北疆滴灌棉花的可降解地膜安全期研究

李君，何文清，刘晓伟，李志强，田玲枝，朱春梅，吕军

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部旱作节水农业重点实验室，北京 100081；2.石河子农业科学研究院，新疆石河子 832000)

北疆滴灌棉花的可降解地膜安全期研究

李君1，2，何文清1，刘晓伟2，李志强2，田玲枝2，朱春梅2，吕军2

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部旱作节水农业重点实验室，北京 100081；2.石河子农业科学研究院，新疆石河子 832000)

【目的】明确棉田地膜覆盖安全期，研究不同降解地膜对滴灌条件下土壤温度、水分、棉花产量的影响。【方法】设置5个处理，3次重复，T1～T4处理为降解地膜处理，T5为普通地膜处理。【结果】铺设第85 d(7月17日)T1处理地膜已完全降解，而T2处理地膜部分降解，T3处理地膜在第130 d(8月31日)刚发生降解，T4地膜未降解。各处理对土壤温度的增幅在4月、5月、6月分别为55.4%～62.6%、14.3%～23.5%、9.6%～14.2%，7月没有增温效应；而降解地膜的保水性能与其厚度、降解速率无关，其中T4处理保水性最好；地膜铺设85 d前降解的地膜降解时间与棉花生长发育及产量成反比，而85 d后仍未降解的地膜T3、T4、T5处理对棉花产量无显著差异。【结论】降解地膜降解时间在85 d后，即棉花花期以后可有效发挥土壤增温效应，达到稳产的效果。

降解地膜；安全期；温度；水分；产量

0 引 言

【研究意义】地膜覆盖对农业生产发挥了巨大的促进作用[1]。然而随着连年覆膜种植，耕层累积大量的地膜在地上造成对农田机械作业不便、地下阻碍土壤中水分与养分的运移，从而影响作物的生长发育，导致产量的降低，严重影响了农业生产[2-4]。为了减轻白色污染的危害，采用地膜回收技术与降解膜覆盖技术对有效降低土壤中地膜残留有重要意义。【前人研究进展】据研究表明，在玉米、油葵等作物上使用降解地膜对土壤水分、温度和作物生长的影响与普通地膜效果相当，并且其降解性表现良好[5-6]。新疆覆膜植棉面积达到130×104hm2，棉田铺膜率达到100%，每年有18 kg/hm2地膜残留于土壤中，长期覆膜的土壤中地膜残留量高达300 kg/hm2[7]。近年来使用的降解地膜有液体地膜、光降解地膜、光-生物降解地膜和完全可降解的生物地膜等类型，其降解特性及降解时间各不相同。据龚双凤等[8]研究表明，新疆棉田覆盖双降解和光降解地膜对土壤增温效果显著，但在棉花苗期发生降解的地膜对棉花产量影响较大。这是由于地膜降解过早，温度较低影响棉花现蕾、吐絮等发育进程，进而造成减产[9]。【本研究切入点】降解地膜的选择是确定地膜降解的时间和降解程度，这主要取决于材料配方，其次是环境的制约。以往研究多集中在降解地膜的降解性与替代性研究，而对新疆棉田覆盖降解地膜的时间性确定鲜有研究。研究不同降解地膜对滴灌备件下土壤温度、水分、棉花产量的影响，明确棉田地膜覆盖安全期。【拟解决的关键问题】从降解地膜对土壤温度、产量方面研究降解地膜的选择，通过明确地膜覆盖安全期，生产出既能满足作物需求，又能最大限度降低成本的可降解地膜。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2015年在石河子市农业科学研究院试验地进行。地处天山北麓中段，古尔班通古特大沙漠南缘，地理坐标位于E84°58′～86°24′，N43°26′～45°20′，属于典型的温带大陆性气候，日照充沛，全年日照时数2 074～2 668 h，年平均气温约7℃，无霜期160 d左右，年均降水量100～225.6 mm。供试土壤为灌耕灰漠土(灌淤旱耕人为土，CalcaricFluvisals)，土壤基本理化性质：有机质 14.93 g/kg ，全氮 0.92 mg/kg，有效氮 64.3 mg/kg，速效磷 15.9 mg/kg，速效钾 138.2 mg/kg，pH 7.76。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验为田间小区试验，共设5个处理，三次重复。T1、T2、T3、T4为降解地膜处理，T5为对照普通地膜处理。其中T1～T3分别为10、12、14 μm厚度的生物降解地膜，T4是光氧-生物降解地膜，其厚度与普通地膜相同均是8 μm。采用地膜覆盖和膜下滴灌技术，机械平作覆膜，2015年4月22日覆膜播种，播幅为2.25 m，1膜6行，株距9 cm的种植方式，一膜3管。其它管理方式同大田。小区面积为32.5 m2(5 m×6.5 m)，供试作物为棉花(Gossypiumspp.)，供试品种为新陆早61号。

1.2.2 样品采集与测定

分别在覆膜后的30、43、51、58、65、85、106、130 d进行降解地膜定点观察，于每条地膜宽行处相同位置放置相框(40 cm×40 cm)进行拍照。仅选择4次观测时间调查地膜降解情况，分别为30、85、106、130 d。

土壤温度：于4月21日将土壤温度记录仪(RC-4，中国)埋于各小区土壤中，探头埋设深度为10 cm，每30 min记录一次数据。

保墒性能：保墒率(%)=W1/W×100；其中W1为暴晒15 d后水杯内水体积(mL)，W为水杯内原始水体积(mL)。实验于6月将完整地膜覆盖于水杯，无遮挡暴晒15 d后测定。

韧性性能：使用拉力机(XLW(B)智能电子拉力试验机，中国)测定地膜韧性，分别在地膜覆盖后30 d、100 d取样进行测定。测得地膜拉伸负荷与拉伸位移，计算断裂伸长率，断裂伸长率=△L/L×100；△L为地膜拉伸位移(mm)，L为原始长度(mm)。

棉花产量采用小区实收法测定。

1.3 数据统计

数据采用EXCEL2007和SPSS19.0统计软件进行单因素方差分析(one-wayANOVA)。

2 结果与分析

2.1 降解地膜降解情况

研究表明，随着铺设地膜的时间延长，降解地膜发生不同程度的降解。T1型号的降解地膜于地膜铺设30 d后(5月21日)出现小型孔洞，表明地膜已开始降解，而其它处理地膜的膜面完整，表明地膜均未开始降解。在地膜铺设第85 d(7月17日)，于T1处理的定点观测处已看不见膜面，说明T1处理的降解地膜已完全降解。而此时T2处理膜面出现大面积的横向断裂面，表明T2处理的降解地膜已部分降解。直到地膜铺设第106 d(8月7日)，T3处理的降解地膜出现细小裂纹，显示T3处理的降解地膜刚发生降解。而T4处理的降解地膜膜面直到地膜铺设130 d始终完整，表明地膜未降解。降解地膜铺设后膜面均发生不同程度的降解，其中铺设第85 d T1地膜已完全降解，而T2地膜部分降解，T3地膜在第106 d刚发生降解，T4地膜始终未降解。图1

图1 降解地膜降解情况(定点拍照)
Fig.1 The degradation of different degradable mulching film

2.2 降解地膜韧性

研究表明，地膜试样直至断裂为止所受的最大拉伸应力即为拉伸负荷，试样在拉断时的位移值与原长的比值是断裂伸长率，两种指标均表征地膜的韧性能力。在地膜铺设30 d后T2、T3、T4降解地膜横向与纵向拉伸负荷均显著高于T1与T5处理，表明T2、T3、T4处理的地膜韧性较强。降解地膜处理(T1～T4)在铺设100 d后拉伸负荷较30 d均显著降低，各处理的横向断裂伸长率降低幅度分别为99%、40%、8%、8.2%和84%，而相应的纵向断裂伸长率降低幅度分别为94.7%、79.5%、80%、32.5%和23.5%。由此表明，各降解地膜处理在铺设100 d后韧性均降低。并且T1、T2处理横向纵向均发生裂解，而T3、T4处理主要为纵向裂解。表1

表1 降解地膜韧性

Table 1 The intensity of toughness of degradable mulching film

处理Treatment横向/纵向拉伸负荷(N)Horizontal/Verticaltensileload横向/纵向断裂伸长率(%)Horizontal/Verticalelongationatbreak30days100days30days100daysT119/1209/07369/4554/24T262/5543/27140/47584/140T364/4637/34100/46292/93T450/4429/12375/495344/334T516/1214/09685/345108/264

2.3 降解地膜对10 cm土壤温度的影响

研究表明，覆盖地膜在4至6月对土壤有明显的增温效果，并且随着气温的升高增温效果降低，自7月17日后地膜对土壤温度已没有增温效果，各处理间土壤温度无显著差异。进一步分析可知，各处理对土壤温度的增幅在4月、5月、6月、7月分别为55.4%～62.6%、14.3%～23.5%、9.6%～14.2%、0%。而各处理间的土壤温度在4月除T1处理最低外，其它各处理土壤温度无显著差异；T4处理与T5处理的土壤温度在5与6月无差异且显著高于T1、T2处理8%、5%和4%、3%(P<0.05)；直至7～8月各处理间的土壤温度均无差异。由此表明，T1处理的降解地膜的增温效果较差，而T4处理对土壤增温效果较好。图2，图3

研究表明，4～6月各处理的土壤月均最高温与月均温度变化趋势一致，但与7月各处理月均温度无差异不同，各处理的土壤月均最高温度差异显著，表现为：T1> T5 > T2>T4。图3D为月均最低温，除4月T5处理的土壤温度高于T4外，在5～8月各处理间土壤月均最低温度均表现为：T4>T5>T2>T1。由此可知，低温时T4型号的降解地膜具有良好的增温效应，而T1型号的降解地膜基本没有增温效果。T1处理地膜降解过早，导致在4～6月对土壤增温效应较差，其它地膜降解的越晚，增温效果越好，然而7～8月气温高、日照足，地膜对土壤温度已没有增温效果，7月17日地膜覆盖85 d后，其降解与否对土壤增温效果无显著影响。7月17日后降解的地膜T3、T4处理对棉田土壤温度有良好的增温效果。图3

图2 石河子部分气象数据
Fig.2 The part meteorological data of Shihezi

图3 不同降解地膜下10 cm土壤温度变化
Fig.3 Effect of different degradable mulching film on temperature of 10cm soil

2.4 降解地膜的保水性能

研究表明，不同降解地膜的地膜厚度不同，降解地膜T1～T3处理的厚度均高于对照T5处理，其中T3处理地膜最厚。然而各处理的保水性能表现为：T5>T4>T2>T3>T1。由此可知，地膜完整时，地膜的保水性能与其厚度无关。各处理降解时间为：T5>T4>T3>T2>T1，T1处理降解最早，在相同时间内T1处理的保水能力最低，而T3处理106 d才开始降解，其保水性能仅仅略高于T1处理，这表明地膜保水性能与降解速率无关。地膜的保水性能与其厚度、降解速率无关。表2，图1

2.5 不同降解地膜对棉花产量的影响

研究表明，降解时间的延迟与棉花生长发育及产量影响成正比。其中各处理间的单铃重与单株有效铃个数无显著差异，T1、T2处理的株高、果枝台数和产量均显著低于其它各处理，且T1处理最低。进一步分析可知，T3～T5处理与T1处理的株高相比分别增加2.8%、8.2%、8.2%，T4、T5处理与T3处理相比株高均增加5.3%。T3～T5处理的产量无显著差异但均显著高于T1、T2处理(P<0.05)，增幅为20.7%～34.1%。由此可知，地膜降解过早影响棉花生长发育、降低产量，在85 d后降解的地膜对棉花生长发育和产量已无显著影响。表3

表2 降解地膜保水性能
Table 2 The hold water ability of different degradable mulching film

处理Treatment降解天数Degradationofdays地膜厚度(μm)Filmthickness保墒性(%)WaterconservationT1301043T2511276T31061459T4130897T5130898

表3 不同处理下棉花产量与产量构成因素变化
Table 3 Effect on yield and relevant factors of cotton under different treatments

处理Treatment株高(cm)Plantheight果枝台数(台)Branchnumber单株有效铃(个)Individualeffectivefluid单铃重(g)Singlebollweight产量(kg/hm2)YieldT155755384831857±1947bT256058384933359±3798bT357366395140248±1615aT460368425040973±2144aT560368415142735±3119a

注：同列数据后不同大、小写字母表示差异显著水平(P<0.05)

Different capital and lowercase alphabets in the same column represented significant difference at 0.05 level

3 讨 论

试验中降解地膜降解时间分别为30、85、106 d、不降解。由于降解时间不同，前期气温较低时降解地膜对土壤温度的影响差异较大，降解过早的T1处理对土壤的增温效果最低，主要原因是地膜覆盖后土壤上部热能增加，而地膜降解后，近地气层的热量进行交换，蓄积的太阳辐射能量较完整覆膜少[10]。降解地膜在作物生长发育的中期对土壤温度影响较大，降解越晚的地膜对土壤增温效果较明显。然而7月后，气温高，棉花进入生殖生长与营养生长并进阶段，各项生态指标普遍增大，覆盖率大，冠层内的温度受到抑制，地膜对土壤的增温效果已不明显。这与在小麦、玉米上覆膜的研究结果一致[11-12]。试验进一步分析得出，7～8月时，白天温度较高时降解较早的地膜土壤温度较高，而低温时土壤保温效果最差，因此，不同降解时间的地膜的土壤日均温度呈现出差异不显著的结果。

试验中对地膜保水性能的测试是在无遮挡暴晒条件下测得，得出的结论为地膜固有指标。地膜的保水性能与地膜的厚度、降解速率无关，仅与地膜材质有关。然而由于覆盖时间较短，地膜降解后对水分的保持能力未测定，今后的试验中将进一步探讨。棉花各生育时期地膜的降解情况与产量呈负相关关系，在苗期发生降解的地膜产量显著低于棉花花期降解地膜，与前人研究结果一致，在棉花封垄后降解的地膜不会造成棉花减产。降解地膜在棉花不同生育时期发生降解其增温保墒增产的作用相应发生变化，试验得出不影响棉花生长发育的地膜覆盖期为播种至棉花花期，时长大于85 d。

4 结 论

4.1 生物降解地膜降解时间早于光氧-生物降解地膜，并且生物降解地膜越厚，降解时间越晚。试验中生物降解地膜最短覆盖期为30 d，最长覆盖期为130 d，光氧-生物降解地膜始终未降解。

4.2 地膜铺设85 d前发生降解的降解膜，在4～6月增温效果较差，对棉花生长发育、产量有显著降低作用。试验中铺设30 d后完全降解的地膜T1处理其增温效果最差，保水能力最低，株高、果枝台数和产量均最低，85 d后部分降解的地膜T2处理次之。降解最晚的地膜T3、T4处理，其棉花株高、单铃重、产量与普通地膜无显著差异。

通过对地膜的增温保墒作用进行分析，得出地膜保水性与其材质相关，而增温效果与降解性相关，但棉花生长85 d后地膜覆盖对土壤温度无显著增温效应。地膜铺设85 d内发生降解的地膜，在4～6月增温效果较差，保水能力低，影响了棉花生长发育进而造成产量的降低。而降解地膜完整铺设85 d完成了地膜增温作用，其后降解对棉花株高、单铃重、产量与普通地膜无显著差异。4.3 综合铺设在棉田的降解地膜对土壤温度、保墒性、降解性的表现，不影响棉花生长发育的地膜覆盖期为播种至棉花花期，完整覆盖时长大于85 d。

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Supported by:Special Fund for Agro-scientific Research in the National Public Interest"comprehensive treatment technical solution of film pollution"(201503105)；Science and Technology Program of Shi hezi in the Eighth Division of Xinjiang Production and Construction Corps "Cotton film pollution agricultural technology research and demonstration"(2014NY02)；The Ministry of Agriculture Key Laboratory of Dryland Agriculture Program "Study on the effects of biodegradable film mulching on soil environment，yield of cotton"(2016KLDA02)

Probe into Degradable Plastic Film Mulching during Cotton Safety Period under Drip Irrigation in Northern Xinjiang

LI Jun1,2, HE Wen-qing1, LIU Xiao-wei2, LI Zhi-qiang2,TIAN Ling-zhi2, ZHU Chun-mei2, LÜ Jun2

(1.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalScience,KeyLaboratoryofDrylandAgriculture,MinistryofAgriculture,Beijing100081;2.ShiheziAcademyofAgriculturalScience,ShiheziXinjiang832000,China)

【Objective】 To make clear plastic film mulching cotton safety period and study the effects of different degradation films on soil temperature, moisture and the yield of cotton under drip irrigation. 【Method】The experiment set up 5 treatments with 3 repeated times, T1-T4 treatment was for the degradation of plastic film processing, and T5 was for ordinary plastic film processing.【Result】The results showed that: the laying of eighty-fifth days (July 17th) T1 treatment, plastic film was completely degraded and only partially degraded by T2 treatment. However, degradation began after 130 days (August 31) later by T3 treatment. T4 treatment made no degradation at all. The soil temperature was increased in April, May and June between 55.4% - 62.6%, 14.3% - 23.5% and 9.6%-14.2%, by all treatments, in July it did show warming effect; and water retention performance of the membrane was not associated with its thickness and degradation rate, among them, T4 treatment produed the best water retention. Plastic film was laid 85 days ago, the plastic film degradation time was inversely proportional to cotton growing development and yield. And 85 days later, the film was not degraded by T3, T4 and T5 treatment, which showed no significant difference in cotton yield.【Conclusion】In summary, the plastic degradation time 85 days after the cotton flowering period can effectively exert the soil warming effect to achieve the stable production.

degradable mulch film; safety period; temperature; moisture; yield of cotton

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.02.002

2016-11-26

国家公益性行业(农业)科研专项“残膜污染农田综合治理技术方案”(201503105)；新疆生产建设兵团第八师石河子市科技局项目“棉田地膜污染农艺治理技术研究与示范”(2014NY02)；农业部旱作节水农业重点实验室基金“降解地膜对棉田土壤环境及棉花产量影响研究”(2016KLDA02)

李君(1988-)，女，助理研究员，硕士，研究方向为绿洲资源高效利用，(E-mail)lijun11042@126.com

吕军(1969-)，女，副研究员，研究方向为农田污染及节水农业

S562

A

1001-4330(2017)02-0206-07