生物降解地膜的增溫保墑及增產效應研究進展

張俊麗索龍景鵬娟焦雪麗

(1.渭南市農業技術推廣中心,陜西 渭南 714000；2.陜西省現代農業科學研究院,陜西 西安 710000)

地膜覆蓋技術自20世紀70年代引入中國以來，因其保墑、增溫、抑草、提產等作用顯著[1-4]，增產增效明顯，被稱為農業生產的“白色革命”[2-4]。但普通地膜主要原材料為聚乙烯(PE)，自然條件下難以降解，隨使用量的逐年攀升，其環保、生產負效應不斷凸顯，成為降低土壤通透性、阻礙水肥運移、降低產量、纏繞耕地機具的“元兇”[3-6]，“白色革命”逐步演變成“白色污染”[2,5,6]。生物降解地膜，是以生物降解材料為主要原料制備的，用于農作物種植時土壤表面覆蓋的、具有生物降解性能的薄膜[7]。生物降解地膜既具有普通地膜保溫、保墑的功能，又能經自然界微生物作用分解為CO2和H2O[4]，是目前破解“白色污染”難題的重要措施之一。近年來，對全生物降解地膜增溫保墑性能及其對作物產量的影響已有廣泛研究，但不同的區域氣候條件和不同的作物種類，其覆蓋后的降解特性以及對作物生長的影響也不同。

1 降解速率及其影響因素

生物降解膜的完整性持續時間和降解速率是決定降解膜能否應用于生產的先決條件[5]。田間試驗下，降解膜的降解速率一般采用目測評價法[8,9]或填埋試驗[8]等進行評價。采用目測評價法評價時，通常將降解過程分為始裂期(也稱誘導期)、開裂期、大裂期、碎裂期和無膜期。進入始裂期時間越早，整體降解速率越快，降解周期越短。填埋試驗則采用填埋前后地膜的失重率來衡量降解速率[8]。膜越厚，誘導期越長[5]。多數研究顯示，淺色生物降解膜能有效促進作物早發快長，但裂解時間較早，應適當增加物理韌性，延遲降解時間[10]；但也有研究顯示，黑色全生物降解地膜進入誘導期的時間比白色膜早[11]。整體上，生物降解膜的降解速率與原材料(如PLA、PBAT、PBS、CA等)[4,11-13]、膜厚[2-4]、膜色[11]及氣候[14]、灌水方式[3]等密切相關。實際生產中，根據土壤類型、氣候特征、作物生長規律、栽培管理方式等，選擇適宜降解周期和降解速率的可降解膜，是提高產量、降低土壤殘膜污染的有效栽培方式[5,9]。

2 生物降解地膜的增溫保墑效應

生物降解地膜與聚乙烯地膜有相似的增溫保墑功效[6,12,14-17]。生物降解膜覆膜后能使大氣層與地表形成隔離層，通過太陽輻射進行熱量交換，提高表層土壤溫度[15,16]。多數研究顯示[1,12,14,17,18]，在作物生育前期(如玉米拔節期、棉花現蕾期等)，生物降解膜能有效提高土壤溫度和含水量；生育后期(如玉米抽雄期、棉花花鈴期等)，由于其原材料的可降解性，膜面出現降解裂口或破洞，增溫保墑效應逐漸喪失，對作物生長有一定影響[6,17-21]。但也有研究顯示，在作物生育后期隨氣溫升高和作物郁閉度增加，能弱化因膜面破裂對土壤水熱的不利影響，對作物生產影響不明顯[5]。

與聚乙烯地膜相比，生物降解膜的保溫性略低，如生物降解膜在棉花生育前期平均地溫較聚乙烯地膜低0.3～1.2℃[18]，在番茄整個生育時期生物降解膜平均土壤溫度較聚乙烯地膜低0.54～0.73℃[18]，這可能與生物降解膜的原材料和通透性有關[14]。胡國輝等研究認為，正是因為生物降解膜增溫效應略低于聚乙烯地膜，所以前者更適于馬鈴薯這類喜涼作物的生長。生物降解膜對土壤含水量的影響與降解速率和作物生育時期有關[22-25]。王斌等研究顯示，在番茄開花坐果期，生物降解膜平均土壤含水量較聚乙烯地膜高0.99%，而在結果期和成熟期則分別低2.32%和3.65%，但差異均不顯著[18]。

生物降解膜對土壤水熱的影響主要集中在耕作層[22-24,26]。王斌等研究顯示，在番茄整個生育期內，降解膜處理0～30cm土壤平均含水量低于聚乙烯膜，隨土層深度增加，兩者間差異逐漸縮小[18]；且膜下5cm、15cm、25cm土層的平均土壤溫度分別較聚乙烯地膜低0.73℃、0.60℃和0.54℃，但與聚乙烯地膜間的差異均不顯著。

3 生物降解膜的抑草效應

生物降解膜對農田雜草的防效低于聚乙烯地膜[5]。隨作物生育時期推進，生物降解膜的力學性能逐漸下降[1-4,9,24]，膜下的雜草更易穿透地膜，降低雜草的防治效果。多數研究顯示，淺色膜土壤升溫較快，利于雜草早發旺盛致地膜機械破裂[11]，深色生物降解膜在控草、節約用工和增加肥料利用率等方面有優勢[11,19]。但李水鳳等則認為，白色降解膜的抑草效應優于黑膜，因為白膜增溫效應明顯，膜下高溫能將雜草幼苗殺死[11]。黃旭華等[17]針對農田雜草種類，添加適宜除草劑母粒，將生物降解地膜技術與除草地膜技術進行集成，制備的生物降解除草地膜對一年生單雙子葉雜草防效可達85%以上，還節省了噴施除草劑的人工成本，具有較好的經濟和生態效益。謝永平等[19]認為，增加生物降解膜厚度也能提高雜草防效，但膜過厚會導致花生的果針扎不穿地膜，形成不成莢果，甚至造成絕收。

4 生物降解膜的增產效應

多數研究表明，與聚乙烯地膜相比，生物降解地膜對作物生長發育影響較小或者有促進生長的作用[4,8,19,20,27-31]。付學東等[4]研究顯示，地膜的完全降解能增加土壤透氣性和含水量，避免馬鈴薯塊莖膨大期土壤溫度過高對薯塊形態構成的負面影響(如爛薯等)，產量高于覆聚乙烯膜處理。賀鵬程等[8]研究認為，全生物降解膜在大薯個數、結薯個數、單薯重等產量性狀上均優于普通地膜，具有代替普通地膜的生產潛力。康虎等[21]研究顯示，覆蓋降解膜能促進玉米生長，產量提高8%左右。有研究顯示，生物降解膜能提早作物生育期，但在作物生育中期就開始裂解，影響了生育后期的生長發育，增產效應不明顯[19,32]。但也有研究顯示，使用降解膜后作物產量降低[18,32]，如王斌等[18]研究顯示，生物降解膜覆蓋下甜菜、番茄產量略低于聚乙烯膜，減產率分別為2.32%和2.60%，但差異不顯著。綜合認為，降解膜對產量的影響來自降解材料本身的性質及降解膜對區域環境條件的響應[5,14,18,33-38]。生物降解膜的完成性保持時間及降解速率直接影響作物產量[1-3,5,8,12,14,18,38-44]。苗期生物降解膜降解率的高低對產量的影響作用最顯著，降解程度越高，增產潛力越小[5,42]。另外，生物降解膜的寬幅[1]、厚度[11]等也影響作物產量，寬110cm生物降解膜處理下，蘆筍產量顯著高于100cm和90cm[1]；就莖用萵苣而言，膜越厚增產效應越明顯，厚10μm生物降解膜產量明顯高于8μm和6μm[11]；然而也有研究顯示，隨生物降解膜膜厚增加，對作物生產表現出抑制，如楊涵等研究發現，6μm生物降解膜下蘆筍生長正常，8μm時不影響Ⅰ～Ⅳ級蘆筍生產，對Ⅴ級有輕微抑制；10μm時嚴重抑制生長。在生育期相對較長的大田作物上使用生物降解膜時，應充分考慮其耐候性，在作物的生育期內盡可能保持地膜的完整性，最大限度發揮地膜的功能，提高作物的增產潛力[1-3,5,8,12,14,17,18,38-41]。