全生物可降解地膜的土壤環境效應研究
——以玉溪市為例

夏鸞金玥,王帥兵*,申雨禾,黃彩霞,曾維慶,岳志強

(1.玉溪師范學院化學生物與環境學院 云南,玉溪 653100; 2.玉溪市農業環境與農村能源工作站 云南,玉溪 653100)

引言

隨著現代農業、高分子工業的迅速發展,人們對地膜的使用量也與日俱增,鋪設地膜,既能避免雜草生長,又能保持土壤溫度和水分,影響土壤酶的活性[1,2],具有增溫保墑、防病抗蟲和抑制雜草等作用,能夠顯著提高作物產量,為農業生產帶來了不錯的效益,但丟棄的農用地膜隨著光解對環境也產生了一些影響[3],主要是環境污染和資源短缺問題。廢棄的農用地膜多為合成高分子材料,耐腐蝕性較好,在自然環境中難以降解。在地膜廣泛應用的區域,農田土壤中存在不同程度的殘膜污染,而土壤中殘膜的積累會破壞土壤結構,使耕地質量下降,進而造成作物的減產[4-7]。回撿地膜人工成本高,且只能撿拾淺層地膜,進一步加重了地膜殘留,給農田生態環境以及農業生產帶來了嚴重的負面影響,引發農事操作受阻、次生環境污染等一系列問題。部分地區殘留污染日益嚴重[8],近期的一次調查顯示,在長期覆蓋的農田中,塑料的殘留總量為71.9～259.1 kg/hm2[9],進行可降解地膜對土壤環境效應的研究迫在眉睫。在可降解地膜中,全生物可降解地膜由于優秀的降解性能而得到了廣泛的應用。

煙草是玉溪的主要經濟作物之一,生物可降解地膜的覆蓋可以有效解決農田地膜的殘留現狀,開展全生物可降解地膜的土壤環境效應的研究,可以為玉溪市乃至全國可降解地膜的推廣提供數據支撐。為進一步確立可降解地膜在云南玉溪市的最適宜推廣范圍做好了基礎技術貯備;對解決土壤及環境的污染問題,保護環境,保持生態平衡,推進可持續發展,建設高原特色農業,創造良好的社會和生態效益,具有深遠的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概括

研究區域位于云南省玉溪市澄江市龍街鎮雙樹村,試驗核心區中心地理坐標為:24°39′21.79″N,102°52′21.80″E,海拔1741米左右,土壤類型為水稻土,常年平均氣溫17.2℃,極端最高氣溫33.7℃,極端最低氣溫-3.9℃。年平均日照時數為2360.5 h,年平均降水量為795.8 mm,年平均相對濕度為76%,無霜期318 d,主導方向是西南風。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣地布設

試驗示范點地塊選擇相對集中且有試驗基礎的地區,根據當地實際情況設置及地膜供應量設置不重復不同的試驗區。試驗區域內設置1個15畝的核心觀測區,能夠代表試驗點整體情況;其中全生物可降解地膜設置4個處理,共布設三種全生物可降解地膜(厚度分別為0.006 mm、0.008 mm、0.01 mm),普通PE地膜設1個處理,不覆膜設1個處理。在核心區每種參試地膜設置1個處理,3次重復;普通PE地膜覆蓋為對照處理(對照區);整個核心區設置6個處理,均為3次重復。各處理間作物品種、播種量、播期、整地、覆膜方式與施肥種類、數量、田間管理等措施一致(詳見圖1)。

圖1 核心區布設圖

表1 具體地膜布設情況

1.2.2 實驗設計

在試驗區種植烤煙,品種為烤煙K326,覆膜方式為人工覆膜,種植方式為輪作,按當地最適節令統一播種,統一種植規格,統一病蟲防治,統一測產驗收。田間重點記錄生育期、生長勢和抗逆性。通過對試驗地塊的基礎土壤理化(容重、pH值、基礎養分、溫度、水分、重金屬)進行測定,土壤溫度、水分常規測定,地膜降解定期的觀察記錄,作物生長的農事記錄(種植、覆膜、施肥、灌水、采收)等進行監測分析評價,研究不同種類全生物可降解地膜在煙草栽培上的降解情況。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤測定

土壤背景值監測采用五點采樣法,在核心區共設置5個采樣點進行采樣。覆膜結束后采用隨機均勻采樣法,共采集15組土樣數據進行測定。土壤采樣時分層采集表層土和30 cm以下土,按四分法混合均勻后分析監測。試驗點土壤理化性質監測指標為水分、容重、孔隙度、有機質含量、全氮、全磷、全鉀、速效氮磷鉀和pH值等。監測指標不同,采樣監測頻次也不同,水分指標采樣監測頻次為每周一次;其余指標于覆膜前、膜降解后分別取樣監測一次,以查明全生物降解地膜的降解過程中是否會對土壤理化性質產生影響。具體指標如下:

(1)土壤水分

使用TDR150(美國)測定土壤水分。在每個區域采用五點取樣法選擇5個點位,分別測定0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的土壤水分、土壤電導率情況。

(2)土壤溫度

使用HOBO溫度自計儀(美國)測定核心觀測區煙草整個生育期土壤中的溫度。在核心觀測區的全生物可降解地膜處理、普通PE地膜處理分別取對角線三等分進行埋設,每個區域埋設3組土壤溫度自計儀,埋深為20 cm左右,埋設總數為30個,設置每隔1 h自動記錄一次數據。監測記錄時間為2021年4月28日至2021年9月17日。每個填埋點設置醒目標識,鋪設地膜前埋設,到作物收獲后取出。

(3)土壤養分性質

覆膜前和作物收獲后在每個樣地各取一次土樣進行分析,取樣方法為5點采樣法,采樣后帶回實驗室晾干,待后期統一測定。

有機碳(SOC):重鉻酸鉀氧化-分光光度(HJ615-2011)

全氮(STN):凱氏法(HJ717-2014)

水解性氮(HN):堿解擴散法

全磷(STP):堿熔-鉬銻抗分光光度法(HJ 632-2011)

速效磷(AP):鉬銻抗比色法

1.3.2 覆膜觀測

觀測內容:記錄各參試膜破損情況(是否出現裂紋、 裂縫、破碎程度,記錄裂紋、裂縫的數量以及破碎的塊數并記錄),判定降解情況,記錄降解各個階段出現日期。

觀測時間:觀測記載人員應在栽培試驗區覆膜后前30 d,每10 d觀測一次;覆膜后31～40 d,每5 d觀測一次;覆膜后41 d起,每3 d觀測一次,直至誘導期結束(最多到覆膜后75 d);以后恢復每10 d觀測一次。記錄各參試膜破損情況,并判定降解進程。

觀測點設置:釆用固定觀測框方法觀測,每個核心觀測區按照梅花型選3個觀測點。觀測框根據作物株距及地膜幅寬確定,不小于50 cm×50 cm。

觀測要求:拍照記錄每個降解階段的場景,按照觀測間隔要求,每次觀測都拍一組照片,直至無膜期;煙草覆膜栽培試驗觀測到首個降解地膜達到誘導期、開裂期、大裂期、碎裂期和無膜期時,所有樣品分別全部拍照。每個觀測日拍照結束后,務必于當天對照片標注(膜樣編號、拍照日期、降解狀況),發現問題及時補救。在作物收獲時,降解膜表面的脆裂程度,包括整體狀況,殘膜強度測試和評價。

1.3.3 作物生長情況

(1)試驗作物及種植方式

種植品種為烤煙K326,耕作層厚度為30 cm,土壤類型為黃壤。起壟種植,壟寬0.7 m、壟間距0.4 m、壟溝深0.3 m,作物的行距1.1 m和株距0.50 m。4月20日核心觀測區移栽覆膜,移栽定植烤煙1100株/畝。

(2)作物生育狀況調查

分別于煙草不同生育期進行調查,每個時期分別記錄移栽數、成活率、株高、莖圍、葉片面積等指標。株高是指植株根莖部到頂部之間的距離,它是形態學調查工作中最基本的指標之一[10,11];莖粗的測量位置一般為地上部分的第一莖節的中部直徑;有效葉片數和單葉片面積可以幫助我們直觀的了解煙草的生長情況。

(3)產量測試

在烤煙收獲時,進行稱重測產,統計各區域煙葉干重、鮮葉重、產量、上等煙、中等煙、下等煙數目,計算折合畝產值。根據種植面積,株數、重量和當年煙草收購價格測算產量。要求將小區內雜株和非試驗因素引起的異常植株(如空桿)剔除,剔除株的產量以小區平均產量補回。

2 結果與分析

2.1 不同地膜對土壤指標影響

實驗期間不同覆膜處理下土壤積溫如表3所示。與普通地膜(E區)相比,本研究中的全生物可降解地膜30 d土壤積溫與普通地膜(E區)相比降低0.86%～8.13%,其中D區的30 d土壤積溫增減率變化最小,60 d土壤積溫與普通地膜(E區)相比降低1.35%～6.95%,其中D區的60 d土壤積溫增減率變化最小,整個作物生育期土壤積溫與普通地膜(E區)相比降低0.41%～3.50%。在作物整個生育期全生物可降解地膜土壤溫度平均低于普通地膜0.2℃～0.8℃,所有的參試地膜均具有良好的保溫效果,其中0.008 mm全生物可降解地膜表現最佳。

表2 試驗點土壤測試結果

表3 試驗點全生物可降解地膜覆蓋土壤積溫(單位 ℃)

試驗期間不同覆蓋處理下煙田的土壤水分監測結果顯示(表4),本研究中所有參試地膜與普通地膜(E區)的土壤水分沒有明顯差距。原因可能是在水分監測期間,可降解地膜仍處于誘導期,地膜的機械強度較好,保水效果與普通地膜相似,而6月中旬云南進入雨季,參試降解地膜都進入開裂期,土壤水分和普通地膜無顯著差異。綜合降雨量、作物生育情況和地膜降解等因素分析,所有參試地膜達到保水的效果。

表4 2021年試驗期間不同覆膜處理田間土壤水分情況監測表

2.2 不同地膜降解情況

地膜降解等級劃分參照張文群[12]和迪麗拜爾·迪力買買提[13]的方法,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所經歷的時間。開裂期:肉眼清楚看到地膜出現大裂縫所經歷的時間。大裂期:地膜已經裂解成大碎塊,沒有完整的膜面,出現膜大面積崩裂所經歷的時間。破碎期:地面無大塊殘膜存在,仍有小碎片時所經歷的時間。無膜期:地膜在地表基本消失的階段。

觀測結果顯示(表5),普通地膜(E區)的誘導期是最長的,而0.0008 mm的可降解地膜和普通PE地膜的開裂期較長,所有地膜進入大裂期的時間差距不大。截止到8月28日,所有參試地膜達到60±5 d的誘導期的預期指標;所有參試地膜均未進入破碎期;截至8月28日烤煙收割結束,殘膜覆蓋率都在50%以上。

表5 核心區地膜降解狀況調查表

生物可降解地膜的降解特性會影響作物的生長的水溫環境,進而影響作物產量[14]。根據實驗結果來看,可根據作物的生育期來選擇不同長度誘導期的地膜進行布設,使作物在生育期過程中保持地膜的完整性,在作物收獲之后快速進入下一階段以達到更好的降解效果。

2.3 不同地膜布設后對作物生長情況的影響

2.3.1 核心區煙草生育情況

不同地膜處理下煙草的株高、圍徑、有效葉片數、單葉片面積情況如圖2所示。

圖2 核心區不同地膜處理下煙草的株高、圍徑、有效葉片數、單葉片面積(單位:cm、mm、片、cm3)

核心區內每一區域移栽煙苗42株,均已成活,成活率達到100%,符合當地煙草生產標準(移栽成活率大于95%)。各處理下煙草的株高為110～115 cm之間,符合當地煙草生產的標準(株高:110～120 cm),各厚度間煙草株高無明顯的差異;各處理下的煙草的莖粗在11.6～12.6 mm之間,其中以B區植株的莖粗最大;有效葉片數是衡量煙草產量的重要指標之一,本研究中,各處理下的有效葉片數在18～21片之間,符合當地煙草生產標準(有效葉片18～20片);單片葉面積可以衡量煙葉的生長情況,一般來說,單位葉面積越大,煙葉的長勢越好,圖中可看出B、D兩區的單片葉面積明顯高于其他區域,而全生物可降解地膜覆蓋的區域單片葉面積高于不覆膜和覆蓋普通PE膜的區域單片葉面積,說明可降解地膜的覆蓋可有效提高煙草的單片葉面積。總體來說,本研究中所有可降解地膜生育指標均達到當地煙草生產的標準要求,可降解地膜和普通地膜沒有顯著差異,并且A區、B區、C區和D區的地膜的多數指標都要高于普通地膜和不覆膜栽培的煙草,說明本研究中所使用的可降解地膜對作物生長沒有不良影響,且0.008 mm可降解地膜綜合表現最佳。

2.3.2 核心區煙草產量

不同地膜處理下煙草的干重、鮮葉重、折合畝產、上等煙、中等煙、下等煙情況如圖3所示。

圖3 核心區不同地膜處理下煙草的產量情況(單位:kg)

由圖中可以看出,地膜覆蓋下的煙草的干重、鮮葉重和折合畝產值均高于不覆膜的,可降解地膜覆蓋下煙草的干重、鮮葉重和折合畝產值均高于普通PE地膜覆蓋下的,這些現象可以說明地膜的覆蓋對作物的產量具有一定的促進作用,而可降解地膜的效果要優于普通PE地膜。

核心區各區域的煙葉等級也有著類似的規律,地膜覆蓋下的煙草的上等煙、中等煙、下等煙數量均大于不覆膜的區域,可降解地膜覆蓋下煙草的上等煙、中等煙、下等煙數量均大于普通PE地膜覆蓋的區域,且可降解地膜覆蓋下上等煙的占比更高。

總體來看,3種厚度的可降解地膜相比普通地膜的畝產值變化范圍為-10.0%～+5%,變化不大,未造成減產。其中A、B、C和D區域可降解地膜的產量指標都要高于普通地膜栽培的煙草,剩余多數參試地膜產量、產值和普通地膜基本吻合,E和F的產量指標表現略差,但是和普通地膜差距不大。總體上看,可降解地膜對作物產量影響不大。

3 討論

在核心區布設不同的地膜后,可以得出:不同類型的地膜覆蓋對土壤的溫度水分,作物生長和作物產量具有一定影響,這與穆曉國等[15]的研究一致,在本研究中,參試地膜30 d土壤積溫與普通地膜(E區)相比降低0.86%～8.13%,60 d土壤積溫與普通地膜(E區)相比降低1.35%～6.95%,整個生育期土壤積溫與普通地膜(E區)相比降低0.41%～3.50%。在作物整個生育期全生物可降解地膜土壤溫度平均低于普通地膜0.2℃～0.8℃,但是所有參試地膜都達到良好的保溫的效果;水分監測結果顯示,本研究中所有參試地膜與普通地膜(E區)的土壤水分沒有明顯差距,6月中旬云南進入雨季參試降解地膜都進入開裂期,土壤水分和普通地膜無顯著差異。綜合降雨量、作物生育情況和地膜降解等因素分析,所有參試地膜達到保水的效果。在地膜布設的初期,可降解地膜與普通PE地膜的增溫保墑效果未出現顯著差異,其原因可能是因為在地膜布設的前期,生物可降解地膜的機械強度較好,還未發生降解。

全生物可降解地膜的降解特性會影響作物生長環境中的土壤性質,從而影響作物的生長發育和產量。對比申麗霞等[16]的研究中,光生物雙降解地膜在玉米地布設后40 d開始出現裂紋,90 d后無大塊地膜存在;高宗昌等[14]的研究中,棉田白色氧化—生物雙降解地膜覆膜后80 d開始降解,180 d后無大塊地膜存在,本研究中3種不同厚度的全生物可降解地膜在60天左右開始出現裂紋,134天左右無大塊地膜存在。各類可降解地膜的降解情況存在差異的原因是:①各地膜的所運用的地帶氣候不一,降解條件可能導致地膜降解速度存在不一致。②各地膜的布設的適用作物不一致,應該根據作物的生長周期選擇合適誘導期的可降解地膜,在地膜進入破碎期前結束作物采收。本研究中3種不同厚度的全生物可降解地膜在核心區的誘導期均達到預期的60±5 d的目標,開裂期在14～21 d,大裂有53～59 d,未進入破碎期煙草就采收結束。其中0.008 mm可降解地膜的誘導期最長,進入開裂期所需的時間較長,可降解地膜對比普通PE地膜降解速度更快,全部參試降解地膜都完成誘導期進入開裂期。從煙草生育指標和產量來看,全部參試可降解地膜生育指標和產量均達到當地煙草生產的標準要求,可降解地膜和普通地膜未表現出顯著差異,可見,參試可降解地膜對作物生長和產量沒有不良影響。總體來說,通過核心觀測區的降解情況、保溫保濕、生育和產量指標等數據來分析,參試的3種不同厚度可降解地膜都達到了普通地膜的各項指標要求,其中0.008 mm可降解地膜綜合表現最佳。

對于全生物可降解地膜的推廣使用,應該加大宣傳使用全生物降解膜的優越性,提高農戶對生物降解膜的認知,應該對相關配方進行進一步的優化, 以便更好解決高海拔地區晝夜溫差過大,作物急需增溫保墑的問題,因為云南烤煙的覆膜一般在60 d前的作用是保溫、增濕,60 d后地膜對烤煙生長無影響。建議根據不同農作物生長期、不同降解誘導期的要求及各地氣候特征、環境條件等調整產品配方,進一步加強降解膜在可控性、抗拉性、保溫性等性能研發,生產適宜區域特點、降解速率和時間可控的可降解地膜,實現對降解地膜的可控性,增加保溫保濕功能,增強地膜韌性及抗拉強度,提高生物降解膜的性能質量。開展地膜覆蓋、降解性、土壤質量等的長期定位監測,研究降解地膜與土壤質量的相互作用關系,確保耕地質量。

4 結論

(1)與普通地膜(E區)相比,全生物可降解地膜在30 d、60 d的土壤積溫均有所降低,整個作物生育期土壤積溫降低0.41%～3.50%,土壤平均溫度降低0.2℃～0.8℃。

(2)本研究中所有參試地膜與普通地膜(E區)的土壤水分沒有明顯差距。

(3)各厚度可降解地膜開裂期在14～21 d,大裂期在53～59 d,各區域的作物均在地膜進入破碎期前就采收結束,能達到預期的60±5 d的目標。

(4)參試可降解地膜覆蓋下作物的產量對比當地煙草的生產標準要求均為合格,且可降解地膜和普通地膜間未表現出顯著差異,證明參試可降解地膜并未對作物生長產生不良影響。

(5)可降解地膜的布設不影響作物產量,在做到良好的增墑保溫作用的同時,對環境的保護具有一定的作用,對農田土壤質量和土壤生態系統有積極的影響,因此可降解地膜的推廣使用是可行的。