生物降解膜降解、保墒增温性能及对玉米生长发育进程的影响

王淑英，樊廷录，李尚中，张建军，赵　刚，王　磊，党　翼，姜小凤

(甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室，甘肃省农业科学院旱地农业研究所， 甘肃 兰州 730070)



生物降解膜降解、保墒增温性能及对玉米生长发育进程的影响

王淑英，樊廷录，李尚中，张建军，赵刚，王磊，党翼，姜小凤

(甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室，甘肃省农业科学院旱地农业研究所， 甘肃 兰州 730070)

摘要：通过3年试验，研究生物降解膜降解、增温保墒性能及全覆盖双垄沟播玉米苗期0～25 cm土壤温度动态和对玉米生长发育进程的影响，明确生物降解膜在生产中对普通农用地膜的可替代性。结果表明，生物降解地膜埋入土壤约30 d左右可以观测到降解效果，40 d以后开始快速降解，到80～90 d时降解可达到85%～95%，种植地膜玉米后，压入土壤或地膜上有土覆盖的部分同样有明显的降解效果，而垄上的地膜在玉米收后绝大部分仍与常规膜一样保持完好；生物降解膜保墒性能达普通农用地膜的90.4%～95.4%；作物生育前期0～25 cm土层08∶30、14∶30和20∶30平均温度比普通农用地膜低0.85℃，比露地高1.91℃；生物降解膜全覆盖双垄沟播玉米比裸地平作出苗提前5～9 d，成熟期提前11～12 d。生物降解地膜具有一定的增温、保墒作用，降低生产成本后，可在一定程度上替代不能降解的普通农用地膜。

关键词：生物降解膜；全覆盖双垄沟播；土壤温度；玉米；生长发育

Property of biodegradable film degradation, water-retention

and increasing soil temperature and its impact on maize

地膜覆盖具有增温、保墒、调水等效果，可以大幅度提高作物的经济产量[1]。研究表明，在黄土高原旱作区，地膜覆盖使玉米生育前期0～25 cm土层的日平均温度比对照提高2.2℃～3.0℃，0～10 cm土层的含水量比露地增加18.84%，玉米籽粒产量比对照增产19.16%[2]，东北地区玉米地膜覆盖增产率达35%～55%左右[3]。近年来在旱区大面积应用的全膜双垄沟播技术集垄面集流、覆膜抑蒸、垄沟种植于一体,将农田5 mm以下无效降雨蓄集于垄沟，使无效降雨叠加富集成为垄沟种植作物的有效降水，大幅度提高了旱区农田降水集流和水分利用效率[4-8]；同时，显著提高了作物生长前期的土壤温度，促进了作物生长发育，使作物叶片光能转化效率和光合速率提高[9-11]，显著提高了玉米等作物产量[12-15]。然而普通农用地膜在自然条件下很难降解，地膜覆盖栽培技术的长期大面积应用导致大量的农用地膜残留于农田，破坏土壤结构，影响农田生态环境，造成严重的“白色污染”[16]。如何合理发掘干旱半干旱地区农业资源的生产潜力，同时又能保护农田生态环境，成为中国农业可持续发展的重中之重[17]，因此，各种降解地膜应运而生，并不断用于田间试验[18-24]，降解地膜能否彻底代替普通地膜用于生产实践，除降解性能及时长、膜强度及延展性、生产成本等问题外，核心问题在于降解地膜的保墒增温性能。为此，本试验引进三菱生物降解地膜，通过生物降解地膜与普通地膜保水性比较实验、田间埋设降解程度比较和0～25 cm土层温度比较试验、全覆盖双垄沟播与裸地平作玉米对比试验，对生物降解地膜的降解性能、保墒增温能力以及生物降解地膜全覆盖双垄沟播玉米苗期土壤温度动态和效应进行研究，为解决地膜残留问题、促进降解地膜的推广应用和旱区农业可持续发展提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验分别于2011、2012年和2013年在甘肃省农业科学院旱地农业研究所的遮雨棚内(103°49′E，36°03′N)进行，棚高10 m，呈“人”字型，棚顶用透光塑材覆盖，棚侧通风。该地区海拔1 530 m,土壤为灌淤土，土质疏松，0～20 cm土壤平均有机质含量11.0 g·kg-1、全氮含量0.9 g·kg-1，全磷含量0.6 g·kg-1，pH值8.0；属半干旱温暖气候区，年平均气温9.6℃，最低气温-25℃，平均年降水量329 mm，降水主要集中在8—9月，≥10℃年活动积温3 242℃，年平均日照时数2 634 h，无霜期195 d。试验期内年降雨量2011年303.4 mm、2012年321.6 mm、2013年318.2 mm，前茬作物为春小麦。

1.2试验材料

供试玉米品种为先玉335，覆盖材料为日本三菱公司提供的生物降解膜和国内市场出售的普通农用地膜。玉米试验施纯氮240 kg·hm-2(60%基施,40%追肥)，P2O5150 kg·hm-2(100%基施)。覆盖前对所有处理喷洒除草剂，玉米生长期人工除草。

1.3试验设计

2011年膜的降解性填埋试验分别于春季和秋季进行，设生物降解膜和普通农用地膜2个处理，春季试验4月26日开始，将面积为25 cm2的地膜编号称重，填埋于15 cm深的土壤中，3个重复，每个重复50片，秋季试验8月25日开始，将1.2 m宽、10 m长的生物降解膜整体铺埋于15 cm深的土壤中；2011年膜的增温性试验设生物降解膜和普通农用地膜全覆盖垄播马铃薯2个处理。2012年保墒性试验设生物降解膜封住装水烧杯(A：生物降解膜+水)、生物降解膜封住装湿土烧杯(B：生物降解膜+土+水)、普通农用地膜封住装水烧杯(C：常规膜+水)和普通农用地膜封住装湿土烧杯(D：常规膜+土+水)4个处理，5个重复；2012、2013年玉米试验设2个处理，为裸地平作和生物降解膜全覆盖双垄沟播，裸地平作4个重复，全膜双垄沟播12个重复。

1.4测定项目及方法

春季降解性试验基本按每15天每重复挖出7片地膜，用清水漂洗干净，37℃烘12 h后称重，持续90多天，计算降解率；秋季降解性试验分别于铺埋后30、60、90 d挖开膜上15 cm覆土，观察和照相记录膜的降解情况；保墒性试验每月称烧杯重量1次，持续9个月，计算保墒率，每个重复的保墒率为9次值的平均。另外，以金属曲管地温计5支一组,分别测定5、10、15、20、25 cm土层地温，2011年马铃薯试验地温计插于垄上，2012、2013年玉米试验地温计插于沟中。采用Microsoft Excel 2003和DPSv7.05 软件进行数据处理。

降解率(%)=(地膜初始重-挖出后地膜重)/初始重×100。

保墒率(%)=(W-V)/W×100

其中，W为前一次土加水重或水重(g)；V为后一次土加水重或水重(g)。

降解性试验于2011年4月26日—8月1日、8月25日—11月24日在抗旱棚内进行；2011年马铃薯试验5月3日播种；保墒性试验于2012年1月17日—10月17日在实验室进行；玉米田间试验分别于2012年4月17日、2013年4月3日播种。

2结果与分析

2.1生物降解膜和普通农用地膜的降解性

填埋试验和全膜双垄沟播玉米试验结果(图1～图5)显示自然条件下普通农用地膜在土壤中很难降解，日本三菱生物降解膜能够在土壤中很好地降解。由于试验中挖出地膜很难彻底清洗干净，普通农用地膜每次挖出后的重量反而大于初始重量，降解率成为负数；而三菱公司生产的生物降解膜埋入土壤约30 d左右可以明显地观测到降解效果，40 d以后开始快速降解，填埋后16 d降解率为1.12%、36 d为7.37%、95 d降解率达到82.5%；从2011年分别开始于4月26日和8月25日的填埋试验地膜降解效果比较来看，4月26日填埋，60 d和90 d后的降解效果显著好于8月25日填埋后同期挖出(10月25日、11月25日)地膜的降解效果，说明气温和土壤含水量高的条件下降解效果好于气温和土壤含水量低的情况下。种植地膜玉米后，压入土壤或地膜上有土覆盖的部分同样有明显的降解效果。

图1　生物降解膜的降解率

图2　4月26日埋入土壤的生物降解膜

图3　8月25日埋入土壤的生物降解膜

图4　全膜双垄沟播试验覆土部分降解膜

图5　全膜双垄沟播试验收后垄上无土部分降解膜

图6生物降解膜和普通地膜保墒率比较

Fig.6Water retention rate of biodegradable film and common-film

2.2生物降解膜和普通农用地膜的保墒性

保墒性比较试验数据说明在室内自然条件下生物降解膜保墒性略差于普通农用地膜(图6)。A处理(生物降解膜+水)保墒率在85.2%～90.5%之间，B处理(生物降解膜+土+水)保墒率在88.6%～98.4%之间，平均保墒率分别为88.6%和94.2%；而C处理(常规膜+水)保墒率达95.1%～99.6%，D处理(常规膜+土+水保)墒率达97.2%～99.8%，平均保墒率分别高达98%和98.7%。生物降解膜保墒率比普通农用地膜低4.5%～9.4%，生物降解膜保墒性达普通农用地膜的90.4%～95.4%。LSD法分析结果表明常规膜2个处理之间无显著性差异，分别与生物降解膜2个处理都有显著性差异，而且常规膜2个处理、生物降解膜+土+水处理分别与生物降解膜+水处理差异达极显著水平。

2.3生物降解膜和普通农用地膜增温性能比较

2011年马铃薯试验地温测定结果(图7)表明，生物降解膜(J)在马铃薯生育前期(5月3日-6月27日)0～25 cm土层8∶30、14∶30和20∶30温度均低于普通农用地膜(C)。垄上5、10、15、20 cm和25 cm土层8∶30、14∶30和20∶30三个时间点平均温度降解膜比常规膜分别低0.82℃、0.79℃、0.81℃、0.84℃和0.99℃。三个时间点中14∶30两种地膜0～20 cm土壤温度差异最小，降解膜比常规膜低0.32℃～0.49℃，8∶30和20∶30两个时间点0～25 cm土层降解膜覆盖处理地温比常规膜分别低0.88℃～1.09℃和0.9℃～1.08℃，而且各层温度变化趋势基本一致；土壤不同层次中20～25 cm土层两种膜日平均温度差异最大，降解膜比常规膜低0.99℃，5～10 cm土壤两种膜3个时间点平均温度差异最小，降解膜覆盖比常规膜覆盖处理低0.79℃。

2.4玉米生长前期0～25 cm土壤温度动态

2012、2013年地温测定结果(图8)表明：玉米播种至拔节生物降解膜全覆盖双垄沟播种植行内8∶30、14∶30和20∶30三个时间点0～25 cm土壤温度平均值分别比裸地平作高2.15℃和1.66℃，并且随着时间推移，气温升高、玉米植株逐渐茂盛和膜的降解，生物降解膜全覆盖双垄沟播种植行内0～25 cm土壤温度与裸地平作的差异越来越小。2012年4月17日整地起垄覆膜、播种，生物降解膜全覆盖双垄沟播种植行内0～25 cm土壤平均温度比裸地平作4月17日—5月6日高2.71℃、5月7日—5月16日高2.61℃、5月17日—5月26日高1.8℃、5月27日—6月6日高1.51℃；2013年4月3日整地起垄覆膜、播种，生物降解膜全覆盖双垄沟播种植行内0～25 cm土壤平均温度比裸地平作4月3日—4月18日高2.77℃、4月19日—5月5日高2.02℃、5月6日—5月20日高1.13℃、5月21日—6月5日高0.72℃。

注：J—生物降解膜；C—普通农用地膜。

Note: J—biodegradable film; C—common plastic film.

图7　生物降解膜和普通农用地膜全覆盖垄上0～25 cm地温

图8生物降解膜全覆盖双垄沟播玉米苗期种植沟内0～25 cm土壤温度动态

Fig.8Temperature trends of 0～25 cm soil of furrow during corn-seedling with whole film mulching on double ridges

2.5生物降解膜全覆盖双垄沟播增温效应及对玉米发育进程的影响

两年试验结果显示生物降解膜全覆盖双垄沟播技术增温效果显著，对玉米发育进程影响非常明显(图8、表1)。2012年从4月17日播种到5月6日裸地平作玉米全部出苗，生物降解膜全覆盖双垄沟播玉米种植行内0～5 cm土层平均温度达到24.1℃，比裸地平作高2.1℃，使生物降解膜全覆盖双垄沟播玉米出苗比对照裸地平作提前5 d；5月7日—6月6日0～25 cm土层平均温度生物降解膜全覆盖双垄沟播比对照高1.97℃，玉米拔节期提前11 d，大喇叭口期提前15 d，抽雄期提前13 d，成熟期提前11 d。2013年从4月3日播种到5月5日裸地平作玉米全部出苗，生物降解膜全覆盖双垄沟播玉米种植行内0～5 cm土层平均温度达21.6℃，比裸地平作高2.2℃，其中4月3日—4月18日平均温度为18.9℃，比对照高2.23℃，4月19日—5月5日平均温度达24.2℃，比对照高2.13℃，使生物降解膜全覆盖双垄沟播玉米出苗比对照裸地平作提前9 d；5月6日—6月5日0～25 cm土层平均温度生物降解膜全覆盖双垄沟播比对照高0.93℃，拔节期提前15 d，大喇叭口期提前17 d，抽雄期提前14 d，成熟期提前12 d。

表1　生物降解膜全覆盖双垄沟播玉米发育进程

注：T—生物降解膜全覆盖双垄沟播；CK—裸地平作。

Note: T—furrow-sowing with whole film mulching on double ridges; CK—non-mulching without ridges.

3讨论与结论

3.1生物降解膜降解、增温保墒性能

生物降解膜在田间开始降解的时间，即膜的完整性持续时间。降解速率，即多长时间内大部分分解，不影响下茬作物的耕种和根系的下扎，是降解膜能够应用于生产的先决条件之一。本研究引用的三菱生物降解膜通过3年试验观测研究，结果显示该降解膜能够在土壤中很好地降解，埋入土壤约30 d左右可以观测到降解效果，40 d以后开始快速降解，80～90 d时降解可达到82%；种植地膜玉米后，压入土壤或地膜上有土覆盖的部分同样有明显的降解效果，而垄上的地膜在玉米收后绝大部分仍与常规膜一样保持完好，能起到良好的抑蒸保墒作用。保墒性试验数据显示生物降解膜保墒率比普通农用地膜低4.5%～9.4%，生物降解膜保墒性能达普通农用地膜的90.4%～95.4%，抑蒸保墒效果接近普通农用地膜，这与王敏等[15]田间试验土壤水分研究结论一致。旱区农业持续发展的第一限制因素是水分，因此旱地农田覆盖的首要功能是抑蒸保墒，在没有地膜就没有农业的甘肃中东部雨养旱作区及中国北方其它相似生态区域，抑蒸保墒依然是降解膜推广应用最主要的考核指标。三菱生物降解膜在抑蒸保墒功能方面接近普通农用地膜，并且在土壤中能够降解，可替代普通农用地膜在生产中应用，使用后对耕地长期墒情、地力和农田土壤微生态的影响尚需进一步研究。

作物生育前期0～25 cm土层8∶30、14∶30和20∶30三个时间点平均温度三菱生物降解膜比普通农用地膜低0.85℃，比露地高1.91℃，生物降解膜与普通地膜在提高土壤温度方面有着一致的效果，增温效果稍差，这与前人的研究结果基本一致[18、20、22、25]。玉米播种至拔节，生物降解膜的增温幅度最大，随着作物生育进程的推进，生物降解膜和普通农用地膜的增温效应逐渐减小，并且生物降解膜增温效应减小的更明显，这主要由于生物降解膜全覆盖双垄沟播玉米种植行内膜上覆土，而覆土生物降解膜在覆盖40 d以后开始明显降解，膜的完整性下降，增温保温效果降低。2012、2013年地温数据比较分析也充分说明，生物降解膜覆盖后时间越长，增温效果越差，由于沟播玉米种植行内覆土膜的降解，2013年(4月3日覆膜播种)同时期的覆盖增温效应远小于2012年(4月17日覆膜播种)，因此，全膜双垄沟播技术应用三菱生物降解膜不宜覆盖太早。

3.2生物降解膜增温效应及对玉米生长发育的影响

Laboski[26]等研究表明,玉米85%的根系分布在0～30 cm土层,而玉米根系发育的最适地温为20℃～24℃，本研究从播种到出苗期，2012年(4月17日—5月6日)和2013年(4月3日-5月5日)生物降解膜覆盖玉米种植行内0～5 cm土层平均温度分别达到24.1℃和21.6℃，比裸地平作高2.1℃和2.2℃，地温提高9.5%和11.4%,有效促进了玉米的出苗,生物降解膜覆盖处理的出苗比对照分别提前5 d和9 d；出苗至6月初，0～25 cm土层日平均温度比裸地平作高0.93℃～1.97℃，土壤水温协同作用促进了玉米根系和地上部分发育，拔节期提前11～14 d，大喇叭口期提前15～16 d，抽雄期提前13～14 d，成熟期提前11～12 d。生物降解膜全覆盖双垄沟播技术增温效果显著，对玉米发育进程影响非常明显，试验结果与其他学者的相关研究结论一致[18-22,24-25]。

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growth and development process

WANG Shu-ying, FAN Ting-lu, LI Shang-zhong, ZHANG Jian-jun, Zhao Gang,

WANG Lei, DANG Yi, JIANG Xiao-feng

(KeyLaboratoryofHighWaterUse-efficiencyinAridAreasofGansuProvince,DrylandAgricultureInstituteof

GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou,Gansu730070,China)

Abstract：With the extensive use of plastic film to elevate soil temperature as well as soil moisture content in arid farmland in northern of China, pollution of residual plastic film has become the urgent ecological concerns. To mitigate the pollution of farmland plastic film and improve water use efficiency in rainfed areas, three years of filed experiments were conducted to study the property of biodegradable film degradation, and its effect on soil water-retention and temperature under the planting pattern of film mulching on double ridges and growing corn in furrows. The results showed that biodegradable film was observed to be decomposed about 30 days after mulching, and began to be rapidly decomposed after 40 days, with 82% of it degraded until 80～90 days. The partially mulched film on ridge was basically the same as common plastic film remaining intact after harvesting, but the partly landfilled in furrow was decomposed significantly. Water-retention of biodegradable film was 90.4%～95.4% of common plastic film. The average temperature in 0～25 cm soil of full biodegradable film mulching on double ridges and planting corn in furrows was increased by 1.91℃ in comparison with non-mulching, and was reduced by 0.85℃ in comparison with full plastic film mulching. Emerging date was advanced 5～9 days and whole growing period was shortened 11～12 days. Degradable mulch film had the effects of increasing soil temperature, moisture-keeping, and therefore will replace common film if lowering the production cost.

Keywords:biodegradable film; full film mulching on double ridges and planting in catchment furrows; soil temperature; corn; growth and development

中图分类号：S314；S513

文献标志码：A

作者简介：王淑英(1969—)，女，甘肃临洮人，硕士，副研究员，主要从事旱地水土资源高效利用和作物抗旱生理研究。 E-mail：Wangshying@163.com。

基金项目：农业部玉米产业技术体系(CARS-02-66)；国家公益性行业科研专项(201203030)；甘肃省自然科学基金(0710RJZA098)；“十二五”农村领域国家科技计划课题(2012BAD09B03-1，2012BAD20B04-4)

收稿日期：2014-11-23

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.20

文章编号：1000-7601(2016)01-0127-07