黃瑤珠,陳明周,謝 東,楊友軍,李發(fā)勇,陳駿佳,張文樺
(1廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所,廣東 廣州 510316;2廣東省生物材料工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510316)
廣東省是我國(guó)果蔗種植的主要地區(qū)之一,主要分布于珠三角和粵北地區(qū),果蔗種植收入是農(nóng)民就業(yè)致富的重要經(jīng)濟(jì)來(lái)源之一。其中廣州為省內(nèi)最大的果蔗種植區(qū),2019年果蔗種植面積0.54萬(wàn)hm2,總產(chǎn)量65.59萬(wàn)t,平均產(chǎn)量為121.06 t/hm2[1]。地膜覆蓋栽培技術(shù)是廣州果蔗種植常規(guī)栽培技術(shù),其覆蓋率高達(dá)90%以上。
目前農(nóng)戶偏向使用超薄地膜,其機(jī)械性能較差,在使用時(shí)地膜容易破裂無(wú)法回收。部分農(nóng)戶地膜使用后揭膜回收,但回收的殘膜難處理,農(nóng)民習(xí)慣把其堆放在田邊或焚燒,導(dǎo)致水渠堵塞,污染環(huán)境,清理困難,也容易導(dǎo)致農(nóng)田澇害,影響作物生長(zhǎng)。殘膜作為一種持續(xù)性投入農(nóng)業(yè)污染物,主要成分為聚乙烯,其化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定,不易分解,在土壤可存留200~400年,導(dǎo)致地膜殘留逐年累計(jì)增加[2]。覆膜年限越久,殘留量越高,且殘膜大部分為小塊膜,且覆膜年限越長(zhǎng),殘膜的破碎程度越高,越難以回收。據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染普查,2007年全國(guó)種植業(yè)地膜殘留量為12.10萬(wàn)t,每年地膜回收率僅為80.30%;2017年我國(guó)地膜殘留量為118.48萬(wàn)t,意味著我國(guó)10年內(nèi)殘膜以年增長(zhǎng)率25.55%累積于土壤中。已有研究表明,土壤中殘膜含量為58.5 kg/hm2時(shí),玉米減產(chǎn)11%~23%,小麥減產(chǎn)9%~16%,大豆減產(chǎn)5%~9%,蔬菜減產(chǎn)14.6%~59.2%[3]。以2017年我國(guó)地膜覆蓋面積1865.72萬(wàn)hm2計(jì)算,土壤殘膜量為63.50 kg/hm2,已對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成減產(chǎn)的影響。殘膜面源污染已成為影響我省地膜覆蓋栽培技術(shù)發(fā)展的主要阻礙因素之一,地膜覆蓋栽培技術(shù)已從最初的“白色革命”演變?yōu)椤鞍咨廴尽薄?/p>
生物降解地膜是指在自然環(huán)境中通過(guò)微生物的作用而引起降解的一類塑料薄膜。日本生物降解塑料研究技術(shù)委員會(huì)將其定義為“在自然界中通過(guò)微生物作用可以分解成不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響的低分子化合物的高分子及其摻混物”[4]。相對(duì)于普通PE地膜加厚回收方法,使用生物降解地膜綜合成本更低、可實(shí)施性更強(qiáng),因此,使用生物降解地膜替代技術(shù)是解決目前農(nóng)業(yè)面源“白色污染”有效、成本較低、持續(xù)性較好的途徑。為此《中華人民共和國(guó)土壤污染防治法》中明確提出“鼓勵(lì)和支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者使用生物可降解農(nóng)用薄膜”。《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)用地膜污染防治的意見(jiàn)》,明確要求推進(jìn)傳統(tǒng)地膜回收利用和減量使用,推廣應(yīng)用安全可控的地膜替代產(chǎn)品;并明確提出了加強(qiáng)科技支撐,加大全生物降解地膜等產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的支持力度。廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所研制的作物專用型生物降解地膜具有高效保水、增溫及降解顯著等功能,并從2013年開(kāi)始,在廣東省的甘蔗[5-6]、馬鈴薯[7-9]、花生[10]、甜玉米、辣椒、瓜類等作物進(jìn)行了多年多試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)用研究,并取得了良好的效果。為了擴(kuò)大生物降解地膜的推廣應(yīng)用,2019~2020年連續(xù)2年在廣州南沙區(qū)進(jìn)行果蔗生物降解地膜田間試驗(yàn),并結(jié)合南沙區(qū)果蔗地膜管理方式布置試驗(yàn),以完善生物降解地膜在果蔗上的應(yīng)用評(píng)價(jià)。
試驗(yàn)于2019~2020年春季在廣州南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)萬(wàn)洲村,果蔗品種為黑皮果蔗拔地拉,經(jīng)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)選育提純的組培苗二代,自命名為組培一號(hào)。供試地膜為:生物降解地膜(寬40 cm,厚0.012 mm,原始重量15.345 g/m2);甘蔗普通地膜(寬40 cm,厚0.012 mm,原始重量11.000 g/m2)。
試驗(yàn)管理措施按南沙區(qū)常規(guī)地膜覆蓋栽培技術(shù)進(jìn)行,覆膜前施復(fù)合肥(N∶P∶K=15∶15∶15) 375 kg/hm2,撒施殺蟲劑防治地下害蟲;機(jī)械開(kāi)寬畦,每畦寬450 cm,畦與畦之間設(shè)排水溝,溝寬60 cm,每畦植蔗3行,行距150 cm;下種量為平均2.5段/m蔗種,每個(gè)蔗種5~8個(gè)芽;排好蔗種后用人力輪式壓膜機(jī)蓋膜。果蔗齊苗后揭膜追施復(fù)合肥(N∶P∶K=15∶15∶15) 375 kg/hm2培土。待果蔗進(jìn)入分蘗期后每20~25天追施復(fù)合肥(N∶P∶K=15∶15∶15) 1次,每次施用量為375 kg/hm2,在果蔗整個(gè)生長(zhǎng)期控制總施肥量6000 kg/hm2。
1.2.1 生物降解地膜對(duì)比田間應(yīng)用試驗(yàn)
2019~2020年連續(xù)進(jìn)行生物降解地膜對(duì)比田間應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)均設(shè)生物降解地膜、普通地膜(CK)2個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3次。其中2019年試驗(yàn)播種、覆膜時(shí)間為2019年4月2日,果蔗收獲期為2020年2月13日;2020年試驗(yàn)播種、覆膜時(shí)間2020年3月18日,果蔗收獲期為2021年2月24日。在果蔗齊苗后,覆蓋生物降解地膜和普通地膜處理均不揭除地膜,直接膜上追肥培土。
1.2.2 生物降解地膜輕簡(jiǎn)栽培技術(shù)的田間應(yīng)用試驗(yàn)
生物降解地膜輕簡(jiǎn)栽培技術(shù)試驗(yàn)于2019年4月布置。由于當(dāng)?shù)毓岱N植存在甘蔗齊苗后揭膜追肥培土的習(xí)慣,因此,在2019年2種地膜對(duì)比田間應(yīng)用試驗(yàn)基礎(chǔ)上,設(shè)置覆蓋同一地膜下揭膜或不揭膜追肥培土處理,探討在輕簡(jiǎn)栽培技術(shù)生物降解地膜對(duì)果蔗生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響,為蔗田大面積應(yīng)用生物降解地膜,實(shí)現(xiàn)果蔗輕簡(jiǎn)栽培管理及解決農(nóng)田白色污染的目標(biāo)。
地膜力學(xué)性能與透水蒸氣性測(cè)定:對(duì)生物降解地膜和普通地膜在使用前進(jìn)行。其中力學(xué)性能測(cè)定按GB/T 13022-2009《塑料 薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法》[11]、QB/T 1130-2013《塑料直角撕裂性能試驗(yàn)方法》[12]進(jìn)行;透水蒸氣性按GB 1037-2009《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗(yàn)方法 杯式法》[13]進(jìn)行。
地膜降解時(shí)期調(diào)查:不定時(shí)調(diào)查地膜降解情況(是否出現(xiàn)裂紋,裂縫、破碎程度),并判定降解情況,記錄降解各個(gè)階段出現(xiàn)的日期。其中誘導(dǎo)期為:開(kāi)始鋪膜到出現(xiàn)小裂縫的時(shí)間;破裂期:肉眼清楚看到大裂縫的時(shí)間;崩裂期:地膜裂解成大碎塊,沒(méi)有完整的膜的時(shí)間;碎裂期:地膜無(wú)大塊殘膜存在,仍有小碎片的時(shí)間;全降解期:地膜在地表基本消失的時(shí)間。
降解情況:蓋膜后約60~70天、90~100天、220~250天調(diào)查生物降解地膜的失重率。在覆蓋生物降解地膜的畦面上,隨機(jī)選取3點(diǎn),挖至埋土地膜,把0.5 m長(zhǎng)度的地膜全部取出洗凈、晾干后稱重,計(jì)算失重率,失重率(%)=(地膜原始重量-殘膜重量)/(地膜原始重量)×100。
果蔗農(nóng)藝性狀調(diào)查:在果蔗各生長(zhǎng)期,調(diào)查不同地膜處理的果蔗有效莖數(shù)、株高、莖徑、單莖重等性狀。
果蔗產(chǎn)量調(diào)查:在果蔗收獲時(shí),通過(guò)田間定點(diǎn)5 m畦面實(shí)收果蔗,并按南沙地區(qū)果蔗銷售的外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)砍去葉梢,實(shí)測(cè)果蔗蔗徑產(chǎn)量,并折算每公頃產(chǎn)量。
生物降解地膜的初始力學(xué)性能如表1所示,在同樣厚度下,生物降解地膜橫向拉伸負(fù)荷、直角撕裂負(fù)荷及斷裂標(biāo)稱應(yīng)變等指標(biāo)均優(yōu)于普通地膜;在縱向指標(biāo),生物降解地膜的拉伸負(fù)荷優(yōu)于普通地膜,但直角撕裂負(fù)荷、斷裂標(biāo)稱應(yīng)變等指標(biāo)稍差于普通地膜。從力學(xué)性能的綜合評(píng)價(jià)上,生物降解地膜優(yōu)于普通地膜。生物降解地膜滿足于GB/T 35795-2017《全生物降解農(nóng)用地面覆蓋薄膜》[14]中的力學(xué)性能要求。
生物降解地膜的透水性能如表1所示。生物降解地膜滿足于GB/T 35795-2017《全生物降解農(nóng)用地面覆蓋薄膜》[14]中的水蒸氣透過(guò)量<800g/(m2·24 h)的要求。

表1 地膜初始力學(xué)性能與透水性
在同樣厚度下,生物降解地膜的水蒸氣透過(guò)量、透過(guò)系數(shù)均明顯高于普通地膜,生物降解地膜的保水性比普通地膜差。在南沙地區(qū)3~4月降雨多,地膜覆蓋后約20天,果蔗齊苗后農(nóng)民就揭膜培土,地膜主要在完成果蔗齊苗前增溫保水作用后被揭除,在果蔗生長(zhǎng)中后期地膜并沒(méi)有起作用。與普通地膜揭膜培土比較,生物降解地膜的保水性能稍差,只要保證果蔗前期保證出苗作用,影響果蔗中后期生長(zhǎng)的程度不大。
2.2.1 生物降解地膜的降解期
在果蔗整個(gè)生育期,對(duì)生物降解地膜的降解效果進(jìn)行目測(cè)。蓋膜后30天內(nèi)甘蔗齊苗培土前,生物降解地膜已開(kāi)始出現(xiàn)降解小裂口,此時(shí)生物降解地膜已進(jìn)入降解誘導(dǎo)期;蓋膜后30~90天(約膜上培土后60天),地膜繼續(xù)降解,小裂口增加,同時(shí)出現(xiàn)大裂口,部分大裂口長(zhǎng)度超過(guò)5 cm,地膜較脆,地膜已進(jìn)行降解破裂期;蓋膜后100~150天(約膜上培土后120天),降解大裂口持續(xù)增多且脆性增強(qiáng),地膜已基本裂解成大碎塊,沒(méi)有完整的膜,此地膜已進(jìn)行崩裂期;蓋膜后180~270天(約膜上培土后150天),大裂口碎片繼續(xù)降解成小碎片,此地膜無(wú)大塊殘膜存在,仍有小碎片,地膜已進(jìn)行碎裂期;蓋膜后270~350天(果蔗收獲時(shí)),生物降解地膜在地表基本降解,已看不到殘膜小碎片,地膜已全降解。
從表2中可以看出,2019年田間試驗(yàn)中的生物降解地膜降解比2020年快,降解速度約快30天左右,這可能與2020年甘蔗生育期的降水量比2019年減少,氣溫也降低相關(guān)。據(jù)廣州市氣候公報(bào)顯示,2019年南沙區(qū)平均降雨量2077.3 mm,平均氣溫24.4℃;2020年南沙區(qū)平均降雨量1357.2 mm,平均氣溫24.2℃;而土壤含水量和溫度增加會(huì)加速生 物降解地膜的降解速度[15]。

表2 生物降解地膜的降解階段記錄(蓋膜后天數(shù)) 單位:天
從果蔗生長(zhǎng)特點(diǎn)對(duì)地膜的要求看,2年的應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明,生物降解地膜的降解速度與果蔗生育期較為吻合,其配方適宜在廣州南沙區(qū)果蔗使用,可將該配方作為大面積推廣的生物降解地膜配方。
2.2.2 生物降解地膜的降解失重率
從表3可知,生物降解地膜表現(xiàn)出隨著埋土后蓋膜時(shí)間的增加,生物降解地膜的生物降解效果越明顯,失重率也逐漸增大。蓋膜后60~70天,2019、2020年的降解失重率分別為26.74%、11.62%;蓋膜后90~100天,2019年、2020年的降解失重率達(dá)到66.37%、64.37%;到果蔗收獲時(shí),生物降解地膜已全降解,看不到殘膜,降解失重率100%。在果蔗的生長(zhǎng)前中期,2020年的生物降解地膜降解失重率比2019年稍有減少,但在果蔗生長(zhǎng)后期也達(dá)到全降解效果,與生物降解地膜的降解階段基本相吻合。從2年的生物降解地膜田間降解表現(xiàn),生物降解地膜在果蔗田間應(yīng)用具有明顯的降解效果,在果蔗收獲時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)全降解。

表3 2年田間試驗(yàn)的生物降解地膜降解失重率
覆膜后不同時(shí)期果蔗株高的調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表4,2個(gè)地膜覆蓋處理的果蔗株高整體變化趨勢(shì)一致,均隨著時(shí)間的增加,株高均逐漸增加。不同年份果蔗株高變化趨勢(shì)基本相同。其中在蓋膜后90~200天左右,果蔗生長(zhǎng)處于伸長(zhǎng)期,植株速度較快。到200天后,果蔗生長(zhǎng)速度變緩,最后株高保持在一定高度,果蔗已進(jìn)入糖分積累階段,直到砍收收獲。在同一試驗(yàn)?zāi)攴菡麄€(gè)果蔗生長(zhǎng)期來(lái)看,生物降解地膜處理的株高均稍高于普通地膜,但2個(gè)處理間差異 未達(dá)到顯著水平。

表4 覆膜后不同時(shí)期果蔗株高調(diào)查結(jié)果
分別于覆膜后160、190、250和280天調(diào)查2個(gè)蓋膜處理的莖徑,調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表5。不同年份的2個(gè)地膜處理各時(shí)期莖徑差異不大,且在160~280天期間莖徑無(wú)明顯變化,均維持在37~42 mm之間。同一年份從果蔗生長(zhǎng)中后期,生物降解地膜處理的莖徑均稍高于普通地膜,但差異未達(dá)到顯著水平。

表5 覆膜后不同時(shí)期果蔗莖徑調(diào)查結(jié)果
覆膜后不同時(shí)期果蔗單莖重的調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表6。2個(gè)地膜覆蓋處理的果蔗單莖重整體變化趨勢(shì)一致,均隨著時(shí)間的增加,單莖重均逐漸增加。同一年份從果蔗生長(zhǎng)中后期看,生物降解地膜處理的單莖重均稍高于普通地膜,但差異未達(dá)到顯著水平。

表6 覆膜后不同時(shí)期果蔗單莖重調(diào)查結(jié)果
從表7結(jié)果可見(jiàn),生物降解地膜處理與普通地膜處理比較,在株高、莖徑、單莖重等性狀差異不明顯,稍高于或等于普通地膜處理。在2019年田間試驗(yàn)中,生物降解地膜在產(chǎn)量構(gòu)成因子指標(biāo)均高于普通地膜,因此產(chǎn)量表現(xiàn)增產(chǎn),增產(chǎn)率為13.47%;2020年田間試驗(yàn)中,生物降解地膜在有效株數(shù)指標(biāo)上低于普通地膜處理,因此產(chǎn)量稍低于普通地膜,但減產(chǎn)率僅為1.90%。2種地膜處理間在同一年份的產(chǎn)量差異均未達(dá)到顯著水平,說(shuō)明覆蓋生物降解地膜對(duì)果蔗生長(zhǎng)及產(chǎn)量的促進(jìn)作用與普通地膜相同。2019年南沙區(qū)降雨量較大,生物降解地膜的降解有利于保持土壤的通氣性,有利于保持果蔗中后期的根系活力,促進(jìn)果蔗產(chǎn)量的提高;而2020年降雨量偏少,地膜的降解和水蒸氣性透過(guò)率大,可能促進(jìn)土壤水分的蒸發(fā)流失,影響果蔗生長(zhǎng),導(dǎo)致產(chǎn)量稍有減產(chǎn)。

表7 生物降解地膜對(duì)果蔗產(chǎn)量影響
以2年田間試驗(yàn)平均果蔗產(chǎn)量計(jì)算,生物降解地膜處理的果蔗平均產(chǎn)量為138.58 t/hm2,普通地膜處理的果蔗平均產(chǎn)量為131.67 t/hm2。與普通地膜比較的平均產(chǎn)量比較,生物降解地膜處理的增產(chǎn)達(dá)到5.25%。
從表8結(jié)果可見(jiàn),覆蓋生物降解地膜下的果蔗采取揭膜措施,其株高、莖徑及單莖重稍高于不揭膜,因此產(chǎn)量也稍有增產(chǎn),但增產(chǎn)率僅為6.78%,2種管理措施下的果蔗產(chǎn)量構(gòu)成因子及產(chǎn)量指標(biāo)之間的差異未達(dá)到顯著水平,因此果蔗采用生物降解地膜覆蓋栽培技術(shù),減少齊苗揭膜工序,直接進(jìn)行膜上覆蓋,也不會(huì)對(duì)果蔗生長(zhǎng)及產(chǎn)量造成不良影響,達(dá)到果蔗輕簡(jiǎn)栽培管理效果。

表8 生物降解地膜輕簡(jiǎn)栽培技術(shù)對(duì)果蔗產(chǎn)量影響
覆蓋普通地膜的果蔗采用揭膜管理措施,其有效株數(shù)、株高、莖徑及單莖重等指標(biāo)均高于不揭膜處理,其產(chǎn)量增加。株高、莖徑及單莖重等指標(biāo)兩措施間的差異未達(dá)到顯著水平,但有效株數(shù)及產(chǎn)量?jī)纱胧╅g差異達(dá)到顯著水平,其中揭膜措施的產(chǎn)量較不揭膜增產(chǎn)23.66%。普通地膜在齊苗后不揭膜導(dǎo)致減產(chǎn),原因可能是大量地膜殘留于土壤,導(dǎo)致土壤酶活性和微生物多樣性顯著下降[16],土壤肥力下降[17]和水分運(yùn)輸受阻[18],從而影響作物根系[19],導(dǎo)致減產(chǎn)。因此,在覆蓋普通地膜下,揭膜措施能夠通過(guò)促進(jìn)果蔗有效株數(shù)的增加,從而達(dá)到顯著的增產(chǎn)效果。特別在降雨量大的年份,揭膜更有利于產(chǎn)量的提高。因此,在南沙果蔗種植上,如采用普通地膜覆蓋,則需要在果蔗齊苗進(jìn)行揭膜培土,否則可能會(huì)影響果蔗生長(zhǎng)及產(chǎn)量提高。
連續(xù)2年生物降解地膜應(yīng)用于南沙果蔗種植,果蔗萌芽時(shí)均能夠穿透地膜出苗,免除人工破膜出苗的費(fèi)用,且在果蔗齊苗時(shí)直接膜上追肥培土,對(duì)果蔗生長(zhǎng)及產(chǎn)量基本沒(méi)有影響。覆膜后30天,生物降解地膜已開(kāi)始進(jìn)入降解誘導(dǎo)期,到甘蔗收獲時(shí),地膜已基本全降解,降解率達(dá)到100%,其降解速度基本與果蔗的生長(zhǎng)發(fā)育相吻合,配方比較適宜南沙果蔗使用,說(shuō)明使用生物降解地膜覆蓋技術(shù)不僅可以達(dá)到防除殘膜白色污染的目標(biāo),還可以有助于果蔗實(shí)現(xiàn)輕簡(jiǎn)栽培管理效果。
生物降解地膜的降解受到外界環(huán)境的強(qiáng)烈影響,具有很強(qiáng)的區(qū)域性,需要根據(jù)區(qū)域環(huán)境和作物需求研發(fā)專用生物降解地膜。綜合評(píng)價(jià)生物降解地膜在田間應(yīng)用的可行性,則要從幾方面進(jìn)行:產(chǎn)品上機(jī)性能、農(nóng)藝性能(增溫保墑、雜草防除等)、降解性能(降解時(shí)間、降解方式和程度等)、經(jīng)濟(jì)性(與PE地膜比較,獲取降解地膜在投入、農(nóng)作物產(chǎn)量增產(chǎn)、回收等參數(shù))的綜合評(píng)價(jià)[4]。2年的應(yīng)用試驗(yàn)表明,生物降解地膜具有良好穩(wěn)定的降解效果,地膜降解時(shí)間與果蔗不同時(shí)期的生長(zhǎng)特點(diǎn)基本相吻合,可以滿足果蔗前期增溫保水的要求,在果蔗生長(zhǎng)中后期地膜的降解提高了土壤透氣性,有助于果蔗生長(zhǎng);到果蔗收獲時(shí),地膜基本全降解,其降解徹底,不影響果蔗產(chǎn)量的提高。在南沙地區(qū),果蔗普通地膜的使用量較少,一般為37.5~45.0 kg/hm2,生物降解地膜的使用量約為普通地膜的2~3倍,如使用生物降解地膜,則在果蔗齊苗期免除揭膜及殘膜處理費(fèi)用,平均節(jié)省750元/hm2,且產(chǎn)量增加。
從果蔗生物降解地膜的多指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià),生物降解地膜可以替代普通地膜應(yīng)用于果蔗種植上,綜合經(jīng)濟(jì)效益較為明顯,經(jīng)濟(jì)可行性較高。在目前農(nóng)業(yè)殘膜面源污染日益突出的嚴(yán)峻情況下,通過(guò)采用生物降解地膜在源頭上替代減量化技術(shù),能較好地解決因長(zhǎng)期連續(xù)使用普通地膜導(dǎo)致的面源污染問(wèn)題,是一種符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的產(chǎn)品及技術(shù),建議在廣東省其他果蔗主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行應(yīng)用,進(jìn)而解決農(nóng)業(yè)殘膜面源污染,促進(jìn)廣東省果蔗產(chǎn)業(yè)綠色生態(tài)發(fā)展。