不同生物降解膜在西瓜生產(chǎn)上的應(yīng)用分析

攸學(xué)松，馬 超，王廣世，陳艷利，穆生奇，張 瑩，徐 進(jìn)*

（1.北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京 100029；2.北京市延慶區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京 102100）

農(nóng)用地膜已成為我國繼種子、化肥、農(nóng)藥之后的第4大農(nóng)資，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國每年的農(nóng)用地膜產(chǎn)量和使用量均居世界第1，預(yù)計(jì)到2024年，我國地膜覆蓋面積將達(dá)到2 200萬hm2，使用量超過200萬t[1]；但是，我國地膜回收率低，平均殘留率達(dá)20%，土壤平均地膜殘留量達(dá)60 kg/hm2[2]。地膜覆蓋技術(shù)在帶動(dòng)了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力顯著提高和生產(chǎn)方式巨大改變的同時(shí)，也帶來了一系列問題，特別是地膜的不科學(xué)使用以及有效回收環(huán)節(jié)的缺失，導(dǎo)致地膜殘留污染日益嚴(yán)重，耕地質(zhì)量不斷下降。

推廣應(yīng)用可降解地膜是解決當(dāng)前白色污染，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[3]，目前市場(chǎng)上可降解地膜類型分為全生物型和添加劑型可降解地膜。全生物可降解地膜是指以生物降解材料為主要原料制備的，在自然界中能夠通過微生物作用完全“生物降解”的地膜，降解最終產(chǎn)物為二氧化碳和水，對(duì)環(huán)境無污染[4]。添加劑型可降解地膜是指在傳統(tǒng)聚乙烯地膜生產(chǎn)過程中添加降解劑以改變地膜特性，使得聚乙烯在自然環(huán)境中被氧化，產(chǎn)生“崩解”，其降解最終產(chǎn)物對(duì)環(huán)境是否有危害還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

本試驗(yàn)以聚對(duì)苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）、聚乳酸（PLA）、聚亞內(nèi)基碳酸酯（PPC）等為原料的4種生物降解地膜為試驗(yàn)材料，以普通PE膜為對(duì)照，在小型西瓜上開展不同生物降解膜應(yīng)用試驗(yàn)，調(diào)查其在促進(jìn)生長發(fā)育、增產(chǎn)提質(zhì)方面的效果以及降解情況，以篩選出適宜在北京地區(qū)小型西瓜上推廣應(yīng)用的生物降解地膜，為其在北京地區(qū)西瓜生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京市延慶區(qū)香營鄉(xiāng)新莊堡基地，設(shè)施類型為塑料大棚，棚寬12 m、長60 m。肥力條件為中等，壤土，3月5日—4月15日播種育苗，3月25日旋耕、起壟，4月5日鋪膜，4月19日定植，吊蔓栽培。采用膜下微噴灌溉，整個(gè)生育期共澆水4次，分別為底水、伸蔓水、膨瓜水和定瓜水，每667 m2澆水量總計(jì)約110 m3；定植前每667 m2施有機(jī)肥800 kg作底肥，伸蔓期和膨瓜期每667 m2分別追施沖施肥20 kg；6月29日進(jìn)行收獲考種。

1.2 試驗(yàn)材料

供試地膜包括華盛、清田、金發(fā)、弘睿4種品牌全生物降解地膜和普通PE膜，具體特性如表1所示。供試西瓜品種為超越夢(mèng)想，種子購于市場(chǎng)。

表1 不同生物降解地膜基本情況

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理（表1），以普通PE膜為對(duì)照，以4種品牌全生物降解地膜為試驗(yàn)材料，開展西瓜覆膜栽培試驗(yàn)。每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積24 m2，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，地膜均為全畦覆蓋。

1.4 測(cè)定內(nèi)容與方法

覆膜效果指標(biāo)測(cè)定：用地溫計(jì)調(diào)查各處理不同生育期10 cm土層的地溫情況，自4月27日起，每10 d測(cè)量1次，于10：00在每個(gè)處理取3個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)溫，計(jì)算平均值；調(diào)查各處理西瓜50%植株進(jìn)入某生育期的苗齡天數(shù)和日期；成熟后每處理隨機(jī)選擇10個(gè)瓜進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，然后采用折光糖度計(jì)分別測(cè)量中心和邊際可溶性固形物含量[5-6]。

農(nóng)膜降解速率觀測(cè)：每個(gè)處理選擇1個(gè)固定樣點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)，分別觀測(cè)各處理進(jìn)入誘導(dǎo)期、開裂期、大裂期、碎裂期以及無膜期的時(shí)間。在覆膜后第30天起，每5 d進(jìn)行1次觀測(cè)，直至收獲。階段劃分：階段A—誘導(dǎo)期，指壟面地膜出現(xiàn)多處（每1 m長地膜出現(xiàn)3處及以上）≤2 cm自然孔縫的時(shí)間；階段B—開裂期，指壟面地膜出現(xiàn)＞2 cm且＜20 cm自然孔縫的時(shí)間；階段C—大裂期，指壟面地膜出現(xiàn)≥20 cm自然孔縫的時(shí)間；階段D—碎裂期，指壟（畦）面地膜出現(xiàn)碎裂，最大地膜殘片面積≤16 cm2的時(shí)間；階段E—無膜期，指壟（畦）面地膜基本見不到地膜殘片的時(shí)間。

1.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Origin 2023軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同農(nóng)膜處理對(duì)10 cm土層溫度的影響

如表2所示，P2處理的土壤溫度在4月27日和5月7日均顯著高于對(duì)照和其他處理，分別比對(duì)照高出3.5 ℃和1.5 ℃，比P4高出3.0 ℃和3.5 ℃；在5月17日，P2顯著高于除對(duì)照外的其他可降解農(nóng)膜處理，提溫效果最好；而P1、P3在5月7日、5月17日的土壤溫度則均顯著低于對(duì)照；而在生育中后期，P4在6月17日、6月27日溫度最高，均顯著高于其他處理，原因是白色地膜透光，升溫快。由此可知，P2在定植初期至授粉期的提溫效果最佳。

表2 不同農(nóng)膜對(duì)10 cm土層溫度的影響 ℃

2.2 不同農(nóng)膜降解速率觀測(cè)

由表3可知，對(duì)照在西瓜全生育期內(nèi)未出現(xiàn)明顯降解情況，P3在農(nóng)膜有效覆膜期僅出現(xiàn)誘導(dǎo)期，P1、P2、P4均出現(xiàn)了誘導(dǎo)期和開裂期。各處理地膜降解速率從大到小（降解快慢）順序分別為P4＞P1＞P2＞P3＞CK，誘導(dǎo)期最短的為P4，覆膜45 d后即出現(xiàn)≤2 cm自然孔隙，覆膜60 d后進(jìn)入開裂期，出現(xiàn)＞2 cm裂縫；P1、P2分別自覆膜后50、50 d和65、60 d進(jìn)入誘導(dǎo)期和開裂期。P3在覆膜55 d后進(jìn)入誘導(dǎo)期，90 d進(jìn)入開裂期，幾種降解農(nóng)膜至生育期結(jié)束均未進(jìn)入大裂期。因此在降解速率方面，P4、P1、P2表現(xiàn)較好。

表3 不同農(nóng)膜的田間降解情況

2.3 不同農(nóng)膜處理西瓜的生長發(fā)育情況

由表4可知，不同農(nóng)膜處理對(duì)生育期影響差異不顯著。在進(jìn)入伸蔓期，P2苗齡為35 d，比其他處理早1 d，這與其較好的提溫效果一致；在進(jìn)入開花期、膨瓜期，P2苗齡分別為53 d和64 d，對(duì)照和P3均分別為54 d和65 d，比P2晚1 d。最后，對(duì)照和P3全生育期均為96 d，P1、P2、P4的全生育期均為95 d。

表4 不同農(nóng)膜覆蓋西瓜生育期情況

2.4 不同農(nóng)膜處理對(duì)西瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

因本試驗(yàn)西瓜管理上采用人工授粉，坐瓜率基本一致，產(chǎn)量與單瓜質(zhì)量呈正相關(guān)，由表5可知，4種可降解農(nóng)膜與對(duì)照的產(chǎn)量關(guān)系為P2＞P4＞CK＞P3＞P1，其中對(duì)照組單瓜質(zhì)量為1.56 kg，折合667 m2產(chǎn)量為2 808 kg；P2單瓜質(zhì)量為1.65 kg，折合667 m2產(chǎn)量為2 964 kg，較對(duì)照顯著增產(chǎn)5.56%，表現(xiàn)最好；其次為P4，單瓜質(zhì)量為1.58 kg，折合667 m2產(chǎn)量為2 844 kg，較對(duì)照增產(chǎn)1.28%，但與對(duì)照差異不顯著；P1、P3的667 m2產(chǎn)量分別為2 160、2 406 kg，均顯著低于對(duì)照。品質(zhì)方面，P1、P2、P4中心可溶性固形物均顯著優(yōu)于對(duì)照，尤以P2最優(yōu)，較對(duì)照高出1.10百分點(diǎn)；邊際可溶性固形物方面，4種生物降解膜處理均顯著高于對(duì)照，P2表現(xiàn)最優(yōu)，為10.62%，高于對(duì)照1.25百分點(diǎn)。由于農(nóng)膜的主要作用是在生育初期保溫、提墑及抑制雜草，后期氣溫升高或會(huì)影響西瓜生長，適時(shí)降解則有利于西瓜生長，因此得出，P2西瓜產(chǎn)量與品質(zhì)表現(xiàn)均最優(yōu)。

表5 不同農(nóng)膜覆蓋的西瓜產(chǎn)量與品質(zhì)分析

2.5 不同農(nóng)膜處理的成本效益分析

如表6所示，供試4種全生物降解膜的市場(chǎng)價(jià)格相同，均為35元/kg，每667 m2用量約為5.8～6.0 kg，每667 m2成本為203～210元。普通PE農(nóng)膜價(jià)格約為10元/kg，每667 m2用量約為5.5 kg，每667 m2成本約為55元。667 m2農(nóng)膜使用總成本方面，生物降解膜比普通農(nóng)膜高出148～155元。

表6 不同農(nóng)膜投入成本比較

但在效益方面，全生物降解農(nóng)膜可在西瓜收獲后與殘秧一起粉碎還田，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完全降解，減少了單獨(dú)撿拾農(nóng)膜用工，每667 m2可減少用工1個(gè)，產(chǎn)生效益約150元。綜合來看，生物降解膜與普通農(nóng)膜之間成本與效益相當(dāng)，具備推廣價(jià)值。

3 討論與結(jié)論

近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高度發(fā)展，聚乙烯農(nóng)膜的持續(xù)使用，我國基于農(nóng)膜殘留的土壤面源污染愈發(fā)嚴(yán)重，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤環(huán)境帶來巨大的負(fù)面影響。針對(duì)這一現(xiàn)狀，國內(nèi)外相繼開展了大量的可降解農(nóng)膜研究[7-8]，包括基于玉米淀粉（CS）、熱塑性淀粉（TPS）、聚乳酸（PLA）、聚ε-己內(nèi)酯（PCL）等多糖類原材料的新配方，以及用于農(nóng)用地膜的關(guān)鍵評(píng)價(jià)以及水和光相互作用后的降解情況等，國內(nèi)亦有較為成熟的研究成果和生產(chǎn)廠商。基于此，本試驗(yàn)在北京地區(qū)小型西瓜生產(chǎn)上開展了試驗(yàn)，對(duì)所選的幾種以PBAT或PPC為主要原料的全生物降解膜開展應(yīng)用評(píng)價(jià)。

可降解農(nóng)膜的適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括覆蓋效果（對(duì)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)影響）、降解速率以及成本效益等，覆蓋效果又因作物不同而各異[9]。生物降解膜的降解速率主要取決于聚合物的結(jié)構(gòu)、誘導(dǎo)期的長短和外界的環(huán)境條件，通常同一類型可降解農(nóng)膜中，厚度越大則農(nóng)膜降解速率越慢，栽培密度越大則降解越慢，覆土部分比不覆土部分降解慢。農(nóng)膜的降解速率又通過影響保墑保溫性間接影響植株的生長發(fā)育期長短和后期產(chǎn)量品質(zhì)，因此需根據(jù)作物類型、茬口、種植模式、栽培密度、地域以及肥水等條件綜合考慮選用[10]。在西瓜生產(chǎn)上，不同地膜覆蓋對(duì)其產(chǎn)量和品質(zhì)影響不同，金發(fā)全生物降解農(nóng)膜與對(duì)照聚乙烯農(nóng)膜相比可以提高西瓜產(chǎn)量和品質(zhì)，這與白有帥等[11]研究結(jié)論類似；另外，降解速率與成本效益情況，在推廣應(yīng)用中同樣應(yīng)該得到關(guān)注。

從本試驗(yàn)可以得出，可降解農(nóng)膜中PBAT可降解膜（P1、P2）與PPC可降解膜（P4）在北京地區(qū)西瓜生產(chǎn)上運(yùn)用效果較好。從覆蓋效果、降解情況以及成本效益來看，全生物降解膜在西瓜生產(chǎn)上均可以滿足西瓜生長的需要，其中P2（金發(fā)）產(chǎn)量最高，而P4（華盛）降解效率最高，可節(jié)省后期部分撿拾成本，適合在北京地區(qū)春大棚小型西瓜生產(chǎn)中使用。但從目前來看，其經(jīng)濟(jì)效益并不十分明顯，普通農(nóng)戶或者園區(qū)在生產(chǎn)中自發(fā)使用存在困難。

因此，在推廣過程中有以下幾方面建議：一方面是加大降解膜科研投入，降低企業(yè)生產(chǎn)和銷售成本，提高其經(jīng)濟(jì)效益；另一方面是加大推廣示范力度，研究出臺(tái)針對(duì)全生物降解膜使用的獎(jiǎng)補(bǔ)政策，引導(dǎo)發(fā)展綠色生產(chǎn)。