全生物降解地膜對(duì)南疆甜菜產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響

王斌，萬(wàn)艷芳，王金鑫，孫九勝，槐國(guó)龍，崔磊，孫晨

新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所

地膜覆蓋有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育和提高作物產(chǎn)量，能有效抑制土壤水分蒸發(fā)，提高地溫[1- 2]。然而，普通農(nóng)用地膜主要成分為分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定的聚乙烯(PE)材料，在自然條件下很難降解，作物收獲后難以回收利用，在農(nóng)田大量殘留積累，其殘留期可達(dá)200～400年[3]。由于地膜難降解，使田間殘膜量持續(xù)增加，長(zhǎng)此以往必然會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究使用降解可控、生態(tài)環(huán)保的可降解地膜成為解決“白色污染”問(wèn)題的重要手段之一[4- 6]。目前，有關(guān)降解膜的研究主要集中在成分、性能及不同類型降解膜對(duì)比等方面[7- 10]，降解膜對(duì)作物生長(zhǎng)及土壤理化性質(zhì)影響等方面的系統(tǒng)研究較少。南疆地區(qū)屬典型的大陸性氣候，自然資源豐富，生態(tài)類型多樣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地域相對(duì)獨(dú)立，該區(qū)域降水量少且時(shí)空分布不均勻，作物產(chǎn)量受溫度等因素影響較大，地膜覆蓋是該區(qū)域作物增產(chǎn)的重要栽培技術(shù)之一。因此，研究降解膜對(duì)該區(qū)域作物產(chǎn)量及農(nóng)田土壤環(huán)境的影響具有重要意義。基于此，筆者以南疆大田露地栽培甜菜為基礎(chǔ)，以普通PE地膜為對(duì)照，研究降解膜覆蓋對(duì)甜菜地土壤溫度、含水率、養(yǎng)分及甜菜產(chǎn)量等因子的影響，以期為在南疆地區(qū)推廣應(yīng)用降解膜提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)在南疆阿克蘇地區(qū)拜城縣拜城農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站，位于天山中段南麓、卻勒塔格山北緣的山間盆地、渭干河上游流域，屬溫帶大陸性干旱型氣候，冬季寒冷，夏季涼爽，年均氣溫為7.6 ℃，極端最高氣溫為38.3 ℃，極端最低氣溫為-28 ℃，無(wú)霜期為133～163 d，年均日照時(shí)數(shù)為2 789.7 h，年均降水量為171.13 mm。試驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)土壤性狀如表1所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)土壤性狀

注：土樣為播種前基礎(chǔ)土壤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)作物為甜菜。試驗(yàn)處理為產(chǎn)自新疆康潤(rùn)潔環(huán)保科技股份有限公司的PBAT型全生物降解地膜(簡(jiǎn)稱降解膜)，以普通PE地膜為對(duì)照，共2個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)區(qū)面積為0.133 hm2，地膜寬為80 cm，厚為0.01 mm；壟寬為70 cm，壟高為20 cm，溝寬為50 cm；按一壟一膜一管兩行設(shè)置，膜下設(shè)置滴灌。試驗(yàn)播種方式、肥料用量、種植與管理等同當(dāng)?shù)卮筇镆恢隆?017年4月26日播種，10月10日收獲。分別于4月27日、5月10日、5月25日、6月10日、6月20日、7月1日、7月10日、7月20日、8月10日、8月20日、9月1日進(jìn)行灌溉，每次灌溉量為600 m3/hm2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1地膜破損率

甜菜生育期(6—10月)，每半個(gè)月定點(diǎn)采集地膜照片，用地膜孔洞面積提取軟件V2.0對(duì)采集的照片進(jìn)行圖像處理，得到地膜自然降解破損率。

1.3.2甜菜產(chǎn)量

每個(gè)處理隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)按照70 cm(一壟)寬、5 m長(zhǎng)測(cè)定所有甜菜質(zhì)量。

1.3.3土壤溫度與含水率

采用土壤溫度水分記錄儀(L99- TWS- 3，上海)對(duì)膜下5、15和25 cm土壤的溫度和含水率進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為2 h，測(cè)定時(shí)間為6月2日—10月10日。

1.3.4土壤理化性質(zhì)

在甜菜播種前及生育期，分別于2017年3月24日(播種前)、6月8日(地膜破損時(shí))和10月12日(收獲期)以S形取樣法在每個(gè)試驗(yàn)地取0～20和20～40 cm土壤樣品，每個(gè)處理重復(fù)3次，測(cè)定土壤樣品中有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀和總鹽濃度及土壤pH。

土壤pH采用土壤pH計(jì)測(cè)定，有機(jī)質(zhì)濃度采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，速效氮濃度采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷濃度采用鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀濃度采用火焰光度法測(cè)定，總鹽濃度采用烘干質(zhì)量法測(cè)定[11]。

1.3.5數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

采用SPSS 16.0和Excel 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，數(shù)據(jù)間比較采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 生育期降解膜破損特征

甜菜生育期降解膜破損率變化如圖1所示。由圖1可知，降解膜的破損率隨甜菜生育進(jìn)程基本呈增大趨勢(shì)，但增幅有所不同：甜菜生長(zhǎng)期(6—8月)降解膜破損率均較小(4.5%～12.8%)，且隨時(shí)間變化增幅較小；收獲期(10月)降解膜破損率顯著增大(45.8%)。甜菜生育期PE地膜沒(méi)有發(fā)生降解破損。

圖1 甜菜生育期降解膜破損率變化Fig.1 Degradation rate variation of degradation film in the growth period of sugarbeet

2.2 降解膜覆蓋對(duì)甜菜產(chǎn)量的影響

降解膜處理與PE地膜的甜菜產(chǎn)量見(jiàn)表2。由表2可知，與PE地膜相比，降解膜處理甜菜產(chǎn)量略有降低，減產(chǎn)率為2.32%，2個(gè)處理間差異不顯著(P>0.05)。

表2 2個(gè)處理甜菜產(chǎn)量

注：相同字母表示處理間差異不顯著(P>0.05)，全文同。

2.3 降解膜覆蓋對(duì)甜菜糖分的影響

降解膜處理與PE地膜的甜菜糖分含量見(jiàn)表3。由表3可知，與PE地膜相比，降解膜處理的甜菜糖分含量低1.24%，2個(gè)處理間差異不顯著(P>0.05)。

表3 2個(gè)處理甜菜糖分含量Table 3 Sugar concentration in sugarbeet under two treatments %

2.4 降解膜覆蓋對(duì)甜菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.4.1對(duì)出苗率的影響

降解膜處理與PE地膜的甜菜出苗率見(jiàn)表4。由表4可知，與PE地膜相比，降解膜處理的甜菜出苗率較大(增加率達(dá)18.75%)，但2個(gè)處理間差異不顯著(P>0.05)。

表4 2個(gè)處理甜菜出苗率

2.4.2對(duì)生育進(jìn)程的影響

降解膜處理與PE地膜甜菜生育進(jìn)程見(jiàn)表5。由表5可知，甜菜生育進(jìn)程為播種后12 d出苗，49 d進(jìn)入葉叢快速生長(zhǎng)期，74 d進(jìn)入塊根增長(zhǎng)期，171 d到達(dá)收獲期。降解膜處理和PE地膜間甜菜的生育進(jìn)程無(wú)差異。

表5 2個(gè)處理甜菜生育進(jìn)程Table 5 Growth process of sugarbeet under two treatments d

2.4.3對(duì)生物量的影響

2個(gè)處理甜菜生物量如表6所示。由表6可知，降解膜處理的甜菜地上部分生物量較PE地膜大，而地下部分生物量較PE地膜小；就整株生物量而言，降解膜處理略小于PE地膜。不論整株還是地上、地下部分，2個(gè)處理間差異均不顯著。

表6 2個(gè)處理甜菜生物量

注：生物量均為鮮質(zhì)量，測(cè)定日期為2017年10月12日。

2.5 降解膜覆蓋對(duì)土壤溫度與含水率的影響

2.5.1甜菜生育期土壤溫度變化

2個(gè)處理甜菜生育期不同深度土壤溫度變化如圖2所示。由圖2可知，2個(gè)處理甜菜膜下0～30 cm土壤平均溫度變化趨勢(shì)基本一致，即隨甜菜生育進(jìn)程均呈逐漸減小趨勢(shì)。從膜下5、15和25 cm深度土壤來(lái)看，2個(gè)處理基本保持一致的變化趨勢(shì)，且整體上降解膜處理的土壤平均溫度略高于PE地膜。

2.5.2土壤溫度垂向變化

2個(gè)處理甜菜生育期不同深度土壤平均溫度變化如圖3所示。由圖3可知，隨土壤深度(5、15和25 cm)的增加，2個(gè)處理土壤平均溫度均無(wú)較大變化，且均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

圖2 2個(gè)處理甜菜生育期不同深度土壤溫度變化Fig.2 Temperature variation in different soil layers in the whole growth period of sugarbeet under two treatments

注：相同字母表示處理間差異不顯著(P>0.05)。圖3 2個(gè)處理甜菜生育期不同深度土壤平均溫度變化Fig.3 The average temperature variation of the different soil layers in the whole growth period of sugarbeet

2.6 降解膜覆蓋對(duì)土壤含水率的影響

2.6.1甜菜生育期土壤含水率變化

2個(gè)處理甜菜生育期不同深度土壤的平均含水率變化如圖4所示。由圖4可知，甜菜生育期膜下0～30 cm土壤平均含水率表現(xiàn)為降解膜處理小于PE地膜，其主要原因是降解膜在甜菜生育期裂解破損導(dǎo)致水分蒸發(fā)損失。甜菜生育期膜下5、15和25 cm土壤平均含水率均為降解膜處理小于PE地膜；隨著土壤深度的增加，降解膜處理的土壤平均含水率與PE地膜間差距逐漸減小，表明隨著土壤深度增加，降解膜與PE地膜覆蓋對(duì)土壤含水率的影響逐漸減小。

圖4 2個(gè)處理甜菜生育期不同深度土壤平均含水率變化Fig.4 Average soil moisture rate variation in different soil layers in the whole growth period of sugarbeet under two treatments

2.6.2土壤含水率垂向變化

2個(gè)處理甜菜生育期不同深度土壤平均含水率變化如圖5所示。由圖5可知，甜菜生育期，膜下5、15和25 cm土壤平均含水率均為降解膜處理小于PE地膜，其中15 cm處降解膜處理土壤平均含水率顯著小于PE地膜(P<0.05)。

注：相同字母表示處理間差異不顯著(P>0.05)；不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖5 2個(gè)處理甜菜生育期不同深度土壤平均含水率變化Fig.5 Average soil moisture rate variation of the different soil layers in the whole growth period of sugarbeet under two treatments

2.7 降解膜覆蓋對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

甜菜生育期不同深度土壤(0～20和20～40 cm)養(yǎng)分和鹽分濃度、pH變化見(jiàn)表7。由表7可看出，降解膜處理與PE地膜的0～20和20～40 cm深度土壤的pH、養(yǎng)分(速效氮、速效磷、速效鉀)和總鹽濃度均無(wú)顯著差異(P>0.05)。表明甜菜生育期降解膜處理對(duì)土壤中養(yǎng)分、鹽分濃度及pH等均無(wú)顯著影響。

3 討論

3.1 降解膜覆蓋對(duì)甜菜生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響

降解膜覆蓋時(shí)，作物種類、植株高度、耕作方式、降解膜材料、氣候因子等均對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響。周明冬等[12]使用8種全生物可降解膜和1種常規(guī)PE地膜研究降解膜對(duì)大田棉花產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，PE地膜棉花產(chǎn)量顯著高于降解膜。薛源清等[13]在渭北旱塬地區(qū)，研究0.008 mm厚降解膜、0.006 mm厚降解膜、普通地膜、裸地對(duì)照4個(gè)處理對(duì)玉米田土壤溫度、含水率及玉米產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，2種厚度降解膜處理均能使玉米增產(chǎn)，且0.006 mm厚降解膜增產(chǎn)幅度達(dá)到16.18%。上述研究結(jié)論與本研究均有所不同，本研究中降解膜處理與普通PE地膜在甜菜生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量等指標(biāo)上均無(wú)顯著差異。

表7 2個(gè)處理0～20和20～40 cm深度土壤性狀變化

注：相同字母表示處理間差異不顯著(P>0.05)；不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

3.2 降解膜覆蓋對(duì)土壤溫度、含水率的影響

降解膜覆蓋對(duì)土壤溫度與含水率影響方面，薛源清等[13]研究顯示，0.006 mm厚降解膜增溫保墑及增產(chǎn)效果與普通地膜相當(dāng)，可在實(shí)踐中應(yīng)用。喬海軍等[9]研究顯示，生物降解膜可有效提高播種至拔節(jié)期玉米田土壤溫度和含水率，但抽雄期后覆膜與裸地處理的土壤溫度基本相同。王星等[14]研究表明，在玉米生育中期，降解膜覆蓋有明顯的增溫效果，但保水效果不明顯。孫濤等[15]研究顯示，在花生生長(zhǎng)前期，生物降解膜在保溫、保水方面與普通地膜無(wú)顯著差異，均能提高0～20 cm土壤的溫度和0～40 cm 土壤的含水率。本研究結(jié)果表明，由于試驗(yàn)前期降解膜保存完好，故其與普通PE地膜的保水、保溫效果相當(dāng)；而試驗(yàn)中后期，由于降解膜破損，使其保溫尤其是保水效果下降。

3.3 降解膜覆蓋對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

降解膜覆蓋對(duì)土壤養(yǎng)分影響方面，周昌明等[16]研究表明，平地全覆蓋、壟溝半覆蓋、連壟全覆蓋3種降解膜覆蓋種植處理的0～50 cm土壤養(yǎng)分含量均高于不覆膜對(duì)照，其中堿解氮、速效磷和速效鉀濃度與對(duì)照差異顯著(P<0.05)；3種降解膜覆蓋種植處理2年，平均土壤堿解氮、速效磷和速效鉀濃度分別較對(duì)照增加6.43%、5.49%和18.73%，且不同覆蓋種植處理對(duì)土壤中全氮、全磷、全鉀濃度的影響無(wú)顯著差異。劉蘋等[17]研究了3種降解膜對(duì)土壤養(yǎng)分和棉花產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，與普通地膜對(duì)比，降解膜在棉花蕾期顯著提高了表層土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀的濃度，但對(duì)土壤表層有機(jī)質(zhì)濃度無(wú)顯著影響。本研究表明，甜菜生育期，降解膜處理的0～20和20～40 cm深度土壤中有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀和總鹽濃度與土壤pH均與普通PE地膜無(wú)顯著差異。

4 結(jié)論

(1)在南疆甜菜生產(chǎn)中，降解膜的破損率在甜菜生育期(6—10月)表現(xiàn)為6—8月較小(4.5%～12.8%)，10月顯著增大(45.8%)。

(2)降解膜處理的出苗率、生育進(jìn)程、生物量(包括地下部分、地上部分以及整株)、糖分含量和產(chǎn)量均與PE地膜無(wú)顯著差異。

(3)甜菜生育期，降解膜處理與PE地膜在膜下5、15和25 cm土壤的平均溫度與平均含水率變化趨勢(shì)基本一致；降解膜處理與PE地膜在膜下5、15和25 cm土壤的平均溫度差異不顯著，而平均含水率均為降解膜處理小于PE地膜，其中15 cm處降解膜處理土壤平均含水率顯著小于PE地膜。

(4)甜菜生育期，0～20和20～40cm深度土壤，降解膜處理和PE地膜間的土壤養(yǎng)分(速效氮、速效磷、速效鉀濃度)、總鹽濃度、土壤pH差異均不顯著。