善土壤耕作層的水熱狀況，促進作物生長發育，可降解地膜在覆膜初期其作用與普通地膜相當。這是由于地膜覆蓋在土壤表面設置了一層不透氣的物理阻隔，土壤水分垂直蒸發直接受阻。然而隨著地膜的降解，在未出現明顯孔洞、破碎時，土壤水分蒸發量逐漸增加，直到地膜破裂，露出土壤表面，此時水分蒸發量達到峰值；其后盡管地膜破裂程度加大，但土壤水分蒸發量沒有顯著變化。在試驗期間，普通地膜始終保持較低水分蒸發量，表明降解地膜破裂后即失去其保墑作用。

前期試驗得出結論，在棉花封壟后降解的地膜即在棉花生長85 d后地膜覆蓋對土壤溫度無顯著增溫效應，其后降解對棉花株高、單鈴重、產量與普通地膜無顯著差異[13]。該試驗中，降解地膜對田間棉花產量的影響得出相同結果，封壟后降解的地膜不會造成棉花減產。

4 結論

(1)生物降解地膜降解時間早于光氧-生物降解地膜，該試驗中生物降解地膜最短覆蓋期為50 d，最長覆蓋期為72 d，光氧-生物降解地膜覆蓋期可達107 d。

(2)地膜的厚度、降解天數均與地膜的保水性能無顯著性相關關系。覆土條件下，隨著地膜的降解，土壤水分蒸發量逐漸增加，在地膜破裂時達到峰值，其后與破裂程度無關，即地膜破裂后失去其保墑作用。

(3)封壟后即85 d后，此時降解的地膜其棉花株高、單鈴重、產量與普通地膜無顯著差異。地膜已完成其增溫保墑作用。