降解地膜對南疆棉田土壤水熱及棉花產量的影響

吳鳳全，林 濤，祖米來提·吐爾干，鄧方寧，爾 晨，何文清，湯秋香*

（1.新疆農業大學農學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院經濟作物研究所，烏魯木齊 830091；3.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

地膜技術的使用極大改善了作物生長的土壤環境[1-2]，隨著地膜的長期使用，“白色污染”問題也日趨嚴重。大量的地膜殘留給農業及農田生態環境帶來嚴重的負面影響，造成耕地質量下降、作物減產及次生環境污染等一系列問題[3-6]。由于長期碾壓以及與土壤粘合等因素，目前，機械回收殘膜率很低[7-8]。因此，生物降解地膜是解決殘膜污染的理想途徑。研究表明，降解膜可代替PE地膜，有效減少殘膜污染的危害[9-10]，但降解地膜降解性能與作物和區域環境有直接關系。目前，降解地膜存在降解不徹底、拉伸強度不夠及可控性較差等問題。前人研究表明，可降解地膜在玉米[11-12]、棉花[13]、馬鈴薯[14]等農作物中具有廣泛的應用，對作物增產、環境保護和農田的可持續發展有顯著效果。降解地膜增溫保墑的效果與PE地膜相當，能提高作物產量和水分利用效率[15]。袁海濤等[16]研究發現，降解地膜設定合理的誘導期，能使覆蓋生物降解地膜的土壤水分和溫度與PE地膜相當。在渭北旱塬地區，生物降解地膜與PE地膜覆蓋下，冬小麥干物質、水分利用效率及產量無顯著差異[17]。此外，降解地膜亦存在許多不足。董立國等[18]發現，降解地膜過早裂解對土壤溫度有一定影響，在玉米苗期，覆蓋降解地膜在25 cm內土壤溫度比普通PE地膜低14.1%；在喇叭口期，降解地膜在100 cm土層內土壤水分比普通PE地膜低13.1%；降解地膜種植的玉米產量明顯低于PE地膜，減產27.2%。新疆地區降解地膜方面的研究相對較晚，朱友娟等[19]在南疆地區研究發現，覆蓋可降解地膜與無覆蓋地膜的棉田相比顯著增加籽棉產量，而覆蓋可降解地膜與普通PE地膜的籽棉產量無顯著差異。李君等[20]研究發現，新疆北部地膜鋪設85 d前降解與棉花生長發育及產量成反比，85 d后仍未降解的降解地膜對棉花產量無顯著差異。新疆北部與南部地區氣候條件和棉花的生育期均有差異，降解地膜存在問題較多，尤為缺乏與新疆自然條件和生態環境相適宜的棉田降解地膜產品。因此，本試驗針對目前新疆降解地膜主要問題，在南疆棉田引進降解地膜，開展降解地膜產品適宜性試驗，依據當地自然條件和生態環境，通過對田間降解觀察、土壤生長度日和耗水的測定以及對作物產量影響，對不同配方的降解地膜產品進行評價。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗區概況

試驗2017年4—10月在新疆阿瓦提縣新疆農業科學院實驗站進行（40°06′N，80°44′E，海拔 1025 m）。該區年均降水量46.4 mm，年日照時數2679 h，≥10℃年積溫3 987.7℃，無霜期211 d，屬典型暖溫帶大陸性干旱氣候，農業生產完全依賴灌溉。試驗區土壤質地為沙質壤土，有機質含量8.3 g·kg-1，全氮0.5 g·kg-1，速效氮58.4 mg·kg-1，速效磷35.4 mg·kg-1，速效鉀130.7 mg·kg-1。試驗田地下水位40～50 m，地下水不能補給到作物根系分布層，向上補給量忽略不計。

1.1.2 試驗材料

試驗選取3種氧化-生物雙降解地膜，分別為：天壯1號（T-1）、天壯2號（T-2）、天壯3號（T-3），及一種新型生物降解地膜（HS），并以PE普通地膜為對照，其中4種降解地膜主要成分是二元酸二元醇共聚酯（PBS、PBAT等）、聚羥基烷酸酯（PHA）、聚己內酯（PCL）、聚羥基丁酸酯（PHB）等，地膜幅寬205 cm，厚度為0.01 mm，穩定天數為50～90 d。供試棉花品種為新陸中54號。每個處理3次重復，采取隨機區組設計，小區面積6.5 m×7.2 m，種植模式采用一膜六行，行距配置：66+10 cm，株距為9.5 cm，密度27.7萬株·hm-2。棉田的日常管理按照傳統方式進行。2017年棉花生育期劃分見表1。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 地膜降解性能

通過目測法和計算膜失重率法對田間覆蓋試驗降解地膜降解性能進行評價。目測評價法[21]：肉眼觀測，記錄地膜形態以及表面完整性的變化。地面暴露部分的降解過程分5個階段，具體評價標準如表2。失重率法：覆膜后30、60、90、120、150 d各處理隨機選取100 cm×60 cm降解地膜和PE地膜，洗凈、晾干、稱質量計算降解率。

表1 2017年棉花生育期劃分（月-日）Table 1 Division of growth period for cotton in 2017

失重率（%）[15]=（降解前質量－降解后質量）÷降解前質量×100%。

1.2.2 田間地溫

用U型地溫計測定各地膜處理5 cm土層土壤溫度。

1.2.3 土壤含水量

采取TRIME-PICO-IPH TDR剖面土壤水分測定系統（德國），分別在棉花關鍵生育時期測定各小區同一水平線上寬行和窄行的 0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm土壤體積含水量（%），取土層平均值，利用公式[22]將土壤體積含水量轉換為土壤的質量含水量。

土壤體積含水量（%）=土壤質量含水量（%）×土壤容重

1.2.4 農田耗水計算[23-24]

式中：ET1-2為階段耗水量，mm；W為土壤儲水量，mm；hi為土壤深度，cm；ρi為土壤容重，g·cm-3；bi為土壤水分質量百分數；n為土層序號，i=10，20，30，…，60；M為時段內灌溉量，mm；P0為時段內的有效降雨量，mm；K為時段內的地下水補給量，mm，當地下水埋深大于2.5 m時可以不計（本試驗地下水埋深在5 m以下，故無地下水補給）。

耗水模數=各生育階段棉田耗水量/棉田總耗水量

1.2.5 土壤生長度日[25]

生長度日[26-27]（Growing degree days，GDD）是對作物生長發育有效的那部分溫度（研究區棉花溫度高于12℃）的總和，代表著植物生長期累積的熱量，它與植物的生長速度和生育階段有直接的關系，是衡量作物生長發育過程熱量條件的一種標尺，也是表征地區熱量條件的一種標尺。本研究利用土壤溫度計算土壤生長度日，計算方法如下：

式中：GDD為土壤生長度日，℃·d；Ti為一天中土壤平均溫度，℃；Tb為棉花的基點溫度，在該研究過程中取12℃；m為播種-吐絮期的時間，d。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2007和SigmaPlot 12.5計算并制作圖表。用DPS 7.05進行數據差異性分析，采用最小顯著法（LSD）檢驗試驗數據的差異顯著性水平。

2 結果與分析

2.1 棉田不同降解地膜降解情況分析

由表3和圖1可知，4種降解地膜降解率和降解程度差異較大。在棉花收獲后，HS和T-3進入了破碎期，地面無大塊殘膜存在，而T-1與T-2在棉花成熟后僅為破裂期。普通PE地膜在棉花收獲后出現裂紋。

降解的質量變化是衡量地膜降解程度的重要指標（圖1），試驗過程中T-3降解最快，在棉花進入蕾期時降解率達34.9%，而其他處理的降解率均低于15%。在棉花進入吐絮期時，T-3降解率達88.6%，其次是HS達到58.2%。T-1與T-2的降解率僅在18.0%左右。

表2 降解地膜田間降解觀測標準Table 2 The standard of degradable mulch in the field

表3 不同降解地膜降解情況Table 3 The degradation conditions of different degradable films

2.2 不同降解地膜對棉田土壤水分分布的影響

圖1 不同降解地膜降解率的變化Figure 1 Changes in weight loss rate of different degraded plastic films

圖2 降解地膜在棉田各生育期0～60 cm土壤水分分布狀況Figure 2 Soil moisture distribution at 0～60 cm of degradable film in cotton field in each growth period

圖2表明，不同處理在棉花關鍵生育時期內的土壤含水量隨土壤深度的增加呈現先增大后減小再增大的變化趨勢。從苗期0～60 cm土層中的平均土壤含水量來看，PE和HS兩個處理明顯高于其他3個處理。在垂直方向上0～20 cm土層，各處理的土壤含水量相對較低，為15.0%～16.5%；在20～40 cm土層中，HS的土壤含水量明顯低于其他處理，為19.5%～21.0%。在蕾期，0～60 cm土層平均土壤含水量HS與PE較大在21.5%左右，但T-1、T-2和T-3的土壤含水量在17.9%左右，土壤水分分布狀況與苗期的趨勢基本一致。在花期，各處理0～10 cm和40～50 cm土層處的土壤含水量較低，20～30 cm土層T-1、T-2及HS的土壤含水量較高，為21.0%～25.0%，而T-3和HS較低，為18.0%～19.5%。在鈴期，各處理0～60 cm土層的平均土壤含水量為T-1＞T-2＞PE＞T-3＞HS。在土壤水分分布上，0～20 cm土層處，T-1的土壤含水量較大，為18.0%～21%，而其他處理均低于T-1；20～40 cm土層處，T-3與HS的土壤含水量相對于PE較低，而T-1和T-2與PE比較差異不大；40～50 cm土層處的土壤含水量與0～20 cm土層處基本一致。綜上所述，降解地膜對棉田土壤水分含量及其分布具有較大的影響。在棉花生育前期HS的土壤含水量較高，其分布的均勻性較好。在棉花生育后期，T-1和T-2的土壤含水量較高，土壤水分均勻性分布好于其余3個處理，而T-3和HS的土壤含水量及水分分布均與PE接近。由此發現，降解地膜的降解程度對棉田土壤含水量及水分分布有著決定性作用，降解地膜的膜面保持越完整，棉田的土壤含水量越大，其均勻性越好。

2.3 不同降解地膜對棉花耗水量及耗水模數影響

表4為棉田生育期耗水的動態變化，降解地膜對棉田的階段耗水也有一定影響。在棉花苗期，棉田耗水量最大是T-2為36.9 mm，HS最小為17.3 mm，但在耗水模數上T-3最大為5.3%，最小的是HS為2.5%。在蕾期，棉田耗水量和耗水模數均為HS＞T-3＞T-2＞PE＞T-1，其中 HS為 154.7 mm、22.9%，PE 為 108.1 mm、15.9%，T-1僅僅只有99.3 mm、14.7%。在花鈴期，PE的耗水量和耗水模數最大為435.5 mm和64.1%，其次T-1為427.7 mm和63.6%。從棉花整個生育時期可以看出，T-1耗水較小為676.4 mm，T-3和PE的耗水量較大為688.2 mm和690.7 mm。這是因為T-1在棉花生長過程中降解較慢，減少了棉田的無效耗水。而T-3在蕾期后膜面遭到破壞，加快了土壤水分的蒸發，導致棉田的無效耗水增加。因此，降解地膜的降解程度對棉田耗水有著決定性作用。

2.4 不同降解地膜對棉田土壤溫度的影響

圖3表明，不同降解地膜土壤溫度均隨時間變化呈先減后增再減現象，但處理間變化幅度不同。在苗期，HS和T-1的土壤均溫較低，分別為18.6、18.9℃，其他3個處理均在20.5℃以上，且三者之間無顯著性差異。在蕾期，T-1、T-3、HS、PE 4個處理均達到最大值為32.1、31.7、31.9、32.1℃。蕾期后，各處理的土壤溫度在棉花成熟前均隨著時間延長呈現降低趨勢，且PE處理顯著高于其他處理。由此可以發現從棉花播種到成熟過程中，降解地膜在棉花苗期的保溫效果與普通PE地膜效果一致，但隨著時間的變化生物降解地膜逐漸降解，其保溫效果明顯低于普通PE地膜。

2.5 不同降解地膜對棉田土壤生長度日的影響

在棉花生長期間降解地膜能夠達到與普通PE地膜類似的增溫效果，但不同的降解地膜增溫效果不同，表5為不同降解地膜的土壤生長度日變化。在棉花播種到出苗期T-3的土壤生長度日最高為125.8℃·d，其次為T-2處理為123.1℃·d，最小的T-1處理為107.4 ℃·d，在分配比例上為T-3＞T-2＞HS＞PE＝T-1，其中T-3達到了6.1%，PE和T-1為5.2%。在出苗后期，各處理的土壤生長度日發生了變化為PE＞HS＞T-2＞T-1＞T-3，其分配比例為HS=T-2＞T-1＞PE＞T-3，其中PE的土壤生長度日及分配比例為648.5℃·d和27.6%，HS的為626.4℃·d和29.5%。在蕾期、花鈴期及吐絮期，PE處理的土壤生長度日明顯高于其他4個處理，但在土壤生長度日的分配上4種降解地膜處理與PE地膜之間沒有顯著差異。在棉花整個生育過程中土壤生長度日為PE＞HS＞T-2＞T-1＞T-3，其中PE處理為2 346.5℃·d，HS為2 123.7℃·d，T-3為2 052.2℃·d。由此發現，降解地膜在棉花生長前期具有增溫效應，能夠加快棉花苗期的生長，其中T-3增溫效果明顯。在蕾期以后各處理的增溫效應明顯低于PE處理，這是因為降解地膜降解后外觀變薄，緊貼地面，并非完全消失，仍然有一定增溫作用。

表4 不同處理棉花各生育階段耗水量及耗水模數Table 4 Water consumption and water consumption modulus of different treatment of cotton during each stage

圖3 不同生物降解地膜的土壤溫度變化情況Figure 3 Soil temperature changes of different biodegradable films

表5 不同處理棉花各生育期的土壤生長度日Table 5 Different soil GDD processing all growth stages of cotton

2.6 不同降解地膜對棉花產量及水分利用效率的影響

由表6看出，各地膜處理的降解情況及強度不同，籽棉產量及水分利用效率也存在顯著性差異，不同處理籽棉產量為 T-1＞PE＞T-2＞T-3＞HS。T-3 的產量為 6 190.2 kg·hm-2，PE 為6 639.5 kg·hm-2，二者無明顯差異。而影響籽棉產量主要的是單株結鈴數及單鈴質量，PE的單株結鈴數為6.8個，顯著高于其他處理，其次是T-1為5.7個，HS最低為4.4個。而在單鈴質量上，T-2＞T-1＞T-3＞PE＞HS。在水分利用效率上，T-1比T-3和PE分別高20.7%、7.1%，而PE與T-3相比無明顯差異，其水分利用效率為9.8、8.7 kg·mm-1·hm-2。由此發現，降解地膜T-1的籽棉產量及水分利用效率高于普通PE地膜，而覆蓋降解地膜T-3在籽棉產量和水分利用效率上也能達到普通PE地膜增產的效果。

3 討論

3.1 降解地膜對增溫保墑性能的影響

地膜的使用改善了農業生產，尤其是在增溫保墑的效果上，地膜覆蓋是為水資源缺乏、積溫不足的地區增加作物產量和水分利用效率的一項有效措施[28，39]，增溫保墑是降解地膜能否應用于生產實踐的重要評價指標之一[30]。趙彩霞等[31]在新疆石河子研究提出，棉花生育前期由于降解地膜膜面完整，保溫效果與普通地膜相比沒有明顯差異，而在保墑效果上，國內提供的3種降解地膜明顯低于普通地膜，平均低3%～5%，可能是降解地膜破裂較早，使土壤含水量明顯降低造成的。王淑英等[30]在甘肅旱區的研究結果為作物生育前期0～25 cm土層生物降解地膜的平均溫度比普通地膜低0.85℃，比露地高1.91℃，生物降解地膜與普通地膜在提高土壤溫度方面有著一致的效果，但增溫效果稍差，而保墑性能達到普通地膜的90%以上。蘭印超等[32]的玉米試驗結果為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，到試驗播種后的第58 d，各處理的溫度沒有明顯差異。本研究發現覆蓋降解地膜具有增溫效果，從降解地膜對土壤生長度日變化來看，降解地膜能夠在棉花生長過程中起到與普通地膜相似的效果。在棉花播種到出苗期T-3的土壤生長度日和分配比例最高為125.8℃·d和6.1%。自出苗以后各處理的土壤生長度日及比例均發生了變化，但在全生育期的土壤生長度日PE處理最大，為2 346.5℃·d；HS其次，為2 123.7℃·d；T-3最低，為2 052.2℃·d。但從出苗期和苗期的日均溫度來看，在棉花出苗階段T-3的增溫效果較好，隨著棉花的生長，在苗期T-2的增溫效果與PE地膜相近。而在全生育期耗水情況上，PE的耗水量明顯高于T-1、T-2兩個處理，但與T-3基本一致。由此發現，T-1、T-2的保墑效果好于普通PE地膜，而T-3與PE差異不大。出現該現象的原因可能是T-1處理的膜面保持完整，具有良好的保墑效果。而T-3和HS地膜在生育后期發生了迅速降解，導致土壤水分蒸發較快，使土壤水分較多地散失在大氣中。

表6 不同處理棉花的產量及水分利用效率Table 6 Cotton yield and water use efficiency of different treatments

3.2 降解地膜降解性能的差異

降解地膜的降解性能隨著降解地膜的組成材料、厚度及當地的氣候條件等差異而表現不同。何文清等[21]在河北試驗點的研究發現，廣東上九公司提供的兩種淀粉基全生物降解地膜誘導期僅只有20 d左右，覆膜后60 d兩種地膜已完全降解為大碎片，喪失增溫保墑功能。趙愛琴等[33]研究表明，南京環綠降解塑料公司提供的生物降解地膜覆蓋20 d左右邊緣首先出現2～3 cm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。本研究發現T-3和HS在棉花生育前期破裂程度較小，具有較好的增溫保墑效果，對作物生長發育和產量的影響較小。在棉花生長后期T-3和HS降解速率增快，在棉花成熟時，降解率達到了88.6%和58.2%。而T-1和T-2增溫保墑效果較好，但降解速度慢，降解效果差，在棉花成熟時這兩種降解地膜的失重率僅有15.9%和13.4%，在第二年播種時已經全部降解，但是，此降解地膜受氣候等因素影響所表現出降解性能的穩定性還需要進一步研究。另外，目前棉花機械化采收已經日益普遍，機械采收易造成殘膜摻入棉花，從而降低棉花品質，解決此問題的關鍵是在棉花收獲期地膜完全降解。因此，這又是一個亟待解決的問題。

3.3 降解地膜對棉花產量及水分利用效率的影響

覆蓋降解地膜對棉花產量有一定影響。袁海濤等[16]研究發現，降解地膜對土壤水分、溫度和棉花生長的影響與普通地膜相當，未對棉花生長發育及產量水平產生顯著影響。趙彩霞等[31]研究發現，國內供試的A膜和B膜對產量影響較大，減產幅度在20%以上，供試C膜和對照的日本降解地膜都表現為增產趨勢。降解地膜對水分利用效率的影響，李強等[34]研究發現，覆蓋生物降解地膜的玉米水分利用效率與覆蓋普通地膜效果無明顯差異，而胡廣榮等[35]研究發現，覆蓋生物降解地膜的玉米水分利用效率與無覆蓋相比提高 4.9 kg·mm-1·hm-2。而本研究發現，覆蓋 T-1有利于產量和水分利用效率的提高。T-3和HS的產量和水分利用效率較低，出現這種現象的原因有可能是T-3和HS的降解程度較高，增加了棉田的無效耗水，不利于提高棉花產量和水分利用效率；而T-1、T-2與PE地膜的膜面保持較為完整，提高棉田的有效耗水，有利于水分利用效率的提高和棉花產量形成。由此可以看出，T-1和T-2雖然當年（當季）降解率不足20%，但棉花產量和水分利用效率與PE相當，甚至高于PE，如果其后能在土壤中降解，不污染環境，則更有利于取代普通PE地膜。

4 結論

在試驗中氧化-生物雙降解地膜天壯1號和天壯2號雖然增溫保墑的效果較好，其全生育期的土壤生長度日分別為2 074.8、2 099.3℃·d，而棉田耗水量分別為676.4、662.6 mm，有利于棉花產量和水分利用效率的提高，但在棉花收獲期間存在降解情況較差的問題，在機械回收過程中容易造成殘膜摻入棉花，從而降低棉花品質。而氧化-生物雙降解地膜天壯3號與新型生物降解地膜相比較，天壯3號降解效果較好，在土壤保溫、保墑的效果及對玉米產量的影響方面低于普通地膜，但沒有明顯差異。因此從農田殘膜污染方面考慮，天壯3號替代普通PE地膜應用于農業生產具有一定可行性。同時建議生產廠家加強對天壯3號降解地膜降解速度的控制，使該降解地膜具有更好的增溫保墑效果。