生物降解地膜降解特性及其對玉米產量的影響

迪麗拜爾·迪力買買提，湯秋香，雷 蕾，蘇麗麗

(新疆農業大學農學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】土壤中殘膜累積，破壞土壤結構、使耕地質量降低、造成作物減產[1-4]。可降解地膜的出現為根治農田殘膜提供了一條新的途徑[5]。研究可降解地膜的降解性能及其對玉米生長發育、土壤溫度、干物質積累與產量的影響，對改進降解地膜降解性能有重要意義。【前人研究進展】可降解地膜可起到與普通PE地膜相當的增溫、保墑作用[6,7]，生物降解地膜覆蓋玉米地上部干物質累積量、株高和葉面積指數均顯著高于不覆膜處理且在玉米生育前期、中期差異性更為顯著，產量顯著優于不覆膜處理，較不覆膜增產17.25%～19.48%[8-12]。周昌明等[13]研究表明，連壟全覆蓋降解膜種植方式能發揮最佳的蓄積雨水、促進玉米生長和提高產量的效果。申麗霞等[14]研究結果表明，可降解地膜的增溫保墑作用在玉米生育中期時(大喇叭口期)已經開始減弱。唐文雪等[15]研究結果表明，3種降解膜均具有顯著的保墑性能，隨降解膜不斷地降解，其保墑性能降低，而且與普通地膜相比降解率高的降解膜減產率高，可降解地膜不但具有與普通地膜相似的保溫保水效果，還可自然降解[16]。選用降解特性滿足作物生長并能保持作物增產的生物降解地膜，對降低農田土壤污染有實際意義。【本研究切入點】在新疆北部地區，已有研究報道可降解地膜對玉米的生長、產量及生理的影響，但在玉米田降解過程的研究大多停留在定性觀察階段，缺乏對地膜降解過程土壤水分變化及其與玉米生長規律階段性定量研究。研究可降解地膜的降解性能及其對玉米生長發育、土壤溫度、干物質積累與產量的影響。【擬解決的關鍵問題】采用3種不同生物降解地膜，對不同時期地膜機械性能的跟蹤檢測，研究其降解性能和田間使用效果，為改進降解地膜降解性能和推進推廣應用進程提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2018年4月初在新疆農業大學三坪農場試驗基地進行。該試驗基地位于烏魯木齊西北部(43°50N，43°54E，海拔 751 m)，是典型的綠洲灌溉農業區，屬于中溫帶大陸性干燥氣候，年平均氣溫2.8～13.0℃,年平均濕度58%，無霜期176 d，年平均降水量236 mm。土壤容重為1.4 g/cm3，pH值為8.3，硝態氮與速效磷分別為22.4 g/kg和26.2 mg/kg。

于2018年 4月28日～9月10進行降解地膜田間試驗。試驗天壯(氧化—生物雙降解生態地膜，主要成分為PBS、 PBAT)、田野(全生物降解地膜，主要成分為PBAT)、弘睿(全生物降解地膜，主要成分為PLA、PBAT)3種降解地膜，PE地膜(聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜)作為對照，分別記作天壯、天野、弘睿和CK。膜寬均為1.2 m。供試玉米為彩甜糯868號，春播生育期130 d左右。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用隨機區組試驗，共有4個處理，3次重復，共12個小區，每個小區長15 m，寬4.5 m，面積為67.5 m2，總面積為810 m2。每個小區安裝水表和電磁閥，滴灌帶位于寬行間距75 cm，每個滴灌帶28個滴頭，滴頭間距 25 cm，1 h 5個出水樁總共放水150 m3，全生育期共滴灌5次。肥料中30%作為基肥播前施入，70%作追肥在玉米生長期間分3～4次滴施。表1

表1 灌水施肥方案Table 1 Irrigation and fertilization scheme

1.2.2 測定指標

自覆膜之日起，于每個小區隨機劃定3個30 cm×30 cm的區域，覆膜后前30 d，每10 d觀測1次；覆膜后 31～40 d，每5 d觀測1次；覆膜后41 d起，每3 d觀測1次，直至誘導期結束(最多到覆膜后75 d)；以后恢復每10 d觀測1次地膜降解情況，拍照記錄，拍照時將相機置于拍照區域正上方。

地膜降解等級劃分參照張淑敏的方法[9]，并根據地膜降解特點進行調整。

誘導期：從開始鋪膜到出現小裂縫的時間。破裂期：肉眼清楚看到大裂縫的時間。崩裂期：地膜已經裂解成大碎塊，沒有完整的膜面，出現膜崩裂的時間。破碎期：地面無大塊殘膜存在，仍有小碎片的時間。完全降解期：地膜在地表基本消失的階段。

降解速率計算:覆膜前和收獲后每隔30 d各處理每個小區取地膜25 cm×25 cm洗凈、晾干后稱量，計算地膜降解率。

降解率(%)[6]=(降解前質量-降解后質量)÷降解前質量×100%。

玉米農藝性狀和產量測定：于苗期在每個小區內選擇5株代表性較強的植株，掛牌標記，分別于苗期、拔節期、大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、乳熟期和成熟期，測定株高、莖粗、葉綠素等指標。玉米成熟時，按小區單獨收獲計產。

1.3 數據處理

使用Excel 2015對數據進行預處理，采用DPS進行方差分析，采用最小顯著性差異法(LSD)進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 玉米田不同降解地膜降解失重率與速度

研究表明，成熟期時， 天壯降解膜、弘睿降解膜和天野降解地膜的失重率分別3.04%、5.27%和2.30%，3個處理間差異顯著，降解地膜的可靠性及降解速率有一定的可控性。表2

天壯降解地膜在覆膜58 d后即開始出現1級裂紋，92 d出現2級裂紋，并持續到玉米收獲其降解情況沒再變化；弘睿降解地膜在覆膜62 d后出現1級裂紋，在72 d時25%的地膜0級出現了細小裂紋，并在覆膜92 d后出現了4級裂紋，有大塊地膜存在，在收獲期已經達到5級裂紋及進入了崩裂期；天野降解地膜在覆膜58 d后出現了1級裂紋，剩下的降解情況與弘睿降解地膜一致，覆膜62 d后出現了細小裂紋，覆膜72 d后出現了2～2.5 cm的裂紋，覆膜82 d后出現了均勻網狀裂紋，無大塊地膜存在，也在收獲期出現了4 cm×4 cm的碎片，進入了崩裂期。表3

表3 不同降解地膜的降解速度Table 3 Degradation rate of different degradable films

2.2 不同降解膜對玉米生長的影響

2.2.1 不同降解膜對玉米農藝性狀的影響

研究表明，降解地膜處理下玉米株高顯著高于普通地膜和露地處理，且在吐絲期達到最大值，天野、弘睿和天壯處理下株高分別較CK高17.5、15.46 和 3.61 cm，3種降解膜處理間也存在顯著差異，全生物降解地膜弘睿和天野分別比雙降解地膜天壯高出13.89和11.85 cm。全生育期內，玉米葉片數量差異和莖粗間的差異與株高相同，都在抽雄期達到最大值，但3種降解膜值均比CK處理較小，其中天野、弘睿、天壯處理的葉片數量和莖粗分別比CK處理下降2.5%、2.82%、6.75%和7.69%、3.66%、2.93%。玉米進入乳熟期后,植株進入衰老階段,葉片逐漸枯黃掉落,覆膜處理葉綠素值小幅度降低。 3種降解地膜處理均有效促進了玉米地上部分植株的生長,2種全生物降解地膜處理間差異不顯著,全生物降解膜和雙降解膜以及CK處理間差異顯著。表4

表4 不同降解膜下玉米農藝性狀比較Table 4 Effects of different degradable films on agronomic characters of maize

2.2.2 不同降解膜對玉米SPAD的影響

研究表明，從拔節期起，CK處理與降解膜處理間的SPAD逐漸出現顯著差異，且CK處理的SPAD值最大(46.72)，抽雄期3個降解膜處理間也有了顯著性差異，天野、弘睿處理間無顯著性差異，但均與天壯處理間有顯著性差異，分別比天壯處理顯著性高出12.54%和19.18%，CK的SPAD值均比天野和弘睿顯著性高出12.19%和5.94%，且這種差異趨勢一直持續到作物成熟期。圖1

2.2.3 不同降解膜對玉米生育進程的影響

研究表明，可降解地膜明顯增加了玉米的生育進程，3種降解膜處理的出苗期均比CK提前4 d；拔節期也均提前3 d。到抽雄期全生物降解膜處理弘睿和天野均分別比雙降解膜天壯和CK處理提前了2和7 d，到了成熟期弘睿和天野處理均比天壯處理提前了4 d，比CK提前了7 d，全生物降解地膜處理下的玉米生育期明顯較雙降解膜和普通地膜覆蓋處理的縮短。表5

表5 不同降解膜下玉米生育進程比較Table 5 Effects of different degradable films on maize growth process (days after sowing /d)

2.3 不同降解膜對玉米干物質積累的影響

研究表明，不同降解膜處理下玉米物質積累均呈緩增-快增-緩增趨勢，用Logistic生長函數對不同降解地膜處理的玉米干物質積累量進行擬合。天野處理玉米干物質積累進入快速增長期的起始日較早，但結束日也較早，和最大生長速率出現日較早，而弘睿降解地膜干物質積累進入快速增長起始日雖比天野處理晚3 d ，但是結束日最晚，干物質快速積累的時間長達51 d,分別比天壯、天野和CK處理多3、8和23 d。但是最大積累速率CK處理最高，比天壯、 弘睿 、天野處理顯著高出10.61%、7.5%和17.60%。不同降解地膜期處理間干物質積累特征有較大差異，地膜過早降解延緩了干物質的積累速率，不利于干物質在快速增長期的積累，影響產量形成。表6，圖2

表6 玉米干物質積累的Logistic函數生長模型及相關參數Table 6 Logistic function growth model and relevant parameters of maize dry matter accumulation

2.4 不同降解地膜對土壤溫度及生長度日影響

研究表明，前期隨著氣溫的不斷上升，土壤溫度不斷的升高，到后期氣溫降低，玉米生育期的推進郁閉度增加，土壤溫度開始逐漸降低。苗期至拔節期土壤溫度主要受大氣溫度和太陽輻射等影響，各個降解地膜從拔節期后期逐漸開始出現破裂，天壯和天野處理在大喇叭口期均進入破裂期，導致熱量失散比其他處理稍快；但從抽雄期開始天野和弘睿先后進入崩裂期并在成熟期初完全降解，而天壯處理在玉米成熟期仍處于崩裂期，因此，在玉米成熟期天壯處理的10 cm土層平均溫度比弘睿處理和天野處理高于1.17和1.27℃。在乳熟期為水分臨界期，天野和弘睿處理已完全降解，弘睿、天野較CK分別降低了1.12和1.36℃·d，且差異顯著(P<0.05)。地膜在土壤表面形成一道物理阻隔層，減緩土壤與大氣層之間的水分交換，使土壤中的水、熱狀況得到改善，而降解地膜降解后改變了環境。天壯處理在大喇叭口期進入破裂期以后直到進入成熟期才開始崩裂且在后期沒有繼續降解，天壯處理的土壤溫度和土壤生長度日遠遠高于降解地膜天野和弘睿處理間，不同降解膜在田間降解表現出較為明顯的差異，較晚降解的地膜覆蓋可有效增加土壤溫度，加快土壤生長度日的積累。圖4，表7

表7 不同處理不同生育階段土壤生長度日的動態變化Table 7 Dynamic changes of soil growth days in different processes and different growth stages

2.5 不同降解膜對玉米產量的影響

研究表明，3種降解膜每公頃株數與普通膜均顯著提高，但3種降解膜覆蓋處理的單株結粒數、千粒重都呈現不同程度的降低：單株結粒數 2.6%～11%，千粒重比普通膜覆蓋降低 15%～20%，減幅最高的天壯膜，達到 20.02%。而單株結粒數差異沒有達到顯著性水平。3種降解地膜與CK相比造成顯著的減產，其天壯和天野減產顯著，分別減產12.44%和7.1%，弘睿處理普通膜產量沒有顯著性差異。表8

表8 不同降解地膜下玉米產量變化Table 8 Effects of different degradable films on maize yield

3 討 論

3.1 降解地膜降解性能差異及對玉米生長發育的影響

可降解地膜機械性能是其生產過程中的一個重要指標，影響著地膜的覆蓋效果[16、17]。某些可降解地膜的實際誘導期比標注的誘導期短，降解時間過早，降解偏早不利于大田土壤保墑，可降解地膜的誘導期是保護作物與降解時機的關鍵性指標[16]。因不同的農業地域和農作物對可降解地膜誘導期的時間長短存在差異，這根據需求調整降解劑的成分和用量[17,18]。南殿杰等認為，種植棉花時覆蓋可降解地膜，其誘導期控制在60 d 左右為宜[19]。研究中，不同誘導期的可降解膜之間有顯著的差異，最短的為58 d，最長的為62 d，不同的誘導期對玉米的生長和產量有影響。天壯降解膜、弘瑞降解膜和田野降解膜的降解率分別3.04%、5.27%和2.30%,降解速度梯度符合預期設置，但總體降解率均比較小，應根據光照、土壤類型以及膜下滴灌玉米栽培技術要求等確定適合于北疆玉米生長發育的可降解地膜的誘導期。

玉米株高和葉面積受降解膜的降解性能影響較大，申麗霞[13,22]研究結果表明，覆膜可有效改善土壤條件，有利于玉米前期營養體搭建，為后期生殖生長奠定了基礎，加快了玉米生育進程，從玉米拔節期至成熟期，降解地膜處理下的玉米的株高、葉面積和地上部干物質積累量均明顯高于對照，除灌漿成熟期0.005 mm厚可降解地膜玉米的株高與對照差異不顯著外，其余均達到差異顯著水平。但也有試驗結果與此相反，董立國[19]試驗得出覆蓋降解膜的玉米在株高、禿尖、穗行數、百粒重和產量等方面明顯低于PE地膜，減產27.2%。研究中也得到了類似的結論：前中期膜下良好的水熱條件促進玉米植株快速生長，株高和單株葉面積顯著高于對照，雖與普通地膜存在一定差異，但未達到顯著水平，但在后期降解地膜處理下的單株結粒數和千粒重均比PE地膜顯著減少，最終產量弘睿、田野降解膜處理雖與PE地膜處理無顯著差異，但天壯降解膜處理較PE地膜處理顯著減產12.45%。

4 結 論

3種降解地膜從覆膜后56～60 d均開始破裂，隨著生育進程地膜逐漸變薄。收獲時，田野降解膜和弘睿降解膜完全降解；玉米生育期內，3種不同降解地膜失重率分別是3.04%、5.27%和2.30%，差異顯著。降解地膜加快了玉米生育進程，縮短了生育期4～8 d，玉米生育前中期株高和葉綠素顯著高于PE地膜。各類地膜玉米產量均比普通地膜低，天壯和弘睿降解膜減產現象極顯著。弘睿降解膜表現最好，其次為田野降解膜，再次是天壯降解膜。全生物降解膜弘睿適合于玉米上應用。