不同類(lèi)型全生物降解地膜對(duì)芋頭產(chǎn)量和土壤環(huán)境的影響

曾曉萍 王 立 馬金駿 殷劍美 郭文琦 韓曉勇 李春宏 蔣 璐 張培通*

（1 江蘇省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，江蘇南京 210036；2 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，江蘇南京 210014）

芋頭是江蘇省傳統(tǒng)特色經(jīng)濟(jì)作物，其營(yíng)養(yǎng)豐富、質(zhì)地糯粘、香味獨(dú)特，深受消費(fèi)者喜愛(ài)，市場(chǎng)需求量極大。江蘇作為我國(guó)芋頭主產(chǎn)區(qū)之一，種植區(qū)域集中分布在沿江地區(qū)，常年種植面積13 333 hm（20 萬(wàn)畝）左右（張培通 等，2017）。目前，江蘇省芋頭規(guī)模化生產(chǎn)已普遍采用起壟覆黑膜機(jī)械化栽培方式，為芋頭規(guī)模化生產(chǎn)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供了技術(shù)保障。但是芋頭是大根茬類(lèi)作物，地膜回收困難，且普通地膜無(wú)法自然降解，導(dǎo)致耕地土壤污染加重，不利于芋頭生產(chǎn)基地持續(xù)發(fā)展（Liu et al.，2017；馬明生 等，2020）。

為了有效治理芋頭生產(chǎn)基地的地膜污染，滿(mǎn)足芋頭綠色、規(guī)模化、可持續(xù)性生產(chǎn)要求，本試驗(yàn)以全生物降解地膜為試材，連續(xù)兩年開(kāi)展芋頭地膜減量替代技術(shù)試驗(yàn)，分析驗(yàn)證了全生物降解地膜對(duì)芋頭生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)及土壤性質(zhì)的影響，以及在芋頭種植中的保溫、保墑、降濕及防控草害效果，以期為全生物降解地膜在芋頭規(guī)模化生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供理論支持，同時(shí)為地膜減量替代措施提供技術(shù)參數(shù)、成本核算和技術(shù)指導(dǎo)方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試芋頭品種為太倉(cāng)新毛芋，由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供；試驗(yàn)地膜包括聚對(duì)苯二甲酸己二酸丁二醇酯（PBAT）全生物降解地膜（南通華盛新材料股份有限公司生產(chǎn)）、聚乳酸（PLA）全生物降解地膜（上海弘睿生物科技有限公司生產(chǎn)）和聚乙烯（PE）普通地膜（宿遷三馬電子商務(wù)有限公司生產(chǎn)）3 種，均為黑色，標(biāo)稱(chēng)厚度0.01 mm，幅寬1.2 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019—2020 年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動(dòng)植物試驗(yàn)基地進(jìn)行，設(shè)置覆蓋PBAT 全生物降解地膜（M1）、PLA 全生物降解地膜（M2）、PE地膜（CK1）和不覆蓋地膜（CK2）4 個(gè)處理。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積15 m，3 次重復(fù)。

播種時(shí)間為2019 年3 月26 日和2020 年3 月22 日，播種深度10 cm，種植密度約3 000 株 ·（667 m）；覆蓋地膜時(shí)間為2019 年4 月13 日和2020年4 月3 日。各處理田間管理水平一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 植株生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 每個(gè)小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致且連續(xù)的植株3～6 株，記錄出苗期，統(tǒng)計(jì)出苗率。在生長(zhǎng)旺盛期（7 月初）測(cè)定株高、葉鞘長(zhǎng)度、葉片長(zhǎng)度和寬度。

1.3.2 地膜降解程度 對(duì)各處理地膜裂解起始期、開(kāi)裂期、大裂期、碎裂期的時(shí)間進(jìn)行調(diào)查。起始期，即從覆膜到壟面地膜出現(xiàn)多處（每米3 處以上）＜2 cm 自然裂縫或孔洞的時(shí)間；開(kāi)裂期，即壟面地膜出現(xiàn)≥2 cm、＜20 cm 自然裂縫或孔洞的時(shí)間；大裂期，即壟面地膜出現(xiàn)≥20 cm 自然裂縫或孔洞的時(shí)間；碎裂期，即壟面地膜出現(xiàn)碎裂，最大地膜殘片面積≤16 cm的時(shí)間。

1.3.3 地膜殘膜調(diào)查 在2019 年芋頭收獲后，對(duì)各處理土壤耕作層中的殘膜進(jìn)行取樣，洗凈、晾干后，測(cè)定單位面積的殘膜質(zhì)量；1 年后，測(cè)定同一地塊單位面積的殘膜質(zhì)量。

1.3.4 膜下土壤溫度測(cè)定 采用精創(chuàng)RC-4 型自動(dòng)溫度記錄儀，間隔10 d 記錄芋頭膜下地表和10 cm土層的土壤溫度，記錄時(shí)間固定為凌晨1：00 和下午13：00，每個(gè)處理重復(fù)3 次。

1.3.5 芋頭產(chǎn)量測(cè)定和成本核算 收獲期，按小區(qū)測(cè)定芋頭產(chǎn)量，分別計(jì)算單株子孫芋產(chǎn)量、單株子孫芋數(shù)、單個(gè)子孫芋質(zhì)量。統(tǒng)計(jì)芋頭生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的用工人次，核算勞動(dòng)成本。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010 軟件和SPSS 17.0 軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類(lèi)型黑地膜覆蓋對(duì)芋頭產(chǎn)量的影響

由表1 可知，兩年各處理芋頭產(chǎn)量結(jié)果基本一致，覆膜處理的產(chǎn)量顯著高于不覆膜處理。在覆膜處理中，覆蓋PLA 全生物降解地膜處理（M2）的產(chǎn)量均為最高，較覆蓋PE 地膜（CK1）分別增產(chǎn)27.3%（2019 年）和18.1%（2020 年）；其次為覆蓋PBAT 全生物降解地膜處理（M1），較CK1分別增產(chǎn)18.0%（2019 年）和14.1%（2020 年）。分析產(chǎn)量構(gòu)成可知，覆蓋全生物降解地膜的2 個(gè)處理實(shí)收密度均較高，單個(gè)子孫芋質(zhì)量也較高。表明覆蓋全生物降解地膜有利于芋頭成苗，可以保證較高密度，提高單株生產(chǎn)能力，具有顯著的增產(chǎn)效果。

表1 不同類(lèi)型黑地膜覆蓋對(duì)芋頭產(chǎn)量的影響

2.2 不同類(lèi)型黑地膜覆蓋對(duì)植株生長(zhǎng)的影響

從表2 可以看出，兩年覆膜處理芋頭各項(xiàng)植株生長(zhǎng)指標(biāo)均高于不覆膜處理。在兩年覆膜處理中，出苗期M1、M2 分別比CK1 晚1～2 d 和4 d。出苗率2019 年M2 和2020 年M1 最高，分別為87.5%、96.8%，比CK1 分 別 高12.04、10.75百分點(diǎn)。從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)情況看，株高、葉長(zhǎng)、葉寬M1 和M2 與CK1 差異均不顯著，葉鞘長(zhǎng)2019 年M1 顯著高于CK1，2020 年M2 明顯低于CK1。由此可見(jiàn)，覆蓋全生物降解地膜與PE 地膜對(duì)芋頭出苗和營(yíng)養(yǎng)體生長(zhǎng)的效應(yīng)類(lèi)似，均具有顯著促進(jìn)作用。

表2 不同類(lèi)型黑地膜覆蓋對(duì)芋頭植株生長(zhǎng)的影響

2.3 不同類(lèi)型黑地膜覆蓋對(duì)芋頭生長(zhǎng)環(huán)境的影響

2.3.1 對(duì)土溫的影響 兩年土壤溫度測(cè)定結(jié)果顯示（圖1），CK2 的變化幅度最大。3 個(gè)覆膜處理的地表溫度變化幅度相對(duì)較小，其中M1 和M2 膜下地表溫度日變化幅度較小，分別為1.3～10.7 ℃（2019年）和0.2～10.4 ℃（2020 年）；10 cm 土層深度，3 個(gè)覆膜處理的溫度日變化幅度差距較小，分別為0.3～3.7 ℃（2019 年）和0.1～3.0 ℃（2020 年）。這表明，覆蓋全生物降解地膜與PE 地膜具有相同的穩(wěn)定地溫效果，尤其是可以保證田間表層土壤溫度的相對(duì)穩(wěn)定。

圖1 不同類(lèi)型黑地膜覆蓋對(duì)土壤溫度分影響

2.3.2 對(duì)田間雜草的控制效果 田間雜草調(diào)查結(jié)果顯示（表3），2019 年試驗(yàn)地塊雜草主要為打碗花（旋花科）、心葉黃花稔（錦葵科）和馬唐（禾本科）等，以馬唐為主。3 個(gè)覆膜處理雜草發(fā)生數(shù)量均明顯低于CK2，其中CK1 雜草最少，M1 和M2 稍多。2020 年田間雜草主要為馬唐（禾本科）、矮牽牛（茄科）和蓮子草（莧科）等，以蓮子草為主。覆膜處理表現(xiàn)出與2019 年類(lèi)似的控草效果，但普遍弱于2019 年試驗(yàn)。表明覆蓋黑色PE 地膜在芋頭整個(gè)生長(zhǎng)期具有很好的控草效果，而覆蓋全生物降解地膜對(duì)闊葉雜草的防控效果與PE 地膜相當(dāng)，但對(duì)于蓮子草等后發(fā)雜草控制效果相對(duì)較差。

表3 不同類(lèi)型黑地膜覆蓋對(duì)雜草發(fā)生的影響

2.3.3 土壤殘膜量分析 分別在收獲期，2019 年11 月18 日和2020 年10 月28 日對(duì)田間殘膜進(jìn)行定點(diǎn)調(diào)查。結(jié)果表明（表4），第1 年CK1 的殘膜量較多、碎片較大，而M1 和M2 的殘膜少、碎片小，當(dāng)年殘膜質(zhì)量較CK1 分別減少83.8%和89.1%；第2 年（未覆蓋地膜種植）各處理的殘膜質(zhì)量均較2019 年同期明顯降低，CK1 殘膜降解率為85.4%，M1 和M2 殘膜降解率分別為93.0%和91.1%。這表明，PE 地膜在收獲清除后，仍有一定量的地膜殘留污染，而全生物降解地膜當(dāng)年清除率可達(dá)80%以上，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步降解和自然清除，殘膜量對(duì)下茬作物生長(zhǎng)發(fā)育基本無(wú)影響，具有很好的降低土壤殘膜污染效果。

表4 不同類(lèi)型黑地膜覆蓋對(duì)土壤殘膜量的影響

2.4 不同類(lèi)型黑地膜田間裂解進(jìn)度比較

田間不同類(lèi)型黑地膜裂解進(jìn)度如表5 所示，M1 和M2 均出現(xiàn)裂解現(xiàn)象，而CK1 不裂解。其中M2 最先裂解，2019 年在覆膜后22 d 出現(xiàn)裂縫，開(kāi)裂期、大裂期、碎裂期分別為覆膜后34、39、59 d，較M1 分別提前25、26、10 d，最終無(wú)膜期為覆膜后76 d；2020 年覆膜后37 d 出現(xiàn)裂縫，開(kāi)裂期、大裂期、碎裂期分別為覆膜后55、63、94 d，最終無(wú)膜期為覆膜后107 d。芋頭生產(chǎn)中一般在苗期和發(fā)棵期需要覆蓋地膜，膨大期則需破膜追肥，全生物降解黑地膜的大裂期基本從球莖膨大初期（5 月下旬至6月初）開(kāi)始，雖然M1較M2的大裂期稍晚，但均可以滿(mǎn)足芋頭生產(chǎn)農(nóng)藝措施要求。

表5 不同類(lèi)型黑地膜的田間裂解情況

2.5 不同類(lèi)型黑地膜覆蓋成本與效益

由表6 可知，CK2 的用工數(shù)最高，分別為2.5人次（2019 年）和3.0 人次（2020 年），全部用于除草。在覆膜處理中，M1 的用工數(shù)最少，較CK1分別節(jié)省38.5%（2019 年）和46.7%（2020 年）；其次為M2，主要是除草用工較M1 處理略有增加；CK1 主要增加了放苗和地膜回收的用工。表明覆蓋PE 地膜具有較好的控草效果，而覆蓋黑色全生物降解地膜可明顯降低生產(chǎn)管理用工。

表6 不同類(lèi)型黑地膜覆蓋處理的成本與效益情況

按照5 元 · kg銷(xiāo)售價(jià)格計(jì)算，M2 的產(chǎn)值最高，其次為M1 和CK1，CK2 的產(chǎn)值最低。覆膜處理中，M2 效益最高，每667 m效益分別為7 319.58 元（2019 年）和4 664.29 元（2020 年），較CK1 分別增收39.9%（2019 年）和42.1%（2020年），而每667 m地膜成本僅增加150 元，表明覆蓋黑色全生物降解地膜增收效果顯著。

3 討論與結(jié)論

3.1 覆蓋全生物降解黑地膜的經(jīng)濟(jì)效益分析

地膜覆蓋是我國(guó)普遍應(yīng)用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，覆膜技術(shù)具有增溫防寒、保持土壤濕度、促進(jìn)種子發(fā)芽和幼苗快速增長(zhǎng)的作用，可大幅提高農(nóng)作物產(chǎn)量（李雪松 等，2020）。但長(zhǎng)期對(duì)PE 地膜“重使用、輕回收”也帶來(lái)了土壤殘膜污染問(wèn)題，地膜破裂分解產(chǎn)生的微塑料會(huì)影響土壤中的養(yǎng)分含量，限制后茬作物根系生長(zhǎng)和品質(zhì)形成（Liu et al.，2017），嚴(yán)重阻礙了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。土壤中的微塑料還是有毒有害化學(xué)污染物載體，可隨遷移擴(kuò)散，對(duì)動(dòng)物及人體健康存在潛在影響（楊婧婧 等，2018；康愷 等，2020）。因此開(kāi)展地膜減量替代技術(shù)研究勢(shì)在必行。

5 月是芋頭出苗、植株發(fā)棵的關(guān)鍵時(shí)期，土壤溫度變幅小有利于種芋的提早萌發(fā)和地下根系生長(zhǎng)（殷劍美 等，2015）。本試驗(yàn)結(jié)果表明，覆蓋不同類(lèi)型黑地膜，芋頭發(fā)棵期土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定。與不覆膜處理相比，3 個(gè)覆膜處理的出苗時(shí)間至少提前了10 d，出苗率增加10～25 百分點(diǎn)。6 月進(jìn)入膨大期后，芋頭地下球莖開(kāi)始膨大，需要維持相對(duì)穩(wěn)定的土壤溫度（殷劍美 等，2015）。與覆蓋PE 地膜相比，覆蓋全生物降解地膜的土壤環(huán)境更加穩(wěn)定，夜間土壤溫度（10 cm 土層）較不覆膜處理至少提高了4.5 ℃，而土壤溫度日均變化幅度最小，保持在0.3～2.5 ℃之間，這樣一方面減少了地表水分蒸發(fā)，加快芋頭地上部植株生長(zhǎng)；另一方面減少了高溫對(duì)芋頭地下根系和球莖發(fā)育的脅迫，有利于芋頭產(chǎn)量快速形成。因此，覆蓋PLA 和PBAT全生物降解地膜處理的出苗率、實(shí)收密度、單個(gè)子孫芋質(zhì)量和單位產(chǎn)量均高于PE 覆膜處理，說(shuō)明覆蓋全生物降解地膜有利于芋頭群體密度和產(chǎn)量結(jié)構(gòu)形成，實(shí)現(xiàn)單位產(chǎn)量提高，達(dá)到增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的效果。

芋頭喜水耐陰，田間極易滋生雜草，但除草用工成本高、根除效果差、容易反復(fù)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，覆蓋全生物降解地膜具有較好的控草效果，可以有效抑制芋頭生長(zhǎng)前期的田間雜草，但對(duì)于后期雜草控制效果相對(duì)較差。與PE 地膜相比，全生物降解地膜在放苗、地膜回收等環(huán)節(jié)優(yōu)勢(shì)明顯，一方面大部分芋頭發(fā)芽時(shí)可以自行鉆破降解地膜、直接出苗，節(jié)省了人工破膜放苗成本；另一方面全生物降解地膜可以在田間自然裂解，節(jié)省了地膜回收的用工成本。綜合計(jì)算，覆蓋全生物降解地膜處理每667 m用工較不覆膜處理節(jié)省22.2～32.6 個(gè)，較覆蓋PE 黑地膜節(jié)省4.5～10.4個(gè)，覆膜成本較不覆膜處理增加280～310 元，較覆蓋PE 黑地膜增加150～180 元；而產(chǎn)量較不覆膜處理增加410.4～654.1 kg，較覆蓋PE 黑地膜增加146.0～376.2 kg。按照5 元 · kg售價(jià)計(jì)算，覆蓋全生物降解黑地膜處理每667 m的經(jīng)濟(jì)效益較PE 黑地膜增加1 380.2～2 086.9 元，較不覆膜處理增加4 334.0～4 769.0 元。因此在芋頭上應(yīng)用全生物降解黑地膜可以顯著提高經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)濟(jì)上是可行的。

3.2 覆蓋全生物降解黑地膜的生態(tài)效應(yīng)分析

全生物降解地膜的降解速率是其應(yīng)用性的重要指標(biāo)（張曉海 等，2013；高維常 等，2017）。降解速率過(guò)快，不能發(fā)揮地膜覆蓋保溫、保墑、控草的作用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育的效果；降解速率過(guò)慢，導(dǎo)致大量殘膜留存于土壤中，又會(huì)影響后茬作物生長(zhǎng)。只有地膜降解期適中，才能較好地控溫、控水，維持良好土壤微環(huán)境，同時(shí)不會(huì)造成土壤殘膜積累污染。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，2 種全生物降解地膜的自然降解率較高，一般在覆膜后30 d 左右開(kāi)始開(kāi)裂，碎裂期一般在60 d 后，基本可以滿(mǎn)足芋頭苗期和發(fā)棵期覆膜要求；覆膜后75～105 d田間基本沒(méi)有較大碎片，當(dāng)年地膜降解率達(dá)到80%以上，不需要人工回收清除。而PE 地膜需要人工清除，而且在芋頭收獲后仍有一定量的地膜殘留污染。調(diào)查結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)1 年的自然降解后，各類(lèi)黑地膜在土壤中的絕大部分殘膜可以清除出田，但非降解地膜的殘留量相對(duì)較高，而全生物降解地膜的田間殘留量明顯降低，殘膜量對(duì)下茬作物生長(zhǎng)發(fā)育基本無(wú)影響。有關(guān)全生物降解黑地膜對(duì)土壤環(huán)境污染的評(píng)估有待進(jìn)一步深入研究。

3.3 結(jié)論

全生物降解地膜在芋頭生產(chǎn)中表現(xiàn)較好，其中聚乳酸（PLA）全生物降解地膜可提高出苗率、促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成，開(kāi)裂時(shí)期較為適宜，控制雜草效果較好，能夠有效降低人工成本，經(jīng)濟(jì)上可行；殘膜經(jīng)1 年左右自然降解和清除后，基本對(duì)后茬作物生產(chǎn)無(wú)影響，可以作為江蘇芋頭生產(chǎn)中普通PE 地膜的替代產(chǎn)品，具有較好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。