生物降解地膜性能及對棉花產量的影響評價研究

馮歡 ，何文清*，張鳳華，劉琪，呂軍，劉曉偉

1. 石河子大學，新疆 石河子 832003；2. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業部旱作節水農業重點實驗室，北京 100081；3. 石河子農業科學研究院，新疆 石河子 832003

新疆屬于典型綠洲農業區，水資源是限制該地區作物生長的主要因素（Debaeke et al.，2004）。20世紀80年代，地膜覆蓋技術開始在新疆推廣應用，由于覆蓋地膜可以改善土壤水熱狀況，控制雜草，提高作物品質（Subrahmaniyan et al.，2012；江燕等，2014），其使用量及覆蓋面積快速增長，截至2016年，地膜使用量及覆蓋面積分別為22.87萬噸和340.52萬公頃（國家統計局，2017）。地膜已經成為新疆農業生產重要的生產資料之一。然而普通地膜主要成分為聚乙烯，具有不易分解、降解周期長等特性，故隨著地膜投入時間及投入量增加，殘留在土壤中的地膜越來越多，地膜殘留會影響作物出苗率及產量，降低土壤養分，促進土壤次生鹽漬化，造成環境污染（Briassoulis，2006；Scarascia- Mugnozza，2004；Liu et al.，2014；趙巖等，2017）。

可降解地膜被認為是解決殘膜污染的重要途徑之一。國內外研究應用的可降解地膜主要有生物降解地膜、光降解地膜、光/生降解地膜、植物纖維地膜、液態噴灑地膜。植物纖維地膜以天然可再生高分子纖維素為材料，可以實現廢棄資源再利用（纖維素大量存在于綠色植物中，每年近 89%的天然纖維素被浪費），但是由于其地膜厚度及透明度等指標未達到與普通地膜相當的程度，目前仍處于試驗研發階段（賈珊珊等，2011；李麗霞等，2012）。光降解地膜由于受外在因素制約較大，其埋入土壤的部分不能被降解，故其應用受到制約。光/生降解地膜降解后會形成塑料小顆粒，且人工不易清除，不利于農業的生態發展。液態噴灑地膜可噴灑于土壤表面后形成黑色環保固化膜，具有保墑保水作用，在微生物作用下可在一定時間內可自然分解為有機肥，提高土壤肥力，環保無污染（周昌明等，2016），但風吹、日曬等作用易造成液態地膜提前破損降解，削弱地膜保墑保水能力，最終會影響作物產量及質量（金虹等，2017）。與液態地膜相比，生物降解地膜覆蓋下葵花產量及干物質量增加更為顯著（胡敏，2018）。生物降解地膜含有淀粉和纖維素等可降解物質，在自然條件下可以被微生物分解利用，最終降解為二氧化碳和水等小分子物質，可以避免污染土壤環境，且眾多研究（白麗婷等，2010；Moreno et al.，2008）表明，覆蓋生物降解地膜對小麥、番茄等作物生長及產量的影響與普通地膜沒有差異，將其應用于烤煙作物時，作物產量高于普通地膜（王錫春等，2016；劉群等，2011）。因此，生物降解地膜代替普通地膜覆蓋被認為是解決農田地膜殘留污染的理想途徑，在農業生產中有巨大潛力，在日本和歐洲，生物降解地膜在地膜市場的份額已經達10%左右（嚴昌榮等，2016）。

棉花作為新疆主要種植作物之一，2015年種植面積達 227.3萬公頃（新疆維吾爾自治區統計局，2016），占全疆作物種植面積37.11%，覆蓋地膜可以使棉花產量增加14.7%－20.4%（董合忠等，2011），覆膜率幾乎達到100%，覆膜面積遠遠大于其他作物。因此，棉田地膜殘留量遠遠大于其他作物，據調查，新疆棉田中每年有 18 kg·hm-2的地膜殘留在土壤中，覆膜 20年后土壤中地膜平均殘留量高達(259.1±36.78) kg·hm-2（梁志宏等，2012；嚴昌榮等，2008；嚴昌榮等，2014）。以往研究（王錫春，2016；劉群，2011；顧海蓉，2009）主要集中于通過對比生物降解地膜與普通PE地膜對棉花土壤溫度，水分以及產量的影響，評價生物降解地膜的適應性，很少結合生物降解地膜本身的特性進行分析，不利于生物降解地膜的改進及推廣。本研究通過連續兩年定位試驗研究生物降解膜覆蓋對地膜田間降解情況、機械性能、土壤溫度特征及對棉花產量的影響，結合生物地膜的經濟效應判斷生物降解膜在棉花生產中的適宜性，為新疆棉田可持續生態生產提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年和2016年連續兩年在新疆石河子市農業科學研究院試驗地（43°26′－45°20′N，84°58′－86°24′E）進行，試驗區屬于典型的溫帶大陸性氣候，日照充沛，全年日照時數2074－2668 h，年平均氣溫約7 ℃，≥10 ℃的活動積溫為3570－3729 ℃。無霜期 168－171 d，年均降水量 125－207.7 mm。土壤肥力基本情況：有機質14.93 g·kg-1，全氮 0.92 mg·kg-1，有效氮 64.3 mg·kg-1，速效磷 15.9 mg·kg-1，速效鉀 138.2 mg·kg-1，pH 為 7.76。試驗田土壤類型為灰漠土，土壤質地為中壤。

1.2 實驗設計及材料

試驗包括兩個處理，每個處理3個重復，隨機區組排列：（1）普通地膜處理（PE），地膜主要成分為PE（聚乙烯）；（2）生物降解地膜處理（BD），地膜主要成分為PBAT（聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯）。試驗中棉花種植采用膜下滴灌技術，機械平作鋪膜，地膜寬度為2.25 m，1膜3管6行，株距為9 cm，種植密度為1067 plant·hm-2左右。其他管理為大田常規管理。小區面積為32.5 m2（5 m×6.5 m）。供試棉花品種為“新陸早61號”。

1.3 測試項目及方法

（1）降解膜降解情況：采用目測法，在每個小區固定3個觀測點，在覆膜后每隔一段時間于每條地膜寬行處相同位置放置相框（40 cm×40 cm）進行降解膜定時定點拍照，并記錄地膜表面變化程度，如是否出現裂紋、碎裂程度等。降解地膜降解分級參照何文清（2011）的方法，通過目測觀察記錄地膜膜面外觀變化：誘導階段——開始出現小裂縫的時間階段；破裂階段——膜面出現大裂縫的時間段；崩裂階段——地膜已經裂解成大碎片的時間段；完全降解階段——地表幾乎無地膜殘留的時間。分別觀察這4個階段出現的時間，并記錄。降解率采用像素分析法。

（2）地膜保水性能：分別于2015年，2016年6月進行，在水杯中裝入等量的水，將每一種測試膜裁剪為大小相同的3份，將完整的地膜覆蓋于水杯上，并封嚴，放置于無遮擋的屋頂，暴曬15 d后測定保水率Rwr。

式中，V1為暴曬15 d后水杯內水體積（mL）；V為水杯內原始水體積（mL）。

（3）地膜韌性：使用拉力機（XLW (B) 智能電子拉力試驗機，中國）測定地膜韌性，2015年和2016年分別于覆膜后30 d、100 d和覆膜后43 d、73 d后取得同等大小覆蓋地膜樣品帶回室內，通過取樣刀分別獲取橫向地膜樣品和縱向地膜樣品并上機，分別測得地膜橫向及縱向拉伸負荷和拉伸位移，并通過地膜拉伸位移計算斷裂伸長率Re：

式中，Δl為地膜拉伸位移（mm）；l為原始長度（mm）。

（4）土壤溫度：采用RC-4（中國）型土壤溫度記錄儀測定，于棉花播種完成后埋下儀器，棉花收獲時取出。儀器探頭埋設深度為10 m，每隔30 min自動記錄1次數據，3次重復。

（5）棉花產量：以小區實收的籽棉產量折算畝[1畝=(1/15) hm2]籽棉產量。

（6）經濟效益：總投入包括畝棉田花費的肥料、種子、農藥、水電費、地膜、滴灌肥、撿拾棉花、耕地以及人工管理等費用；總產出為棉花產量乘以棉花單價；凈收入為總產出減去總投入；產投比為產出與總投入之比。

1.4 數據分析

運用Microsoft Office Excel 2016進行數據整理，運用SPSS 20統計軟件在0.05水平下進行配對t檢驗數據的顯著性比較。并使用Origin Pro 2017作圖軟件對圖1進行繪制。

2 結果與分析

2.1 生物降解地膜田間降解情況評價

生物降解地膜田間降解過程觀察結果表明（表1），BD誘導階段發生在覆膜后51－62 d，膜面有針眼大小的細孔及細微裂縫，出現降解現象，但膜面完整，仍具有良好的增溫保墑效果。于覆膜后73 d左右進入破裂階段，膜面較脆，出現大量裂紋，降解速度加快。覆膜后84－95 d，膜面出現大面積降解，裂解成大碎塊，沒有完整膜面，地膜基本功能喪失。至棉花收獲，地表仍存在大小不一的地膜碎片，基本與地表相貼，不易分開。PE始終未發生裂解。BD各個裂解時期在兩年間出現的時間差異不大，降解性能穩定。2015年BD和PE降解率分別為 84.34%和 0.15%，2016年分別為 72.08%和0.00%，2015年和2016年BD降解率分別比PE高84.19%和72.08%。

表1 2015-2016年生物降解地膜膜面降解情況Table 1 Degradation of biodegradable mulching film in 2015-2016

2.2 生物降解地膜田間機械性能變化

地膜拉伸負荷是指拉伸地膜至斷裂時地膜試樣所受到的最大拉伸力，地膜的斷裂伸長率是指拉伸地膜至斷裂時地膜試樣位移值與原長的比值，兩種指標均可表征地膜機械性能。由表 2可知，BD和PE在使用過程中，由于受到風吹、日曬等外界因素影響，其機械性能會受到自然損害，拉伸負荷和斷裂伸長率均出現不同程度的下降。2015年及2016年覆膜期間，BD與PE橫縱向拉伸負荷均有所下降但PE下降幅度較小，橫縱向拉伸負荷兩年平均分別下降0.4 N和0.5 N，而BD下降幅度顯著高于PE，分別下降1.7 N和2.2 N。同樣，隨著地膜的使用地膜斷裂伸長率也受到不同程度的影響，最后一次測定結果發現，PE橫縱向拉伸負荷和斷裂伸長率均明顯優于 BD。整體而言，在棉花生育期中，由于BD自身具有降解性，地膜機械性能削弱較PE嚴重。

表2 2015—2016年生物降解地膜機械性能Table 2 Mechanical properties of biodegradable mulching film in 2015-2016

2.3 生物降解地膜的保水性

地膜的保水性能與地膜本身制作材料有關，一般而言，地膜的保水能力越強，土壤貯水能力越強，土壤水分含量越高。由于每年氣候不同以及BD和PE的組成成分略有調整，地膜保水能力在年際間存在差異。由表3可知，2015年BD保水率比PE低22.45%，差異較顯著（P=0.010＜0.05），2016年BD比PE低17.05%，差異不顯著（P=0.139＞0.05）。總體而言，BD保水率低于PE，兩年平均保水率比PE低了19.89%，差異較顯著（P=0.003＜0.05），BD保水效果不如PE。

表3 2015-2016年生物降解地膜的保水性能Table 3 Water retention ability of biodegradable mulching film in 2015-2016

2.4 生物降解地膜棉花不同生育期內土壤溫度變化

圖1 2015-2016年棉花各生育期生物地膜覆蓋下10 cm土層平均溫度變化Fig. 1 Dynamic change in mean soil temperature of 10 cm depths with cotton growing under biodegradabled mulching treatments during cotton growth stages in 2015-2016

2015年和2016年棉花各生育期生物地膜覆蓋下10 cm土層平均溫度變化如圖1所示。蕾期溫度最高，苗期其次，吐絮期溫度最低。2015年，在苗期，BD土壤溫度較PE降低0.90 ℃，但溫度差異不顯著（P=0.140＞0.05）；在蕾期，BD土壤溫度較PE降低0.73 ℃，溫度差異不顯著（P=0.117＞0.05）；在花鈴期，BD土壤溫度較PE高0.11 ℃，溫度差異不顯著（P=0.620＞0.05）；在吐絮期，BD土壤溫度較PE增高0.74 ℃，溫度差異不顯著（P=0.112＞0.05）。2016年，在苗期，BD土壤溫度較PE降低0.92 ℃，溫度差異不顯著（P=0.104＞0.05），在蕾期，BD土壤溫度較PE降低0.06 ℃，溫度差異不顯著（P=0.839＞0.05），在花鈴期，BD土壤溫度較PE高0.59 ℃，溫度差異不顯著（P=0.107＞0.05），在吐絮期，BD土壤溫度較PE高0.25 ℃，溫度差異不顯著（P=0.330＞0.05）。2015年和2016年在整個生育期內BD土壤溫度分別較PE減少0.78 ℃，0.13 ℃。

2.5 生物降解地膜對棉花產量及產量構成的影響

兩年研究表明（表4），BD覆蓋下棉花株高、果枝臺數、單株有效鈴數及單鈴重皆低于PE，導致棉花產量低于PE，2015年和2016年BD分別較PE地膜減產了 237.6 kg·hm-2、181.5 kg·hm-2，減產率分別為5.56%和4.15%，然而2015年BD棉花產量與PE沒有明顯差異（P=0.354＞0.05），2016年結果相似（P=0.080＞0.05）。兩年平均減產 209.6 kg·hm-2，平均減產率為 4.86%，BD減產差異不顯著（P=0.075＞0.05）。

2.6 地膜覆蓋效益分析

生物降解地膜覆蓋處理經濟效益如表5所示，2015年和 2016年 BD產出分別較 PE低 999 yuan·hm-2和 1379 yuan·hm-2，BD 產出較 PE 平均減少1188 yuan·hm-2。2015年和2016年BD投入分別較 PE 增加 839 yuan·hm-2和 388 yuan·hm-2，BD投入較PE平均減少614 yuan·hm-2。主要是因為BD地膜成本高于普通地膜，且未將普通地膜回收成本計入PE處理投入。兩年BD凈收入均較PE減少，平均減少 1803 yuan·hm-2。2015年和 2016年 BD產投比分別比 PE低 0.08和 0.08，兩年平均減少0.08。

3 討論

不同生物降解地膜由于材料、厚度等因素不同導致地膜降解時期和降解速率略有不同（何文清等，2011；張妮等，2016；申麗霞等，2012；Briassouliset al.，2018）。本試驗研究發現，由于天氣差異和材料構成略有調整，BD在兩年降解時間有所差異但整體相差不大，在覆膜51－62 d開始降解，73 d左右出現大裂縫，之后快速裂解成為大碎片，BD降解性能穩定。2015年和 2016年降解率分別為84.34%和72.08%，降解率較高，至試驗結束有少量殘留，但剩余的生物降解地膜可被土壤微生物分解，2 a內可完全分解（顧海蓉等，2009；袁海濤等，2017）。生物降解地膜降解速率與土壤含水率呈負相關關系，且在各生育期呈顯著水平（龔雙鳳等，2015），本試驗BD在棉花苗期未降解，能夠保持其完整性，有利于土壤溫度積累及正常水分供應，確保棉花正常生長，但由于生物降解地膜的保水效果不如普通地膜，作物生長時期土壤含水量會低于普通地膜，從而導致棉花減產。

表4 2015-2016年生物降解地膜處理下棉花產量與產量構成因素變化Table 4 Effect on yield and relevant factors of cotton under biodegradable film treatments in 2015-2016

表5 2015-2016年不同處理經濟效益分析Table 5 Economic benefit analysis for different treatments in 2015-2016

土壤溫度作為影響棉花生長發育及產量的重要因素（高云光等，2010），在生物降解地膜與普通地膜覆蓋對作物生長影響的研究中已被廣泛報道。研究發現，生物降解地膜土壤溫度在棉花生育前期低于普通地膜，但隨著作物生長發育，兩者之間差異減?。ㄠw強，2017），與本研究結果相似。結果表明，土壤溫度在蕾期溫度最高，苗期次之，吐絮期溫度最低，這主要受氣溫及作物生長發育狀況影響。苗期和蕾期BD土壤溫度較PE分別降低0.91 ℃和0.39 ℃，在花鈴期和吐絮期，BD土壤溫度較PE分別提高0.35 ℃和0.50 ℃。在作物生長過程中，棉花苗期雖然膜面完整，但由于生物降解地膜具有降解特性，保溫效果不如普通地膜，蕾期氣溫增高，但生物降解地膜開始降解，地膜透射率低于普通地膜，增溫保溫保水效果均不如普通地膜（張妮等，2016），但溫度差異小于苗期，可能是由于棉花植株生長影響太陽光線直射膜面，兩個處理增溫效應均被削弱，但由于普通地膜本身增溫效果更為顯著，其所受到的削弱作用較生物降解地膜更明顯，所以兩個處理溫度差異減小。花鈴期和吐絮期差異較小，主要是因為這個時期棉花封行，地膜基本作用喪失，溫度差異越來越小。本研究中，雖然BD苗期和蕾期土壤溫度高于PE，花鈴期和吐絮期土壤溫度低于PE，但各個時期兩者間并沒有顯著性差異。然而，由于棉花屬于喜溫作物，在 2015年和2016年，苗期、蕾期兩個生育時期BD土壤積溫分別較PE高99.43 ℃和59.86 ℃，由于苗期和蕾期兩個作物生長的關鍵時期BD土壤積溫較低，影響了作物生長發育，以至于后期棉花產量也受到影響，作物生長發育前期積溫差異越小，產量差異越小。

生物降解地膜價格是造成投入成本增加的主要原因，因此，生物降解地膜大面積推廣使用仍需對其價格不斷進行優化。由于本研究普通地膜被研究人員回收，遂未將人工回收費用計入投入成本，忽略了普通地膜大田機械回收成本，所以，BD與PE實際投入成本差異應小于 613.5 yuan·hm-2。而BD既滿足作物生長發育需要，又可降解，無需人工和機械回收，不會產生回收費用，使用BD不僅有利于避免因普通地膜殘留累積造成棉花減產效應，而且降低殘膜在土壤中堆積而造成的耕作難度，減少后期為治理殘膜污染所造成的資金投入。由于生物降解地膜的不斷改進，2015和2016年PE和BD產量差異不斷減小，凈收入差異不斷縮小。隨著對生物降解地膜的不斷研發，其價格會不斷被優化，經濟成本投入減少，具有廣闊的應用前景（鄔強等，2017；張景俊等，2018）。

4 結論

（1）隨著覆膜時間的增加，BD在覆膜51－62 d開始降解，地膜拉伸負荷下降幅度顯著高于 PE，BD機械性能和保水性能明顯低于PE。

（2）BD和PE在蕾期溫度最高，吐絮期溫度最低。BD和PE在苗期土壤溫度差異最大，在花鈴期和吐絮期土壤溫度差異較小。

（3）BD較PE兩年產量均減少，但每年產量差異在不斷縮小。BD凈利潤較PE減少，產投比降低。因此，雖然BD生態效益優于PE，但基于經濟效益生物降解地膜代替普通地膜使仍需進行大量的研究示范。